Boost Converter 설계 절차

 

부스트 컨버터(Boost Converter)는 입력 전압을 승압하여 더 높은 출력 전압을 제공하는 DC-DC 컨버터로, 전력전자에서 널리 사용됩니다. 아래는 연속 전도 모드(CCM, Continuous Conduction Mode)를 가정한 설계 절차입니다.

 

출처: 도시바 일렉트로닉스

 

1. 설계 사양 정의

부스트 컨버터 설계를 시작하기 위해 필요한 입력 사양을 명확히 정의해야 합니다. 주요 사양은 다음과 같습니다:

• 입력 전압 (V_in): 입력 전원의 전압 범위 (최소, 최대, 공칭).
• 출력 전압 (V_out): 원하는 출력 전압.
• 출력 전류 (I_out) 또는 출력 전력 (P_out): 부하가 요구하는 전류 또는 전력.
• 스위칭 주파수 (f_s): 스위치의 동작 주파수 (예: 50kHz, 100kHz 등).
• 효율 목표 (η): 컨버터의 전력 효율 (예: 90% 이상).
• 리플 사양: 출력 전압 리플 (ΔV_out) 및 인덕터 전류 리플 (ΔI_L).
• 동작 모드: CCM 또는 DCM (Discontinuous Conduction Mode).

예시 사양:

• V_in = 12V (최소 10V, 최대 14V)
• V_out = 24V
• P_out = 48W (I_out = 2A)
• f_s = 100kHz
• 출력 전압 리플: < 1% of V_out (즉, ΔV_out < 0.24V)
• 효율: > 90%
• 동작 모드: CCM

2. 듀티 사이클 (Duty Cycle, D) 계산

부스트 컨버터의 출력 전압과 입력 전압의 관계는 이상적인 경우 다음과 같습니다:

\[ V_{out} = \frac{V_{in}}{1-D} \]

따라서 듀티 사이클 \( D \)는 다음과 같이 계산됩니다:

\[ D = 1 - \frac{V_{in}}{V_{out}} \]

예시 계산:

V_in = 12V, V_out = 24V

\[ D = 1 - \frac{12}{24} = 0.5 \text{ (50%)} \]

실제 설계에서는 효율(η)을 고려해야 하므로, 효율을 반영한 듀티 사이클은 다음과 같습니다:

\[ D = 1 - \frac{V_{in} \cdot \eta}{V_{out}} \]

η = 0.9 (90%) 가정

\[ D = 1 - \frac{12 \cdot 0.9}{24} = 1 - 0.45 = 0.55 \text{ (55%)} \]

고려사항: 입력 전압 범위(V_in_min, V_in_max)에 따라 최대 및 최소 듀티 사이클을 계산. 예: V_in_min = 10V일 때, \( D_{max} = 1 - \frac{10 \cdot 0.9}{24} = 0.625 \).

3. 인덕터 (L) 설계

인덕터는 부스트 컨버터의 핵심 부품으로, 에너지를 저장하고 전달합니다. 인덕터 값은 전류 리플(ΔI_L)을 기준으로 결정됩니다. 전류 리플은 일반적으로 평균 인덕터 전류의 20~40%로 설정됩니다.

인덕터 전류 계산

평균 인덕터 전류 \( I_L \)는 출력 전류와 효율을 고려하여 계산됩니다:

\[ I_L = \frac{I_{out}}{1-D} \]

I_out = 2A, D = 0.55

\[ I_L = \frac{2}{1-0.55} = \frac{2}{0.45} \approx 4.44A \]

인덕터 리플 전류 (ΔI_L)

리플 전류는 설계자가 지정하며, 예를 들어 평균 전류의 30%로 가정:

\[ \Delta I_L = 0.3 \cdot I_L = 0.3 \cdot 4.44 \approx 1.33A \]

인덕터 값 계산

인덕터 값은 다음 식을 사용하여 계산됩니다:

\[ L = \frac{V_{in} \cdot D}{\Delta I_L \cdot f_s} \]

V_in = 12V, D = 0.55, ΔI_L = 1.33A, f_s = 100kHz

\[ L = \frac{12 \cdot 0.55}{1.33 \cdot 100 \cdot 10^3} = \frac{6.6}{1.33 \cdot 10^5} \approx 49.6 \, \mu H \]

표준 값으로 47μH 또는 50μH 선택 가능.

고려사항: 인덕터는 계산된 전류 \( I_L + \frac{\Delta I_L}{2} \)를 견딜 수 있는 포화 전류(Isat)와 저항이 낮은 코어를 선택. 예: Isat > 4.44 + 0.665 = 5.1A.

4. 출력 커패시터 (C_out) 설계

출력 커패시터는 출력 전압 리플(ΔV_out)을 줄이는 역할을 합니다. 출력 전압 리플은 다음과 같이 계산됩니다:

\[ \Delta V_{out} = \frac{I_{out} \cdot D}{f_s \cdot C_{out}} \]

목표 리플 전압(예: 0.24V)으로 커패시터 값을 계산:

\[ C_{out} = \frac{I_{out} \cdot D}{f_s \cdot \Delta V_{out}} \]

I_out = 2A, D = 0.55, f_s = 100kHz, ΔV_out = 0.24V

\[ C_{out} = \frac{2 \cdot 0.55}{100 \cdot 10^3 \cdot 0.24} = \frac{1.1}{2.4 \cdot 10^4} \approx 45.8 \, \mu F \]

표준 값으로 47μF 또는 100μF 선택.

