AC-DC｜설계편

AC/DC 컨버터의 효율을 향상시키는 2차측 동기정류 회로의 설계

2021.04.21

키 포인트

・AC-DC 컨버터의 효율 개선은 필수적으로 요구되고 있지만, 국가별 규제 등으로 까다로워지고 있다.

・플라이백 AC-DC 컨버터의 2차측 동기정류화에는, 관통 상태 회피와 같은 과제가 있다.

・2차측 동기정류화를 위한 컨트롤러 IC가 개발되고 있다.

서론

최근 AC-DC 전원에 대한 효율 요구가 까다로워지고 있습니다 (참고 기사). AC-DC 컨버터의 효율 향상을 위한 수단의 하나로서, 다이오드 정류 방식을 동기정류 방식으로 변경하는 방법이 있습니다. DC-DC 컨버터의 경우 동기정류 방식 채용을 통해 효율이 대폭 향상됩니다. 이는 AC-DC 컨버터도 마찬가지입니다. 하기 그림과 같이, 2차측의 정류 다이오드를 MOSFET로 변경함으로써 이 부분의 손실을 대폭 저감하여, 효율을 향상시킬 수 있다는 것을 쉽게 상상할 수 있을 것입니다.

단순한 예를 들어 비교하자면, 다이오드의 IF가 3A, VF가 1V인 경우, 손실은 3W가 됩니다. 이때 다이오드를 ON 저항 10mΩ의 MOSFET로 변경하면 손실은 I2R=0.09W로, 다이오드인 경우의 1/30 이하가 됩니다.

그렇다면 현실적으로 대부분의 AC-DC 컨버터가 다이오드 정류 방식인 이유는 무엇일까요?

예를 들어, 중전력까지의 AC-DC 컨버터 대부분은 PWM 플라이백 방식을 채용하고 있어, 입출력 조건이나 트랜스 사양에 따라 연속 모드 동작이 됩니다. 이를 단순하게 동기정류 방식과 조합하게 되면, 연속 모드 동작 시 정상적인 제어가 불가능해짐에 따라, 1차측 스위치 소자 (MOSFET)와 2차측 정류 소자 (MOSFET)가 동시에 ON되어 관통 전류로 인해 소자가 파괴될 가능성이 있습니다. 따라서, 동시 ON 방지 회로 추가, 연속 모드 동작을 하지 않는 의사 공진 (Quasi-Resonant) 방식 채용, 불연속 모드 동작만으로 사용하는 등의 제한이 발생하여, 동기정류화가 용이하지 않다는 과제가 있기 때문입니다.

그러나, AC-DC 컨버터의 효율 개선은 필수이지만 다이오드 등의 부품 기술로는 한계가 있으므로, 2차측 동기정류 컨트롤러가 개발된 것입니다. 본 테마에서는 2차측 동기정류 컨트롤러 IC, BM1R001xxF 시리즈를 사용하여 다이오드 정류 방식 AC-DC 컨버터를 동기정류화하는 설계 사례에 대해 다루고자 합니다.

하기의 내용에 따라 설명할 예정입니다.

  • 설계 순서
  • 설계 조건
  • 컨트롤러 IC의 선택
  • 부품 선정
  • 회로 동작 조정
  • PCB 레이아웃
  • 특성 평가

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