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2020.07.08 AC/DC

중요 체크 포인트 : MOSFET의 VDS와 IDS, 출력 정류 다이오드의 내압

절연형 플라이백 컨버터의 성능 평가와 체크 포인트

지금까지 절연형 플라이백 컨버터의 이론상의 설계부터, 프로토타입 제작과 평가, 설계 목표 즉 출력전압 및 효율 등 전원으로서의 사양을 만족하는지의 여부에 대한 평가에 관해 설명했습니다. 이제, 하기 항목의 순서에 따라, 사양 이외에 확인해두어야 하는 중요 체크 포인트에 대해 설명하겠습니다.

・MOSFET의 드레인 전압과 전류, 출력 정류 다이오드의 내압

・트랜스의 포화

・Vcc 전압

・출력 과도 응답과 출력전압 rising 파형

・온도 측정과 손실 측정

・알루미늄 전해 콘덴서

먼저, 통상적인 사양의 평가와 앞으로 설명할 체크 포인트의 차이점에 대해 설명하겠습니다. 하기 표는, 본 테마에서 예제로 사용하고 있는 회로의 설계 목표입니다.

파라미터 Min Typ. Max 단위 조건
입력전압 90 264 VAC
무부하 시 입력전력 50 mW 입력 : 100VAC / 230VAC
출력전압 11.4 12 12.6 V
출력전류 1.5 A
출력 리플 전압 100 mV 대역폭 20MHz
효율 80 % 출력 : 12V / 1.5A

이러한 항목 및 수치는 전원 사양으로서는 일반적인 것이며, 그 측정 방법 등에 대해서는 앞서 설명했습니다. 예를 들어, 출력전압은 조건을 설정하고, 먼저 전압계로 전압을 측정하여, 측정치가 설정한 수치의 상한과 하한 사이에 포함되면, 사양을 만족했다고 판단할 수 있습니다.

그러나, 실제로는 조금 더 상세하게, 또는 별도의 관점에서 평가하여, 사전에 잠재적인 문제나 마진을 확인하고, 문제없이 양산이 진행될 수 있도록 하는 것이 매우 중요합니다. 이러한 레벨의 평가를 위해서는 「무엇을 어떻게 보아야 하는가」에 대한 경험과 노하우가 필요합니다.

MOSFET의 드레인 전압과 전류
오른쪽 그림은 예제에 사용한 MOSFET 내장 전원 IC, BM2P014의 출력단 내부 블록과 플라이백 컨버터 구성 시의 외장 회로의 일부입니다.

내장 MOSFET는 IC의 DRAIN 단자에 드레인이 연결되어 있으며, SOURCE 단자에 소스가 연결되어 있습니다. 이 MOSFET는 트랜스의 1차측을 스위칭하여 2차측으로 에너지를 전달하는 역할을 하며, 전원으로서의 출력을 생성하는 중요한 기능을 담당하고 있습니다.

여기에서의 스위칭 동작 및 파형이 이상할 경우, 당연히 정상적인 출력을 얻을 수 없습니다.

하기는 이 MOSFET (IC)의 VDS와 IDS를 나타낸 것입니다.

왼쪽은 기동 시의 파형이며, 오른쪽은 정상 동작 시의 파형입니다. 기동 시에는 입력전압이 동작전압에 도달하면 스위칭 동작이 시작되고, VDS는 기본적으로 VIN+VOR과 GND 전위의 스위칭 파형을 나타냅니다. IDS는 이에 연동됩니다. 이 파형은 대략적으로 양호한 예입니다. 그 이유로는, 기동 후 특별히 왜곡 현상 없이 정상 동작되는 점과, 스위칭으로 인해 발생하는 스파이크는 보여지지만 비정상적인 것은 없으며 MOSFET의 정격 (650V) 이내임을 확인할 수 있다는 점을 들 수 있습니다.

오른쪽의 정상 시 파형은 시간축을 확대한 것으로, 스위칭에 따른 VDS와 IDS의 관계를 알 수 있습니다. 여기에서는 각 파형이 회로 구성에서 예상한 것과 일치하는지, 비정상적인 스파이크나 링잉, 나아가 발진 등이 발생하지 않았는지를 확인합니다. (회로 동작 및 파형에 대한 자세한 내용은 「절연형 플라이백 컨버터의 기본」을 참조하여 주십시오.)

기본적으로, VDS와 IDS가 스파이크나 링잉을 포함하여 정격을 넘지 않았는지를 확인합니다. 조건으로서 입력전압, 부하 전류, 온도에 관해 최소치와 최대치에서의 측정 매트릭스를 만듭니다. 이를 바탕으로 각 조건에 대한 특성의 변동 경향을 관찰할 수 있으며, 그 경향을 회로 동작과 부품의 특성을 반영하여 증명하면 향후 노하우로서 도움이 될 수 있습니다.

출력 정류 다이오드의 내압
앞서 게재한 회로도의 2차측에 있는, 출력 정류 다이오드에 인가되는 역전압 (Vr)에 문제가 없는지를 확인합니다. 이 다이오드에는 VIN×권선비+VOUT의 최대치가 역전압으로 걸리게 됩니다. 실제로 인가된 전압이 Vr의 정격을 넘지는 않는지, 파형이 비정상적이지는 않은지를 관찰합니다. (회로 동작 및 파형에 대한 자세한 내용은 「절연형 플라이백 컨버터의 기본」을 참조하여 주십시오.)

오른쪽 파형은 출력 정류 다이오드의 Vr 파형의 일례입니다.

실제로 관찰되는 파형이나 전압, 전류는 계산치와 완벽하게 일치하지 않으며, 교과서와 같이 이론적인 내용과도 차이가 있습니다. 특히 파형의 경우, 기생 용량이나 인덕턴스 등의 외란 (外乱) 요인이 있으며, 측정 방법에도 영향을 받습니다. 따라서 경험이 없다면, 관찰되고 있는 현상이 좋은 것인지, 나쁜 것인지를 판단하기 어렵습니다. 이때 도움이 되는 것이 각 메이커가 제공하는 평가 보드입니다. 회로는 다소 차이가 있어도 기본적으로는 이론에 가까운 동작 상태가 되므로, 이러한 평가 보드를 사용하여 본인의 것과 비교하는 것이 현실적으로 좋은 방법이라고 할 수 있습니다.

키 포인트

・MOSFET의 VDS와 IDS가 정격 이내이며, 비정상적인 스파이크나 링잉 (ringing)이 발생하지 않았음을 확인한다.

・정류 다이오드는 인가되는 전압이 역내압 Vr의 정격 이내인지를 확인하고, 파형도 체크한다.

・현실적으로는, 메이커가 제공하는 평가 보드와 비교하는 것이 좋은 방법이다.

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