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2021.07.14 AC/DC

트러블 슈팅 ② : 경부하 시 2차측 MOSFET가 공진 동작으로 인해 ON되는 경우

AC/DC 컨버터의 효율을 향상시키는 2차측 동기정류 회로의 설계

지난 편에서는 트러블 ①로서 「2차측 MOSFET가 갑자기 OFF되는 경우」에 대해 설명하고, 이에 대한 대책을 제시했습니다. 또한, 동시에 주의점에 대해서도 언급했습니다. 이번에는 그 주의점에 대한 대처 방법에 대해 설명하겠습니다.

트러블 ② : 경부하 시 2차측 MOSFET가 공진 동작으로 인해 ON되는 경우

하기 회로도는 지난 편에서 게재한 것과 동일한 것으로, 2차측 MOSFET의 OFF 오류를 방지하기 위한 대책 ①-1로서, 페라이트 비드 추가와 필터용 저항 R1의 조정 (증가)을 나타낸 것입니다. 그러나, 이러한 대책을 실시하는 경우, R1의 값이 너무 커지게 되면, 경부하 시에 2차측 MOSFET가 잘못 ON되는 경우가 있습니다. 그 메커니즘에 대해 오른쪽 그림을 사용하여 설명하겠습니다.

  • 1 : OFF 타이밍을 결정하는 R1의 저항치가 크므로, 드레인 단자 전압의 검출이 늦어져, VGS2가 Low되지 않는다.
  • 2 : VGS2가 Low될 때까지, IFET2가 역류 상태가 된다.
  • 3 : 역류된 IFET2가 축적되어 2차측 MOSFET가 OFF되므로, VDS2의 공진 진폭이 커진다.
  • 4 : VDS2가 다시 부전압이 되어 VGS2=High가 된다. (2차측 MOSFET가 잘못 ON된다).
  • 5 : 2와 마찬가지로 IFET2는 역류된 전류가 흘러, 3, 4, 5를 반복한다.

대책

이러한 트러블 ②에 대한 대책으로는 4가지 정도의 방법이 있습니다. 그러나, 트러블 ①의 대책으로 인해 트러블 ②가 발생하는 것과 마찬가지로, 각 대책에는 트레이드 오프가 되는 주의 사항이 있습니다. 먼저 각 대책과 그에 따른 주의 사항에 대해 정리해 보겠습니다.

트러블 ② : 경부하 시 2차측 MOSFET가 공진 동작으로 인해 ON되는 경우
대책 주의 사항
대책 ②-1
드레인 단자 접속 저항 R1을 작게 한다.
R1이 너무 작아지면 노이즈 필터 효과가 낮아져, 트러블 ①의 「2차측 MOSFET가 갑자기 OFF」 되는 현상이 다시 발생할 가능성이 있다.
대책 ②-2
강제 OFF 시간이 긴 기종 (IC)으로 변경한다.
강제 OFF 시간이 너무 길어지면, 중부하 시 2차측 MOSFET의 ON이 지연될 가능성이 있다.
대책 ②-3
2차측 MOSFET의 드레인 소스 사이에 스너버 회로를 추가한다.
공진 동작이 발생하는 범위 (무부하~중부하)에서는, 스너버 회로의 추가로 인해 대기전력이 증가하여, 효율이 악화된다.
대책 ②-4
트랜스의 권선비 Ns / Np를 작게 한다.
1차측 MOSFET의 VDS 내압 마진이 줄어든다.

※트러블 ②에 대한 대책이라는 의미로 「대책 ②-n」으로 표기.

●대책 ②-1 : 드레인 단자 접속 저항 R1을 작게 한다.
필터용 저항 R1의 값을 작게 조정함으로써 VDS2의 공진 진폭이 낮아져, 2차측 MOSFET가 잘못 ON되는 동작을 방지할 수 있습니다. 트러블 ①의 대책으로서 R1의 값을 크게 하는 방법이 있는데, 이때 R1을 너무 크게 하거나 최초 선택 값이 너무 큰 경우에는, R1의 값이 작아지는 방향으로 조정합니다.

