[테크 리포트] 액티브 클램프 포워드 컨버터에서 자기 구동 동기 정류 구현이 제공하는 이점

자기 구동 동기 정류(self-driven synchronous rectification)가 적용된 액티브 클램프 포워드 컨버터(active-clamp forward converter)는 별도의 절연형 2차측 게이트 드라이버가 불필요하면서도 효율 향상이 가능하다는 점에서 주목된다.

이 글은 자기 구동 동기 정류 동작 원리 검토를 다룬다. 이어 기존 자기 구동 방식의 실제 적용 한계 설명을 통해 해당 방식의 제약을 짚는다.

또한 간단한 회로 수정으로 적용 범위 확장 방법 제시를 통해 고출력 전압 설계·저출력 전압 설계 모두로 확장하는 방안을 설명한다.

끝으로 액티브 클램프 포워드 컨트롤러 적용 측정 사례 제시를 통해 실제 성능 소개와 설계 시 절충 요소 소개를 함께 다룬다.

통신 인프라·데이터센터·산업 자동화·자동차 전자장치 분야에서 고전류·저전압 전원공급장치 수요가 증가하고 있다. 이와 함께 부하 전류의 지속적 증가가 이어지면서 전력 변환 효율·열 성능·전력 밀도의 중요성도 확대되고 있다.

이 같은 변화 속에서 출력 정류 단계 전력 손실은 전체 컨버터 효율을 좌우하는 핵심 요인으로 부상하고 있다. 수요 증가와 부하 전류 확대가 맞물리면서 출력 정류에서 발생하는 손실이 컨버터 성능을 가르는 핵심 문제가 되고 있다.

특히 많은 절연형 DC-DC 컨버터 설계에서는 2차측 정류 다이오드가 주요 병목 요소로 지목된다. 2차측 정류 다이오드의 병목 효과는 전류 처리 능력을 제한하고, 달성 가능한 열 성능도 제한하는 요인으로 작용한다.

이 같은 정류 손실을 줄이는 대표적 방법으로는 동기 정류가 제시된다. 동기 정류 방식은 변압기 2차측 정류 다이오드를 전력 MOSFET으로 대체하는 방식이다.

동기 정류의 효과는 전력 변환 효율 향상으로 이어진다. 이 같은 효율 향상은 전력 손실 감소로 연결되고, 동시에 열 여유 확보로도 연결된다.

전력 손실 감소와 열 여유 확보의 결과로 더 높은 연속 출력 전류의 안정적 공급이 가능해진다. 이에 따라 동기 정류는 효율 개선과 출력 전류 확대의 수단으로 제시된다.

절연형 컨버터 구조에 동기 정류를 적용할 때는 구현 과제가 존재한다. 과제 사례로는 1차측 컨트롤러와 절연 유지 상태에서 2차측 MOSFET용 적절한 게이트 구동 신호를 제공할 필요가 있다는 점이 제시된다.

이를 해결하기 위한 기존 일반 방식으로는 전용 절연형 게이트 드라이버를 사용하는 방법이 있다. 또 다른 기존 일반 방식으로는 2차측 복잡한 제어 회로를 사용하는 방법이 있다.

그러나 기존 방식은 비용 증가를 초래한다. 또한 설계 복잡성 증가와 부품 수 증가라는 단점도 따른다.

반면 입력 전압 변동 범위 제한적 컨버터 토폴로지에서는 자기 구동 동기 정류를 적용할 수 있다. 이때 입력 전압 변동 범위 기준은 일반적으로 최대 2배 이내다.

자기 구동 동기 정류는 간단함을 갖는 동시에 비용 효율적 대안이 된다. 자기 구동 방식은 변압기 2차측 전압에서 동기 정류기 게이트 구동 신호를 직접 획득하는 방식이며, 그 효과로 별도 게이트 드라이버 IC가 불필요하다.

특히 액티브 클램프 포워드 컨버터와 자기 구동 방식을 결합하면 장점이 확대된다. 이는 리셋 동작 때 생성되는 파형이 MOSFET 게이트를 직접 구동하기에 적합한 구형파 형태를 제공하기 때문이다.

이번 검토는 액티브 클램프 포워드 컨버터용 자기 구동 동기 정류 원리를 주제로 하며, 기본 동작 메커니즘 설명, 기존 구현 방식의 주요 한계 분석, 적용 가능한 출력 전압 범위 확장용 실용적 회로 개선 방법 제시, 그리고 아나로그디바이스(ADI) 액티브 클램프 포워드 컨트롤러 사용 검증 사례 소개까지를 내용 범위로 다룬다.

