모듈형모듈형모듈형모듈형 DC-DC ConverterDC-DC ConverterDC-DC ConverterDC-DC Converter

개발에 관한 기술 지원개발에 관한 기술 지원개발에 관한 기술 지원개발에 관한 기술 지원

2005. 102005. 102005. 102005. 10

지원기관 : 한 국 전 기 연 구 원

지원기업 : 주 팩 테 크( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 모듈형 컨버터 개발에 과한 기술지원 지원기간" BC/DC "( : 2004. 08.

과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다01~2005. 07. 31)

2005. 10. 31.2005. 10. 31.2005. 10. 31.2005. 10. 31.

지원기관 기관명 한 국 전 기 연 구 원지원기관 기관명 한 국 전 기 연 구 원지원기관 기관명 한 국 전 기 연 구 원지원기관 기관명 한 국 전 기 연 구 원: ( ): ( ): ( ): ( )

대표자 박 동 욱 인대표자 박 동 욱 인대표자 박 동 욱 인대표자 박 동 욱 인( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )

지원기업 기업명 주 팩테크지원기업 기업명 주 팩테크지원기업 기업명 주 팩테크지원기업 기업명 주 팩테크: ( ) ( ): ( ) ( ): ( ) ( ): ( ) ( )

대표자 이 상 석 인대표자 이 상 석 인대표자 이 상 석 인대표자 이 상 석 인( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )

지원책임자 김 종 현지원책임자 김 종 현지원책임자 김 종 현지원책임자 김 종 현ːːːː

참여연구원 정 인 화참여연구원 정 인 화참여연구원 정 인 화참여연구원 정 인 화ːːːː

류 명 효류 명 효류 명 효류 명 효ːːːːᐥᐥᐥᐥ

박 찬 국박 찬 국박 찬 국박 찬 국ːːːːᐥᐥᐥᐥ

최 인 철최 인 철최 인 철최 인 철ːːːːᐥᐥᐥᐥ

이 상 석이 상 석이 상 석이 상 석ːːːːᐥᐥᐥᐥ

김 연 충김 연 충김 연 충김 연 충ːːːːᐥᐥᐥᐥ

- 3 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 장 능동 클램프 포워드 직류 직류 컨버터제 장 능동 클램프 포워드 직류 직류 컨버터제 장 능동 클램프 포워드 직류 직류 컨버터제 장 능동 클램프 포워드 직류 직류 컨버터2 -2 -2 -2 -

배경배경배경배경2.12.12.12.1

동작원리동작원리동작원리동작원리2.22.22.22.2

영전압 스위칭 능동 클램프 포워드 컨버터영전압 스위칭 능동 클램프 포워드 컨버터영전압 스위칭 능동 클램프 포워드 컨버터영전압 스위칭 능동 클램프 포워드 컨버터2.32.32.32.3

제 장 동기정류기제 장 동기정류기제 장 동기정류기제 장 동기정류기3333

제 장 컨버터의 전원단 설계제 장 컨버터의 전원단 설계제 장 컨버터의 전원단 설계제 장 컨버터의 전원단 설계4444

스위칭 주파수 선정스위칭 주파수 선정스위칭 주파수 선정스위칭 주파수 선정4.14.14.14.1

컨버터 사양컨버터 사양컨버터 사양컨버터 사양4.2 (Specification of converter)4.2 (Specification of converter)4.2 (Specification of converter)4.2 (Specification of converter)

전원단 설계전원단 설계전원단 설계전원단 설계4.34.34.34.3

제 장 제어 회로 및 보호 회로 설계제 장 제어 회로 및 보호 회로 설계제 장 제어 회로 및 보호 회로 설계제 장 제어 회로 및 보호 회로 설계5555

제어제어제어제어5.1 IC5.1 IC5.1 IC5.1 IC

스위치 구동 회로스위치 구동 회로스위치 구동 회로스위치 구동 회로5.25.25.25.2

보호 회로보호 회로보호 회로보호 회로5.35.35.35.3

제어 회로 설계제어 회로 설계제어 회로 설계제어 회로 설계5.45.45.45.4

제 장 실험 결과제 장 실험 결과제 장 실험 결과제 장 실험 결과6666

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참고 문헌참고 문헌참고 문헌참고 문헌

부록부록부록부록

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제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

모듈형 컨버터는 특징상 크기와 높이가 제한되고 고효율 고신뢰성이 요구DC-DC , /

되기 때문에 회로 설계 및 제작이 어렴다 현재 제어 보드에 사용되는 모듈형.

컨버터는 대부분 해외의 선진사에서 수입하여 사용하고 있으며 선진사에DC-DC ,

서 수입되는 있는 모듈형 컨버터는 고밀도를 요구하는 고기술 제품으로 자DC-DC

체 개발에 어려운 실정이다.

따라서 본 과제의 목표는 철도 차량 제어 보드용 급 모듈형 능동 클램프 포워50 W

드 컨버터를 고효율 초박형으로 개발하는 것이다 효율은 이상이고 전DC-DC / . 85% ,

압 레글레이션은 이내이다 컨버터의 효율은 회로의 내부 손실과 밀접한 관계가1%

있고 따라서 발열량에 비례하기 때문에 모듈형 컨버터의 중요한 평가 기준이 된다, .

따라서 컨버터의 효율을 높이기 위해 전원단의 스위치를 영전압으로 스위칭하고, 2

차측에 동기 정류기 를 사용하였다 또한 컨버터의 신뢰성을(synchronous rectifier) .

높이고 운전 수명을 길게 하기 위해 발열을 고려하여 회로를 설계하고 여러 가지, ,

보호회로를 추가하였다 이러한 여러가지 요건을 만족하기 위해서 그림 에 도시한. 2

능동 클램프 포워드 컨버터를 사용하였다 그리고 컨버터를 소형으로 제작DC-DC

하기 위해 박형 코어를 사용하여 자기 소자를 사용하였다 제어 회로의 차와 차. 1 2

측을 시키기 위해 포토커플러와 펄스 트랜스포머를 이용하였다isolation .

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제 장 능동 클램프 포워드 직류 직류 컨버터제 장 능동 클램프 포워드 직류 직류 컨버터제 장 능동 클램프 포워드 직류 직류 컨버터제 장 능동 클램프 포워드 직류 직류 컨버터2 -2 -2 -2 -

배 경배 경배 경배 경2.12.12.12.1

포워드 컨버터 는 소용량에서부터 중용량까지 널리 쓰이는 절연(forward converter)

형 컨버터이다 기본적인 동작 특성은 고주파 절연 트랜스포머를 제외하면DC-DC .

강압형 벅 컨버터와 동일하며 안정성에 뛰어난 특징도 가지고 있어서 고 신뢰성이

요구되는 통신용 및 제어보드 등의 전원으로도 폭 넓게 사용되고 있다 그러나 포.

워드 컨버터는 차측과 차측을 절연하기 위해 쓰이는 트랜스포머가 포화되지 않도1 2

록 리셋 을 해야 하는 문제점이 있다 따라서 트랜스포머를 리셋하기 위한 여(reset) .

러 가지 방법이 제안되었다 그림 에 포워드 컨버터의 여러 가지 리셋방식을 도시. 1

하였다 그림 는 제너 다이오드를 이용하는 리셋방식이다 이 방식은 회. 1(a) (zener) .

