位相シフトフルブリッジとZVS：高効率大電力変換の定番

位相シフトフルブリッジとは何か

フルブリッジは4個のスイッチ（Q1〜Q4）でトランス一次に正負の電圧を交互に印加する絶縁型トポロジで、基本構造は /power/bridge-pushpull-topologies/ で扱っています。通常のフルブリッジは対角ペア（Q1+Q4、Q2+Q3）のオン時間（パルス幅）をPWMで絞って出力を制御します。これに対し 位相シフトフルブリッジ（PSFB: Phase-Shifted Full Bridge） は、各スイッチを常にデューティ50%（オン時間固定）で駆動し、左レグ（Q1/Q2）と右レグ（Q3/Q4）の位相差φ だけで出力を調整します。

2本のレグはそれぞれ 50% 方形波を出すが、右レグを位相 φ だけ遅らせる:

  左レグ中点:  ‾‾‾‾|____|‾‾‾‾|____   （Q1とQ2が交互、各50%）
  右レグ中点:  __|‾‾‾‾|____|‾‾‾‾|     （φ だけ遅れて反転）

  一次巻線にかかる電圧 = 左中点 − 右中点
    両レグが「同じ向き」の区間 → 一次電圧 0（フリーホイール）
    両レグが「逆向き」の区間   → 一次電圧 ±Vin（電力を二次へ伝送）

  この「逆向きで重なる時間」が実効デューティ Deff = φ/180°（片極あたり）

ポイントは、出力を決めるのが個々のパルス幅ではなく対角スイッチが同時にオンしている重なり時間である点です。φを0から180°へ動かすと実効デューティが0から最大まで連続的に変わります。デューティ固定50%駆動が使えるため、後述するZVSのための共振エネルギーを各遷移で安定して確保できるのが最大の利点です。

ZVSの原理：漏れインダクタとCossの共振

PSFBのZVSは共振コンバータのような連続共振ではなく、各レグの遷移（デッドタイム）の瞬間だけに起きる過渡的な共振です。鍵になるのが2つの寄生要素です。ひとつはトランスの漏れインダクタンスLlk（必要なら外付け共振インダクタLrを足す）、もうひとつは各MOSFETの出力容量Cossです。ソフトスイッチングの一般原理は /power/resonant-soft-switching/ を参照してください。

遷移の手順はこうです。あるレグのハイサイドをオフにすると、一次電流Ipはすぐには止まれません（インダクタ電流は連続）。この電流が、オフしたスイッチのCossを充電し、同じレグのローサイドのCossを放電します。ローサイドのVdsが0Vまで下がるとボディダイオードが導通して電流の通り道ができるので、その間にローサイドのゲートをオンする。Vds=0で導通させるため重なり損が出ず、Cossもすでに放電済みなのでCoss損も出ません。

1レグのZVS遷移（デッドタイム中に Coss を充放電し切る条件）:

  放電に使える磁気エネルギー  ≧  2個の Coss を Vin まで動かすエネルギー
    (1/2) × L × Ip^2   ≧   (1/2) × (2·Coss) × Vin^2 ＋ Ctr 余裕

  L     = レグによって異なる（後述）
  Ip    = 遷移時点の一次電流（負荷が軽いほど小さい）
  →  軽負荷で Ip が小さいと放電し切れず、ZVS が外れる

この不等式のLがどのインダクタを使えるかがレグごとに違う、というのがPSFBの最重要ポイントです。

リーディングレグとラギングレグ：ZVS喪失の非対称性

2本のレグは遷移するタイミングが異なり、ZVSの成立しやすさも大きく違います。

直感的にはこうです。リーディングレグが遷移する瞬間は、まだ一次に大電流が流れている（出力チョークの電流が反射している）ので、Cossを放電する元気が十分あります。一方ラギングレグが遷移するのはフリーホイール区間（一次電圧ゼロで電力を伝送していない時間）で、このときCossを放電できるのは漏れインダクタLlkに蓄えた電流だけです。負荷電流が減るとLlkの電流も減り、放電エネルギー(1/2)Llk·Ip^2があっという間に足りなくなってラギングレグのZVSが先に外れます。

