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하프 브리지 공진 LLC 컨버터와 일차측 MOSFET 선택

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글/Alfio Scuto, Antonino Gaito, STMicroelectronics

머리말

오늘날에는 에너지 사용과 관련해서 탄소 배출을 제한하거나 줄이고자 하는 규제가 갈수록 더 엄격해지고 있다. 그럼으로써 모든 관련된 전자 시스템으로 계속해서 효율을 더 높여야 하게 되었다. 그러기 위해서는 이들 모든 시스템으로 전원을 공급하는 전원장치가 더 높은 효율과 더 높은 전력 밀도를 달성해야 한다. 이러한 목표를 달성하려면 전력 소비를 낮추는 전기적 구성을 사용해야 한다. SMPS(switched-mode power supply)의 여러 유형 중에서도 LLC 하프-브리지 구성을 사용한 공진 전원 컨버터에 대한 관심이 고조되고 있다. 근본적으로 높은 효율을 달성하며 높은 스위칭 주파수가 가능하기 때문이다. 그런데 동작의 특수성 때문에 이 토폴로지에 사용하기 위한 적합한 전력 MOSFET을 선택하는 일이 쉽지만은 않다. 낮은 스위칭 손실과 높은 신뢰성 같이 상충되는 요건들을 동시적으로 충족해야 하기 때문이다.

LLC 공진 하프-브리지 컨버터: 토폴로지와 특징

기본적인 형태의 LLC 공진 하프-브리지 컨버터는그림 1과 같다:

이 회로는 다음과 같은 부분들로 이루어진다[1]:

•사각파 발생기

2개 전력 MOSFET Q1(하이사이드)과 Q2(로우사이드)가 유니폴라 사각파 전압을 발생시킨다.

•공진 탱크

공진 네트워크는 커패시턴스 Cr과 2개 인덕턴스 Lr 및 Lm으로 이루어진다. LLC 공진 컨버터는 인덕터 Lm을 추가하고 있다는 점만 빼고 LC 직렬 공진 컨버터(SRC)와 유사하다.

•정류기와 필터

정류기는 컨버터의 이차측으로서 전파(full-wave) 정류를 위한 2개 다이오드와 정류된 전압을 부하 RL로 매끄럽게 제공하기 위한 출력 커패시터 CO로 이루어진다.

LLC 컨버터는 오랜 기간을 거치면서 분석과 모델링에 사용하도록 다양한 기법들이 개발되었다. 그림 2에서는 LLC 공진 컨버터의 동작을 스위칭 방식에 따라서 2개 동작 구역으로 구분할 수 있다는 것을 보여준다. ZCS 구역과 ZVS 구역이 그것이다. 첫 번째 구역(ZCS)에서는 전환이 일어날 때 전류 신호가 공진 탱크의 전압 신호에 비해서 지체된다. 이 동작은 커패시티브 모드이다. 두 번째 구역(ZVS)에서는 반대로 전압 신호가 지체된다. 컨버터가 공진 주파수 fr1보다 높은 주파수로 스위칭할 때는 항상 ZVS 모드로 동작한다. 컨버터가 공진 주파수 fr2보다 낮은 주파수로 스위칭할 때는 항상 ZCS 모드로 동작한다.

컨버터가 공진 주파수 fr1과 fr2 사이의 주파수로 스위칭할 때는 부하 조건이 컨버터가 ZVS 모드로 동작할 것인지 ZCS 모드로 동작할 것인지를 결정한다. 정상적 동작 조건이면 LLC 공진 컨버터가 공진 주파수 fr1보다 높지만 아주 가깝게 동작한다. 이 지점이 높은 효율을 달성할 수 있는 최상의 동작 지점이다.

또한 이 그림에서 흥미로운 점은, 모든 이득 곡선들이 스위칭 주파수가 공진 주파수와 같은 지점에서 단위이득으로 수렴된다는 것이다. 다시 말해서 이 단위 이득 지점은 부하에 상관이 없으며 이 지점으로 동작하는 컨버터는 어떠한 출력 전력 레벨에 대해서든 입력 전압이 같은 한은 스위칭 주파수를 변경할 필요가 없다는 뜻이 된다...(중략)