컨버터의 소프트 스위칭 ZVS(Zero voltage switching)

컨버터의 소프트 스위칭 기법 중 하나인 ZVS에 대해 알아봅시다.

 

 

안녕하세요 Brandy입니다.

 

오늘은 컨버터의 소프트 스위칭 기법 중 하나인 ZVS에 대해 알아보겠습니다.

 

컨버터 토폴로지에 스위치가 필요하면 대부분 MOSFET이 사용됩니다.

 

MOSFET은 BJT에 비해 스위칭 속도가 빨라서 빠른 스위칭 주파수를 달성할 수 있고 전압 제어 소자인 MOSFET이 전류 제어 소자인 BJT보다 효율이 더 좋기 때문입니다. 

 

그럼에도 스위칭을 하게 되면 스위칭 전력 손실(switching loss)이 발생하게 됩니다.

 

Hard switching 전압 전류 파형

 

 

위처럼 스위치가 켜지고 꺼짐에 따라 스위치 양단의 전압과 전류가 변하게 되는데요. 전압과 전류의 교차 시점에서 $P=VI$로 표현되는 전력 손실이 발생할 수밖에 없습니다. 실제 회로에서 모스펫 양단의 전압과 전류가 변화하는 데 딜레이가 있기 때문입니다.

 

위처럼 전압 전류의 딜레이 시간이 겹쳐 스위칭 손실이 많이 발생하게 되는 스위칭을 Hard switching이라고 부릅니다.

 

Hard switching을 할 때 스위칭 주파수가 높을수록(스위칭을 많이 할수록) 당연히 스위칭 손실은 증가합니다. 스위칭 주파수를 높임으로서 얻는 이익과 증가하는 전력손실 간의 trade off 관계가 설계의 발목을 잡을 수 있겠네요.

 

ZVS 전압 전류 파형

 

 

그런데 만약 위와 같이 스위칭하게 되면 어떨까요?

 

$V=0$을 유지할 때 $I$가 변화하므로 $V$와 $I$가 겹치는 구간이 없네요. 그렇다면 스위칭 전력 손실을 줄일 수 있겠습니다. 그래서 위와 같이 Hard switching에 대응하여 스위칭 손실을 줄이는 Soft switching 방법이 고안되었습니다. 

 

Soft switching은 위 파형처럼 영전압에서 스위칭하는 ZVS(Zero Voltage Switching)와 영전류에서 스위칭하는 ZCS(Zero Current Switching) 두 종류가 있습니다. 사실상 ZVS가 일반적으로 쓰이는 방법이므로 이번 포스팅에서는 ZVS를 달성하는 방법을 다루겠습니다.

 

Buck converter의 ZVS를 예시로 설명하도록 하겠습니다. 

 

이때 Buck converter는 모스펫 두개로 스위칭하는 Synchronous buck converter를 사용해야 합니다. 왜냐하면 음의 전류 구간이 필요하기 때문인데 이에 대해서는 뒤에 설명하겠습니다.

 

밑의 Synchronous buck converter 회로를 가지고 설명하겠습니다.

 

Synchronous buck

 

 

먼저 스위치 T+를 끄고 T-를 키는 과정부터 분석해봅시다. 

 

	status	양단 전압	전류
T+	ON	0	$i_L$
T-	OFF	$V_{in}$	0

 

T+ ON, T- OFF 동안 T+의 양단 전압 0, 양단 전류 $i_L$이고 T-의 양단 전압 $V_{in}$, 양단 전류 0 입니다.

 

Dead time 스위치 신호 ($q\pm$가 $T\pm$에 대응

 

 

현재 상황에서 이제 T+를 끄고 T-를 켜보겠습니다. 그런데 이 때 중요한 점은 $t_{delay}$만큼의 Dead time을 만들어 주는 것입니다. Dead time은 두 스위치 T+와 T-가 동시에 꺼져 있는 시간을 의미해요. ZVS를 위해서는 Dead time이 필요합니다.

 

이제 이 Dead time동안 어떤 일이 벌어지는지를 확인해 봅시다.

 

Dead time 동안의 회로

 

 

모스펫의 Drain과 Source사이에는 위와 같이 바디 다이오드와 Junction capacitance가 존재합니다.

 

T+를 끄기 직전 인덕터 전류는 피크값 $\widehat{I_L}$에 도달하는데요, 굉장히 짧은 시간인 Dead time동안 이 인덕터 전류가 유지된다고 가정하고 $\widehat{I_L}$을 전류원으로 모델링했습니다. 

