AC-DC｜설계편

절연형 플라이백 컨버터 회로 설계：주요 부품 선정 – MOSFET 관련 제1장

2020.03.11

키 포인트

・스위칭 트랜지스터 (MOSFET)는 주로 드레인 – 소스간 내압, 피크 전류, ON 저항으로 인한 손실, 패키지의 허용 손실을 고려하여 선정한다.

・탁상에서의 계산만으로는 적절한 선정이 어려우므로, 경험치나 실측치가 필요하다.

8A_mosfet

트랜스 설계가 끝나면, 다음으로는 스위칭 소자를 선정합니다. 여기에서는 MOSFET Q1을 선정하고 관련 회로를 구성해 보겠습니다.

먼저 스위칭 전압 및 전류 등을 고려하여 MOSFET Q1을 선정합니다. 이 부분은 본 편에서 설명하겠습니다.

다음으로 MOSFET의 게이트 드라이브를 조정하는 회로, 다이오드 D4, 저항 R5, R6을 결정합니다. 그리고, 전류 제한과 슬로프 보상에 필요한 전류 검출 저항 R8도 결정합니다. 이 부분에 대해서는 다음 편 「주요 부품 선정 – MOSFET 관련 제2장」에서 설명하겠습니다.

그럼, 먼저 회로 동작에 대해 설명하겠습니다. IC의 OUT (PWM 출력)으로부터의 신호는, MOSFET Q1이 바르게 동작하도록 D4, R5, R6을 통해 조정되어, MOSFET의 게이트를 구동합니다. MOSFET Q1은 트랜스 T1의 1차측에 입력된, 정류된 고전압을 ON / OFF하여, 그 에너지를 2차측으로 전달합니다. Q1은 ON 시에 Ids가 흐르지만 무제한으로 흘릴 수는 없으므로, R8을 사용하여 전류를 검출하고 제한을 실행합니다. 「절연형 플라이백 컨버터 회로 설계」 편의 전체 회로를 참조하여 주십시오.

MOSFET Q1 선정

먼저 염두에 두어야 할 것은, 탁상에서의 계산만으로는 MOSFET를 선정하기 어려우므로 경험치가 필요하다는 점입니다. 그리고, 최종적으로는 실제 기기를 사용하여, 어느 정도의 디레이팅 (derating)이 필요한가를 확인한 후 MOSFET를 결정해야 합니다.

MOSFET 선정 시의 기본적인 검토 사항을 하기에 정리하였습니다.

최대 드레인 – 소스간 전압 (Vds)
피크 전류
ON 저항 (Ron)으로 인한 손실
패키지의 최대 허용 손실 (Pd)

경험이 부족한 경우, 아무런 근거가 없으면 선택의 여지가 없으므로, Vds와 Ids를 모두 검토합니다.

① Vds (max)

하기 식에서 Vds (max)를 구할 수 있다.

Vds (max) = Vin (max)+VOR+Vspike
=264V×1.41＋(12V＋1V)×30/6＋Vspike＝437V＋Vspike*

VOR : VO＝Vout＋V_F에 트랜스 권선비 Np : Ns를 곱한 것. 「트랜스 설계 (수치 산출)」 참조.
Vin (max) : 대응하는 최대 AC 전압의 피크 (264V×√2)
Vspike : 스파이크 전압

*Vspike는 산출이 어려우므로, 본 예제에서는 스너버 회로 추가를 전제로 하여, 경험치를 바탕으로 약 400V로 한다.

② Ids

Ids는 기준치로서 Ippk×2 정도의 제품을 선정한다. 「트랜스 설계 (수치 산출)」에서 Ippk＝2.32A

Ids＝2.32×2＝4.64A

이를 바탕으로 Vds (max)는 800V 정도, Ids가 5A 정도인 MOSFET를 선정합니다. 예제의 회로에서는, 로옴의 R8005ANX (800V, 5A)를 선정하였으며, 이 MOSFET의 ON 저항은 1.6Ω, 패키지는 TO-220F입니다.

다음으로는 이 MOSFET를 사용하여 실제 회로에서 Vds, Ids, 그리고 발열을 측정하고, 디레이팅이 충분한지 확인합니다. 입력전압이 낮은 경우에는 MOSFET의 ON 시간이 길어져, ON 저항 Ron 손실로 인한 발열이 커지므로, 특히 월드 와이드 입력 (AC85V~AC264V)의 경우에는 주의해야 합니다. 필요에 따라, 히트싱크를 사용하여 방열 대책을 실시합니다.

MOSFET의 메이커에 따라서는, 손실의 측정 방법 및 평가 방법을 제시해 놓은 경우가 있습니다. 하기는 그 예이므로 참고하여 주십시오.

・Tech Web Si 파워 디바이스 기초편 : 실제 동작에서 트랜지스터의 적합성 확인

・로옴 웹 사이트 : 트랜지스터의 선정 – 안전하게 사용하기 위한 선정 방법

・로옴 웹 사이트 : Junction 온도 – 소자 온도 계산 방법

이것으로 MOSFET 선정이 완료되었습니다. 게이트 드라이브 조정 회로와 전류 검출 저항에 대해서는 「주요 부품 선정 – MOSFET 관련 제2장」에서 설명하겠습니다.