ソフトスイッチングと共振コンバータ：LLC/ZVS/ZCSの原理

ハードスイッチング損失の正体

通常のPWMスイッチング電源は、MOSFETを「電圧がかかったまま」オン・オフします。これをハードスイッチングと呼びます。遷移中は素子の電圧 Vds が下がり切る前に電流 Id が立ち上がる（またはその逆）ため、電圧と電流が同時に存在する瞬間が必ず生まれます。その積 Vds × Id が遷移時間ぶん損失として熱になります。

ハードスイッチングで損が出る理由:

  ターンオン:  Id が増え始めても Vds はまだ高い
  ターンオフ:  Vds が立ち上がっても Id はまだ流れている
  → どちらも「電圧 × 電流」が重なる区間（オーバーラップ）が生じる

  重なり損(1回): E_sw ≈ (1/2) × Vds × Id × t_sw
  電力に直すと:  P_sw = E_sw × fsw     ← 周波数に正比例

損失はもう一つあります。MOSFETの出力容量 Coss に蓄えた電荷を、ターンオンのたびに素子内部で短絡放電する Coss 充放電損 です。これは (1/2)×Coss×Vds^2×fsw で効き、やはり周波数に比例します。スイッチング損失の内訳と、ミラープラトーによる遷移の遅さは /power/mosfet-switching-physics/ で詳説しています。

ソフトスイッチング：ゼロで切る

発想は単純です。重なり損は「電圧か電流のどちらかがゼロの瞬間にスイッチを切り替えれば消える」。共振回路（インダクタとコンデンサ）を使ってスイッチング瞬間に電圧または電流をゼロへ持っていき、その谷でオン・オフします。

ZVS：電圧をゼロにしてからオンする

MOSFETでは Coss 充放電損とターンオン損が支配的なので、効くのはZVSです。手順はこうです。オフ期間に共振電流でスイッチの Coss を放電させ、Vds を0Vまで引き下げる。電圧が0になるとボディダイオードが導通し電流の通り道ができるので、その間にゲートをオンする。Vds=0 で導通させるから重なり損が出ず、放電済みなので Coss 損も出ません。

ZVSの成立条件（ハーフブリッジの例）:

  デッドタイム中に、回路の電流 I が
  両スイッチの Coss(合計 2×Coss) を充放電し切る必要がある
    (1/2)×Lr×I^2  ≥  (1/2)×(2×Coss)×Vin^2
  → 蓄えた磁気エネルギーが容量エネルギー以上なら 0V に到達できる

  軽負荷で I が小さいと放電し切れず ZVS が外れる（後述のLLC設計の肝）

ZCS：電流がゼロを通る瞬間にオフする

IGBTのようにターンオフ後も尾を引く電流（テール電流）が大きい素子では、電流自体をゼロにするZCSが有効です。共振で素子電流を正弦波状に流し、その電流が自然にゼロを横切る瞬間にゲートをオフすれば、Id=0 なので重なり損もテール損も出ません。LLCでは二次側の整流ダイオードがこのZCSで動き、逆回復損を抑えます。

LLC共振コンバータ：高効率電源の主流

現在のサーバー電源・ノートPCアダプタ・大型ディスプレイ電源で広く使われるのがLLCです。名前は共振に関わる3つの要素 ── 共振インダクタ Lr、励磁インダクタ Lm、共振コンデンサ Cr（L・L・C）に由来します。一次側はハーフブリッジで方形波電圧を作り、そのLr-Cr直列共振タンクを通して、トランス（/power/isolated-converter-transformer/）経由で二次へ電力を渡します。

LLCの構成（直列共振 + 並列の励磁インダクタ）:

  ハーフブリッジ ──→ Lr ── Cr ──→ [トランス一次, 並列に Lm] ──→ 二次整流

  二つの共振周波数を持つのが特徴:
    fr1 = 1 / (2π√(Lr·Cr))            ← Lr と Cr だけの直列共振（高い方）
    fr2 = 1 / (2π√((Lr+Lm)·Cr))       ← Lm も効く共振（低い方）

  制御は周波数で行う = PFM（Pulse Frequency Modulation）
    デューティ比は固定50%。fsw を動かして出力電圧を調整する

なぜLLCは広い範囲でZVSを保てるのか

LLCの巧妙さは、利得を「周波数」で制御する点にあります。スイッチング周波数 fsw を共振点 fr1 付近で動かすと、共振タンクのインピーダンスが変わり利得（出力電圧比）が連続的に変化します。

ポイントは、動作点を必ず誘導性（インダクティブ）領域に置くことです。共振タンクが誘導性に見える周波数帯では、電流が電圧より遅れて流れるため、各スイッチがオンする直前にちょうど Coss を放電する向きの電流が確保されます。これが先述のZVS成立条件 (1/2)Lr·I^2 ≥ (1/2)(2Coss)Vin^2 を満たし続ける仕組みで、ほぼ全負荷域で一次側ZVSが自動的に成立します。さらに二次側の整流ダイオードは共振電流がゼロを横切る点で電流が切れるためZCSとなり、逆回復損も小さくなります。

ハード vs ソフト：使い分け

ハードスイッチングは制御が素直で広い負荷に強く、補償設計も確立しています（/power/pwm-feedback-control/）。一方ソフトスイッチングは効率・密度・EMIで圧倒的ですが、共振タンクの設計と周波数制御、軽負荷でのZVS維持が難所です。素子側ではZVSと相性の良い低 Coss のMOSFETやGaNが効きます（素子の選択は /power/power-semiconductor-map/）。

まとめ

• ハードスイッチング損は遷移中の電圧電流オーバーラップと Coss 充放電損で、どちらも fsw に比例する。これが高周波化＝効率悪化の壁になる。
• ソフトスイッチングは共振でスイッチング瞬間の電圧（ZVS）か電流（ZCS）をゼロにし、重なりを消して遷移損をほぼゼロにする。効率・密度・低EMIを同時に得られる。
• ZVSは Vds=0 でオンしてターンオン損と Coss 損を消す（MOSFET向き）、ZCSは Id=0 でオフしてターンオフ・テール損を消す（IGBT向き）。
• LLCは Lr・Lm・Cr の共振を使い、デューティ固定で fsw を動かす（PFM）。誘導性領域に留めることで広い負荷域で一次ZVS・二次ZCSを両立し、高効率DC-DCの主流になっている。
• 損失の物理は /power/mosfet-switching-physics/、電源の基礎は /power/smps-principles/、絶縁トランスは /power/isolated-converter-transformer/、制御は /power/pwm-feedback-control/、素子選定は /power/power-semiconductor-map/ を参照。