KOKT162 Technical article

머리말

차량용 전기 시스템에서 고전압-저전압 DC/DC 컨버터는 차량의 고전압(400V 또는 800V) 배터리 DC 전압을 낮은 DC 전압(12V)으로 바꿔주는 가역 전자 장치입니다. 이러한 컨버터는 단방향 또는 양방향일 수 있습니다. 전력 레벨은 일반적으로 1kW에서 3kW이며, 시스템은 컨버터의 고전압 전력망(1차측)에 650V~1,200V 정격, 12V 전력망(2차측)에 최소 60V 정격의 부품을 필요로 합니다.

전력 밀도를 높이고 파워트레인 크기를 줄여야 하기 때문에 자기 부품의 크기를 줄이기 위해 전력 부품의 스위칭 주파수가 수백 킬로헤르츠로 높아졌습니다. 고전압-저전압 DC/DC 컨버터의 소형화는 낮은 스위칭 주파수에서는 그다지 중요하지 않았던 EMC(전자기 적합성), 열 방출, MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)용 액티브 클램프와 같은 많은 문제들을 드러냅니다. 이 전력 팁에서는 높은 스위칭 주파수에서 동기식 정류기 MOSFET용 클램핑 회로의 설계에 관해 논의하고자 합니다.

기존 액티브 클램프

그림 1에 표시된 PSFB(위상 변이 풀 브리지)는 스위치에서 소프트 스위칭을 실현하여 컨버터 효율을 높일 수 있기 때문에 고전압-저전압 DC/DC 애플리케이션에서 널리 사용되는 토폴로지입니다. 그러나 동기식 정류기의 기생 커패시턴스가 변압기 누설 인덕턴스와 공진하므로, 여전히 동기식 정류기에 고전압 스트레스가 발생할 것으로 예상됩니다. 정류기의 전압 스트레스는 방정식 1에서만큼 높을 수 있습니다.

방정식 1.

V_{d s_\max} = 2 V_{I N} x (N_{s} / N_{p})

여기에서 Np와 Ns는 각각 변압기의 1차측 및 2차측 권선입니다.

설계자는 고전압-저전압 DC/DC 컨버터의 전력 레벨과 저항-커패시터-다이오드 스너버의 전력 손실을 감안해 [1] 동기식 정류기 MOSFET에 액티브 클램프 회로를 사용할 때가 많습니다. 그림 1에 일반적인 회로를 표시했습니다.

그림 1 PSFB 동기식 정류기 MOSFET의 기존 액티브 클램프 회로. 출처: 텍사스 인스트루먼트

이 회로도에 액티브 클램프 회로의 주된 부품인 PMOS(P 채널 금속 산화막 반도체) Q9 및 스너버 커패시터가 표시되어 있습니다. 스너버 커패시터의 단자 한 개는 출력 초크에 연결되고, PMOS의 소스는 접지에 연결됩니다. PSFB용 기존 액티브 클램프 회로에서는 동기식 정류기 MOSFET Q5 및 Q7의 체계가 동일하며, Q6과 Q8도 마찬가지입니다. 동기식 정류기 MOSFET이 셧다운된 후마다 PMOS는 적절한 지연 시간 후에을 거쳐 켜집니다.

그림 2에 PSFB와 액티브 클램프의 제어 체계를 표시했습니다. PMOS의 스위칭 주파수가 f_sw의 두 배가 된다는 사실을 쉽게 확인할 수 있습니다.

그림 2 PMOS의 스위칭 주파수가 f_sw의 두 배인 액티브 클램프 PMOS Q9의 제어 체계. 출처: 텍사스 인스트루먼트

액티브 클램프 손실 평가

방정식 2, 방정식 3, 방정식 4, 방정식 5, 방정식 6을 사용해 액티브 클램프 PMOS의 손실을 평가할 수 있습니다. P_{on_state}를 제외하고 다른 모든 손실은 f_sw에 비례합니다. PMOS의 스위칭 주파수가 두 배가 되면 손실도 두 배가 되므로, PMOS 열 문제를 해결해야 합니다. 그리고 소형화 요구 사항에 맞추기 위해 f_sw를 높이면 이 열 문제가 더 악화되는 것으로 나타났습니다.

방정식 2.

P_{on_state} = I_{r m s^{2}} \times R_{d s o n}

방정식 3.

P_{turn_on} = 0.5 \times V_{d s} \times I_{o n} \times t_{o n} \times f_{s w}

방정식 4.

P_{turn_off} = 0.5 \times V_{d s} \times I_{o f f} \times t_{o f f} \times f_{s w}

방정식 5.

P_{drive} = V_{d r v} \times Q_{g} \times f_{s w}

방정식 6.

