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2020.02.05 AC/DC

절연형 플라이백 컨버터 회로 설계:트랜스 설계 (수치 산출)

AC/DC PWM 방식 플라이백 컨버터 설계 방법

플라이백 컨버터에 필수인 트랜스 설계 시에는, 전원 사양을 바탕으로 트랜스 설계에 필요한 수치 산출부터 시작합니다. 기본적으로는 각각 제시된 식을 통해 계산합니다. 관련된 트랜스의 설계 정보는, 설계에 사용하는 IC1 인 BM1P061FJ의 어플리케이션 노트 등에 게재되어 있으므로, 참조하여 주십시오. 여기에서는 알기 쉽도록 설명할 부분의 회로도를 확대하여 게재하였습니다. 회로 전체에 대해서는 전편의 「예제 회로」를 참조하여 주십시오.

이 회로도는, 예제 회로의 트랜스 T1 부분을 발췌한 것입니다. 트랜스 T1은 입력인 1차측 권선 Np와 출력인 2차측 권선 Ns 이외에도 IC1의 VCC 전압을 생성하는 권선 Nd를 포함하고 있습니다.

트랜스 T1의 설계 순서

트랜스 T1 설계 시의 순서입니다. 하기의 순서에 따라 수치를 산출하고, 하기 표에 기재된 트랜스의 파라미터를 도출합니다. 권선 및 흐르는 전류의 기호는 하기 오른쪽 트랜스 개략도를 참조하여 주십시오.

①플라이백 전압 VOR의 설정
②2차측 권선 인덕턴스 Ls, 2차측의 최대 전류 Ispk의 산출
③1차측 권선 인덕턴스 Lp, 1차측의 최대 전류 Ippk의 산출
④트랜스 사이즈 결정
⑤1차측 권선수 Np의 산출
⑥2차측 권선수 Ns의 산출
⑦VCC 권선수 Nd의 산출

트랜스 T1의 파라미터로서 도출치

코어 사이즈
Lp 인덕턴스
Np Turn 수
Ns Turn 수
Nd Turn 수

① 플라이백 전압 VOR의 설정

플라이백 전압 VOR은 VO (2차측 Vout에 2차측 다이오드 D6의 VF를 더한 것)에 트랜스 권선비 Np:Ns를 곱한 값입니다. 이 플라이백 전압 VOR을 설정함으로써 권선비 Np:Ns 및 Duty비가 결정됩니다. 하기는 기본식과 예입니다.

예에서는, 권선비 Np:Ns는 5.385, Duty (max)는 0.424입니다. Duty (max)는 경험치로부터 0.5 이하가 바람직한 수치입니다. 계산상으로 Duty가 0.5를 초과하는 경우에는 VOR을 조정하여 주십시오.

플라이백 컨버터의 동작 원리에 따르면, 1차측 권선에 인가되는 스위칭 트랜지스터의 Vds, 즉 VIN+VOR을 명확히 하기 위해, 플라이백 전압 VOR의 설정을 첫번째 순서로 하였습니다. 다른 방법으로는, 최대 Duty비를 먼저 설정하고 시작하는 것도 가능합니다.

플라이백 회로의 동작과 각 전압의 상세 내용에 대해서는 「플라이백 컨버터의 특징」 편을 참조하여 주십시오.

② 2차측 권선 인덕턴스 Ls, 2차측의 최대 전류 Ispk의 산출

다음으로 2차측 권선 인덕턴스 Ls와 2차측의 최대 전류 Ispk를 산출합니다. Ls 값이 하기 식의 수치보다 작을 때가 불연속 모드 동작의 조건이 되며, 같아질 때가 임계점 (연속 모드와 불연속 모드의 분기점)이 됩니다. 부하 전류가 Iomax 시에 임계점이 되도록 합니다.

최대 부하 전류는, 과부하 보호 포인트 등의 마진을 고려하여 Iout의 1.2배로 합니다. Iout의 사양은 3A이므로 3.6A를 Iomax로 합니다. Vout=의 사양은 12V, VF와 Duty는 ①에서 계산한 수치를 사용합니다.

