컨버터 설계 도구

토폴로지(topology)를 고르고 입력 전압 범위, 출력 전압, 전부하 전력, CCM을 유지해야 하는 가장 가벼운 부하, 스위칭 주파수, 그리고 두 가지 리플 목표를 입력하십시오. 설계 도구는 다음을 보여 줍니다.

• 듀티비(duty ratio) 범위
• 전류 리플 목표를 만족하는 인덕턴스와, 가장 가벼운 부하에서도 CCM을 유지하는 인덕턴스
• 전압 리플 목표를 만족하는 출력 커패시턴스
• 입력 범위에서 가장 불리한 지점의 리플, 피크 전류, 스위치 전압과 다이오드 전압
• 듀티비 범위에서 $K$와 $K_\mathrm{crit}$의 비교

각 결과에는 그 값을 계산한 카탈로그 수식의 이름이 붙어 있습니다. 결과 아래의 링크는 설계한 부품값으로 입력 범위 양 끝에서 시뮬레이터를 열므로, 설계를 시간 영역에서 확인할 수 있습니다. 이때 부품은 플라이백의 다이오드 전압 강하를 빼면 이상적입니다. 다른 링크는 같은 지점에서 손실 예산 도구를 엽니다. 스위치와 다이오드 데이터는 그 도구의 예제 값을 쓰고, 설계 도구가 코어를 정하지 않으므로 코어 데이터는 비워 둡니다.

설계 방법

설계 도구는 입력 범위 전체에 걸친 입력 전압 격자와, 범위 안에서 어떤 양이 최대가 되는 지점들을 살펴보고, 결과마다 가장 불리한 값을 취합니다. 카탈로그 수식만 사용합니다. 수식을 입력 중 하나(듀티비, 인덕턴스, 커패시턴스)에 대해 풀어야 할 때는 카탈로그의 평가 함수(evaluator) 자체에 이분법(bisection)을 적용해 그 값을 찾으므로, 도구와 이론 페이지의 결과가 서로 다를 수 없습니다.

1. 듀티비. 각 입력 전압에서 CCM 변환비(conversion ratio)를 $D$에 대해 풉니다: 벅, 부스트, 벅-부스트, 플라이백, 포워드. 플라이백에서는 임계 입력 전압(critical input voltage)을 유도할 때의 전압-초 평형(volt-second balance)과 마찬가지로 다이오드 전압 강하가 출력 전압에 더해집니다.
2. 리플 목표를 만족하는 인덕턴스. 전부하에서의 평균 인덕터 전류 (벅, 부스트, 벅-부스트, 그리고 플라이백의 자화 전류)에 리플 목표를 곱하면 허용 리플이 되고, 리플 수식(벅, 부스트, 벅-부스트, 플라이백, 포워드)을 인덕턴스에 대해 풉니다. 포워드 컨버터의 출력단은 $n V_g$를 입력으로 받는 벅 컨버터이므로 출력 인덕터에는 부하 전류가 흐릅니다 [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 6].
3. 가장 가벼운 부하에서 CCM을 유지하는 인덕턴스. 듀티비 범위에서 가장 큰 $K_\mathrm{crit}$(벅과 포워드, 부스트, 벅-부스트, 플라이백)으로 가장 가벼운 부하에서의 임계 인덕턴스를 구합니다. 플라이백에서는 여기서도 같은 출력 전류에서 다이오드 전압 강하가 출력 전압에 더해지므로, 출력 전압에 다이오드 전압 강하를 더한 전압에서 같은 전류가 흐르는 부하를 씁니다. 실제 부하를 그대로 쓰면 경계가 너무 낮게 나옵니다.
4. 사용한 인덕턴스. 직접 입력하지 않으면 두 값 중 큰 값을 씁니다. 이 인덕턴스로 전부하와 가장 가벼운 부하에서의 $K$(정의, 플라이백은 3단계의 부하로 계산)를 그래프에서 $K_\mathrm{crit}$과 비교합니다. $K$가 곡선보다 위에 있는 곳에서 컨버터는 CCM입니다.
5. 리플과 스트레스. 사용한 인덕턴스에서의 리플, 피크 전류, 스위치 전압 (벅, 부스트, 벅-부스트, 플라이백, 포워드)을 구합니다. 벅, 부스트, 벅-부스트에서는 다이오드가 스위치와 같은 전압을 차단(blocking)하며 [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 6], 플라이백의 다이오드는 별도의 역전압을 차단합니다.
6. 출력 커패시턴스. 전압 리플 수식을 $C$에 대해 풉니다: 벅과 포워드, 부스트, 벅-부스트, 플라이백.

포워드 컨버터에서는 듀티비가 리셋 한계를 넘지 않는지도 확인합니다.

리플 목표

두 목표 모두 카탈로그의 규약대로 피크-피크 리플의 절반을 기준으로 한 비율입니다 [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 2]. 전류 목표는 전부하에서 인덕터 전류 리플을 평균 인덕터 전류(플라이백은 자화 전류)로 나눈 값이고, 전압 목표는 출력 전압 리플을 출력 전압으로 나눈 값입니다.

한계

• 이상적인 부품. 스위치, 다이오드(플라이백의 다이오드 전압 강하 제외), 인덕터, 커패시터는 이상적입니다. 커패시터의 직렬 저항은 별도의 리플을 만들므로(ESR 리플), 여기서 구한 커패시턴스는 하한값입니다.
• CCM 설계만 다룹니다. 듀티비와 리플은 CCM을 가정하고 인덕턴스도 CCM에 맞춰 정하므로, DCM으로 동작하도록 설계하는 컨버터(예: DCM 플라이백)는 여기서 다루지 않습니다. 전부하에서 DCM이 되는 구간이 있으면 설계 도구가 알려 주며, 그 구간에는 DCM 수식이 적용됩니다.
• 여기서 정하지 않는 것. 정격과 열적 한계는 검사하지 않으며, 포워드 컨버터의 자화 인덕턴스와 리셋 권선도 정하지 않습니다. 설계는 시뮬레이터에서 확인하고, 손실은 손실 예산 도구로 추정하십시오.

스크린샷

벅 설계 사양 예제를 넣은 컨버터 설계 도구.