KOKY024C january   2023  – april 2023 LMQ61460-Q1 , TPS54319 , TPS62088 , TPS82671 , UCC12040 , UCC12050

 

  1.   한눈에 보기
  2.   Authors
  3.   3
  4.   전력 밀도란?
  5.   전력 밀도를 제한하는 요소는?
  6.   전력 밀도를 제한하는 요소: 스위칭 손실
  7.   주요 제한 요소 1: 전하 관련 손실
  8.   주요 제한 요소 2: 역복구 손실
  9.   주요 제한 요소 3: 턴온 및 턴오프 손실
  10.   전력 밀도를 제한하는 요소: 열 성능
  11.   전력 밀도의 장애물을 무너뜨리는 방법
  12.   스위칭 손실 혁신
  13.   패키지 열 혁신
  14.   고급 회로 설계 혁신
  15.   통합 혁신
  16.   결론
  17.   추가 리소스

전력 밀도를 제한하는 요소는?

엔지니어와 연구원들은 오랜 시간 동안 전력 밀도를 높이는 방법을 찾는 데 집중했습니다. 이는 쉬운 일이 아닙니다. 대부분은 에너지 변환에 사용되는 수동 부품의 크기를 줄이는 데 중점을 두었습니다. 그림 4에 나와 있듯이 인덕터, 커패시터, 변압기, 히트 싱크가 전력 솔루션의 크기에서 가장 큰 부분을 차지합니다. 반도체 스위치 및 제어 회로는 상당한 크기 감소와 통합이 이루어진 상태입니다.

GUID-20220908-SS0I-RPSS-QZKF-KSTH8PZRK4VG-low.gif그림 4 인덕터 및 커패시터와 같은 수동 부품이 많은 공간을 차지할 수 있습니다.

수동 부품의 크기를 어떻게 줄일까요? 간단한 방법은 스위칭 주파수를 높이는 것입니다. 스위칭 컨버터의 수동 부품은 스위칭 사이클마다 에너지를 보관 및 방출합니다. 스위칭 주파수가 높아지면 각 사이클을 위해 저장해야 하는 에너지가 감소합니다. 예를 들어 벅 컨버터의 인덕터에 대한 설계 방정식인 방정식 1을(를) 생각해 보세요.

방정식 1. L = D × V L F s w × ∆ I L

여기서

  • L은 인덕턴스입니다.
  • D는 충격 계수입니다.
  • ΔIL은 인덕터 전류 리플입니다.
  • Fsw는 스위칭 주파수입니다.
  • VL은 인덕터 전체의 전압입니다.

필요한 인덕턴스(L)는 스위칭 주파수(Fsw)와 반비례합니다. 스위칭 주파수가 증가하면 인덕턴스가 감소합니다. 인덕턴스가 감소하면 인덕터가 작아지고 공간이 절감됩니다. 그림 5는 400kHz와 2MHz에서 스위칭하는 3A, 36V 컨버터에 필요한 인덕터 크기의 차이를 보여줍니다.

GUID-20220826-SS0I-BFFP-WTXV-33NWGRGDK69D-low.svg그림 5 400kHz(왼쪽)와 2MHz오른쪽)에서 스위칭하는 3A, 36V 컨버터의 크기 비교.

스위칭 주파수가 높아지면 크기 절감으로 이어지는 또 다른 이점이 있습니다. 스위칭 주파수를 높이면 제어 루프 대역폭이 증가하고, 이를 통해 적은 출력 커패시턴스로도 높은 성능 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 인덕턴스와 커패시턴스가 작은 차동 모드 EMI(전자기 간섭) 필터를 설계하고 자기 코어 물질의 포화 없이 더욱 작은 변압기를 사용할 수 있습니다.

그렇다면 모두가 스위칭 주파수를 높이지 않는 이유는 무엇일까요? 실제로 그렇게 하기가 어렵기 때문입니다. 전력 컨버터에 사용하는 모든 수동 부품을 매우 작은 크기로 축소한다 해도 여전히 전력 솔루션 크기를 줄일 수 있는 방법이 있습니다. 전력 스위치, 게이트 드라이버, 모드 설정 저항, 피드백 네트워크 구성 요소, EMI 필터, 전류 감지 구성 요소, 인터페이싱 회로, 히트 싱크 및 여러 구성 요소가 소중한 물리적 공간을 차지합니다. 전반적인 전력 설계의 모든 요소에서 혁신을 통해 전력 밀도를 개선할 수 있습니다. 설계자의 전력 밀도 개선 가능성을 제한하는 주요 요인을 검토해 보겠습니다.