파워일렉트로닉스입문-8. 정전력 스위칭 전원의 설계와 제작

자동차용HID 램프를 구동하는 스위칭 파워회로

8. 정전력 스위칭 전원의 설계와 제작


최근 눈부실 정도로 밝은 헤드라이트가 탑재된 자동차를 많 이 보았을 것이다. 이 헤드라이트는 고휘도방전 램프(HID 램 프)라 불리는 램프가 사용되고 있다. HID는 High Intensity Discharge의 약자이다.
사진 1에 HID 램프의 일종인 메탈 헬라이드 램프의 외관을, 그림 1에 그 구조를 나타낸다.

이 HID 램프를 점등하는 회로는 일정한 전력을 출력하는 PWM 제어 스위칭 파워 회로이다. 여기서는 제7장까지 설명 했던 파워 회로의 실용적인 설계 예로, 35W 일정 전력을 출 력하는 스위칭 전원회로를 소개하고자 한다.
그림 2와 같이 이 회로는 일정한 직류를 출력하는 정전력 스위칭 전원과 DC-AC 변환회로로 구성되어 있다. 

소개하는정전력 스위칭 전원의 사양은 다음과 같다.
.출력전압：85V(무부하 시 380V)
.출력전력 ; 35W
.입력전압：약 10V~16V
.최대 출력전류：약 0.5A
정전력 스위칭 전원은 스패터 방전이나 용접 등의 방전을 이용하는 시스템과 램프의 방사강도 변동을 작게 억제하는 초고압 수은 램프의 안정기 등에도 사용되고 있다.

방전 램프의 기초지식

1. 동작
자동차용 방전 램프는 고압방전등의 메탈 헬라이드 램프로 분류된다. 크세논 가스, 수은, 요오드화 금속 등이 봉입되어 있다. 방전 램프는 백열전구에 비해 발광효율이 높으며 수명 이 길고 발광색이 자연광에 가깝다는 특징이 있다.
방전 램프가 냉각되어 있을 때 수은이나 요오드화 금속은 액체 또는 고체 상태로 되어 있다. 방전이 시작되면 크세논 가스가 발광하여 방전 램프 내의 온도가 상승, 수은이 기화하 고 수은등으로서 동작한다. 또한 온도가 상승하면 금속발광 으로 되므로 정상상태에서는 금속발광이 지배적으로 된다. 이러한 상태를 거쳐 방전 램프 내부의 증기압이 정상값에 도 달할 때까지는 몇 분이 걸린다.

2. 구동회로에서 본 특성
일반적으로 방전 램프는 정전압 특성에 가까운 특성을 나 타내기 때문에 점등을 유지하기 위해서는 구동전류를 제어해 야 한다. 그러나 램프 전압은 완전한 정전압 동작이 아니라 개체 차이나 램프 극간의 마모, 주위온도의 영향 등 점등시간 의 경과에 따라 30V 정도 변화된다.
또 구동전력이 정격전력보다 너무 많거나 적어도 수명이 짧아진다는 성질이 있다.
통상적인 명도를 일정하게 하고 수명을 길게 유지하기 위 해 정전력 전원으로 구동한다.
방전 램프는 비점등 시 도통이 없다. 방전개시 직후의 램프 전압은 20V 정도까지 저하된다. 방전 램프 내의 온도상승에 따 라 관전압은 서서히 상승하여 정상일 때에는 약 85V로 된다. 그림 3에 방전 램프를 300Hz 구형파로 정전류 구동했을 때의 전압 변화를 나타낸다. 

0.3~0.5A 이하에서는 방전을 유지할 수 없었다.

