제로 전압 스위칭과, 전압 조정에서 이 제로 전압 스위칭의 중요성 검토

효율성을 향상시키기 위해 출력 밀도(W/m3)가 높아지고, DC 전원 공급 장치 전압 수준이 상승되며, 실리콘 전압 요구가 낮아짐에 따라 강압('벅') DC-DC 전압 조정기 회로 설계가 더욱 어려워지고 있습니다. 공급 전압과 실리콘에서 요구되는 전압 간의 차이는 조정기에서 큰 강하를 일으키기 때문에 스위칭 손실이 증가하고 결과적으로 장치의 스위칭 주파수를 제한하게 됩니다.

예를 들어, 공정 제어 시스템에 24V ~ 3.3V 조정이 필요할 수 있습니다. 이 차이는 대개 두 개의 조정 스테이지를 사용하여 처리할 수 있어야 하는데 결과적으로 기판 공간, 비용 및 신뢰성 문제가 증가합니다. 또한, 제한된 스위칭 주파수도 문제가 되는데, 엔지니어가 회로 필터링을 위해 더 큰 자기 및 기타 수동 소자 부품을 사용해야 하므로 출력 밀도에 대한 작업과 솔루션 크기가 증가하기 때문입니다.

더 높은 입력 전압과 전압 강하에서 더 빠른 스위칭 주파수로 돌아갈 수 있는 한 가지 솔루션은 제로 전압 스위치입니다(ZVS). 거의 모든 현대적 스위칭 전압 조정기와 같이 이 기술은 펄스 폭 변조(PWM) 기반 작동을 사용하지만 ZVS 작동을 허용하기 위해 PWM 타이밍에 대해 추가적인 개별 위상을 포함합니다. ZVS를 사용하면 전압 조정기에서 '소프트 스위칭'을 채택하여 대개 일반 PWM 작동 및 타이밍 동안 발생하는 스위칭 손실을 회피할 수 있습니다.

이 기사에서는 ZVS와 그 이점을 설명합니다.

하드 스위칭 손실

대부분의 현대적 비분리형 벅 전압 조정기는 턴온 및 턴오프 전환 동안 조정기의 통합 전계효과 금속산화물 반도체(MOSFEF) 스위치에 인가되는 고전류 및 고전압 응력의 동시 발생으로 인해 높은 스위칭 손실을 일으킵니다. 이러한 손실은 스위칭 주파수와 입력 전압으로 인해 증가하며 최대 주파수 작동, 효율성 및 출력 밀도를 제한합니다.

하드 스위칭은 MOSFET을 켜거나 끌 때 전압과 전류 사이의 중복 동안 발생합니다. 전압 조정기 제조업체는 스위칭 파형의 전류(di/dt ) 및 전압(dv/dt) 변동률을 증가시켜 중복을 최소화하고 결과적으로 스위칭 손실을 최소화하려고 합니다. 그림 1 및 2는 스위칭 손실이 발생하는 경우를 설명하고 이러한 손실을 최소화하도록 설계된 빠르게 변화하는 전압에서의 실제 스위칭 파형을 보여줍니다.


그림 1: MOSFET이 스위칭되면 전압/전류 중복 동안 전압 조정기 손실이 발생합니다(Infineon Technologies 제공).


그림 2: 제조업체는 dv/dt를 증가시켜 중복을 최소화하고 효율성을 개선합니다(Infineon Technologies 제공).

고속 스위칭의 아래쪽은 전압 조정기 회로망에서 방사되는 전자파 장해(EMI)가 증가합니다.

고속 스위칭의 이점을 계속적으로 활용하여 효율성을 향상시키면서 EMI를 최소화하는 한 가지 방법은 유사 공진형 스위칭이라고 하는('밸리' 스위치라고도 함) 고급 하드 스위칭 기법을 사용하는 스위칭 조정기를 선택하는 것입니다. Infineon Technologies에서는 유사 공진형 플라이백 스위칭 전압 조정기를 위한 전력 MOSFET(예: CoolMOS 계열)을 제공합니다.

