그림 1에 나와 있는 PSFB(위상 변이 풀 브리지)는 높은 컨버터 효율을 위해 입력 스위치에서 소프트 스위칭을 달성할 수 있기 때문에 500W 이상의 애플리케이션에서 널리 사용됩니다. 스위칭 손실이 크게 감소하지만, 기생 커패시턴스가 그림 1의 L_r로 모델링되는 변압기 누설 인덕턴스와 공진하기 때문에 여전히 출력 정류기에서 고전압 스트레스를 볼 수 있습니다. 출력 정류기의 전압 스트레스는 최대 2V_INN_S/N_P까지 올라갈 수 있으며, 여기서 N_P와 N_S는 각각 변압기의 1차 권선과 2차 권선을 나타냅니다.

출력 정류기에서 최대 전압 스트레스를 제한하려면 전통적으로 RCD(저항-커패시터-다이오드) 스너버와 같은 패시브 스너버[1]가 필요하지만, 패시브 스너버를 사용하면 전력이 소모되어 효율성 저하라는 단점이 발생합니다.

다른 방법으로, 액티브 스너버를 적용하여 스너버 회로의 전력을 소모하지 않고 정류기 전압 스트레스를 클램핑할 수 있습니다(이상적인 스위치라고 가정)[2]. 그림 2은(는) 출력 인덕터 앞에 커패시터(C_CL)와 MOSFET(Q_CL)으로 구성된 ACL(액티브 클램프 레그)이 삽입된 모습을 보여줍니다. 출력 권선 전압이 0이 아닌 상태가 되면 에너지가 1차 권선에서 2차 권선으로 옮겨가면서, Q_CL이 켜져 있지 않더라도 C_CL‌을 충전하기 위해 Q_CL 본체 다이오드를 통해 출력 인덕터에 전력을 공급하고 전류를 전도하게 됩니다. 본체 다이오드가 이미 전류를 전도한 후에 Q_CL을 켜면 Q_CL에서 ZVS(제로 전압 스위칭)를 보장할 수 있습니다.

액티브 클램프 MOSFET(i_CL) 극성이 변경되기 전에 Q_CL을 켜서 유효 듀티 사이클(D_effT_S)이 시작될 때까지 C_CL의 전류-시간 균형이 완료될 수 있도록 하는 것이 중요합니다. 즉, 액티브 스너버의 전류-시간 균형이 의도한 대로 작동하여 출력 정류기 전압을 C_CL 전압(V_CL)으로 클램핑할 정도만 Q_CL이 충분히 오랫동안 켜져 있으면 됩니다. 즉, Q_CL이 전체 D_effT_S 전체에 걸쳐 전도할 필요가 없고 상대적으로 짧은 시간 동안만 전도하면 됩니다. 따라서 Q_CL은 고정된 온타임을 가질 수 있습니다. 즉, Q_CL 온타임(D_ACLT_S)은 일정하지만 D_effT_S는 전류-시간 균형(D_CSBT_S)이 완료된 시간보다 항상 크게 유지할 수 있습니다.

이러한 접근 방식은 액티브 스너버를 사용할 때의 문제 중 하나를 해결합니다. 이 문제는 변압기 권선 전류가 단조롭게 증가하지 않는다는 것으로, 이는 피크 전류 모드 제어를 사용할 때 문제가 될 수 있습니다. 이 문제가 발생하는 이유는 액티브 스너버 커패시터 에너지가 1차 측의 에너지 전달에만 의존하지 않고 출력 인덕터에 전원을 공급하는 데에도 참여하기 때문입니다. D_effT_S가 D_CSBT_S보다 크므로 변압기 전류가 단조롭게 상승할 때 피크 전류 감지가 발생할 수 있습니다. 그리고 더 큰 D_eff로 인해 PSFB에서 더 높은 효율을 기대할 수 있기 때문에, 중간 부하에서 고부하까지 D_eff가 D_CSB보다 훨씬 크도록 큰 D_eff로 PSFB를 설계할 수 있습니다. 경부하에서는 컨버터가 불연속 전도 모드로 작동하므로, 입력/출력 전압 조건이 같을 때 이 모드의 D_eff는 연속 모드의 D_eff보다 더 작을 것입니다. 경부하에서도 D_effT_S를 D_CSBT_S보다 더 크게 유지하려면 주파수 감소 제어 또는 버스트 모드 제어를 사용할 수 있습니다.

C_CL 리플 전압이 출력 정류기에 가해지는 총 전압 스트레스에 영향을 미치므로, 낮은 커패시터 리플 전압을 위해 충분히 큰 C_CL을 선택해야 합니다. 또한 L_r과 C_CL에 의해 형성되는 인덕터-커패시터(LC) 공진 기간이 스위칭 기간[3]보다 훨씬 길도록 C_CL을 선택해야 합니다. 이는 다음 방정식 1로 표현됩니다.

액티브 스너버를 사용하면 정류기 전압 스트레스가 V_INN_S/N_P 정도로 클램핑될 것입니다. 이는 클램프 회로가 없을 때 전압 스트레스의 절반 수준입니다. [1]의 패시브 스너버와 달리, 액티브 스너버는 전원 저항에서 링잉 에너지를 소모하지 않고 LC 공진 탱크 내에서 에너지를 순환시켜 무손실 스너버 역할을 합니다. 따라서 사양이 같다면 수동 스너버를 사용하는 PSFB보다 액티브 스너버를 사용하는 PSFB에서 더 높은 컨버터 효율을 기대할 수 있습니다.

