다상 DC 소개

다상 DC-DC 변환은 고전류 애플리케이션에서 강압 스위칭 조정기의 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이 기사에서는 다중 위상 벅 컨버터의 구조와 기능을 설명하고, 향후 기사에서는 어떤 설계 프로젝트가 단상 조정보다 다중 위상 조정의 이점을 누릴 수 있는지 결정하는 데 도움이 되는 장단점을 제시하겠습니다. 계획.

먼저 DC-DC 변환 기본 사항을 간략하게 살펴보겠습니다.

다음 회로(그림 1)는 기본적인 강압 스위칭 조정기(벅 컨버터라고도 함)를 나타냅니다.

선형 레귤레이터와 달리 DC-DC 컨버터는 '스위치 모드'(즉, 켜기 대 끄기) 전류 흐름의 이점을 활용하여 높은 효율을 달성할 수 있습니다. 선형 조정의 경우처럼 가변 저항기로 작동하는 트랜지스터 전체에서 전력을 소비하는 대신 DC-DC 변환기의 트랜지스터는 완전히 켜지거나 완전히 꺼지므로 결과적으로 저효율 중간 영역에서의 작동을 방지합니다.

전환된 전압은 트랜지스터 출력 측의 인덕터-커패시터 회로에 의해 안정적이고 감소된 전압으로 필터링됩니다. 트랜지스터가 전도되면 전류는 인덕터를 통해 부하로 흐릅니다. 반면, 트랜지스터가 꺼지면 인덕터는 전류 흐름을 유지합니다(전류가 순간적으로 바뀔 수 없다는 점을 기억하세요). 이 경우 출력 커패시터는 필요한 부하 전류에 대한 전하 저장소를 제공합니다. 조정은 트랜지스터 게이트에 적용되는 제어 신호를 펄스 폭 변조하여 출력 전압을 조정하는 피드백 루프를 통해 수행됩니다. 이를 통해 온 상태 기간과 오프 상태 기간의 비율이 달라집니다.

다음으로 Renesas의 DA9213/14/15 다상 벅 컨버터 데이터시트에서 가져온 아래 그림 2의 다이어그램을 살펴보겠습니다.

이 장치는 최대 20A를 공급할 수 있으며 스마트폰 및 태블릿의 마이크로프로세서용 전원 레일 생성과 같은 저전압, 고전류 애플리케이션용으로 설계되었습니다. 이 다이어그램은 실제 애플리케이션에서 다위상 변환을 구현하는 데 필요한 사항에 대한 지나치게 단순화된 아이디어를 전달하지 않고 다위상 벅 컨버터의 구조를 보여주기 때문에 마음에 듭니다.

오른쪽에는 4쌍의 전계 효과 트랜지스터(FET)와 4개의 인덕터가 있습니다. 한 쌍의 FET는 하나의 인덕터를 통해 전류를 제어하는 ​​하프 브리지 드라이버로 기능하며 각 하프 브리지 드라이버와 인덕터 하위 회로는 위상(즉, 별도의 벅 컨버터의 코어)입니다. 위상은 병렬로 작동하고 협력하여 부하에 전류를 공급합니다(다이어그램의 부하 전류는 출력 캡 오른쪽의 전류 소스로 표시됩니다).

다이어그램에는 4개의 개별 출력 커패시터가 표시되어 있지만 이러한 커패시터는 모두 병렬로 연결되어 있습니다. 즉, 출력 커패시턴스는 물리적으로 나누어져 있지만 전기적으로는 통합되어 있습니다. 이는 입력 커패시턴스에도 해당됩니다. 따라서 위상은 인덕턴스를 공유하지 않지만 입력 및 출력 커패시턴스는 공유합니다.

최적화된 다상 변환은 복잡한 절차이며, 다이어그램에서 DA9213에 상당히 많은 제어 회로가 포함되어 있음을 볼 수 있습니다. 직렬 인터페이스를 통해 마이크로컨트롤러는 다음과 관련된 데이터를 읽고 쓸 수 있습니다.

다위상 변환의 중요한 측면은 위상에 적용되는 인터리브 타이밍인데, 실제로 다위상 변환기를 인터리브 변환기라고도 합니다. 인터리빙은 일련의 제어 펄스를 위상 트랜지스터에 적용하여 순환 방식으로 위상을 활성화합니다.

그림 3의 다음 회로도는 Reyes-Portillo et al.이 작성한 연구 논문에서 가져온 것입니다. World Electric Vehicle Journal에 게재되었으며 EV 배터리 충전을 위해 설계된 비동기식 다상 벅 토폴로지를 설명합니다.

또한 저자는 4단계에 대해 다음 타이밍 다이어그램(그림 4)을 제공합니다.

회로도에서 스위치 Q1 ~ Q4로 표시되고 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)로 구현된 트랜지스터에 대한 제어 신호는 위상이 온 상태로 "전환"되는 사이클을 생성합니다. 이것이 인터리빙의 의미입니다. 위에 표시된 특정 방식에는 제어 신호의 위상 간 중첩이 포함되지만 중첩이 반드시 필요한 것은 아닙니다.