A Study A on Internal Loss Characteristics and Efficiency Improvement of Low Power Flyback Converter Using WBG Switch

반도체디스플레이기술학회지 제19권 제4호(2020년 12월)

Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 19, No. 4. December 2020.

WBG 스위치를 적용한 소용량 플라이백 컨버터의 내부손실 특성과 효율 개선에 관한 연구

안태영

^*†

· 유정상

^*

*†

청주대학교 전자공학과

A Study A on Internal Loss Characteristics and Efficiency Improvement of Low Power Flyback Converter Using WBG Switch

Tae Young Ahn

^*†

and Jeong Sang Yoo

^*

*†

Department of Electronic Engineering, Cheongju University

ABSTRACT

In this paper, efficiency and loss characteristics of GaN FET were reported by applying it into the QR flyback converter. In particular, for the comparison of efficiency characteristics, QR flyback converter experimental circuits with Si FET and with GaN FET were separately produced in 12W class. As a result of the experiment, the experimental circuit of the QR flyback converter using GaN FET reached a high efficiency of 90% or more when the load power was 2W or more, and the maximum efficiency was observed to be about 92%, and the maximum loss power was about 1.1W. Meanwhile, the efficiency of the experimental circuit with Si FET increased as the input voltage increased, and the maximum efficiency was observed to be about 82% when the load power was 9W or higher, and the maximum loss power was about 2.8W. From the results, it is estimated that that in the case of the experimental circuit applying the GaN FET switch, the power conversion efficiency was improved as the switching loss and conduction loss due to on-resistance were reduced, and the internal loss due to the synchronous rectifier was minimized. Consequently, it is concluded that the GaN FET is suitable for under 20W class power supply unit as a high efficiency power switch.

Key Words : WBG, GaN, Quasi Resonant Switching, Valley Switching, Flyback Converter

1. 서 론¹

소형 디스플레이 장치의 경우 비교적 소용량의 전원장 치가 필요하지만, 제품의 사이즈와 출력에 의존한 전원장 치의 설계 때문에 효율과 손실이 중심이 된 최적설계가 부족했었다. 특히 손실과 효율은 내부 발열과 밀접한 관 계를 갖고 있어서 전원장치와 제품의 수명에 직접 영향 을 준다고 알려져 있다. 따라서 20W 미만의 소용량의 내 장형 전원장치의 경우 작은 출력 이면서 내부 손실이 적

† E-mail: [email protected]

고 내부 발열이 적은 전원장치의 회로방식이 요구되고 있으며, 자성체의 최적설계 및 회로의 안정화와 함께 저 손실 전력용 스위치가 요구된다[1,2]. 한편 최근 반도체 기 술 발전과 함께 고속 스위칭에서도 손실이 적은 WBG (wideband gap)의 전력용 스위치가 출시되기 시작했으며, 그 중에서 소형화된 외형과 전기적 특성이 우수한 GaN (Gallium Nitrid) FET는 내부손실이 적고 효율을 개선 시킬 수 있는 차세대 전력용 스위치로서 주목받고 있다.

본 논문에서는 12W급의 소용량 전원장치에 GaN 스위 치와 Si 스위치를 적용한 실험회로를 각각 제작하고 효율 특성과 손실 특성을 비교 분석하였다.

안태영 · 유정상 100

2. QR 플라이백 컨버터

Fig. 1 (a)에는 스위칭 손실이 저감되어 효율특성이 우수한 QR(quasi-resonant) 플라이백 컨버터의 기본 회 로가 나타나 있으며, Fig. 1 (b)에는 정상상태의 등가회 로를 나타내었다[3,4]. Fig. 2 (a)에는 QR 플라이백 컨버터 의 정상상태 동작파형을 나타내었으며, Fig. 2 (b)에는 출력 다이오드 대신 반도체 스위치를 적용하는 경우 정류용 스위치의 구동 신호를 포함한 동작파형을 나타내었다. 먼 저 회로에서 스위치 S

1

이 턴온 되면 변압기 T

1

의 자화인덕 턴스 L

M

내부에 전력이 저장되고, 스위치가 턴오프 되기 직전에 인덕터 에너지는 최대가 된다. 이때 등가회로를 Fig. 3 (a)에 나타내었고 주요 소자의 전압과 전류는 아래 식과 같다.





  

^ _ ^಺ಿ

ಾ

  (1)









  







  







 



(2) 

  







 (3)

_

 

_ ^{ ೀ ೀ}

ಾ  ೞೢ

(4)







_ ^{ ಺ಿ మ మ}

ಾ  ೞೢ

(5)

스위치가 턴오프 되면 Fig. 3 (b)와 같이 인덕터에 저장되 었던 에너지가 출력으로 전달되고 2차측 전류가 0이 되 는 까지 전류 및 시간은 아래 식과 같다.





