전원의 전압을 고정해 버리는 고정 듀티 플라이백

태그: 플라이백 에너지 하베스팅

증상

고임피던스 전원에 그 전원의 저항과 같은 저항으로 보이도록 설계한 플라이백이 작은 진폭에서는 기대한 비율의 전원 전력을 가져갑니다. 그런데 어떤 진폭을 넘으면 입력 전압이 더는 전원을 따라가지 않고, 전원이 줄 수 있는 전력보다 적게 가져갑니다.

원인

DCM에서 고정 듀티비 플라이백은 입력에서 저항, 곧 무손실 저항(loss-free resistor)으로 보입니다 (무손실 저항) [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 15 (AC and DC Equivalent Circuit Modeling of the Discontinuous Conduction Mode)]. DCM은 임계 입력 전압보다 낮은 입력에서만 유지됩니다. 입력을 그 전압까지 올릴 만큼 강한 전원은 플라이백을 CCM으로 몰아넣고, 출력이 고정되어 있으면 CCM의 변환비는 그 한 입력 전압만 허용합니다 [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 6 (Converter Circuits)]. 입력은 그 전압에 머뭅니다. 플라이백은 정전압 싱크(constant-voltage sink)가 되고, 전원 전력 가운데 가져가는 비율은 전원의 진폭에 따라 달라집니다 (정전압 추출 비율).

예제에서 개방 전압 1 kV, 내부 저항 10 kΩ인 전원은 정합된 저항에 25 W를 줄 수 있습니다. 플라이백의 입력은 임계 전압 220 V에 고정되고, 거기서 그 전력의 0.686만큼을 가져갑니다.

확인 방법

전원 진폭에 대한 입력 전압을 그려 보십시오. DCM에서는 진폭을 따라가다가 임계 전압에서 평평해집니다. 또는 자화 전류를 보십시오. CCM에서는 자화 전류가 주기마다 0까지 떨어지지 않습니다. 시뮬레이터에서 전류 제한 전원으로 입력이 임계 전압에 자리 잡는 것을 볼 수 있습니다.

▶ 시뮬레이터에서 열기: 플라이백
초기값을 가져온 예제 flyback-source

해결

전원이 끌어올릴 수 있는 가장 높은 입력 전압 (무손실 저항의 버스 전압)보다 임계 전압이 높도록 듀티비와 권선비를 고르고, 그에 따라 정해지는 전압에 맞춰 스위치의 정격을 정하십시오 (스위치 전압). 권선비를 작게 하면 임계 전압이 높아집니다. 듀티비를 바꾸면 입력 저항도 바뀌므로 (입력 저항), 자화 인덕턴스를 그에 맞춰 다시 정하십시오 (정합을 위한 자화 인덕턴스).

참고 자료

• [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 15 (AC and DC Equivalent Circuit Modeling of the Discontinuous Conduction Mode)]: 무손실 저항(loss-free resistor).
• [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 6 (Converter Circuits)]: 플라이백의 CCM 변환비.
• 무손실 저항으로 동작하는 DCM 플라이백과 전원 정합 도구.