로의 소자는 작게 필요하지만 제너 다이오드의 손실 때문에 현재는 거의 쓰이지 않

고 있다 그림 는 트랜스포머에 추가적인 권선을 감아서 트랜스포머를 리셋하는1(b)

방식이다 이 방식은 리셋할 때의 에너지를 입력으로 전달하는 방식으로 손실이 없.

어 높은 효율을 얻을 수 있지만 추가적인 권선이 필요하기 때문에 트랜스포머의 크

기가 커지고 설계가 복잡해지는 단점이 있다 그림 는 리셋 방식으로. 1(c) R-C-D

최근 널리 쓰이고 있는 방식이다 이 방식은 저항 커패시터 그리고 다이오드의 간, ,

단한 조합으로 트랜스포머를 쉽게 리셋 시킬 수 있으며 저항에서 트랜스포머의 리

셋 할 때의 에너지를 소비하지만 크지 않아서 비교적 높은 효율을 얻을 수 있다.

그림 는 최근 널리 쓰이는 능동 클램프 리셋 방식이다 이 방식1(d) (active clamp) .

은 커패시터와 능동 스위치를 이용하여 트랜스포머를 리셋 시키기 때문에 추가적인

스위치와 이를 구동하기 위한 구동회로가 필요하기 때문에 회로가 복잡하고 설계가

어렵다 그러나 손실 없이 트랜스포머를 리셋할 수 있고 이러한 추가적인 스위치는. ,

영전압으로 스위칭이 가능하기 때문에 높은 효율을 얻을 수 있다 또한 이외에 여.

러 가지 장점이 있기 때문에 최근 고효율을 원하는 컨버터에 널리 쓰이고 있다 표.

에 포워드 컨버터의 여러 가지 리셋방식을 비교하였다1 .

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(a) (b)

(c) (d)

그림 포워드 컨버터의 여러 가지 리셋 방식그림 포워드 컨버터의 여러 가지 리셋 방식그림 포워드 컨버터의 여러 가지 리셋 방식그림 포워드 컨버터의 여러 가지 리셋 방식1111

표 포워드 컨버터 리셋 방식 비교표 포워드 컨버터 리셋 방식 비교표 포워드 컨버터 리셋 방식 비교표 포워드 컨버터 리셋 방식 비교1.1.1.1.

Parameter Tertiary RCD clamp Active clamp

Efficiency high relatively high highest

Max duty ratio <50% >50% >50%

Voltage stress lowest highest high

Current stress higher lower lower

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Turns ratio lower high high

Magnetizing

currentrecycled dissipated recycled

Higher

frequencygood fair best

Complexity lowest moderate highest

포워드 컨버터의 리셋 회로 방식 중에서 능동 클램프 포워드 직류 직류 컨버터는-

전원단의 스위치가 영전압 스위칭 이 가능하고 차(zero voltage switching: ZVS) 2

측에 동기정류기를 사용할 수 있으며 출력측의 리플이 작아서 작은 출력 필터를,

사용할 수 있다는 점 등 여러 가지 회로의 우수성과 실용성 때문에 다양한 분야에

서 응용되고 있다 특히 저전압 대전류 고속스위칭 하는 제어 보드에 사용되는 온. / / -

보드 컨버터로 각광을 받고 있다 온 보드 컨버터란 보드 위에 탑재되어 보드 위의-

모든 전원을 담당하는 전원 시스템을 말한다.

그림 능동 클램프 포워드 컨버터의 전원단그림 능동 클램프 포워드 컨버터의 전원단그림 능동 클램프 포워드 컨버터의 전원단그림 능동 클램프 포워드 컨버터의 전원단2. DC-DC2. DC-DC2. DC-DC2. DC-DC

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동작 원리동작 원리동작 원리동작 원리2.22.22.22.2

그림 에 능동 클램프 포워드 컨버터의 전원단 회로도를 도시하였다2 DC-DC . Lm은

트랜스포머의 자화 인턱터 이고(magnetizinB inductance) , Ccl은 트랜스포머의 자

화 인덕터를 리셋 시키기 위해 사용된 커패시터이다 주 스위치. Q1의 시off-time

클램프 커패시터 에 직렬로 연결된 보조 스위치(Ca) Q2를 도통시킴으로서 손실 없이

트랜스포머를 리셋 시킨다 이와 같은 능동 클램프 회로는 트랜스포머를 리셋시키.

기 위해 추가적인 권선이 필요 없고 에너지 손실이 없으면서 전원단의 스위치를,

영전압으로 스위칭이 가능하기 때문에 컨버터의 높은 효율을 얻을 수 있다 또한.

영전압 스위칭을 함으로써 문제를 저감할 수 있고 트랜스포머의 커브 상EMI , B-H

에서 사분면을 이용하기 때문에 트랜스포머의 이용률이 높다1-3 .

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그림 능동 클램프 컨버터의 차측 회로의 파형그림 능동 클램프 컨버터의 차측 회로의 파형그림 능동 클램프 컨버터의 차측 회로의 파형그림 능동 클램프 컨버터의 차측 회로의 파형3. DC-DC 13. DC-DC 13. DC-DC 13. DC-DC 1

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(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

그림 능동 클램프 컨버터의 각 구간별 등가회로4.

(a) [T0-T1] (b) [T1-T2] (c) [T2-T3] (d) [T3-T4] (e) [T4-T5] (f) [T5-T6]

능동 클램프 포워드 컨버터의 구간별 해석을 위해 다음과 같은 가정을 한다.

클램프 커패시터- (Ccl 는 충분히 커서 직류 전압원으로 해석한다) .

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필터 인덕터- (Lf 도 충분히 커서 직류 전류원으로 가정한다) .

차측 트랜스포머의 권선 커패시턴스 의 출력 커패시턴스 등 여러가지- 1 , MOSFET

기생성분의 합은 Cs로 가정한다.

스위치는 이상적인 스위치와 다이오드로 등가화 한다- MOSFET body .

그 이외의 소자들의 특성은 이상적이라고 가정한다- .

차측 정류기는 다이오드 정류기- 2 (D1, D2 를 이용한다) .

[T• 0-T1]

이 구간에서는 주스위치 Q1과 D1이 도통됨으로써 입력에서 출력으로 에너지를 전

달하게 된다 이 때 자화 인턱터(Lm 에 흐르는 전류) (im 는) Vin/Lm의 기울기를 가지면

서 선형적으로 증가하게 된다.

[T• 1-T2]

이 구간에서는 스위치 Q1이 턴 오프 되고 차측에서 반사된 부하 전류- 2 (Io 가/N) Q1

의 출력 커패시터 Cs에 충전되어 스위치 전압(VDS1 이 선형적으로 증가하게 된다) .

스위치 전압(VDS1 이 입력 전압) (Vin 까지 도달하게 되면 포워드 다이오드) D1은 된off

다.

[T• 2-T3]

이 구간에서는 트랜스포머의 자화 인덕터와 커패시터 Cs에 의해 스위치 전압이 공

진하면서 증가하고 자화 전류도 공진하게 된다 스위치. Q1의 양단전압이 Vin+Vcl에

도달하면 Q2의 다이오드가 도통하며 가 흐르기 시작한다body ic .

