자동차용 등급의 플라이백 변압기를 활용해 콤팩트한 전기차 전원 공급 장치 설계

혁신적인 자동차 설계의 전기 및 전자 전력 요구사항은 전력 증가, 효율성 향상, 공간 요구사항 감소 및 신뢰성 강화로 요약될 수 있습니다. 전기 자동차(EV)의 경우, 효율성은 사용자의 '주행 거리가 충분히 남았는지에 대한 불안'을 완화하는 데 결정적인 역할을 합니다. 전기 자동차(EV)의 요구 사항이 결합되면, 비상 전원 및 보조 전원 공급 장치용으로 콤팩트하고 경량화된 전원 솔루션이 필요합니다. 전원 공급 장치가 작으면 추가적인 문제가 야기됩니다. 예를 들면 조밀하게 배치된 부품 간 전기적 고장을 방지하기 위한 절연 요구 사항 증가와 전자파 방해(EMI) 감소와 같은 문제입니다.

플라이백 전원 변환기는 보조 전원 생성, 배터리 관리, 게이트 구동 전원 등 다양한 저전력 전기 자동차(EV) 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 이러한 변환기의 경우 설계가 더 단순하고 필요한 구성 요소 수가 적어 크기 감소, 신뢰성 향상, 비용 절감의 효과를 가져옵니다. 플라이백 전원 공급 장치의 핵심은 플라이백 변압기로, 고전압 절연을 지원하기 위해 필요한 가장 큰 부품 중 하나입니다.

이 기사에서는 플라이백 컨버터의 작동 원리, 유도성 및 정전 용량 방식 기생 회로의 영향, 그리고 부품 크기 및 신호 격리의 중요성에 대해 설명합니다. 그런 다음 Bourns의 플라이백 변압기를 소개하고, 이 변압기가 자동차 전원 시스템의 다양한 문제를 해결하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 설명합니다.

플라이백 컨버터

플라이백 컨버터는 단순하고 최소한의 부품 설계로 알려져 있으며, 최대 100W의 전력 수준을 지원합니다. 이 설계의 핵심은 플라이백 변압기로, 컨버터 회로의 1차 측과 2차 측 사이에서 전력 전송과 절연을 동시에 제공합니다(그림 1, 상단). 이 컨버터는 플라이백 변압기의 구성에 따라 직류 전원 공급 장치의 전압을 상승 또는 하강시킬 수 있습니다. 플라이백 변압기 외에도 회로는 1차 측 스위치(SW)가 필요한데 일반적으로 MOSFET이 사용되며, 2차 측 정류기/필터가 필요합니다.

그림 1: 플라이백 컨버터의 기본 요소(상단)와 주요 동작 파형(하단)을 보여주는 간략한 회로도 다이어그램입니다. (이미지 출처: Bourns Inc.)

작동 주기는 V_gs를 고전압 상태로 설정하여 SW를 켜는 것으로 시작됩니다(그림 1 하단). 스위치가 닫히면 인덕터에 가해지는 전압은 계단 함수가 됩니다. 인덕터는 전류의 순간적인 변화를 반대하며, 적용된 단계 전압을 통합하는 역할을 합니다. 이 결과로 램프 함수가 발생하며, 플라이백 변압기의 1차 권선에 흐르는 전류는 1차 유도 용량의 영향으로 선형적으로 증가합니다. 변압기의 2차 측에는 정류 다이오드(D)가 역편향되어 있기 때문에 전류가 흐르지 않습니다. 또한 플라이백 변압기의 자속 코어에 있는 공기 갭은 변압기의 자속이 증가함에 따라 포화 현상을 방지합니다.

스위치가 꺼지면 (V_gs를 저전압 상태로 되돌림으로써), 변압기의 자기장에 저장된 에너지가 이제 전류가 흐르는 방향으로 편향된 다이오드를 통해 2차 측으로 전달되어 출력 콘덴서(C2)를 충전합니다. 2차 전류는 자계로부터의 에너지가 소진되거나 스위치가 다시 켜질 때까지 선형적으로 감소하며, 다음 주기가 시작됩니다.

