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2021.09.29 Si 파워 디바이스

PSFB 회로의 기본 구성

Phase Shift Full Bridge 회로의 전력 변환 효율 향상

Si 파워 디바이스의 평가편 제2탄으로, 「Phase Shift Full Bridge 회로의 전력 변환 효율 향상」에 대해 다루겠습니다.

최근 서버 및 온보드 차저 (OBC : On Board Charger) 등의 전원에 대한 대전력화 요구가 더욱 높아지고 있습니다. 이와 같은 대전력 전원에는 대부분의 경우 Full-bridge 회로가 사용되고 있으며, 특히 Phase Shift Full Bridge (이하 PSFB) 회로는, Super Junction MOSFET (이하 SJ MOSFET)나 IGBT와 같은 스위칭 소자 turn-on 시에 제로 전압 스위칭 (Zero Voltage Switching, 이하 ZVS) 동작이 가능하여, 스위칭 손실을 저감시킬 수 있으므로, 더 큰 전력을 취급할 수 있습니다.

전원의 대전력화에 따라, 효율 향상이 큰 과제로 떠오르고 있습니다. 일반적으로 효율이 동등해도 대전력 전원의 경우 손실 자체가 커지므로, 되도록 고효율이 요구됩니다.

본 테마에서는 PSFB 회로에 SJ MOSFET가 사용되는 경우의 회로 동작에서 고속 리커버리 타입 SJ MOSFET의 필요성에 대해 설명하겠습니다. 그리고, 리커버리 특성이 다른 SJ MOSFET와의 효율 비교를 통해, PSFB 회로에서 리커버리 특성의 중요성을 확인해보겠습니다.

PSFB 회로의 기본 구성

하기 그림은 PSFB 회로의 기본 구성입니다. 이 기본 구성을 이해하면, 회로 동작 역시 이해하기 쉬울 것입니다.

PSFB의 특징 중 하나인 ZVS를 실현하기 위해 공진용 인덕터로서 트랜스의 누설 인덕턴스를 이용하며, ZVS 동작의 범위를 확대하기 위해 트랜스와 직렬로 인덕터를 추가하는 경우도 있습니다. 여기에서는 직렬로 추가한 인덕터 LS를 사용하는 회로를 가정하여 설명하겠습니다.

왼쪽 그림은 각 스위치의 ON / OFF 타이밍 차트를 나타낸 것입니다. 그림 하단부의 화살표 밑에 표시된 숫자는 회로 동작 모드를 나타내는 라벨입니다. 다음 편의 회로 동작 설명에서 사용할 모드의 번호도 이와 동일합니다.

차트와 같이, Q1과 Q2가 ON / OFF 상태를 전환한 후, 일정 위상 지연을 동반하여 Q3과 Q4가 ON / OFF 상태를 전환합니다. 일반적으로 Q1과 Q2의 Leg를 「Leading Leg」, Q3과 Q4의 Leg를 「Lagging Leg」라고 합니다.

키 포인트

・Phase Shift Full Bridge (PSFB) 회로는 스위칭 소자가 제로 전압 스위칭 (ZVS) 동작을 함으로써, 스위칭 손실을 대폭 저감할 수 있으므로, 더 큰 전력을 취급할 수 있다.

・PSFB의 스위칭 회로는 기본적으로 4개의 스위칭 소자 (MOSFET)로 구성되며, ZVS 동작에 필요한 공진용 인덕터로서 트랜스의 누설 인덕턴스를 이용한다.

・ZVS 동작의 범위 확장을 위해 트랜스와 직렬로 인덕터를 추가하는 경우도 있다. 본 테마에서는 추가된 회로를 가정하여 설명할 예정이다.

・기본 스위칭은 Q1과 Q2가 ON / OFF 상태를 전환한 후, 일정 위상 지연을 동반하여 Q3과 Q4가 ON / OFF 상태를 전환한다.

・일반적으로 Q1과 Q2의 Leg를 「Leading Leg」, Q3과 Q4의 Leg를 「Lagging Leg」라고 한다.

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