파워일렉트로닉스입문-5. 스위칭 출력회로의 구조와 동작

PWM 회로의 제어신호를 전력증폭하여 부하에 전달한다.

5. 스위칭 출력회로의 구조와 동작


제4장에서는 펄스 폭 변조를 걸어 전력을 제어하기 위해 신호를 생성하는 아날로그 PWM과 디지털 PWM을 소개했 다. 스위칭 출력회로에서는, 제2장에서 해설한 PWM 신호에 의한 듀티를 가진 파형이 출력된다. 그렇다면 PWM 회로의 신호 그대로 부하를 구동하면? 이라고 생각할 수 있겠지만 그 렇게 쉽게 되지는 않을 것이다. 실제 부하는 PWM 회로에서 출력되지 않는 큰 전압과 전류로 구동할 필요가 있다. 고전 압, 대전류출력의 스위칭 출력회로가 필요하다.
이 장에서는 PWM 회로의 신호를 사용하여 부하에 전력을 공급하는 증폭기(전력변환기)의 구조와 동작을 설명한다.

대표적인 2가지 스위칭 출력회로

직류를 출력하기 위해서는 스위칭 소자가 1개만 있어도 된 다. 그러나 교류신호를 출력하려면 스위칭 출력회로는 정(＋) 과 부(－)의 양극성 신호를 출력해야 한다. 거기에는 2개 이 상의 스위칭 소자가 필요하다. 대표적인 파워 회로의 스위칭 출력회로에는 하프 브리지 출력회로와 단전원, 4개의 스위칭 소자를 사용하여 전력 변환하는 풀 브리지 출력회로가 있다.

1. 2개의 스위치를 조합한 하프 브리지 회로
그림 1에 하프 브리지 출력회로를 나타낸다. 

교류신호를 출력하기 위해 정과 부의 양극성 전원이 필요하다. 그림 2에 각 모드의 동작을 나타낸다. 

상하의 스위칭 소자 Tr1과 Tr2를 교대로 도통시키고 그 ON 시간을 가변하여 출력전압을 제어 한다.
그림 2(a)는 하이 사이드 스위치 Tr1이 ON, 로우 사이드 스위치 Tr2가 OFF했을 때의 동작이다. VDD를 에너지원으로 하고 전류는 VDD → Tr1→ L → C3 → VSS로 흐른다. C3는 위쪽이 정극성으로 된다.
그림 2(b)는 Tr1과 Tr2가 양쪽 모두 OFF했을 때의 동작이 다. L1의 전류를 연속적으로 하기 위해 Tr2의 보디 다이오드 D2가 도통한다. L1의 전류 방향은 그림 2(a)와 마찬가지로 VSS → D2 → L1 → C3 → VSS의 경로를 흐른다. 이것을 전류 (轉流)동작이라 한다. C3는 상부가 정극성인 상태이다. 그림 2(c)는 Tr1이 OFF, Tr2가 ON했을 때의 동작이다. VSS를 에너지원으로 하고 전류는 VSS → C3 → L1 → Tr2 → VSS로 흐른다. C3는 하부가 정극성으로 된다.
그림 2(d)는 Tr1과 Tr2가 양쪽 모두 OFF했을 때의 동작이 다. L1의 전류를 연속적으로 하기 위해 Tr1의 보디 다이오드 D1이 도통한다. L1의 전류 방향은 그림 2(c)와 마찬가지로 VDD → C3 → L1 → D1 → VDD의 경로를 흐른다. C3의 아래 쪽 극성은 정(＋) 상태이다.

2. 4개의 스위치를 조합한 풀 브리지 회로
그림 3에 풀 브리지 출력회로를 나타낸다. 

스위칭 소자의 구성에서 H 브리지라고도 불리며 현재 대표적인 스위칭 출력 회로로 널리 사용되고 있다. 그림 4에 각 모드의 동작을 나타낸다. 