유사 공진형 스위칭 동안, 드레인 및 소스에서의 전압이 최소가 되면(밸리) 스위칭 손실을 최소화하기 위해 MOSFET이 켜집니다. 이를 통해 장치는 전압 또는 전류에서의 더 작은 변동율로 작동되므로 결과적으로 EMI가 감소합니다. 유사 공진형 스위칭의 또 다른 긍정적 효과는 고정 주파수에서가 아니라 밸리가 감지될 때 스위칭이 트리거되기 때문에 어느 정도의 주파수 지터가 도입되어 RF 방출 스펙트럼이 확산되고 EMI가 더욱 감소한다는 것입니다.

유사 공진형 스위칭은 경부하에서 더 높은 손실을 유도한다는 단점이 있지만, 이 문제는 주파수 클램프 회로를 사용하여 최대 작동 주파수를 제한하는 방법으로 최신 장치에서 제거되었습니다. 그림 3은 MOSFET이 밸리에서 스위칭되는 플라이백 컨버터의 유사 공진형 스위칭 파형을 보여줍니다.


그림 3: 플라이백 컨버터의 유사 공진형 스위칭 파형(Infineon Technologies 제공).

제로 전압에서의 소프트 스위칭

유사 공진형 스위칭은 전압 컨버터 효율성을 향상시키는 좋은 기법이지만 전체 소프트 스위칭을 구현하면 더 많은 부분을 개선할 수 있습니다. 소프트 스위칭 동안, MOSFET이 켜지거나 꺼지기 전에 전압이 최소값이 아니라 제로로 떨어지므로 전압과 전류 간의 중복이 제거되고 손실이 최소화됩니다. 이 기법은 또한 전압이 아니라 전류가 제로에 도달할 때 MOSFET을 스위칭하는 데 사용할 수도 있습니다. 이는 제로 전류 스위칭(ZCS)이라고 알려져 있습니다. 추가적인 이점은 매끄러운 스위칭 파형으로 EMI가 최소화된다는 것입니다(그림 4).


그림 4: 소프트 스위칭 MOSFET 전류 및 전압 파형(Infineon Technologies 제공).

소프트 스위칭(ZVS)은 MOSFET의 온타임 동안('공진형' 스위칭 전환 발생) 일반적인 PWM 전력 변환으로 가장 잘 정의할 수 있습니다. 이 기법은 변환 주파수를 변화시키는 고정 오프타임 제어 또는 출력 전압의 조정을 유지하기 위한 온타임 제어를 활용하는 PWM 전력으로 고려할 수 있습니다. 지정된 시간 단위 동안, 이 방법은 조정 가능 듀티 사이클을 사용하는 고정 주파수 변환과 유사합니다.

출력 전압은 효과적인 듀티 사이클(및 온타임)을 조정하고 변환 주파수를 변화시켜 조정할 수 있습니다. ZVS 스위치 오프타임 동안, 조정기의 L-C 회로가 공진되어 스위치의 전압이 제로에서 피크로 상승하며 스위치가 재활성화되고 무손실 ZVS가 가능할 때 제로로 다시 떨어집니다. 작동 주파수와 입력 전압에 관계없이 MOSFET 전환 손실이 제로이므로 전력이 크게 절약되고 효율성이 실질적으로 향상됩니다(그림 5). 이러한 특성을 갖춘 ZVS는 고주파수, 고전압 컨버터 설계에 좋은 기법입니다.¹


그림 5: 일반적인 PWM은 고정 주파수를 사용하고 듀티 사이클에 변화를 주어 조정을 수행합니다. 반대로 ZVS는 변환 주파수를 달리하여(결과적으로 온타임 변경) 출력 전압을 유지합니다(Texas Instruments 제공).

ZVS의 다른 두 가지 이점은 EMI의 고조파 스펙트럼이 감소된다는 것과(스위칭 주파수의 중간에 배치), 더 높은 주파수 작동으로 잡음이 감소되고 잡음의 필터링이 쉬워지며 더 작은 필터 부품의 사용이 가능하다는 것입니다.

