LC출력 필터 설계 전자공학 2005/06/23 18:27

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LC출력 필터 설계

1. 차단주파수와 스위칭 주파수의 관계LC출력 필터의 차단주파수는 스위칭 주파수(20kHz)보다 낮고 신호주파수(약 400Hz)보다 높아야 한다. 그림10(a)에 나타난 LC 필터의 감쇠 특성은 －12dB/oct.이다.

주파수가 2배로 되면 －12dB 감쇠하고 주파수가 10배로 되면 －40dB 감쇠한다.그림 10(b)와 같이 차단주파수 fC를 스위칭 주파수의 1/10 로 하면 스위칭 주파수에서 변동하는 리플 전압은전원전압 의 1/100(－40dB)로 되어 거의 문제가 발생하지 않는 레벨 로 된다. 파워 컨트롤러의 스위칭 주파수는 20kHz이므로 차 단주파수를 2kHz로 설정한다.차단주파수는 다음과 같은 식으로 구한다.

차단주파수에서의 감쇠량은 －3dB, 위상차는 90°이다. 신 호주파수를 차단주파수에 근접시키면 입력전압과출력전압 의 위상차가 커지고 LC출력 필터를 통과한 전압에서 부귀환 을 걸 경우, 이상발진이 일어나기 쉽다.

2. 코일의 인덕턴스 설계와 선택(1) 인덕턴스값과 손실의 트레이드 오프식 (8)에서 알 수 있는 바와 같이, 같은 차단주파수라도 L 값과 C값에 따라 다양한 조합이 있다. 식 (5)와 같이,인덕턴

보디 다이오드의 응답을 빠르게 한 파워 MOSFET파워 MOSFET 보디 다이오드의 역회복시간 trr은 일반적으 로 응답이 느리고 규정되어 있지 않은 것도 많다.표 A는 역회 복 시간이 비교적 짧은 보디 다이오드가 내장된 파워 MOSFET의 예이다.

스값이 클수록 리플 전류는 작아진다. 그러나 인덕턴스값을 크게 하면 코일의 형상이 커진다.리플 전류를 허용하면서 가급적 작은 인덕턴스값을 선택하 는 것이 현명하다. 리플 전류의 허용값은 출력전류의 10~ 20% 정도로 하는 것이 일반적이다. 리플 전류가 너무 크면 이 번에는 파워 MOSFET의 드레인 전류가증가하여 스위칭 손 실이 증가한다. 코일과 콘덴서를 흐르는 전류도 증가하여 손실 이 커진다.(2) 댐핑 저항으로 차단주파수 부근의 피크를 억제한다그림 11과 같이 그림 10(a)에 나타난 LC 출력 필터는 차단주파수에서 피크를 가진다.

이 피크를 억제하려면 그림 12와 같이 콘덴서와 병렬로 댐핑 저항을 접속한다.

저항값을 크게 할수록 피크는 작아지고 너무 크게 하면 차단주파수가 낮 아져 파워 회로의 대역에 영향을 미친다(그림 13).

댐핑 저항과 부하를 맞춘 저항값이 차단주파수에서의 코일 임피던스값과 같아지도록 인덕턴스값을 선택하면양호한 주 파수 특성으로 된다. 무부하 시 피크가 나와 문제되는 경우는 그림 14와 같은 회로로 하여 출력주파수에 영향을 주지 않도록 한다.

1) 파워 컨트롤러의 인덕턴스값파워 컨트롤러의 출력전압은 30VRMS에서 출력전류 3ARMS 이므로 부하저항은 10Ω이다. 차단주파수 2kHz에서 임피던 스가 약 10Ω으로 되는 인덕턴스값을 구하면 되는 것이다. 인 덕턴스값은 다음과 같은 식으로 구한다.

(3) 파워 컨트롤러에 사용한 코일인덕턴스값은 식 (9)에서 약 800μH, 코일의 정격전류는 파 워 MOSFET의 드레인 전류와 같은 5.4A 이상이 필요하다. 여기서는 갭이 없는 어모퍼스 초크 코일 GLA-05-0515(다 무라정공사)를 선택했다. GLA-05-0515의 주요 사양을 표 3 에 나타낸다.

직류 중첩전류-인덕턴스 특성은 본지 9월호 기 획특집Ⅱ 제2장의 그림 12를 참조하기 바란다.직류 중첩전류-인덕턴스 특성에서 출력전류 피크값의 4.2A 부근 인덕턴스값은 약 600μH이다. 출력전류가 0A일 때 1,030μH이고 출력전류 피크값의 4.2A 부근에서 600μH 이므로 중간값은 약 800μH이다.전술한 파워 MOSFET의 드레인 전류 정격을 결정할 때에 는 카탈로그에 제시되어 있는 5A일 때의 인덕턴스값 515μH 를 사용했다.(4) 코일의 접속방법파워 컨트롤러의 LC 필터에서는 부품을 감소시키기 위해 그림 2에 나타난 접속법을 사용했다. 이 접속은 출력단자 한 쪽에 스위칭 전압이 그대로 출력되어 그라운 드에 대한 코먼모드 노이즈가 증가될 가능성 이 있다.실제로는 그림 15와 같은 접속을 많이 볼 수 있다.

이 접속은 출력단자 양측 모두가 출 력 파형에 가까운 파형으로 되어 코먼 모드 노이즈가 비교적 작아진다.

3. 콘덴서의 용량설계와 선택차단주파수를 2kHz로 하려면 식 (8)에서,

로 된다. 콘덴서의 정격전압은 전원전압인 직류 48V 이상이고 허용 리플 전류는 식 (5) 에서 2.33AP-P 이상 필요하다.카탈로그의 허용 리플 전류는 실효값으로 표시되고 있는 경우가 많으므로 2.33AP-P를 실효값으로 변환한다.3각파의 실효값은 피크값의 (1/√3)이므로,

로 구해진다.파워 컨트롤러용으로 비교적 리플 허용전류가 큰 메탈라 이즈드 폴리프로필렌 필름 콘덴서를 선택했다. 정격전압은 63V인 것이면 되며 소지하고 있는 정격전압 DC250V, 허용 리플 전류 8.52ARMS@100kHz의TACB2E106K(표 4)를 사용했다.