3. 다양한 구동방법
방전 램프의 구동방법에는 직류 구동, 고주파(수백kHz)의 정현파 구동, 저주파(수백Hz)의 구형파 구동 등이 있으며 각 각 다음과 같은 특징이 있다.
저주파 구형파 점등방식은 주파수가 수백Hz로 낮기 때문 에 스위칭 주파수의 리플 전류를 규정값 이내로 억제하면 기 본적으로 음향적인 공명현상은 발생하지 않는다. 구동신호의 정(＋)과 부(－)가 교대로 반전하기 때문에 심플한 전극구조 의 방전 램프를 이용할 수 있다. 이번 구동회로나 시판 제품 은 이 방식을 사용하고 있다.
직류 구동은 구동회로의 규모를 작게 할 수 있지만 방전 램 프의 양극이 전자의 돌입에 의해 고온으로 되기 때문에 전극 이 전용으로 설계되어야 한다.
고주파 구동은 특정 주파수에서 방전 램프가 공명하고 플 리커, 소호(消弧)가 일어나거나 방전 램프가 파열되는 등의 상태불량이 있을 수 있다.
이것을 피하기 위해 구동 주파수를 100k~1MHz로 설정 하면 전력효율이 떨어지거나 불요복사가 증가하는 등의 부작 용이 있다

4. 냉간 시동 시는 대전류를 유입한다
방전 램프가 냉각되어 있을 때는 20V 정도까지 램프 전압 이 떨어진다. 시판되고 있는 인버터식 형광등에서는 점등 직 후 어둡고 점차 밝아지는 것이 있지만 마찬가지로 정격의 정 전류로 구동된 것에서는 투입전력이 너무 낮아 광 출력이 작 아진다.
헤드라이트 등에 응용할 경우에는 일시적으로 투입하는 전류나 전력을 증가시킴으로써 관내의 온도를 빨리 올려야 한다.
단, 무제한으로 크게 하면 방전 램프의 수명열화가 진행되 므로 75W 이하 또는 2.6A 이하로 억제한다.

5. 아크 방전으로 빨리 이행시켜 안정동작을 유지한다
글로 방전에서 아크 방전으로 재빨리 이행시키기 위해서 는 수A~십 수A 정도의 돌입전류를 흘려야 한다. 방전개시 초기는 아크를 안정시키기 위해 낮은 주파수로 구동한다. 일 순간이라도 유지전류 이하로 되면 방전이 도중에 끊어져버 린다.
전원의 제어대역을 수kHz 이상으로 하여 100㎲ 정도의 사이에 이러한 동작을 완료해야 한다.

정전력 스위칭 전원부 설계

그림 1과 같이 정전력 스위칭 전원부는 전력변환을 실행하 는 트랜스와 파워 MOSFET, 전류를 검출하는 저항, 승산기, 출력전압을 380V로 클램프하는 콤퍼레이터, 40~60V로 동 작하는 콤퍼레이터로 이루어진다. 그림 4는 전체 회로이다.

1. ON-OFF형 승압 타입 사용
이 전원회로는 12V의 전원에서 85V의 전원을 생성하는 승압형 스위칭 전원이다. 이번에 채택한 스위칭 전원의 회로 방식은 ON-OFF형이다. 그림 5와 같이, ON-ON형은 스위칭 소자가 ON인 기간에 전력을 전송하는 방법이다. 

그림 6과 같이 저전압에서 대전류를 취급하는 타입이다. 

ON-OFF 형은 스위칭 소자가 ON인 동안 트랜스의 1차 코일에 자기 에너지로 축적해 놓고 OFF일 때 출력 측으로 전송하는 방법 이다. 이것은 고전압, 소전류용이다. 이 전원은 출력전압이 85V, 출력전력이 35W이므로 그림 6에서 ON-OFF형을 사 용했다. 출력전력은 VR1에서 조정한다.

2. 필요한 기능이 모두 내장된 전원 컨트롤러를 사용한다
일반적인 전류 모드형 스위칭 IC HA17385HRP(르네사 스 테크놀러지사)를 사용했다. 패키지는 8핀 DIP이다. 그림 7과 같이 전압 레퍼런스, 3각파 발생기, 에러 앰프,콤퍼레이터, 파워 MOSFET 드라이브단(段) 등 스위칭 전원을 구성하기 위해 필요한 회로를 모두 내장하고 있다. 

PWM파의 최대 듀티는 3각파 발생기에 부가되는 저항과 콘덴서의 값으로 설정한다.

