벅 컨버터란? – 기본 동작 및 불연속 모드와 연속 모드

비절연형 AC-DC 컨버터 설계와 관련하여, 먼저 회로 동작에 대해 설명하겠습니다. 본 편에서 예로 사용하는 AC-DC 컨버터는 일반적으로 벅 컨버터 (Buck converter)라고 부르는 것입니다. 본래 벅 컨버터는 강압 컨버터의 의미로, DC-DC 컨버터에서도 사용되는 명칭입니다. 여러가지 설이 있지만, 기존의 표준적인 강압 컨버터가 다이오드 정류 방식 (비동기 방식)이므로, 습관적으로 다이오드 정류 방식의 강압 컨버터를 벅 컨버터라고 부르는 경향도 있습니다. 명칭을 떠나, 강압 컨버터에는 여러가지 강압 방식이 있으며, 본 예제의 강압 컨버터는 앞서 기술한 다이오드 정류 방식입니다.

벅 컨버터의 동작

하기에 기본적인 강압 컨버터의 모델을 사용하여, 그 동작을 설명하겠습니다. 기본 동작을 통해 전류 경로 및 각 노드의 성질을 이해함으로써, 주변 부품의 선정 기준 및 주의사항을 이해할 수 있습니다. 그림에서는 High-side 트랜지스터와 Low-side 다이오드를 스위치로 치환하고 모식화하여 설명하였습니다. 회로의 원리는 DC-DC 컨버터의 다이오드 정류와 동일하지만, AC 전압을 정류한 고전압을 직접 스위칭하여 강압 변환하므로, 스위치가 되는 트랜지스터 및 다이오드의 경우 예를 들어 600V 내압과 같은 고내압의 제품이 필요합니다.

・High-side 스위치 (트랜지스터) ON 시,

　인덕터 L에 전류 IL이 흘러, 에너지가 축적된다.

・이때, Low-side 스위치 (다이오드)는 OFF

・인덕터 전류 IL은 하기 식으로 나타낼 수 있다.

　(ton : ON 시간)

・High-side 스위치 (트랜지스터) OFF 시,

　인덕터에 축적된 에너지가 Low-side 스위치

　(다이오드)를 통해 출력된다.

・이때, High-side 스위치 (트랜지스터)는 OFF

・인덕터 전류 IL은 하기 식으로 나타낼 수 있다.

　(toff : OFF 시간)

불연속 모드와 연속 모드

스위칭 동작에는 불연속 모드와 연속 모드가 있습니다. 하기 표로 각 모드를 비교하였습니다.

비교 항목의 「동작」은 트랜스의 1차 권선과 2차 권선에 흐르는 전류 파형입니다. 불연속 모드는 인덕터 전류 IL이 끊어지는 구간이 있으므로 불연속 모드라고 부릅니다. 반면에 연속 모드는 인덕터 전류가 zero인 구간이 없습니다.

각 모드에 있어서 인덕터, 정류 다이오드, 스위칭 트랜지스터, 효율이 어떤 경향을 보이는지, 화살표로 나타내었습니다. 「↑」는 상승, 「↓」는 저하를 의미합니다.

연속 모드의 경우, 스위치 ON 시 정류 다이오드의 역회복 시간 (trr) 동안 역전류가 흐르고, 이러한 역전류로 인해 손실이 발생합니다. 저전압의 스위칭 DC-DC 변환 시에는 정류 다이오드의 역전압이 낮고 역전류도 작으므로, 출력 리플 전압 및 고주파 저감 등을 우선시하여 연속 모드를 사용하는 경우가 일반적입니다. 반면에 AC-DC 변환 시에는 다이오드 역전압이 높아 큰 역전류가 흐르므로, 손실을 저감하기 위해 역전류가 흐르지 않는 불연속 모드를 사용하는 경우가 일반적입니다. 단, 피크 전류가 커지므로, 부하가 큰 경우에는 연속 모드로 동작시키는 경우도 있습니다.

각각에 장단점이 있지만, 50~60W 정도까지라면 불연속 모드를 선택하는 것이 일반적입니다. 출력전력이 그 이상인 경우는 허용 가능한 트랜스의 사이즈 등을 고려하여 판단하게 됩니다. 이번 설계 예에서는 불연속 모드를 사용합니다.