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2022.01.26 Si 파워 디바이스

Phase Shift Full Bridge 회로의 전력 변환 효율 향상 : 정리

Phase Shift Full Bridge 회로의 전력 변환 효율 향상

SJ MOSFET를 사용한 PSFB 회로의 효율 향상을 위해, 동작과 전류 경로의 특징에서 중요한 포인트를 정리하였습니다.

경부하 시

  • ・ZVS 동작 성립이 어려우므로 turn-on 시에 손실이 발생하기 쉽다.
  • ・이러한 turn-on 손실을 작게 억제하기 위해서는 데드 타임을 조정하여 관통 전류 (arm short 전류)를 방지해야 한다.
  • ・기생 용량의 밸런스가 좋은 MOSFET를 선택함으로써, 관통 전류를 방지할 수 있다.
  • ・또한, 게이트 threshold 전압이 높으면 셀프 ON 방지로 이어진다.

중부하 시

  • ・MOSFET Body Diode의 trr이 크면, Leading Leg MOSFET의 기생 바이폴라 트랜지스터가 셀프 ON을 일으킬 우려가 있다.
  • ・따라서, Body Diode의 trr이 작은 MOSFET를 사용해야 한다.

이러한 관점에서 PSFB 회로에 사용하는 SJ MOSFET는, 리커버리 특성 (trr)이 고속이어야 하고, MOSFET의 기생 용량 밸런스가 최적화되어 있어야 합니다. 또한, 게이트 threshold 전압이 높아야 합니다.

서로 다른 고속 리커버리 타입의 SJ MOSFET를 사용한 효율 비교에서는, 최신세대인 PrestoMOS™ R6020JNX (R60xxJNx 시리즈)가 모든 부하 영역에서 가장 높은 효율을 보였습니다. 이는 최신세대 PrestoMOS™의 리커버리 특성이 고속 리커버리 타입 SJ MOSFET 중에서 업계 최고 수준이라는 것과, 게이트 threshold 전압이 높아 관통 전류가 흐르기 어렵고 turn-off 손실을 저감한 결과라고 할 수 있습니다.

하기에 각 기사의 키 포인트를 정리하였으므로, 참조하여 주십시오.

PSFB 회로의 기본 구성

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.

PSFB 회로의 기본 동작

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.

경부하 시 스위칭 소자의 동작에 관한 주의점

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.

중부하 시 스위칭 소자의 동작에 관한 주의점

키 포인트

・중부하 시에 trr이 긴 경우, Leading Leg의 turn-off 시에 기생 바이폴라 트랜지스터가 셀프 ON되어, MOSFET가 파괴될 가능성이 있다.

・PSFB 회로는 리커버리 중 Body Diode의 바이어스가 거의 0V이므로 전하 방출이 늦어지고, 결과적으로 trr이 길어진다.

・PSFB 회로에서는 trr이 작은 MOSFET를 사용하는 것이 중요하다.

・고속 리커버리 타입의 SJ MOSFET라도 메이커나 시리즈에 따라 성능에 차이가 있으므로, 선택 시에는 충분한 검토가 필요하다.

효율의 평가

키 포인트

・효율 비교 결과 PrestoMOS™가 가장 우수했다.

・SJ MOSFET를 채용한 PSFB 회로의 효율 향상을 위해서는, trr이 가능한 작고 우수한 스위칭 특성을 지닌 SJ MOSFET를 선택하는 것이 중요하다.

참고 문헌 [1]L.Saro, et al., “High-Voltage MOSFET Behavior I Soft-Switching Converter : Analysis and Reliability Improvements, ”International Tel-communication Conference, San Francisco, 1998.

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