3. 승산기는 가급적 풀 스케일 부근에서 사용한다
승산기는 아날로그 승산 IC NJM4200(신일본무선)을 사 용했다. 생산이 중지된 제품이지만 아키즈키전자통상에서는 아직 구입할 수 있을 것이다. 입수성에 있어서는 페어차일드사의 RC4200쪽이 좋다고 생각된다. 그림 8에 NJM4200의 내부 블록도를 나타낸다. 

대수 앰프를 내장하고 있다.
대수 앰프는 PN 접합의 전압이 전류의 대수에 비례하는 점을 이용한 것이다. 전류의 대수를 가감산하고 그 결과를 역 대수변환하고 있다.
트랜지스터 매칭의 양호성이나 온도에 의해 영향받기 쉬우 므로 발열원 근처에는 놓지 않도록 한다.
NJM4200의 전달함수는,
I3=(I1 X I2)/I4
로 표현된다.
입출력전류는 1μ~1mA의 범위에서 사용할 수 있다. 입력전 류가 5mA를 초과하면 파괴될 가능성이 있다. 또 작은 레벨 에서 사용하면 주파수 특성이 악화되므로 가급적 풀 스케일 부근에서 사용한다. 그림 4의 상수에서는 출력전력이 35W일 때 I1~I4≒200㎂가 된다.
전류검출에 흔히 사용하며 저항값이 낮은 것은 기생 인덕 턴스가 큰 경향이다.
그러나 이 회로의 출력전류는 직류이므로 저항에서 검출할 수 있다. 검출한 결과는 부(－)의 값이기 때문에 반전과 증폭 을 위해 앰프를 넣는다. 제어 정밀도는 ±5% 정도로 충분하 므로 꺾인 선 근사라도 상관없다.

4. 무부하 시의 출력전압 제한기능
방전개시 전에는 부하가 가벼우므로 평활 콘덴서나 정류 다이오드 등의 정격전압을 초과할 가능성이 있다.
이것을 방지하기 위해 출력전압이 380V 이상 되지 않도록 콤퍼레이터에 의한 보호회로를 설치한다. 그림 4에서는 출력 전압을 분압한 값과 NJM431(IC4)의 기준전압 2.5V를 비교 하여 IC5 내의 에러 앰프에 입력하고 있다.

5. 냉간 시동 시의 전력증가에 대응한다
전술한 바와 같이, 방전 램프의 온도가 낮을 때에는 출력전 력을 올려야 한다. 이것은 2SK1152(Tr1)와 NJM431(IC3) 의 회로에서 대응했다.
NJM431에는 R12와 R13을 부가하여 약 4배의 반전 앰프로 서 이용한다.
Tr1은 출력전압이 60V 이상으로 되었을 때 IC3의 출력을 클램프한다. 출력전압이 40V 이하일 때 IC3는 동작하지 않고 60V 이상에서 IC3의 출력이 클램프된다.
즉, 출력전압 40~60V의 범위에서 IC3의 출력이 직선적으 로 감소하는 전압이 얻어지며 이것을 승산기의 기준입력에 가산한다.

6. 평활 콘덴서 선정
(1) 용량 산출
스위칭 전원의 평활 콘덴서 값을 정확하게 구하기는 곤란 하다. 기준으로 스위칭 주파수를 fsw[Hz], 부하전류의 평균값 을 IOave[A], 허용 리플 전압을 Vrip[V], 스위칭 소자가 OFF 인 시간을 toff[s]라고 하면,
C＝ (IOave X toff)/Vrip.................(1)
에서 필요한 최저 용량값을 구할 수 있다.
(2) 입력과 출력 콘덴서에는 고(高)리플 내량(耐量)인 제품을 사용한다
입력의 디커플링 콘덴서와 평활 콘덴서에는 스위칭 주파수 의 리플 전류가 흐른다. 리플 전류는 콘덴서 내부에서 손실을 발생시킨다. 손실에 의한 온도상승이 클수록 콘덴서의 수명 이 짧아진다.
평활 콘덴서의 용량을 크게 하면 평활회로의 차단주파수가 내려가고 부귀환을 건 전원에서는 일반적으로 제어대역이 좁 아져 최종값으로 안정될 때까지 시간이 걸린다. 방전 램프와 같은 부하인 경우, 도중에 중단되는 경우도 있다.
전해 콘덴서는 리플 전류를 허용 리플 전류값보다 충분히 작게 하여 사용한다. 허용 리플 전류와 임피던스의 곱은 거의 일정하므로 용량을 증가시키거나 병렬 접속한다.
필름 콘덴서를 사용하는 경우에는 유전정접 tanδ가 작은 것을 사용한다. 자기발열을 측정하여 데이터 시트에 기재되 어 있는 허용 자기온도 상승 이하로 한다.
리플 전류에 전압 딜레이팅이 규정되어 있는 부품도 있다. 평활콘덴서에는 무부하 시 380V의 전압이 인가되기 때문에 내전압도 충분히 큰 것을 사용한다.