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[T• 3-Ta]

이 구간에서 Q2의 스위치 구동신호를 인가하면 Q2 의 다이오드가 도통된 상body

태에서 스위치가 도통하기 때문에 Q2는 영전압으로 스위칭을 하게 된다 이 구간에.

서는 자화 전류는 -Vcl/Lm의 기울기로 감소하게 되며 차측의2 D2로 전류가 흐르게

된다.

[T• 4-T5]

이 구간에서는 다시 Cs와 Lm의 공진현상으로 im과 VDS1이 공진하는 파형을 보이게

된다 이 구간은. VDS1이 입력 전압 Vin까지 도달할 때까지 계속된다.

[T• 5-T0]

이 구간에서는 차측의 포워드 다이오드2 (D1 가 되어 있기 때문에) off VDS1의 전압이

계속 입력 전압 Vin에 머무르게 된다 트랜스포머의 양단 전압은 이다. 0 . T0에서 Q1

이 다시 턴 온 되어 또 다른 스위칭 구간이 시작된다- .

트랜스포머의 자화 인덕터에서 조건을 만족하는 식으로부터volt-second balance

클램프 커패시터 Ccl의 양단의 전압은 다음과 같이 표현된다.

식 에서 알 수 있듯이 입력 전압(1) Vin이 증가하거나 시비율 가 감소하면 클램프D

커패시터에 걸리는 전압 Vcl은 감소한다 주 스위치. Q1의 시 걸리는 전압off-time

은 입력 전압과 트랜스포머 양단전압의 합이다.

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따라서 어느 하나가 증가하면 다른 것은 감소하게 되므로 넓은 입력전압 범위에서,

주 스위치의 전압 스트레스는 작다고 할 수 있다.

또한 앞에서도 언급했듯이 트랜스포머의 리셋 회로가 이론적으로는 손실이 없다.

또한 클램프 커패시터 Ccl가 조건을 만족해야 하므로 트랜스포머의charge balance

또한 과 사분면을 거의 대칭으로 움직인다 이와 같은 특징이 능동 클램프flux 1 3 .

회로의 특징이며 자기 소자의 이용률을 높여서 높은 효율을 얻을 수 있는 이유이

다.

영전압 스위칭 능동 클램프 포워드 컨버터영전압 스위칭 능동 클램프 포워드 컨버터영전압 스위칭 능동 클램프 포워드 컨버터영전압 스위칭 능동 클램프 포워드 컨버터2.32.32.32.3

일반적으로 능동 클램프 포워드 컨버터의 주 스위치 Q1이 영전압으로 스위칭하기

위해서는 Lm에 저장된 에너지가 Cs에 저장된 에너지보다 커야한다 즉 트랜스포머.

의 자화 인덕턴스가 작아서 자화 전류의 최대치가 커야한다는 의미이다 그렇게 되.

면 먼저 [T4-T5 구간에서 보조 스위치] Q2가 되고 충분한 반대방향의 자화 전off

류에 의해 Cs의 에너지를 방전 시켜줘야 한다 [T5-T0 구간에서] Cs에 저장된 에너

지가 완전히 방전되면 Q1의 다이오드가 먼저 도통되고 그 다음에body , Q1의 스위

치 구동신호를 인가하면 Q1도 영전압 스위칭을 하게 된다 따라서. Q1의 영전압 스

위칭 조건은 자화 전류의 최대치가 출력 필터에서 반사된 전류뿐만 아니라 Cs에 저

장된 에너지를 완전히 방전시킬 수 있을 만큼 커야한다 즉. ,

여기서,

이다.

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식 를 만족시키는 자화 인덕터를 설계해야 주 스위치의 영전압 스위칭을 구현할(2)

수 있다 그림 에 주 스위치가 영전압으로 스위칭 하는 이론적인 파형을 도시하였. 5

다 다른 파형은 앞의 그림 과 동일하나3 , ip의 파형에서 Lm값이 작아서 기울기가 크

고 이전에 음의 방향으로 전류가 흐르는 구간이 생긴다 이 구간에서 스위치의T0 .

다이오드가 먼저 도통되는 구간이다 그러나 이러한 영전압 스위칭을 위해 자body .

화 인덕턴스를 작게 하면 상대적으로 스위치의 도통 손실 이 증가(conduction loss)

하게 된다 따라서 주 스위치의 영전압 스위칭에 의한 효율 향상이 도통 손실의 증.

가보다는 작아야 한다.

본 연구에서는 능동 클램프 회로의 자화 인덕턴스 값을 충분히 크게 하여 영전압

스위칭을 하지 않는 구조로 제작하였다 자화 인덕턴스 값이 너무 작으면 트랜스포.

머의 자화 전류가 너무 커서 손실 발생이 크게 증가하기 때문이다 따라서 능동 클. ,

램프 회로는 손실 없이 포워드 컨버터를 리셋하는 기능만을 수행하게 하였다.

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그림 주 스위치가 영전압으로 스위칭 하는 차측 회로의 파형그림 주 스위치가 영전압으로 스위칭 하는 차측 회로의 파형그림 주 스위치가 영전압으로 스위칭 하는 차측 회로의 파형그림 주 스위치가 영전압으로 스위칭 하는 차측 회로의 파형5. 15. 15. 15. 1

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제 장 동기 정류기제 장 동기 정류기제 장 동기 정류기제 장 동기 정류기3 (Synchronous Rectifier)3 (Synchronous Rectifier)3 (Synchronous Rectifier)3 (Synchronous Rectifier)

더 빠르고 효율적인 데이터 전송과 제어를 위하여 저전압 를 적용하는 영역이 점IC

점 확대되고 있다 따라서 저전압 대전류를 요구하는 전원 제작이 필수적이며 이는. /

이나 철도 차량용 전원장치에 적용되고 있다 출력이 저전압 대전류일 경우 기VRM . /

존의 정류 다이오드를 사용하게 되면 정류 다이오드의 순방향 전압 손실과 큰 전류

에 의해 많은 전력 손실이 발생하게 된다 따라서 효율을 향상시키기 위하여 정류.

다이오드 대신 스위치를 사용하게 되는데 이는 스위치의 경우 스위치의MOSFET ,

온 저항에 의해 전력 소모가 결정되기 매문이다 현재 저전압용 스위치는 스위치.

온 저항이 아주 작아 전류가 아주 클 경우에 전압 손실을 크게 줄일 수 있다 아래.

그림 은 기본적인 벅 컨버터에 순환 다이오드 대신에 스위치를 사용하는 예를 나6

타내었는데 이를 동기 정류기 벅 컨버터라고 한다, .

그림 동기 정류기 벅 컨버터그림 동기 정류기 벅 컨버터그림 동기 정류기 벅 컨버터그림 동기 정류기 벅 컨버터6.6.6.6.

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그림 동기 정류기의 기본 동작 파형그림 동기 정류기의 기본 동작 파형그림 동기 정류기의 기본 동작 파형그림 동기 정류기의 기본 동작 파형7.7.7.7.

그림 부하에 따른 동기 정류기 인덕터 전류 파형그림 부하에 따른 동기 정류기 인덕터 전류 파형그림 부하에 따른 동기 정류기 인덕터 전류 파형그림 부하에 따른 동기 정류기 인덕터 전류 파형8.8.8.8.

