AC-DC 변환기

 

AC-DC 변환기

회로에는 크기를 줄이기 위한 최적의 전략으로 통합 AC 전원이 필요한 경우가 많습니다.…

회로에는 크기, 비용을 줄이거나 애플리케이션별 요구 사항을 줄이기 위한 최적의 전략으로 통합 AC 전원이 필요한 경우가 많습니다. AC-DC 변환기 와 관련된 주요 개념 과 사용 가능한 실용적인 대안을 이해하는 것은 성공적인 설계를 향한 좋은 시작입니다.

안전 제일!
AC 소스가 주 전원 소켓인 경우 구현이 사용하기에 안전한지 확인하기 위해 세심한 주의를 기울여야 합니다. 예외 없이 이 하위 시스템은 자격을 갖춘 전문가가 설계하고 구현해야 합니다. 가능하다면 사전 승인된 상용 플러그 팩을 사용하십시오.

준수는 필수입니다!
메인 플러그 소켓에 무엇이든 연결할 때는 사용되는 국가의 법적 인증 표준을 준수해야 합니다. 또한 이를 위해서는 테스트와 인증을 받아야 합니다. 이는 비용이 많이 드는 프로세스입니다. 이는 안전을 보장하고 다른 사람을 방해하지 않으며 AC 주 전력선에 소음을 유발하지 않기 위한 것입니다.

AC-DC 변환기란 무엇입니까?

전력은 진동하지 않는 정전압 에서 한 방향으로 흐르는 직류(DC) 또는 진동 전압으로 인해 앞뒤로 흐르는 교류(AC)로 전선을 통해 전송됩니다. AC는 변압기의 발명으로 인해 배전 비용이 저렴하고 전압 레벨 간을 변환하는 간단한 방법을 포함하여 DC에 비해 여러 가지 이점을 제공하므로 전력을 전송하는 지배적인 방법입니다.

 

장거리에 걸쳐 고전압으로 전송된 후 더 낮은 전압으로 변환되는 AC 전력은 가정에서 더 효율적이고 안전한 전력원입니다. 위치에 따라 고전압은 4kV(킬로볼트)에서 최대 765kV까지 다양합니다. 참고로 가정의 AC 주전원은 거주 지역에 따라 110V에서 250V까지 다양합니다. 미국의 경우 일반적인 AC 메인 라인은 120V입니다.

AC-DC 변환기는 전압이 교대로 변하는 교류 전류를 인덕터(L) 및 커패시터(C)와 같은 반응성 임피던스 요소로 조종하여 저장되고 통합됩니다. 이 프로세스는 양극 전위와 음극 전위와 관련된 전력을 분리합니다.

필터는 저장된 에너지를 평활화하여 다른 회로를 위한 DC 소스를 생성하는 데 사용됩니다. 이 회로는 다양한 형태를 취할 수 있지만 항상 동일한 필수 요소로 구성되며 하나 이상의 변환 단계를 가질 수 있습니다.

그림 1에 묘사된 AC-DC 변환기는 '순방향 변환기'라고 불리며, 이는 약간 단순한 아키텍처보다 효율성이 더 높습니다. '플라이백 컨버터'.

자세히 논의할 수는 없지만 플라이백 컨버터는 회로 내 변압기의 에어갭에 저장된 에너지에 따라 작동한다는 점에서 순방향 컨버터와 다릅니다. 이러한 차이점 외에도 동일한 필수 블록을 활용할 수 있습니다.

그림 1: 순방향 컨버터 AC/DC 전원 공급 장치의 기능 블록 다이어그램

입력 필터링 블록

입력 필터는 전원 공급 장치 스위칭 요소에서 생성된 노이즈가 주 전원 공급 장치로 다시 유입되는 것을 방지하므로 중요합니다. 또한 주 전원 공급 장치에 있을 수 있는 노이즈가 후속 회로로 들어가는 것을 방지합니다. 필터는 50/60Hz 주전원 주파수를 통과하고 존재할 수 있는 더 높은 주파수의 잡음과 고조파를 감쇠합니다.

