PSFB 컨버터 설계 절차

1. 설계 사양 정의

PSFB(Phase-Shifted Full-Bridge) 컨버터 설계의 첫 단계는 시스템 사양을 명확히 정의하는 것입니다. 아래는 예시 사양입니다:

항목 값

입력 전압 범위	최소: 320 V, 공칭: 360 V, 최대: 400 V (DC)
출력 전압 ($V_{out}$)	48 V
출력 전력 ($P_{out}$)	1000 W
최대 출력 전류 ($I_{out}$)	20.83 A
효율 목표 ($\eta$)	≥ 96%
스위칭 주파수 ($f_s$)	100 kHz
기타 요구사항	ZVS(Zero Voltage Switching) 보장, 소형화, EMI/EMC 규격 준수 (EN55032), 열적 안정성

2. PSFB 컨버터의 구조와 동작 원리

2.1 구조

PSFB 컨버터는 다음과 같은 구성 요소로 이루어집니다:

 

출처: 로옴 코리아

 

• 스위칭 회로: 풀 브리지 MOSFET (Q1, Q2, Q3, Q4).
• 변압기: 1차 권선 ($N_p$), 2차 권선 ($N_s$), 턴 비율 ($n = \frac{N_p}{N_s}$).
• 공진 인덕터: 외부 인덕터 ($L_r$) 또는 변압기 누설 인덕턴스 활용.
• 정류 회로: 풀 브리지 다이오드 또는 동기 정류.
• 출력 필터: 출력 인덕터 ($L_{out}$), 출력 커패시터 ($C_{out}$).

2.2 동작 원리

PSFB 컨버터는 위상 천이 제어를 통해 ZVS를 구현하며, 다음과 같은 동작 모드를 가집니다:

• 위상 천이 제어: 대각선 스위치 쌍(Q1-Q4, Q2-Q3)의 듀티 사이클을 조절하여 출력 전압을 제어.
• ZVS 조건: 공진 인덕터와 MOSFET의 기생 커패시턴스를 활용해 스위칭 손실 최소화.
• 동작 주파수: 고정된 스위칭 주파수 ($f_s$)에서 동작.

• 참고 자료: https://techweb.rohm.co.kr/product/power-device/si/12444/

2.3 전압 이득

PSFB 컨버터의 전압 이득은 다음과 같습니다:

$$
V_{out} = \frac{V_{in} \cdot D_{eff} \cdot N_s}{N_p}
$$

여기서 $D_{eff}$는 유효 듀티 사이클로, 위상 천이 각도에 따라 결정됩니다.

3. 설계 절차

3.1 변압기 턴 비율 ($n$) 계산

최대 듀티 사이클에서 ($D_{eff} \approx 0.9$) 출력 전압을 계산:

$$
n = \frac{N_p}{N_s} = \frac{V_{in,nom} \cdot D_{eff}}{V_{out} + V_f}
$$

예시: $V_{in,nom} = 360 , \text{V}$, $V_{out} = 48 , \text{V}$, $V_f = 0.7 , \text{V}$, $D_{eff} = 0.9$.

$$
n = \frac{360 \cdot 0.9}{48 + 0.7} \approx 6.65
$$

정수로 반올림하여 $n = 7$ 선택.

3.2 최대 이득 계산

최소 입력 전압에서의 이득:

$$
M_{max} = \frac{V_{out} \cdot n}{V_{in,min} \cdot D_{eff}}
$$

예시: $V_{in,min} = 320 , \text{V}$, $V_{out} = 48 , \text{V}$, $n = 7$, $D_{eff} = 0.9$.

$$
M_{max} = \frac{48 \cdot 7}{320 \cdot 0.9} \approx 1.17
$$

3.3 등가 부하 저항 ($R_{ac}$) 계산

출력 부하를 1차 측으로 환산:

$$
R_{load} = \frac{V_{out}^2}{P_{out}}
$$

$$
R_{ac} = \frac{8 \cdot n^2}{\pi^2} \cdot R_{load}
$$

예시: $V_{out} = 48 , \text{V}$, $P_{out} = 1000 , \text{W}$, $n = 7$.

$$
R_{load} = \frac{48^2}{1000} = 2.304 , \Omega
$$

$$
R_{ac} = \frac{8 \cdot 7^2 \cdot 2.304}{\pi^2} \approx 90.7 , \Omega
$$

3.4 공진 인덕터 ($L_r$) 설계

ZVS를 보장하기 위해 공진 인덕터는 다음과 같이 계산:

$$
L_r = \frac{V_{in,min} \cdot (1 - D_{eff})}{4 \cdot I_{pk} \cdot f_s}
$$

여기서 $I_{pk}$는 1차 측 피크 전류로, $I_{pk} \approx \frac{P_{out}}{V_{in,min} \cdot \eta} \cdot \frac{n}{D_{eff}}$.