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동기 정류기 벅 컨버터의 경우 동작 원리는 일반적인 벅 컨버터와 동일하나 그림 7

과 그림 에서 나타내는 것과 같이 부하가 무부하일 경우 스위치의 도통에 의해서8 ,

인덕터 전류가 음의 방향으로 흐르는 것을 알 수 있다 이는 부하가 작을 경우 인.

덕터와 스위치의 도통 손실을 증가시켜 효율을 감소시키지만 전체적인 동작에는,

큰 문제를 발생하지 않는다 또한 스위치의 손실이 적으므로 고주파수에서 동작이. ,

가능한 장점이 있다 그림 은 동기 정류기 벅 컨버터의 기본적인 동작 파형을 나. 7

타내고 그림 은 부하에 따른 인덕터 전류 파형을 나타내고 있다, 8 .

대부분의 전원장치는 입력과 출력의 절연이 필요하며 저전압 대전류의 출력을 요, /

구하는 분야에는 포워드 컨버터 전원장치가 주로 사용된다 이럴 경우 포워드 컨버. ,

터의 차측 정류 다이오드를 스위치로 대체하게 되면 효율이 크게 향상되어 고효2 ,

율의 전원장치를 구현할 수 있다 또한 주파수를 크게 하여 트랜스포머와 인덕터의. ,

크기를 줄일 수 있으므로 전원 장치의 전체 크기 또한 크게 줄일 수 있다 다음은, .

다양한 포워드 컨버터의 구동 방식과 동기 정류기의 구동 방식의 결합을 나타내고

있다.

동기 정류기는 구동 방식에 따라 자기 구동 방식과 제어 구동 방식으로 나눌 수 있

다 자기 구동 방식과 제어 구동 방식은 많은 논문에서 다양한 방법이 제시되었지.

만 본 연구에서는 간단한 동작 원리만 알아보도록 한다,

자기 구동 방식의 경우 트랜스포머의 전압을 이용하여 차측의 스위치를 구동하는2

방식이다 이는 추가로 제어 회로를 필요로 하지 않는 장점이 있지만 노이즈 문제. ,

가 발생할 수 있고 입력 전압의 변동이 클 경우 트랜스포머에 걸리는 전압의 변동, ,

이 심하여 사용하는 데 제한을 받을 수있다.

제어 구동 방식의 경우 차측의 제어 신호를 이용하여 차측의 제어 신호를 발생하1 2

여 차측 스위치를 구동하는 방식이다 이는 추가로 차측 스위치를 제어하기 위한2 2

소자를 사용해야하는 단점이 있지만 차측 스위치 구동을 위한 신호가 안정적이고,2

입력 전압의 변동에 제한을 받지 않는 장점이 있다.

- 20 -

그림 스너버 회로와 자기 구동 동기 정류기그림 스너버 회로와 자기 구동 동기 정류기그림 스너버 회로와 자기 구동 동기 정류기그림 스너버 회로와 자기 구동 동기 정류기9. RCD9. RCD9. RCD9. RCD

그림 는 포워드 컨버터에 스너버 회로와 자기 구동 동기 정류기 방식을 적용9 RCD

한 예를 나타내고 있다 이는 가장 기본적으로 적용할 수 있지만 스너버의. , RCD

손실과 트랜스포머 리셋에 제한을 받기 때문에 고효율에 적당하지 않는 구조이다.

아래 그림 은 주요 파형을 나타내고 있다10 .

- 21 -

그림 주요 동작 파형그림 주요 동작 파형그림 주요 동작 파형그림 주요 동작 파형10.10.10.10.

- 22 -

그림 능동 클램프 회로와 자기 구동 동기 정류기11.

그림 은 포워드 컨버터에 능동 클램프 회로와 자기 구동 동기 정류기 방식을 적11

용한 예를 나타내고 있다 이는 고효율을 구현하면서 가장 간단하게 적용할 수 있.

는 방식이다 능동 클램프 회로를 적용하여 트랜스포머의 리셋 에너지를 회생할 수.

있고 트랜스포머의 적절한 설계를 통하여 일차측 스위치의 영전압 스위칭을 얻을,

수 있다 또한 차측의 자기 구동 동기 정류 방식을 적용하여 저전압 대전류에서. 2 /

효율을 크게 향상할 수 있다 그러나 앞에서 설명한 것과 같이 입력 전압이 크게.

변할 경우 적용하기 힘든 단점이 있다 아래 그림 는 주요 동작파형을 나타내고, . 12

있다.

- 23 -

그림 주요 동작 파형그림 주요 동작 파형그림 주요 동작 파형그림 주요 동작 파형12.12.12.12.

- 24 -

그림 스너버 회로와 제어 구동 동기 정류기그림 스너버 회로와 제어 구동 동기 정류기그림 스너버 회로와 제어 구동 동기 정류기그림 스너버 회로와 제어 구동 동기 정류기13. RCD13. RCD13. RCD13. RCD

그림 은 포워드 컨버터에 스너버 회로와 제어 구동 동기 정류기 방식을 적13 RCD

용한 예를 나타내고 있다 이 방식은 스너버 방식에 의해 효율이 낮고 제어. RCD ,

구동 동기 정류 방식을 적용하므로 제어가 복잡해지는 단점을 가진다 따라서 본.

연구에 적용하기에는 부적당하다 아래 그림 는 주요 파형을 나타내고 있다. 14 .

- 25 -

그림 주요 동작 파형그림 주요 동작 파형그림 주요 동작 파형그림 주요 동작 파형14.14.14.14.

- 26 -

그림 능동 클램프 회로와 제어 구동 동기 정류기그림 능동 클램프 회로와 제어 구동 동기 정류기그림 능동 클램프 회로와 제어 구동 동기 정류기그림 능동 클램프 회로와 제어 구동 동기 정류기15.15.15.15.

그림 는 포워드 컨버터에 능동 클램프 회로와 제어 구동 동기 정류기 방식을 적15

용한 예를 나타내고 있다 능동 클램프 회로를 적용함으로써 일차측의 효율을 향상.

시킬 수 있고 제어 구동 동기 정류기를 적용함으로써 차측의 효율을 향상 시킬, , 2

수 있다 또한 제어 구동 방식이 갖는 장점에 의해 컨버터의 효율적인 동작이 가능.

하다 본 연구에서는 능동 클램프 회로와 제어 구동 동기 정류 방식을 적용하석 효.

율을 향상시켰다 아래 그림 은 주요 동작 파형을 나타내고 있다. 16

- 27 -

그림 주요 동작 파형그림 주요 동작 파형그림 주요 동작 파형그림 주요 동작 파형16.16.16.16.

- 28 -

제 장 컨버터의 전원단 설계제 장 컨버터의 전원단 설계제 장 컨버터의 전원단 설계제 장 컨버터의 전원단 설계4444

스위칭 주파수 선정스위칭 주파수 선정스위칭 주파수 선정스위칭 주파수 선정4.14.14.14.1

능동 클램프 포워드 컨버터는 전원단의 스위치가 영전압으로 스위칭이 가능하기 때

문에 필터의 크기를 줄이기 위해 스위칭 주파수를 수백 까지 올려서 동작 시킬

수 있다 그러나 너무 높은 스위칭 주파수는 스위칭 손실이 없더라도 자기 소자들.

의 손실 및 표피 효과 및 근접 효과 를 초래하여 컨버(skin effect) (proximity effect)

터의 효율을 오히려 나쁘게 할 수 있다 따라서 본 과제에서는 여러 가지 조건을.

