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2021.10.27 Si 파워 디바이스

경부하 시 스위칭 소자의 동작에 관한 주의점

Phase Shift Full Bridge 회로의 전력 변환 효율 향상

경부하 시에는 흐르는 전류가 작아 LS에 축적되는 에너지가 작아지므로, Lagging Leg에 있어서 COSS의 충전, 방전이 완료되지 않은 상태에서 스위칭 동작을 시작할 가능성이 높아집니다. 따라서, ZVS 동작이 성립되지 않아, MOSFET의 turn-on 손실이 발생하기 쉬워집니다.

반면에, Leading Leg MOSFET의 COSS 충방전 시에는, 트랜스를 통해 2차측으로 에너지가 전달됩니다. 앞서 설명한 바와 같이, 에너지 밸런스에 따른 ZVS의 성립 조건을 고려하면, Mode (2)를 예로 들어 트랜스의 권선비가 n일 때, Leading Leg의 ZVS 성립 조건은 하기의 식으로 나타낼 수 있습니다. IL2는 Mode (1) 종료 시점의 IL이며, EOSS_Q1, EOSS_Q2는 각각 Q1, Q2의 COSS 충방전 완료에 필요한 에너지입니다.

실제의 회로 동작에서는, upper arm / lower arm의 단락을 방지하기 위해 데드 타임을 설정해야 합니다. 위에서 설명한 바와 같이, 경부하 시에는 Lagging Leg MOSFET의 충방전이 완료되지 않은 상태, 즉 드레인 전압 VDS가 남아 있을 (하드 스위칭이 됨) 가능성이 있으므로, 데드 타임의 설정에 따라서는 Lagging Leg의 MOSFET turn-on 손실이 증가할 가능성이 있습니다. 따라서, 데드 타임 설정 시에는 주의가 필요합니다.

하기는 데드 타임을 최적화한 경우와 그렇지 않은 경우의 turn-on 시에 대한 개략도입니다.

데드 타임이 최적화되어 있지 않은 경우에는, 순간적으로 큰 드레인 전류 ID가 흐릅니다. 이는 게이트 – 드레인 용량 CGD와 게이트 – 소스 용량 CGS의 용량비에 따라 게이트 – 소스 전압 VGS가 threshold 전압을 초과하여 발생하는 관통 전류 (arm short 전류)와, 역 arm의 MOSFET COSS에 대한 충전 전류가 영향을 미칩니다. 후자의 COSS에 대한 충전 전류의 경우 하드 스위칭 동작 시에는 반드시 발생하지만, 전자의 관통 전류는 MOSFET의 CGD와 CGS의 용량비를 적절하게 설정함으로써 미연에 방지할 수 있습니다. 따라서, CGD와 CGS의 용량비가 적절한 MOSFET를 선택하는 것이 중요합니다.

키 포인트

・경부하 시에는 전류가 작아 LS의 축적 에너지가 작아지므로, COSS의 충전, 방전이 완료되지 않은 상태에서 스위칭 동작을 시작할 가능성이 높아진다. 따라서, ZVS 동작이 성립하지 않아 MOSFET의 turn-on 손실이 발생하기 쉬워진다.

・COSS의 충방전 미완료로 인해 VDS가 남아 있을 가능성이 있으므로, upper arm / lower arm의 단락으로 인한 관통 전류를 방지하기 위해 데드 타임을 적절하게 설정해야 한다.

・MOSFET의 CGD와 CGS의 용량비에 따라서는 관통 전류가 흐를 우려가 있으므로, 이 비율이 적절한 MOSFET를 선택하는 것이 중요하다.

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