트랜지스터｜평가편
PSFB 회로의 기본 동작
2021.09.29
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.
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.
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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.