Flyback Converter 및 Transformer 설계 전자공학과 정용채 교수

1. The Outline of Power Supply Circuit (4) Kind of SMPS 2) Isolation Type 회로방식 회 로 도 스위치 전압 특 징 비 고 - 150[W]이하의 낮은 출력에 적용 - RCC방식이 여기에 해당 Lp Ls Vo Vin - 회로 간단 / 가장 경제적 Flyback Converter Np:Ns 2.5Vin~3Vin - 출력 캐패시터의 리플전류가 큼 - 변환효율이 다소 낮음 - 300[W]이하의 중용량 Vo Vin - 100kHz 이상의 고주파화에 적합 Fordward Converter Np:Ns 2.5Vin~3Vin - 출력 캐패시터의 리플전류가 작음 - 1[kW]이하의 대용량 Vo - 입력전압이 작은 경우에 적용 Push-Pull Converter Vin 2Vin~3Vin - 구동회로가 간단 - 편자현상이 발생할 가능성이 있음 - 500[W]~수[kW]의 대용량 - 입력전압이 큰 경우에 적용 Half Bridge Converter Vo Vin - 스위치 Stress가 작다 - 구동회로가 복잡 - 수[kW]이상의 대용량 - 입력전압이 큰 경우에 적용 Full Bridge Converter Vin Vin Vo - 스위치 Stress가 작다 - 구동회로가 매우 복잡

(c) Basic Practical Transformer (d) Extended Practical Transformer 1. The Outline of Power Supply Circuit (5) Understanding of Transformer I1 I2 + + + + V1 V2 LM V1 V2 - - - - N1 N2 Ideal Transformer (a) Ideal Transformer (c) Basic Practical Transformer Ll1 Ll2 I1 + + LM V1 V2 + - V1 V2 - - - + I2 Ideal Transformer N1 N2 (d) Extended Practical Transformer (b) Ideal Transformer

Flyback Converter의 Volt-Second 평형조건 (CCM) (1) Operational Principle Flyback Converter의 Volt-Second 평형조건 (CCM) nVi+Vo D + Lm nVi Vi C VO RO - iL(t) Vi DT T S Vi vL(t) (a) S on Vo/n Volt-Second 평형조건으로부터 D + Lm Vo/n Vo C VO RO - Vi Vi+Vo/n S (b) S off

Flyback Converter의 Volt-Second 평형조건 (DCM) (1) Operational Principle Flyback Converter의 Volt-Second 평형조건 (DCM) iL(t) vL(t) Vi Vo/n DT T DaT Volt-Second 평형조건으로부터

▶ 출력 캐패시터 리플 전압 Δvo ▶ 리플 전압을 줄이려면 … ＊ 커패시턴스 증가 ＊ 주파수 (f=1/T) 증가 2. Flyback Converter (1) Operational Principle ▶ 출력 캐패시터 리플 전압 Δvo iD D IO iC CO VO RO iD Imax Imin IO DT T t iC Imax-IO Acharge t Adischarge -IO ▶ 리플 전압을 줄이려면 … ＊ 커패시턴스 증가 ＊ 주파수 (f=1/T) 증가 ＊ LC Filter 추가 vO-VO ΔVO

Several Operational Modes of Flyback Converter (1) Operational Principle Several Operational Modes of Flyback Converter id id isw iLm iLm tON tOFF (a) tOFF기간 내에 전부 방출 Discontinuous Conduction Mode (DCM : 불연속 모드) isw id id isw isw iLm iLm tON tOFF tON tOFF (b) tOFF기간에 맞게 전부 방출 (c) tOFF기간 내에 전부 방출 안됨 Boundary Conduction Mode (BCM : 임계 모드) Continuous Conduction Mode (CCM : 연속 모드) *. 참고 : BCM은 Critical Mode 또는 Transition Mode라고도 부름.

(1) Transformer의 설계 Core Selection 2. Flyback Converter (2) Design Procedure (1) Transformer의 설계 Core Selection Table Core Selection Core Selection Table for RCC

◈ Core의 선정(계속) ▶ Top 스위치의 경우 (TopSwitch-FX) 2. Flyback Converter (2) Design Procedure ◈ Core의 선정(계속) ▶ Top 스위치의 경우 (TopSwitch-FX)

2. Flyback Converter (2) Design Procedure * Skin Effect 고려 ◈ Wire 선정 : 전류밀도 J=2~4[A/mm2] 뒤에 나오는 Design Software인 PI-Expert에 나오는 CMA의 정의 CMA : Circular Mill per Ampere 500 이상이 적정함. 500 이하인 경우는 온도대책을 고려해야 함. 전류밀도 : [예] CMA=380이면 J=4.0[A/mm2] CMA=500이면 J=3.1[A/mm2] CMA=775이면 J=2.0[A/mm2] 위의 기준으로 선정된 값을 기준으로 트랜스포머의 일, 이차측 권선의 굵기를 AWG로 정한다. 참고 : 1[mil]=10-3[in], CIR-MIL은 지름이 1mil인 원의 면적

2. Flyback Converter ◈ Skin Effect Current Density (2) Design Procedure ◈ Skin Effect HF Current Density LF DC δ

(VIN : [V], ΔB : [G], Ac : [cm2], f : [Hz]) 2. Flyback Converter (2) Design Procedure ◈ 1차 권선 설계 (VIN : [V], ΔB : [G], Ac : [cm2], f : [Hz]) ▶ 마진을 고려하여 ΔB는 2500[G]로 선정

