RCC의 동작원리와 설계방법

SMPS(5)

Flyback Converter는 그림 1과 같이 세 가지의 동작 모드를 가진다[1-3]. 그림 1(a)는 스위치가 오프구간 이내에 이차측의 전류가 영이 되는 동작모드로, 불연속 모드라고 한다. 이 경우는 트랜스포머의 일차측 자화인덕턴스가 작아도 되기 때문에 트랜스포머의 일ㆍ이차측 턴 수를 줄일 수 있다. 하지만 일차측 전류가 커지기 때문에 이 방식은 주로 낮은 출력의 전원회로에 적용된다.그림 1(c)는 연속모드로 일차측의 자화인덕턴스의 전류가 항상 영이 아닌 경우다. 이 경우는 자화인덕턴스의 전류 리플이 작기 때문에 트랜스포머의 철손이 작다는 장점이 있다. 또한 스위치의 전류가 작기 때문에 전체적으로 효율이 좋아 좀 더 큰 전력으로 적용이 가능한 동작모드다. 하지만 제어회로를 안정화하려면 적절한 보상회로를 첨가해야 한다.그림 1(b)는 위의 두 경우의 경계점으로 임계 모드라고 한다. RCC는 이 모드에서 동작한다. 이 동작 모드에서 스위치는 켜질 때 영전류 스위칭을 하고 이차측의 다이오드는 꺼질 때 영전류 스위칭을 하기 때문에 손실이 작다는 장점이 있다. 반면에 동작 상태에 따라서 동작 주파수가 변한다는 문제가 있다. 이는 EMI 대책 시 앞의 두 경우보다는 좀 더 어려움이 예상된다.그림 1. Flvback Converter의 동작 모드그림 1.jpg일차측 전류 이차측 전류 tON tOFF (a) 불연속 모드일차측 전류 이차측 전류 tON tOFF (b) 임계 모드일차측 전류 이차측 전류 tON tOFF (c) 연속 모드간이형 RCC회로의 동작원리------------------------중제그림 2(a)는 제일 간단하게 구성할 수 있는 간이형 RCC 회로이다. 이 회로는 자려식이기 때문에 이 회로를 위한 전원이 따로 필요하지 않다.그림 2(b)는 간이형 RCC 회로의 구성요소 중 기동저항 RG와 출력전압 안정화 부품인 Dz, C1, D2를 점선으로 표현하였다. 그림 2(b)의 실선 부분의 회로만 보면 지난 호에서 설명한 절연형 컨버터인 Flyback Converter에 베이스 권선 NB 주변회로를 첨가한 것을 알 수 있다.그림 2. 간이형 RCC 회로그림 2.jpgN1 :N2 D3 iD+ + - + +RG LM V1 V2 VD C VO RO+ iG iM - - -Vin- S iB RB D1iS iZ DZ iRB +- VB NBC1 VC D2+ -(a)N1 :N2 D3 iD+ + - + +LM V1 V2 VD C VO RO+ iM - - -Vin- S iB RB D1iS iRB + VB NB -(b)그림 3. 간이형 RCC 회로의 동작파형그림 3.jpgS ON OFF ONtON tOFFT ViniS is-peak = -------ㆍtON LM N1iD ------ ㆍis-peak N2iM is-peak여기서 기동저항 RG는 RCC 회로를 처음으로 동작시키기 위한 것으로, 식 (1)과 같이 보통 1[mA] 정도의 전류가 흐르도록 저항 값을 결정한다. Vin － VBE iG = ----------------- ≈ 1[mA] (1) RG그림 4. 트랜지스터의 특성곡선그림 4.jpgcollector-current, ic[A]포화영역활성영역큰 IB작은 IBcollector-emitter voltage, Vce[V]식 (1)의 기동전류에 의해서 스위치 S가 켜지면 트랜스포머의 일차측에는 입력전압 Vin이 걸린다. 참고문헌 [4]와 같이 이 전압에 의해서 일차측의 자화인덕터에는 영에서부터 선형적으로 증가하는 전류가 흐른다.반면 이차측의 다이오드는 역전압이 걸려 오프되어 있다. 이차측의 커패시터 C에 저장된 에너지를 부하저항으로 공급한다.출력전압 안정화 회로를 제외하고 트랜지스터의 베이스 전류를 구하면 다음 식과 같다. NB ---- ㆍ Vin － VF － VBE N1iB = ----------------------------- (2) RB정상 상태에서 식 (2)의 전류는 일정한 값이다. 따라서 그림 4에서 여러 개의 곡선 중 하나의 곡선을 따라간다. 스위치가 켜지면 양단의 전압이 거의 영에 가까운 포화영역(saturation region)에서 동작한다. 