선형 전원 공급 장치에 사용되는 일반적인 변압기는 1차 권선에서 2차 권선으로 에너지를 지속적으로 전달합니다. 플라이백 변압기의 작동 원리는 작동 주기 동안 에너지를 지속적으로 전달하지 않는다는 점에서 쌍으로 연결된 인덕터와 유사합니다. 그러나 변압기와 마찬가지로, 출력 전압은 1차 권선과 2차 권선의 권선 비율을 조정함으로써 조절될 수 있습니다. 1차 권선과 2차 권선 사이에 갈바닉 절연도 이루어지며 여러 2차 권선을 지원하기 때문에 컨버터에서 다양한 출력 전압을 생성할 수 있습니다.

플라이백 컨버터에서의 기생 효과

전자 회로에서 흔히 볼 수 있듯이, 플라이백 컨버터는 기생 유도 용량과 정전 용량으로 인해 원치 않는 영향을 받게 됩니다(그림 2).

그림 2: 이 그림은 플라이백 컨버터의 회로도 다이어그램으로, 컨버터 구성 요소와 관련된 기생 용량과 유도 용량을 빨간색으로 강조 표시했습니다. (이미지 출처: Bourns Inc.)

자화 유도 용량(L_m)은 플라이백 변압기의 에너지 저장량을 결정하는 주요 유도성 특성입니다. 변압기와 연관된 기생 누설 유도 용량(L_lk)은 스위치와 직렬로 연결되어 있습니다. 스위치가 열리면, 스위치는 주요 전류를 유지하려고 시도하며 스위치 양단 간의 전압을 높입니다. 대부분의 플라이백 컨버터는 스위치를 이 과도 전압으로부터 보호하기 위해 클램프 회로나 스너버를 사용합니다. 이 효과는 또한 자기장 방사량을 증가시키고 EMI에 영향을 미치며 기판 트레이스 유도 용량(L_tr)은 이러한 효과에 더해집니다.

변압기 설계자들은 누설 유도 용량을 최소화하기 위해 최선을 다하는데 주요 방법은 1차 권선과 2차 권선 간의 결합을 강화하는 것입니다. 이는 코일 간의 간격을 최소화하고 또한 코일을 교차 배치함으로써 가능합니다.

분산 정전 용량에는 주요 용량(C_p), 권선 간 정전 용량(C_ps), 2차 정전 용량(C_s), FET 출력 정전 용량(C_o) 및 2차 다이오드 정전 용량(C_d)이 포함됩니다. 이 정전 용량들은 유도 용량과 상호작용하여 컨버터 신호 파형의 안정성을 저하시킵니다(그림 3).

그림 3: 용량성 및 유도성 기생 요소가 스위칭 파형에 미치는 영향을 보여줍니다. (이미지 출처: Bourns Inc.)

스위칭 파형은 이상적으로 과도 현상 또는 부족 현상이 없는 직사각형 펄스여야 합니다. 이 직사각형 펄스의 빠른 전환 시간은 전류가 증가하기 전에 전압 파형이 0에 도달하도록 보장합니다. 실제로, 기생 용량과 기생 유도 용량의 영향은 전환 시간을 지연시키고 과도 현상, 부족 현상 및 진동을 유발합니다. 또한, 상승 및 하강 시간이 느려지면 1차 전압 및 전류 파형의 중첩으로 인해 컨버터의 스위칭 손실이 증가합니다. 이 중첩 현상은 FET 스위치에서 스위칭 손실로 인해 전력을 소모시켜 컨버터의 효율을 저하시킵니다. 펄스 피크의 눈에 띄는 하강은 부하 저항과 자화 유도 용량 때문입니다.

플라이백 변압기를 설계할 때, 자체 공진 주파수를 컨버터의 스위칭 주파수에서 멀리 떨어뜨리기 위해 상당한 노력이 필요합니다. 또한 스위치와 플라이백 변압기 사이의 배선 길이를 가능한 한 짧게 유지하는 것은 기생 유도 용량을 최소화하는 데 도움이 됩니다. 또한, 정전 용량이 서로 감겨 주 신호의 고주파 성분이 출력으로 결합되는 경로를 제공합니다. 감긴 용량이 클수록 컨버터의 전도성 EMI 방출량이 증가합니다. 최적의 성능을 달성하려면 설계상의 타협이 필요합니다. 코일 간의 결합이 더 밀접해지면 누설 유도 용량이 감소하지만, 동시에 코일 간 용량도 증가합니다. 이 부분이 바로 변압기 설계자의 경험이 중요한 역할을 하게 되는 부분입니다.

