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2020.03.11 AC/DC

절연형 플라이백 컨버터 회로 설계:주요 부품 선정 – CIN과 스너버

AC/DC PWM 방식 플라이백 컨버터 설계 방법

이번 편에서는 입력에 배치하는 입력 콘덴서 C1과 스너버 회로에 대해 설명하겠습니다.
여기에서 입력이란, AC 전압을 다이오드 브릿지에서 정류한 DC 고전압을 뜻합니다. 하기 회로도와 같이, 입력 콘덴서 C1과 스너버 회로 R4, C3, D3은 트랜스 T1의 1차 전압 라인, 즉 다이오드 브릿지의 정류 전압에 접속되어 있습니다.

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회로 전체에 대해서는 「절연형 플라이백 컨버터 회로 설계」 편의 전체 회로도를 클릭하면 별도 창으로 확대 표시되므로, 참조하여 주십시오.

입력 콘덴서 C1

입력 콘덴서 CIN으로서 C1 450V / 100μF이 접속되어 있습니다. 이 콘덴서는 주로 2가지 역할을 하며, 기본적으로는 입력전압이 순간적으로 저하되거나 차단되는 것을 보완하기 위해 접속됩니다.

첫번째 역할은 AC 입력이 순단 (瞬断)된 경우입니다. 입력전압은 전혀 없지만, C1에 충전된 전하에 의해 단시간이지만 전력 공급이 가능합니다. 두번째로 스위칭 트랜지스터인 MOSFET는 매우 고속으로 큰 전류를 ON / OFF합니다. 이에 입력의 응답이 따라오지 못하는 경우나 입력 임피던스가 높은 경우에는 입력전압이 단시간 강하하게 되므로 C1을 통해 보완합니다. 두 경우 모두 입력전압이 필요한 전압 이하가 되면, 당연히 출력전압에는 이상 상태가 발생하여, 급전되는 회로의 동작에 문제가 발생합니다. 완전하지는 않지만, C1은 이러한 문제를 경감합니다.

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입력 콘덴서 C1의 정전용량은 하기 표와 같은 값을 기준으로 결정합니다. Pout은 이 설계의 사양에 맞추어 하기 식에 따라 계산합니다.

Pout=12V×3A=36W
C1=2×36W=72μF ⇒ 100μF으로 한다.

입력전압 (VAC) CIN (μF)
85-264 2×Pout (W)
180-264 1×Pout (W)

이 표의 계수는 전파 정류 시의 기준입니다. 조건의 차이나 순단 시의 입력 유지 시간의 사양에 따라 용량을 조정할 필요가 있습니다.

C1의 내압은 입력 AC 전압의 피크치를 기준으로 합니다. 264VAC의 경우 :

264V×√2=264×1.41=372V ⇒ 400V 이상으로 합니다.

따라서 예제의 C1은 100μF, 450V를 선택하였습니다. 콘덴서의 종류로는 전해 콘덴서가 사용되는 경우가 대부분입니다.

스너버 회로 R4, C3, D3

회로도의 입력 라인과 MOSFET에 연결되는 저항 R4, 콘덴서 C3, 다이오드 D3으로 구성되어 있는 것이 스너버 회로입니다.

플라이백 방식에서는 트랜스의 코어에 갭이 있으므로 누설 자속이 증가하여, 리크 인덕턴스가 발생합니다. 이러한 리크 인덕턴스에도 스위칭 전류가 흘러 에너지가 축적되지만, 다른 권선과 결합되어 있지 않아 전력이 이행되지 않고, 서지 전압이 발생하여 MOSFET의 드레인 – 소스간에 부가됩니다. 발생하는 서지 전압이 MOSFET의 내압을 넘으면 MOSFET가 파괴될 가능성이 있습니다. 이것을 방지하기 위해 스너버 회로를 삽입하여 서지 전압을 억제합니다. 스너버 회로에 대한 자세한 내용은 「절연형 플라이백 컨버터의 기본 : 플라이백 컨버터의 동작과 스너버」 편을 참조하여 주십시오.

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스너버 회로는 1) 클램프 전압 및 클램프 리플 전압, 2) R4, 3) C3, 4) D3의 순서로 결정합니다.

1) 클램프 전압 (Vclamp), 클램프 리플 전압 (Vripple) 결정
클램프 전압은 말그대로 발생하는 서지를 클램프하는 전압입니다. MOSFET의 내압을 바탕으로 마진을 고려하여 결정합니다. 예제에서 MOSFET는 800V 내압 제품을 선정하였으며, 마진은 20%로 합니다. 클램프 리플 전압 (Vripple)은 경험치를 바탕으로 50V 정도가 예상됩니다.

Vclamp=800V×0.8=640V
Vripple=50V

2) R4 결정
R4는 하기 식을 통해 결정합니다.

10A_formulas01

리크 인덕턴스 Lleak를 1차 인덕턴스 Lp의 10%로 하면 : Lleak=Lp×10%=249μH×10%=25μH
트랜스 설계 등에서 이미 구한 각 값을 식에 대입하면 :

10A_formulas02

R4는 이 값보다 작아야 하므로, R4=75kΩ으로 합니다.
R4의 값은 75kΩ으로 결정되었으므로, R4의 손실 P_R4를 결정합니다. P_R4는 하기의 식으로 계산할 수 있습니다.

10A_formulas03

3) C3 결정
C3은 하기의 식을 통해 구합니다.

10A_formulas04

C3에 걸리는 전압을 바탕으로 내압은 : 640V-264×1.41=268V ⇒ 마진을 고려하여 400V 이상으로 한다.

4) D3 결정
다이오드는 고속성이 요구되므로 패스트 리커버리 다이오드를 사용합니다. 내압은 MOSFET의 Vds (max) 이상의 전압을 선택합니다. 회로도에서는 800V 제품을 선택하였습니다.

이로써, 스너버 회로의 저항 R4, 콘덴서 C3, 다이오드 D3이 결정되었습니다. 마지막으로 서지 전압은 트랜스의 누설 인덕턴스 이외에도 기판 배선의 기생 인덕턴스의 영향을 받으므로, 기판에 실장한 상태에서 Vds 전압을 확인하고, 필요에 따라 스너버 회로를 조정합니다.
플라이백 컨버터에서는 기본적으로 스너버 회로가 필요한 경우가 많으므로, 실제 기기에서의 평가 등을 통해 동작 및 효과에 대해 이해하여 주십시오.

키 포인트

・입력 콘덴서 CIN은 입력전원의 순단 및 스위칭으로 인해 발생하는 입력전류를 보완하므로 중요하다.

・스너버 회로는 입력에 발생하는 서지로부터 스위칭 트랜지스터를 보호하기 위해 기본적으로 필요하다.

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