AC-DC｜설계편

절연형 플라이백 컨버터 회로 설계：트랜스 설계 (구조 설계) -제2장-

2020.02.05

키 포인트

・수치 산출에 이어, 구체적인 트랜스 구조의 설계를 진행한다.

・수치 산출과 더불어 대략적인 구조 설계가 끝나면, 트랜스 메이커 등의 협력을 통해 최종 제작을 촉진할 수 있다.

・⑤ 선재의 선정
・⑥ 결선도, 층 구성, 권선 사양
・⑦ 트랜스 사양 결정

트랜스 T1의 구조 설계 「제2장」입니다. 제1장에서는 하기 순서의 ①~④까지 설명하였습니다. 이번에는 ⑤~⑦에 대해 설명하겠습니다.

제1장
①보빈 선정
②유효 권선틀 확인
③권선 구성 결정
④연면 거리와 배리어 테이프

제2장
⑤선재의 선정
⑥결선도, 층 구성, 권선 사양
⑦트랜스 사양 결정

⑤ 선재의 선정

권선의 재료는 UEW (polyurethane enameled copper wires / 폴리우레탄 피막 동선), PEW (polyester enameled copper wires / 폴리에스터 피막 동선) 등이 일반적이지만, 소형 트랜스 등 연면 거리의 확보가 어려운 경우에는 3층 절연선을 활용합니다.

권선폭 전체에 감으면 결합도가 높아지므로, 권선폭 전체에 감을 수 있는 선 직경을 선정합니다.

선 직경은 좁을수록 기생 용량이 작고, 근접 효과 및 표피 효과의 영향이 작아지지만, 전류 밀도가 커지게 됩니다. 기준으로서 4~8A/mm² 정도가 되도록 직경을 선정합니다.

하기는 전류 밀도의 계산 예입니다. 「트랜스 설계 (수치 산출)」 편의 ②와 ③에서의 계산 결과를 사용합니다.

최대 듀티 Duty (max)=0.424, 1차측 최대 전류 Ippk＝2.32A, 2차측 최대 전류 Ispk＝12.5A로부터, 1차측의 실효치 : Iprms, 2차측의 실효치 : Isrms는 하기와 같아집니다.

여기에서 전류 밀도를 6A/mm²으로 한 경우, 선 직경은 하기의 식으로 구할 수 있습니다.

본 예제에서 2차 권선은 2층×2병렬이므로, 합계 4개가 됩니다.

※근접 효과, 표피 효과를 고려하지 않은 경우의 계산입니다.

선정한 선 직경으로 전류 밀도를 계산하여, 목표치 4~8A/mm²에 적합한지를 확인합니다.

또한, 본 계산은 근접 효과, 표피 효과를 고려하지 않은 경우의 계산입니다. 근접 효과란, 근접한 도선에 전류가 흐름으로써 여기 (励起 / Excitation)되는 자계의 영향을 받아, 전류가 도선 내를 균일하게 흐르지 않게 되는 현상입니다. 표피 효과는, 고주파 시 전류가 도선의 외부에 집중되는 현상입니다.

권선 구성에 대해서는, 「트랜스 설계 (구조 설계) -제1장-」 중 「③권선 구성 결정」의 샌드위치 권선 구성 및 하기의 「⑥결선도, 층 구성, 권선 사양」을 참조하여 주십시오.

적합한 선 직경이 없거나 특성을 더 개선하고자 하는 경우에는, 리츠선 (litz wire)을 사용하면 효과적입니다. 리츠선은 가는 선재를 여러 개 꼬은 선으로, 가는 선으로 인한 표피 효과 등의 영향을 경감하고, 여러 개의 선을 사용함으로써 단면적을 크게 할 수 있습니다.

최종적으로는 트랜스의 온도 상승을 확인하고 필요에 따라 조정합니다.

⑥ 결선도, 층 구성, 권선 사양

결선 및 층 구성에 대해서는 도식화하고, 권선 사양에 대해서는 표로 정리해 두면 편리합니다. 이는 트랜스의 프로토타이핑을 의뢰할 때 설계도의 일부로서 필요합니다.

결선도 (하기 좌측)는 전원 회로에서 어떤 핀에 어떤 신호를 접속하는지를 나타낸 것입니다. 결선은 기판 레이아웃에도 영향을 미치므로, 기판 설계를 고려하여 설정해야 합니다.

층 구성도 (하기 우측)는 결정한 구성을 나타내는 그림입니다. 여기에서는 특성을 중시하여 결합도가 높아지도록 샌드위치 권선 구성으로 선택하였습니다.

권선 사양 : 앞서 기술한 바와 같이 권선폭 전체에 감길 수 있는 선 직경을 선택합니다. 또한, 권선틀의 두께 및 방향도 허용 범위에 해당되는지 확인합니다.

⑦ 트랜스 사양 결정

수치 산출부터 구조 설계를 거쳐, 최종적으로 하기와 같은 트랜스 사양을 작성합니다.

필요한 정보로서는

・결선
・구조
・코어 · 보빈의 지정
・인덕턴스, 권선수, 선 직경
・절연 성능, 조립 지시

등이 필요합니다.

실제로 이 정도의 정보가 작성되면, 대부분의 트랜스 메이커에서는 프로토타이핑 대응이 가능할 것입니다. 트랜스 메이커에 따라서는 입출력 전압, 주파수 정도의 간단한 사양으로 프로토타입을 제작해주는 곳도 있습니다. 사양을 어느 정도까지 구체화해야 하는지는 트랜스 메이커에 문의하여 주십시오.

【자료 다운로드】 PWM 방식 플라이백 컨버터 설계 방법

실제 전원용 IC를 예로 들어 설계 방법에 대해 정리한 자료입니다. 전원 사양의 결정에서 전원 IC의 선택, 레이아웃 설계에 관한 내용 이외에도, 일반적으로 자세한 설명이 제공되지 않는 트랜스의 수치 산출 방법과 구조 설계의 구체적인 예도 게재되어 있습니다.

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