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2020.03.11 AC/DC

절연형 플라이백 컨버터 회로 설계:주요 부품 선정 – MOSFET 관련 제2장

AC/DC PWM 방식 플라이백 컨버터 설계 방법

주요 부품 선정 – MOSFET 관련 제1장」에서 MOSFET Q1을 선정하였으므로, 이제 MOSFET 주변 회로를 구성해 보겠습니다.

먼저, 회로 동작을 복습하겠습니다. 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.

본 편에서는, MOSFET의 게이트 드라이브를 조정하는 회로, 다이오드 D4, 저항 R5, R6을 먼저 결정한 후, 다음으로 전류 제한과 슬로프 보상에 필요한 전류 검출 저항 R8을 결정하겠습니다.

MOSFET 게이트 회로 R5, R6, D4

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MOSFET를 구동하기 위해 전원 IC의 PWM 출력에서 신호가 출력되지만, 그대로 MOSFET의 게이트에 접속하는 것만으로는 최적의 동작을 얻을 수 없으므로 회로 및 원하는 특성에 따라 조정이 필요합니다. 구체적으로는 MOSFET의 스위칭 손실과 노이즈를 최적화합니다.

MOSFET의 ON / OFF 속도를 각각 조정하여, 스위칭 손실과 스위칭 노이즈의 적절한 「타협점」을 찾아 동작시킵니다. 타협점을 찾는 이유는, 스위칭 손실과 스위칭 노이즈가 상반된 관계이기 때문입니다. 스위칭 속도를 높이면 스위칭 손실은 감소하지만, 급격한 전류 변화가 발생하므로 스위칭 노이즈가 커지게 됩니다.

게이트 회로의 정수는 정해진 식으로 계산하기 어렵습니다. 따라서 전원 IC의 데이터 시트 회로도에 게재되어 있는 수치를 바탕으로 하고, 최종적으로는 실제 기기에서 동작시켜 MOSFET의 온도 상승이 허용 범위에 포함되는지를 확인 (스위칭 손실을 체크)합니다. 그리고, 스위칭 노이즈도 측정하여, 적정 범위에 해당되는지를 확인합니다.

  • MOSFET ON 시의 속도는 R5와 R6으로 조정
  • MOSFET OFF 시는 전하 discharge용 다이오드 D4를 통해 R5로 조정

선택한 전류 모드 동작의 불연속 모드에서는 스위칭 손실은 기본적으로 MOSFET ON 시에는 발생하지 않고, OFF 시의 손실이 지배적입니다. MOSFET OFF 시의 스위칭 손실을 경감하기 위해서는 R5를 낮추어 OFF의 속도를 높여야 하지만, 이러한 경우 급격한 전류 변화가 발생하여 스위칭 노이즈가 커지게 됩니다. 이번 예제의 회로에는 하기의 사항이 제시되어 있습니다.

  • R5=22Ω 0.25W, R6=150Ω, D4:RB160L-60 (쇼트키 다이오드 60V / 1A)

다이오드 D4는, MOSFET OFF 시에 게이트 전하를 고속으로 discharge하기 위해 사용합니다. 손실이 작고 고속이므로 쇼트키 배리어 다이오드를 선택한 것입니다.

주의 사항으로서, R5에는 펄스 특성의 전류가 흐르므로, 사용하는 저항의 펄스 내성을 확인하여 주십시오.

전류 검출 저항 R8

MOSFET의 소스에 접속된 저항으로, 소스측의 한쪽 끝부분은 전원 IC의 CS 핀에 접속되고, 다른 한쪽 끝은 GND에 접속됩니다. MOSFET ON 시에 R8에 흐르는 전류로 인해 발생하는 전압 강하를 이용하여, CS 핀을 기능시킵니다. 기능으로서는, 1차측에 흐르는 전류의 제한, 출력의 과부하에 대한 보호, 전류 모드 제어의 슬로프 보상의 3가지 기능을 담당합니다. CS 핀의 상세 내용에 대해서는 전원 IC BM1P061FJ의 데이터 시트를 참조하여 주십시오.

여러가지 기능을 담당하기 때문에, 트랜스의 1차측 인덕턴스 및 입력전압에 따라 제한을 받는 경우가 있으므로, R8은 하기의 식을 통해 계산합니다. Ippk 및 Duty는, 「트랜스 설계 (수치 산출)」에서 구한 것입니다. Vcs는 BM1P061FJ의 CS 핀 전압 규격에서 0.4V입니다.

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계산 결과 R8은 0.2Ω으로 합니다.
또한, 검출 저항 R8의 손실 P_R8은 하기의 식으로 구합니다.

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계산 결과와 펄스 내성을 고려하여, 1W 이상을 허용할 수 있는 저항으로 선정합니다. 펄스 내성에 대해서는 동일한 전력정격일 경우에도 저항의 구조 등에 따라 달라지는 경우가 있으므로, 사용하는 저항 메이커에 확인할 필요가 있습니다.

이로써, MOSFET 주변 부품 정수가 결정되었습니다. 경험치나 실제 기기에서의 확인 등, 식의 계산만으로 해결되지 않는 부분도 있어 어렵지만, 전원 설계에는 이러한 부분이 많이 있다는 점에 유의하여 주십시오.

키 포인트

・스위칭 트랜지스터 (MOSFET)의 동작을 제어하기 위한 회로는 전원 IC의 사양을 바탕으로 한다.

・전원 IC의 데이터 시트에는 회로, 정수의 결정 방법 등이 게재되어 있으므로 참고한다.

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