우선 액티브 클램프 포워드 컨버터용 자기 구동 동기 정류의 기본 동작 메커니즘을 설명하고, 이어 기존 구현 방식의 주요 한계를 분석한다. 그 다음 적용 가능한 출력 전압 범위를 확장하기 위한 실용적 회로 개선 방법을 제시한다.

이후 아나로그디바이스(ADI) 액티브 클램프 포워드 컨트롤러를 사용한 검증 사례를 소개하며, 이 사례에는 성능 특성과 설계시 고려 사항이 포함된다. 이를 통해 실제 검증 사례의 성능과 설계시 고려 사항을 함께 연결해 설명한다.

액티브 클램프 포워드 컨버터는 기존 싱글 엔디드 포워드 토폴로지의 발전 구조다. 이 구조의 설계 목적은 효율 향상과 1차측 스위칭 디바이스 전압 스트레스 저감에 있다.

배경으로 기존 포워드 컨버터의 변압기 리셋 방식도 함께 제시된다. 기존 포워드 컨버터에서는 세 번째 리셋 권선 사용 방식과 저항-커패시터-다이오드(RCD) 클램프 회로 사용 방식이 사용된다.

이처럼 글은 액티브 클램프 포워드 컨버터의 자기 구동 동기 정류를 중심으로 동작 원리와 기존 방식의 제약을 짚고, 출력 전압 적용 범위를 넓히는 회로 개선안을 제시한 뒤, 아나로그디바이스(ADI) 액티브 클램프 포워드 컨트롤러 기반 검증 사례의 성능 특성과 설계시 고려 사항을 설명하면서, 기존 포워드 컨버터의 리셋 방식과 액티브 클램프 구조의 설계 목적을 대비해 정리한다.

기존 방식은 정상 동작 가능하다. 그러나 기존 방식은 자화 에너지의 열 소모라는 단점이 있고, 1차측 스위치의 상당한 전압 스트레스라는 단점도 있다.

이 같은 한계에 대응해 액티브 클램프 포워드 컨버터는 능동 리셋 회로를 사용한다. 능동 리셋 회로는 변압기 1차 권선 병렬 연결 클램프 커패시터와 보조 스위치(일반적으로 MOSFET)로 구성된다.

메인 스위치 온 구간에는 1차측 에너지의 2차측 전달이 이뤄지고, 부하 전력 공급이 진행된다. 이와 함께 변압기 코어의 자화 전류 축적도 발생한다.

메인 스위치 오프 시점에는 클램프 스위치 온 상태가 된다. 이어 메인 스위치 오프 구간에서는 자화 전류와 클램프 커패시터의 공진이 일어난다.

이 공진 과정의 기능은 변압기 자속 리셋에 있다. 동시에 저장 에너지의 비열손실 회수가 이뤄지며, 회수 에너지는 전력 전달 경로 복귀를 통해 재활용된다.

이 같은 능동 리셋 메커니즘은 여러 장점 제공으로 이어진다. 장점 1은 1차측 스위치 전압 스트레스 감소이며, 이는 클램프 커패시터의 메인 MOSFET 드레인-소스간 최대 전압 제한에 따른 것이다. 그 효과로 도통 특성이 우수한 저전압 디바이스 사용 가능하다.

ADI의 액티브 클램프 포워드 컨트롤러는 액티브 클램프 포워드 컨버터를 구현하는 방식으로 언급된다. 이 컨버터의 영전압 스위칭(ZVS) 구현 방식은 메인 스위치·클램프 스위치 간 공진 전환이다.

이 방식은 넓은 동작 범위에서 ZVS 구현이 가능하다는 특징을 가진다. ZVS 효과로 스위칭 손실이 큰 폭 감소한다.

이 컨버터는 향상된 전자파 간섭(EMI) 성능도 제공한다. EMI 성능 향상 요인은 소프트 스위칭·제어된 전압 전환이며, 이에 따라 고주파 노이즈 발생이 감소한다.

스위칭 손실 감소를 배경으로 더 높은 최대 스위칭 주파수도 가능하다. 더 높은 주파수 동작 결과 전력 밀도가 향상된다.

액티브 클램프 포워드 컨버터는 구조 단순한 플라이백 컨버터와 더 복잡한 공진형 토폴로지 사이의 균형 잡힌 대안에 해당한다. 이 같은 특성은 중·고출력 절연형 전원 시스템에서 요구되는 뛰어난 효율·신뢰성·우수한 열 관리와 맞닿아 있다.

