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2020.02.05 AC/DC

절연형 플라이백 컨버터 회로 설계:트랜스 설계 (구조 설계) -제1장-

AC/DC PWM 방식 플라이백 컨버터 설계 방법

앞서 설명한 수치 산출에 이어, 트랜스 T1의 구조 설계에 대해 설명하겠습니다. 보통 전자부품만을 사용하여 설계하는 경우가 많은 분들에게는 코어 및 보빈, 권선을 조합하고, 경험치와 같은 요소도 필요로 하는 트랜스 설계는 생소하게 느껴질 수도 있습니다. 그러나, 전원 설계 특히 AC/DC 컨버터, 절연 컨버터에는 중요한 부품이므로, 적어도 본 내용을 통해 순서와 필요한 검토 사항에 대해 이해해두면 좋을 것입니다.

트랜스 T1의 구조 설계는 하기와 같은 순서로 진행합니다.

6A_ckt_t1

①보빈 선정
②유효 권선틀 확인
③권선 구성 결정
④연면 거리와 배리어 테이프
⑤선재의 선정
⑥결선도, 층 구성, 권선 사양
⑦트랜스 사양 결정

본 편에서는 「제1장」으로서 ①~④까지, 다음 「제2장」에서는 ⑤~⑦까지 설명하겠습니다.

① 보빈 선정

보빈에는 그림과 같이 종형 (Vertical usage), 횡형 (Horizontal usage)이 있으므로 (코어 사이즈에 따라서는 둘중 하나만 있는 경우도 있음), 높이와 실장 면적을 고려하여 선정합니다.

또한, 핀수도 고려할 필요가 있습니다. 오른쪽 표는 수치 산출 편에서 산출한 권선수입니다. 이러한 권선수를 감을 수 있을 만큼의 핀수가 있는 것을 선택합니다.

코어 JFE MB3 EER28.5A 또는 호환품
Lp 249μH
Np 30 turns
Ns 6 turns
Nd 8 turns

6A_bobin

② 유효 권선틀 확인

다음으로 보빈 사양을 바탕으로 유효 권선틀을 확인합니다. 적색 화살표로 표시한 그림의 사선 부분이 실제로 감을 수 있는 부분입니다. 이 부분은 보빈에 따라 달라지므로, 사용하는 보빈의 도면을 반드시 확인하여 주십시오.

6A_bobin_fig

6A_bobin_photo

사진은 실물이며, 적색 화살표 부분이 유효 권선틀입니다. 여기에서 선택한 코어, JFE EER28.5의 경우는 J=16.6mm, H=4mm입니다.

③ 권선 구성 결정

권선 구성은 트랜스의 특성에 큰 영향을 미칩니다. 여기에서는 2가지 구성에 대해 소개하겠습니다.

6A_bobin_1

<심플한 구성>

  • 층수가 적다 → 비용면에서 메리트가 있다
  • 결합도가 약하다 → 서지 전압 상승, 손실 증가
  • 보빈 핀수 → 적다
6A_bobin_2

<샌드위치 권선 구성>

  • 층수가 많다 → 각 권선의 두께에 주의
  • 결합도가 우수하다 → 서지 전압 경감, 손실 감소
  • 보빈 핀수 → 많아진다

왼쪽은 가장 심플한 구성입니다. 층수가 적어 비용면에서는 메리트가 있습니다. 그러나, 각 권선이 1층밖에 없으므로, 34턴과 같이 턴수가 많은 Np 권선의 경우에는 1열에 다 감을 수가 없어, 2열 및 3열에 감게 되므로 결합도가 약해집니다.
핀수는 한쪽편에 4핀까지 가능합니다. 이러한 구성은 출력전력이 작은 경우나 보빈의 핀수가 한쪽 4핀이라는 제약이 있는 경우에 채용됩니다.

오른쪽은 샌드위치 권선 구성입니다. 이 구성은 1차 권선 Np1과 Np2 사이에 다른 권선을 배치함으로써, 1차 권선과 다른 권선의 결합도가 높아집니다. 단, 층수가 증가하므로 권선틀의 두께가 두꺼워지고, 보빈의 핀수는 한쪽편에 최저 5핀이 필요합니다.

