[논문]GaN-FET 기반의 고효율 및 고전력밀도 경계전류모드 능동 클램프 플라이백 컨버터 최적설계

이창민; 구현수; 지상근; 유동균; 강정일; 한상규

doi:10.6113/tkpe.2019.24.4.259

GaN-FET 기반의 고효율 및 고전력밀도 경계전류모드 능동 클램프 플라이백 컨버터 최적설계
Optimal Design of GaN-FET based High Efficiency and High Power Density Boundary Conduction Mode Active Clamp Flyback Converter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.24 no.4, 2019년, pp.259 - 267

이창민 (Division of Electronic Engineering, Kookmin University) , 구현수 (Division of Electronic Engineering, Kookmin University) , 지상근 (Power Development Team, SoluM) , 유동균 (Power Development Team, SoluM) , 강정일 (Visual Display R&D Team, Samsung Electronics Co., Ltd.) , 한상규 (Division of Electronic Engineering, Kookmin University)

Abstract ▼ AI-Helper

An active clamp flyback (ACF) converter applies a clamp circuit and circulates the energy of leakage inductance to the input side, thereby achieving a zero-voltage switching (ZVS) operation and greatly reducing switching losses. The switching losses are further reduced by applying a gallium nitride field effect transistor (GaN-FET) with excellent switching characteristics, and ZVS operation can be accomplished under light load with boundary conduction mode (BCM) operation. Optimal design is performed on the basis of loss analysis by selecting magnetization inductance based on BCM operation and a clamp capacitor for loss reduction. Therefore, the size of the reactive element can be reduced through high-frequency operation, and a high-efficiency and high-power-density converter can be achieved. This study proposes an optimal design for a high-efficiency and high-power-density BCM ACF converter based on GaN-FETs and verifies it through experimental results of a 65 W-rated prototype.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Active clamp flyback converter.
그림 Fig. 2. Key waveforms of boundary conduction mode active clamp flyback converter.
그림 Fig. 3. Operation modes of active clamp flyback converter.
표 TABLE Ⅰ COMPARISON OF Si-FET AND GaN-FET
그림 Fig. 4. Loss comparison of Si-FET and GaN-FET.
그림 Fig. 5. Resonant equivalent circuit during M₂ conduct.
그림 Fig. 6. Active clamp flyback converter with LC filter.
그림 Fig. 7. Total loss comparison according to the number of turns and switching frequency at 5:1 turn ratio.
그림 Fig. 8. Efficiency according to turn ratio and switching frequency.
표 TABLE Ⅱ EQUATIONS FOR LOSS ANALYSIS
그림 Fig. 9. 65W-Prototype of boundary conduction mode active clamp flyback converter(53.3mm x 54.5mm x 20mm).
그림 Fig. 11. Efficiency by load of boundary conduction mode active clamp flyback converter according to input voltage.
그림 Fig. 10. Steady state key experiment waveforms of boundary conduction mode active clamp flyback converter according to input voltage.
표 TABLE Ⅲ KEY PARAMETERS APPLIED TO THE BCM ACF CONVERTER

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이러한 특징들을 바탕으로 수식을 도출하고 최적설계를 진행함으로써 BCM ACF 컨버터의 고주파수 구동을 통해 휴대용 어댑터의 고효율 및 고전력밀도를 달성할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 BCM ACF 컨버터의 동작원리 및 최적설계를 제안하고, 설계 방안의 타당성 검증을 위해 65W급 시작품을 제작하여 실험결과를 제시한다.
본 논문에서는 GaN-FET를 적용한 경계전류모드 능동 클램프 플라이백 컨버터의 최적설계를 진행하였다. BCM ACF 컨버터의 1차 측 스위치로는 비교를 통해 스위칭 특성이 우수하여 고주파수 구동에 적합한 GaN-FET를 적용하였고 이로 인해 스위칭 손실을 크게 저감하였다.

