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2021.05.26 AC/DC

동기정류 회로부 : 전원 IC 선택

AC/DC 컨버터의 효율을 향상시키는 2차측 동기정류 회로의 설계

원래 회로의 2차측 다이오드 정류 회로를 동기정류화하기 위한 순서로서, 지난 편에서는 정류 다이오드 대체용 MOSFET를 선정했습니다. 다음으로, 기존 회로의 동작 및 제반 조건을 확인하여, 설계에 사용하는 전원 IC를 결정합니다. 여기에서는 기존 AC/DC 컨버터의 2차측 다이오드 정류 회로를 동기정류 회로로 대체하는 설계이므로, 기존 회로의 사양 및 특성, 동작을 확인하여, 그 결과를 바탕으로 적합한 부품을 선택해야 합니다.

동기정류 회로부 : 전원 IC 선택

이번 대체 설계에 사용하는 BM1R001xxF 시리즈는, BM1R00146F에서 150F까지의 5기종으로 구성되어 있습니다. 다양한 사양을 지닌 전원의 동기정류화에 대응 가능하도록 강제 OFF 시간 (Compulsion OFF Time)에 따라 시리즈화한 제품입니다.

강제 OFF 시간은 경부하 시에 IC의 드레인 단자에 발생하는 공진 파형으로 인해 2차측 FET가 다시 ON되는 동작을 방지합니다. 이 시간은 2차측을 OFF했을 때부터 강제적으로 ON시키지 않는 시간을 나타내며 1.3us (00146F) ~ 4.6us (00150F)로 라인업에서 선택 가능합니다.

그러나, 이러한 강제 OFF 시간이 너무 길면, 중부하 동작에서 FET가 ON되지 않는 시간이 생겨나, 효율이 악화되므로 적절한 시간의 제품을 선택해야 합니다.

연속 모드 동작 시, 이러한 강제 OFF 시간을 결정하는 기준은, 1차측 컨트롤러의 스위칭 주파수와 1차측 및 2차측 MOSFET 각각의 ON 시간을 고려해야 합니다.

전원 IC는 하기 ①~③의 순서에 따라 선택합니다.

  • ①대체 전의 정류 다이오드 DOUT에 발생하는 역방향 전압 VR, 순방향 전류 IF의 파형 확인
    ⇒ 1차측 MOSFET M1의 ON 시간 : t1, 1차측 컨트롤러의 1주기 : tp를 측정
  • ②2차측 MOSFET 최대 ON 시간 tMAX_ON 설정
    ⇒ tMAX_ON 설정에 따라 연속 모드에서의 중부하 시, 1차측과 2차측의 MOSFET 동시 ON 동작으로 인한 파괴를 방지
  • ③IC 선택
    ⇒ 하기 식을 통해 필요한 강제 OFF 시간 tOFF를 산출하여, 시리즈 중에서 제품을 선택

이는, 연속 모드 동작 시의 강제 OFF 시간을 산출하는 방법입니다. 연속 모드로 동작하지 않는 경우의 산출 방법에 대해서는 뒤에서 설명하겠습니다.

하기는 각 순서에 대한 상세 내용을 정리한 것입니다.

①대체 전의 정류 다이오드 DOUT에 발생하는 역방향 전압 VR, 순방향 전류 IF의 파형 확인

오른쪽 파형도는 DOUT에 발생하는 역방향 전압 VR, 순방향 전류 IF의 파형 예입니다.

조건은 VIN=400Vdc, IOUT=10A (MAX)입니다.

이 파형에서, 하기의 내용을 확인할 수 있습니다.

  • ・1차측 MOSFET M1의 ON 시간 t1=1.4µsec
  • ・1차측 컨트롤러의 1주기 tp=7.7µsec

②2차측 MOSFET 최대 ON 시간 tMAX_ON 설정

IC의 MAX_TON 단자로 최대 ON 시간 tMAX_ON를 설정합니다. 드레인 단자 전압이 VCC (=출력전압 VOUT) × 1.4V Typ 이상의 rising edge를 검출한 경우, 최대 ON 시간의 카운팅을 시작합니다. 그리고 저항 RTON에서 설정한 최대 ON 시간 tMAX_ON이 경과하면, 강제적으로 2차측 MOSFET M2를 OFF합니다.

최대 ON 시간 tMAX_ON은 하기 그림과 같이 1차측 컨트롤러의 1주기 tp보다 반드시 짧아지도록 설정해야 합니다. 저항 RTON은 56k~300k 범위에서 설정 가능하므로 tMAX_ON은 그 저항치에 비례합니다. 또한, 설정하는 tMAX_ON이 10µsec (RTON=100kΩ)에 가까울수록 정밀도는 향상됩니다. 하기 그래프를 참조하여 주십시오.