이에 따라 액티브 클램프 포워드 컨버터는 중·고출력 절연형 전원 시스템의 적용 분야에서 폭넓은 활용 범위를 보인다. ADI의 액티브 클램프 포워드 컨트롤러는 이러한 용도를 겨냥한 언급 대상이다.

LT3752/LT3752-1·LT3753는 고집적·고성능 액티브 클램프 포워드 컨트롤러로, 외부 부품 수 최소화를 목표로 설계됐다. 이에 따라 솔루션 크기 감소와 비용 절감이 가능하며, 세 제품 공통으로 단일 IC 기반 전원 솔루션 구현이 가능하다.

이들 제품은 최대 400W급 출력을 지원하며, 소형·다재다능·고효율 전원 솔루션 특성을 갖는다. 이를 통해 단일 IC 기반으로 최대 400W급 전원 솔루션을 구현할 수 있다.

더 높은 출력이 필요할 경우에는 여러 컨버터 출력을 직렬 연결하는 방식으로 전력을 확장할 수 있다. 직렬 연결의 목적은 전력 확장이다.

LT3752·LT3752-1에는 1차측 IC와 2차측 IC에 하우스키핑 전원을 생성하는 고정 주파수 플라이백 컨트롤러가 내장돼 있으며, 이를 통해 바이어스 전원을 효율적으로 공급한다. 이 방식은 메인 포워드 변압기 보조 권선을 이용한 바이어스 전원 생성을 불필요하게 해 변압기 구조 단순화, 변압기 크기 감소, 비용 감소로 이어진다.

하우스키핑 전원은 INTVCC 핀 오버드라이브에 활용된다. 이를 통해 IC 외부 전력 공급이 가능해지고, 효율 향상과 추가 게이트 구동 전류 제공 효과를 얻을 수 있다. 또한 INTVCC 전압을 최적 수준으로 유지하는 목적도 있다.

LT3752는 최대 100V 입력 전압 지원 설계 사양을 갖췄다. 통신용 중간 버스 컨버터와 산업용 전원공급장치에 적합하다.

LT3752-1은 동작 입력 전압 범위를 100V 이상으로 확장한 특성을 갖는다. 주요 대상은 고전압 자동차 배터리 시스템과 오프라인 절연형 전원공급장치다. LT3753는 저전압·고전류 설계용 추가 솔루션 역할을 한다.

이들 컨트롤러는 공통적으로 액티브 클램프 포워드 설계 간소화 기능을 제공한다. 공통 기능으로는 설정 가능한 스위칭 주파수, 빠른 과도 응답용 전류 모드 제어, 정밀 프로그래머블 볼트-초(V-S) 클램프, 다양한 보호 기능이 있다.

2차측 자기 구동 동기 정류 결합 시 최소 부품으로 고효율 절연형 전원 솔루션 구현 가능하다.

이 방식은 변압기 2차 권선에서 생기는 전압을 그대로 2차측 MOSFET 구동에 활용하는 구조다. 자기 구동 동기 정류 방식의 게이트 구동 신호 원천은 변압기 2차 권선 유도 전압이다.

대상 소자는 2차측 MOSFET이다. 유도 전압의 특성은 1차측 스위칭 동작과 본질적 동기화된다는 점이다.

이에 따라 별도 제어 로직 불필요하다. 또한 동기 정류 MOSFET 온·오프 시점을 자연 제공한다.

적용 위치는 액티브 클램프 포워드 컨버터 변압기 2차측이다. 여기서 생성 파형 2종은 FSW, CSW다. FSW는 메인 포워드 스위치 도통 구간의 전압 파형을 의미하고, CSW는 변압기 리셋 과정에서 클램프 스위치 도통 구간의 전압 파형을 의미한다.

구형파에 근접한 이들 파형은 MOSFET 게이트를 직접 구동하기에 적합하다. 이들 파형의 형태가 구형파에 근접하기 때문에 MOSFET 게이트 직접 구동에 적합한 특성을 갖는다.

동기 포워드 MOSFET·동기 캐치 MOSFET 게이트를 해당 신호에 적절히 연결하면 각 MOSFET의 도통 구간은 스위칭 주기의 올바른 구간으로 한정된다. 이에 따라 각 소자는 필요한 구간에서만 도통하게 된다.

그 결과 기존 정류 다이오드와 동일 기능을 수행하면서도 도통 손실은 큰 폭으로 감소한다. 즉, 정류 다이오드의 역할은 유지하면서 손실을 줄이는 방식이다.

