Phase Shift Full Bridge 회로의 전력 변환 효율 향상 : 정리

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.

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 I_L1이 작으므로 ZVS 동작이 성립되기 어렵고, 중부하로 바뀜에 따라 ZVS 동작이 성립되기 쉽다는 것을 알 수 있다.

키 포인트

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

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

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

키 포인트

・중부하 시에 t_rr이 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 t_rr이 길어진다.

・PSFB 회로에서는 t_rr이 작은 MOSFET를 사용하는 것이 중요하다.

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

키 포인트

・효율 비교 결과 PrestoMOS™가 가장 우수했다.

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