동기정류 강압 컨버터의 도통 손실

지난 편에서는 동기정류 강압 컨버터에서의 손실 발생 부분을 확인하고, 컨버터 전체로서의 손실은 각 부분 손실의 합계라고 설명했습니다. 이번 편에서는, 각 포인트의 손실 산출 방법에 대해 검토하겠습니다. 먼저, 파워 스위치인 출력단 MOSFET의 도통 손실입니다.

출력단 MOSFET의 도통 손실

출력단 MOSFET의 도통 손실은, High-side 및 Low-side MOSFET ON 시의 ON 저항 (R_DS(ON))으로 인한 손실이며, 전도 손실이라고도 합니다. 여기에서는 하기의 기호로 표기하였습니다.

 PONH : High-side MOSFET ON 시의 ON 저항으로 인한 도통 손실
 PONL : Low-side MOSFET ON 시의 ON 저항으로 인한 도통 손실

ON 저항은 MOSFET의 특성을 나타내는 중요한 파라미터 중 하나로, MOSFET에는 반드시 존재하는 항목입니다. 따라서, 저항을 지닌 도체에 전류가 흐르는 것이므로, 단순히 그 만큼의 손실이 발생한다는 것을 알 수 있습니다.

그러면, MOSFET의 도통 손실을 산출해보겠습니다. 하기 회로도의 IONH (적색)는 High-side MOSFET ON 시의 전류를 나타냅니다. IONL (청색)은 Low-side MOSFET ON 시의 전류입니다. 파형도의 LX는 스위치 노드의 전압 파형, IONH와 IONL은 스위칭에 따른 각 전류 파형, IL은 인덕터 전류로, 표준적인 예입니다.

동기정류의 경우, High-side 스위치 ON 시에는 Low-side 스위치가 OFF되고, Low-side ON 시에는 High-side가 OFF됩니다. 스위치 노드 파형의 적색 부분은 IONH가 흐르고 있음을 나타내며, 청색 부분은 IONL이 흐르고 있음을 나타냅니다. 즉, 이 구간에 MOSFET에 흐르는 전류와 MOSFET의 ON 저항으로 인한 전력 손실이 각각의 도통 손실이 됩니다. 하기의 계산식으로 나타낼 수 있습니다.

보시는 바와 같이 옴의 법칙에 따른 I² · R에 ON 구간을 곱한 값입니다. 전류는 평균 전류인 Io를 사용한 모델입니다.

참고로, 다이오드 정류 (비동기정류)의 경우에는, 동기정류의 Low-side MOSFET가 다이오드가 되는 것이므로, 동일한 개념으로 손실을 구할 수 있습니다. 다이오드에는 ON 저항이라는 파라미터가 없으므로, 순방향 전압 Vf로 계산합니다. 이러한 경우 전압 (Vf)을 알고 있으므로, V · I로 계산할 수 있습니다. 또한, 스위치가 바이폴라 트랜지스터인 경우에도, 다이오드와 동일한 개념으로 V_CE를 사용하여 계산할 수 있습니다.

실제의 계산에서 중요한 것은, ON 저항의 값은 Io 값에서의 ON 저항으로 계산한다는 것입니다. MOSFET의 데이터시트에 게재되어 있는 ON 저항 R_DS(ON)과 I_DS의 그래프를 이용하면 편리합니다. 다이오드의 Vf 및 바이폴라 트랜지스터의 V_CE도 마찬가지입니다.

다음 편에서는 스위칭 손실에 대해 설명하겠습니다.