교차 연결된 DC-DC 컨버터가 필요하십니까?

작성 날짜: 사월 29, 2022
업데이트 날짜: 칠월 1, 2024

모든 설계자가 전력 시스템 엔지니어는 아니지만, 고효율 전력 변환기를 구축하는 다양한 방법에 대해 알아두는 것이 유용합니다. 이에는 AC-DC 및 DC-DC 변환, 인버터, PFC 회로 및 전력 변환 및 효율성을 위한 다른 많은 장비가 포함됩니다. 대부분의 설계자가 처음부터 전력 공급 장치를 구축하지 않을 수 있지만, 그들은 여전히 이를 선택하고 더 큰 시스템, 특히 전력망과 상호 작용할 수 있는 시스템에 통합하는 방법을 이해해야 합니다.

최근 미국을 포함한 기존 전력망에 재생 에너지를 통합하는 데 초점을 맞추면서, 더 많은 설계자들이 스마트 인프라와 전력 전자로 전환할 수 있습니다. 전력 변환은 그 통합의 중요한 부분이며, 전기망이 현대화됨에 따라 고급 전력 변환기 설계는 분명히 높은 수요가 있을 것입니다.

설계자가 알아야 할 중요한 스위칭 변환기 유형 중 하나는 인터리브드 DC-DC 변환기입니다. 이 유형의 변환기는 고효율 DC-DC 변환을 보장하기 위해 간단한 아이디어를 사용하지만, 재생 가능한 그리드, 여러 배터리가 있는 차량 및 독립적인 부하가 있는 복잡한 시스템에 특히 적응할 수 있습니다. 이 변환기는 여러 변환기 단계로 구성된 대규모 시스템으로 구축될 수 있지만, 집적 회로로도 사용 가능한 작은 변환기가 있습니다. 다음 시스템에서 이 변환기 토폴로지를 사용하기로 결정했다면, 그 기능과 구성 요소 선택을 위한 몇 가지 최선의 방법을 알아보기 위해 계속 읽어보세요.

인터리브드 DC-DC 변환기란 무엇인가요?

DC-DC 변환기는 일반적으로 일부 입력 DC 소스와 상호 작용할 때 특정 토폴로지로 운영됩니다. 입력은 1단계 변환기로 전달되어, 보통 전압을 낮추고 버스에 출력 전력을 공급합니다. 2단계 변환기는 1단계 출력 버스에서 전력을 가져와, 그 섹션의 PDN에서 필요에 따라 전압을 올리거나 내립니다. 우리가 구축하는 설계에서는 첫 번째 단계 변환기로 스위칭 변환기를 사용한 다음, 가능하다면 작은 LDO 레귤레이터 IC를 사용하여 다시 낮은 논리 레벨로 전압을 낮출 것입니다. 이는 아래 이미지에서 보여주는 종류의 토폴로지를 제공합니다:

위의 토폴로지에서, 우리는 단일 입력 단일 출력(SISO) 변환기를 가지고 있으며, 이는 다음에 있는 SISO 변환기에 연결되고, 그렇게 하여 2단계 또는 3단계로 전압을 다양한 논리 레벨로 낮추는 것이 일반적입니다. 정류기 브리지에 의해 공급될 수 있는 조절되거나 조절되지 않은 DC 입력에서부터, 그리고 DC IN 블록이 있을 수 있습니다.

여러 개의 독립된 부하, 여러 소스 또는 둘 다가 있는 경우에는 어떻게 될까요? 여기서 인터리빙이 등장합니다.

인터리빙을 사용한 MIMO, MISO, 또는 SIMO

인터리빙은 단일 전원원으로부터 여러 부하를 구동하거나, 여러 전원원으로부터 단일 부하를 구동하거나, 이 두 가지의 혼합을 사용하는 여러 변환기 단계를 사용하는 기술입니다. 인터리브된 DC-DC 변환기는 입력 및 출력 버스에 연결된 병렬로 연결된 여러 스위칭 변환기 단계를 사용합니다. 인터리브된 DC-DC 변환기에 사용되는 세 가지 일반적인 토폴로지는 다음과 같습니다:

