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2021.07.28 AC/DC

트러블 슈팅 ③ : 서지의 영향으로 VDS2가 2차측 MOSFET의 VDS 내압 이상이 되는 경우

AC/DC 컨버터의 효율을 향상시키는 2차측 동기정류 회로의 설계

트러블 ① 「2차측 MOSFET가 갑자기 OFF되는 경우」, 트러블 ② 「경부하 시 2차측 MOSFET가 공진 동작으로 인해 ON되는 경우」에 이어, 트러블 ③ 「서지의 영향으로 VDS2가 2차측 MOSFET의 VDS 내압 이상이 되는 경우」에 대한 대책과 주의점에 대해 설명하겠습니다.

트러블 ③ : 서지의 영향으로 VDS2가 2차측 MOSFET의 VDS 내압 이상이 되는 경우

서지가 발생하면 그 영향으로 인해, 2차측 MOSFET의 VDS2가 MOSFET의 VDS 내압 이상이 되는 경우가 있습니다. MOSFET의 정격을 초과하는 전압이 인가되는 것이므로, 오동작이나 경우에 따라서는 MOSFET에 열화, 파괴가 발생할 가능성이 있습니다. 이와 같은 현상이 확인되는 경우에는 대책이 필요합니다.

대책

이 트러블 ③의 대책으로는 3가지 정도의 방법이 있습니다. 트러블 ①이나 ②와 마찬가지로 각 대책에는 트레이드 오프 특성에 대한 주의가 필요합니다. 먼저 대책과 주의 사항을 하기 표로 정리하였습니다.

트러블 ③ : 서지의 영향으로 VDS2가 2차측 MOSFET의 VDS 내압 이상이 되는 경우
대책 주의 사항
대책 ③-1
2차측 MOSFET의 드레인 – 소스 사이에 용량을 삽입한다.
공진이 발생하는 영역 (무부하~경부하)에서, 삽입한 용량으로 인해 효율이 악화되므로 특성 확인이 필요하다.
대책 ③-2
1차측 MOSFET의 게이트 저항치를 크게 한다.
게이트 저항치가 커지면 효율이 악화되고, 1차측 MOSFET M1의 발열이 증가할 가능성이 있으므로, 특성 확인이 필요하다.
대책 ③-3
트랜스의 권선비 Ns / Np를 작게 하여 VDS2를 낮춘다.
반대로 1차측 MOSFET의 VDS1이 커지므로, VDS1이 1차측 MOSFET M1의 VDS 정격을 초과하지 않도록 트랜스의 권선비를 조정한다.

※트러블 ③에 대한 대책이라는 의미로 「대책 ③-n」이라고 표기

●대책 ③-1 : 2차측 MOSFET의 드레인 – 소스 사이에 용량을 삽입한다.

2차측 MOSFET의 드레인 – 소스 사이에 용량, 콘덴서 CDS2를 삽입함으로써, VDS2의 오버슈트를 평활화합니다. CDS2의 참고 정수는 1000pF~6800pF 정도이지만, 대책의 효과를 확인하면서 최적의 용량을 선택합니다. 하기 그림은 회로 상에서 CDS2의 삽입 부분과 대책 실시 후의 파형을 나타낸 것입니다.

※주의 사항 : 공진이 발생하는 영역 (무부하~경부하)에서, 삽입한 용량으로 인해 효율이 악화되므로 특성 확인이 필요합니다. 오버슈트의 평활화 정도와 효율과의 타협점을 도출해야 합니다.

●대책 ③-2 : 1차측 MOSFET의 게이트 저항치를 크게 한다.

1차측 MOSFET M1의 게이트 저항 RGATE1의 값을 크게 해서, VGS1의 상승 시간을 늦춤 (둔화시킴) 으로써 급격한 상승으로 인한 서지를 억제하여, 2차측 VDS2의 오버슈트를 억제할 수 있습니다. 하기 그림은 회로도에서의 RGATE1과 대책 실시 후의 효과를 나타낸 파형도입니다. RGATE1의 값은 10~470Ω 정도 (참고치)입니다.

※주의 사항 : RGATE1의 값이 커지게 되면 효율이 악화되고, 1차측 MOSFET M1의 발열이 증가할 가능성이 있으므로, 특성 확인이 필요합니다. 오버슈트의 저감과 효율, 발열의 트레이드 오프 관계를 고려하여 조정해야 합니다.

●대책 ③-3 : 트랜스의 권선비 Ns / Np를 작게 한다.

트랜스의 권선비를 작게 함으로써, VDS2의 진폭을 감쇠시킵니다.

※주의 사항 : VDS2가 감쇠하는 반면, 1차측 MOSFET의 VDS1이 커집니다 (대책 실시 후 파형 참조). 따라서, VDS1이 1차측 MOSFET M1의 VDS 정격을 초과하지 않도록 트랜스의 권선비를 조정해야 합니다.
발생 가능성이 있는 트러블 예와 그에 대한 대책 및 주의 사항에 대한 설명은 본 편으로 마치겠습니다.

키 포인트

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

・서지의 영향으로 VDS2가 2차측 MOSFET의 VDS 내압 이상이 되는 경우가 있으며, 이에 대한 대책으로는 3가지 정도의 방법이 있다.
  1) 2차측 MOSFET의 드레인 – 소스 사이에 용량을 삽입한다.
  2) 1차측 MOSFET의 게이트 저항치를 크게 한다.
  3) 트랜스의 권선비 Ns / Np를 작게 하여 VDS2를 낮춘다.

・각 대책에는 트레이드 오프 특성이 있으므로 주의한다.

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