고려하여 스위칭 주파수를 로 선정하였다200 .

컨버터 사양컨버터 사양컨버터 사양컨버터 사양4.2 (Specification of converter)4.2 (Specification of converter)4.2 (Specification of converter)4.2 (Specification of converter)

본 과제에서 목표로 하는 컨버터의 사양은 다음과 같다

입력 전압- (Vin) : 60 V ~ 140 V

출력 전압- (Vo 출력전압 리플 이내): 5 V ( : 2% )

출력 전류- (Io): 10A max

스위칭 주파수- : 200

과전압 과전류 저전압 보호회로- , ,

효율 이상- : 85%

위와 같은 컨버터를 제작하기 위해 능동 클램프 포워드 컨버터를 이용하였고 차, 2

측은 동기 정류기를 사용하여 효율 향상을 도모하였다.

전원단 설계전원단 설계전원단 설계전원단 설계4.34.34.34.3

그림 에 도시하였던 컨버터의 전원단을 설계하기 위해 먼저 시비율의 범위를 정해2

야한다 능동 클램프 포워드 컨버터의 시비율은 전력 소자들의 전압 및 전류 스트레

스를 고려하여 최소가 되는 시비율의 범위를 선택한다 스위치. Q1, Q2에 걸리는 전

압은 다음과 같다.

- 29 -

식 에서 알 수 있듯이 출력 전압과 트랜스포머의 권선비 이 고정되었을 경우(3) N

시비율 이 일 때 스위치 양단에 걸리는 전압이 최소이다 따라서 시비율을(D) 0.5 .

를 기준으로 설계하면 입력 전압의 변화에도 스위치 전압이0.5 (ex: 0.35<D<0.65)

최소로 변함을 알 수 있다 좀 더 수식적으로 접근하기 위해 식 으로부터 다음과. (3)

같은 설계 공식을 얻을 수 있다.

식 과 로부터 다음과 같은 설계 공식을 유도 할 수 있다(3) (4) .

식 와 로부터 시비율 는 다음과 같이 구하였다(4) (5) D .

식 으로부터 주 스위치는 사의 을 사용하였고 보조(3) Infineon 12N50C3(560V/13A) ,

스위치는 사의 을 사용하였다Fairchild FQD2N50(500V/1.3A) .

- 30 -

실제로 보조 스위치에는 작은 자화 전류의 리플 성분만 흐르기 때문에 전류 용량이

더 작은 소자의 사용이 가능하다.

트랜스포머의 권선비는 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.

차측의 동기 정류기의 스위치 양단에 걸리는 전압은 다음과 같다2 .

동기 정류기 스위치에는 비교적 큰 직류 전류가 흐르기 때문에 발열 문제로 고려하

여 사의 를 병렬로 개씩 사용하였다Toshiba TPC8009H(30V/13A) 2 .

클램프 커패시터는 다음과 같은 식으로 내압과 용량을 결정할 수 있다

∆은 클램프 커패시터의 리플 전압 크기이다 따라서 클램프 커패시터의 리플을.

줄이기 위해서는 용량이 큰 커패시터를 사용해야 하지만 동특성을 나빠지게 되므로

하며 선정한다 본 과제에서 선정한 커패시터의 값은 이다trade-off . 0.68uF .

- 31 -

트랜스포머는 을 사용하려고 트랜스포머의 발열 원인인 코오 손실과EPC17)7 ,

손실을 고려하여 차측의 턴수는 턴 차측은 턴으로 하였다 인덕터는copper , 1 24 , 2 3

크기와 높이를 낮추기 위해 사의 정격 전류의 최대치가 인Sumida 12.5A

를 사용하였다2R7MH(3.6uH) .

- 32 -

제 장 제어 회로 및 보호 회로 설계제 장 제어 회로 및 보호 회로 설계제 장 제어 회로 및 보호 회로 설계제 장 제어 회로 및 보호 회로 설계5555

제어제어제어제어5.1 IC5.1 IC5.1 IC5.1 IC

급 능동 클램프 포워드 컨버터를 제어하기 위해 사의 을 제50W Unitrode UC3823

어 로 사용하였다 이 는 신호의 시비율이 거의 에서 까지 출력할 수IC . IC PWM 0 1

있고 전압 등 여러, op-amp, soft-start, current limit/shut down, 5.1V reference

가지 기능을 내장하고 있다 그림 에 과 주변회로를 나타내었다. 17 UC3823 .

그림 제어그림 제어그림 제어그림 제어17. IC (UC3823)17. IC (UC3823)17. IC (UC3823)17. IC (UC3823)

스위치 구동 회로스위치 구동 회로스위치 구동 회로스위치 구동 회로5.25.25.25.2

그림 에 컨버터의 스위치를 구동하기 위한 회로를 나타내었다 차측의 보조 스18 . 1

위치의 가 되어 있어서 구동이 필요하다 따라서 펄스 트source floating high side .

랜스포머 를 이용하여 보조 스위치를 구동하였다(pulse transformer: PT) .

- 33 -

의 입력과 출력에 연결된 과 의 커패시터는 의 포화를 방지하기 위해PT luF 0.luF PT

직류 성분을 제거하고 다시 복원하는 역할을 한다 의 저항은 게이트 신호의. 22Ω

상숭 속도를 조절하며 반대로 연결된 다이오드는 방전 속도를 빠르게 하기위해 사

용되었다. Q2의 게이트 와 소스 단자에 연결된 의 저항은 의 자(gate) (source) 1 PT

화 전류의 패스를 만들어 주기 위한 저항이다.

능동 클램프 포워드 컨버터는 주 스위치와 보조 스위치가 동시에 도통되는 구간을

제거하기 위해 일정 시간 간격의 을 만들어야 한다 따라서 신호를dead time . PWM

지연 시키기기 위해 간단한 근 회로와 다이오드를 이용하였다 구동신호를 전류R- .

용량을 증폭시키고 지연된 신호를 시켜 깨끗한 신호로 다시 만들기trigger PWM

위해 버퍼 를 사용하였다(TC4428) .

차측의 동기 정류기 스위치를 구동하기 위해 또한 차측과 차측의 절연을 위해2 , 1 2

역시 를 사용하였다 차측 동기 정류기의 구동 신호도 역시 동시에 개의 스위PT . 2 2

치가 동시에 도통되는 구간을 없애주기 위해 을 만들어 주어야 한다 이dead time .

를 위해 저항 을 큰 값으로 선정하여 구동신호의 을 크게 하gate (120 ) rising timeΩ

여 의 문턱 전압까지 도달시간을 지연시켰다MOSFET .

- 34 -

그림 스위치의 구동 회로그림 스위치의 구동 회로그림 스위치의 구동 회로그림 스위치의 구동 회로18.18.18.18.

보호 회로보호 회로보호 회로보호 회로5.35.35.35.3

컨버터에는 회로가 정상적으로 동작하지 않을 때 컨버터의 소자들을 보호하기 위한

여러 가지 보호회로가 필요하다 일반적으로 일시적 흑은 연속적으로 정격전류보다.

