홍라이프 계산기포워드 컨버터 계산기 쉽게 이해하기 — 개념과 원리
이 계산기는 리셋 권선이 있는 단일 스위치 포워드 컨버터의 동작값을 구합니다. 최소·최대 입력의 시비율, 리셋으로 인한 시비율 한계, 스위치와 다이오드 전압 스트레스, 출력 인덕터 리플과 피크 전류를 알려 주어, 시제품을 만들기 전에 권선비와 출력 인덕터를 점검하는 데 쓰입니다.
계산 방법
Vout + V_F = Vin × (Ns/Np) × D, 따라서 D = (Np/Ns)(Vout + V_F) ÷ Vin
리셋 한계: D ≤ Np ÷ (Np + Nr)
스위치 스트레스 = Vin,max × (1 + Np/Nr)
2차 피크 = 환류 다이오드 전압 = Vin,max × Ns/Np, 정류 다이오드 = Vin,max × Ns/Nr
인덕터 리플 ΔI = (Vout + V_F)(1 − D) ÷ (Lo × f), 최대 입력 기준
피크 인덕터 전류 = Iout + ΔI/2, 연속 전류 최소 Lo = (Vout + V_F)(1 − D) ÷ (2 Iout f)
원리
포워드 컨버터는 변압기를 넣은 벅 컨버터입니다. 스위치가 켜지면 변압기가 Vin × Ns/Np를 그대로 LC 필터로 넘기고, 꺼지면 인덕터 전류가 두 번째 다이오드로 환류합니다. 플라이백과 달리 부하 에너지를 변압기에 저장하지 않지만, 코어의 자화 자속은 주기마다 리셋해야 합니다. 리셋 권선이 그 에너지를 입력으로 되돌리며, 리셋에 필요한 볼트·초 때문에 온 시간이 제한됩니다.
예제 풀이
기본값인 입력 36~72V, 출력 5V 10A, 다이오드 0.5V, Np/Ns = 3, Nr/Np = 1, 200kHz, Lo = 10µH로 계산합니다.
- 36V에서 D = 3 × 5.5 ÷ 36 = 45.8%, 72V에서 16.5 ÷ 72 = 22.9%입니다.
- 리셋 한계 = 1 ÷ (1 + 1) = 50%이므로 45.8%는 허용됩니다.
- 스위치 스트레스 = 72 × (1 + 1) = 144V, 2차 피크 = 72 ÷ 3 = 24V, 두 다이오드 모두 24V를 받습니다.
- ΔI = 5.5 × (1 − 0.229) ÷ (10µH × 200kHz) = 2.12A, 피크 = 10 + 1.06 = 11.06A입니다.
- 최소 Lo = 1.06µH, 1차 부하 피크 전류 = 11.06 ÷ 3 = 3.687A입니다.
| 정류 다이오드 순방향 전압 강하 (V) | 최소 입력에서의 듀티비 (%) |
|---|---|
| 0.125 | 42.7 |
| 0.25 | 43.8 |
| 0.375 | 44.8 |
| 0.5 | 45.8 |
| 0.625 | 46.9 |
| 0.75 | 47.9 |
| 1 | 50 |
결과 해석
최악 조건의 시비율은 리셋 한계보다 여유 있게 낮아야 합니다. 1:1 리셋 권선은 스위치에 입력 전압의 두 배를 걸리게 하므로 MOSFET 정격을 정하는 요인이 됩니다. 출력 인덕터가 작을수록 리플과 피크 전류가 커지므로, 리플이 부하 전류의 적당한 일부가 되도록 정합니다.
흔한 실수
- 1차 피크에 Vin × D ÷ (Lm f)만큼의 자화 전류를 더하지 않는 경우
- 낮은 입력에서 리셋 한계를 넘겨 코어가 포화되는 경우
- 스위치 스트레스 위에 누설 스파이크가 더해진다는 점을 무시하는 경우
자주 묻는 질문
포워드 컨버터는 플라이백과 무엇이 다릅니까?
포워드는 스위치가 켜져 있을 때 에너지를 전달하고 출력 인덕터가 필요하며, 플라이백은 변압기에 저장했다가 꺼질 때 내보냅니다.
1:1 리셋 권선에서 시비율이 50%로 제한되는 이유는 무엇입니까?
코어를 자화한 시간만큼 리셋할 시간도 필요하기 때문입니다.
리플은 언제 가장 큽니까?
시비율이 가장 작고 오프 시간이 가장 긴 최대 입력에서입니다.
출처: D. Perreault, MIT OpenCourseWare 6.622 Power Electronics (Spring 2023), Lecture 13 "Isolated DC/DC"