트랜스 설계

일반적으로 스위칭 전원에 사용하는 트랜스는 정확한 사양 에 구하기 쉬운 제품이 별로 없다.
사용하는 전원의 사양에 대해 최적으로 맞추려면 입출력전 압이나 전류, 스위칭 주파수 등의 조건에서 전용으로 설계해 야 한다. 참고로 필자가 이 회로용으로 트랜스를 설계한 순서 를 소개한다.
전술한 바와 같이 출력전력은 35W, 출력전압은 85V의 ON-OFF형을 사용하므로 전류 불연속 모드에서 상용 듀티 는 40%로 하여 트랜스를 설계한다.

1. 1차 인덕턴스를 결정한다
ON-OFF형을 전류 불연속 모드로 동작시켰을 경우, 전송 전력 Pout은 다음과 같은 식으로 나타난다.

여기서, L1：1차 인덕턴스 [H], IP：1차 권선의 피크 전류[Apeak], fsw：스위칭 주파수 [Hz]
이 식에서 전송전력과 1차 인덕턴스 사이에 밀접한 관계가 있다는 것을 알 수 있다.
트랜스의 코어에 갭을 넣거나 투자율(透磁率)이 낮은 재료 를 사용하여 1차 인덕턴스를 원하는 값으로 조정해야 한다. 그러나 스위칭 주파수와 1차 권선의 피크 전류가 일정하다면 거의 일정한 전력이 전송되므로 제어계의 게인이 작아도 된 다. ON-OFF형은 정전력 전원용이라고 할 수 있다.
출력전력은 35W이지만 손실을 10W 정도라 생각하여 전 송전력은 45W를 목표로 한다. 전류 불연속 모드에서 구동 펄 스의 듀티는 40%이다.
1차 인덕턴스 L1은, Vin＝13.5V, D＝0.4, Pout＝45W, fsw＝60kHz를 다음과 같은 식에 대입하면 L1＝5μH로 구해 진다.

피크 전류 Ip는,

에서 약 18Apeak이다.

2. 코어 선택
권선의 단면적과 권수, 절연 테이프의 총면적에서 필요한 횟수가 감긴 코어를 선택한다. 필요한 횟수가 감겨 있지 않는 경우나 코어의 온도상승이 너무 큰 경우에는 코어의 사이즈 를 크게 하여 다시 설계한다.
코어재는 어떤 온도를 초과할 경우 포화자속밀도가 급격히 내려가는 성질이 있으므로 모든 조건에서 이 온도 이하로 사 용한다. 적합한 안전규격에 의해서도 선재나 권선방법 등이 달라진다.
이번에는 스위칭 주파수 100kHz의 포워드 컨버터에서 228W 전송되는 PC40EER28L(TDK사)을 선택했다.
PC40EER28에서도 문제없이 사용할 수 있다.
PC40EER28L의 각 치수를 그림 9에, 코어의 특성을 표 1에 나타낸다. 

전술한 바와 같이, 방전 램프에는 기동 시 정격 보다도 큰 전력을 인가해야 하므로 여유를 두었다.

3. 1차 권선의 권수를 결정한다
1차 권선의 권수 Np[턴]는 다음과 같은 식으로 구한다.