AC-DC 변환기의 다른 부품과 마찬가지로 커패시터 및 인덕터와 같은 반응성 요소는 주파수 선택적 억제라는 중요한 역할을 수행합니다. 커패시터는 DC를 통과시키지 않으며 직렬(DC 차단 '고역 통과 필터' 요소) 또는 병렬(고주파가 컨버터를 통과하지 못하도록 접지로 분류하기 위해) 사용할 수 있습니다.

입력 필터링 블록에는 일반적으로 전력망의 고전압 스파이크로 인해 전원 공급 장치가 손상되는 것을 방지하기 위해 전압 종속 저항기 또는 배리스터도 포함됩니다. 이는 그림 1의 입력에 대각선이 통과하는 직사각형 상자입니다. 가장 일반적인 유형의 배리스터는 금속 산화물 배리스터(MOV)입니다. 장치 '클램핑 전압'에 전압이 걸리면 MOV가 전도성이 되어 고전압 스파이크를 차단하고 서지를 억제합니다.

정류

가장 간단한 AC-DC 변환기는 입력 필터링을 따르는 변압기로 구성되며, 이 변압기는 정류기로 전달되어 DC를 생성합니다. 이 경우 변압기가 DC를 통과하지 못하기 때문에 변압기 다음에 정류가 발생합니다. 그러나 많은 AC/DC 변환기는 변압기 요구 사항이 더 적고 주 전원 공급 장치로 다시 참조되는 잡음이 더 낮다는 이점으로 인해 그림 1에 설명된 것처럼 보다 정교한 다단계 변환 토폴로지를 사용합니다.

정류기는 다이오드와 같이 조건부로 한 방향으로만 전류를 전도하는 반도체 장치를 사용하여 구현됩니다. 보다 정교한 반도체 정류기에는 사이리스터가 포함됩니다. 실리콘 제어 정류기(SCR)와 교류용 삼극관(TRIAC)은 적은 양의 전압으로 더 큰 전압과 전류의 흐름을 제어할 수 있다는 점에서 계전기와 유사합니다.

이러한 작동 방식은 제어 '게이트'가 입력 신호에 의해 트리거될 때만 작동한다는 것입니다. AC 파형이 흐를 때 적시에 장치를 켜거나 끄면 전류가 조정되어 DC 분리가 생성됩니다. 이를 수행하기 위한 많은 회로가 있으며, 위상 사분면 사이리스터를 켜거나 끄는 제어 신호로 사용되는 AC 파형을 탭핑한 신호가 있습니다. 이는 정류 이며, 더 정교한 장치의 경우처럼 자연적 (간단한 다이오드의 경우)이거나 강제적 일 수 있습니다.

 

고효율 전원 공급 장치는 MOSFET과 같은 능동 장치를 해당 회로의 스위치로 사용할 수 있습니다. 더 복잡한 토폴로지를 사용하는 이유는 일반적으로 효율성 향상, 소음 감소 또는 전력 제어 역할을 하기 위한 것입니다.

다이오드는 전도될 때 고유의 전압 강하를 갖습니다. 이로 인해 전력이 소실되지만 다른 능동 소자에서는 전압 강하가 훨씬 낮아 전력 손실이 더 낮을 수 있습니다. SCR 및 TRIAC 회로는 아래의 조광기 예와 같은 저비용 전력 제어 회로에서 특히 일반적입니다. 입력 주전원이 교대로 부하에 전달되는 전류를 직접 조종하고 제어하는 ​​데 사용됩니다.

이러한 구현은 회로에 변압기가 없을 때 갈바닉이 아니며 직접 주전원에 연결된 조명 제어와 같은 적절한 회로에서만 유용합니다. 또한 단순성과 견고성이 필수적인 고전력 산업 및 군사용 전원 공급 장치에도 사용됩니다.

그림 2: SCR 기반 변환

역률 보정(PFC)

이는 변환기를 이해하기 가장 복잡한 측면입니다. PFC는 전압 파형에 유입되는 전류의 상대 위상을 보정하여 최적의 역률을 유지함으로써 컨버터의 효율을 높이는 데 필수적인 요소입니다. 이는 컨버터가 주 전원 공급 장치에 나타날 수 있는 '무효 부하' 특성을 감소시킵니다.

