より効率的なDC-DCコンバーターの構築：300 W絶縁型DC-DCコンバーターの効率評価と損失解析

300 WのDC-DCコンバーター評価ボードを製作し、その損失を考察しました。簡略化した回路図を図2に示します。

この回路では、一次側（入力側）が入力となり、2本のレグと4個のスイッチング・デバイス（TR₁、TR₂、TR₃、TR₄）があります。二次側（出力側）には2つのデバイス（TR₅とTR₆）があり、これらは同期整流用です。さらに、静電容量 C₂とインダクター L₂による出力平滑フィルターが含まれます。入力電圧はVi、出力負荷はR_L、V_sync1とV_sync2はそれぞれTR₆とTR₅のドレイン電圧です。TR₅とTR₆には、2つのMOSFETが並列に接続されていることに注目してください。

このコンバーターは、フェーズシフト・フルブリッジ（PSFB）トポロジーを使用して12 Vを出力します。出力電圧は、TR₁-TR₂レグとTR₃-TR₄レグ間の位相シフト動作により、50 %のデューティー・サイクルで安定化されます。ハイサイドMOSFETとローサイドMOSFET間のデッドタイムにおける貫通動作を防止するため、ゼロ電圧スイッチング（ZVS）が行われ、電力変換器のスイッチング損失を低減させています。

表1に300 W DC-DCコンバーターの入出力特性を示します。

全8つの動作モード時の波形を図5にまとめます。これらの簡略化した波形には、スイッチング素子TR₁～TR₆のゲート電圧（V_G）とドレイン電流（I_D）、TR₅とTR₆のドレイン・ソース間電圧（V_sync1, V_sync2）、端子間電圧（V_L2）とインダクター L₂の電流（I_L2）が描かれています。電流はソースからドレインに流れるため、TR₅とTR₆を流れる電流は負と表記されていることに注意が必要です。

効率の計算式は以下の通りです。

効率 = (V_out × I_out) / (V_in × I_in) × 100 [%]

図6に、300 W絶縁型DC-DCコンバーター回路の効率を評価するための設定を示します。V_in, I_in, V_out, およびI_outは、以下の条件下で、2パターンのスイッチング素子の組み合わせにて測定しました。
V_in=48 V, V_out＝12 V, T_a (周囲温度) ＝25 ℃
I_out：1 A, 3 A, 5 A, 7 A, 10 A, 14 A, 16 A, 18 A, 20 A, 25 A
DC-DCコンバーター回路基板は、近くに設置した冷却ファンを使って強制空冷しています。

図7(a)～(c)は、TPH2R408QMとA社製MOSFETを使用した効率カーブを比較したものです。予想通り、TPH2R408QMは中負荷と重負荷で最も高い効率レベルを示しています。このような負荷では、導通損失が支配的であり、TPH2R408QMはドレイン・ソース間のオン抵抗が小さいからです。最大効率は出力負荷16 Aで94.83 %、全負荷25 Aで94.12 %となっています。

一方、A社製MOSFETのドレイン・ソース間オン抵抗はTPH2R408QMより約16 ％大きく、出力負荷16 A時の効率は94.65 ％、全負荷25 A時の効率は93.89 ％です。

図8は、両タイプのMOSFETの素子温度と出力電流の関係を示しています。注目すべきは、TPH2R408QMの温度が常に45 ℃以下であり、A社製MOSFETよりも発熱が少ないことを示していることです。

損失解析は、損失解析専用に設計された高精度デバイスモデルを用いたシミュレーター回路を使って行いました。評価ボードではフェーズシフト・フルブリッジPWMコントローラーICを使用していますが、このシミュレーション回路では電圧・電流センシングに応じてフィードバックを行う代替制御モデルを使用しています。シミュレーション回路を図9に示します。トランスとリアクトルは実測結果に基づいています。シミュレーション設計の詳細については、アプリケーションノートを参照してください。

シミュレーションが検証された後、二次側MOSFETの損失定義に関連した結果が得られました。図10は、IとVの定義、二次側MOSFETのタイミングチャート、タイミングチャートに基づく各損失形態の算出方法を示しています。各損失区間は時間の区切りに基づいており、6種類の損失が計算されました。

TPH2R408QMの場合の2次側MOSFETの損失解析結果を図11にプロットします。支配的な損失は、ボディーダイオードのリカバリ損失 (E_recovery) (これは電流の影響を受けにくい) と導通損失 (E_sync) であり、これは出力電流とともに増加します。このことは、逆回復電荷量が低く、ドレイン・ソース間のオン抵抗が低いMOSFETが最も効率的な選択であることを示しています。