가설 설정

그림 5는 이때의 공진 등가회로를 나타내었으며 일정한 출력전압을 얻기 위해 출력 커패시터 Co는 매우 크다고 가정한다.
3) 2차 측 SR스위치는 출력 다이오드 D_o로 표현한다.
4) 각 스위치의 바디 다이오드 및 출력 다이오드 Forward Voltage는 0 V이다.

제안 방법

본 논문에서는 GaN-FET를 적용한 경계전류모드 능동 클램프 플라이백 컨버터의 최적설계를 진행하였다. BCM ACF 컨버터의 1차 측 스위치로는 비교를 통해 스위칭 특성이 우수하여 고주파수 구동에 적합한 GaN-FET를 적용하였고 이로 인해 스위칭 손실을 크게 저감하였다. 또한, BCM 동작을 기반으로 수식을 도출하고 이를 활용하여 이론적 분석 및 최적 설계를 실시함으로써 주요 파라미터를 선정하였다.
BCM ACF 컨버터의 최적 설계를 위하여 3개의 파라미터(최적 턴 비 및 턴 수, 최적 스위칭 주파수)의 변화에 따른 손실 분석을 진행하였다. 그림 7은 하나의 일례로 턴 비가 5:1일 때, 입력전압 90 V_rms에서 턴 수 및 스위칭 주파수(220 kHz∼480 kHz)의 변화에 따른 손실을 나타내었다.
BCM ACF 컨버터의 최적설계를 위한 1차 측 스위치 선정은 각 스위치의 스위칭 특성을 비교 분석하여 선정하였다. 표 1은 하나의 일례로 동일한 내압을 갖는 Si-FET와 GaN-FET의 주요 반도체 특성을 비교하였다.
BCM ACF 컨버터의 1차 측 스위치로는 비교를 통해 스위칭 특성이 우수하여 고주파수 구동에 적합한 GaN-FET를 적용하였고 이로 인해 스위칭 손실을 크게 저감하였다. 또한, BCM 동작을 기반으로 수식을 도출하고 이를 활용하여 이론적 분석 및 최적 설계를 실시함으로써 주요 파라미터를 선정하였다. 선정한 파라미터를 토대로 65 W급 시작품을 제작하여 1차 측 스위치의 ZVS 턴 온 동작 및 2차 측 SR스위치의 ZCS 턴 오프 동작을 안정적으로 구현하였으며, 고주파수 구동을 통해 리액티브 소자의 소형화를 달성하였다.
표 2는 BCM ACF 컨버터의 주요 손실요소인 스위치 손실과 자성체 손실을 나타내었다. 스위치 손실은 1차 측 메인 스위치 및 클램프 스위치의 도통 손실, 턴 오프 손실, 게이트 드라이버 손실과 2차 측 동기식 정류기의 도통 손실, 게이트 드라이버 손실을 구하였다^[8]. 1차 측 메인 스위치와 클램프 스위치는 ZVS 턴 온 동작 및 누설 인덕턴스 에너지를 입력 측으로 회귀시켜주기 때문에 턴 온 손실 및 C_ds손실을 제거하였다.
따라서 코어의 창면적 및 권선의 전류밀도를 고려하였을 때 턴 수 20:4에서 최소 손실을 갖는 것을 확인하였다. 앞선 분석과 동일하게 각각의 턴 비에서 턴 수를 변화시켜, 같은 방법으로 손실 분석을 실시하였으며 각 턴 비에서의 최적 턴 수를 선정하였다. 그림 8은 앞선 분석에서 각 턴 비의 최적 턴 수를 선정한 것을 토대로 턴 비(n=3∼8)와 스위칭 주파수(200 kHz∼480 kHz)를 변화시켜 입력전압 90 V_rms에서의 BCM ACF 컨버터의 효율을 나타내었다.
이를 위해 2차 측에 LC필터를 추가하는 2차 공진 방안을 적용하였다^[5],^[6],^[7]. 그림 6은 LC필터를 추가한 BCM ACF 컨버터를 나타낸다.
BCM ACF 컨버터의 최적설계를 위한 1차 측 스위치 선정은 각 스위치의 스위칭 특성을 비교 분석하여 선정하였다. 표 1은 하나의 일례로 동일한 내압을 갖는 Si-FET와 GaN-FET의 주요 반도체 특성을 비교하였다. 표 1과 같이 GaN-FET는 Si-FET에 비해 작은 R_ds(on)을 가지며, 짧은 턴 오프 시간 등 스위칭 특성이 우수하다.

