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LED는 기존 광원들에 비해 효율과 수명이 우수하여 에너지 절약을 위한 차세대 조명으로 각광받고 있다. 고효율과 장수명은 가로등에도 아주 중요한 요소이며 LED의 적용이 기대되는 분야 중 하나이다. LED 가로등을 위한 스위칭 전원 장치도 LED 만큼의 높은 효율과 긴 수명이 필요하며, 효율이 높은 공진형 컨버터가 널리 쓰이고 있다. 특히 LLC 공진형 컨버터는 우수한 전력 변환 효율과 2차측 정류기의 낮은 전압 스트레스로 주목을 받고 있다. 하지만 LLC 공진형 컨버터의 복잡한 설계와 높은 제조 비용은 빠른 제품 출시와 비용 절감에 걸림돌이 되어 왔다.

LLC 공진형 컨버터의 또 다른 단점 중 하나는 영전압 스위칭을 유지하기 위해 큰 순환 전류가 필요하다는 점이다. 이렇게 큰 순환 전류를 특히 경부하에서 상당한 전력 손실을 초래하게 된다. LLC 공진형 컨버터는 또한 바디 다이오드 특성이 안 좋은 MOSFET 적용 시 잠재적 불량 가능성이 있다고 알려져 있다.

이 글에서는 LLC 공진형 컨버터의 한계를 극복하기 위한 대안으로 두 개의 스위치를 갖는 플라이백 컨버터를 제안하고 있다. 이 회로는 일반적인 플라이백 컨버터에 상측 스위치를 하나 추가함으로써 누설 인덕턴스의 에너지가 입력측으로 회수되어 효율을 높일 수 있고 스너버를 없앨 수 있다. 제안된 회로를 이용한 120W급 전원의 설계와 시험 결과에 대해 소개하고자 한다.

두 개의 스위치를 갖는 유사 공진 플라이백 컨버터
두 개의 스위치를 사용하는 구성은 플라이백 컨버터에서 클램핑 회로의 손실을 거의 완벽하게 제거할 수 있게 해준다. 또한 FL6300A의 특징인 유사 공진 스위칭은 스위칭 손실을 효과적으로 줄여 효율을 높일 수 있다. 그림 1은 제안된 두 개의 스위치를 갖는 유사 공진 플라이백 컨버터의 개략도이다.

FL7930B는 경계 도통 모드 (CRM) 역률 보상 (PFC) 제어기이며, FL6300A는 유사 공진 펄스 폭 변조 (PWM) 제어기, FAN7382는 상측 및 하측 MOSFET 구동을 위한 하프브리지 하이사이드 게이트 드라이버이다. 파워스위치로는 PFC와 플라이백 모두 최신 600V, 385mOhm, D-PAK 수퍼 정션 MOSFET이 적용되었다. 기존 단일 스위치 플라이백 컨버터는 대부분 RCD 클램핑 회로를 사용하여 누설 인덕턴스의 에너지를 열로 소비하는데 비해, 두 개의 스위치를 사용하는 플라이백 회로는 누설 인덕턴스의 에너지를 입력측으로 재활용하여 MOSFET의 최대 전압을 입력 전압으로 클램핑한다. 이렇게 MOSFET의 최대 전압을 입력 전압으로 제한하는 것은 컨버터의 신뢰성에 큰 도움이 된다.

단일 스위치 플라이백 컨버터에서 MOSFET의 최대 피크 전압은 누설 인덕턴스와 MOSFET 전류에 의해 결정되며 제어하기가 매우 어렵다. 따라서 출력의 단락이나 과부하와 같은 오류 상황에서 자주 MOSFET의 정격 전압을 넘어 MOSFET의 항복을 초래하기도 한다. 또한 MOSFET의 최대 전압을 입력 전압 수준으로 제한하게 되면 클램핑 회로의 손실 증가 없이 트랜스포머의 턴비를 키울 수 있고, 2차측 정류 다이오드의 전압 스트레스도 줄일 수 있다.

설계 및 평가
LED 가로등을 위한 두 개의 스위치를 갖는 유사 공진 플라이백 컨버터의 목표 설계 사양은 다음과 같다. LED 가로등의 전원 장치는 넓은 입력 전압 범위와 높은 효율을 가져야 한다. 최대 출력은 LED 가로등의 대표적인 요구사양인 120W로 정했으며, 무겁고 부피가 큰 방열판은 가능한 모두 없애는 것을 목표로 하였다. 따라서 모든 전력 소자들을 D-PAK 또는 D2-PAK과 같은 표면 실장 패키지로 선택하였다.

최소 스위칭 주파수는 45kHz로 설정하였고, 마진 확보를 위해 300V부터 430V의 DC 입력 전압에 대해 설계를 완료하였다. MOSFET의 최대 온-듀티는 드레인-소스 하강 시간 (drain-source falling time)을 고려하여 300V 입력 전압에서 0.45로 설정하여 항상 드레인-소스 전압 (Vds)이 입력 전압에 도달한 이후 MOSFET이 켜질 수 있도록 하였으며, 트랜스포머 자화 전류의 리셋도 제대로 이루어지도록 설계하였다.

그림 2에 입력 전압과 전력 MOSFET 기술에 따른 효율 측정 결과를 나타내었다. 각 MOSFET은 SuperFET 기술과 SupreMOS 기술로 D-PAK에서 가능한 가장 낮은 온-저항을 갖는 제품들이다. 온-저항, 스위칭 손실, 그리고 출력 커패시턴스에 저장되는 에너지가 작은 SupreMOS MOSFET 제품이 월등한 효율을 보이고 있다. SuperFET MOSFET 대비 SupreMOS MOSFET의 효율 향상은 전 입력 전압 범위에서 최소 2% 이상이다.

소자의 동작 온도는 열화상 카메라를 사용하여 측정하였다. 표면 실장 제품이며 방열판이 없으므로 동작 온도가 허용 범위 안에 있는지 확인하는 것이 중요하다. 입력 전압이 90V인 경우 모든 전력 소자들의 온도가 70도 이하로 유지되는 것을 그림 3에서 확인할 수 있다.

결론
LED 가로등 용 전원 장치로 두 개의 스위치를 갖는 유사 공진 플라이백 컨버터를 제안하고 그 성능을 대표적인 회로 설계에서 검토하였다. 이 회로는 트랜스포머 설계 및 게이트 구동 타이밍의 변동에 덜 민감하여 강인하며 신뢰성 높은 전원 장치 설계에 도움이 된다. 따라서 LED 가로등 조명용 전원 장치 설계에 있어 LLC 공진형 컨버터의 훌륭한 대안이 될 것으로 기대된다.