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2021.04.07 AC/DC

정리

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

지금까지 19회에 걸쳐 설명한 「SiC-MOSFET를 사용한 절연형 의사 공진 (Quasi-Resonant) 컨버터의 설계 사례」편을 최종 정리하도록 하겠습니다.

본 설계 사례에는 크게 두가지의 포인트가 있습니다. 첫번째는, 파워 스위치에 SiC-MOSFET를 사용하고 있다는 점입니다. SiC-MOSFET는 Si-MOSFET에 비해 저손실이며, 고온에서의 동작 특성이 우수합니다. 두번째는, 스위칭 토폴로지로 의사 공진 (Quasi-Resonant) 방식을 선택했다는 점입니다. 의사 공진 방식은 노이즈가 적고 고효율이라는 점이 특징입니다. 이러한 두가지 포인트의 조합을 통해, 고전압을 취급함과 동시에 고효율 & Low Noise의 AC/DC 컨버터를 설계할 수 있습니다. 최근의 주요 과제인 에너지 절약에 있어서 SiC 파워 디바이스의 메리트를 확인할 수 있는 사례라고 할 수 있습니다.

이번 사례에서 사용한 전원 IC는 의사 공진 컨트롤러로 SiC-MOSFET 외장 타입이지만, 로옴에서는 SiC-MOSFET를 내장한 컨버터 IC도 개발하고 있습니다. Si-MOSFET를 내장한 컨버터 IC는 많이 보급되어 있지만, SiC-MOSFET 내장 타입은 세계 최초입니다.

하기는 각 항목의 키포인트를 정리한 것이므로, 참조하여 주십시오.

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

  1. 서론

    키 포인트

    ・의사 공진 (Quasi-Resonant) 방식의 절연형 AC/DC 컨버터의 설계 사례.

    ・파워 스위치에는 SiC-MOSFET를 이용한다.

  2. 설계에 사용하는 전원 IC : SiC-MOSFET용으로 최적화

    키 포인트

    ・전원용 IC를 사용하는 설계에서 SiC-MOSFET를 사용하기 위해서는 전용의 전원용 IC가 필요하다.

    ・SiC-MOSFET와 Si-MOSFET의 게이트 구동 전압 VGS에는 차이점이 있다.

    ・본 설계 사례에서는, SiC-MOSFET 구동용 AC/DC 컨버터 제어 IC인 BD7682FJ-LB를 사용한다.

  3. 설계 사례 회로

    키 포인트

    ・의사 공진 방식은, 트랜스 1차 권선의 인덕터와 공진 콘덴서의 전압 공진을 이용한 자려식의 플라이백 컨버터이다.

    ・의사 공진 방식을 통해 스위칭 손실 및 노이즈를 저감시킬 수 있다.

  4. 트랜스 T1의 설계 -제1장-

    키 포인트

    ・트랜스 T1의 코어 사이즈, 1차측 인덕턴스, 각 권선수를 순서대로 계산한다.

    ・설계편 제1탄의 「절연형 플라이백 컨버터 회로 설계」와 거의 동일한 개념으로 산출할 수 있다.

  5. 트랜스 T1의 설계 -제2장-

    키 포인트

    ・트랜스 T1의 코어 사이즈, 1차측 인덕턴스, 각 권선수를 순서대로 계산한다.

    ・설계편 제1탄의 「절연형 플라이백 컨버터 회로 설계」와 거의 동일한 개념으로 산출할 수 있다.

  6. 주요 부품 선정 : MOSFET Q1

    키 포인트

    ・MOSFET Q1은 본 설계의 테마 중 하나인 SiC-MOSFET를 사용한다.

    ・MOSFET 선정 시에는, 최대 Vds, 피크 전류, ON 저항으로 인한 손실, 패키지의 최대 허용 손실 등을 고려한다.

    ・ID의 정격은 Ippk×2 정도를 기준으로 선정한다.

    ・Vds는 계산식을 바탕으로 산출한다.

  7. 주요 부품 선정 : 입력 콘덴서 및 밸런스 저항

    키 포인트

    ・입력 콘덴서는 필요한 내압을 얻기 위해 직렬 접속으로 사용한다.

