[논문]저전압 대전류용 개방형 DC-DC 컨버터 모듈에 관한 연구

안태영; 황선민; 조인호

문제 정의

본 논문에서는 배전류 및 통기 정류기를 갖는 능동 클램프형 포워드 DC-DC 컨버터의 실용성을 검토하기 위해서 전 절에서 얻어진 실험 결과를 이용하여 시제품을 제작하였다. 서론에서도 언급했듯이 최근의 통신기 관련 시스템은 실장 밀도를 높이기 위해서 온보드형 DC-DC 컨버터 모듈의 높이를 제한하기 시작하였고, 그 결과 모듈은 금속 상자와 금속 기판에 전원을 매립하는 밀폐형에서 전원의 소자를 외부에 노출시키는 개방형(Open flame)으로 형태가 변화하고 있다.
개방형 DC-DC 컨버터 모듈은 통상 높이가 10mm 이하로 제한되기 때문에 기존의 평판형 변압기와 인덕터를 PCB 기판에 실장하는 방법으로는 높이 제한을 해결할 수 없다. 본 논문에서는 이러한 문제름 해결하기 위해서 다층 PCB의 패턴으로 변압기 및 인덕터의 권선을 구성하고, PCB 양면에 기타 소자를 실장시켰다. 이 때 변압기 및 인덕터의 권선의 폭이 사용하는 코어의 장면적 등으로 제한되기 때문에 전도 손실에 외한 손실이 증가되는 것을 방지하기 위해서 PCB에서 사용하고 있는 각 층의 동박을 두껍게 할 필요가 있으며, 본 논문에서는 PCB 동박을 4oz/ft²로 설계하였다.
본 논문에서는 저전압 대전류용 개방형 DC-DC 컨버터를 제작, 시험하여 그 결과를 보고하였다. 기본 회로방식은 배전류 정류 방식의 능통 클램프형 포워드 컨버터를 채택하였다.

가설 설정

우선 두 개의 스위치 Q₁과 Q₂는 일정한 주파수 f_s 시비율 D와 데드타임을 갖는 스위칭 신호에 의해서 제어된다고 가정한다. 그림 3 (a)의 등가회로에서 주스위치 Q₁이 제어 신호에 의해서 도통 되면 변압기 1차측 전압 V_p입력전압 V₁와 같아지고, 변압기 권선비 N에 의해서 2차측 전압이 유기 되면서 동기 정류기 Q₃을 턴온, Q₄를 턴오프 시킨다.