※주의 사항 : R1이 너무 작으면 노이즈 필터 효과도 낮아지므로, 드레인 단자 전압에 발생하는 노이즈로 인해 트러블 ①의 「2차측 MOSFET가 갑자기 OFF」 되는 현상이 다시 발생할 가능성이 있습니다. 대책이 끊임없이 반복되는 경우에는 별도의 대책 방법을 고려해야 합니다.

●대책 ②-2 : 강제 OFF 시간이 긴 기종 (IC)으로 변경한다.
2차측 MOSFET OFF 후 공진 일주기 (ON 오류가 발생하는 기간)보다 긴 시간동안 2차측 MOSFET를 강제 OFF함으로써 ON 오류를 방지할 수 있습니다.

본 설계 사례에서 채용한 전원 IC BM1R001xxF 시리즈는 「설계에 사용하는 IC」 편에서 설명한 바와 같이, 강제 OFF 시간 (Compulsion OFF Time)이 다른 PIN 호환 시리즈입니다. 강제 OFF 시간은 드레인 단자에 발생하는 공진 파형으로 2차측 MOSFET의 ON 오류, 즉 트러블 ②를 방지하기 위한 마스크 시간으로, 동기정류화하는 회로의 조건을 바탕으로 강제 OFF 시간을 선택할 수 있도록 BM1R00146F~BM1R00150F의 5기종을 구비하고 있습니다.

본 사례에서는 강제 OFF 시간이 2µsec (Typ.)인 BM1R00147F를 선택했지만, 하기 그림은 대책으로서 강제 OFF 시간이 3.6µsec (Typ.)로 좀더 긴 BM1R00149F를 사용한 예를 나타낸 것입니다.

※주의 사항 : 강제 OFF 시간이 너무 길면, 중부하 시에 강제 OFF 시간으로 인해 2차측 MOSFET가 ON되는 타이밍이 지연되는 경우가 있으므로, 중부하 시의 동작 확인이 필요합니다. 하기는 일례로, 강제 OFF 시간이 4.6µsec로 긴 BM1R00150F를 사용한 경우에 발생하는 ON 타이밍 지연과, 마스킹 효과와 OFF 시간이 적절한 BM1R00149F를 사용하여 최적화한 경우의 파형입니다.

●대책 ②-3 : 2차측 MOSFET의 드레인 – 소스 사이에 스너버 회로를 추가한다.
하기 그림과 같이 2차측 MOSFET의 드레인 – 소스 사이에 Rsnb와 Csnb에 의한 스너버 회로를 추가함으로써, VDS2의 진폭을 감쇠시킵니다.

※주의 사항 : 공진 동작이 발생하는 범위 (무부하~중부하)에서는 스너버 회로의 추가로 인해 대기전력이 증가하여 효율이 악화되므로, 확인과 검토가 필요합니다.

●대책 ②-4 : 트랜스의 권선비 Ns / Np를 작게 한다.
트랜스의 권선비를 변경함으로써, VDS2의 진폭을 감쇠시킬 수 있습니다.

※주의 사항 : 파형도와 같이 1차측 MOSFET의 VDS1이 커지므로, 1차측 MOSFET의 VDS 내압 마진이 줄어듭니다. VDS1이 내압 이상이 되지 않도록 트랜스 권선비를 고려해야 합니다.

키 포인트

・기존 절연형 플라이백 컨버터의 2차측을 대체하는 것이므로, 실제 동작 확인이 매우 중요하다.

・경부하 시에 2차측 MOSFET가 공진 동작으로 인해 ON되는 경우가 있으며, 이에 대한 대책으로는 4가지 정도의 방법이 있다.
  1) 드레인 단자 접속 저항 R1을 작게 한다.
  2) 강제 OFF 시간이 긴 기종 (IC)으로 변경한다.
  3) 2차측 MOSFET의 드레인 – 소스 사이에 스너버 회로를 추가한다.
  4) 트랜스의 권선비 Ns / Np를 작게 한다.

・각 대책에는 트레이드 오프 관계에 해당하는 주의 사항이 있다.

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