단일 입력 다중 출력 (SIMO): 이것은 아마도 인터리브된 DC-DC 변환기의 가장 일반적인 유형일 것입니다. 단일 소스가 단일 버스에서 병렬로 여러 변환기 단계에 전력을 제공합니다. 각 변환기 단계는 출력 버스의 나머지 부하와 갈바닉으로 분리될 수 있는 자체 부하에 출력 전력을 공급합니다.
다중 입력 단일 출력 (MISO): 이것은 SIMO 인터리브된 DC-DC 변환기의 반대입니다. 이 변환기들은 일반적으로 서로 독립적이며 동일한 입력 버스를 공유하지 않는 여러 전원원으로 작동합니다. 출력 버스는 모든 변환기가 단일 부하에 전력을 제공하는 것이 공유됩니다.
다중 입력 다중 출력 (MIMO): 이것들은 아마도 가장 복잡한 인터리브된 DC-DC 변환기일 것이지만, 태양광 배열에서 배터리 충전기에 사용되는 표준 유형의 변환기입니다. 여러 소스가 여러 전력 단계와 인터리브되어 여러 부하에 전력을 공유할 수 있습니다.

위의 목록에서, 인터리브 변환기가 필요할 수 있는 두 가지 명확한 상황이 있습니다. 첫째, 각각 다른 전압을 가지고 각각 다른 스텝업 또는 스텝다운 요인을 요구하는 여러 소스로부터 전력을 끌어내야 할 수도 있습니다. 둘째, 매우 다른 임피던스를 가진 여러 부하에 전력을 공급해야 할 수도 있습니다. SISO 변환기의 출력 버스에 저 임피던스 부하를 배치하면 변환기가 불연속 전도 모드로 들어갈 수 있지만, 이 부하를 자체 변환기 단계에 격리시키면 다른 모든 부하에 대해 불연속 작동을 피할 수 있습니다.

인터리빙의 목표

위에서 연속 전도 모드 작동을 보장하는 것에 대해 언급했지만, 이 모드에서 작동하는 것을 보장하는 것보다 더 많은 것이 있습니다. 불연속 모드에서 전적으로 작동하는 변환기의 예가 있습니다. 인터리빙의 전체 포인트는 간단합니다: 전달된 전류의 리플을 줄이는 것입니다. 이는 아래 예에서 보여주는 것처럼 스위칭 PWM 신호의 위상을 오프셋함으로써 이루어집니다.

이 예에서, 우리는 2개의 동일한 인덕터를 가지고 있으며, 변환기의 각 단계에서 전력 MOSFET에 보내진 PWM 신호는 90도(그래프 Q1 및 Q2로 표시됨)로 위상이 어긋납니다. 여기서, 회로로 끌어들인 총 전류와 출력에 전달된 총 전류는 출력 인덕터의 전류 합계입니다. 이 두 곡선을 아래 그래프에서 더함으로써, 우리는 총 전류가 단독으로 있는 어느 곡선에 비해 훨씬 낮은 리플을 가질 것임을 볼 수 있습니다.

위의 그래프에서 변환기로 끌어들인 전류와 부하 구성요소에 공급된 전류에 대한 두 가지 효과를 유추할 수 있습니다:

SIMO 컨버터의 입력에서: 인덕터 전류의 위상 차이로 인해 소스에서 뽑아내는 총 전류가 더 부드러워집니다. 총 전류가 각 출력으로 분할되기 때문에, 각 출력 전류는 인자 N만큼 리플이 낮아집니다.
MISO 컨버터의 출력에서: 이제 위상 차이로 인해 단일 부하로 전달되는 전류의 리플이 낮아집니다. 입력에서 뽑아내는 개별 전류들은 인자 N만큼 리플이 낮아집니다.

이러한 이유로, 이 시스템들은 때때로 다른 위상을 사용하는 PWM 신호를 여러 단계에서 사용하기 때문에 "다상 전력 컨버터"라고 불립니다. 이 PWM 신호들은 마스터 클록에 동기화될 수 있으며, 개별적으로 위상이 추가될 수 있습니다. 가능하다면 스위칭 단계를 위한 PWM 게이트 드라이버에서 말이죠.

전력 요소 보정

컨버터가 AC 전력(소스나 부하로서)에 연결될 경우, 높은 전류에서 작업할 가능성이 높기 때문에 전력 요소 보정(PFC) 회로가 필요할 것입니다. DC-DC 컨버터가 인터리브된 토폴로지로 설계될 수 있듯이, PFC 섹션도 마찬가지입니다. 즉, 각 컨버터 단계에 PFC 회로를 적용할 수 있어 고조파 왜곡을 제거하는 간단한 방법을 제공합니다. 이는 다음 섹션에서 보여줄 블록 다이어그램을 따릅니다.

