플라이백 변압기 설계: 코어 및 코일포머 사용

이 기사에서는 제가 이전에 진행한 맞춤형 플라이백 컨버터 프로젝트에 필요한 변압기 설계 매개변수를 결정하기 위해 사용된 설계 과정을 소개하겠습니다. 이 설계 프로젝트에서 저는 AC 입력을 받아 DC로 정류한 다음 3.3V 출력으로 낮추는 플라이백 컨버터를 설계했습니다. 컨버터는 Texas Instruments UCC28881을 기반으로 합니다. 많은 격리된 스위칭 컨버터의 경우와 마찬가지로, 이 설계에는 맞춤형 변압기가 필요했습니다.

Texas Instruments의 WEBench 도구는 이 설계에 대한 설계 지침과 코어/코일포머 추천을 제공합니다. 이 설계 과정에서 저는 그들의 코어와 코일포머 추천을 사용하여 변압기 설계를 완성할 것입니다. 또한 설계된 변압기의 물리적 매개변수를 계산할 것입니다.

맞춤형 변압기 설계 시작하기

격리된 스위칭 컨버터에서 필요한 변압기 매개변수를 결정하는 가장 좋은 전략은 보조(출력) 측에서 시작하여 주 측으로, 그리고 필요한 경우 삼차 코일로 작업하는 것입니다. 다음 과정으로 시작할 것입니다:

• PWM 주파수와 듀티 사이클을 기반으로 주 인덕턴스를 확인
• 인덕턴스와 전압을 사용하여 변환 비율을 결정
• 코어의 재질 특성을 기반으로 필요한 권선 수를 결정
• 필요한 와이어 게이지와 창 영역을 기반으로 코일포머 크기가 작동할 것인지 확인

이 과정에서 몇몇 매개변수는 여러분이 결정할 수 있다는 점을 유의하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 스위처의 기능을 기반으로 스위칭 주파수와 목표 최소/최대 PWM 듀티 사이클을 선택할 수 있습니다. 이러한 매개변수에서 필요한 변경을 수용하기 위해 인덕턴스를 조정해야 할 수도 있습니다.

다음으로, 평균 전류와 평균 전력 전달을 기반으로 코일포머에서 사용할 수 있는 와이어 게이지 크기에 제약이 있을 수 있습니다. 평균 전류가 높을수록 변압기가 너무 많이 가열되지 않도록 더 큰 와이어 게이지가 필요합니다. 따라서 변압기가 더 높은 평균 전류로 더 많은 전력을 전달하기를 원한다면 물리적으로 더 큰 변압기가 필요할 것입니다.

이를 염두에 두고 인덕턴스로 넘어가 보겠습니다.

주 및 보조 코일 (불연속 모드)

먼저, 다음과 같이 주 및 보조 코일 인덕턴스를 계산할 수 있습니다:

이 L(s) 방정식은 불연속 전류 모드 작동을 나타냅니다; 부등호의 방향을 변경하면 연속 모드 작동을 가질 수 있습니다. V(diode)는 보조 측의 정류 다이오드의 순방향 전압입니다.

이 방정식에서는 스위처가 출력 전압을 지속적으로 조절할 수 있도록 하는 2차 인덕턴스의 한계를 결정하고자 합니다. 전압 모드 제어에서 스위처는 듀티 사이클을 조정하므로, 인덕턴스의 상한을 결정하기 위해 최대 듀티 사이클과 주파수를 사용해야 합니다. 최대 전류 출력과 2차 전압은 명목값입니다.

턴비와 실제 듀티 사이클

다음으로, 컨버터가 작동해야 하는 턴비와 실제 듀티 사이클을 결정해야 합니다. 실제 듀티 사이클이 스위처의 최대 듀티 사이클보다 작다면, 2차 측의 인덕턴스가 조절을 유지하기에 너무 크지 않으므로 설계는 실행 가능해야 합니다.

이 방정식은 턴비와 듀티 사이클 사이의 관계를 제공합니다. 스위처는 최대 듀티 사이클까지 어떤 듀티 사이클에서든 작동할 수 있으며, 제어 루프는 출력 전압의 측정을 기반으로 PWM 듀티 사이클을 조정합니다. 듀티 사이클을 알게 되면, 이 방정식에 그 값을 대입하여 필요한 턴비를 얻습니다.

다음으로, 스위처를 통해 흐르게 될 최대 전류를 알아보는 것이 유용합니다. 이는 일부 스위처에 과전류 보호 기능이 있을 수 있기 때문에 중요하며, 이에는 UCC28881도 포함됩니다. 이제 최대 전류 사양, 목표 듀티 사이클, 턴비 값을 사용하여 최대 전류를 확인해야 합니다. UCC28881의 경우, 정지 전 최대 1차 전류 한계는 아래와 같습니다(연속 440 mA, 펄스 770 mA).