대상 데이터

BCM ACF 컨버터에 대한 이론적 분석의 타당성 검증을 위해 그림 9와 같이 65W 시작품을 제작하여 실험을 진행하였다.
시작품의 크기는 53.3mm*54.5mm*20mm이며, 실험에 사용된 주요 파라미터는 표 3과 같다.
자성체 손실은 주요 손실인 철손과 동손을 고려하였다. 이때, 트랜스포머 코어는 크기 및 손실을 고려하여 A社의 JPP-96재질을 갖는 ATQ21 코어로 선정하였다. 철손의 경우, A社의 코어 데이터시트에서 제공하는 자속밀도 변화(△B_m)에 따른 단위부피당 코어손실(P_cv) 그래프를 이용하여 도출하였다.
그림 8은 앞선 분석에서 각 턴 비의 최적 턴 수를 선정한 것을 토대로 턴 비(n=3∼8)와 스위칭 주파수(200 kHz∼480 kHz)를 변화시켜 입력전압 90 V_rms에서의 BCM ACF 컨버터의 효율을 나타내었다. 이론적 분석 결과를 토대로 최적의 효율을 갖는 지점은 턴 비 5:1(20:4), 스위칭 주파수 320 kHz로 선정하였다. 따라서 스위치 손실은 1.

성능/효과

1) 출력전압 V_o가 일정할 만큼 출력 커패시터 C_o는 충분히 크다.
2) 그림에 도시한 기생성분을 제외한 모든 기생성분은 제외한다.
그림 11은 입력전압에 따른 BCM ACF 컨버터의 부하별 효율을 나타내었다. BCM ACF 컨버터는 입력전압 90 V_rms에서 93.5%의 효율을 갖는 것을 알 수 있었으며, 이론적 분석 효율과의 오차는 1% 이내인 것을 확인하였다. 또한, 입력전압 115 V_rms에서 최고 효율 94.
이론적 분석 결과를 토대로 최적의 효율을 갖는 지점은 턴 비 5:1(20:4), 스위칭 주파수 320 kHz로 선정하였다. 따라서 스위치 손실은 1.36W, 자성체 손실은 2.05W로써 전체손실 3.41W의 최소 손실을 가지는 것을 확인하였으며, 이론적 분석을 통해 입력전압 90 V_rms에서 93.43%의 최고 효율을 갖는 것을 도출하였다.
34 W/in³의 고전력밀도를 달성하였다. 따라서 이론적 분석과 실험결과로부터 각 소자 설계가 타당함을 검증하였다.
그림 7을 통해 턴 수가 많아질수록 전체 손실은 크게 감소하며, 높은 턴 수에서는 스위칭 주파수에 따라 최소 손실 지점이 도출되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 코어의 창면적 및 권선의 전류밀도를 고려하였을 때 턴 수 20:4에서 최소 손실을 갖는 것을 확인하였다. 앞선 분석과 동일하게 각각의 턴 비에서 턴 수를 변화시켜, 같은 방법으로 손실 분석을 실시하였으며 각 턴 비에서의 최적 턴 수를 선정하였다.
그림에 보이는 바와 같이 메인 스위치 M₁에서의 ZVS 턴 온 동작과 2차 측 SR스위치에서의 ZCS 턴 오프 동작을 확인하였다. 또한, M₁이 턴 오프 되어 있는 동안 누설 인덕턴스 L_k와 클램프 커패시터 C_cl, 공진 커패시터 C_r의 공진에 의해 1차 측 전류 파형은 공진하는 형태를 갖는 것을 알 수 있으며, M₁이 턴 온 되기 전에 공진이 끝나는 것을 확인하였다. 그림 11은 입력전압에 따른 BCM ACF 컨버터의 부하별 효율을 나타내었다.