즉, 그림 3과 같이 스위치의 전류가 선형적으로 증가하면 스위치는 포화영역에서 전류가 증가한다. 그림 4의 하나의 곡선을 따라 증가하던 전류가 계속 증가하려면 포화영역에서 활성영역(active region)으로 이동해 간다. 이는 스위치의 양단의 전압이 커진다는 것이고, 상대적으로 트랜스포머의 일차측 전압은 줄어든다. 트랜스포머의 일차측 전압이 줄어들면 턴수 비에 따른 베이스 권선의 전압 vB도 줄어들어서 베이스 전류가 줄어든다. 이런 과정을 통해서 스위치는 꺼지게 된다.스위치가 꺼지면 자화인덕터에 저장된 에너지는 이상적인 트랜스포머를 통해 이차측으로 전달된다. 이 기간 동안 베이스 권선에는 역전압이 걸려 있어서 스위치는 꺼진 상태를 유지한다.자화인덕터에는 식 (3)과 같은 역전압에 걸려서 자화인덕터에 흐르는 전류와 이차측 전류는 선형적으로 감소한다. N1VFB = ----- (VO + VF) (3) N2이 전류가 영이 되면 트랜스포머 각 권선에 걸리는 전압은 영이 되고, 기동저항에 의해서 스위치는 다시 켜진다. 이러한 동작을 반복하면서 RCC는 트랜스포머의 자화인덕터에 에너지를 저장했다가 스위치가 꺼지면 이차측으로 에너지를 전달하는 동작을 한다.출력전압의 안정화는 그림 5(a)의 DZ, D2, C1이 담당한다. 스위치가 꺼져 있을 때 그림 5(a)의 경로로 전류가 흐르는데, 이때 커패시터 C1에 걸리는 전압은 다음과 같다. NBVC = ------ (VO + VF) － VF (4) N2식 (4)에서 알 수 있는 것은 커패시터 C1의 전압에 출력전압의 정보가 있다는 것이다. 이 두 전압은 비례 관계에 있다.그림 5. 정전압 동작그림 5.jpgiB RB D1SiS iZ DZ iRB D2C1 - VC +(a) S OFFS iB iRBiS iZ DZ -C1 VC +(b) S ON표 1. 정전압 동작 시 각 변수들 변화 VC VZ IZ IB tONVO 증가 시 증가 증가 증가 감소 감소VO 감소 시 감소 감소 감소 증가 증가반면 그림 5(b)처럼 스위치가 ON 되면 베이스 권선에서 두 경로의 전류가 흐른다. 이때 이 회로의 전압 관계를 써 보면 다음과 같다. VZ = VC + VBE (5)식 (5)에서 커패시터 전압 VC와 제너전압 VZ는 비례 관계에 있다.출력전압이 안정화되려면 주변 조건의 변화에 의해서 출력전압이 변하면 제어는 반대 방향으로 변하도록 보상을 해 줘야 한다. 즉, 출력전압이 커지면 스위치의 온 시간을 줄여서 출력으로 전달되는 에너지의 양을 줄여야 하고, 반대로 출력전압이 작아지면 스위치의 온 시간을 늘려서 출력으로 전달되는 에너지를 증가시켜야 한다. 따라서 식 (4)와 (5)를 이용하여 정전압 동작을 정리하면 표 1과 같다.제너 다이오드로 흐르는 전류의 양에 따라 반비례하는 쪽으로 스위치의 베이스 전류가 변하고, 이는 스위치 온 시간의 변화를 가져와 출력전압을 안정화시키는 것이다.이러한 제어 방식의 RCC 회로는 저비용으로 구성할 수 있지만 성능이 떨어지므로 정밀 전원이 필요한 응용에는 적합하지 않다. 그렇지만 간단한 제어 전원으로는 많이 사용되고 있다.간이형 RCC 회로의 설계-----------------------중제간이형 RCC 회로의 설계에는 트랜스포머의 설계와 스위칭 소자의 설계가 있다. 이를 위해서는 다음과 같은 사항들을 미리 결정해줘야 한다.① 입력전압범위 : 220[V]±15% 또는 85～265[V]② 출력전압 및 전류 : VO, IO③ 스위칭 주파수 : fsw④ 최대 듀티 : Dmax=0.5⑤ 효율 : η=75～80[%](1) 트랜스포머의 설계 : 트랜스포머의 설계에 있어서 제일 먼저 해야 할 일은 코어의 선택이다. 보통 코어는 페라이트를 사용하는데, 입출력 조건과 동작 주파수에 따라서 크기가 결정된다. 여러 업체에서 출력전력과 주파수에 따른 코어 선택표를 제공하고 있는데 이를 이용하면 쉽게 선택할 수 있다. 이러한 선택표가 없을 때는 참고문헌 [5-6]을 참고하여 유도한 식 (6)에 의해서 결정할 수 있다. PO AP = 4.845 × --------- [cm4] (6)

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