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2021.01.20 AC/DC

주요 부품 선정 : 전원 IC의 VCC 관련 부품

SiC-MOSFET를 사용한 절연형 의사 공진 (Quasi-Resonant) 컨버터의 설계 사례

이번에는, 본 설계 사례에 사용하는 전원 IC의 VCC 핀에 관련된 부품 정수를 결정하도록 하겠습니다. VCC 핀은 전원 IC, BD7682FJ의 전원 핀입니다.

BD7682FJ의 내부 제어 회로는 VCC 핀에 인가되는 전압으로 동작합니다. 당연한 사실이지만, 300V~900V라는 이 전원 회로의 입력전압으로는 직접 구동할 수 없을 뿐만 아니라, 순간적으로 파괴에 이르게 될 것입니다. 따라서, 이 IC의 전원용으로 낮은 DC 전압을 생성해야 합니다. VCC의 동작전압 범위는 15.0V~27.5V이며, 「트랜스 T1의 설계 -제2장-」에서 설명한 바와 같이, 트랜스의 VCC 권선 Nd (보조 권선 및 제3권선이라고도 한다)의 산출에서, VCC=24V를 전제로 Nd를 산출하였습니다.

오른쪽 회로도는 해당 부분을 발췌한 것입니다. 여기에서는 「VCC용 전압 생성 (주황색 테두리)」 및 「VCC 권선 서지 전압 제한 (주황색 테두리)」과, 「VCC 기동 (청색 테두리)」에 관련된 회로 부분의 부품 정수를 결정하겠습니다.

VCC 전압 생성용 정류 다이오드 D18 및 평활용 콘덴서 C5

회로도의 주황색 테두리 안쪽의 다이오드 D18과 콘덴서 C5를 통해, VCC 권선 Nd (회로도의 권선 5-6번)에 발생하는 스위치 전압을 DC 전압으로 정류하고, 평활합니다. 이 회로는 단순히 다이오드 정류 타입의 DC/DC 컨버터와 동일합니다. (테두리 안에 포함되는 인덕터 L4의 경우, 실제로는 사용하지 않으므로 무시하여 주십시오. 또한, 저항 Rvcc1은 서지 제한 저항이므로 뒤에서 설명하겠습니다.)

D18의 내압은 D18에 인가되는 역전압 Vdr을 산출하여 결정합니다.

VCC (max)는 31.5V로 합니다. VCC 핀은 VCC OVP (과전압 보호) 기능을 지니며, 최대치가 31.5V이므로, VCC 전압이 이 전압까지 상승해도 D18의 내압을 넘지 않도록 합니다. Vf는 1V로 합니다. VIN (max)은 900V입니다. Nd, Np는 「트랜스 T1의 설계 -제2장-」에서 산출한 결과를 바탕으로 하여 Nd=8턴, Np=64턴입니다.

이를 식에 대입하면,

마진을 고려한 수치 145V/0.7≒200V를 바탕으로, 200V의 내압을 지닌 다이오드를 선택합니다. D18은 이러한 목적에서 고속 스위칭에 적합한 타입이 필요합니다. 이번 설계 사례에서는 로옴의 패스트 리커버리 다이오드 RF05VAM2S를 사용하겠습니다.

콘덴서 C5는 22µF의 알루미늄 전해 콘덴서가 적당하며, 내압은 VCC (max)에서 35V로 합니다.

VCC 권선용 서지 전압 제한 저항 Rvcc1

트랜스의 누설 인덕턴스 (Lleak)로 인해, MOSFET가 ON에서 OFF로 전환될 때 순간적으로 큰 서지 전압 (스파이크 노이즈)이 발생합니다. 이러한 서지 전압이 VCC 권선에 유입됨에 따라, VCC 전압이 상승하여 VCC 핀의 VCC OVP가 동작할 가능성이 있습니다. 이러한 서지 전압을 저감하기 위해, 5~22Ω 정도의 제한 저항 Rvcc1을 삽입합니다. 실제로는 VCC 전압의 상승을 제품에 반영한 상태에서 확인하여 저항치를 조정해야 합니다.

VCC 기동용 저항 R11, R12, R13, R14, 콘덴서 C6, 다이오드 D19

VCC 권선에 의한 VCC 전압은 2차측의 출력이 기본이 됩니다 (Ns : Nd). 따라서, 원리적으로 회로가 스위칭 동작을 개시하지 않으면 VCC 전압은 발생하지 않으므로, 기동 시에는 별도로 IC에 VCC 전압을 부여할 필요가 있습니다. 기동용 저항 (Rstart) R11, R12, R13, R14는 기동용 콘덴서 (Cstart) C6과 함께 IC를 기동시킵니다. 또한, 이 CR을 이용하여 기동 시간을 조정합니다. 그 이외에 대기 시 소비전력에도 영향을 미칩니다.

기동용 저항 Rstart는 하기 식과 같이 최소 및 최대의 조건을 바탕으로 산출합니다. VIN_start는 VIN_min에서 마진을 더하여 180V로 합니다. VCC UVLO (max)는 데이터시트에서 20V, 대기 시 회로전류 IOFF, 즉 기동 전의 VCC 전류는 데이터시트에서 최대 30µA이지만, 마진을 고려하여 40µA로 합니다. VCC OVP (max)는 데이터시트에서 31.5V, 보호회로 동작 시의 VCC 전류 Ion1은 최소치인 300µA로 합니다.

Rstart<VIN_start-VCC UVLO (max) /IOFF= (180V-20V) /40µA=4000kΩ

Rstart>VIN_max-VCC OVP (max) /Ion1= (900V-31.5V) /300µA=2895kΩ

2895kΩ<Rstart<4000kΩ

이러한 결과에서 Rstart는 2940kΩ (R11, R12 각 1MΩ 및 R13, R14 각 470kΩ)으로 합니다.

기동용 콘덴서 (Cstart) C6은 VCC를 안정시키는 역할도 하므로, 2.2µF 이상을 권장합니다. 이번 설계 사례에서는 앞서 기술한 기동 시간과의 관계도 고려하여 4.7µF으로 하였습니다. 하기 그래프는 Cstart에 따른 VIN과 기동 시간과의 관계를 나타내고 있습니다.

기동 저항 Rstart와의 관계에 대해서는, Rstart의 값을 작게 설정하면 기동 시간이 짧아지고 대기전력은 커집니다. 반대로 Rstart의 값을 크게 하면 기동 시간이 길어지고 대기 시 전력은 작아집니다.

VIN이 투입되면 C6이 충전되고, VCC 핀의 전압이 기동 전압에 달하면 IC는 동작을 개시합니다. 그 후, 출력전압이 일정 전압 이상이 되면, VCC 생성 회로가 동작하여 VCC 전압을 공급합니다. 다이오드 D19는 기동 시의 평활용 콘덴서 C5로의 충전을 회피합니다. D19는 역전류 IR이 낮은 스위칭 다이오드 1SS355VM (로옴 제품)을 사용하였습니다. 오른쪽 회로도를 참고하여 주십시오. (본 회로도에서 Rvcc1은 22Ω입니다.)

키 포인트

・IC의 전원 VCC는 2차측 출력을 이용한 VCC 권선에서 생성된다.

・기동 시에는 2차측 출력은 발생되지 않으므로, 별도로 기동 전압 공급용 회로를 구비한다.

・VCC OVP의 오동작을 피하기 위해, VCC 권선의 서지 전압을 제한하는 저항이 필요하다.

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