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2020.04.08 AC/DC

절연형 플라이백 컨버터 회로 설계 : 주요 부품 선정 – 출력 정류기와 Cout

AC/DC PWM 방식 플라이백 컨버터 설계 방법

이번 편에서는 출력이 만들어지는 트랜스 T1의 2차측에 배치하는, 정류용 다이오드 D6과 출력 콘덴서 (Cout) C7 및 C8에 대해 설명하겠습니다.

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먼저 이 부분의 동작을 간단히 설명하겠습니다. 트랜스 T1의 2차측에는, 1차측 MOSFET의 스위칭 (ON / OFF)으로 인해 생성된 에너지가 절연 배리어를 통해 전달됩니다. 이것은 ON / OFF를 반복하는 AC 전압이므로, 원하는 DC 전압으로 변환하기 위해, 여기에서는 1개의 다이오드 D6을 통해 다이오드 정류하여 DC화합니다. 정류된 전압에는 리플이 존재하므로, 리플을 평활하여 리플이 작은 DC 전압을 만들기 위해 출력 콘덴서 C7, C8을 사용합니다.

전체의 흐름으로서는, 「절연형 플라이백 컨버터의 기본 : 스위칭 AC/DC 변환」편에서 설명한 바와 같이, AC 전원으로부터 입력된 전압이 다이오드 브릿지를 통해 정류되어 일단 DC 전압으로 변환됩니다. 이 DC 전압은 전원 IC를 통해 제어되는 MOSFET의 스위칭에 의해 필요한 전력만큼 초핑되어 다시 AC화되고, 이 출력단의 정류 및 평활 회로를 통해 원하는 DC, 본 설계 예제에서는 12VDC로 재차 변환됩니다. 전체 회로에 대해서는 「절연형 플라이백 컨버터 회로 설계」 편을 참조하여 주십시오.

출력 정류 다이오드 D6

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앞에서 설명한 바와 같이 D6은 트랜스 T1의 2차측에 발생하는 AC 전압을 정류하여 DC로 출력하는 역할을 합니다. 회로도를 통해 알 수 있듯이, 이는 다이오드 정류 (비동기) 방식의 DC/DC 컨버터와 동일합니다. 차이점은 1차측의 DC 전압이 수백 V로 고전압이라는 점입니다.

출력 정류 다이오드에는 손실을 저감하기 위해 고속 다이오드 (쇼트키 다이오드, 패스트 리커버리 다이오드)를 사용합니다. 통상적인 다이오드를 사용하면, 원하는 전원 성능을 얻을 수 없거나, 최악의 경우에는 발열로 인해 파괴될 우려가 있습니다. 기본적인 개념은 다이오드 정류 DC/DC 컨버터의 다이오드 선정 방법과 동일합니다.

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마진을 고려하여, 87V÷0.7=124V ⇒ 200V 제품을 선정합니다.

다이오드 손실 (대략치)은 : Pd=VF×Iout=1V×3A=3W

일반적으로 전압 마진은 70% 이하, 전류는 50% 이하로 사용할 것을 권장합니다. 예제 회로에서는 로옴의 패스트 리커버리 다이오드 RF1001T2D (200V 10A, TO-220F 패키지)를 사용하였습니다.

최종적으로는 회로에 탑재한 상태에서 온도 상승을 확인하고, 필요에 따라 부품을 재검토하거나 히트 싱크를 통한 방열을 검토합니다.

출력 콘덴서 (Cout) C7, C8

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출력 콘덴서는 정류 전압의 리플 평활화와 함께, 부하 전류가 과도하게 증가할 때의 안정화를 유지하는 역할도 합니다.

1차측 MOSFET ON 시, 다이오드 D6에는 전류가 흐르지 않고 (OFF), 출력 콘덴서가 부하로 전류를 공급합니다. MOSFET OFF 시에는, 다이오드 D6은 도통하여 (ON), 출력 콘덴서 C7 및 C8을 충전함과 동시에 부하에도 전류를 공급합니다.

출력 콘덴서는 급전되는 디바이스에서 허용 가능한 peak-to-peak 리플 전압 (ΔVpp)과 리플 전류 (Is(rms))를 바탕으로 결정합니다.

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일반적인 스위칭 전원용 전해 콘덴서 (낮은 임피던스 제품)의 임피던스는 100kHz로 규정되어 있으므로,

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즉, 200mVpp의 리플 전압을 허용치로 하는 경우에는, 임피던스가 0.01Ω 이하인 콘덴서를 선택해야 합니다.

다음으로 리플 전류를 구하고, 이를 바탕으로 콘덴서의 리플 전류 정격을 검토합니다.

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내압은, 출력전압의 2배 정도를 기준으로 합니다. Vout×2=12V×2=24V ⇒ 25V 이상으로 합니다.

예제 회로에서는 스위칭 전원용의 낮은 임피던스 타입 35V 1000μF의 콘덴서 2개를 병렬로 사용하였습니다.

출력 콘덴서에는 일반적으로 전해 콘덴서가 사용됩니다. 전해 콘덴서는 수명이 한정된 부품이며, 리플 전류가 많이 흐르게 되면 수명이 단축됩니다. 수명에 대해서는 콘덴서 메이커에서 산출 방법 및 규정을 제시하고 있으므로, 사용하시는 콘덴서 메이커에 확인하여 주십시오.

출력 리플 전압 및 리플 전류에 대해서도, 실제 회로에서의 확인이 필요합니다.

키 포인트

・기본적인 회로 동작은 다이오드 정류 방식 DC/DC 컨버터와 동일하다.

・출력 정류 다이오드는 손실이 작은 쇼트키 배리어 다이오드, 패스트 리커버리 다이오드를 사용한다.

・출력 콘덴서에 사용하는 전해 콘덴서에 있어서는, 리플 전류로 인한 수명 단축에 대해 충분히 검토한다.

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