큰 전류가 흐를 때 이를 보호하기 위한 과전류 보호 회로와 출력 전압이 정격전압

보다 클 경우 이를 보호하는 과전압 보호회로는 필수적이라고 할 수 있다

과전류 보호 회로과전류 보호 회로과전류 보호 회로과전류 보호 회로(over current protection: OCP) )(over current protection: OCP) )(over current protection: OCP) )(over current protection: OCP) )

그림 에 과전류 보호 회로를 나타내었다 차측 주 스위치 전류19 . 1 iQ1이 정격 전류

보다 많이 흐르면 전류 트랜스포머 가 이를 감지하고 의(current transformer) 220

저항이 감지된 전류를 전압 신호로 바꾸어 준다 감지된 전류 파형은 회로의 여러.

가지 기생 성분으로 인해 노이즈나 스파이크가 있는 파형이기 때문에 저주파 필터

를 통해 노이즈를 제거한다.

- 35 -

이 신호는 제어 의IC ILIM/SD단자로 연결되어 있는데 이 단자의 전압이 보다 크1.0V

면 신호의 시비율을 제한하여 과전류가 흐르는 것을 방지한다 만약 너무 큰PWM .

전류가 흘러 보다 큰 전압이1.2V ILID/SD에 감지되면 제어 는 컨버터를IC shut down

시켜서 회로를 보호한다.

그림 과전류 보호회로그림 과전류 보호회로그림 과전류 보호회로그림 과전류 보호회로19.19.19.19.

과전압 보호 회로과전압 보호 회로과전압 보호 회로과전압 보호 회로(over voltage protection:OVP)(over voltage protection:OVP)(over voltage protection:OVP)(over voltage protection:OVP)

그림 에 과전압 보호 회로를 나타내었다 출력 전압이 제너 다이오드의 전압20 . (6V)

보다 크면 포토 커플러 가 동작하고 차측의 트랜지스터를 도통시- (photo-coupler) 2

키게 된다 그러면 제어 의 단자의 전압이 으로 떨어지고 제어 는. IC sort-start 0 IC

신호를 일시적으로 출력하지 않게 된다 다시 출력 전압이 정상으로 나오면PWM .

제어 교는 다시 신호를 만들게 된다PWM

그림 과전압 보호 회로그림 과전압 보호 회로그림 과전압 보호 회로그림 과전압 보호 회로20.20.20.20.

- 36 -

저전압 입력 보호 회로저전압 입력 보호 회로저전압 입력 보호 회로저전압 입력 보호 회로

입력 전압이 컨버터의 사양에 제시된 전압 보다 너무 낮게 되면 일정한 출력 전압

을 만들기 위해 신호의 시비율이 매우 커지게 된다 시비율이 너무 커지면 컨PWM .

버터에 정격 전류보다 큰 전류가 흐르게 되기 때문에 이를 방지하기 위해 그림 21

과 같은 보호 회로를 사용하였다 입력 전압이 보다 낮으면. 50V Qa가 되고off Qb가

되서 제어 의 단자의 전압을 으로 떨어뜨려서 신호가 나오지on IC soft-start 0 PWM

않게 한다.

그림 저전압 입력 보호 회로그림 저전압 입력 보호 회로그림 저전압 입력 보호 회로그림 저전압 입력 보호 회로21.21.21.21.

제어 회로 설계제어 회로 설계제어 회로 설계제어 회로 설계5.45.45.45.4

컨버터의 제어 회로 설계는 출력 전압의 레귤레이션 뿐만 아니라 컨버터의 동특성

과도 밀접한 관계가 있다 일반적으로 컨버터의 동특성이라 함은 입력이나 출력의.

갑작스런 외란에 대하여 컨버터의 등작이 얼마나 견실한지를 나타내는 척도라고 할

수 있다 특히 출력 전류가 갑자기 변하는 상황은 제어 보드의 전원에서는 자주 일.

어나는 상황이므로 이에 대한 응답 특성을 향상시켜야 한다 동특성을 향상 시킬.

수 있는 제어회로를 설계하기 위해서는 먼저 전원단의 제어 대 출력 전달함수에 대

한 분석이 있어야 한다 컨버터의 동특성 및 제어회로 설계에 대한 설명을 다음 절.

에서 하기로 한다.

- 37 -

본 과제에서는 포토 커플러와 을 이용하여 제어회로를 구성하였다 그림TL431 . 22

에 의 기호와 내부 등가회로를 나타내었다 은 내부에TL431 . TL431 2.5V reference

전압 출력에 증폭기와 드라이브 회로 둥을 내장한 단자 소자이다 이 소자는 여, 3 .

러 가지 기능을 내장하고 있으며 값이 싸기 때문에 컨버터의 제어 회로에 많이 사

용되어진다 그러나 내장된 증폭기가 일반적인 보다 이득이 작고 특성이op-amp

좋지 않으므로 정밀한 제어를 요하는 컨버터에는 사용하기가 어려다

<Symbol><Symbol><Symbol><Symbol> <Functional diagram><Functional diagram><Functional diagram><Functional diagram>

그림 의 기호와 내부 등가회로그림 의 기호와 내부 등가회로그림 의 기호와 내부 등가회로그림 의 기호와 내부 등가회로22. TL43122. TL43122. TL43122. TL431

그림 에 제어 와 스위치 구동회로 그리고 을 이용한 제어회로 나타내었23 IC , TL431

다 출력 전압이 기준치 이상으로 증가하면 의 음극 전압이 낮아지면서 포토. TL431

커플러 의 다이오드 측의 전류가 증가한다 이 전류의 증가는 의- PS 2701 . PS 2701

트랜지스터 측 전류의 증가로 연결되어 제어 의 번 핀 전압 즉 오차 증PWM IC 1 ,

폭기의 반전 입력 전압을 증가시킨다 이 전압의 증가는 비교기를 통하여 컨버터.

구동 신호의 시비율을 감소시키게 되고 출력 전압이 감소되면서 기준치 전압으로

추종하게 된다 반대로 출력 전압이 기준치 이하로 저하하면 위의 동작과정과 정반.

대의 과정으로 출력 전압을 증가시키게 된다.

- 38 -

그림 전체 제어회로그림 전체 제어회로그림 전체 제어회로그림 전체 제어회로23.23.23.23.

컨버터의 동특성컨버터의 동특성컨버터의 동특성컨버터의 동특성

본 과제에서는 차측의 주 스위치를 영전압으로 스위칭하지 않기 때문에 트랜스포1

머의 자화 인턱터(Lm 과 클램프 커패시터) (Cc 에 의한 추가적인 공진이 나타나지 않)

는다 이렇게 되면 포워드 컨버터의 전달 함수에 추가적인 공진현상이 나타나지 않.

게 된다 따라서 전원단은 트랜스포머의 권선비가 포함된 일반적인 강압형 벅 컨버

터와 같은 특성을 보인다 시뮬레이션에서 사용한 제어 대 출력 전달함수는 다음과.

같다.

- 39 -

여기서,

이다 여기서 은 부하저항이고. R Rc와 Rl은 출력 커패시터 Cf와 출력 인덕터 Lf의

이다ESR(equivalent series resistance) .

그림 에 컨버터의 제어 대 출력 전달 함수를 도시 하였다 그림 에 나타난 바24 24

와 같이 출력 필터에 의한 공진 주파수로 인해 공진 주파수 이후부터 스위칭 주파

수의 절반까지는 차식의 특성을 보이고 있다 출력 커패시터에 의한 이 작아서2 ESR

영점은 매우 높은 주파수에 위치해 있다 그림 에 나타난 시뮬레이션은 식ESR . 24

에 나타난 식을 사용하였고 실험은 를 이용하여 측정하였다 이 전달(11) , HP4194A

함수 특성을 이용하여 제어 회로를 설계할 것이다.

