Buck Converter 파워부 설계

Presented by Byoung-Kuk Lee, Ph.D.

Energy Mechatronics Lab. College of Information and Communication Eng.

Sungkyunkwan University

http://seml.skku.ac.kr

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Buck 컨버터 시스템 구성

보조 전원

Carrier 신호 생성 회로

PWM 신호 생성 회로

과전압 보호 회로

출력전압 Sensing 회로

Gate Driver

• Ex) 설계 예시

항 목 값

입력전압 (Vin) 24 [V]

출력전압 (Vo) 15 [V]

정격출력 (Po) 50 [W]

인덕터 전류 리플 1.5A 이하 (출력전류 3.33A, 20%부하 BCM)

출력전압 리플 (Vo,ripple) 1% 미만 (0.15[V])

스위칭 주파수 (fsw) 40kHz

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파워부 부분별 설계 Guide

전력반도체 소자 선정

• Switch Stress voltage

( )SW Peak iV V

( ) 24SW Peak iV V V

• Switch Stress Current

,max 3.33 0.75 4.082

Lsw o

ii I A

MOSFET : IPP030N10N3G

• VDS = 100V

• ID = 100A

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파워부 부분별 설계 Guide

전력반도체 소자 선정

Diode : DSA30C100PB

• Diode Stress voltage

• Diode Stress Current

( )D Peak iV V

( ) 24D Peak iV V V

,max 3.33 0.75 4.082

LD o

ii I A

• VRRM = 100V

• IF(RMS) = 30A

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파워부 부분별 설계 Guide

인덕터 설계

503.33

15

oL o

o

PI I A

V

• Average Inductor current

• CCM Inductance minimum value

max

max

1.5

93.75

i Os

i Os

V VI DT A

L

V VL DT uH

I

Buck Converter의 인덕터는 리플 전류 기준으로 설계

최대부하의 20~10%부하 범위까지 CCM만족시키는 것이 일반적

• Duty Design

150.625

24

oV

i

VG D

V

Step 1. 전기적인 인덕턴스 설계

Minimum inductance L=93.75uH 100uH

인덕터 전류 리플 1.5A 이하

(출력전류 3.33A, 20%부하 BCM)

Ex)

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파워부 부분별 설계 Guide

인덕터 설계

• Core 선정 : High flux • Energy 계산

Target inductance L=100uH

2 2

2

1 1100 3.33

2 2

=0.554[mH ]

EW L I u

A

재질 손실 직류

중첩특성 가격 주파수 큐리온도

포화 자속밀도

온도 안정성

MPP Lowest Better High 1MHz 450℃ 0.7T Best

High Flux Low Best Medium 1MHz 500℃ 1.5T Best

Sendust Low Good Lower 2MHz 500℃ 1T Good

Mega Flux Medium Best Low 1MHz 725℃ 1.6T Best

• Core size : CH330

(AL : 127, Perm : 125)

→CH330125 선정

Step 2. Core 설계

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파워부 부분별 설계 Guide

인덕터 설계 Target inductance L=100uH

• Turns 결정

[ ] 1000 100 100028.06[ ]

127L

L uHN Turns

A

최초 설계 권선수 29 턴

Step 3. 권선 설계

96.57

122

29 3.33 96.57

100 1000' 28.87[ ]

120

NI

N Turns

최종 권선수 29 턴 (초기 인덕턴스 = 107uH)

• 권선 직경 설계

0.564 3.33 1.15[ ]mm

AWG17 선정

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파워부 부분별 설계 Guide

커패시터 설계 출력전압 리플 (Vo,ripple) 1% 미만 (0.15[V]) Ex)

전류 정격 = 395mA x Factor = 573mA

tan 0.122.17

2 220ESR m

C f uF

,

0.75433

2 3 3

Lc rms

II mA

커패시터의 출력전압 리플과 정격 리플 전류 확인

' 2

min 2

15 0.37529.29

8 8 100 0.15 40

o s

o

V DTC uF

L V u k

설계 SPEC

소자 SPEC [만족]

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파워부 부분별 설계 Guide

시뮬레이션 결과 확인

Gate On

Gate Off