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2021.06.23 DC/DC

입력전압이 높은 어플리케이션을 검토할 때의 주의점

손실의 검토

지난 편에서는 스위칭 주파수를 높여 어플리케이션을 소형화할 때의 주의점에 대해 설명했습니다. 이번에는 입력전압이 높아지는 경우, 손실이 증가하는 부분과 주의점, 그리고 대응책에 대해 설명하겠습니다.

입력전압이 높은 어플리케이션을 검토할 때의 주의점

DC/DC 컨버터의 입력전원은, 산업기기의 12V BUS 등에서는 거의 일정하지만, 자동차의 배터리 전압 등은 공칭 12V에 대해 과도 변동을 고려하여 상당히 넓은 범위의 전압을 가정하고 설계해야 합니다.

그럼 지금까지 검토해온 조건인 입력전압 12V가 최대 60V까지 변동하는 것을 가정하여 효율을 검토해 보겠습니다.

손실 요인」 편에서 게재한 바와 같이, 입력전압이 높아짐에 따라 효율에 영향을 미치는 것은 「스위칭 손실」입니다.

<입력전압 VIN 이 높아짐에 따라 커지는 손실 요인>

・스위칭 손실
    

이 식과 같이, 스위칭 손실은 VIN이 높아지면 증가할 뿐만 아니라, 곱셈이므로 큰 영향을 미치게 된다는 것을 알 수 있습니다.

table

VIN이 12V와 60V일 때의 손실을 실제로 계산해보겠습니다.

PSWH(12VIN)=0.5×12V×2A×(20 nsec+20 nsec)×1MHz=0.48W
PSWH(60VIN)=0.5×60V×2A×(20 nsec+20 nsec)×1MHz=2.4W

VIN이 5배가 되므로, 계산 상으로는 스위칭 손실도 단순히 5배가 됩니다. 하기는 입력전압에 따른 전체 손실의 변화를 나타낸 그래프입니다. 기본적으로 스위칭 손실의 증가가 지배적입니다.

고찰 및 대응책

입력전압 범위를 12V~60V로 확장하기 위해서는, 당초 12VIN용으로 선택한 MOSFET의 정격전압 (내압)을 비롯하여 몇가지의 사양을 재검토해야 합니다. 하기에 재검토 포인트와 주의점을 정리하였습니다.

  • 스위칭 트랜지스터 (MOSFET) 외장 타입의 컨트롤러 IC를 사용하는 경우, MOSFET의 정격전압 (VD)을 재검토한다.
  • 스위칭 손실이 증가하므로, MOSFET의 허용 손실도 재검토한다.
  • MOSFET 변경 시에는 tr과 tf가 더 빠르고, ON 저항과 Qg가 낮은 제품을 검토한다.
  • 전원 사양에 있어서 스위칭 주파수를 낮출 수 있다면 낮춘다. fSW를 절반인 500kHz로 낮추면 손실은 반으로 줄어든다.
  • 스위칭 트랜지스터 내장 타입 IC인 경우에는 IC 자체를 재검토해야 한다.

여기까지는 손실 면에서만 생각했지만, 더 높은 입력전압을 커버해야 하는 경우에는 또 한가지 검토 사항이 있습니다. 본 주제에서는 벗어나는 내용이지만, 현실적인 면에서 중요하므로 설명하겠습니다.

최대 60VIN을 5VOUT으로 강압하는 경우, 전원 IC의 제어 파라미터 중 하나인 최소 ON 시간에 따라 강압비가 제한되므로, 강압비와 최소 ON 시간을 필수적으로 검토해야 합니다. 60:5의 강압이므로, 스위칭 주파수가 1MHz인 경우 단순 계산으로는 주기 1µs의 1/12, 즉 83.3ns의 ON 시간을 제어할 수 있는 전원 IC가 필요합니다. 그러나, 현실적으로는 최소 ON 시간이 83.3ns 이하인 전원 IC가 많지 않습니다. 로옴의 제품을 예로 들면, BD9V100MUF라는 전원 IC로 대응이 가능하지만, 대부분의 경우 최소 ON 시간을 만족하지 못해 어쩔 수 없이 스위칭 주파수를 낮추어야 합니다. 스위칭 주파수를 낮추면 손실뿐만 아니라 관련된 모든 부품 정수를 재검토해야 합니다. 단, 자동차기기에서는 기본적으로 2MHz 이상의 스위칭 주파수가 요구되므로, 스위칭 주파수를 낮추는 방법 자체를 선택할 수 없습니다.

이와 같이 고전압 어플리케이션을 검토하는 경우에는 강압비와 손실 증가의 2가지 면에서 검토해야 합니다.

키 포인트

・입력전압이 높아지는 경우, 스위칭 손실의 증가가 커진다.

・스위칭 손실이 증가하므로, MOSFET의 정격 전압, 허용 손실을 개선할 필요가 있다.

・tr과 tf가 더 빠르고, ON 저항과 Qg가 낮은 MOSFET를 검토한다.

・전원 사양에 있어서 스위칭 주파수를 낮출 수 있다면 낮춘다. fSW를 반으로 낮추면, 손실이 반으로 줄어든다.

・스위칭 트랜지스터 내장 타입 IC의 경우, IC 자체를 재검토해야 한다.

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