1차측 컨트롤러가 PWM 제어 방식인 경우, 편차를 고려한 RTON의 값은 하기 식으로 구할 수 있습니다.

이번 설계 사례에서 FMAX=130 [kHz], ⊿FMAX=5 [%], ⊿tMAX_ON=7 [%], ⊿RTON=1 [%]이므로, RTON은 하기와 같아집니다.

따라서, 이번 설계 사례에서는 RTON을 68kΩ 이하로 설정합니다. 단, 이 식은 이상적인 상태에서의 식이므로, 실제 기기에서 충분한 동작 확인이 필요합니다. RTON을 68kΩ으로 하면, tMAX_ON은 하기 식에 따라 6.8µsec로 산출됩니다.

③IC 선택

①에서 측정한 1차측 MOSFET M1의 ON 시간 t1, 1차측 컨트롤러의 1주기 tp, ②에서 산출한 최대 ON 시간 tMAX_ON을 바탕으로, 필요한 강제 OFF 시간 tOFF를 하기 식에 따라 구할 수 있습니다.

위에서 산출한 결과를 바탕으로 편차를 고려하여, 강제 OFF 시간 tOFF가 2µsec (Typ.)인 「BM1R00147F」를 선택합니다. 하기 표에 BM1R001xxF 시리즈의 강제 OFF 시간 tOFF를 게재하였습니다. 강제 OFF 시간 편차는 ±9%입니다. 단, 이 식은 이상적인 상태에서의 식이므로, 실제 기기에서 충분한 동작 평가를 실시한 후 설정해야 힙니다.

하기 오른쪽 파형은, BM1R00147F, RTON=68kΩ일 때의 연속 동작 (중부하 시) 2차측 동기정류 동작 파형을 나타낸 것입니다. tMAX_ON 경과 후에 VGS2는 OFF되고, tOFF 후에 다시 ON되는 것을 확인할 수 있습니다.

기종명 강제 OFF 시간 (Typ.) [µs]
BM1R00146F 1.3
BM1R00147F 2.0
BM1R00148F 3.0
BM1R00149F 3.6
BM1R00150F 4.6

이것으로, 기존 전원의 동기정류화에 최적인 IC를 선택할 수 있습니다. 본 사례는 연속 모드 동작을 전제로 한 것이지만, 기존 전원이 연속 모드로 동작하지 않는 경우와 1차측 컨트롤러가 Jitter 기능을 겸비한 경우의 검토에 대해서도 참고로 설명하겠습니다.

※연속 모드로 동작하지 않는 경우의 강제 OFF 시간 산출 방법 및 MAX_TON 단자의 설정

불연속 모드 및 의사 공진 제어에서는 연속 모드로 동작하지 않으므로, MAX_TON 단자 설정은 필요하지 않습니다. 따라서, 최대 ON 시간 tMAX_ON의 설정을 하지 않아도 되므로 tMAX_ON을 산출할 필요가 없습니다. 대신에 최대 부하 시에 정류 다이오드가 ON된 후 순방향 전류 IF가 zero가 될 때까지의 시간 tON을 측정합니다. 필요한 강제 OFF 시간 tOFF는 하기의 식으로 구할 수 있습니다.

파형의 일례입니다. 이 경우의 MAX_TON 단자는 VCC에 직접 풀업됩니다.

불연속 모드의 경우 MAX_TON 단자 설정의 유무에 관계없이, 동기정류 동작은 동일해집니다. 또한, VDS2가 -6mV (Typ.)가 되면, VGS2는 OFF됩니다.

※1차측 컨트롤러가 Jitter기능을 탑재하고 있는 경우

1차측 컨트롤러가 Jitter 기능을 탑재하고 있는 경우의 편차를 고려한 RTON 설정은 하기 식에 따라 구할 수 있습니다.

앞서 기재한 연속 모드 시의 식에서, 분모에 1차측 Jitter 주파수 : FJITTER [kHz]가 더해집니다.

키 포인트

・기존 회로의 동작 및 제반 조건을 확인하여, 설계에 사용하는 전원 IC를 결정한다.

・1차측과 2차측의 MOSFET 동시 ON 동작으로 인한 파괴를 방지하는 최대 ON 시간을 설정한다.

・강제 OFF 시간을 산출하여, BM1R001xxF 시리즈 중 적절한 제품을 선택한다.

・BM1R001xxF 시리즈는 강제 OFF 시간에 따라 5기종이 구비되어 있다.

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