한 가지 단점은 스위칭 오프 전에 MOSFET이 모든 에너지를 방출했음을 보장할 수 없다는 것입니다(특히 높은 주파수에서). 장기적으로, 이 '저장된' 에너지는 특히 고속 스위칭 전압 조정기에서 부품 장애를 일으킬 수 있습니다. 전력 모듈 제조업체는 트랜지스터에서 모든 에너지를 소모하기 위해 스위치와 평행하게 바디 다이오드를 추가하여 이 문제를 해결합니다(그림 6).²


그림 6: ZVS 토폴로지는 트랜지스터에서 모든 에너지를 소모하기 위해 대개 MOSFET과 평행하게 고속 바디 다이오드를 포함합니다(Infineon Technologies 제공).

제로 전압 스위칭 작동

그림 7은 ZVS 벅 토폴로지의 회로도를 보여 줍니다. 이 회로는 출력 인덕터에 걸쳐 연결된 추가 클램프 스위치를 제외하고 일반 벅 조정기와 동일합니다. 이 스위치는 출력 인덕터에 저장된 에너지를 ZVS를 구현하는 데 사용할 수 있도록 추가되었습니다.


그림 7: ZVS 벅 토폴로지(Vicor 제공).

ZVS 벅 컨버터는 Q1 위상, Q2 위상 및 클램프 위상의 세 가지 주요 상태에서 작동합니다. Q1은 제로 전류에서와 드레인-소스 전압이 거의 제로일 때 켜집니다. MOSFET과 출력 인덕터의 전류가 Q1의 온타임, 인덕터의 전압 및 인덕터 값으로 결정되는 피크 전류로 증가합니다. Q1 위상 동안, 에너지가 출력 인덕터에 저장되고 전하가 출력 커패시터에 공급됩니다. Q1 위상 동안, MOSFET 온스테이트 저항에 따라 Q1의 소비 전력이 결정되며 스위칭 손실이 매우 작습니다.

다음으로, Q1이 빠르게 꺼진 후 매우 짧은 보디 다이오드 전도 시간이 이어집니다(소량의 소비 전력 추가). 바디 다이오드에 대한 전류 정류 동안 Q1은 피크 인덕터 전류에 비례하는 턴오프 손실이 발생합니다. 다음으로, Q2이 켜지고 출력 인덕터에 저장된 에너지가 부하와 출력 커패시터에 전달됩니다. 인덕터 전류가 제로에 도달하면, 출력 커패시터에서 출력 인덕터에 일부 에너지를 저장할 때까지 동기식 MOSFET Q2이 유지됩니다.

컨트롤러에서 인덕터에 충분한 에너지가 저장되었음을 확인하면 동기식 MOSFET이 꺼지고 클램프 스위치가 켜져 VS 노드가 VOUT로 고정됩니다. 클램프 스위치는 출력에서 출력 인덕터 전류를 분리함과 동시에, 전류로 저장된 에너지를 거의 손실 없이 순환시킵니다. 클램프 위상 동안(소규모) 출력 커패시터에서 출력이 공급됩니다.

클램프 위상이 끝나면 클램프 스위치가 개방됩니다. 출력 인덕터에 저장된 에너지가 Q1 및 Q2 출력 정전 용량의 병렬 결합으로 가득 차면 VS 노드가 V_IN 쪽으로 링됩니다. 이 링은 Q1의 출력 정전 용량을 방출하고, Q1의 게이트-드레인(밀러) 전하를 줄이며 Q2의 출력 정전 용량을 충전합니다. 따라서, VS 노드가 _IN에 거의 도달하면 Q1이 손실 없이 켜집니다.³

ZVS 스위칭을 사용하는 전력 모듈

Vicor는 ZVS 토폴로지를 수용한 회사의 아주 좋은 예입니다. 이 회사는 ZVS가 비분리형 부하점(POL) 벅 조정기 응용 제품에서 작동하는 방식을 설명하는 백서를 제공하고 있습니다.

Vicor의 Cool-Power ZVS 벅 조정기는 고밀도 표면 실장 패키지에 컨트롤러, 전력 스위치, 평면 자기, 지원 부품을 통합하는 고밀도, 분리형 DC-DC ZVS 컨버터 모듈 제품군을 구성합니다.