다음 섹션에서는 최대 펄스 전류 한계와 일부 저감을 사용하여 설계가 내 사양을 충족할 수 있는지 확인할 것입니다.

수학 검증

여기서, 내 의도는 변압기와 컨버터를 설계하여 최대 듀티 사이클의 50%가 허용되는 최대 전류의 절반에 해당하도록 하는 것입니다. 이제 이 방정식들을 가지고 있으므로, 몇 가지 숫자를 대입하여 턴비를 결정할 수 있습니다.

• 입력 값:
  • 최대 V(In) = 240 V AC RMS
  • f = 62 kHz, D(max) = 0.5 (데이터시트의 평균값 기준)
  • D(목표) = 0.3 (설계에 의해 선택됨)
  • I(pk, 1차) = 0.385 A, I(Avg, 1차) = 0.116 A
  • 쇼트키 정류 다이오드 순방향 전압: V(다이오드) = 0.5 V
  • V(출력) = 3.3 V
• 출력 값
  • D(목표)를 기반으로 할 때, Np/Ns = 19.17
  • I(pk, 2차) = 8.45 A, I(Avg, 2차) = 2.54 A
  • L(s,max) = 3.02 uH

이러한 수치를 바탕으로, 설계는 실행 가능하며 목표 코일 인덕턴스를 달성할 수 있다면 변환기는 목표 출력 전류를 문제없이 공급할 수 있어야 합니다. 이제 목표 인덕턴스를 달성할 수 있는 코어와 코일포머를 확인해야 할 시점입니다.

현장에서 구할 수 있는 코어와 코일포머

이제 인덕턴스 목표와 권선비를 알게 되었으므로, 변압기를 구축하기 위한 코어와 코일포머를 선택하기 시작할 수 있습니다. 위에서 언급했듯이, 높은 출력 전류는 코일을 감는 데 사용할 수 있는 배선에 제한을 줄 것이므로, 코어와 코일포머를 선택할 때 확실히 고려해야 할 사항입니다.

이 시점에서, 인덕턴스 목표를 달성하는 데 도움이 될 코어와 코일포머 세트를 온라인에서 찾아볼 수 있습니다. Texas Instruments가 추천하는 코일포머, 코어, 그리고 요크는 다음과 같습니다:

• 코일포머 (수량 1): B66418W1008D001
• 에어갭이 있는 E-코어 섹션 (수량 2): B66417U0250K187 또는 에어갭이 없는 E-코어 섹션 (수량 2): B66417G0000X149 2개의 권선층과 함께
• 요크 (수량 2): B66418B2000X000

코어 데이터 시트에서, 인덕턴스 계수라고 불리는 사양을 볼 수 있습니다. 인덕턴스 계수는 권장되는 코일포머를 사용할 때 코어 주위의 권선 수당 인덕턴스를 알려줍니다. 위에 나열된 권선비와 현재 요구 사항을 바탕으로, 2차 코일에는 AWG 26 와이어로 3회 권선, 1차 코일에는 AWG 30 와이어로 57회 권선(2개의 와이어 층으로 감음)을 사용할 수 있습니다. 이는 다음과 같습니다:

• L(s) = 2.25 uH
• L(p) = 812.25 uH

이는 TI가 WEBench에서 추천하는 값보다 약간 낮지만, 변압기의 전형적인 권선 인덕턴스 허용 오차 값 내에 있으므로, 단속 모드 설계에 유효하다고 표시합니다. 연속 모드로 작동 모드를 변경하고 싶다면, 2차 측에 2회 더 권선을 추가하기만 하면 됩니다. 이는 또한 2차 측의 자속 밀도를 줄일 것입니다.

추가 검증

한 가지 검증 단계는 선택한 와이어 게이지가 코일포머를 과도하게 채우는지 여부를 결정하는 것입니다. 배선의 시스 직경을 사용하여 코일이 차지하는 총 거리를 계산합니다. 이 숫자가 코일포머의 길이를 초과하면 더 큰 코일포머를 사용하거나 와이어 직경을 줄여야 합니다. 후자의 경우, 온도를 낮게 유지하기 위해 2차 측에서 허용되는 전류를 줄여야 할 수도 있습니다.

마지막 검증은 플럭스 밀도를 코어 재료의 포화 플럭스와 비교하는 것입니다. 이는 코어 재료 공급업체의 지원이 매우 중요한 부분입니다. 왜냐하면 이러한 값은 데이터시트에 항상 명시되어 있지 않기 때문입니다. 포화 상태에서, 효율성이 크게 감소하기 시작하므로, 플럭스 밀도가 포화 밀도 이하인지 확인해야 합니다. 이것이 우리가 코일에 회전수를 더 많이 원하는 이유 중 하나입니다. 또한, 이는 플럭스 밀도를 감소시키기 때문에, 더 작은 투자율을 가진 코어 재료를 사용하고 싶을 수도 있습니다.

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