2022.10.21本記事はLLCコンバータの勉強をしてみよう。いう記事の第1回目です。LLCコンバータ関連記事1回目:【電源回路】LLCコンバータの動作原理(本記事)2回目:【電源回路】LLCコンバータはなぜソフトスイッチングするのか?3回目:【電源回路】LLCコンバータの出力電圧を計算するpythonスクリプト4回目:【電源回路】LLCコンバータの設計手順1(パワーラインの設計編)5回目:【電源回路】LLCコンバータを周波数可変に修正する6回目:【電源回路】LLCコンバータの周波数特性を調べる7回目:【電源回路】LLCコンバータの設計手順2(制御設計編)8回目:【LLCコンバータ】インターリーブ運転のリップル低減効果を確認する9回目:【LLCコンバータ】出力電圧Gvf(s)の周波数特性の負荷依存性を調べる10回目:【LLCコンバータ】マルチレベル方式LLCコンバータの動作原理11回目:【LLCコンバータ】LLCコンバータの双方向動作について12回目:【双方向LLCコンバータ】双方向で電圧調整可能なCLLCコンバータについて解説13回目:【CLLCコンバータ】LLCとCLLCでは、なぜ出力電圧VSスイッチング周波数の特性が違うのか?今まで非共振コンバータをやってきて「俺はパワエレを理解したぜ!」という人を「おれ、何にもわかってないじゃん。」と絶望の谷に突き落とすコンバータです。出力電圧がどのように求まるのか?シミュレーションで出力電圧を求めてみる!というのをやってみます。誰かの参考になれば幸いです。ちなみに参考資料はこことここです。解説モード1:H-sideスイッチ=ON。Cr,Lrの共振で負荷電流が流れる。モード2:Cr,Lrの共振電流終了モード3:L-sideスイッチ=ON。Cr,Lrの共振電流が流れる。シミュレーションで動作確認スポンサーリンクまずは回路図LLCコンバータはこんなのです。教科書に良く載ってるハーフブリッジ型で話を進めます。非対称ハーフブリッジ型LLCコンバータZ1,Z2を交互にON/OFFしてVoutに電力を送ってあげます。Crが共振用コンデンサ、Lrが漏れインダクタンス、Lmが励磁インダクタンスです。トランスの漏れインダクタンスを利用して回路動作をさせているっていうのが特徴です。動きを超ざっくり言うとZ1,Z2でON/OFFして、Cr,Lr,Lmに矩形波電圧を入力する。CとLで正弦波(sin波形)状の電流が流れる。その電流が二次側に伝えられる。コンバータをやっていた人は「コンバータはDutyを制御して出力電圧or電流を一定にしている。」と理解しているかと思いますが、共振型コンバータはDutyを固定して動かします。LLCコンバータはDuty=50%固定でスイッチング周波数を制御して出力電圧or電流を一定にしています。非共振降圧コンバータだと、出力電圧の特性はこう↓Dutyによって決まりますが、Dutyによって出力電圧を制御するLLCコンバータだと出力電圧特性はこう↓スイッチング周波数fswによって決まります。fswが入ってきますし、制御ループの設計のときに考える伝達関数もΔDutyによるVoutの変化量Gdvではなくて、ΔfswによるVoutの変化量Gfvを考えます。動作原理の解説LLCコンバータは1~4までのモードがあります。モード1:H-sideスイッチ=ON。Cr,Lrの共振で負荷電流が流れる。モード1:電流経路H-sideスイッチがONして共振回路に電流ICrが流れます。二次側にはD3がONして負荷電流が流れます。この負荷電流を1次側に換算した電流がCrとLrの周波数で共振し、励磁電流はCr,Lr,Lmの周波数で共振します。二次側の負荷電流が0Aになったら、1次側のCr,Lr共振電流も無くなり、励磁電流だけになります。なるとモード2になります。モード2:Cr,Lrの共振電流終了モード2:電流経路1次側は励磁電流のみになった状態がモード2です。ICrはCr,Lr,Lmで決まる周波数で共振した電流が流れます。2次側はダイオードは両方OFFしている状態です。Cr,Lrの共振周波数とCr,Lr,Lmの共振周波数が異なるので、共振電流Icrがfr->fmに代わってぐちゃっとなっています。L-sideスイッチがONしてモード3へ移行します。モード3:L-sideスイッチ=ON。Cr,Lrの共振電流が流れる。あとはモード1の逆バージョンです。