대각선으로 배치된 TR1, Tr4와 Tr2, Tr3를 교대로 도통 시키고 그 ON 펄스의 폭을 가변하여 출력전압을 제어한다. 이것이 가장 일반적인 제어방식이다. 후술하는 극성전환방식 제어와 구별하기 위해 여기서는 합차식 제어라 부른다.
그림 4(a)는 Tr1과 Tr4가 ON, Tr2와 Tr3가 OFF했을 때의 동작이다. VDD를 에너지원으로 하고 전류는 VDD → Tr1 →L1 → C3 → Tr4→ VDD로 흐른다. C3는 위쪽이 정극성으로 된다. 그림 4(b)는 Tr1~Tr4가 모두 OFF했을 때의 동작이 다. L1의 전류를 연속적으로 흘리기 위해 Tr2와 Tr3 의 보디 다이오드 D2, D3가 도통한다. L1의 전류는 그림 4(a)와 마찬 가지로 VDD → D2 → L1 → C3 → Tr3 → VDD로 흘러 전류동 작을 실행한다. C3의 위쪽은 정극성인 상태이다.
그림 4(c)는 Tr2와 Tr3가 ON, Tr1과 Tr4가 OFF했을 때의 동작이다. VDD를 에너지원으로 하고 전류는 VDD → Tr3 → C3 → L1 → Tr2 → VDD로 흐른다. C3의 아래쪽이 정극성으 로 된다.
그림 4(d)는 Tr1~Tr4가 모두 OFF했을 때의 동작이다. L1 의 전류를 연속적으로 하기 위해 Tr1과 Tr4 의 보디 다이오드 D1, D4가 도통한다. L1의 전류는 그림 4(c)와 마찬가지로 VDD → D4 → C3 → L1 → D1 → VDD로 흘러 전류동작을 실 행한다. C3는 아래쪽이 정극성인 상태이다.
이러한 4가지 동작 모드를 반복하여 L1의 여자전류 방향과 C3의 극성이 스위칭 주기로 정(＋)과 부(－)로 된다.

3. 데드 타임의 필요성
하프 브리지 회로나 풀 브리지 회로도 상하의 스위칭 소자 가 동시에 ON하면 전원끼리 또는 전원과 그라운드 사이가 쇼트되어 큰 관통전류가 흐른다. 이 관통전류를 슈트 스루 전 류라 한다.
슈트 스루 전류는 부하를 구동하는 에너지로 되지 않으며 스위치 소자에서 손실을 발생시킨다. 과대한 슈트 스루 전류 가 흐르면 전원회로가 파괴되거나 퓨즈가 절단되고 스위치 소자 그 자체가 파괴돼버린다.
슈트 스루 전류를 방지하기 위해서는 그림 2 또는 그림 4에 나타난 스위칭 소자 ON/OFF 상태의 천이기간에 모든 스위 칭 소자가 OFF하는 휴지기간(데드 타임)이 필요하다. 데드 타임을 너무 길게 하면 제어할 수 있는 출력전압 범위가 좁아진다. 데드 타임은 가급적 작게 해야 한다.

하프 브리지? 아니면 풀 브리지? 교류출력인 경우, 전압의 극성이 교대로 전환될 필요가 있 다. 하프 브리지 회로인 경우, 그림 1과 같이 정과 부의 전압을 출력하기 위해서는 정과 부의 양극성 전원이 필요하다. 한편, 풀 브리지 회로인 경우에는 그림 3과 같이 편극성 전원만 있어 도 된다. 하프 브리지 회로의 장점은 출력단의 회로구성이 간단하다 는 점이다. 출력단의 파워 MOSFET 수가 풀 브리지 회로에 비해 반으로 되고 이로써 드라이브 회로도 반으로 해결된다. 결점은, 드레인-소스 사이에 전원전압의 2배(280V)라는 높 은 전압이 인가된다는 점이다. 그림 2(a)에서 Tr1이 ON이고 Tr2가 OFF일 때 Tr2에는 280V가 드레인-소스 사이에 인가된 다. 한편, 풀 브리지 회로의 경우 그림 4(a)에서 Tr1과 Tr4가 ON, Tr2와 Tr3가 OFF일 때 Tr2에는 전원전압의 반(140V)이 드레인-소스 사이에 인가된다. 같은 출력전압이 필요한 경우, 하프 브리지 회로에 비해 반 정도의 드레인-소스간 전압으로 해결된다. 이것은 풀 브리지 회로에서 최대 드레인-소스간 전압이 낮은 파워 MOSFET를 사용할 수 있다는 것을 의미한다. 풀 브리지 회로의 결점은 출 력단의 회로구성이 복잡하다는 것이다. 이상에서 출력용량이 비교적 작을 때는 하프 브리지 회로를, 출력용량이 클 때는 풀 브리지 회로를 선택하는 경우가 많은 것 같다. 단, 출력전력이 작아도 출력전압이 높으면 풀 브리지 회로 쪽은 드레인-소스간 최대전압 정격이 낮은 파워 MOSFET를 사용하게 되므로 선택의 폭이 넓어진다. 출력전압이 같 을 경우에는 출력용량이 300~500W 정도 이상일 때 풀 브리 지 회로를 선택하는 기준으로 될 것이다.

[출처] 5. 스위칭 출력회로의 구조와 동작|작성자 맥가이심

출처: http://www.icbanq.com/elecinfo_net_new/Elec_TechInfo_List.aspx?page=6&