홍라이프 계산기플라이백 컨버터 계산기 쉽게 이해하기 — 개념과 원리
이 계산기는 절연형 플라이백 DC-DC 컨버터의 주요 동작값을 구합니다. 최소·최대 입력에서의 시비율, 반사 전압, 스위치와 다이오드 전압 스트레스, 피크 전류, 자화 전류 리플, 그리고 연속 전도 모드(CCM)인지 불연속 전도 모드(DCM)인지 알려 주어 변압기 상세 설계 전 1차 검토에 유용합니다.
계산 방법
반사 전압 V_OR = (Np/Ns)(Vout + V_F)
CCM 시비율 D = V_OR ÷ (Vin + V_OR)
입력 전력 P = Vout × Iout ÷ η
온 구간 평균 1차 전류 = P ÷ (Vin × D), 리플 ΔI = Vin × D ÷ (Lm × f)
1차 피크 전류 = 평균 + ΔI/2(CCM) 또는 √(2P ÷ (Lm f))(DCM)
스위치 스트레스 = Vin,max + V_OR, 다이오드 역전압 = Vout + Vin,max × Ns/Np
경계 인덕턴스 L = Vin² D² ÷ (2P f)
원리
플라이백은 스위치가 켜져 있을 때 결합 인덕터의 자화 인덕턴스에 에너지를 저장하고, 꺼져 있을 때 다이오드를 통해 출력으로 내보냅니다. 정상 상태에서는 한 주기 동안 인덕터의 볼트·초가 균형을 이뤄야 하므로, 1차 측의 Vin × D가 반사된 출력 전압 × (1 − D)와 같아집니다. 여기서 CCM 변환비가 나옵니다. 다음 주기 전에 전류가 0까지 떨어지면 DCM이 되고, 피크 전류는 주기당 에너지로 정해집니다.
예제 풀이
기본값인 입력 36~72V, 출력 12V 2A, 다이오드 0.5V, Np/Ns = 2, 100kHz, Lm = 100µH, 효율 85%로 계산합니다.
- V_OR = 2 × (12 + 0.5) = 25V, P = 24 ÷ 0.85 = 28.24W입니다.
- 36V에서 D = 25 ÷ 61 = 41%, 72V에서 D = 25 ÷ 97 = 25.8%입니다.
- 온 구간 평균 전류 = 28.24 ÷ (36 × 0.41) = 1.914A, ΔI = 36 × 0.41 ÷ (100µH × 100kHz) = 1.475A입니다.
- ΔI/2가 평균보다 작으므로 CCM이며, 1차 피크 = 1.914 + 0.738 = 2.651A, 2차 피크 5.303A입니다.
- 스위치 스트레스 = 72 + 25 = 97V, 다이오드 = 12 + 72 ÷ 2 = 48V, 경계 Lm = 38.55µH입니다.
| 최소 직류 입력 전압 (V) | 최소 입력에서의 듀티비 (%) |
|---|---|
| 9 | 73.5 |
| 18 | 58.1 |
| 27 | 48.1 |
| 36 | 41 |
| 45 | 35.7 |
| 54 | 31.6 |
| 72 | 25.8 |
결과 해석
누설 인덕턴스로 인한 스파이크가 더해지므로 스위치는 계산값보다 넉넉히 높은 정격을 고르고, 클램프나 스너버를 두어야 합니다. 피크 전류는 변압기 포화 한계를 정합니다. 권선비를 키우면 다이오드 스트레스는 줄고 D는 커지지만 스위치 스트레스가 늘어납니다.
흔한 실수
- MOSFET 정격 전압을 고를 때 누설 스파이크를 잊는 경우
- 정격 입력만 보고 최소·최대 입력의 최악 조건을 놓치는 경우
- 2차 측 평균 전류를 다이오드 피크 전류로 쓰는 경우
자주 묻는 질문
플라이백은 언제 DCM으로 들어갑니까?
오프 구간에 자화 전류가 0까지 떨어질 때이며, 보통 경부하이거나 Lm이 작을 때입니다.
스위치 전압이 입력보다 높은 이유는 무엇입니까?
오프 구간에 스위치에는 입력 전압에 반사된 출력 전압이 더해져 걸리기 때문입니다.
CCM과 DCM 중 무엇이 좋습니까?
CCM은 피크 전류가 작고, DCM은 제어 루프와 다이오드 역회복이 쉬워집니다. 전력과 우선순위에 따라 고릅니다.
출처: D. Perreault, MIT OpenCourseWare 6.622 Power Electronics (Spring 2023), Lecture 13 "Isolated DC/DC"