固有の損失：循環電流とデューティ損失

PSFBは「ほぼタダでZVS」が魅力ですが、ZVSを成立させる漏れ／共振インダクタが2つの固有損失を生みます。

循環電流（サーキュレーティングカレント）

フリーホイール区間では一次電圧が0なのに、漏れ／共振インダクタの電流は流れ続けます。この電流は二次へ電力を運ばず、スイッチとトランス巻線を通ってぐるぐる循環するだけです。これが循環電流で、導通損（Irms^2 × Rds(on)、巻線抵抗損）だけを増やします。Lrを大きくしてラギングレグZVSを稼ぐほどこの循環電流が増えるため、軽負荷ZVSの代償として重負荷の効率が落ちる、という前述のトレードオフの実体がこれです。

デューティ損失（デューティロス）

漏れ／共振インダクタにはもうひとつ厄介な副作用があります。伝送区間の開始時、一次電流の極性を反転させる（＋方向から−方向へ振り切る）のにLlkのせいで時間がかかります。この電流が反転し切るまでの間は、一次にVinがかかっていても二次へ有効な電圧が現れません。結果として二次側で見える実効デューティが、一次で作ったφ/180°より目減りします。

デューティ損失の正体（一次電流の極性反転に要する時間）:

  反転に必要な時間  Δt ≈ (2 · Ip · L) / Vin      （L = Llk + Lr）
  失われるデューティ ΔD ≈ Δt / (Tsw/2)  ∝  L · Iout · fsw / Vin

  Llk・Lr が大きいほど、また負荷電流・周波数が高いほど ΔD が増える
  → 二次の実効デューティ Deff,sec = φ/180° − ΔD

デューティ損失が大きいと、目標の出力電圧を得るためにトランスの巻数比を上げる（昇圧寄りにする）必要が生じ、一次電流が増えて導通損がさらに悪化する悪循環になります。ZVS範囲（Lr大）・循環電流・デューティ損失の三つ巴をどこで折り合わせるかが、PSFB設計の核心です。

LLCとの使い分け

同じ高効率絶縁DC-DCでも、固定周波数のPSFBと周波数可変のLLCは得意分野が異なります。

PSFBは出力にチョークを持つ降圧型（電流連続）なので、入力電圧や負荷が大きく変動しても出力が素直で、定電圧・定電流制御がしやすいのが強みです。バッテリ充電器やEV車載充電のように出力範囲が広い用途で好まれます。一方LLCは利得カーブが急峻で広範囲制御は苦手ですが、共振により全域ソフトスイッチングで最高効率を狙えます。制御ループの設計は /power/voltage-vs-current-mode-control/ も参照してください。

まとめ

• PSFBは全スイッチをデューティ50%固定で駆動し、左右レグの位相差φで対角オンの重なり時間（実効デューティ）を作って出力を制御する。固定周波数で各遷移のZVSエネルギーを安定して確保できる。
• ZVSは遷移のデッドタイム中に、漏れインダクタLlk（＋外付けLr）の電流がCossを充放電してVdsを0Vに落とすことで成立する。連続共振ではなく遷移時のみの過渡的ソフトスイッチング。
• リーディングレグは反射した大電流で放電するためZVSを保ちやすいが、ラギングレグはLlkの電流だけなので中〜軽負荷でZVSを先に失う。これがPSFB最大の弱点。
• 固有損失は循環電流（フリーホイール区間の無効な周回電流による導通損）とデューティ損失（一次電流反転に要する時間ぶん実効デューティが目減り）。Lrを増やすと軽負荷ZVSは広がるが両者が悪化するトレードオフがある。
• 基本構造は /power/bridge-pushpull-topologies/、ソフトスイッチング一般は /power/resonant-soft-switching/、周波数制御の対極は /power/llc-resonant-converter/、磁性部品設計は /power/inductor-transformer-design/ を参照。