LLC 컨버터 설계에서의 인덕터 및 변압기 선택

작성 날짜: 오월 20, 2021
업데이트 날짜: 칠월 1, 2024

이 인덕터는 LLC 컨버터 설계에 필요한 많은 구성 요소 중 하나입니다

대형 산업 시스템이든 소형 웨어러블이든 모든 전자 제품에는 전원 공급 장치와 전원 조절이 필요합니다. 자동차 전원 관리 장치, 가전제품용 전력 변환기 또는 산업용 전력 시스템을 설계하는 경우, DC-DC 변환 및 조절을 위해 LLC 컨버터 설계를 사용할 가능성이 높습니다. 이 토폴로지는 간단한 조절 방식으로 높은 전력 변환 효율을 제공하지만, 모두 올바른 구성 요소를 선택하는 것에 달려 있습니다.

LLC 컨버터 설계에서 중요한 두 가지 기본 구성 요소는 인덕터와 변압기입니다. 이 두 구성 요소는 전력 변환을 지배하며 컨버터 단계의 1차 측에서 공진 동작을 결정합니다. PFC 회로와 제어 루프와 함께 설계되면 다양한 응용 프로그램에 적합한 고효율 전력 변환기를 갖게 됩니다.

LLC 컨버터 설계를 위한 구성 요소

LLC 공진 컨버터는 출력 전압이 파워 MOSFETs를 사용하여 하프 브리지 또는 풀 브리지 회로의 구동 주파수를 조정함으로써 제어되는 스위칭 DC-DC 컨버터입니다. 브리지 회로에서 나온 출력 전류는 변압기와 직렬로 연결된 공진 LC 탱크로 흐릅니다. 그런 다음 변압기가 펄스 전압을 2차 측으로 승압 또는 강압합니다.

컨버터의 2차 측에는 다이오드 또는 MOSFET으로 구성된 브리지 정류 회로가 포함되어 있으며, 출력 전압/전류를 안정된 DC 수준으로 정류합니다. 커패시터 은행은 출력 전압을 추가로 안정화하고 리플을 낮은 노이즈 DC 값으로 줄입니다. 이 컨버터는 복잡한 토폴로지를 가지고 있지만, 제어 방법은 매우 간단하며 컨버터에 필요한 기능적 블록은 시중에 구입할 수 있는 다양한 구성 요소로 구축할 수 있습니다. 아래에 표시된 것처럼 LLC 컨버터 설계의 기본 토폴로지입니다.

하프 브리지 LLC 컨버터 설계의 토폴로지.

출력 전압을 제어하기 위해 PWM 신호의 듀티 사이클을 변경해야 하는 다른 스위칭 컨버터와 달리, LLC 컨버터는 출력 전압을 필요한 값으로 설정하기 위해 주파수(펄스 주파수 변조 또는 PFM)를 변경해야 합니다. 위의 하프 브리지 LLC 컨버터 설계에서 트랜지스터 Q1과 Q2는 180도 위상 차이로 스위칭됩니다. 상단 트랜지스터가 켜지면 전류가 커패시터 Cr로 흐르며 충전됩니다. Q1이 꺼지고 Q2가 켜지면 Cr이 방전됩니다. 두 사이클 모두 2차 측에 전류를 유도하며, 그 후 DC 전압으로 정류됩니다. 출력 측의 커패시터 은행은 출력 전압을 안정된 값으로 평활화합니다.

공진 탱크 섹션(위 다이어그램의 LLC 회로)에서 이득을 활용함으로써, 1차 측의 전압을 조정하고 원하는 값으로 유지할 수 있습니다. 피드백 루프를 통해 측정된 전압은 게이트 드라이버 회로에서 PFM 신호를 조정하는 데 사용되며, 이는 1차 측 LLC 네트워크에서 더 많거나 적은 이득을 활용합니다. 이는 변압기와 인덕터가 중요해지고 올바른 이득 범위를 제공하기 위해 선택되어야 하는 지점입니다.

인덕터 및 변압기 선택 기준

인덕터와 변압기는 LLC 컨버터 설계에서 제대로 기능하기 위해 특정 기준을 충족해야 합니다:

코일 인덕턴스 값: LLC 컨버터 단계의 두 코일의 인덕턴스 값은 커패시터 Cr의 값에 따라 달라집니다. 일반적인 커패시터 값은 Cr ~ 100 nF에서 1 uF이므로, 1차 측 인덕터(Lr)는 100 kHz 근처에서 작동할 때 ~0.1 mH가 됩니다(일반적인 게이트 드라이버 주파수). 변압기의 1차 측 코일(Lm)의 인덕턴스는 일반적으로 Lr의 값의 약 5-10%입니다.
코일 저항 및 전류 등급: 도체의 저항은 변압기/인덕터에서 전류 등급에 영향을 미칩니다. 이상적으로 코일 저항은 열 발생을 줄이기 위해 가능한 한 낮아야 합니다.
권선 커패시턴스. 이 기생성분은 컨버터가 다른 고속 디지털 회로 블록을 구동하는 경우 중요해지는 노이즈에 대한 감수성을 결정합니다. 물리적으로 작은 인덕터와 변압기는 더 큰 권선 커패시턴스를 가집니다.
추가 1차 또는 2차 측 코일: 변압기는 피드백 루프 및 시스템의 다른 구성 요소에 전력을 공급하기 위해 전압을 ~5 V 또는 ~3.3 V로 낮추는 1차 측에 여러 코일을 가질 수 있습니다.
풋프린트: 고전력 작동을 위해 설계된 LLC 컨버터는 큰 구성 요소를 가집니다. 풋프린트는 ~1 kW 컨버터에서 ~5-10 cm 크기일 수 있습니다.

고전력 LLC 컨버터 설계에서 흔히 사용되는 인덕터의 한 예는 Bourns의 2300HT 시리즈 파워 인덕터입니다. 이 인덕터는 작은 풋프린트(지름 최대 1.28인치)를 가지고 있으며 2.9에서 38.7 A까지의 전류를 견딜 수 있습니다. 극한 환경에서 고전력 컨버터에서 발생할 수 있는 고온에 견딜 수 있도록 특별히 설계되었으며, -55에서 +200 °C까지의 작동 온도 등급을 가집니다. 또한 디자이너에게 필요한 경우 낮은 프로필 옵션을 제공하는 수직 또는 수평 장착 스타일로 제공됩니다.

2300HT 시리즈 인덕터 사진 및 기계적 도면. 2300HT 데이터시트에서.

Würth Elektronik의 펄스 변압기 라인은 고전력 LLC 컨버터 설계에 사용할 수 있는 한 가지 옵션입니다. 이 변압기들은 중간 전력 시스템에서 필요한 낮은 인덕턴스와 높은 전류 등급을 제공합니다. 또한 상대적으로 작은 패키지에서 출력 전압/전류 값을 선택하기 위한 다양한 단자를 가지고 있습니다.

Würth Elektronik의 750311591 펄스 변압기를 위한 예시 발자국 데이터. 750311591 데이터시트에서.

LLC 공진 컨버터 설계를 위한 기타 구성 요소

변압기의 코일 인덕턴스와 기본 인덕터 값을 결합함으로써, LLC 컨버터 설계에서 사용 가능한 주파수 범위를 선택할 수 있습니다. 위에 표시된 LLC 공진 단계와 PFC 회로에서 사용되는 피드백 및 제어 루프에 나타나야 할 몇 가지 다른 구성 요소가 있습니다. 이러한 구성 요소에는 다음이 포함됩니다:

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