고려사항: 커패시터의 ESR(Equivalent Series Resistance)이 리플 전압에 추가 영향을 미치므로, 낮은 ESR의 세라믹 또는 전해 커패시터 선택. 정격 전압은 V_out(24V)보다 높은 35V 또는 50V로 선택.

5. 스위치 (MOSFET) 및 다이오드 선택

MOSFET

• 정격 전압: V_out 이상 (예: 24V + 마진 → 40V 이상).
• 정격 전류: \( I_L + \frac{\Delta I_L}{2} \) 이상 (예: 5.1A 이상).
• R_DS(on): 낮은 온 저항으로 전도 손실 최소화.
• 게이트 드라이브: 스위칭 주파수와 호환되는 드라이버 선택.

다이오드

• 역방향 전압: V_out 이상 (예: 40V 이상).
• 순방향 전류: \( I_L + \frac{\Delta I_L}{2} \) 이상.
• 고속 스위칭: Schottky 다이오드 권장 (낮은 순방향 전압 강하).

예시:

• MOSFET: IRFZ44N (V_DSS = 55V, I_D = 49A, R_DS(on) = 17.5mΩ).
• 다이오드: MBR2045 (V_RRM = 45V, I_F = 20A).

6. 제어 회로 설계

부스트 컨버터는 출력 전압을 안정화하기 위해 피드백 제어 회로가 필요합니다. 일반적으로 PWM(Pulse Width Modulation) 컨트롤러를 사용합니다.

• 컨트롤러 IC: 예: UC3843, LT3757 등.
• 피드백 루프: 출력 전압을 감지하여 듀티 사이클을 조절.
• 보상 네트워크: 안정적인 루프 응답을 위해 보상 회로(PI 또는 PID) 설계.

고려사항: IC 데이터시트를 참조하여 권장 회로 구성 및 부품 값 선택. 과전류 보호, 과전압 보호 등 안전 기능 추가.

7. 효율 및 손실 분석

컨버터의 주요 손실은 다음과 같습니다:

• 스위치 손실: 전도 손실 (\( I_L^2 \cdot R_{DS(on)} \cdot D \)) 및 스위칭 손실.
• 다이오드 손실: 순방향 전압 강하 (\( V_F \cdot I_{out} \cdot (1-D) \)).
• 인덕터 손실: 코어 손실 및 구리 손실 (\( I_L^2 \cdot R_{DCR} \)).
• 커패시터 손실: ESR로 인한 손실.

예시 계산:

MOSFET 전도 손실: \( I_L = 4.44A, R_{DS(on)} = 17.5mΩ, D = 0.55 \)

\[ P_{MOSFET} = I_L^2 \cdot R_{DS(on)} \cdot D = 4.44^2 \cdot 0.0175 \cdot 0.55 \approx 0.19W \]

다이오드 손실: \( V_F = 0.5V, I_{out} = 2A, 1-D = 0.45 \)

\[ P_{diode} = V_F \cdot I_{out} \cdot (1-D) = 0.5 \cdot 2 \cdot 0.45 = 0.45W \]

총 손실을 계산하여 효율 확인:

\[ \eta = \frac{P_{out}}{P_{out} + P_{loss}} \]

8. PCB 레이아웃 및 열 설계

레이아웃

• 고전류 경로(인덕터, MOSFET, 다이오드)를 짧고 굵게 설계.
• 스위칭 노드의 노이즈를 최소화하기 위해 접지 평면 사용.
• 피드백 및 제어 신호는 스위칭 노이즈와 분리.

열 관리

• MOSFET, 다이오드, 인덕터의 발열 확인.
• 필요 시 히트싱크 또는 방열판 추가.

9. 시뮬레이션 및 테스트

시뮬레이션

• LTspice, PSpice 등으로 회로 동작 검증.
• 출력 전압, 리플, 전류 파형 확인.
• 다양한 입력 전압 및 부하 조건 테스트.

프로토타입 테스트

• 실제 회로를 제작하여 출력 전압, 효율, 리플 측정.
• 과부하, 단락 보호 등 안전 기능 확인.

10. 최종 검토 및 최적화

• 사양 충족 여부 확인 (출력 전압, 리플, 효율).
• 비용, 크기, 성능 간 균형 최적화.
• EMI(Electromagnetic Interference) 테스트 및 규제 준수 확인.

설계 결과 예시

• 인덕터: 47μH, Isat > 5.1A.
• 커패시터: 47μF, 35V, 저 ESR.
• MOSFET: IRFZ44N.
• 다이오드: MBR2045.
• 스위칭 주파수: 100kHz.
• 컨트롤러: UC3843 기반 PWM 제어.

추가 고려사항

• DCM vs CCM: 부하가 가벼운 경우 DCM 설계 고려. DCM에서는 인덕터 값이 작아질 수 있음.
• 보호 회로: 과전류, 과전압, 과열 보호 추가.
• EMI 필터: 입력단에 EMI 필터 추가로 노이즈 저감.

이 설계 절차는 일반적인 부스트 컨버터 설계를 위한 가이드이며, 특정 응용에 따라 세부 사항이 달라질 수 있습니다.