Buck Converter 설계 사양

Presented by Byoung-Kuk Lee, Ph.D.

Energy Mechatronics Lab. College of Information and Communication Eng.

Sungkyunkwan University

http://seml.skku.ac.kr

전체 시스템 구성

시스템 구성도

다이오드 정류기 (AC-DC Converter)

AC

전 220V

AC 22V

10 : 1

DC 31.1V

DC 31.1V M

12V DC

MOTOR

DC-DC Buck Converter + DC MOTOR (부하는 자유롭게 선정)

Buck 컨버터 설계 사양

항 목 값

입력전압 (Vin) 30 [V]

출력전압 (Vo) 12 [V]

정격출력 (Po) 20 [W]

인덕터 전류 리플 0.67A 이하 (출력전류 1.67A, 20%부하 BCM)

출력전압 리플 (Vo,ripple) 1% 미만 (0.12[V])

스위칭 주파수 (fsw) 40kHz

Buck 컨버터 설계 가이드 라인

설계 과제 순서

설계 과제 진행 순서 확인해야 할 사항

1. PSIM Simulation • 설계 사양을 만족 시키는 지 확인 • 부하 가변 시 정상 출력 전압 나오도록 설계

2. 최적 설계를 위한 소자 선정

• 정해진 사양의 규격에 맞는 전력 반도체 소자 선정 • 인덕터 최적 설계 • 입출력 커패시터 선정

3. 제어기 설계 및 적 • Gate Driver 설계 • 센싱회로 설계 (OVT) • PWM IC 설계

4. 배치도 작성 • 사용된 소자의 실측 사이즈를 잰 후 배치도 작성 • PPT에 도형 사이즈 선정 시 실측 사이즈 적용 • 무작위 배치가 아닌 최적의 도선 배치 필수

5. 시스템 제작 • 배치도에 따라 동일하게 하드웨어 제작 • 제작 시, 설계와 변경된 정보 기록

6. 실험 및 결과 확인 • 설계 사양과 동일한 결과가 나오는 지 확인 • 모터의 속도 조절 유무 판단

Buck 컨버터 설계 가이드 라인

PSIM 시뮬레이션 구성

Gate On

Gate Off

Buck 컨버터 설계 가이드 라인

최적 설계를 위한 소자 선정

MOSFET 설계 DIODE 설계

MOSFET 설계 시 : 전압 Stress, 전류 Stress, RDS 고려

DIODE 설계 시 : 전압 Stress, 전류 Stress, Forward 전압 고려

입출력 커패시터 선정 시 : 설계 사양 중 전압의 리플 조건을 충족시키도록 설계, RMS 전류의 크기 고려

인덕터 설계 : Roll off 고려, 전력 밀도 고려하여 코어 선정 및 턴 수 조정

정류기 설계 : 전압 Stress, 다이오드 평균 전류 고려

Buck 컨버터 설계 가이드 라인

제어기 설계

센싱 회로 설계 (OVT) Gate Driver 설계

센싱 회로 설계 (OVT) : 출력 전압 스케일 변환 선정 목적, OVT 전압 레벨 선정 고려

Gate Driver 설계 : Gate에 흐르는 전류 제한 고려, 반전비 반전 선정 고려

PWM IC 설계 : 설계 사양에 맞는 스위칭 주파수 고려

Buck 컨버터 설계 가이드 라인

배치도 작성 (예시)

+

-

+

-

C C C C

am

p

comp

FET

D

L

G

connect

SM

PS

SM

PS

am

p

Power Flow

Controller

GND

부품 실장 및 전력 흐름의 설계

Power Flow는 직관적으로

GND는 단단하게

Gate Signal은 FET와 가깝게

경로는 짧게

주의 할 점

Power부와 Controller부 구분

가도록 설계

도선이 서로 Cross 되지 않도

록 적절히 배치

Buck 컨버터 설계 가이드 라인

시스템 제작

• 전면 제작 사진 • 후면 제작 사진

시스템 구성 후 위와 같이 배치 사진을 남기도록 함

사전에 제작한 배치도와 유사하게 구성이 되었는지 비교 필수

Buck 컨버터 설계 가이드 라인

실험 결과 및 확인 (예시)

실험 사진 (예시) 오실로스코프 실험 파형 확인 (예시)

실험 사진 : 실제 실험 하는 하드웨어 및 현장 사진 찍을 것

오실로스코프 실험 파형 확인 : 시뮬레이션 수행 시 찍었던 파형들에 대하여 오실로스코프로 동일하게 확

인 필수

모터 구동 관련 : 동영상 유첨 X, 조교 직접 확인

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과제 1

단 전파 다이오드 정류기 시뮬레이션 설계

1. 출력전압의 최대값이 30V가 되는 변압기 권선비 설계

2. 출력 전압의 리플이 출력전압의 5%를 만족시키는 출력 커패시턴스 계산

3. 시뮬레이션 Schematic 구성

4. 각부의 시뮬레이션 파형 (vin, iin, vD1, iD1, vo, io, ic, irect)

5. 정 태 동작 시 다이오드 정류기에서 발생하는 도통손실 계산

AC

220 Vrms

60 Hz45Ω

+

vin

-

iin

+

vD1

-

iD1 +

vo

-

ioirect

ic

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과제 2

Buck Converter 전압 전달비 도출 및 시뮬레이션 결과 확인

Vin

Duty = D L R

C RVo

(※ CCM으로 동작한다고 가정)

1. 인덕터 기생 저항 성분 Rl을 고려하여 입출력 전압 전달비 수식 도출

2. R과 Rl의 비에 따른 Gv-D 관계 그래프 도시

3. 시뮬레이션

1) Vin=30[V], Vo=12[V], Rl=0[ohm], fsw=50[kHz], 출력 전력 Po=20[W]가 되도록 R값 선정

2) 1)의 시뮬레이션 플랫폼에서 Rl의 크기 변화에 따른 Vo 변화 양 확인