이 글은 포워드 컨버터, 150W LED 구동 3차 권선 리셋과 듀티비 계산을 2편으로 나누어 정리한 시리즈의 1편입니다. 이번 편에서는 150W LED 구동용 포워드 컨버터의 회로 구성과 기본 사양, 스위칭 상태별 동작과 에너지 전달 경로를 다룹니다.
150W LED 구동용 포워드 컨버터의 회로 구성과 기본 사양
포워드 컨버터(Forward Converter)는 단일 주 스위치를 사용하여 직류 입력 전압을 강압하고 전기적 절연을 제공하는 대표적인 DC-DC 전력 변환 토폴로지입니다. 절연형 벅 컨버터의 변형 구조로서, 스위치가 도통되는 동안 변압기를 통해 1차측에서 2차측으로 에너지를 직접 전달하는 동작 특성을 갖습니다. 고효율과 높은 신뢰성이 요구되는 150W급 LED 조명 구동 시스템에서는 안정적인 직류 전압 및 정전류 공급이 필수적입니다.
본 설계 예시에서 다루는 150W LED 구동 회로는 정격 직류 입력 전압 380V를 받아 정격 출력 전압 48V, 정격 부하 전류 3.125A를 공급하도록 구성되어 있습니다. 회로의 주요 구성 요소는 주 스위치 MOSFET(Q1), 3개의 권선을 갖는 고주파 변압기(T1), 3차 권선에 연결되는 리셋 다이오드(D3), 2차측 정류 다이오드(D1), 프리휠링 다이오드(D2), 그리고 출력 평활 인덕터(L)와 커패시터(C)로 이루어져 있습니다.
포워드 컨버터의 변압기는 에너지를 축적하는 인덕터 역할을 하지 않고 순수한 변압 동작을 수행합니다. 따라서 2차측에 에너지를 평활하여 연속적으로 공급하기 위한 출력 인덕터가 반드시 필요합니다. 변압기의 1차 권선수 N1, 2차 권선수 N2, 3차 리셋 권선수 N3는 변환 전압비와 자속 리셋 시간, 주 스위치의 전압 내압을 결정하는 핵심 설계 변수입니다.
스위칭 상태별 동작과 에너지 전달 경로
포워드 컨버터는 주 스위치 Q1의 온(ON) 및 오프(OFF) 상태에 따라 한 주기 T_sw 내에서 두 가지 주요 동작 모드로 구분하여 동작합니다. 스위칭 주파수를 f_sw라 할 때 스위칭 주기의 정의식은 다음과 같습니다.
주 스위치 Q1이 도통되는 온(ON) 구간 t_on의 관계식은 다음과 같습니다.
식 (2)에서 D는 듀티비입니다. 주 스위치가 도통되는 동안 1차 권선 N1에는 직류 입력 전압 V_in이 인가되어 1차 전류를 공급합니다. 변압기의 도트 표기법에 따라 2차 권선 N2에는 양의 전압이 유기되어 정류 다이오드 D1이 도통합니다. 이때 프리휠링 다이오드 D2는 역방향 바이어스가 걸려 차단 상태를 유지합니다. 입력 전원에서 공급된 전류는 변압기 2차측을 거쳐 출력 인덕터 L을 충전하며 LED 부하로 직접 전달합니다. 동시에 변압기의 자화 인덕턴스 L_m에는 자화전류 i_m이 0에서부터 선형적으로 증가하며 자화 에너지를 축적합니다.
주 스위치 Q1이 차단되는 오프(OFF) 구간 t_off의 관계식은 다음과 같습니다.
식 (3)의 차단 구간에서는 1차 및 2차 권선의 전류가 즉시 차단되어 0으로 감소합니다. 2차측에서는 인덕터 L에 흐르던 연속적인 전류를 유지하기 위해 프리휠링 다이오드 D2가 도통하고 정류 다이오드 D1은 차단 상태를 유지합니다. 이로써 부하 측에는 인덕터에 저장된 에너지를 통해 전류를 끊김 없이 공급합니다. 한편 1차측 자화 인덕턴스 L_m에 축적된 자화전류는 3차 리셋 권선 N3와 직렬로 연결된 리셋 다이오드 D3를 통해 직류 입력단으로 회생 방전합니다.
연속 도통 모드(CCM)에서 이상적인 변압기를 가정한 포워드 컨버터의 입출력 전압 전달 관계식은 다음과 같습니다.
식 (4)에서 V_out은 출력 전압, V_in은 입력 전압, N1은 1차 권선수, N2는 2차 권선수, D는 주 스위치의 듀티비입니다. 150W LED 구동 조건인 입력 전압 380V, 출력 전압 48V에서 권선비를 3.5로 설정할 경우, 정상상태 동작 듀티비 D는 약 0.4421로 결정할 수 있습니다.
다음 편에서는 이어지는 내용을 계속 설명합니다.