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2020.07.22 AC/DC

중요 체크 포인트 : 트랜스의 포화

절연형 플라이백 컨버터의 성능 평가와 체크 포인트

사양 이외에 확인해 두어야 할 「중요 체크 포인트」로서, 지난 편에서 설명한 「MOSFET의 드레인 전압과 전류, 출력 정류 다이오드 내압」에 이어, 「트랜스의 포화」에 대해 설명하겠습니다.

트랜스의 포화
여기에서 설명할 트랜스 T1의 포화는 플라이백 동작을 담당하는 1차 권선과 2차 권선에 관한 내용입니다. T1에는 전원 IC의 전원 Vcc를 생성하는 제3 권선 (단자 4, 5)이 있습니다. 이 부분에 대해서는 별도로 Vcc가 설계대로 생성되고 있는지를 확인합니다.

먼저, 트랜스의 포화에 대해 복습하겠습니다. 트랜스에 사용되는 자성 (磁性) 재료 (철, 페라이트 등)에는 포화 자속 밀도라는 특성이 있습니다. 트랜스의 1차측 권선에 흐르는 전류를 증가시키면 자계 강도가 커지지만 자속 밀도는 무한대로 커지지 않으므로, 전류의 증가에 대해 자속 밀도가 거의 증가하지 않게 되는 한계가 있습니다. 이러한 상태를 포화 자화 (Saturation Magnetization)라고 하며, 이때의 자속 밀도가 포화 자속 밀도입니다.

이 한계를 넘어 포화 자화 상태가 되는 것을 트랜스의 포화라고 합니다. 이것은 인덕터에서도 동일합니다. 트랜스의 포화는 자속 밀도가 증가하지 않을 뿐만 아니라, 인덕턴스가 급격하게 감소하기 때문에 매우 까다롭습니다.

인덕턴스가 감소하면 직류에 대한 저항 성분은 트랜스 권선의 저항 성분만 존재하게 됩니다. 즉, 트랜스가 포화되면 대전류가 흐르게 되는 것입니다. 이것이 바로 전원 설계에서 트랜스의 포화가 문제시되는 이유이며, 인덕터 역시 마찬가지입니다.

오른쪽 파형 데이터는 트랜스의 1차측을 스위칭하는 내장 MOSFET의 Ids로, 녹색 선은 트랜스가 포화되지 않은 정상 상태입니다. 반면에 적색 점선은 트랜스가 포화된 경우의 전형적인 파형입니다.

앞서 기술한 바와 같이 트랜스가 포화 상태가 되면 대전류가 흐르게 되므로, Ids에 전류 스파이크와 같은 급격한 전류 증가가 발생합니다. 이러한 전류가 지나치게 크면 MOSFET가 파괴되는 경우도 있습니다.

트랜스 설계 시에는 1차측의 최대 전류 Ippk를 계산하여 적절한 트랜스 설계가 이루어지겠지만, 파형 데이터와 같은 Ids 전류 파형이 관찰된 경우에는 트랜스 설계를 수정해야 합니다. 트랜스 설계에 대해서는 「절연형 플라이백 컨버터 회로 설계:트랜스 설계」 편을 참조하여 주십시오.

하기는 트랜스 포화의 체크 포인트와 조건 설정을 정리한 것입니다.

<트랜스 포화의 체크 포인트>

  • 드레인 전류 Ids의 전류 파형을 오실로스코프와 전류 프로브 등을 이용하여 관찰한다.
  • 트랜스가 포화된 경우에는, Ids의 상승 기울기가 변화되어, Ids가 급격하게 상승한다.
  • 이러한 전류 상승은 MOSFET 등의 파괴를 초래하는 경우가 있다.
  • 트랜스의 포화가 확인된 경우, Ippk 등 관련 항목의 실제 상태를 확인한다.
  • 경우에 따라서는 트랜스의 설계를 수정해야 할 필요가 있다.
<체크 시의 조건 설정>

  • 입력전압 : 최소치, 최대치 (전원 기동 시, 정상 시)
  • 부하 전류 : 최대치
  • 환경 온도 : 온도 조건의 상한 및 하한 온도

키 포인트

・트랜스는 포화되지 않도록 주의한다.

・1차측의 전류 파형을 오실로스코프와 전류 프로브 등을 이용하여 관찰한다.

・트랜스가 포화된 경우에는, 과대한 전류가 흘러 MOSFET 등의 파괴를 초래하는 경우가 있다.

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