 

앞서 표에서 봤듯이 T+가 켜져있던 동안 C+는 0V, C-는 $V_{in}$를 유지했음을 기억하세요.

 

전류원 $\widehat{I_L}$이 존재하는 동안 두 스위치의 Junction capacitance인 C+와 C-에는 이 전류가 반으로 나뉘어$\frac{\widehat{I_L}}{2}$씩 흐르게 됩니다. 즉 $i_c^{+}=\frac{\widehat{I_L}}{2}$이고 $i_c^{-}=-\frac{\widehat{I_L}}{2}$입니다.

 

그리고 이 전류는 C+를 충전시키고 C-는 방전시키는데 최종적으로 C+양단 전압은 0V에서 $V_{in}$까지 충전되고 C-양단 전압은 $V_{in}$에서 0V까지 방전하여 그 합이 입력 전압을 맞추게 됩니다. 

 

 

T+와 T- 전압전류 파형

 

 

결과적으로 저희는 위와 같은 스위칭 파형을 원합니다.

 

주의하실 점은 노란 전류선이 스위치(T+, T-)의 전류라는 점입니다. (C+, C-)의 전류가 아니에요. (C+, C-)의 전류는 이들을 충방전시키는 $\pm \frac{\widehat{I_L}}{2}$입니다.

 

자 이제 파형을 해석해봅시다.

 

(T+)

위 파형처럼 C+의 충전 시간이 T+의 전류가 줄어드는 시간에 비해 길다면 T+의 ZVS가 가능합니다. T+를 끔에 따라 T+의 전류는 0으로 감소하지만 C+에는 여전히 전류가 흐르며 T+의 양단 전압을 증가시킵니다. 이 때 T+의 전류가 먼저 0으로 떨어지고 전압이 상승하므로 T+의 전압과 전류가 겹치는 구간이 최소화됩니다.

 

(T-)

T-의 경우 양단 전압이 방전되는 시간 동안 Dead time을 줌으로써 전류를 막아줘야 합니다. T-양단 전압이 0으로 모두 방전된 이후 스위치를 켜서 전류가 늦게 들어오도록 합니다. 그러면 전압과 전류가 겹치는 구간이 최소화됩니다.

 

요약하자면 T+를 끌 때 ZVS는 커패시터 충전지연에 의해 알아서 이루어집니다. T-를 끌 때는 Dead time을 인가함으로써 ZVS를 달성합니다.  

 

커패시터 양단 전압이 곧 스위치의 양단 전압이므로 커패시터를 충방전시키는 방법으로 스위치의 전압을 조절해 ZVS를 달성할 수 있습니다.

 

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그럼 반대로 T+를 키고 T-를 끄는 과정은 어떻게 될까요?

 

위에서 Synchronous buck을 사용해 음의 전류를 허용해야 하는 이유가 여기서 나옵니다. 음의 전류가 흘러야 (C+,C-)를 충방전할 수 있습니다. 앞에서는 C+를 충전하고 C-를 방전했죠? 이제 아까와는 다른 방향의 전류(음의 전류)로 C+를 방전하고 C-를 충전해야 합니다.

 

Synchronous Buck에서의 음의 전류

 

 

앞서 ${\hat{I}}_L$을 가지고 충방전을 진행했다면 이번에는 ${\hat{I}}_{L,neg}$를 가지고 C+를 방전 및 C-를 충전합니다.

 

 

	status	양단 전압	전류
T+	OFF	$V_{in}$	0
T-	ON	0	$i_L$

 

 

위의 상황에서 T+는 키고 T-는 끄게 됩니다

 

C+양단 전압은 $V_{in}$에서 0V로 방전, C-양단 전압은 0V에서 $V_{in}$으로 충전됩니다. 

 

그렇다면 T-를 끌 때 커패시터 충전 지연, T+를 킬 때 Dead time 인가로 ZVS를 달성할 수 있습니다.

 

 

 

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이제 정리해보자면 다음의 두가지를 기억하시면 좋을 것 같습니다.

 

1. 스위치와 병렬 연결된 Capacitor의 충방전을 통해 ZVS를 달성할 수 있음

 

2. Synchronous구조를 가지고 스위치 2개를 상보적으로 동작시킬 것

 

이번 포스팅도 읽어주셔서 감사합니다!