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
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