제안 방법

8V, 츨력전류는 25A, 45W급으로 설계하였고, 스위칭 주파수는 300kHz로 하였다. 또한 대전류에서 전도손실 등을 저감시키기 위해서 4oz/ft²의 8층 PCB와 동기 정류 방식을 적용하여 설계하였다. 설계된 회로의 특성을 검증하기 위해서 높이가 10mm, 23×2.
통기 정류기는 30V, 23A, 4mΩ의 정격인 SO-8 형태의 S14430DY 3개를 각각 병렬로 구성하였으며, 따라서 총 6개의 FET를 통기 정류용으로 사용하였다. 또한 변압기는 RM10 코어를, 인덕터는 두 개의 RM8 코어를 가공하여 높이를 8mm로 낮추어서 사용하였고, 변압 기권 선비 N은 입력 전압이 48V일 때 최대 효율을 얻기 위해서 식 (6)을 사용하였다. 변압기와 인덕터의 파라미터를 표 2에 정리하여 나타내었다.
변압기와 인덕터의 권선은 다층 인쇄회로 기판(PCB)의 패턴을 이용하여 구성하였고, 컨버터 모듈 내부에서 소모되는 전력을 효율적으로 방열시키기 위해서 그림 12에서와 같이 동기 정류용 FET 및 스위치, 변압기, 인덕터 등을 PCB 상에서 적절한 간격을 유지하도록 배치시켰다. 또한 전원 모듈의 신뢰성을 높이기 위해서, 입력 전압이 36-75V 범위 내에서만 동작하도록 입력 전압 감시회로를 추가하였고, 과전류, 과전압, 과온도에 대한 보호회로를 추가하였으며, 외부에서 제어할 수 있도록 원격 제어 기능을 부가하였다.
8V, 줄럭전류는 25A, 45W급으로 설계하였고, 스위칭 주파수는 300kHz로 하였다. 또한 확장성을 고려하여 전류 제어 방식을 사용하였고, 대전류에서 전도손실 등을 저감시키기 위해서 동기 정류와 배전류 정류 방식을 적용하여 설계하였다.
이때, MOSFET를 사용한 반도체 스위치는 이상적인 스위치로 생각하였고, 단 스위치 Q₁은 내부 다이오드와 기생커패시터 C_eq만 고려하였다. 변압기 T는 여자선류 I_M, 자기 인덕턴스 L_M과 누설 인덕턴스 L_Lk를 고려하였다. 또한 커패시터 C_cl과 출력 커패시터 C_f는 각각 정전압 V_el과 V_o로 등가 하였다[6, 7],
4×61mm)의 하프 브릭(Half Brick) 사이즈로 하였으며, 높이는 10mm 이하로 설계하였다. 변압기와 인덕터의 권선은 다층 인쇄회로 기판(PCB)의 패턴을 이용하여 구성하였고, 컨버터 모듈 내부에서 소모되는 전력을 효율적으로 방열시키기 위해서 그림 12에서와 같이 동기 정류용 FET 및 스위치, 변압기, 인덕터 등을 PCB 상에서 적절한 간격을 유지하도록 배치시켰다. 또한 전원 모듈의 신뢰성을 높이기 위해서, 입력 전압이 36-75V 범위 내에서만 동작하도록 입력 전압 감시회로를 추가하였고, 과전류, 과전압, 과온도에 대한 보호회로를 추가하였으며, 외부에서 제어할 수 있도록 원격 제어 기능을 부가하였다.
모듈은 별도의 발열판을 장착하지 않기 때문에 효과적으로 방열을 시키기 위한 부픔 배치가 중요하다. 본 논문에서는 25A급의 대전류용 동기정류 MOSFET를 기판의 바깥쪽으로 일정하게 배열하였고, 변압기를 중앙에 위치시켜서 소자에서 발생한 열이 한 곳에 집중하지 않도록 하였다.
앞 절에서 언급한 배전류 및 동기 정류기를 갖는 능동 클램프형 포워드 DC-DC 컨버터의 득성을 검토하기 위해서 표 1과 같은 전기적 사양을 정하였다. 입력 전압은 통신기용 전원장치에 적합하도록 36-75V, 정상 입력 전압은 48V, 출력전압은 1.
본 논문에서는 이러한 문제름 해결하기 위해서 다층 PCB의 패턴으로 변압기 및 인덕터의 권선을 구성하고, PCB 양면에 기타 소자를 실장시켰다. 이 때 변압기 및 인덕터의 권선의 폭이 사용하는 코어의 장면적 등으로 제한되기 때문에 전도 손실에 외한 손실이 증가되는 것을 방지하기 위해서 PCB에서 사용하고 있는 각 층의 동박을 두껍게 할 필요가 있으며, 본 논문에서는 PCB 동박을 4oz/ft²로 설계하였다.
기본 회로방식은 배전류 정류 방식의 능통 클램프형 포워드 컨버터를 채택하였다. 입력 전압은 통신기용 전원 장치에 적합하도록 36-75V, 출력전압은 1.8V, 츨력전류는 25A, 45W급으로 설계하였고, 스위칭 주파수는 300kHz로 하였다. 또한 대전류에서 전도손실 등을 저감시키기 위해서 4oz/ft²의 8층 PCB와 동기 정류 방식을 적용하여 설계하였다.
시험하여 그 결과를 보고하였다. 입력 전압은 퉁신기용 전원장치에 적합하도록 36-75V, 출력 전압은 1.8V, 줄럭전류는 25A, 45W급으로 설계하였고, 스위칭 주파수는 300kHz로 하였다. 또한 확장성을 고려하여 전류 제어 방식을 사용하였고, 대전류에서 전도손실 등을 저감시키기 위해서 동기 정류와 배전류 정류 방식을 적용하여 설계하였다.
2차 측의 인덕터 L₁과 L₂, 스위치 Q₃과 Q₄가 배전류 정류기(Current doubler rectifier)를 구성한다. 특히 대전류에서 발생하는 정류기의 손실을 저감시키기 위해서 2차 측의 정류 회로를 기존의 다이오드 정류 방식 대신 MOSFET Q₃과 Q₄를 사용한 동기 정류 방식으로 대체하였다. 그림 1의 기본 회로가 일정한 스위칭 주파수 f_s와 일정한 시비율 D에서 동작하며, 각 소자가 이상적인 특성을 갖는다고 가정하면, 기본 회로는 그림 2와 같은 등가 회로를 구성할 수 있다.