[그림1]은 36V~72V 입력 전압 범위 동작 5V, 20A 액티브 클램프 포워드 컨버터를 대상으로 한다. 이 예의 능동 리셋 회로는 P채널 MOSFET M2, 리셋 커패시터 C7로 구성된다.

이 컨버터에서는 듀티 사이클에 따라 클램프 커패시터 전압이 자동 조정되며, 이를 통해 모든 동작 조건에서 변압기 자속 완전 리셋이 보장된다. 또한 리셋 파형은 구형파에 근접해 2차측 MOSFET 게이트 구동 신호로 직접 사용 가능하다.

[그림2]는 동기 포워드 정류기·동기 캐치 정류기 구동용 CSW·FSW 파형을 제시한다.

해당 구성은 2차측 컨트롤러 불필요, 절연형 게이트 드라이버 불필요의 특징을 갖는다.

이에 따라 비용 절감, 설계 복잡성 감소, 높은 전력 변환 효율 구현이 가능하며, 자기 구동 동기 정류의 장점을 보유한다.

다만 기존 구현 방식의 구조적 한계는 변압기 2차측 전압 의존에 있으며, 2차측 MOSFET 게이트 구동 전압은 컨버터 출력 전압에 비례한다.

문제 1 조건인 높은 출력 전압 5V 이상에서는 유도 게이트 구동 전압이 MOSFET 최대 게이트-소스 전압(VGS) 정격 초과 가능성이 있어 VGS 정격 초과 결과로 장기적 신뢰성 저하 가능성이 생기고, 심한 경우 디바이스 즉시 손상 위험도 있다. 반면 문제 2 조건인 낮은 출력 전압 2.5V 이하에서는 게이트 구동 전압이 MOSFET 완전 턴온에 부족 가능성이 있으며, 완전 턴온 부족 결과로 도통 손실 증가와 전체 전력 변환 효율 저하가 나타날 수 있다.

주제는 고출력 전압 애플리케이션용 자기 구동 방식 개선이다.

[그림3]은 기존 자기 구동 설계의 한계를 제시한다. 기존 자기 구동 설계는 게이트 구동 전압 크기와 출력 전압이 함께 변동하는 특성을 가진다.

이 때문에 보다 넓은 출력 전압 범위의 안정 동작을 보장하려면 기본 회로 구조의 일부 개선이 필요하다.

특히 컨버터 출력 전압이 약 5V를 초과하는 경우에는 동기 정류 MOSFET의 게이트-소스 전압(VGS) 안전 수준 제한이 핵심 과제가 된다.

이에 대한 가장 간단한 해결 방법은 변압기에 게이트 구동 전용 2차 보조 권선을 추가하는 것이다. 보조 권선의 권선비를 적절히 설계하면 2차측 전압을 낮춘 게이트 구동 전압을 생성할 수 있다.

이처럼 낮아진 게이트 구동 전압은 MOSFET 게이트 전압이 허용 동작 범위를 초과하는 것을 방지한다.

[그림4]의 보조 권선은 동기 포워드 MOSFET·동기 캐치 MOSFET 게이트 구동 전압을 공급하는 역할을 한다.

또한 CSW·FSW 노드 연결 다이오드는 적절한 시점에 MOSFET가 확실히 턴오프되도록 하는 기능을 한다.

보조 권선에서 생성되는 전압은 메인 2차측 전압보다 낮다.

이 때문에 정상 동작 중 해당 다이오드는 역바이어스 상태가 되며, 역바이어스된 다이오드는 스위칭 동작에 개입하지 않는다.

이 같은 간단한 회로 변경으로 설계 복잡성·비용의 큰 증가 없이 자기 구동 동기 정류 방식을 더 높은 출력 전압 애플리케이션으로 확대 적용할 수 있다.

한편 저출력 전압 설계에서는 추가 문제가 발생하며, VOUT 약 2.5V 이하 조건에서는 권선비 최적화된 2차 권선을 사용해도 동기 정류 MOSFET를 완전 턴온시키기에 충분한 게이트 구동 전압을 확보하기 곤란한 문제가 지속된다.

기존 방식은 스티어링 다이오드 동작 특성 변화 시 적절한 바이어스 유지 불가라는 한계를 가진다. 이 때문에 보조 권선 추가만으로 한계 해결 불가하다고 설명된다.

이 한계를 해결하기 위한 방안으로 [그림5] 개선 회로가 제시된다. 개선 회로 구성은 소신호 MOSFET 추가, 인덕터 추가다.