여기서, VImin：입력전압의 하한값 [VDC], Ae：코어의 유효 단면적 [m2], ton(max)：스위칭 소자의 ON 시간 최대값 [s],ΔB：자속밀도 [T]
1차 권선의 권수 Np는 식 (5)에, VImin＝13.5V, ton(max)＝6.6㎲, Ae＝81.4mm2를 대입하여,
Np＝5.47
로 구해진다. 실제로는 6턴이 된다. ΔB는 표 1에 나타난 포 화자속밀도의 반 정도인 200mT로 했다.
앞에서 구한 1차 인덕턴스(5μH), 권수(6턴)에서 필요한 AL값은 약 138nH/N2으로 된다. 그림 10(b)와 같이 센터폴부에서 약 0.9mm의 갭을 설정해야 한다는 것을 알 수 있다.

암페어 턴의 최대값은 약 220AT이므로 1차 전류는 32A까지 흘릴 수 있다.
정상동작 시의 코어 로스는 0.6W로 되며 권선의 로스가 똑같이 0.6W라면 코어의 온도상승은 그림 10(c)에서 25℃ 정 도로 된다.

4. 2차 권선의 권수를 결정한다
ON-OFF형이므로 2차 권선의 권수 NS[턴]는 다음과 같은 식으로 구한다.

여기서, VF：정류 다이오드에 의한 강하전압 [V], Vout：출력전압 [V], D：듀티
2차 측 권수는 정상일 때의 전압비에서 42턴으로 했다.

5. 권선의 단면적을 결정한다
권선의 온도상승이 30℃ 이하로 되는 전류값은 표 2에 나타난 바와 같다.

18Apeak, 듀티 0.4인 톱니파상의 전류가 흐른다고 가정하면 그 실효값은 약 4.2A이므로 권선의 온도상승을 30℃ 이하로 하려면 1차 권선의 단면적이 1.13mm2 이상 필요하다.
권선에 흐르는 전류의 주파수가 높아지면 그림 11과 같이 표피효과의 영향으로 권선의 저항값이 증가하기 때문에 가는 선 몇 개를 병렬로 하여 권선의 단면적을 크게 해야 한다.

스위칭 주파수가 60kHz일 때, 권선의 선 지름을 0.5mm 정도 이하로 하면 표피효과를 저감할 수 있을 것 같다. 2차 권선도 마찬가지로 선 지름을 결정한다.
설계 종료 후 트랜스의 사양을 표 3에 나타낸다. 

또 그림 12에 35W 부하를 구동했을 때의 트랜스 주변 동작 파형을 나타낸다.

DC-AC 변환회로 설계

그림 13에는 정전력 스위칭 전원부의 직류출력을 교류로 변환하고 부하를 구동하는 DC-AC 변환부의 회로가 나타나 있다.

NJM555는 200~600Hz로 발진한다. 이 출력을 TC4027 에서 2분주하여 듀티 50%의 상보신호를 얻는다. 방전개시 시에는 Tr5가 NJM555의 컨트롤러 전압을 올리고 발진주파 수를 내리도록 동작한다.
TC4027의 출력을 MOSFET 드라이버 IR2110에 직접 입 력하고 있지만 하이 사이드와 로우 사이드의 파워 MOSFET 가 동시에 ON하면 슈트 스루 전류가 흐르므로 TC4027의 출 력신호 타이밍을 조정한 쪽이 베타이다.

전력 루프의 오픈 루프 특성

그림 14에 아크 방전으로 이행할 때까지의 램프 전압과 램프 전류 특성을 나타낸다.

기동 시에는 아크를 안정시키기 위해 약 60W의 전력이 출 력되지만 이 때 정전력 스위칭 전원부의 전류 루프가 저조파 발진하고 있어 트랜스의 이용효율이 높지 않다. 이 전류값으 로 사용하고 싶은 경우에는 슬로프 보상(그림 15)을 추가하 는 편이 좋을 것이다. 

정상상태에서는 그림 16과 같이 35W로 일정하게 된다.

그림 17에 정상 시 전력 루프의 오픈 루프 특성을 나타낸다. 

게인 여유는 약 12dB, 위상 여유는 60°이므로 전력 루프의 안정도는 문제없을 것이다.
동작상태의 오픈 루프 특성은 사진 2에 나타난 FRA(Frequency Response Analyzer)를 사용하면 간단하게 측정할 수 있다.

[출처] 8. 정전력 스위칭 전원의 설계와 제작|작성자 맥가이심

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