트랜지스터｜평가편

LLC 컨버터 동작의 특징

2024.06.12

키 포인트

・LLC 컨버터의 메리트는 스위칭 손실 저감이지만, 공진 이탈 (Off-resonance)로 인해 스위칭 손실이 증대하여 MOSFET가 파괴되는 경우가 있다.

・LLC 컨버터는 PFM 방식을 사용하여 출력전압을 제어한다. LLC의 게인 – 주파수 특성은 2개의 공진 주파수가 있기 때문에 fsw에 따라 3개의 동작 영역으로 분류된다.

이번 편에서는 두번째 항목인 「LLC 컨버터 동작의 특징」에 대해 설명하겠습니다.

LLC 컨버터 동작의 특징

지난 편에서 설명한 기본 회로의 1차측 MOSFET에 주목하여, LLC 컨버터의 장점과 단점을 하기 표에 정리하였습니다. LLC 컨버터는 자화 전류를 사용하여 MOSFET의 출력용량 Coss의 충방전을 실행하는 부분 공진 방식에 의해 ZVS 동작을 실현합니다. 이에 따라 스위칭 손실을 저감할 수 있어, MOSFET의 패키지 및 방열용 히트싱크를 소형화할 수 있습니다.

장점 단점
  • ・브릿지 구성의 회로이므로, MOSFET의 드레인 – 소스 전압 VDS가 전원전압으로 클램프된다.
  • ・기본적으로 Turn-on 시에는 ZVS 동작을 하므로, 스위칭 손실을 저감할 수 있다.
  • ・스위칭 손실을 저감할 수 있기 때문에 패키지 및 히트싱크의 소형화가 가능하다.
  • ・공진 이탈 (Off-resonance)로 인해 MOSFET에 관통 전류가 흘러, 스위칭 손실이 증대한다. 최악의 경우, MOSFET가 파괴될 우려가 있다.

LLC 컨버터는 MOSFET의 스위칭 주파수 fsw를 변화시키는 주파수 변조 (Pulse Frequency Modulation, 이하 PFM) 방식을 사용하여 출력전압을 제어합니다. 이러한 회로 방식은 Lr, Lm, Cr을 사용하여 나타낸 식 (1), 식 (2)와 같은 두가지 공진 주파수가 있어, 스위칭 주파수의 설정에 따라서 회로 동작이 달라집니다.

f_0=1/(2π√(L_r C_r ))　・・・・・・・・（1）f_m=1/(2π√((L_r+L_m ) C_r ))　・・・・・・・・（2）

그림 2는 게인 – 주파수 특성을 나타낸 그래프입니다. 스위칭 주파수와 DC 게인에 따라 3개의 동작 영역으로 분류됩니다.

아래 표에 각 영역에 대한 설명을 정리하였습니다.

영역 (1) 유도성 부하 영역. 자화 전류를 사용한 부분 공진으로 ZVS 동작을 실현한다.
영역 (2) 영역 (1)과 마찬가지로 ZVS 동작을 한다. 이 영역에서는 G는 1보다 크므로 승압 동작을 한다. 통상적으로 LLC 컨버터에서는 이 영역을 사용한다.
영역 (3) 용량성 부하 영역. ZVS 동작이 아닌 ZCS 동작을 한다. MOSFET Turn-off 시에 순방향으로 전류가 흐르기 때문에 MOSFET의 바디 다이오드에 전류가 흐르게 되어, 바디 다이오드의 역회복 특성으로 인한 관통 전류가 opposite arm에 흘러, Turn-on 손실이 증대한다.

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