혁신적인 자동차 디자인에서 전기 및 전자 전원에 대한 수요는 전력 증가, 효율성 향상, 공간 요구 사항 감소, 신뢰성 향상으로 요약될 수 있습니다. 전기차(EV)의 경우 사용자의 '주행 거리 불안'을 완화하려면 효율성이 중요합니다. 전기 자동차의 다양한 요구 사항을 고려하여 백업 및 보조 전원을 위한 소형 및 경량 전원 솔루션을 제공해야 합니다. 더 작은 전원 공급 장치는 더 가까운 간격으로 구성 요소 간의 전기적 파손을 방지하고 전자기 간섭(EMI)을 줄이기 위해 더 큰 절연 기능의 필요성을 포함하여 더 많은 과제를 안겨줍니다.
플라이백 전력 변환기는 보조 전력 생성, 배터리 관리, 게이트 구동 전력을 비롯한 다양한 저전력 전기 자동차 애플리케이션에 일반적으로 사용됩니다. 디자인이 더 간단하고 구성 요소 수가 적어 크기가 줄어들고 신뢰성이 향상되며 비용이 절감됩니다. 플라이백 전원 공급 장치의 핵심은 일반적으로 고전압 절연을 지원하는 데 필요한 가장 큰 구성 요소 중 하나인 플라이백 변압기입니다.
이 기사에서는 플라이백 컨버터의 작동 원리, 기생 인덕턴스 및 커패시턴스의 영향, 부품 크기 및 신호 절연의 중요성을 소개합니다. 그런 다음 Bourns의 플라이백 변압기를 소개하고 이것이 여러 자동차 전원 공급 장치 문제를 해결하는 데 어떻게 도움이 되었는지 설명했습니다.
플라이백 컨버터
플라이백 컨버터의 핵심은 컨버터 회로의 1차측과 2차측 사이에 전력 전송 및 절연을 제공하는 플라이백 변압기입니다(그림 1, 상단). 컨버터는 플라이백 변압기의 구성에 따라 DC 전원 공급 장치의 전압을 승압하거나 강압할 수 있습니다. 플라이백 변압기 외에도 회로에는 1차측 스위치(SW)(일반적으로 MOSFET)와 2차 정류기/필터도 필요합니다.
플라이백 컨버터의 기본 구성 요소에 대한 단순화된 개략도
그림 1: 플라이백 컨버터의 기본 구성 요소(상단 그림)와 중요한 작동 파형(하단 그림)의 단순화된 회로도가 표시됩니다. (이미지 출처: Bourns Inc.)
Vgs를 높은 수준의 상태(그림 1, 하단)에 배치하면 SW가 켜질 때 듀티 사이클이 시작됩니다. 스위치가 닫힐 때 인덕터에 적용되는 전압은 계단 함수입니다. 인덕터는 전류의 순간적인 변화에 대응하고 적용된 스텝 전압을 통합할 수 있습니다. 이는 플라이백 변압기의 1차 권선 전류가 1차 인덕턴스의 영향으로 선형적으로 증가하는 램프 기능을 생성합니다. 정류 다이오드(D)의 역바이어스로 인해 변압기의 2차측에는 전류가 흐르지 않습니다. 플라이백 변압기 코어의 공극은 변압기 자기장이 증가할 때 포화를 방지할 수 있습니다.
스위치가 꺼지면(Vgs를 낮은 상태로 복원하여) 트랜스포머의 자기장에 저장된 에너지가 순방향 바이어스 다이오드를 통해 2차측으로 전달되어 출력 커패시터(C2)를 충전합니다. 2차 전류는 자기장 에너지가 소진되거나 스위치가 다시 열리면서 다음 사이클이 시작될 때까지 선형적으로 감소합니다.
선형 전원 공급 장치의 변압기와 같은 일반적인 변압기는 1차 권선에서 2차 권선으로 에너지를 지속적으로 전달합니다. 플라이백 변압기의 작동 원리는 작동 주기 동안 에너지를 지속적으로 전송하지 않는다는 점에서 한 쌍의 결합 인덕터와 더 유사합니다. 그러나 변압기와 마찬가지로 1차 권선과 2차 권선 사이의 권선비를 변경하여 출력 전압을 조정할 수도 있습니다. 플라이백 변압기는 1차 권선과 2차 권선 사이에 전기적 절연도 제공합니다. 또한 여러 개의 2차 권선도 지원하므로 컨버터가 여러 전압을 출력할 수 있습니다.