AP ∝ 1/f ◈ 주파수와 트랜스포머 크기와의 관계 2. Flyback Converter 총자속 : 자속 : (2) Design Procedure 총자속 : 자속 : Faraday의 법칙에 의해서 ◈ 주파수와 트랜스포머 크기와의 관계 창면적 ▶ Area Product (AP) = 창면적 × 단면적 [cm4] ▶ Np ∝ 창면적 ▶ AP ∝ NpAc 단면적 AP ∝ 1/f

Core Characteristics : Hysteresis Curve 2. Flyback Converter (2) Design Procedure Core Characteristics : Hysteresis Curve w/o gap w/ gap

2. Flyback Converter (2) Design Procedure ▶ 시스템 요구사항 is + vs Cf vrec - Bridge Diode Δvripple Vmax vrec Vmin

Feedback Voltage Selection 2. Flyback Converter (2) Design Procedure Feedback Voltage Selection S ON OFF ON OFF iin IO D iLM iD iD - Ll + + + iD iLM iLM LM RS CS vC v1 v2 C VO RO + + iM - - - ΔvC Vin Tideal RCD Snubber DS vC is Transformer Modeling Circuit - S vLl vS Vin Iripple Ipeak 연속모드 전류 임계모드 전류 tON tOFF 불연속모드 전류 tON tOFF

2. Flyback Converter Switching Time By volt-second 평형조건 ON time : (2) Design Procedure Switching Time By volt-second 평형조건 iM VIN LM VFB ON time : OFF time :

2. Flyback Converter 각 모드별 일차측 전류 (2) Design Procedure Power Supply (η : Efficiency) 각 모드별 일차측 전류 ΔI Ipk,CM 연속모드 입력전류 Ton Toff Ipk,DM 불연속모드 입력전류 Ton Toff

2. Flyback Converter 각 모드별 이차측 전류 (2) Design Procedure 이차측 전류의 평균값 = 출력전류 연속모드 이차측 다이오드 전류 I2pk,CM Ton Toff Ton (Volt-Second 평형조건) I2pk,DM 불연속모드 이차측 다이오드 전류 Ton Toff Ton Toff,ZC

2. Flyback Converter 연속모드 불연속모드 일차측 전류 피크치 이차측 전류 피크치 일차측 인덕턴스 (2) Design Procedure 연속모드 불연속모드 일차측 전류 피크치 이차측 전류 피크치 일차측 인덕턴스 이차측 인덕턴스 일차측 턴 수 이차측 턴 수

이차측 턴 수를 정수로 맞추기 위해서 일차측 권선을 조정함. 2. Flyback Converter (2) Design Procedure 이차측 턴 수를 정수로 맞추기 위해서 일차측 권선을 조정함. 187[T] : 18[T] (연속모드) 73[T] : 7[T] (불연속모드) Air Gap 설계된 트랜스포머

◈ 갭(gap)의 설계 ■ 갭지(gap sheet) : 절연물 - 마일러 종이 - 베이크 판 2. Flyback Converter (2) Design Procedure ◈ 갭(gap)의 설계 ■ 갭지(gap sheet) : 절연물 - 마일러 종이 - 베이크 판

◈ 결합도의 개선 방법 : 누설 인덕턴스를 줄이는 방법 2. Flyback Converter (2) Design Procedure ◈ 결합도의 개선 방법 : 누설 인덕턴스를 줄이는 방법 스페이스 감기 다중분할 감기 샌드위치 감기

Snubber 필요 (2-2) Snubber의 설계 LM Ll1 Ll2 ◈ 누설 인덕턴스의 영향 개선 2. Flyback Converter (2) Design Procedure (2-2) Snubber의 설계 LM Ll1 Ll2 ◈ 누설 인덕턴스의 영향 개선 ▶ Ll1에 축적된 에너지 ▶ 트랜지스터 양단의 전압 상승 효과 발생 ⇒ 트랜지스터 파괴 Snubber 필요

◈ 스너버의 구성 및 설계 ▶ ΔvC가 VC의 10[%]가 되도록 C을 선정 (C=100pF ~ 100nF) 2. Flyback Converter (2) Design Procedure ◈ 스너버의 구성 및 설계 VIN vC ΔvC ▶ ΔvC가 VC의 10[%]가 되도록 C을 선정 (C=100pF ~ 100nF)

(2-3) 평활콘덴서의 설계 ◈ RCC 출력 캐패시터 리플전류의 계산 ▶ D=0.5인 경우, 즉 Ip=4Io 2. Flyback Converter (2) Design Procedure (2-3) 평활콘덴서의 설계 ◈ RCC 출력 캐패시터 리플전류의 계산 ▶ D=0.5인 경우, 즉 Ip=4Io D Ir 0.2 0.82IO 0.3 0.95IO 0.4 1.11IO 0.5 1.29IO 0.6 1.53IO 0.7 1.86IO 0.8 2.38IO (@BCM) (@CCM)

2. Flyback Converter (2) Design Procedure ◈ 전해 캐패시터의 분류

※ Ir=Ir0×KTemp ×KFreq ◈ 전해 캐패시터의 허용리플전류의 계산 2. Flyback Converter (2) Design Procedure ◈ 전해 캐패시터의 허용리플전류의 계산 ※ Ir=Ir0×KTemp ×KFreq

2. Flyback Converter (2) Design Procedure ◈ 전해 캐패시터의 ESR과 수명

2. Flyback Converter (2) Design Procedure ◈ 전해 캐패시터의 예

2. Flyback Converter (2) Design Procedure ◈ 전해 캐패시터의 예

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