이는 고품질의 효율적인 전기 네트워크를 유지하는 데 필수적이며, 전기 공급 회사는 역률이 낮은 고객에게 특별 무효 전류 관세를 부과할 수도 있습니다. 패시브 또는 액티브 PFC는 위상 관계를 수정하기 위해 액티브 요소 또는 패시브 요소가 사용되는지 여부를 나타냅니다.

반도체 PFC는 PFC 회로를 적극적으로 모니터링하고 조정하도록 맞춤화된 컨트롤러가 통합된 특수 목적 IC를 의미할 수 있으며, 부품 수를 줄이고 전체 설계를 단순화하는 동시에 더 높은 성능을 얻을 수 있습니다. 과전압/저전압 보호, 과전류 보호, 소프트 스타트, 오류 감지/응답과 같은 다른 기능을 통합할 수 있습니다.

그림 1에 표시된 컨버터는 단일 스테이지 PFC 컨버터입니다. 이 섹션의 커패시터는 맥동 입력 전력과 스테이지의 상대적으로 일정한 출력 전력 사이의 불균형 에너지를 저장하는 데 사용됩니다. 이에 대한 자세한 내용은 "무효 에너지 저장" 섹션을 참조하십시오. 2단계 PFC 컨버터는 범용 전원 공급 장치에서 얻을 수 있는 저장 커패시터 전체의 넓은 전압 범위를 처리할 필요가 없기 때문에 일반적으로 사용되며, 이는 변환 효율성에 해로운 영향을 미칩니다. 또한 커패시터 크기에 있어서 더 나은 균형을 제공할 수 있으며 이는 비용 절감에 도움이 될 수 있습니다.

AC-DC 변환기 전력단

전력단은 변압기를 통해 1차 측에서 2차 측으로 전달되는 전력을 제어합니다. 이는 수백 kHz에 달하는 고주파수에서 스위칭하는 능동형 스위칭 장치로 구성됩니다. 스위치 ON/OFF 상태는 부하에 동적으로 전달되어야 하는 전력량에 따라 변경되는 펄스 폭 변조(PWM) 입력에 의해 제어됩니다.

이 정보는 컨버터의 절연 요구 사항을 수용하는 다양한 기술을 통해 전달될 수 있는 2차측의 피드백 경로를 통해 얻습니다. 더 높은 주파수 스위칭으로 인해 변압기 요구 사항이 더 작아지고 크기와 비용이 줄어듭니다.

변신 로봇

변압기는 전자기 유도에 의해 서로 결합되는 공통 코어에 권선된 와이어로 구성됩니다. 이는 고전압(주 전원) 소스에 연결할 때 중요합니다. 유도 커플링이 후속 회로에서 주 전원을 분리하므로 '오프라인' 변환이라고 하며, 이는 직접 연결보다 훨씬 안전한 시나리오입니다.

직접 구리 회로가 아닌 전자기장에 의한 커플링('갈바닉 절연')은 감전이나 위험한 스파크 방전을 일으킬 수 있는 최대 에너지를 변압기 자기장 자속선에 저장된 에너지로 제한합니다. 에너지를 저장하는 변압기의 능력(크기 및 재료와 관련)은 변압기가 부하 조건 변화에서 원하는 전압 전위를 유지하기 위해 에너지를 얼마나 잘 제공할 수 있는지를 결정하므로 컨버터 설계에서 중요한 고려 사항입니다.

변압기 이론 및 작동에 대한 자세한 내용은 여기에서 확인할 수 있습니다 .

그림 1에는 아키텍처 고유의 자화 전류로 인해 변압기의 자기소거와 관련된 'Mag Amp Reset'이라는 블록이 있습니다. 이것이 없으면 코어 재료의 잔류성이 전력단 PWM의 몇 사이클 동안 이를 포화시킬 것입니다. 이 튜토리얼에서 다루기에는 너무 복잡하지만 이 추가 회로는 변환기 회로 다이어그램을 검토할 때 매우 혼란스러울 수 있으며 이것이 필요한 이유를 아는 것이 유용합니다.