플라이백 컨버터의 기생 효과
일반적인 전자 회로로서 플라이백 컨버터는 기생 인덕턴스와 정전 용량의 영향을 받습니다(그림 2).
플라이백 컨버터의 개략도
그림 2: 플라이백 컨버터의 회로도는 컨버터 구성 요소와 관련된 기생 정전 용량 및 인덕턴스가 빨간색으로 강조 표시된 상태로 표시됩니다. (이미지 출처: Bourns Inc.)
자화 인덕턴스(Lm)는 플라이백 변압기의 에너지 저장을 결정하는 주요 유도 특성입니다. 스위치와 직렬로 연결된 기생 누설 인덕턴스(Llk)도 변압기와 관련되어 있습니다. 스위치의 연결이 끊어지면 1차 전류를 유지하고 스위치 전체의 전압을 높이려고 시도합니다. 대부분의 플라이백 컨버터는 이러한 과도 전압의 영향으로부터 스위치를 보호하기 위해 클램프 회로 또는 버퍼 회로를 사용합니다. 이 효과는 또한 자기장 복사를 증가시키고 전자기 간섭에 영향을 미칩니다. 회로 기판 라우팅 인덕턴스(Ltr)는 이러한 효과를 증가시킵니다.
변압기 설계자는 누설 인덕턴스를 최소화하기 위해 모든 노력을 기울일 것입니다. 주요 방법은 1차 권선과 2차 권선 사이의 결합을 증가시키는 것입니다. 이를 위해서는 권선 사이의 간격을 최소화하고 엇갈리게 배열하는 것이 필요합니다.
분산 정전 용량에는 1차 정전 용량(Cp), 권선 간 정전 용량(Cps), 2차 정전 용량(Cs), 전계 효과 트랜지스터 출력 정전 용량(Co) 및 2차 다이오드 정전 용량(Cd)이 포함됩니다. 이러한 커패시터는 인덕터와 상호 작용하여 컨버터 신호 파형의 무결성을 감소시킵니다(그림 3).
스위치 파형에 대한 커패시터 및 인덕터와 같은 기생 구성 요소의 영향에 대한 개략도(확대하려면 클릭)
그림 3: 커패시터 및 인덕터와 같은 기생 부품이 스위칭 파형에 미치는 영향이 표시됩니다. (이미지 출처: Bourns Inc.)
스위치 파형은 오버슈트나 언더슈트가 없는 직사각형 펄스인 것이 바람직하다. 이 직사각형 펄스의 빠른 변환 시간은 전류가 증가하기 전에 전압 파형이 0이 되도록 보장합니다. 실제로 기생 용량 및 인덕턴스의 영향으로 변환 시간이 느려지고 오버슈트, 언더슈트 및 순간 발진이 발생할 수 있습니다. 또한 0이 아닌 1차 전압과 전류 파형의 중첩으로 인해 상승 및 하강 시간이 느려지면 컨버터의 스위칭 손실이 증가합니다. 이러한 중첩은 FET 스위치의 스위칭 손실을 초래하여 컨버터의 효율성을 감소시킵니다. 펄스 상단의 상당한 감소는 부하 저항과 자화 인덕턴스로 인해 발생합니다.
플라이백 트랜스포머를 설계할 때에는 자기 공진 주파수를 컨버터의 스위칭 주파수에서 멀리 두고, 스위치와 플라이백 트랜스포머 사이의 배선을 최대한 짧게 하여 기생 커패시턴스를 최소화하는 노력이 필요합니다. 또한 권선 간 커패시턴스는 1차 신호의 고주파수 성분을 출력에 결합하기 위한 경로도 제공합니다. 권선 사이의 커패시턴스가 클수록 컨버터의 전도성 EMI 방사도 커집니다. 최적의 성능을 얻으려면 설계 시 균형을 맞춰야 합니다. 권선 결합이 긴밀할수록 누설 인덕턴스는 감소하지만 권선 간 정전 용량도 증가하기 때문입니다. 여기에 변압기 설계자의 경험이 중요합니다.
크기를 줄이고 신호를 분리하세요
자동차 애플리케이션에 사용되는 부품은 가능한 한 작아야 합니다. 구성요소의 물리적 치수는 재료 특성과 구성요소 기능의 물리적 특성에 따라 결정됩니다. 플라이백 변압기의 경우 도체 간격은 표준 인증에 필요한 피크 작동 전압 및 전압 테스트를 견딜 수 있을 만큼 충분해야 합니다. 전압 항복과 관련된 주요 사양은 간격과 연면 거리입니다(그림 4).