[Power Electronics]CCM과 DCM 란 무엇인가?

 

 

 

CCM과 DCM 상세 설명

CCM(Continuous Conduction Mode)과 DCM(Discontinuous Conduction Mode)은 스위칭 전원 공급 장치(SMPS)에서 주로 사용되는 DC-DC 컨버터의 동작 모드로써, 이 두 모드는 인덕터 전류의 흐름 패턴에 따라 구분되며, 각각의 특성과 동작 원리를 아래에서 상세히 설명합니다.

1. CCM (Continuous Conduction Mode, 연속 전도 모드)

정의

CCM은 인덕터 전류가 스위칭 주기 동안 0으로 떨어지지 않고 연속적으로 흐르는 동작 모드입니다. 즉, 인덕터 전류가 항상 양수(또는 음수)로 유지되며, 스위치가 꺼져도 전류가 계속 흐릅니다.

 

CCM 동작파형(출처: https://electronics.stackexchange.com/questions/557753/ccm-dcm-and-bcm-inductor)

동작 원리

• 스위치 ON 상태: 스위치(예: MOSFET)가 켜지면 인덕터에 전압이 인가되어 전류가 선형적으로 증가합니다. 에너지가 인덕터에 저장됩니다.
• 스위치 OFF 상태: 스위치가 꺼지면 인덕터에 저장된 에너지가 부하로 방출되며, 다이오드(또는 동기 정류기)를 통해 전류가 흐릅니다. 이때 인덕터 전류는 감소하지만, 다음 스위칭 주기가 시작되기 전에 0으로 떨어지지 않습니다.
• 인덕터 전류는 삼각파 형태로 나타나며, 전류의 최소값이 0보다 큽니다.

특징

• 효율성: CCM은 일반적으로 높은 부하 전류에서 효율적입니다. 인덕터 전류가 연속적이므로 전력 손실이 적습니다.
• 인덕터 크기: CCM에서는 인덕터 전류 리플(ripple)이 상대적으로 작아, 더 작은 인덕터를 사용할 수 있습니다.
• 제어 안정성: 전류의 연속성으로 인해 제어가 비교적 간단하고 안정적입니다.
• 스위칭 주파수: 고정된 스위칭 주파수를 사용하며, 전류 리플이 작아 출력 전압의 안정성이 높습니다.
• 적용 사례: 높은 전력 밀도와 효율이 중요한 애플리케이션(예: 서버 전원 공급 장치, 고전력 DC-DC 컨버터)에서 주로 사용됩니다.

장점

• 출력 전압 리플이 작아 안정적인 출력 제공.
• 높은 부하 조건에서 효율적.
• 제어 회로 설계가 비교적 단순.

단점

• 경부하 조건에서는 효율이 떨어질 수 있음.
• 역방향 전류(negative current)가 발생할 수 있어 동기 정류기 사용 시 주의가 필요.

수식

• 인덕터 전류 리플: \[ \Delta I_L = \frac{V_{in} \cdot D}{L \cdot f_s} \] 여기서 \(V_{in}\): 입력 전압, \(D\): 듀티 사이클, \(L\): 인덕터 값, \(f_s\): 스위칭 주파수
• 출력 전압(벅 컨버터 기준): \[ V_{out} = D \cdot V_{in} \]

2. DCM (Discontinuous Conduction Mode, 불연속 전도 모드)

정의

DCM은 인덕터 전류가 스위칭 주기 동안 0으로 떨어지는 동작 모드입니다. 즉, 인덕터 전류가 스위치가 꺼진 상태에서 완전히 소멸하고, 다음 스위칭 주기가 시작될 때까지 전류가 흐르지 않는 구간이 존재합니다.

DCM 동작파형(출처 :https://electronics.stackexchange.com/questions/557753/ccm-dcm-and-bcm-inductor)

동작 원리

• 스위치 ON 상태: 스위치가 켜지면 인덕터 전류가 0에서 시작해 선형적으로 증가합니다.
• 스위치 OFF 상태: 스위치가 꺼지면 인덕터 전류가 감소하며, 결국 0으로 떨어집니다. 이후 다음 스위칭 주기가 시작될 때까지 전류가 흐르지 않는 "불연속 구간(dead time)"이 존재합니다.
• 인덕터 전류는 삼각파 형태로 시작하지만, 0까지 떨어지고 일정 시간 동안 0을 유지합니다.

특징

• 효율성: 경부하 조건에서 효율적입니다. 전류가 0으로 떨어지므로 스위칭 손실과 다이오드 역회복 손실이 감소합니다.
• 인덕터 크기: DCM에서는 인덕터 전류 리플이 크므로, 더 큰 인덕터가 필요할 수 있습니다.
• 제어 복잡성: 전류가 불연속적이므로 제어 회로가 CCM보다 복잡할 수 있습니다.
• 스위칭 주파수: 고정 주파수 또는 가변 주파수(PFM, Pulse Frequency Modulation)를 사용할 수 있습니다.
• 적용 사례: 저전력 애플리케이션(예: 휴대폰 충전기, 저전력 IoT 기기)에서 주로 사용됩니다.

장점

• 경부하 조건에서 효율이 높음.
• 스위칭 손실이 적어 저전력 애플리케이션에 적합.
• 역방향 전류가 없으므로 동기 정류기 사용 시 유리.

단점

• 출력 전압 리플이 CCM보다 큼.
• 제어 회로가 복잡하고 안정성 확보가 어려울 수 있음.
• 높은 부하에서는 효율이 떨어질 수 있음.

수식

• 인덕터 전류 피크값: \[ I_{L,peak} = \frac{V_{in} \cdot D}{L \cdot f_s} \]
• 출력 전압(벅 컨버터 기준): \[ V_{out} = V_{in} \cdot \frac{2D}{1 + \sqrt{1 + \frac{8L \cdot f_s \cdot I_{out}}{V_{in} \cdot D^2}}} \] 여기서 \(I_{out}\): 출력 전류

CCM vs DCM 비교

항목	CCM	DCM
인덕터 전류	연속적(0으로 떨어지지 않음)	불연속적(0으로 떨어짐)
효율성	고부하에서 효율적	경부하에서 효율적
출력 리플	낮음	높음
인덕터 크기	작을 수 있음	상대적으로 큼
제어 복잡성	비교적 단순	더 복잡
적용 사례	고전력 애플리케이션(서버, PC 전원 등)	저전력 애플리케이션(IoT, 휴대기기 등)

CCM과 DCM의 전환 (Boundary Conduction Mode, BCM)

• CCM과 DCM 사이에는 경계 전도 모드(BCM, Boundary Conduction Mode)가 존재합니다. 이는 인덕터 전류가 정확히 0에 도달하는 순간 다음 스위칭 주기가 시작되는 상태입니다.
• BCM은 CCM과 DCM의 중간 특성을 가지며, 부하 조건에 따라 CCM에서 DCM으로, 또는 그 반대로 전환될 수 있습니다.

결론

• CCM은 고부하, 고전력 애플리케이션에서 안정적이고 효율적인 동작을 제공하며, 출력 리플이 작아 정밀한 전압 제어가 필요할 때 적합합니다.
• DCM은 경부하, 저전력 애플리케이션에서 효율적이며, 스위칭 손실을 줄여 배터리 구동 기기에 유리합니다.
• 설계자는 부하 조건, 효율 요구사항, 출력 리플 허용 범위, 인덕터 크기 등을 고려하여 CCM 또는 DCM을 선택하거나, BCM을 활용해 두 모드 간 전환을 구현할 수 있습니다.