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2021.09.29 Si 파워 디바이스

PSFB 회로의 기본 동작

Phase Shift Full Bridge 회로의 전력 변환 효율 향상

PSFB 회로에서의 ZVS 동작은, 스위치를 구성하는 MOSFET의 출력 용량 COSS가 방전되어 Body Diode에 순방향 전류가 흐를 때에 해당 MOSFET를 turn-on 시킴으로써 성립합니다.
하기는 PSFB 회로의 Q1~Q4의 드레인 전류와 1차측 트랜스에 흐르는 전류 파형을 나타낸 것입니다.

전류의 플러스 (+) 방향을 드레인 → 소스 방향으로 하면, Q1~Q4에 각각 마이너스 (-) 방향의 드레인 전류가 흐르는 구간 즉, MOSFET의 Body Diode에 순방향 전류가 흐르는 구간이 있음을 확인할 수 있습니다. 예를 들어 Q3의 경우, Mode (7) 구간입니다. 이 구간 중에는 드레인 전압이 거의 0이므로, 이 구간 중에 turn-on하면 ZVS 동작이 성립됩니다.

또한, Leading Leg와 Lagging Leg에서 위상만 지연된 동일한 형태의 전류 파형이 발생하지 않는다는 것도 알 수 있습니다. 이와 같이 파형이 달라지는 이유는, 전류 파형 하단부에 표기한 Mode (1)~Mode (14)에 대한 각각의 전류 경로를 생각하면 쉽게 이해할 수 있을 것입니다. 각 모드의 번호와 위치는 지난 편의 타이밍 차트와 동일합니다.

하기에 Mode (1)~Mode (14)의 동작과 전류 경로를 정리하였습니다.

  • ・Q1과 Q4 = ON, Q2와 Q3 = OFF.
  • ・Q2와 Q3 = OFF되어, Q2의 출력 용량 COSS_Q2 및 Q3의 출력 용량 COSS_Q3은 충전된다.
  • ・1차측 트랜스에는 Vi가 인가된다.
  • ・LS에 전류가 흐르므로, 에너지가 축적된다.
  • ・Q1만 turn-off.
  • ・Q1 = OFF되어, 출력 용량 COSS_Q1이 충전된다. 이에 따라, Q2의 드레인 측 전위가 낮아지므로, 동시에 COSS_Q2는 방전을 시작한다.
  • ・COSS_Q1의 충전, COSS_Q2의 방전이 완료된 후에도 LS에 에너지가 축적되는 경우, Q2의 Body Diode (DQ2)를 통해 전류가 흘러, 프리휠링 동작을 시작한다.
  • ・프리휠링 동작이므로, 2차측에 에너지를 공급하지 않지만, LO의 영향으로 인해 전류는 계속 흐른다. LO에 의한 전류는 D1, D2에 있어서 순방향이 되므로, 모든 다이오드에 전류가 흐른다.
  • ・Q2가 turn-on. 이 시점에서는 DQ2가 도통 상태이므로, Q2의 드레인 – 소스 전압 VDS_Q2는 거의 0V. 즉, ZVS 동작이 되므로 turn-on 손실은 발생하지 않는다.
  • ・Q4가 turn-off.
  • ・Q4의 turn-off에 의해 Q4의 출력 용량 COSS_Q4가 충전된다. 동시에 Q3의 소스측 전위가 높아지므로, 출력 용량 COSS_Q3이 방전된다.
  • ・COSS_Q4의 충전, COSS_Q3의 방전이 완료된 후에도 LS에 에너지가 축적되는 경우, Q3의 Body Diode (DQ3)를 통해 전류가 흘러 프리휠링 동작을 시작한다.
  • ・Q3이 turn-on. 이 시점에서는 DQ3이 도통 상태이므로, Q3의 드레인 – 소스 전압 VDS_Q3은 거의 0V, 즉 ZVS 동작이 되므로 turn-on 손실은 발생하지 않는다.
  • ・Q3 = ON되므로, LS가 급속하게 에너지를 방출하여, Mode (1)~Mode (6)에서의 IL과는 역방향 전압이 되므로, 전류의 방향이 급속하게 반전된다.
  • ・Q2와 Q3 = ON, Q1과 Q4 = OFF.
  • ・이에 따라 COSS_Q1 및 COSS_Q4가 충전된다.
  • ・1차측 트랜스에 Mode (1)과는 역방향으로 Vi가 인가된다.
  • ・LS에 전류가 흐르므로, 에너지가 축적된다.
  • ・Q2를 turn-off.
  • ・Q2를 turn-off함으로써, COSS_Q2가 충전되고, 동시에 COSS_Q1이 방전된다.
  • ・COSS_Q2의 충전, COSS_Q1의 방전이 완료된 후에도 LS에 에너지가 축적되는 경우, Q1의 Body Diode (DQ1)를 통해 전류가 흘러, 프리휠링 동작을 시작한다.
  • ・프리휠링 동작이므로, 2차측에 에너지를 공급하지 않지만, LO의 영향으로 인해 전류는 계속 흐른다. LO에 의한 전류는 D1, D2에 있어서 순방향이므로, 모든 다이오드에 전류가 흐른다.
  • ・Q1이 turn-on. 이 시점에서는 DQ1이 도통 상태이므로 Q1의 드레인 – 소스 전압 VDS_Q1이 거의 0V, 즉 ZVS 동작이 되므로 turn-on 손실은 발생하지 않는다.
  • ・Q3을 turn-off.
  • ・Q3을 turn-off함으로써, COSS_Q3을 충전하고, 동시에 COSS_Q4가 방전된다.
  • ・COSS_Q3의 충전, COSS_Q4의 방전이 완료된 후에도 LS에 에너지가 축적되는 경우, Q4의 Body Diode (DQ4)를 통해 전류가 흘러, 프리휠링 동작을 시작한다.
  • ・Q4가 turn-on. 이 시점에서는 DQ4가 도통 상태이므로, Q4의 드레인 – 소스 전압 VDS_Q4는 거의 0V, 즉 ZVS 동작이 되므로 turn-on 손실은 발생하지 않는다.
  • ・LS가 급속하게 에너지를 방출하여, Mode (8)~Mode (13)에서의 IL과는 역방향의 전류가 흐르도록 전압이 인가되므로, 전류의 방향이 급속하게 반전한다.

