動作原理
DAB（デュアルアクティブブリッジ）コンバータは、2 つのフルブリッジを高周波トランスと直列インダクタンスで接続したものです。電力は位相が進んだブリッジから遅れたブリッジへ流れ、その量は 2 つの方形波電圧間の位相シフトで決まります。両方のブリッジが能動素子なので電力は双方向に流せ、バッテリー充電器、蓄電システム、半導体変圧器（SST）でよく使われます。
SPS（シングルフェーズシフト）変調はブリッジ間に 1 つの位相シフト d だけを使います。シンプルですが、電圧変換比 M が 1 から離れると大きな無効循環電流が流れます。DPS（デュアルフェーズシフト）は各ブリッジ内に内部位相シフトを加え、TPS（トリプルフェーズシフト）は独立した内部位相シフトを使います。どちらも電流ストレスを減らし、ZVS 範囲を広げます。
SPS の場合、この計算ツールは最大電力と選んだ最大位相シフトから直列インダクタンスを設計し、選択した動作点での位相シフトを求めます。さらにスイッチの寄生容量の影響を含めて、ゼロ電圧スイッチング（ZVS）の必要十分条件を確認します。
DPS と TPS の結果は基準電力 P_N で正規化されるため、異なる設計を直接比較できます。これらのモードでは L を V2 側換算で入力してください。SPS の結果を使う場合は L_k に n² を掛けます。ここで d はスイッチング半周期に対する比率、n = N2/N1 です。定義は論文によって異なるため、他の資料と比較する前に確認してください。
設計手順
- 1動作範囲を決めます。V1、V2 の最小値と最大値、電力範囲、スイッチング周波数です。
- 2最も一般的な動作範囲で M = V2 / (n · V1) が 1 に近くなるように巻数比を選びます。ZVS と RMS 電流は M = 1 付近で最良になります。
- 3全電力時の最大位相シフト d_max を選びます。d_max が小さいほどインダクタンスが小さく RMS 電流も低くなりますが、制御の余裕は減ります。0.25〜0.35 程度が一般的です。
- 4最大電力点での電力の式から直列インダクタンスを計算し、動作範囲の他のコーナーでの位相シフトと ZVS 条件を確認します。
- 5軽負荷時や M が 1 から大きく外れるときに ZVS が失われる、または RMS 電流が高すぎる場合は、DPS または TPS 変調に移行して電流ストレスを比較します。
計算式
- 電圧変換比
- M = V2 / (n · V1)
- SPS 伝達電力（L_k は V1 側換算）
- P = d · (1 − d) · V1 · V2 / (2 · n · f_s · L_k)
- 直列インダクタンス（設計 1）
- L_k = (1 − d_max) · d_max · V1 · V2_max / (2 · n · f_s · P_max)
- DPS/TPS の基準電力（L は V2 側換算）
- P_N = n · V1 · V2 / (8 · f_s · L)
計算例
V1 = 48 V、V2 = 400 V、1 kW、100 kHz、d_max = 0.35 で n を空欄にすると n = V2_max / V1 ≈ 8.33 となり、定格電力で M = 1 になります。設計結果は V1 側換算で L_k ≈ 2.6 µH、インダクタのピーク電流は約 32 A です。
よくある間違い
- n、d、および L をどちら側に換算するかの規約を混同すること。論文やシミュレーションと比較する前に、各式がどちら側を前提にしているか確認してください。
- 全電力時に d を 0.5 に近づけること。電力は d = 0.5 で最大になるため、過渡時の制御余裕が残りません。
- トランスの漏れインダクタンスを無視すること。これは外付けの直列インダクタンスに加算されます。
- ZVS を全電力時だけで確認すること。SPS は通常、M ≠ 1 のとき軽負荷でまず ZVS を失います。
よくある質問
SPS の代わりに DPS や TPS を使うべきなのはどんなときですか？
バッテリー電圧範囲が広い場合など、電圧変換比が 1 から大きく外れると、SPS は軽負荷で ZVS を失い、RMS 電流も増えます。DPS と TPS は制御が複雑になる代わりに、両方の問題を軽減します。
位相シフト d とは何ですか？
d は 2 つのブリッジ電圧間の位相シフトを、スイッチング半周期に対する比率で表したものです。通常の動作範囲は 0 < d ≤ 0.5 で、d = 0.5 で最大電力が伝達されます。
ZVS の確認に寄生容量が含まれるのはなぜですか？
次のスイッチがオンする前にスイッチの出力容量を充放電できるだけの電流が、スイッチング瞬間のインダクタに流れている必要があるからです。容量が大きいほど多くの電流が必要です。
計算結果は工学的な推定値です。データシート、シミュレーション、実測で設計を確認してください。