이러한 전력 모듈은 다음과 같은 세 가지 입력 전압 작동 범위로 제공됩니다. 통신 응용 제품을 위한 48V, 견고한 고온 응용 제품을 위한 28V, 산업용 응용 제품을 위한 24V. 이 모듈은 출력 전압 트리밍 및 프로그래밍 가능 소프트 스타트 기능을 비롯한 다양한 프로그래밍 가능 기능을 갖추고 있습니다(그림 8).


그림 8: Vicor의 Cool-Power ZVS 벅 조정기는 고밀도, 분리형 DC-DC ZVS 컨버터 모듈 제품군을 구성합니다.

이 회사는 경쟁 장치와 비교할 때 ZVS가 효율성을 최대 12% 향상시킨다고 주장합니다(그림 9).


그림 9: 경쟁 장치와 비교한 Vicor의 Picor PI13312 ZVS 토폴로지 효율성 곡선.

다른 제조업체는 풀 브리지 컨버터의 ZVS 제어 전략에 사용할 수 있는 모듈식 컨트롤러를 제공합니다. 예를 들어, Linear Technology는 이러한 목적으로 LTC3722를 제공합니다. 이 위상 변이 PWM 컨트롤러는 고효율 ZVS 풀브리지 전력 컨버터를 구현하는 데 필요한 모든 제어 및 보호 기능을 제공합니다. 적응형 ZVS 회로망은 내부 및 외부 부품 허용 오차 범위에 관계없이 각 MOSFET에 대해 턴온 신호를 연기합니다. 이 칩은 최대 93%의 효율성으로 전압 조정기의 기반으로 사용할 수 있습니다.

이 부분에 대해, Texas Instruments(TI)는 ZVS 조정을 위한 DC-DC 스위칭 컨트롤러, UCC28950을 제공합니다. 이 컨트롤러는 동기식 정류기 출력 스테이지의 능동 제어를 통해 풀브리지 컨버터의 감시를 구현할 수 있습니다. 일차측 신호를 통해 프로그래밍 가능 지연은 넓은 부하 전류 및 입력 전압 범위에서 ZVS 작동을 보장할 수 있으며 부하 전류는 이차측 동기식 정류기 스위칭 지연을 조정하여 시스템 효율성을 최대화할 수 있습니다.

에너지 밀도 향상

고밀도 조정기는 주로 조정기 MOSFET 내의 성능을 방해하는 스위칭 손실로 인해 최신 전자 시스템의 요구에 부응하는 데 어려움을 겪고 있습니다. ZVS는 이러한 손실을 해결하며 대부분의 전력 변환 설계에 적용할 수 있지만 고전압 입력에서의 이러한 작동에 가장 유리합니다. 해당 PWM 제어 등가 제품과 비교할 때 고전압, 하프브리지 및 풀브리지 ZVS 응용 제품의 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

또한, ZVS 기술은 더 낮은 전압 정격의 스위치 사용을 허용하며, 과도한 과전압이 없기 때문에 일차 스위치에 인가되는 역전압이 피크 입력 전압으로 제한됩니다(최대). 따라서, 엔지니어가 감소된 전도 손실, 감소된 구동 전류 및 향상된 에너지 밀도 같은 뛰어난 특성을 갖춘 부품을 사용할 수 있습니다.

이 기사에서 설명한 부품에 대한 자세한 내용을 보려면 제공된 링크를 사용하여 DigiKey 웹 사이트의 제품 정보 페이지에 액세스하십시오.

참고 자료:

1. “Zero Voltage Switching Resonant Power Conversion(제로 전압 스위칭 공진 전력 변환),” Bill Andreycak, Texas Instruments, 1999.
2. “CoolMOS™ Benefits in both Hard and Soft Switching SMPS topologies(하드 및 소프트 스위칭 SMPS 토폴로지에서의 CoolMOS™ 이점),” Infineon Technologies, November 2011.
3. “High-Performance ZVS Buck Regulator Removes Barriers to Increased Power Throughput in Wide Input Range Point-Of-Load Applications(고성능 ZVS 벅 조정기, 넓은 입력 범위 부하점 응용 제품에서 향상된 전력 처리량에 대한 장벽 제거),” C. R. Swartz, Vicor, August 2012.