    ・콘덴서를 직렬로 접속하는 경우에 걸리는 전압을 균일하게 하기 위해 밸런스 저항을 삽입한다.

    ・밸런스 저항은 단순히 IR 손실이 되므로, 저항치에 주의한다.

  8. 주요 부품 선정 : 과부하 보호 포인트의 전환 설정 저항

    키 포인트

    ・과부하 보호 보정 기능은 본 IC의 고유 기능으로, 입력전압이 설정치 이상이 되면, 전류 제한 레벨을 낮춤으로써 손실 전력을 저감시켜, 과부하 시의 보호를 더욱 강력하게 하는 기능이다.

    ・전환 전압은 제시된 식을 바탕으로 계산한 R20의 저항치에 따라 설정한다.

  9. 주요 부품 선정 : 전원 IC의 VCC 관련 부품

    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.

  10. 주요 부품 선정 : 전원 IC의 BO (브라운 아웃) 핀 관련 부품

    키 포인트

    ・브라운 아웃 기능이란, VIN이 정상 동작에 필요한 전압보다 낮은 경우에, 스위칭 동작을 정지하는 보호 기능이다.

    ・VIN을 저항 분압한 전압을 BO 핀에 부가하여, 동작 개시 및 정지 전압을 설정한다.

    ・정수 계산은 수식을 바탕으로 한다.

  11. 주요 부품 선정 : 스너버 회로 관련 부품

    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.

  12. 주요 부품 선정 : MOSFET 게이트 구동 조정 회로

    키 포인트

    ・게이트 구동 신호를 조정하여, 스위칭 트랜지스터의 손실과 노이즈를 최적화한다.

    ・스위칭 상승 시간 / 하강 시간을 빠르게 하면 손실은 저감되지만, 스위칭 노이즈가 커진다.

  13. 주요 부품 선정 : 출력 정류 다이오드

    키 포인트

    ・출력 정류 다이오드로는, 패스트 리커버리 다이오드나 쇼트키 배리어 다이오드를 사용한다.

    ・전압은 70%, 전류는 50% 정도의 사양을 지닌 제품을 선택한다.

  14. 주요 부품 선정 : 출력 콘덴서, 출력 설정 및 제어 부품

    키 포인트

    ・출력 콘덴서는 출력 부하에서 허용 가능한 Peak-to-Peak의 리플 전압 (ΔVpp)과 리플 전류로 결정된다.

    ・출력전압 설정 저항은 데이터시트에 기재되어 있는 식을 바탕으로 산출할 수 있다.

    ・귀환 신호 조정 부품은 데이터시트에 기재되어 있는 정수를 바탕으로 한다.

  15. 주요 부품 선정 : 전류 검출 저항 및 각 검출용 단자 관련 부품

    키 포인트

    ・각 검출용 단자에 필요한 부품은 데이터시트 및 설계 매뉴얼에 따라 설정한다.

    ・검출용 단자에 노이즈가 유입되면 오동작 등의 원인이 되므로, 콘덴서나 RC 필터의 추가를 검토한다.

  16. 주요 부품 선정 : EMI 및 출력 노이즈 대책 부품

    키 포인트

    ・EMI 대책으로서, 입력 필터, Y-Cap, 출력 정류 다이오드의 스너버를 추가한다.

    ・출력 노이즈 대책으로는 출력에 LC 필터를 추가한다.

    ・어떤 방법을 사용하든지, 노이즈의 영향을 확인하여 부품 정수를 조정해야 한다.

  17. 기판 레이아웃 예

    키 포인트

    ・기판 레이아웃의 원칙은, SiC-MOSFET를 사용하는 경우나 의사 공진 컨버터인 경우에도 기본적으로 동일하다.

  18. 사례 회로와 부품 리스트

    키 포인트

    ・사례 회로를 사용하여 효율을 측정하고 검토한다.

    ・회로 부품은 일례이며, 다른 선택지도 존재한다.

  19. 평가 결과 : 효율과 스위칭 파형

    키 포인트

    ・사례 회로를 사용하여 효율을 측정하고 검토한다.

    ・회로 부품은 일례이며, 다른 선택지도 존재한다.

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