파워디바이스활용입문-7. GTBT와 바이폴러 트랜지스터와의 비교 평가실험

최신고효율파워트랜지스터를스위칭전원에내장하는실력

7. GTBT와 바이폴러 트랜지스터와의 비교 평가실험


중고압 스위칭에서 사용되는 바이폴러 파워 트랜지스터 (BJT)는 저가이며 저ON 저항(전압)이라는 장점을 갖고 있 지만 전류증폭률(hFE)이 작아 스위칭 스피드가 너무 느리다 는 단점이 있다.
현재 BJT를 사용하고 있는 것은 코스트를 최우선으로 하 여 제작되고 있는 PC용 ATX 전원이며, 다른 전원은 대부분 파워 MOSFET를 사용하고 있다. ATX 전원도 효율을 개선 한 BTX 전원으로 바꾸려 하고 있는데, GTBT는 BJT의 결점 을 개량한 소자로서 정격을 보면 TBX 전원에서의 사용을 상 정하고 있다고 할 수 있다. 여기서는 BJT와 GTBT를 RCC 회로에 사용하여 효율을 비교해본다.

hFE가 크고 고효율인 GTBT

GTBT에 대한 상세 내용은 제6장을 참조하기 바란다. GTBT의 BJT에 대한 사용상의 메리트는 hFE가 매우 크고 고 효율이라는 점과 스위칭 스피드가 빠르다는 점이다.

표 1에 동일 메이커(산요전자)의 BJT와 GTBT를 간단히 비교해놓았다. 

현재의 자료에서는 사용상 문제될 수 있는 hFE 이외의 차이를 알 수 없으므로 드라이브 조건은 실험적으로 결정해야 한다.

간단한 절연형 스위칭 컨버터 RCC

RCC 회로는 링잉 초크 컨버터(Ringing Choke Converter) 라고도 불리고 있으며 동작원리는 블로킹 오실레이터에 출력 전압을 제어하는 기구를 구비한 것이다. 가장 간단한 절연형 스위칭 컨버터이며 외부에 제어 IC를 필요로 하지 않는 자여 동작이다. 상세한 동작원리와 설계방법은 참고문헌(3)을 참조 하기 바란다.

실험회로의 개요

RCC 회로의 실험에 있어서 개략적인 사양은 다음과 같다.
.입력전압(Vin)：DC90~200V
.출력전압(Vout)：DC24V
.출력전류(Iout)：1.5A
.출력전력(Pout)：36W
.스위칭 주파수(fS)：25kHz 이상
입력전압 범위는 AC85~AC132VRMS를 정류하여 사용할 수 있는 값으로 했다.
실험회로를 그림 1에 나타낸다.

회로는 참고문헌(3)을 참고로 하고 ±12V 출력으로 간단히 변경할 수 있도록 하고 있다.
이 회로에서 Tr1을 표 1에 나타난 종래형 BJT TT2194와 GTBT GK002BF로 교환하여 데이터를 얻는다. 베이스에 접 속하는 Ra와 Z이외의 다른 상수는 변화시키지 않는다. GTBT는 처음에 사용하는 소자이며 최적의 드라이브 조건 을 파악하고 있지 않으므로 그림 1의‘Z’부분의 저항 Rb를 그림 2와 같이 변화시켜 보았다.

이 예비실험에서 Rb＝100Ω으로 결정했다. RCC 회로는 간단하다는 것이 최대의 특징이기 때문에 집중했던 드라이브 회로로는 하지 않고 이와 같이 간단한 회로를 사용했다. BJT 일 때 Rb는 단락하여 사용한다.
기동저항 Ra는 BJT일 때 68㏀(합계 136㏀), GTBT일 때 에는 10배 하여 680㏀(합계 1.36㏁)으로 했다.

실험결과의 개요

실험회로로 측정해보니 출력전압은 23.6V, 1.5A 출력 시 의 출력전력은 35.4W로 되었다.
그림 3에 출력전력을 35.4W로 일정하게 하고 입력전압을 90~200V까지 변화시켰을 때, Tr1을 BJT와 GTBT로 교환 한 두 가지 경우의 전력손실을 나타낸다.

그림 4에 입력전압을 120V로 일정하게 하고 출력전류를 0~1.5A까지 변화시켰을 때의 전력손실을 나타낸다. 

효율은 그래프로 나타내지 않지만 출력전력이 35.4W일 때 다음과 같이 된다.
.BJT 사용 시의 효율
DC120V 입력 시 89.2%
DC170V 입력 시 88.5%
.GTBT 사용 시의 효율
DC120V 입력 시 90.9%
DC170V 입력 시 90.8%
DC120V 입력 시 Tr1의 컬렉터 전압과 컬렉터 전류, 드라 이브 회로 ⓑ점의 전압파형을 사진 2에 나타낸다. 

사진 2(a)가 BJT, 사진 2(b)가 GTBT의 파형이다. GTBT의 파형에서 스위칭 주파수가 BJT보다 낮지만 이것은 입력 전원전압이 저하되었기 때문이다.

GTBT의 이점

일반적으로 스위칭 전원회로의 손실은 입력 전원전압이 낮 아지면 ON 저항(전압)이 영향을 받고 높아지면 스위칭 특성 이 영향을 받는다. 실제 측정값을 보면 GTBT의 스위칭 특성 이 BJT보다 우수하다는 것을 알 수 있다.
Ra를 크게 할 수 있는 GTBT의 장점은 무부하 시의 입력전 력(그림 4)에 나타나고 있다. 단, 경부하 시에는 베이스가 너 무 오버 드라이브하고 있는 것 같으며 BJT보다도 손실이 크 게 되어 있다. 어쨌든 GTBT를 사용함으로써 무부하 시와 중 ~최대 출력 시의 효율은 개선된다.
실험 후, RCC 회로보다는 ATX 전원과 유사한 타여 하프 브리지 회로로 정확하게 드라이브하는 편이 장점을 살릴 수 있지 않을까 하는 생각이 들었다.

[출처] 7. GTBT와 바이폴러 트랜지스터와의|작성자 맥가이심

출처: http://www.icbanq.com/elecinfo_net_new/Elec_TechInfo_Main.aspx