ACL 전류 레벨을 결정하는 요소를 이해하려면 ACL 자체를 통한 전류 흐름을 계산해야 합니다. 그림 3에는 ACL 전도 기간 주변의 파형이 나와 있습니다.

V_CL이 일정하고 L_m = ∞라고 가정하면, 방정식 2를 사용하여 다음과 같이 드레인-소스 전압이 상승할 때 출력 정류기(i_SR2)의 한쪽에서 전류를 구할 수 있습니다.

i_SR2 전류가 일정한 속도로 감소한다고 가정하면 방정식 3으로 다음과 같이 t₂-t₁의 기간을 구할 수 있습니다.

C_CL이 전류-시간 균형을 유지해야 하기 때문에, 면적 A1과 A3의 합계는 면적 A2와 같습니다. 이 모든 정보를 통해 i_CL의 RMS(제곱 평균 제곱근) 값을 계산할 수 있습니다. 방정식 3에서 볼 수 있듯이 SR(동기 정류기) 출력 커패시턴스(C_oss)가 ACL의 피크 전류를 제어합니다. 더 낮은 C_oss SR FET를 선택하면 ACL RMS 전류가 더 낮아지기 때문에 따라서 컨버터 효율을 개선하는 데 도움이 됩니다.

그림 4은(는) TI(텍사스 인스트루먼트)의 액티브 클램프 사용 54V, 3kW 위상 변이 풀 브리지 레퍼런스 설계의 파형을 보여줍니다. 이 설계는 TI의 C2000™ 마이크로컨트롤러를 사용하여 구현된 액티브 클램프를 사용하는 400V 입력, 54V 출력, 3kW PSFB 컨버터입니다. 이 설계에서 변압기 권선 비율 Np:Ns = 16:3입니다. ACL FET가 출력 인덕터 전원 공급 기간 내에서 300ns 동안만 켜지므로 출력 정류기 전압 스트레스(그림 4의 Ch1)는 3kW 부하에서도 80V로 제한됩니다. 더 낮은 전압 스트레스 덕분에 더 낮은 전압 정격과 더 우수한 성능 지수를 가진 SR FET을 사용하여 PSFB의 효율을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

이 제어 방법은 ACL이 하나의 풀 브리지 정류기에만 제한되지 않습니다. 전류 더블러[4] 또는 중심 탭 정류기와 같은 다른 유형의 정류기를 사용하는 액티브 스너버에도 적용할 수 있습니다. 270W/in³ 이상의 전력 밀도를 가진 TI의 액티브 클램프 사용 3kW 위상 변이 풀 브리지 레퍼런스 설계는 400V 입력, 12V 출력, 3kW PSFB 컨버터로 이루어져 있고, 2차 측에 중심 탭 정류기를 사용한 액티브 클램프가 적용되어 있습니다. 출력 정류기 스트레스(그림 5의 Ch1)는 3kW 부하에서 40V로 제한됩니다.

PSFB 컨버터에서 액티브 클램프의 장점

PSFB 컨버터에서 액티브 스너버를 구현하면 출력 정류기의 최대 전압 스트레스를 크게 줄여줍니다. 이렇게 전압 스트레스가 줄어들면 드레인-소스 전압 정격이 더 낮은 SR FET를 사용할 수 있으므로 성능 지수가 더 좋아질 수 있습니다. 액티브 클램프는 피크 전류 모드 제어를 구현하는 데 있어 문제를 만들 수 있지만, 적절히 구현하면 액티브 클램프와 피크 전류 모드 제어를 조화롭게 사용할 수 있습니다. 이러한 조합은 기존 PSFB 구현에 비해 더 높은 전력 밀도와 더 높은 효율을 달성합니다.

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참고 자료

1. Lin, Song-Yi, and Chern-Lin Chen. "위상 변이 풀 브리지 ZVS 컨버터의 출력 정류기에 사용되는 RCD 클램프 적용 스너버에 대한 분석 및 설계." 발행: IEEE Transactions on Industrial Electronics 45, no. 2 (April 1998): pp. 358-359.
2. Sabate, J.A., V. Vlatkovic, R.B. Ridley, and F.C. Lee. “High-Voltage, High-Power, ZVS, Full-Bridge PWM Converter Employing an Active Snubber.”(액티브 스너버를 사용하는 고전압, 고전력, ZVS, 풀 브리지 PWM 컨버터.) 발행: 제6회 연례 APEC(응용 전력 전자 컨퍼런스 및 전시회), 1991년 3월 10~15일, 158~163페이지.
3. Nene. "차량용 애플리케이션을 위한 양방향 DC-DC 컨버터의 디지털 제어." 발행: 제28회 연례 APEC(응용 전력 전자 컨퍼런스 및 전시회), 2013년 3월 17일~21일, 1360~1365페이지.
4. Balogh, Laszlo. "설계 검토: 전류 더블러 동기식 정류를 적용한 100W, 400kHz, DC/DC 컨버터로 92% 효율 달성." Texas Instruments Power Supply Design Seminar SEM100, literature No. SLUP111, 1996.

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