5%의 효율을 갖는 것을 알 수 있었으며, 이론적 분석 효율과의 오차는 1% 이내인 것을 확인하였다. 또한, 입력전압 115 V_rms에서 최고 효율 94.3%의 고효율과 체적밀도 18.34 W/in³의 고전력밀도를 달성하였다. 따라서 이론적 분석과 실험결과로부터 각 소자 설계가 타당함을 검증하였다.
또한, BCM 동작을 기반으로 수식을 도출하고 이를 활용하여 이론적 분석 및 최적 설계를 실시함으로써 주요 파라미터를 선정하였다. 선정한 파라미터를 토대로 65 W급 시작품을 제작하여 1차 측 스위치의 ZVS 턴 온 동작 및 2차 측 SR스위치의 ZCS 턴 오프 동작을 안정적으로 구현하였으며, 고주파수 구동을 통해 리액티브 소자의 소형화를 달성하였다. 이를 통해 입력전압 115 V_rms에서 최대 효율인 94.
이를 통해 입력전압 115 Vrms에서 최대 효율인 94.3%의 고효율과 체적밀도는 18.34W/in3의 고전력밀도를 달성함으로써 이론적 분석 및 최적설계의 타당성을 검증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	QR 플라이백 컨버터의 장단점은?	기존 휴대용 어댑터는 소자 수가 적고 회로 구조가 간단한 플라이백 컨버터가 주로 사용되었다. 이 중에서 QR 플라이백 컨버터는 스위치 양단 전압이 최저전압에서 스위칭 됨으로써 손실을 저감하였으나[1], 하드 스위칭 동작을 하여 스위칭마다 발생하는 손실로 인해 고주파수 구동이 제한된다. 또한, 변압기의 누설 인덕턴스 에너지에 의한 공진 스파이크성 전압으로 인해 별도의 스위치 보호회로가 필요하기 때문에 어댑터의 고전력밀도화 달성에 한계를 갖는다.
	경계전류모드 ACF 컨버터의 장점은?	그러나 누설 인덕턴스 에너지는 출력 부하에 의해 결정되므로 경부하에서는 1차 측에 흐르는 전류가 낮아지게 되어, ZVS 턴 온 동작이 이루어지지 않고 하드 스위칭 동작을 하기 때문에 높은 스위칭 손실이 발생한다. 반면, 경계전류모드(BCM) ACF 컨버터는 스위치가 턴 온 될 때, 자화 인덕터를 이용하여 ZVS 턴 온 동작을 하기 때문에 경부하에서도 ZVS 턴 온 동작을 통한 스위칭 손실 저감이 가능하다. 또한, 스위칭 특성이 우수한 GaN-FET를 적용함으로써 스위치에서 발생 가능한 손실을 최소화하고, 소자에서의 발열을 최대한 저감할 수 있다. 이러한 특징들을 바탕으로 수식을 도출하고 최적설계를 진행함으로써 BCM ACF 컨버터의 고주파수 구동을 통해 휴대용 어댑터의 고효율 및 고전력밀도를 달성할 수 있다.
	연속전류모드 ACF 컨버터의 문제점은?	그러나 누설 인덕턴스 에너지는 출력 부하에 의해 결정되므로 경부하에서는 1차 측에 흐르는 전류가 낮아지게 되어, ZVS 턴 온 동작이 이루어지지 않고 하드 스위칭 동작을 하기 때문에 높은 스위칭 손실이 발생한다. 반면, 경계전류모드(BCM) ACF 컨버터는 스위치가 턴 온 될 때, 자화 인덕터를 이용하여 ZVS 턴 온 동작을 하기 때문에 경부하에서도 ZVS 턴 온 동작을 통한 스위칭 손실 저감이 가능하다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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