P_{diode} = I_{snubber} \times V_{s d} \times t_{d} \times f_{s w}

제안된 액티브 클램프

그렇다면 무엇을 할 수 있을까요? FOM(성능 지수)이 더 나은 PMOS를 선택해야 할까요? 아니면, 전도 계수가 더 높은 열 그리스를 선택해야 할까요? 둘 다 괜찮지만, 액티브 클램프로 인한 열 문제는 여전히 부품 한 개에만 집중되기 때문에 이 문제를 해결하기 어렵다는 점을 유의해야 합니다. 열을 부품 여러 개로 나눌 수 있을까요? 현실적인 방안은, 액티브 클램프를 두 개 사용하고 스너버 커패시터의 단자를 2차 레그의 스위칭 노드에 연결하는 것입니다(그림 3 참조). 이렇게 하면 Q5 및 Q7이 꺼진 뒤에만 Q11을 켜고, Q6 및 Q8이 꺼진 뒤에만 Q10을 켤 수 있습니다. 그림 4에 PSFB의 제어 체계와 제안된 액티브 클램프를 표시했습니다.

그림 3 PSFB 동기식 정류기 MOSFET에 제안된 액티브 클램프 회로. 출처: 텍사스 인스트루먼트

그림 4 PSFB와 제안된 액티브 클램프의 제어 체계. 출처: 텍사스 인스트루먼트

Q5 및 Q7이 꺼져도 Q6 및 Q8은 여전히 켜져 있습니다. 따라서 그림 3에 녹색 화살표로 표시된 것처럼 Q5 및 Q7의 클램프 루프 위치를 찾을 수 있습니다. Q10 및 Q11의 스위칭 주파수는 둘 다 f_sw이며, f_sw의 두 배가 아닙니다.

즉 방정식 2, 방정식 3, 방정식 4, 방정식 5, 방정식 6에 따르면 각 PMOS의 P_{on_state}는 원래의 사 분의 일이고, P_{turn_on}, P_{turn_off}, P_drive, P_diode는 원래의 절반이 됩니다. 제안된 방법을 사용하면 클램프 회로의 손실을 부품 두 개로 분산시키고 손실을 더욱 줄이기 때문에 열 문제를 처리하기가 더 쉬워집니다.

이제 클램프 루프로 다시 돌아가 보겠습니다. Q5의 루프가 Q7보다 크고, 이는 Q6 및 Q8과 비슷합니다. Q5 및 Q6의 최소 클램프 루프를 얻으려면 동기식 정류기의 레이아웃에 주의를 기울여야 합니다.

제안된 액티브 클램프 성능

그림 5 및 그림 6에 텍사스 인스트루먼트의 GaN HEMT를 이용한 고전압-저전압 DC/DC 컨버터 레퍼런스 설계의 관련 테스트를 표시했습니다. 여기에서는 스위칭 주파수 200kHz에서 작동하는 제안된 액티브 클램프 회로를 사용했습니다. 그림 5에 정류기의 전압 스트레스를 표시했습니다.

그림 5 정류기의 전압 스트레스. 여기에서 CH1이 정류기의 V_gs, CH2가 정류기의 V_ds, CH3가 1차 변압기 권선 전압이고 CH4가 1차 변압기 권선 전류임. 출처: 텍사스 인스트루먼트

CH1이 정류기의 V_gs, CH2가 정류기의 V_ds, CH3가 1차 변압기 권선의 전압, CH4가 1차 변압기 권선의 전류입니다. 정류기의 최대 전압 스트레스는 400V_IN, 13.5V_OUT, 250A I_OUT에서 45V 미만입니다. 액티브 클램프 회로의 최대 온도는 400V_IN, 13.5V_OUT, 180A I_OUT에서[2] 46.6°C입니다(그림 6 참조). 즉, 제안된 제어 체계는 클램핑 MOSFET에 대하여 매우 우수한 열 성능을 실현합니다.

그림 6 액티브 클램프 회로의 최대 온도가 400V_IN, 13.5V_OUT, 180A I_OUT에서 46.6°C인 액티브 클램프 회로의 열 성능. 출처: 텍사스 인스트루먼트

열 문제가 없는 500kHz 액티브 클램프

스위칭 주파수를 200kHz에서 500kHz로 높이면 변압기 부피가 약 45% 작아져 [2] 고전압-저전압 DC/DC 컨버터의 전력 밀도를 높이는 데 도움이 됩니다. 제안된 방법을 사용하면 BOM 비용이 약간 늘어나겠지만, 설계자가 스위칭 주파수 500kHz에서 열 문제 없이 액티브 클램프를 실행할 수 있기 때문에 성능이 개선됩니다. PMOS의 펄스 드레인 전류가 NMOS보다 훨씬 작다는 것을 고려하여, 설계자는 필요한 경우 절연 드라이버와 바이어스 전원 공급 장치를 이용해 액티브 클램프에 NMOS를 사용할 수도 있습니다.

참고 자료

Betten, John. 2016. "전원 팁: 7단계로 R-C 스너버를 계산합니다.” TI E2E™ 설계 지원 포럼 기술 문서, 2016년 5월.
“GaN HEMT를 이용한 고전압-저전압 DC-DC 컨버터 레퍼런스 설계.” 2024. 텍사스 인스트루먼트 레퍼런스 설계 테스트 보고서 번호 PMP41078, 문서 번호 TIDT403A. Accessed Dec. 16, 2024.

이전에 EDN.com에 게시되었습니다.

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