이와 같은 전류 경로의 변화에서, 특히 Mode (7)과 (14)의 설명과 같이, Lagging Leg의 MOSFET가 ON됨에 따라, 입력 전원과 LS가 직렬 접속되어, LS의 에너지가 급속하게 감소합니다. 이 동작은 Leading Leg에서는 발생하지 않으므로, 결과적으로 Leading Leg와 Lagging Leg의 전류 파형에 차이가 발생하게 됩니다. 이러한 전류 파형의 차이로 인해, Leading Leg의 MOSFET와 Lagging Leg의 MOSFET에서는 손실이 달라지고, 발열에 차이가 발생하므로 열 설계 시에는 주의가 필요합니다.

Mode (5)와 (6), (12)와 (13)의 설명과 같이, Lagging Leg에 있어서 LS에 축적된 에너지가 MOSFET의 COSS에 축적된 에너지보다 크지 않으면 MOSFET의 충방전이 완료되지 않으므로, ZVS 동작이 성립되지 않습니다. Mode (5)를 예로 들어 이 조건을 식으로 표현하면 하기 식 (1)과 같이 나타낼 수 있습니다. IL1은 Mode (4) 종료 시점의 IL, EOSS_Q3, EOSS_Q4는 각각 Q3, Q4의 출력 용량의 충방전 완료에 필요한 에너지를 나타냅니다.

상기 식 (1)에서, 경부하 시에는 IL1이 작으므로 ZVS 동작이 성립되기 어렵고, 중부하가 됨에 따라 ZVS 동작이 성립되기 쉽다는 것을 알 수 있습니다.

키 포인트

・14종류의 모드로 나타낸 동작 상태와 전류 경로를 잘 이해해야 한다.

・동작의 차이에서 전류 파형에 차이가 발생하고, Leading Leg와 Lagging Leg의 MOSFET에서는 손실이 달라져 발열에 차이가 생기므로 열 설계 시에는 주의가 필요하다.

・ZVS 동작의 성립 조건의 식에서, 경부하 시에는 IL1이 작으므로 ZVS 동작이 성립되기 어렵고, 중부하로 바뀜에 따라 ZVS 동작이 성립되기 쉽다는 것을 알 수 있다.

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