트랜지스터｜평가편

LLC 컨버터의 기본 동작

2024.06.12

키 포인트

・일반적으로 LLC 컨버터는 Gain이 1보다 크므로, MOSFET Turn-on 시 ZVS 동작을 하는 영역 (2)에서 동작한다.

・영역 (2)에서 LLC 컨버터의 회로 동작은 10종류의 Mode로 분류된다.

지난 「LLC 컨버터 동작의 특징」 편에 이어, 세번째 항목인 「LLC 컨버터의 기본 동작」에 대해 설명하겠습니다.

LLC 컨버터의 기본 동작

LLC 컨버터는 지난 편에서 설명한 그림 2의 영역 (2)에서 MOSFET Turn-on 시 ZVS 동작을 하기 때문에 일반적으로 이 영역에서 사용됩니다. 그림 3은 영역 (2)에서의 동작 파형입니다. Q1, Q2의 드레인 전류 파형 (ID_Q1, ID_Q2)은 Turn-on 시에 ZVS 동작을 하는 것을 나타냅니다.

영역 (2)에서 LLC 컨버터의 회로 동작은 그림 3의 하단에 표기한 바와 같이 10종류의 모드로 분류됩니다. 각 모드의 동작을 하기 그림 4-1~10으로 정리하였습니다.

 Mode (1)

  • ・Q1=ON 상태, Q2=OFF 상태.
  • ・1차측에는 부하 전류와 자화 전류가 모두 흐른다.
  • ・2차측에는 D1을 통해 전류 ID1이 흐른다. 이때 Lr과 Cr의 공진에 의해 정현파 상태의 전류가 흐른다.
  • ・ID1=0A가 되면, 다음 동작 모드로 이행한다.

Mode (2)

  • ・Mode (1)에 이어 Q1=ON 상태, Q2=OFF 상태.
  • ・D1에 흐르는 전류가 0A가 되면, 1차측의 부하 전류도 0A가 된다. 이때 자화 전류는 계속 흘러 Cr이 충전된다.
  • ・이 충전 구간이 길어지면 충전 전하량이 커져, 출력전압이 상승한다.

Mode (3)

  • ・Q1이 Turn-off한다.
  • ・자화 전류가 흘러 Q1의 출력용량 Coss_Q1의 충전을 시작한다.
  • ・동시에 Q2의 출력용량 Coss_Q2가 방전을 시작한다.

Mode (4)

  • ・Coss_Q1의 충전, Coss_Q2의 방전이 완료된 후, 자화 전류는 Q2의 바디 다이오드를 통해 흐른다.
  • ・바디 다이오드에 전류가 흘러 VDS_Q2가 거의 0V가 된다. 이에 따라, MOSFET Turn-on 시의 스위칭 손실도 거의 0이 된다.

Mode (5)

  • ・Q2가 Turn-on한다.
  • ・Turn-on 전에 자화 전류가 바디 다이오드에 흐르고 있기 때문에 Turn-on은 ZVS 동작이 된다.
  • ・Cr은 충전되어 전원으로서 기능한다. 이에 따라 1차측에 부하 전류가 발생하고 D2를 통해 2차측에 부하 전류가 흐른다.
  • ・자화 전류는 부하 전류와 반대 방향으로 흐르지만, 트랜스 1차측에 부전압이 인가되므로 자화 전류는 점차 감소하여 부하 전류와 동일한 방향으로 흐르게 된다.

Mode (6)

  • ・Q1=OFF 상태, Q2=ON 상태.
  • ・1차측에는 부하 전류와 자화 전류가 모두 흐른다.
  • ・2차측에는 D2를 통해 전류 ID2가 흐른다. 이때 Lr과 Cr의 공진에 의해 정현파 상태의 전류가 흐른다.
  • ・ID2=0A가 되면, 다음 동작 모드로 이행한다.

Mode (7)

  • ・Mode (6)에 이어 Q1=OFF 상태, Q2=ON 상태.
  • ・D2에 흐르는 전류가 0A가 되면, 1차측의 부하 전류도 0A가 된다. 이때 1차측에는 자화 전류가 계속 흘러 Cr이 충전된다.
  • ・이 충전 구간이 길어지면 충전 전하량이 커져, 출력전압이 상승한다.

Mode (8)

  • ・Q2가 Turn-off한다.
  • ・자화 전류가 흘러 Q2의 출력용량 Coss_Q2의 충전을 시작한다. 동시에 Q1의 출력용량 Coss_Q1이 방전을 시작한다.

Mode (9)

  • ・Coss_Q2의 충전, Coss_Q1의 방전이 완료된 후, 자화 전류는 Q1의 바디 다이오드를 통해 흐른다.
  • ・바디 다이오드에 전류가 흘러 VDS_Q1이 거의 0V가 된다. 이에 따라, MOSFET Turn-on 시의 스위칭 손실도 거의 0이 된다.

Mode (10)

  • ・Q1이 Turn-on한다.
  • ・Mode (5)와 마찬가지로 Turn-on 전에 자화 전류가 바디 다이오드에 흐르고 있기 때문에 Turn-on은 ZVS 동작이 된다.
  • ・Cr은 충전되어 전원으로서 기능한다. 이에 따라 1차측에 부하 전류가 발생하고 D1을 통해 2차측에 부하 전류가 흐른다.
  • ・자화 전류는 부하 전류와 반대 방향으로 흐르지만, 트랜스 1차측에 부전압이 인가되므로 자화 전류는 점차 감소하여 부하 전류와 동일한 방향으로 흐르게 된다.

그림 4-1~10 : LLC 컨버터의 동작 모드 (10종류)

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