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2021.02.10 AC/DC

주요 부품 선정 : 스너버 회로 관련 부품

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

지난 편까지는 전원 IC BD7682FJ의 기능 설정 부품에 대해 설명했습니다. 이번에는 전원 회로에 자주 이용되는 스너버 회로의 구성 부품과 정수에 대해 설명하겠습니다. 스너버 회로는 이번 의사 공진 컨버터뿐만 아니라, 플라이백 컨버터에도 사용됩니다. 본 편과 함께, 「절연형 플라이백 컨버터 회로 설계 : 주요 부품 선정 – CIN과 스너버」, 「절연형 플라이백 컨버터의 기본 : 플라이백 컨버터의 동작과 스너버」 편도 참조하여 주십시오.

스너버 회로란?

스너버 회로는 서지를 억제하는 회로입니다. 이번 설계 사례에서는 입력의 서지 억제를 위해 입력에 삽입하지만, 출력에 삽입하는 경우도 있습니다. 입력은 트랜스의 1차측에 접속되므로, 트랜스의 누설 인덕턴스 (leakage inductance)로 인해, MOSFET가 ON에서 OFF로 전환되는 순간 큰 서지 전압 (스파이크 노이즈)이 발생합니다. 이러한 서지 전압은 MOSFET의 드레인 – 소스 사이에 인가되므로, 발생하는 서지 전압이 MOSFET의 내압을 초과하면 MOSFET가 파괴될 가능성이 있습니다. 이를 방지하기 위해 RCD (저항, 콘덴서, 다이오드)로 구성한 스너버 회로를 삽입하여, 서지 전압을 억제합니다. 대부분의 경우 이러한 서지가 발생하므로, 처음부터 스너버 회로를 삽입할 것을 권장합니다.

스너버 회로 : Rsnubber1, Csnubber1, 및 D13, D14, D15, D16

이번 사례에서 사용하는 스너버 회로는 저항 Rsnubber1, 콘덴서 Csnubber1, 그리고 다이오드 D13, D14, D15, D16으로 구성되어 있으며, D15와 D16을 제외하면 전형적인 RCD 스너버 회로입니다. 먼저 클램프 전압 및 클램프 리플 전압을 결정하고, R, C, D의 순서로 정수를 결정합니다.

1) 클램프 전압 (Vclamp), 클램프 리플 전압 (Vripple)

클램프 전압은 MOSFET의 내압에서 마진을 고려하여 결정합니다. 마진은 20%로 합니다.

Vclamp=1700V×0.8=1360V

클램프 리플 전압 (Vripple)은 50V 정도로 합니다.

2) 저항 Rsnubber1

Rsnubber1은 하기 조건을 만족하도록 선정합니다.

A5_11_graf02

A5_11_graf01

여기에서, 누설 인덕턴스 Lleak=Lp×10%=1750µH×10%=175µH로 합니다.

하기 식에서, Po=25W, VIN (max)=900V일 때의 Ip와 fsw를 산출합니다.

A5_11_graf_03

이에 따라,

A5_11_graf_04

fsw가 161kHz에서 120kHz로 바뀐 것은, 앞서 설명한 바와 같이, 전원 IC의 최대 스위칭 주파수가 120kHz이기 때문입니다. Rsnubber1은 계산 결과의 253kΩ보다 작은 값이므로, 200kΩ으로 합니다.

Rsnubber1의 손실 P_Rsnubber1은 하기 식으로 계산할 수 있습니다.

A5_11_graf_05

마진을 고려하여, 2W 이상으로 합니다. 결과적으로 Rsnubber1은 2W의 200kΩ으로 합니다.

3) Csnubber1
Csnubber1의 정전 용량은 하기 식으로 계산합니다.

A5_11_graf_06

1607pF보다 큰 용량이므로, 2200pF을 선택합니다.

Csnubber1의 내압은, Csnubber1에 인가되는 전압 Vclamp에서 VIN (MAX)를 뺀 전압, 1360V900=460V에서 마진을 고려하여 600V 이상으로 합니다. 본 사례에서는 2200pF, 2kV, 10%, X7R, 1210 패키지의 세라믹 콘덴서를 사용합니다.

4) D13, D14
4개의 다이오드 중 D13과 D14는 패스트 리커버리 다이오드를 사용합니다. 내압은 MOSFET의 Vds (max)=1700V 이상의 전압으로 합니다. 본 사례에서는 범용 UF4007 (1000V, 1A)을 2개 직렬로 배치하여 사용합니다.

서지 전압은 트랜스의 누설 인덕턴스 이외에, 기판 박막 배선의 기생 성분으로 인한 영향도 받습니다. 따라서, 실제 기기의 기판에 탑재한 상태에서 Vds를 확인하여, 실제의 전압에 따라 스너버 회로를 조정해야 합니다.

5) D15, D16
D15, D16은 서지 흡수 소자인 TVS (Transient Voltage Suppressor) 다이오드입니다. 한층 더 높은 보호 성능을 요구하는 경우에는 TVS를 추가하여 과도한 스파이크 노이즈를 억제할 수 있습니다. MOSFET 스위칭 시의 파형을 확인하여, 사용 여부를 결정합니다. 이 부분에 가해지는 계산상의 전압은 Csnubber1에 인가되는 전압과 동일한 460V이므로, 클램프 전압 274V의 1.5KE200A를 2개 직렬로 사용하여, 이 이상의 과도 전압을 억제합니다.

키 포인트

・입력에서 트랜스의 누설 인덕턴스로 인한 서지를 억제하기 위해 스너버 회로를 삽입한다.

・스너버 회로는 RCD 구성이 기본이지만, 한층 더 높은 보호 성능을 위해 TVS 다이오드를 추가할 수 있다.

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