상기에서 2차측 권선 인덕턴스 Ls=8.6μH와, 2차측의 최대 전류 Ispk=12.5A를 산출할 수 있습니다. 참고로, 오른쪽 그림은 1차측 전류 파형과 2차측 전류 파형을 나타냅니다.

③ 1차측 권선 인덕턴스 Lp, 1차측의 최대 전류 Ippk의 산출

다음으로 하기의 식에 따라, 상기의 계산 결과를 사용하여, 1차측 권선 인덕턴스 Lp와 1차측의 최대 전류 Ippk를 산출합니다.

여기에서 산출된 Lp는 트랜스 T1의 파라미터로서 도출하는 값 중 하나입니다.

④ 트랜스 사이즈 결정

트랜스 코어의 사이즈는 출력전력 Po (W)를 바탕으로 결정합니다. 플라이백 컨버터의 일반적인 출력전력과 코어 사이즈의 관계를 하기 표로 나타내었습니다. 본 설계 사례에서는 Po=36W이므로, 코어 사이즈는 EER28을 선택합니다.

출력전력 Po (W) 코어 사이즈 코어 단면적 Ae (mm2)
~ 30 EI25 / EE25 41
~ 60 EI28 / EE28 / EER28 84

※상기 수치는 대략적인 기준입니다. 자세한 사항은 트랜스 메이커에 확인하여 주십시오.

⑤ 1차측 권선수 Np의 산출

1차측 권선수 Np는, 먼저 자속 밀도가 허용 범위 이내가 되도록 설정할 필요가 있습니다. 하기 식에 따라 산출합니다. 일반적인 페라이트 코어의 자속 밀도 B (T)의 최대치는 0.4T@100℃이므로, Bsat=0.35T로 하고 Lp와 Ippk를 대입하면, 1차측 권선수 Np를 구할 수 있습니다.

다음으로, 자기 포화를 일으키지 않도록 AL-Value-NI 특성을 바탕으로 Np를 설정합니다. 이때, Bsat의 조건식을 만족해야 합니다.

AL-Value=280nH/turns2이라고 하면,

이는 Lp가 249μH, 30턴의 AL-Value는 249μH/302≒276.7nH/turns2임을 나타냅니다.

NI치는 다음 식으로 구합니다.

AL-Value와 NI를 산출하였으므로, 코어 사이즈 EER28의 AL-Value-NI 특성 그래프에서, 허용 범위임을 확인합니다. 만약 범위 밖이라면, Np를 조정합니다.

⑥ 2차측 권선수 Ns의 산출

1차측 권선수 산출에 이어, 2차측 권선수 Ns를 산출합니다. 1차측 권선 Np는 34턴, Np:Ns는 5:1이므로, 이 수치를 하기 식에 대입합니다.

⑦ VCC 권선수 Nd의 산출

마지막으로 IC1의 VCC를 발생시키는 권선의 턴 수를 산출합니다.

VCC는 15V, 권선에서는 다이오드 D6을 통하므로, 이 다이오드를 VF로 하고 VF_vcc를 1V로 하면,

이로써, 트랜스 사양을 결정하는 수치가 모두 산출되었습니다. 서두에 게재한 사양표에 산출한 수치를 대입합니다. 이 사양을 바탕으로 구조 설계를 진행합니다.

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

전체적으로 식이 많게 느껴지지만, 비교적 간단한 식이므로 활용해 보시기 바랍니다. 대략적인 사양이 정해지면, IC 메이커 및 트랜스 메이커의 서포트 체제를 이용하여 트랜스 설계를 추진할 수 있을 것입니다.

키 포인트

・기본적으로 설계하는 회로에 적합한 트랜스 설계가 필요하다.

・트랜스 설계를 번거롭게 생각하는 엔지니어가 많지만, IC 메이커 및 트랜스 메이커의 서포트 체제를 이용하면 조금 더 편리하게 설계할 수 있다.

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