예시: $V_{in,min} = 320 , \text{V}$, $D_{eff} = 0.9$, $f_s = 100 , \text{kHz}$, $P_{out} = 1000 , \text{W}$, $\eta = 0.96$, $n = 7$.

$$
I_{pk} \approx \frac{1000}{320 \cdot 0.96} \cdot \frac{7}{0.9} \approx 25.3 , \text{A}
$$

$$
L_r = \frac{320 \cdot (1 - 0.9)}{4 \cdot 25.3 \cdot 100 \cdot 10^3} \approx 31.7 , \mu \text{H}
$$

3.5 변압기 설계

EER40 코어 ($A_e = 1.5 , \text{cm}^2$, $B_{max} = 0.2 , \text{T}$) 선택.

1차 권선 턴 수:

$$
N_p = \frac{V_{in,min} \cdot 10^8}{4 \cdot f_s \cdot B_{max} \cdot A_e}
$$

예시: $V_{in,min} = 320 , \text{V}$, $f_s = 100 , \text{kHz}$, $B_{max} = 0.2 , \text{T}$, $A_e = 1.5 , \text{cm}^2$.

$$
N_p = \frac{320 \cdot 10^8}{4 \cdot 100 \cdot 10^3 \cdot 0.2 \cdot 1.5} \approx 27
$$

$$
N_s = \frac{N_p}{n} = \frac{27}{7} \approx 4
$$

3.6 출력 필터 설계

출력 인덕터 ($L_{out}$)와 커패시터 ($C_{out}$) 설계.

3.6.1 출력 인덕터 ($L_{out}$)

리플 전류 ($\Delta I_{L} \approx 20% \cdot I_{out}$):

$$
L_{out} = \frac{V_{out} \cdot (1 - D_{eff})}{f_s \cdot \Delta I_{L}}
$$

예시: $V_{out} = 48 , \text{V}$, $D_{eff} = 0.9$, $f_s = 100 , \text{kHz}$, $\Delta I_{L} = 0.2 \cdot 20.83 = 4.17 , \text{A}$.

$$
L_{out} = \frac{48 \cdot (1 - 0.9)}{100 \cdot 10^3 \cdot 4.17} \approx 11.5 , \mu \text{H}
$$

3.6.2 출력 커패시터 ($C_{out}$)

출력 리플 전압 ($\Delta V_{out} \leq 0.1 , \text{V}$):

$$
C_{out} = \frac{\Delta I_{L}}{8 \cdot f_s \cdot \Delta V_{out}}
$$

예시: $\Delta I_{L} = 4.17 , \text{A}$, $f_s = 100 , \text{kHz}$, $\Delta V_{out} = 0.1 , \text{V}$.

$$
C_{out} = \frac{4.17}{8 \cdot 100 \cdot 10^3 \cdot 0.1} \approx 520 , \mu \text{F}
$$

마진을 고려해 680 μF, 63 V 선택.

3.7 스위치 및 정류기

• MOSFET: 600 V, 10 A (예: IPP60R099C7).
• 정류기: Schottky 다이오드 (예: STPS40H100CW) 또는 동기 정류 MOSFET (100 V, 30 A).

4. 제어 회로 및 검증

• 컨트롤러: TI UCC28950 (위상 천이 PWM 제어).
• 시뮬레이션: LTspice로 ZVS, 출력 리플, 효율 검증.
• 테스트: 입력 전압 및 부하 변화 테스트, EMI/EMC 준수 확인.

5. 결론

PSFB 컨버터 설계 결과는 다음과 같습니다:

• 변압기: $n = 7$, $N_p = 27$, $N_s = 4$.
• 공진 인덕터: $L_r = 31.7 , \mu \text{H}$.
• 출력 필터: $L_{out} = 11.5 , \mu \text{H}$, $C_{out} = 680 , \mu \text{F}, 63 , \text{V}$.