소신호 MOSFET·인덕터 역할은 사용 가능한 게이트 구동 전압 형성·증폭에 있다. 추가 부품 효과로 게이트 구동 전압 크기와 출력 전압의 효과적 분리가 가능하며, 동시에 변압기 생성 파형 기반의 정확한 구동 타이밍 유지도 가능하다.

적용 예는 0.9V, 15A 출력 컨버터다. 해당 방식 효과는 다이오드 손실이 과도하게 커질 수 있는 초저전압·고전류 애플리케이션에서 효율적 동기 정류 구현 가능이라는 점이다.

해당 방식 단점은 회로 복잡도 증가다. 다만 비교 평가에서는 2차측 완전 제어 기능 게이트 드라이버 회로 구현보다 훨씬 간단하고, 2차측 완전 제어 기능 게이트 드라이버 회로 구현보다 경제적이다.

자기 구동 동기 정류를 실제 설계에 적용할 때는 실무 요소 검토가 필요하다. 점검 항목은 부품 선택, 변압기 구조, 타이밍 관리로 나눠 볼 수 있다.

부품 선택에서는 MOSFET의 선정 기준이 중요하다. 기준은 낮은 RDS(ON), 적절한 VGS 정격, 빠른 내장 바디 다이오드다. 이러한 MOSFET 특성은 스위칭 전환 중 역회복 손실 최소화로 이어진다.

변압기 설계에서는 권선 배치, 누설 인덕턴스, 권선간 결합도를 고려해야 한다. 이들 요소는 파형 품질과 스위칭 타이밍에 영향을 준다. 또한 보조 권선은 원하는 게이트 구동 전압 확보를 위한 권선비를 신중하게 설계해야 한다.

데드타임 제어와 관련해서는 자기 구동 방식이 기본적으로 적절한 스위칭 타이밍을 제공한다. 다만 기생 성분은 지연을 유발할 수 있다.

이러한 지연은 짧은 순간 두 MOSFET 동시 도통 크로스 컨덕션이나 바디 다이오드 도통으로 이어질 수 있다. 이런 문제는 적절한 PCB 레이아웃과 부품 선택으로 완화할 수 있다.

자기 구동 동기 정류를 설계할 때는 전원 기동 시와 경부하 조건에서 게이트 구동 전압 부족 가능성을 함께 고려해야 한다. 해당 조건에서도 안정 동작 보장이 필요하다.

이 같은 조건까지 세심하게 설계 고려를 하면 동기 정류의 높은 전력 변환 효율을 실제 제품에서 최대 구현 가능하다.

자기 구동 동기 정류는 변압기 생성 파형의 게이트 구동 신호를 직접 활용한다. 이에 따라 별도 2차측 게이트 드라이버가 불필요하다.

자기 구동 동기 정류는 액티브 클램프 포워드 컨버터의 비용·설계 복잡성 최소화 효과가 있다. 동시에 전력 변환 효율·전류 공급 능력을 큰 폭으로 향상시킨다.

이를 통해 고효율 절연형 전원공급장치 구현이 가능하다.

기존 자기 구동 방식의 한계는 적용 가능한 출력 전압 범위 제한이다. 그러나 간단하고 효과적인 회로 변경을 통한 적용 범위 확대가 가능하며, 적용 확대 대상은 고출력 전압·저출력 전압 애플리케이션이다.

앞서 제시된 기법은 ADI 액티브 클램프 포워드 컨트롤러와 결합 가능하다. 이를 함께 적용하면 다양한 전력 변환 요구 대응용 소형·고성능 전원 솔루션으로 이어진다.

이 내용을 설명한 인물로는 랜디코 프라세티오(Randyco Prasetyo)와 마이클 우(Michael Wu)가 있다. 두 사람은 모두 아나로그디바이스 고성능 파워(HPP) 그룹 제품 애플리케이션 엔지니어다.

랜디코 프라세티오(Randyco Prasetyo)는 인도네시아 사티아 와카나 기독교대학교에서 전기공학 학사(B.S.E.E.)를 취득했다. 이어 미국 캘리포니아 폴리테크닉 주립대학교 샌루이스오비스포에서 전력전자를 전공했다.

또한 랜디코 프라세티오(Randyco Prasetyo)는 2011년 리니어 테크놀로지현 아나로그디바이스)에 입사했다.

마이클 우(Michael Wu)는 모놀리식 벅·부스트·벅-부스트 토폴로지 개발을 담당한다. 그는 미국 캘리포니아 폴리테크닉 주립대학교 샌루이스오비스포에서 전기공학 학사와 전기공학 석사를 취득했다.

출처: 테크월드뉴스 · 이광재 기자
원문: https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=406430

참고자료

• https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=406430