크기 감소 및 신호 격리

자동차용으로 설계된 부품은 가능한 한 크기가 작아야 합니다. 부품의 물리적 크기는 재료의 특성 및 부품의 기능에 따른 물리적 원리에 의해 결정됩니다. 플라이백 변압기의 경우, 전도체 간의 간격은 피크 작동 전압을 견딜 수 있을 만큼 충분히 넓어야 하며, 표준 인증을 위한 전압 테스트를 충족시켜야 합니다. 전압 파괴와 관련된 주요 사양은 공간거리와 연면거리입니다(그림 4).

그림 4: 공간거리와 연면거리는 인접한 전도체 사이의 최소 거리를 규정하여 전기적 고장과 아크 발생을 방지하기 위한 사양입니다. (이미지 출처: Bourns Inc.)

공간거리는 공기 중의 두 전도성 경로 사이의 가장 짧은 거리이며, 연면거리는 절연 재료의 표면에 있는 두 전도성 경로 사이의 가장 짧은 거리입니다. 이 거리들은 아크 발생을 방지하고 전기적 절연을 유지하는 데 매우 중요합니다.

플라이백 변압기 - 전기 자동차(EV) 요구사항 충족

Bourns HVMA03F40C-ST10S(그림 5) 플라이백 변압기는 자동차용으로 인증되었으며, 100kHz에서 400kHz까지의 스위칭 주파수에서 작동하도록 설계되었으며, 최대 3W의 전력을 처리할 수 있습니다.

그림 5: HVMA03F40C-ST10S 플라이백 변압기(왼쪽)는 3W 정격으로 설계되었으며 이중 출력 권선(오른쪽)을 특징으로 합니다. (이미지 출처: Bourns Inc.)

이 플라이백 변압기는 자동차용 등급이며, AEC-Q200 규격에 준수하는 부품으로, -40°C에서 +155°C의 온도 범위(자체 온도 상승 포함)에서 작동하도록 설계되었습니다. 이 제품은 8개의 패드를 갖춘 표면 실장형 장치로, 9.5mm × 10.3mm의 매우 콤팩트한 크기와 13mm의 높이를 제공합니다. 6V에서 27V의 주 전원 입력으로 작동하도록 설계된 이 제품은 이중 2차 권선으로 14V의 정격 출력을 생성합니다.

1차 권선(핀 1과 2 사이)은 40마이크로헨리(mH)의 유도 용량을 제공하며, 누설 유도 용량은 1.1 mH에 불과하고 직렬 저항은 1.0옴(Ω)입니다. 주 2차 회로(핀 6과 7 사이)의 직렬 저항은 1.0Ω이며 보조 출력(핀 3과 4 사이)의 직렬 저항은 1.4 Ω입니다. 이 변압기는 1:1:1 권선비의 단위 이득을 위해 설정되었습니다.

작동 전압 900V까지 견딜 수 있으며, 전압 절연은 4,000V_AC입니다. 고전압 정격에도 불구하고, 변압기의 정격 연면거리는 10mm이며, 공간거리는 6mm입니다.

이 플라이백 변압기는 자동차 응용 분야에 적합하며, 트랜지스터 게이트 구동 전원 공급 장치, 배터리 관리 회로, 또는 전기 자동차(EV) 내 독립된 전원 회로 간 격리된 전원 공급원으로 사용될 수 있습니다. 고정 스위치 주파수에서 펄스 폭 변조(PWM)를 사용하는 많은 플라이백 컨트롤러 통합 회로와 호환되며, 또는 고정 펄스 폭과 가변 주파수 제어를 사용하는 경우에도 호환됩니다.

결론

Bourns HVMA03F40C-ST10S는 전기 자동차(EV)의 전력 요구 사항을 충족시키고자 하는 설계자들에게 특히 적합한 제품입니다. AEC-Q200 규격에 준수하며, 콤팩트한 형상 요소를 갖추고 있으며, 공간거리 및 연면거리 규격을 준수하고, 넓은 온도 범위에서 3W의 정격 출력을 제공합니다.