대상 데이터

시제품의 사진을 보여주고 있다. 그림에서 시제품의 크기는 틍신용 전원 장치 분야에서 표준으로 사용되고 있는 2.3×2.4inch (58.4×61mm)의 하프 브릭(Half Brick) 사이즈로 하였으며, 높이는 10mm 이하로 설계하였다. 변압기와 인덕터의 권선은 다층 인쇄회로 기판(PCB)의 패턴을 이용하여 구성하였고, 컨버터 모듈 내부에서 소모되는 전력을 효율적으로 방열시키기 위해서 그림 12에서와 같이 동기 정류용 FET 및 스위치, 변압기, 인덕터 등을 PCB 상에서 적절한 간격을 유지하도록 배치시켰다.
또한, 실용성을 검증하기 위헤서 높이가 10mm, 하프 브릭 사이즈인 개방형 DC-DC 컨버터 모듈의 시제품을 제작하였다. 실험 결과 출력 전압은 징상 동작 범위 내에서 최대 4% 이내로 안정되었고, 중 부하에서 84%, 최대 부하에서 82%의 전력 변환 효율을 얻을 수 있었다.
비교 실험에서 사용된 다이오드는 30V, 40A급 쇼트키 다이오드 2개를 병렬로 구성하였다. 그림으로부터 알 수 있듯이 출력 전류가 2A 이상에서는 동기정류방식의 효율이 우세하며 중부하 이상에서 약 8% 정도의 효율이 상승하였다.
또한 대전류에서 전도손실 등을 저감시키기 위해서 4oz/ft²의 8층 PCB와 동기 정류 방식을 적용하여 설계하였다. 설계된 회로의 특성을 검증하기 위해서 높이가 10mm, 23×2.4inch(58x61mm)의 하프 브릭(Half brick) 사이즈인 개방형 DC-DC 컨버터 모듈의 시제품을 제작하였다.
실험회로는 확장성과 신뢰성 등을 고려하여 전류제어방식 외 IC를 사용하였으며, 제어회로는 1, 2차간 절연을 위해서 포토 커플러를 사용하였고, 1차측의 전류를 검촐하기 위해서 CT를 사용하였다. 회로에서 주 스위치와 보조 스위치는 200V, 4A, 80mΩ의 정격인 Vishay SilsconiK사의 Si4490DY를 각각 사용하였다.
회로에서 주 스위치와 보조 스위치는 200V, 4A, 80mΩ의 정격인 Vishay SilsconiK사의 Si4490DY를 각각 사용하였다. 통기 정류기는 30V, 23A, 4mΩ의 정격인 SO-8 형태의 S14430DY 3개를 각각 병렬로 구성하였으며, 따라서 총 6개의 FET를 통기 정류용으로 사용하였다. 또한 변압기는 RM10 코어를, 인덕터는 두 개의 RM8 코어를 가공하여 높이를 8mm로 낮추어서 사용하였고, 변압 기권 선비 N은 입력 전압이 48V일 때 최대 효율을 얻기 위해서 식 (6)을 사용하였다.
실험회로는 확장성과 신뢰성 등을 고려하여 전류제어방식 외 IC를 사용하였으며, 제어회로는 1, 2차간 절연을 위해서 포토 커플러를 사용하였고, 1차측의 전류를 검촐하기 위해서 CT를 사용하였다. 회로에서 주 스위치와 보조 스위치는 200V, 4A, 80mΩ의 정격인 Vishay SilsconiK사의 Si4490DY를 각각 사용하였다. 통기 정류기는 30V, 23A, 4mΩ의 정격인 SO-8 형태의 S14430DY 3개를 각각 병렬로 구성하였으며, 따라서 총 6개의 FET를 통기 정류용으로 사용하였다.

이론/모형

시험하여 그 결과를 보고하였다. 기본 회로방식은 배전류 정류 방식의 능통 클램프형 포워드 컨버터를 채택하였다. 입력 전압은 통신기용 전원 장치에 적합하도록 36-75V, 출력전압은 1.

성능/효과

그림 8은 입력 전압의 변화에 따른 시비율 특성을 실험 값과 식 (1)의 이론 값을 비교하여 나타낸 것이다. 그림으로부터 시비율은 최대 70%, 최소 30%이며, 입력 전압이 약 48V에서 시비율이 약 50%가 된다는 것을 알 수 있었다.
그림으로부터 알 수 있듯이 출력 전류가 2A 이상에서는 동기정류방식의 효율이 우세하며 중부하 이상에서 약 8% 정도의 효율이 상승하였다. 본 논문의 경우 최대 부하에서 측정된 전력 손실은 다이오드 정류와 동기 정류가 각각 14W, 7W이었으며 따라서 다이오드 정류 방식에 비해 통기정류 방식의 전력 손실이 대략 반으로 저감된다는 것을 알 수 있었디-.
실험 결과 출력 전압은 징상 동작 범위 내에서 최대 4% 이내로 안정되었고, 중 부하에서 84%, 최대 부하에서 82%의 전력 변환 효율을 얻을 수 있었다. 따라서 본 논문에서 제작한 시제품이 통신기용 전원장치로 적용될 수 있으며, 실용성이 있다고 판단된다.
25A일 때, 스위치 전압 V_ds1과 변압기 전류 i_T, 각 스위치의 게이트 V_GS1, V_GS2의 실험 파형을 나타내었다. 실험 파형으로부터 주 스위치가 영전압 스위칭하고 있으며, 변압기는 정상적인 리셋 통작이 수행되고 있다는 깃울 확인할 수 있었다.

후속연구

실험 결과 출력 전압은 징상 동작 범위 내에서 최대 4% 이내로 안정되었고, 중 부하에서 84%, 최대 부하에서 82%의 전력 변환 효율을 얻을 수 있었다. 따라서 본 논문에서 제작한 시제품이 통신기용 전원장치로 적용될 수 있으며, 실용성이 있다고 판단된다.
8V를 중심으로 치대 4% 이내로 안정되었다. 이상의 실험 결과로부터 본 논문에서 제작한 개방형 DC-DC 컨버터 모듈의 시제픔이 통신기용 전원 장치로 적용될 수 있으며, 따라서 실용성이 있다고 판단된다.
향후, 본 논문에서 얻어진 실험 결과와 시제품을 기초로 전원 모듈의 온도 분포 특성, 과도 특성, 각 소자의 손실 분석 등을 수행할 예정이다.

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