인터리브된 DC-DC 컨버터를 위한 구성 요소 선택

위의 예에서는 특정 회로 다이어그램을 보여주지 않았습니다. 왜냐하면 표준 스위칭 컨버터 토폴로지 중 어느 것이든 인터리빙을 구현할 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 아래의 블록 다이어그램을 고려해 보세요. 여러 입력을 수용할 수 있는 PFC 섹션이 있고, PFC 섹션은 출력에서 여러 컨버터에 연결됩니다. 컨버터 섹션은 표준 스위칭 레귤레이터 토폴로지 중 어느 것이든 될 수 있으며, 일반적인 PWM 드라이버/컨트롤러로 구동됩니다. 다음 섹션에서는 일부 다채널 PFC/컨트롤러 구성 요소의 예를 보여줄 것입니다.

현재까지 완전히 통합된 인터리브된 DC-DC 컨버터는 없습니다. 그러나 다른 레귤레이터 구성 요소와 마찬가지로, 표준 토폴로지를 가진 인터리브 스위칭 레귤레이터의 주요 컨트롤러/드라이버로 사용할 수 있는 여러 IC가 있습니다. 인터리브된 DC-DC 컨버터 설계를 시작할 준비가 되었다면, 이러한 예제 구성 요소들을 고려해 보세요. 이 구성 요소들은 새로운 설계를 위한 좋은 기준을 제공할 것이며, 아래에 제시된 응용 회로는 인터리브 회로가 어떻게 구축되는지 잘 보여줄 것입니다.

Texas Instruments, LM5032

Texas Instruments의 LM5032는 DC-DC 전력 변환 응용 프로그램을 위한 이중 인터리브 PWM 드라이버입니다. 이 장치는 36V에서 75V DC 전력을 받아들이고 두 개의 PWM 구동 신호로 출력 전압을 상승시키거나 하강시킵니다. 이 PWM 드라이버 신호는 프로그래밍 가능한 주파수가 최대 2MHz인 표준 전력 변환기 회로의 출력 측에 MOSFET을 전환할 수 있습니다. 넓은 입력 전압 범위는 이 구성 요소를 배터리 충전/방전을 위한 EV/HEV 전력 관리 시스템에 적용 가능하게 합니다. 다른 응용 분야에는 산업 시스템과 통신 시스템이 포함됩니다.

Texas Instruments, TPS40322The TPS40322 from Texas Instruments는 인터리빙 응용 프로그램에서 사용할 수 있는 이중 위상 벅 컨버터 드라이버/컨트롤러입니다. 이 컨트롤러는 입력 전압 범위 전체에서 90%를 초과하는 효율을 제공할 수 있습니다. 출력 전압은 3개의 핀에 있는 패시브로 구성할 수 있으며, 외부 전류 제한 저항을 사용하여 원하는 과전류 보호를 설정할 수 있습니다. 대상 응용 프로그램에는 저전압 네트워킹 장비와 소규모 데이터 센터에서 발견되는 기타 제품이 포함됩니다.

ON Semiconductor, FAN9672

ON Semiconductor의 FAN9672는 전기 그리드와 인터페이스하는 전력 변환기를 지원하기 위해 설계된 2채널 인터리브 PFC 컨트롤러입니다. 아래에 표시된 예제 응용 회로는 정류 섹션과 EMI 필터에 이어 각각 외부 드라이버 회로가 있는 두 개의 변환기 단계를 포함하는 표준 응용 프로그램을 보여줍니다. 예제 응용 프로그램에는 HVAC 장비부터 데이터 센터, 통신 및 산업 제품에 이르기까지 다양합니다.

인터리브 전력 시스템을 위한 기타 구성 요소

인터리브 DC-DC 컨버터 토폴로지를 사용하는 것의 큰 장점 중 하나는 설계에서 사용할 수 있는 필터링 구성 요소가 훨씬 작을 수 있다는 것입니다. 이것은 그들의 구성 요소 값에만 국한되지 않고, 물리적 크기에도 해당됩니다. 인터리빙 전략 덕분에 출력의 리플 전류가 자연스럽게 낮아지므로, 총 리플을 줄이기 위해 더 큰 커패시터와 인덕터를 사용할 필요가 없습니다.

인터리브 전력 시스템을 지원하기 위해 많은 다른 구성 요소가 필요하기 때문에, 시작하는 데 도움이 되도록 아래에 목록을 작성했습니다. 전력 전자 구성 요소의 범위는 이미 넓고, 이러한 많은 구성 요소가 인터리브 전력 변환기에 적용될 수 있습니다. 필요할 수 있는 몇 가지 다른 중요한 구성 요소는 다음과 같습니다:

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