그러나 그림 에 나타난 바와 같이 현재 컨버터의 설계는 출력 필터에 의한 공진24

주파수가 비교적 높은 위치에 있기 때문에 안정된 위상 여유를 가지는 컨버터의 루

프이득을 설계하기가 어렵다 그 이유는 공진 주파수 이후에는 위상이 급격하게.

도로 변하기 때문에 공진 주파수 근처에서는 안정된 위상 여유를 보장하기 어-180

렵다 따라서 안정된 컨버터의 동작을 위해 출력 필터의 값을 크게 하여 공진 주파.

수의 위치를 낮추어서 설계하여야 한다 이에 대해서는 다음절에서 설명하기로 한

다.

- 40 -

그림 제어 대 출력 전달함수그림 제어 대 출력 전달함수그림 제어 대 출력 전달함수그림 제어 대 출력 전달함수24.24.24.24.

- 41 -

보상 회로 설계보상 회로 설계보상 회로 설계보상 회로 설계

포워드 컨버터에 전압 제어 방식을 적용할 경우 다소 복잡한 구조인 극점 영점, 3 , 2

구조의 보상 회로가 최선의 보상을 가능하게 한다 만약 제어 회로를 일반적인 적.

분기로만 사용하면 컨버터의 차 특성의 전달함수와 적분기의 차 특성까지 고려하2 1

면 루프 전체가 차의 특성을 가지게 되어 위상 여유 면에서 그다지 유리한 조건이3

되지 못하게 된다 따라서 컨버터에서 궤환 루프의 안정성 설계는 통상적으로 오차.

증폭기에 극 영점 보상 을 통하여 충분한 위상 여. (pole and zero compensation)

유 저주파 이득 주파수 밴드 폭 등을 확보함으로써 이루어 질수 있다, , .

그림 에 전압 제어에 요구되는 극 영점 전압 보상 회로의 구조를 나타내었다25 3 B .

이 보상 회로의 전달 함수는 다음과 같다.

레귤레이션 을 위해서 첫 번째 극점은 원점에 영점의 효과를DC (regulation) , ESR

상쇄시키기 위해서 두 번째 극점을 영점 위치에 그리고 모듈레이터에서 스위ESR ,

칭 노이즈를 충분히 감쇄시키기 위해서 마지막 극점을 부근에 위치 시켰다fs/2 .

다음으로 첫 번째 영점은 변롼기가 조건부 안정화되는 것을 방지하기 위해서 전원,

단의 공진 주파수 바로 앞에 위치시키고 두 번째 영점은 전원단 공진 주파수의(fo) ,

이중 극점에서 감쇄된 위상을 보상해서 변환기가 충분한 위상 여유로 우수한 등특

성을 가지게 하기 위해서 전원단 공진 주파수 조금 이후에 위치 시켰다(fo) .

- 42 -

그림 극 영점 보상기그림 극 영점 보상기그림 극 영점 보상기그림 극 영점 보상기25. 3 225. 3 225. 3 225. 3 2

루프 이득루프 이득루프 이득루프 이득

앞에서 언급한 보상기 설계 방법으로 컨버터의 루프 이득을 설계하였다 앞 절에서.

언급했듯이 컨버터의 필터의 공진 주파수가 너무 높기 때문에 필터 커패시터와 인

덕터의 용량을 크게 만들어서 공진 주파수를 낮추었다 그림 에 극 영점 보상. 26 3 2

기로 설계한 루프 이득의 시뮬레이션 결과를 나타내었다.

- 43 -

그림 루프 이득그림 루프 이득그림 루프 이득그림 루프 이득26.26.26.26.

그림 에서 나타난바와 같이 루프 이득의 주파수는 이고 위상 여26 crossover 10

유는 약 도이다 위상 여유는 계단 부하 응답과 밀접한 관계가 있으므로60 . 45-60

도의 위상여유를 확보해야 한다 또한 주파수도 역시 계단부하 응. 0-dB crossover

답과 관련이 있다 일반적으로 주파수가 높을수록 계단 부하 응답시 출. crossover

력 전압의 이 작다고 할 수 있다 따라서 주파수를 안정된 영역peaking . crossover

에서 가능한 높게 위치 시켜야 한다.

- 44 -

공진 주파수 이전에 주파수를 위치시키면 위상 여유는 안전하게 확보되crossover

지만 출력 전압의 이 클 것이다 공진 주파수 근처에서 위상이 급격히 변하peaking .

므로 공진주파수 이후에 주파수를 위치시켜야한다crossover .

- 45 -

제 장 실험 결과제 장 실험 결과제 장 실험 결과제 장 실험 결과6666

지금까지 언급한 내용을 바탕으로 모듈형 능동 클램프 포워드proto-type DC-DC

컨버터를 제작하고 실험하였다 표 에 컨버터에 사용된 전원단의 파라미터와 제어. 2

회로에 쓰인 소자들을 다시 정리하였다.

그림 에 모듈형 컨버터의 실험 파형을 나타내었다 그림27 Proto-type DC-DC

에서27(a) Q1은 영전압으로 스위칭하지 않는다 그 이유는 앞에서 언급했듯이 영전.

압 스위칭 하기 위해서는 Lm에 많은 에너지를 저장하기 위해 Lm이 작아야한다 하.

지만 Lm을 작게 하면 자화 전류가 커져서 그 만큼 손실이 일어나게 된다 따라서.

영전압 스위칭과 자화 전류에 의한 손실의 상관관계를 파악해야 한다 또한 박형으.

로 트랜스포머를 제작 해야하기 때문에 코어 선정 및 진선수도 제한을 받는 어럭움

때문에 본 과제에서는 주 스위치의 영전압 스위칭은 구현하지 않았다

차측 트랜스포머 전류에서 보면 약간 피킹이 발생하는 것을 알 수 있으며 나중에1 ,

과전류 보호회로의 제어 신호로 이용하기 위해서는 이러한 피킹은 제거해야한다.

또한 Q1의 시 보이는 전류를 보면 을 기준으로 대칭으로 매우 작은 전류off-time 0

가 흐름을 알 수 있으며 따라서 보조 스위치의 전류 용량은 작아도 된다, .

표 컨버터 제작에 사용된 소자표 컨버터 제작에 사용된 소자표 컨버터 제작에 사용된 소자표 컨버터 제작에 사용된 소자2.2.2.2.

Symbol Part number Manufacturer Description

주스위치Q1( ) 12N50C30S Infenion 500V/13A

보조 스위치Q2( ) FQD2N50 Fairchild 500V/1.3A

트 랜스포머 EPC1717 Samhwa

- 46 -

SR1, SR2

동기정류기( )TPC8009H Toshiba 30V/13A

출력 인덕터L( ) 2R7MH Sumida 3.6μH/12A

제어 IC UC3823 Unitrode PWM IC

Driver TC4428 Telcom Buffer & Inverter

출력 커패시터C( ) 46uF/10V*10

포터커플러 PS2701 NEC

그림 에 차측 동기 정류기의 구동 신호와 동기 정류기 스위치 전압을 나타내27(b) 2

었다 동기 정류기의 스위치 구동 신호가 서서히 올라가는 이유는 앞에서 간단히.