モード3:電流経路L-sideスイッチがONして共振電流がさきほどとは逆方向に流れます。それに伴い、2次側はD4がONし負荷電流が流れます。2次側のインダクタには出力電圧Voutが負電圧方向にかかりますので、その巻き線比分の電圧が1次側の励磁インダクタンスにかかります。その結果1次側の励磁電流は正の方向に流れつつもゆっくりと電流が低下していきます。モード1と同様に負荷電流が0Aとなったら、モード4へ移行します。モード4:Cr,Lrの共振電流終了モード2と同様で励磁電流のみが流れている状態です。モード4:電流経路1次側は励磁電流のみになった状態がモード2です。ICrはCr,Lr,Lmで決まる周波数で共振した電流が流れます。負荷電流が流れていないので、2次側はダイオードは両方OFFしている状態です。H-sideスイッチがONしてモード1へ戻ります。以上がLLCコンバータの動作の解説です。以下の式で計算されます。RL:負荷抵抗[Ω]意味わからん過ぎてイラついてきますね。LLCコンバータで検索をするとよく出てきます。この式のfが変数です。fはスイッチング周波数のことで、このfの値を振ることにより、出力電圧を制御します。これまでやってきた非共振コンバータのDutyの代わりみたいなイメージです。fswのグラフを描くと以下のようになります。は?これが出力電圧特性???どうやって出力電圧制御するの?って感じですが、こんな感じ↓にfm~frの間でスイッチング周波数を移動させて出力電圧を制御します。この式はあくまでも近似計算式です。fr付近では大体合うのですが、fmに近づくにつれて計算が狂ってきます。実使用上はfmのもうちょっと右の領域~frまでで使うイメージです。ちなみにこの式がどうやって出てくるのか?はここを見ると詳しく書いてあります。私もちゃんとは理解できていませんが、スイッチが交互にON/OFFして作る矩形波を正弦波に近似することによって、計算しやすくして出力電圧を解いているみたいなイメージです。偉い人たちが解いた式なので、正しさは証明されているはずです。凡人はありがたく使わして頂きましょう。シミュレーションで動作確認めんどくさい理屈はこの辺にして、とりあえず動かしてみましょう。最初にお見せした回路図です。(上で示した波形はこの回路でfsw=70kHzでシミュレーションした結果の波形です。この回路の各パラメータは以下の通りです。上で記載した出力電圧の式を使ってグラフを描くと以下のようになります。共振周波数fr=80kHz付近で出力電圧10Vくらい。励磁インダクタンスを含めた共振周波数fm=38kHz付近。シミュレーションでスイッチング周波数を1kHz~80kHzまで振って、出力電圧vsスイッチング周波数のグラフを描いてみましょう。シミュレーション結果の出力電圧波形が以下です。これじゃわけがわからないので、それぞれ平均を取って横軸fsw、縦軸Voutのグラフに書き直しました↓。fswこれを見るとびみょーに近似式に比べるとピーク周波数が高域に来て、ピーク電圧がよりとがっています。詳細は理解していませんが、、、frから離れれば離れる程、正弦波からずれていくので近似式と合わなくなっていくのだろうと理解しました。近似式を目安にしつつ、最終的にはシミュレーションで確認。見れたので、今回はこんなところで終わりにします。いや~共振コンバータは難しいっすねぇ。最後までお読みいただきありがとうございました。スイッチングレギュレータの出力がなぜ一定になるのか?みなさま、お疲れ様です。本記事は非絶縁降圧スイッチングレギュレータの勉強をしてみよう。いう記事の第4回目です。LLCコンバータを周波数可変に修正する皆様、お疲れ様です。LLCコンバータを勉強する記事の5回目です。今までのシミュレーション回路図では周波数を変えられなかったので、可変に修正しました。【単相PFCコンバータ】伝達関数Gdi(s)においてDutyは影響しないの?突然ですが、昇圧型の単相PFCコンバータ話をさせて下さい。Bridge略してPSFB)を勉強しよう!という記事の1回目です。モード制御フルブリッジコンバータの動作モデルを作ったみなさま、お疲れ様です。前にフルブリッジコンバータの動作原理を解説して、シミュレーションで動作確認しました。そのときの記事は以下です↓。良かったら読んでみて下さい。フルブリッジコンバータの伝達関数フルブリッジコンバータ↓の伝達関数について考えてみます。defined.")}))}();。