권선 구성에는 정답이 없습니다. 특성을 추구하는 경우에는, 시간이 걸리더라도 몇가지 프로토타입을 제작하여, 실제의 기판 레이아웃에 다른 부품과 조합한 회로를 구성한 후, 특성을 확인하면서 최적의 사양으로 조정하도록 합니다.

④ 연면 거리와 배리어 테이프

안전 규격 적합성을 고려할 경우, 트랜스의 1차 – 2차간 연면 거리에 따라 절연을 확보할 필요가 있습니다. 연면 거리는 동작전압, 사용 환경의 오염 정도, 사용 재료에 따라 결정됩니다. 연면 거리를 확보하는 수단의 하나로서 배리어 테이프가 사용됩니다.

트랜스 T1을 안전 규격 IEC60950에 따라 하기와 같이 정할 경우의 연면 거리를 구해보겠습니다.

  • 동작전압 : 300V
  • 오염 정도 : 2
  • 재료 : Ⅲa (CTI<400)
  • IEC60950에 따른 필요 최저 연면 거리
    기초 절연 : 3.2mm
    강화 절연 : 6.4mm (기초 절연×2) ← 이번 설계에서는 강화 절연으로 함
※이번 설계에서는 입력전압이 약 270V이므로, 규격의 표준인 250V와 300V 값에서 선형 보간 가능.

250V : 2.5mm, 300V : 3.2mm에서
270V는 2.78mm이므로 3mm로 한다.
강화 절연은 2배인 6mm.

※종형 보빈을 사용하는 경우, 상부는 인출선 (引出線 / extraction line)이 없으므로, 연면 거리를 1/2, 3mm로 할 수 있다.

6A_tape

규격에 관한 용어가 몇가지 언급되었으므로, 하기에 개념을 간략하게 기재하였습니다. 상세 내용에 대해서는 규격서를 확인하여 주십시오.

연면 거리는 오염도와 CTI 값으로 결정된다.

  1. 오염도 (Pollution Degree)는 기기가 사용되는 공기중의 먼지 등으로 인한 오염으로 1~4 단계로 분류된다.
    • 오염도 1 : 어떤 오염도 발생하지 않거나, 건조 상태에서 비도전성 오염만 발생하는 것. 이러한 오염으로 인한 영향은 없다. 클린룸 등 깨끗한 공기중의 상태.
    • 오염도 2 : 통상적으로 비도전성 오염만 발생하는 것. 단, 응축으로 인한 일시적인 도전성이 예상된다. 제어반 내에서의 전자기기 및 가전, 사무기기의 사용 환경 등.
    • 오염도 3 : 도전성 오염이 발생하거나, 예상되는 응축으로 인해 도전성이 되는 건조한 비도전성의 오염이 발생하는 것. 일반 공장 내부 등의 환경.
    • 오염도 4 : 오염이 도전성의 먼지, 또는 비나 눈 등의 원인으로 인해 지속적인 도전성을 발생시키는 것. 옥외 등의 환경.
  2. CTI (Comparative Tracking Index) 비교 트래킹 지수
    • 염화암모늄 0.1% 용액을 30s에 1방울 떨어뜨려, 50방울이 넘어도 트래킹을 일으키지 않는 최대 전압을 CTI 값이라고 한다.
    • CTI 값에 따른 성형 재료 구분 (IEC 60664-1)
      재료 그룹 Ⅰ : CTI가 600 이상
      재료 그룹 Ⅱ : CTI가 400 이상 600 미만
      재료 그룹 Ⅲa : CTI가 175 이상 400 미만
      재료 그룹 Ⅲb : CTI가 100 이상 175 미만

    ※Ⅲa의 보빈 재료는 일반적인 PM9820 / Sumitomo Bakelite (Phenol)로, CTI < 400

다음 순서는 「절연형 플라이백 컨버터 회로 설계 : 트랜스 설계 (구조 설계) -제2장-」에서 설명하겠습니다.

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.

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