풀 브리지 컨버터

풀 브리지 컨버터는 절연 전력 변환을 위한 효율적인 솔루션을 제공합니다(그림 1). 이 토폴로지 내에서 제어 방법을 선택하면 컨버터의 전체 성능에 영향을 미칩니다. 대부분의 엔지니어는 HSFB(하드 스위치 풀 브리지) 또는 PSFB(위상 변이 풀 브리지)만 고려합니다. 이 전원 팁에서는 ZVS(제로 전압 스위칭)를 달성하여 효율성을 높이고 변압기 권선의 공진 링잉을 제거할 수 있는 PWM(펄스 폭 변조) 제어 풀 브리지에 대한 간단한 수정을 보여드리겠습니다.

HSFB

HSFB 컨버터는 위상이 180도 다른 두 개의 출력 신호(OUTA와 OUTB)를 사용하여 1차 측 브리지의 대각선 쌍을 제어합니다(그림 1 참조). 컨트롤러는 1차 측 FET에 대해 3가지 상태 즉, OUTA 높음과 OUTB 낮음, OUTB 높음과 OUTA 낮음, OUTA와 OUTB 모두 낮음을 허용합니다. 조절을 유지하기 위해 컨트롤러는 각 상태에서 소요되는 시간 비율을 조정합니다.

그림 2에서는 (아래에서 위로) OUTA 및 OUTB 신호, 1차 브리지의 각 측면에 있는 스위치-노드 전압, 1차 권선 전류를 보여줍니다. 스위치 노드는 OUTA와 OUTB가 모두 낮을 때 데드 타임 동안 입력 전압의 절반으로 복귀합니다.

데드 타임 중에 1차 측 FET가 꺼져 있는 경우 2차 전류는 동기 정류기를 통해 계속 프리휠링됩니다. 이때 1차 측에 저장된 누설 에너지는 1차 측 FET의 출력 커패시턴스와 공진하여 OUTA 또는 OUTB가 낮아질 때 큰 누설 스파이크를 생성합니다. 이 공진은 1차 측의 4개 FET 모두에 영향을 미칩니다. 그림 3에서는 누설 스파이크가 얼마나 커질 수 있는지 보여줍니다. 실제로 큰 누설 스파이크는 고전압 부품을 사용해야 할 수 있습니다.

보완 로직을 지원하는 대체 접근 방식

대체 접근 방식은 브리지의 각 절반에서 보완 로직으로 1차 FET를 제어하는 것입니다. 이 방법으로 PWM 높음은 고압측 FET를 켜고 PWM 낮음은 저압측 FET를 켭니다. 그림 4에서는 이 접근 방식을 사용한 다이어그램을 보여줍니다.

그림 5 에서는 이 접근 방식의 PWM, 스위치 노드 전압 및 1차 전류를 보여줍니다. 1차 브리지의 각 측에서 보완 신호를 통해 이제 두 개의 저압측 FET가 데드 타임 동안 모두 켜집니다. 이를 통해 1차 전류가 기존의 접근 방식에서 데드 타임이었던 기간 동안 2개의 저압측 FET를 통해 계속 프리휠링할 수 있습니다.

1차 측의 프리휠링 전류는 많은 이점이 있습니다. 첫째, 1차 측 FET는 ZVS를 달성합니다. 그림 6에서는 ZVS 이벤트 중 풀 브리지의 한쪽에 대한 1차 스위치 노드 및 PWM 로직을 보여줍니다. ZVS를 나타내는 게이트-드라이브 신호가 도입되기 전에 드레인-소스 전압은 0으로 떨어집니다.

또 다른 이점은 컨버터 전반에 걸쳐 잡음이 적다는 것입니다. 그림 3의 1차 스위치- 노드 파형에서 그림 6(으)로 이동할 때 큰 누설 스파이크와 공진 링잉이 제거됩니다. ZVS를 달성하기 위해 1차 측을 변경한 후 2차 정류기에서도 잡음이 감소했습니다.

그림 7 에서는 두 설계 옵션 모두에 대한 2차 정류기의 드레인-소스 전압을 비교합니다. HSFB 변형은 눈에 띄게 더 많은 링잉 현상이 발생하며, 이를 완화하기 위해 스너버가 필요하지만 그 결과 전체 시스템 효율이 감소합니다. 1차 측에서 ZVS로 변경하면 2차 FET에서 링잉이 줄어듭니다. 여전히 누설 스파이크가 있지만 이 경우에는 다이오드 클램핑 회로가 스너버보다 더 적합합니다.

수정된 HSFB 레퍼런스 설계

ZVS만 도입하면 부하 조건에서 효율성이 향상됩니다. 그림 8 에서는 1차 측의 ZVS 로직을 사용하는 수정된 HSFB 레퍼런스 설계, "100kRad 애플리케이션을 위한 100W, 5V 출력 하드 스위치 풀 브리지 컨버터 레퍼런스 설계"를 HSFB였던 초기 데이터와 비교합니다. 1차 FET에 대한 로직이 유일한 변경이었고, 1차 측 FET 드라이버에 대한 최적화와 2차 측 보호 회로의 개선으로 이 접근 방식의 이점이 더욱 높아졌습니다.

 보완 로직 사용

풀 브리지 컨버터에서 보완 로직을 사용하면 1차 FET가 ZVS를 달성할 수 있습니다. 이 접근 방식은 시스템 효율성에 많은 이점이 있으며, 접근 방식을 쉽게 구현할 수 있습니다.

테스트 사례의 경우, 표준 동기 풀 브리지 컨버터는 보완 신호를 생성하기 위해 조정된 로직만 필요합니다. 로직 NOR 게이트를 사용하여 이 조정을 수행할 수 있습니다. 또는 HSFB 레퍼런스 설계에 사용되는 텍사스 인스트루먼트의 TPS7H6003-SP 게이트 드라이버 같은 일부 드라이버의 경우 단일 입력 신호가 높을 때 고압측 FET를 구동하고 신호가 낮을 때 저압측 FET를 구동하는 PWM 모드를 사용합니다. 보시다시피, 제어 로직에서 이러한 미묘한 변화가 시스템 성능 향상에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

관련 콘텐츠

• 전원 팁 #133: TLVR의 총 누설 인덕턴스를 측정하여 성능 최적화
• 전원 팁 #123: 이중 부스트 컨버터를 사용하여 높은 변환 비율 설계의 전력 범위 확장
• 전원 팁 #117: 전체 작동 조건에서 테스트하기 전에 LLC 공진 탱크 측정
• 전원 팁 #97: 배터리 충전기 요구 사항을 충족하는 LLC-SRC 게인 곡선 형성
• 전원 팁 #94: 업사이드 다운 벅이 비절연 플라이백의 대체 토폴로지를 제공하는 방식

이전에 EDN.com에 게시되었습니다.