자기소거를 수행하는 기술에는 여러 가지가 있으며, 가장 간단한 방법은 전력단 스위치가 꺼져 있을 때 자기소거 전류가 별도의 보조 권선을 통해 다이오드로 피드백되는 것입니다. 이 회로는 최대 PWM 듀티 사이클을 50%로 제한하지만 더 높은 듀티 사이클을 활성화하려면 더 복잡한 방법을 사용할 수 있습니다.

변압기 또는 기타 갈바닉 절연 방법(광커플러 등)은 1차측과 2차측 간에 정보 신호를 전달하는 데 자주 사용됩니다. 이는 변환 프로세스의 보다 복잡한 제어를 촉진하는 데 필요합니다. 즉, 1차측에 위치한 제어 회로가 2차측 부하의 상태에 응답하고 전류를 조정하는 방식을 동적으로 변경하여 더 낮은 잡음과 더 높은 효율성을 얻을 수 있도록 하는 데 필요합니다.

AC-DC 변환기 출력 회로

필터링 섹션에서 언급했듯이 커패시터 및 인덕터와 같은 수동 반응성(저장) 요소의 전기장은 에너지를 저장합니다. 충전 조향 정류 후에 사용하면 교류 입력 전원 사이클 동안 에너지 저장소 역할을 합니다. 이 에너지 저장 장치는 소스 역할을 하여 다양한 부하 조건에서 일정한 출력 전압을 제공하므로 이는 컨버터에서 매우 중요한 요소입니다.

능동 소자는 부하에 제공되는 전압 및/또는 부하로 흐르는 전류를 감지하고, 네거티브 피드백 제어 루프에서는 이 정보를 사용하여 이러한 저장 소자로 펌핑되는 에너지를 조정 하여 일정한 출력 전압 레벨을 유지합니다. 이 펌핑 프로세스는 능동 소자를 사용하여 조절 이라는 광범위한 개념에 따라 저장 소자로 흐르는 전류를 켜고 끕니다 .

규제

부하의 동적 임피던스에 관계없이 부하 회로에 일정한 전압을 제공해야 합니다. 이것이 없으면 과전압 또는 저전압 상태가 발생하여 잘못된 회로 동작이나 심지어 회로 손상이 발생할 수 있습니다. 이는 공급 전압이 공칭 값의 몇 퍼센트 범위 내에서 엄격하게 제한되어야 하는 저전압 디지털 전자 장치의 경우 특히 그렇습니다. 반응형 요소에는 이에 대한 내장된 제어 기능이 없습니다. AC/DC 변환기가 엄격하게 제어된 출력 전압 범위를 달성하는 방법은 저임피던스 반응성 저장 소스 에 저장된 에너지를 조건부로 제어하는 ​​것입니다 .

전압 출력은 이러한 요소에서 전력이 소모됨에 따라 시간이 지남에 따라 변하며 직렬 저항이나 기생 정전 용량과 같은 장치의 비이상적 특성으로 인해 변동이 발생할 수도 있습니다. 이 소스를 재충전 하려면 일종의 동적 제어가 필요합니다. 이것을 규제라고 합니다. 마이크로프로세서와 같은 부하는 다양한 작업을 수행하면서 필요한 전력을 변경하므로 능동 동적 조절의 필요성이 더욱 커집니다.

조절 제어는 스위칭 요소를 제어하는 ​​피드백 회로입니다. 이 경우 스위칭 소자는 컨버터의 1차측에 있습니다. 스위치가 효율적이려면 하드 ON(가능한 가장 낮은 임피던스) 또는 하드 OFF(가능한 가장 높은 임피던스)여야 합니다. 상태 사이에서 스위치를 통해 이동하는 전력이 소실되고 낭비되기 때문입니다. MOSFETS와 같은 반도체 스위치는 이상적이지 않으며 약간의 임피던스를 나타내며 에너지를 소모하므로 변환 효율이 낮아집니다.