언급했듯이 동기정류기 스위치가 동시에 도통되는 것을 방지하고 또한 영전압 스위

칭을 하려는 외도에서 이다 그림과 같이 스위치 구동회로의 상승 시간을 서서히.

함으로써 차측 전류에 의해 동기 정류기 스위치의 다이오드를 먼저 도통된2 body

다 그 후에 동기정류기 스위치를 도통 시키면 동기정류기 스위치가 영전압으로 스.

위칭이 가능하다 동기정류기 스위치가 턴 온 될 때 전압을 보면 보다 약간 더. - OV

떨어지는 구간이 보이는데 바로 이 구간이 다이오드가 도통되는 구간으로 동body

기정류기 스위치가 영전압으로 스위칭하고 있음을 확인할 수 있다.

- 47 -

차측 회로차측 회로차측 회로차측 회로(a) 1(a) 1(a) 1(a) 1 차측회로차측회로차측회로차측회로(b) 2(b) 2(b) 2(b) 2

그림 컨버터의 주요 실험파형그림 컨버터의 주요 실험파형그림 컨버터의 주요 실험파형그림 컨버터의 주요 실험파형27.27.27.27.

다음 그림 에서는 입력 전압 에서 측정한 차측의 동기 정류기의 인덕터의28 80Vdc 2

파형과 주스위치의 게이트 파형을 나타내고 있다 앞에서 설명한 것과 같미 그림

에서 부하가 없을 때에도 전류가 연속적으로 흐르는 것을 알 수 있다 동작28(a) .

주파수는 그림에서와 같이 약 임을 알 수 있다200 .

- 48 -

무부하무부하무부하무부하(a)(a)(a)(a) 출력 전류출력 전류출력 전류출력 전류(b) : 1A(b) : 1A(b) : 1A(b) : 1A

출력 전류출력 전류출력 전류출력 전류(c) : 5A(c) : 5A(c) : 5A(c) : 5A 출력 전류출력 전류출력 전류출력 전류(d) : 10A(d) : 10A(d) : 10A(d) : 10A

그림 동기 정류기의 인덕터 선류 파형그림 동기 정류기의 인덕터 선류 파형그림 동기 정류기의 인덕터 선류 파형그림 동기 정류기의 인덕터 선류 파형28.28.28.28.

(a), (b) : 2A/div., (c), (d) : 5A/div.(a), (b) : 2A/div., (c), (d) : 5A/div.(a), (b) : 2A/div., (c), (d) : 5A/div.(a), (b) : 2A/div., (c), (d) : 5A/div.

그림 에 부하 전류 변화에 따른 컨버터의 효율을 도시 하였다 입력 전압이29 .

일 때 최대 효율은 였다 보조전원회로 포함 입력 전압이 일 때 부하100V 87% .( ) 60Y

전류가 증가함에 따라 효을이 떨어지는 것은 차측에 흐르는 전류가 증가하여 상대)

적으로 차측 손실이 커지기 때문이다1 .

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그림 컨버터의 효율 곡선그림 컨버터의 효율 곡선그림 컨버터의 효율 곡선그림 컨버터의 효율 곡선29.29.29.29.

그림 에 제작된 급 모듈형 컨버터의 실제 사진을 나타30 50 W proto-type DC-DC

내었다 최종 컨버터의 크기는 가로가 이고 세로는 이다 전원단의. 6.8cm , 5.2cm

트랜스포머가 높이가 가장 높기 때문에 트랜스포머의 높이를 다른 소자 수준으로

낮추어야 한다 현재 대부분의 저항과 커패시터는 사이즈의 소자를 사용하고. 1608

있으며 전압과 용량을 고려하여 사이즈와 사이즈의 소자도 몇몇 사용하2012 3216

고 있다 초기에는 그림 와 같이 대부분 사이즈 소자를 사용하여 회로. 30(a) 2012

성능을 평가하였다 그림에서 보는 것과 같이 사이즈가 많이 크고 점프선이 많은. ,

것을 알수 있다 초기 모델에서 나타난 문제점을 개선하석 그림 와 같이 개선. 30(b)

된 를 제작하여 컨버터를 제작하였다 개선 모델에서는 기본적인 특성 외에 출PCB .

력 제어 특성과 신뢰성 테스트에 집중하였다 이 때에도 주요 부품은 사이즈. 2012

를 사용하였고 인덕터와 트랜스포머는 최적화가 되어 있지 않은 상태이다 마지막, .

으로 그림 와 같이 최종 를 제작하였다 최종 는 사이즈의 부품30(c) PCB . PCB 1608

을 주로 사용하였으며 인덕터와 트랜스포머도 최적의 사이즈를 설계하였다 그러나. ,

트랜스포머와 인덕터는 제작의 어려움 때문에 기존의 것을 사용하였다.

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초기 모델초기 모델초기 모델초기 모델(a)(a)(a)(a)

개선 모델개선 모델개선 모델개선 모델(b)(b)(b)(b)

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최종 모델최종 모델최종 모델최종 모델(c)(c)(c)(c)

그림 포워드 컨버터의 실제 사진그림 포워드 컨버터의 실제 사진그림 포워드 컨버터의 실제 사진그림 포워드 컨버터의 실제 사진30. 50W30. 50W30. 50W30. 50W

그림 과 그림 에 계단부하 응답 특성을 나타내었다 두개의 파형중 위의 파형31 32 .

은 출력 인덕터 전류의 파형이고 아래쪽 파형은 출력 전압 파형이다 먼저 그림, .

은 전류가 할 때의 파형이다 가 변할 때 약 정도의 언더슈트31 step-up . SA 100mv

가 일어나서 매우 좋은 특성을 보이고 있다 전류가 로(undershoot) . SA step-down

할 때는 할 때 보다 더 작은 오버슈트 가 일어나지만step-up (overshoot) settling

이 길고 더 오실레이션 하는 파형을 보이고 있다 이러한 현상을time (oscillation) .

줄이기 위해서는 루프 이득을 고려한 출력 임피던스에 대한 분석이 더 필요하다.

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 계단 부하 응답그림 계단 부하 응답그림 계단 부하 응답그림 계단 부하 응답31. (a) 0A31. (a) 0A31. (a) 0A31. (a) 0A→→→→5A (b) 5A5A (b) 5A5A (b) 5A5A (b) 5A→→→→10A (c) 5A10A (c) 5A10A (c) 5A10A (c) 5A→→→→0A (d) 10A0A (d) 10A0A (d) 10A0A (d) 10A 5555→→→→ AAAA

5A/div., 100 /div.5A/div., 100 /div.5A/div., 100 /div.5A/div., 100 /div.

(a)(a)(a)(a)

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(b)(b)(b)(b)

그림 계단 부하 응답그림 계단 부하 응답그림 계단 부하 응답그림 계단 부하 응답32. (a) 0A 10A (b) 10A 0A32. (a) 0A 10A (b) 10A 0A32. (a) 0A 10A (b) 10A 0A32. (a) 0A 10A (b) 10A 0A→ →→ →→ →→ →

5A/div., 100 /div.5A/div., 100 /div.5A/div., 100 /div.5A/div., 100 /div.

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참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌

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