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2021.08.18 AC/DC

다이오드 정류와 동기정류의 효율 비교

AC/DC 컨버터의 효율을 향상시키는 2차측 동기정류 회로의 설계

이번에는 2차측 다이오드 정류 방식 AC/DC 컨버터와 2차측을 동기정류용 전원 IC BM1R00147F로 대체한 AC/DC 컨버터의 효율을 비교해 보겠습니다.

2차측 다이오드 정류 방식 AC/DC 컨버터와 2차측 동기정류 방식 AC/DC 컨버터의 효율 비교

지금까지 기존의 2차측 다이오드 정류 방식 AC/DC 컨버터의 2차측을 동기정류용 전원 IC로 대체하여 동기정류화함으로써 효율을 개선하는 것을 목적으로, 설계 사례를 예로 들어 설명했습니다. 그럼 이제 각각의 효율을 비교해 보겠습니다. 하기 그래프는, 대체 전의 2차측 다이오드 정류 방식과 BM1R00147F로 대체한 후의 High-side 타입과 Low-side 타입의 3가지 평가 보드를 사용하여 효율을 실측한 결과입니다. 측정 조건은 입력전압 400VDC, 출력전압 5VDC, 출력전류 0~10A입니다.

왼쪽 그래프는 모든 출력전류 (Iout) 범위에서의 효율입니다. 주황색은 대체 전인 다이오드 정류 방식의 효율입니다. 청색과 적색은 동기정류 방식으로 대체한 후의 효율로, 청색이 Low-side 타입, 적색이 High-side 타입입니다. 거의 효율이 동일하므로 High-side 타입의 적색 선은 Low-side 타입의 청색 선에 겹쳐져 있습니다. 이 그래프에서도 주황색의 다이오드 정류 방식이 효율 면에서 열세하다는 것을 알 수 있지만, 더욱 명확하게 알 수 있도록 오른쪽에 세로축을 확대한 그래프를 게재하였습니다.

결과적으로 최대 부하 10A일 때, 대체 전의 2차측 다이오드 정류 방식의 효율은 77.3%인 반면, 대체 후는 81.3% (Low-side), 81.6% (High-side)로, 4%의 효율 개선을 확인할 수 있습니다.

이러한 효율의 차이는, 2차측 정류 다이오드와 대체한 MOSFET의 손실의 차이가 지배적인 요인이 됩니다. 2차측 정류 다이오드에는 일반적으로 FRD (패스트 리커버리 다이오드)나 SBD (쇼트키 배리어 다이오드) 등이 사용됩니다. 일반적인 사례의 전력에서 사용되는 이러한 다이오드의 VF는 0.5V~1V 정도이므로, 단순히 도통 손실을 계산하면 VF×Iout에서 VF를 1V로 가정하고 Iout=10A일 때 10W의 도통 손실이 됩니다. 반면에 대체에 사용한 MOSFET의 도통 손실 Ron×Iout2은 Ron=4mΩ (MOSFET 사양 발췌)인 경우 0.4W로, 다이오드의 1/25에 해당됩니다.

물론, 실제의 효율은 스위칭 손실 등 다른 손실 요인을 모두 고려해야 하므로, 이와 같이 단순하게 비교해서는 안됩니다. 그러나, 2차측 정류 소자의 손실이 지배적이라는 것은 분명하게 알 수 있을 것입니다. 따라서, 다이오드 자체의 VF 특성을 크게 개선할 수 없는 상황에서, 2차측 다이오드 정류 방식 AC/DC 컨버터의 효율을 크게 개선하기 위해서는, 2차측 동기정류화가 유효한 선택지라고 할 수 있습니다.

하기는 사용한 평가 보드의 회로도와 부품표이므로 참고하여 주십시오. 여기에서의 효율은 어디까지나 본 평가 사례에 대한 결과로서, 사용 부품의 특성 편차나 기판 레이아웃 등에 따라 변동될 가능성이 있으므로 주의가 필요합니다.

다음 편에서는 기판 레이아웃의 주의점에 대해 설명하겠습니다.

키 포인트

・기존의 2차측 다이오드 정류 방식과, 대체 후 동기정류 방식의 효율은, 동기정류 방식이 확실히 높다.

・동기정류 방식의 High-side 타입, Low-side 타입은 효율 차이가 거의 없다.

・효율 차이의 지배적 요인은, 다이오드 정류의 다이오드 손실 (VF)과 동기정류의 MOSFET 손실 (VDS)의 차이다.

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