스위치를 제어하는 ​​방법은 실제로 두 가지뿐입니다. 스위치의 켜짐 또는 꺼짐 듀티 사이클을 변경하는 것(PWM(펄스 폭 변조)) 또는 켜짐 또는 꺼짐의 주파수를 제어하는 ​​것입니다. 비공진 모드 변환기는 하드 스위칭 기술을 사용하지만 공진 모드 변환기는 보다 지능적인 소프트 스위칭 기술을 사용합니다.

소프트 스위칭은 전압이 0이거나 전류가 0인 지점에서 교류 파형을 켜거나 끄는 것을 의미하며, 스위칭 손실을 제거하고 효율성이 매우 높은 아키텍처로 이어집니다. 동기식 정류와 같은 기술은 정류 다이오드를 MOSFET과 같은 능동 스위칭 소자로 대체합니다. 입력 AC 파형에 동기화된 스위칭을 제어하면 MOSFET이 적시에 매우 낮은 ON 저항과 더 적은 전압 강하로 작동할 수 있어 다이오드 정류와 비교할 때 더 높은 효율을 얻을 수 있습니다.

조절 회로는 언제 전환해야 하는지 어떻게 알 수 있나요? 제어 모드에는 전압 제어와 전류 제어의 두 가지 주요 방법이 있습니다. 조정기는 부하 회로에 제공되는 전압을 조정하기 위해 두 가지 방법 중 하나 또는 조합을 사용합니다.

전압 제어 모드

전류 제어 모드

제어 방법 외에도 조절 요소를 더욱 복잡하게 만드는 컨버터가 정류 사이클로 작동하는 방식을 연속 또는 불연속 작동 모드라고 합니다. 연속 작동 모드는 인덕터 전류가 0으로 떨어지지 않는 모드입니다(컨버터 토폴로지에 0이 있는 경우).

이는 출력 리플이 낮고 따라서 잡음이 낮은 작동 모드이지만 인덕터가 항상 전도하므로 항상 비이상적인 직렬 전도 손실로 일부 에너지를 소모합니다. 불연속 모드에서는 인덕터 전류가 0이 되도록 허용되어 부하가 저장 ​​커패시터에서 에너지를 얻도록 합니다. 이는 효율성이 더 높은 작동 모드이지만 잠재적으로 리플이 더 많고 규제 제어가 더 나쁩니다.

AC-DC 변환기의 유형

간단히 살펴보았듯이 플라이백 및 벅플라이백 아키텍처를 포함하여 토폴로지와 관련된 여러 컨버터 유형이 있습니다. 이는 변압기를 통합하고 구성 요소 수가 적으며 다른 옵션에 비해 비용이 저렴할 수 있는 일반적인 토폴로지입니다.

플라이백 컨버터는 일반적으로 인덕터가 변압기로 교체된 벅-부스트 AC-DC 컨버터(승압/강압)입니다. 변압기 내부에 저장된 에너지는 능동 또는 수동 정류 회로를 통해 2차 전류를 정류하는 데 사용됩니다. 가장 일반적인 유형의 플라이백 컨버터는 불연속 모드(DCM)를 활용합니다. 즉, 트랜스포머에 흐르는 전류가 0이 됩니다. 이는 일반적으로 제어 루프가 가장 간단하고 비용이 가장 낮기 때문입니다. 더 높은 전력 레벨을 위해서는 연속 전류 모드(CCM) 플라이백 컨버터가 필요하지만 연속 전도로 인해 변압기 권선 손실이 더 높아집니다.

많은 전원 공급 장치는 부하 수준에 따라 모드 간에 전환됩니다. 플라이백 토폴로지의 유사 공진(QR) 및 밸리 스위칭/가변 주파수 변화는 효율성을 향상시키기 위해 스위칭이 발생하는 시기와 방법을 최적화하는 더 복잡한 회로입니다. QR 플라이백은 비이상적인 누설 인덕턴스의 에너지를 재활용하여 이를 달성하고 밸리 스위칭은 오버슈트로 인한 스파이크를 줄입니다. 일반적으로 저전력 애플리케이션에 사용됩니다.

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