Forward 컨버터 뿌수기 (1)

 

 

변압기 절연 컨버터 두번째 시리즈는 Forward 컨버터입니다.

 

첫번째 시리즈인 플라이백 컨버터는 해당 포스팅을 참고해주세요 (변압기 절연 컨버터 자체의 원리와 의의까지 포함)

 

2023.12.17 - [전력전자] - Flyback converter 뿌수기 (1) - 변압기 절연 컨버터란 무엇인가

Flyback converter 뿌수기 (1) - 변압기 절연 컨버터란 무엇인가

 

플라이백 포스팅에서도 나오듯이 변압기 절연 컨버터의 핵심은 자화 인덕터 전류를 충전하고 방전하는 일입니다.

ON구간동안 인덕터를 충전하고 OFF구간동안 같은 양을 방전해야 컨버터의 steady state의 동작이 가능하다는 것이죠.

 

Forward 컨버터도 똑같습니다. 자화인덕터의 충방전에 유의하며 읽으시면 왜 이런 토폴로지가 나왔는지 이해하실 수 있을거에요.

 

자 그럼 토폴로지를 한번 봅시다!!

 

Flyback이 Buck-Boost의 진화형이듯이, Forward 컨버터는 Buck 컨버터의 진화형입니다. 진화 과정을 한번 볼까요.

 

 

Forward 컨버터는 모스펫과 다이오드로 구현되는 Buck컨버터의 스위치 폴을 변압기로 대체한 구조인데요. 

 

이처럼 인덕터와 커패시터로 구성되는 Buck 컨버터의 LPF 부분은 유지한 채, 스위치 폴이 변압기와 다이오드로 구성된 Switch network로 대체된 것을 볼 수 있죠. 플라이백에서와 마찬가지로, 변압기의 자화 인덕터가 컨버터 동작의 핵심이 된답니다. 자화 인덕터를 고려한 Switch network는 오른쪽과 같이 표현됩니다.

 

여기서 잠시 위 모델만 가지고 스위치 ON, OFF에서의 회로 동작을 생각해 보죠.

(Switch ON)

$V_{s}$에 의해 자화 인덕터와 변압기 1차측 모두를 통해 전류가 흐르게 됩니다. 1차측 도트로 전류 $i_{1}$이 들어가므로 2차측 도트에서는 $i_{2}$전류가 나가야겠죠? 

(전류는 한쪽에서 들어가면 다른쪽에서는 나가고 한쪽에서 나가면 다른쪽에서 들어온다!! 플라이백 포스팅 참고)

 

지금 자화 인덕터$L_{m}$은 충전되고 있습니다. 그리고 $i_{2}$는 곧 커패시터와 부하로 흐르게 되는데요, 이는 Buck 컨버터의 스위치 ON 상황과 동일합니다.

(Switch OFF) 

스위치가 꺼지면 $i_{m}$은 소스로 돌아가지 못하고 루프를 돌며 감소해야 합니다 (자화인덕터의 방전). 그런데 $i_{m}$이 루프를 돌기 위해 1차측 도트에서 나가게 되면, 2차측 도트로는 전류가 들어가야 하는데 이는 다이오드의 방향과 맞지 않아 불가능하죠. 

 

그렇다면 $i_{2} = 0$이며 $i_{m} = i_{1} = ni_{2} = 0$이 됩니다.* 즉 $i_{m}$이 루프를 돌지 못한다는 거네요. 그렇다면 ON구간동안 $L_{m}$에 충전되었던 에너지가 빠질 방법이 없어져버립니다.

 

바로 이 지점에서 3차 권선의 추가가 필요해집니다. 현재 2차 권선만으로는 $L_{m}$를 방전시킬 수가 없으니까요.

 

* (Switch ON) 일 때와 비교해 $i_{1}$의 방향은 통일하지 않았습니다. 이러나 저러나 $i_{1} = 0$

 

 

최종적으로 3차 권선을 추가한 토폴로지입니다. 이렇게 3차 권선까지 추가하면 드디어 Forward 컨버터가 된답니다!!

($N_{P, S, T}$의 $P, S, T$는 각각 primary, secondary와 tertiary를 의미)

 

이제 최종 Forward 컨버터 토폴로지로 다시 ON, OFF 동작을 체크해보죠.

 

 

(Switch ON, On-time period) 

스위치 ON 동작은 동일합니다. 3차측의 다이오드 $D_{c}$때문에 이쪽으로는 전류가 흐르지 않기 때문입니다.

(Switch OFF, Reset period)

$i_{m}$을 리셋한다는 의미에서 Reset period라고도 합니다. 앞서 언급했듯이 $i_{m}$은 루프를 돌며 감소해야 하는데요, 2차측 권선만 있었을 때는 루프를 돌지 못했으나 이제 3차측 권선 덕분에 루프를 돌게 됩니다.

 

$i_{m}$이 루프를 돌며 1차측 도트에서 나가므로 3차측 도트로 전류 $i_{c}$가 들어갑니다. 여기서 1차측과 3차측을 동일한 권수로 감으면, 즉 $N_{p} = N_{t}$이면 $i_{m} = i_{c}$로서 $ i_{m}$과 같은 양의 전류가 3차측에 흐르게 됩니다.

 

여기서 $i_{c}$가 흐르며 3차측의 도트에 음의 전압 $-V_{s}$가 걸리게 되고요, $N_{p} = N_{t}$일 때 1차측 도트에 또한 음의 전압 $-V{s}$가 걸리게 됩니다. 이는 스위치가 켜진 동안 1차측 도트에 걸렸던 $V_{s}$와 크기는 같고 방향은 반대인 전압으로써, 이러한 반대 방향의 전압은 충전되었던 $L_{m}$을 방전시키며 $i_{m}$을 감소시키게 됩니다.

 

$i_{m}$은 이등변 삼각형 파형을 그린다. ($N_{p} = N_{t}$)

 

일반적으로 Forward 컨버터에서 1차측과 3차측을 동일한 권수로 감습니다. 변압기 절연 컨버터에서의 핵심은 증가한 $i_{m}$을 똑같은 양만큼 감소시켜야 한다는 것이었죠(= 한 사이클동안 $L_{m}$는 충전된 양만큼 방전되어야 함)

 

1차측과 3차측을 동일한 권수로 감으면, $L_{m}$의 단위 시간당 충전 및 방전량은 같아집니다 스위치의 ON, OFF상태에서 $L_{m}$ 에 걸리는 전압은 크기가 같고 방향만 반대이기 때문이죠. 그렇다면 $D<0.5$일 때 $L_{m}$은 무조건 초기 상태로 방전한다는 것을 보장할 수 있습니다. $D>0.5$이면 완전 방전이 불가능합니다. 충전 시간이 방전 시간보다 더 길기 때문입니다. 그래서 $N_{1} = N_{3}$ 일 때 최대 듀티비는 0.5로 제한됩니다. $N_{1}$ 과 $N_{3}$의 비율을 다르게 하면 최대 듀티비를 조절할 수 있습니다.

 

$L_{m}$의 단위 시간당 충전 및 방전량이 같다면 위처럼 $i_{m}$은 이등변삼각형 파형으로 나오게 됩니다.

 

이번 포스팅에서는 자화 인덕터의 동작을 기반으로 Forward 컨버터의 작동 원리에 대해 알아보았습니다. 다음 포스팅에서는 입출력 전압 전류의 공식 유도와 파형까지 다뤄보도록 하겠습니다.

 

감사합니다.