 

^{ ೄೃ  }





 

^ _ ^ೀ

ಾ

  (6)



 





_ ^{ ೘ ೀ}

಺ಿ  ೞ

(7) 변압기 2차측 전류가 0에 도달하면 Fig. 3 (c)와 같이 자 화인덕터와 스위치의 커패시터에 의해 공진하며 공진전 압이 최저점에 도달하면 스위치의 전압 전류는 아래 식 과 같이 선택적으로 턴온 된다. 이때 특성임피던스와 공 진각속도는 식 (10)과 같다.





  

^ _ ^಺ಿ

ೝ

 sin 



 (8) 

_

 







cos 

_

 (9)





 

^ _ ^ಾ

ೃ





 

_ ^

ಾ  ೃ

(10) 이상에서QR플라이백 컨버터는 스위치가 턴온시 스위

칭 손실 없는 영전류 스위칭이 가능하여 고효율 동작이 가능하다는 특징이 있으며, 아래 식은 변압기 1, 2차측 전 류의 실효값을 나타낸 것이다.

_

 

_ ^{ ೀ ೀ}

ಾ  ೄೈ

 

^ _

(11)

_

 

_ ^{ ೀ ೀ}

ಾ  ೄೈ

 

^ _

(12)

(a) (b)

Fig. 1. (a) Basic circuit of QR flyback converter.

Fig. 1. (b) Equivalent circuit of QR flyback converter.

(a) (b) Fig. 2. (a) Steady-state waveform in DCM.

Fig. 2. (a) Steady-state waveform in DCM with SR .

(a) (b) (c) Fig. 3. (a) Equivalent circuit during state 1.

Fig. 3. (b) Equivalent circuit during state 2.

Fig. 3. (c) Equivalent circuit during state 3.

( ) t

i P i D ( ) t

( )

− + t v 1

T 1

C F C S

D R

D S R S

S 1

( )

− + t v DS

( ) t i o

V o

R L

( ) +

− t v 2

( ) t i S N : 1

C R ^C

^R

^D

^S1

^S

¹

) (t i

M

N t i

D

( ) ) (t i SW

L M D ^R

( )

− + t v

1

( )

− + t v

DS1

( ) +

− Nv D t L

R

( ) ⁻ + v _LR t

NV O

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R

S

1

) (t i

M

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D

( ) ) (t i

SW

L

M

D

R

( )

− + t v

1

( )

− + t v

DS1

( ) +

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D

t L

R

( ) − + v

LR

t

NV

O

V

IN

) (t i

R

C

R

S

1

) (t i

M

N t i

D

( ) ) (t i

SW

L

M

D

R

( )

− + t v

1

( )

− + t v

DS1

( ) +

− Nv

D

t L

R

( ) − + v

LR

t

NV

O

V

IN

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R

S

1

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M

N t i

D

( ) ) (t i

SW

L

M

D

R

( )

− + t v

1

( )

− + t v

DS1

( ) +

− Nv

D

t L

R

( ) − + v

LR

t

NV

O

V

IN

)

(t

i

R

WBG 스위치를 적용한 소용량 플라이백 컨버터의 내부손실 특성과 효율 개선에 관한 연구 101

3. PSIM 회로 시뮬레이션

본 논문에서는 QR 플라이백 컨버터의 최적 설계와 소 자의 손실 분석을 위해 회로 시뮬레이션을 수행하였다.

Fig. 4에는 PSIM 시뮬레이션 프로그램을 이용한 QR 플라 이백 컨버터의 제어회로가 포함된 전체 회로도를 나타내 었다. Fig. 5에는 출력에 따른 정상상태 동작파형을 나타낸 것이며, 위로부터 스위치의 전압과 밸리(valley) 스위칭 위 한 검출 신호 및 지연시간을 나타낸 것이다. 그림 4의 회 로도에서 스위치의 전류를 검출하여 제어하는 피크전류 제어 방식을 적용하였으며 출력에 따른 밸리를 선택하기 위한 제어회로를 포함하였다. 동작파형에서 알 수 있듯이 턴온 손실을 줄이기 위해서 공진 기간에 스위치 전압이 최저점에 도달 되었을 때 스위치를 턴온 되도록 제어하 는 QR(quasi resonant) 스위칭 또는 밸리 스위칭이 구현되고 있다.

Fig. 4. Schematic diagram for PSIM simulation.

(a) (b)

(b) (d)

Fig. 5. (a) Waveform of simulation result at 20W output.

Fig. 5. (b) Waveform of simulation result at 15W output.

Fig. 5. (c) Waveform of simulation result at 10W output.

Fig. 5. (d) Waveform of simulation result at 5W output.

4. QR플라이백 컨버터 설계

본 논문에서는 WBG소자인GaN스위치를QR 플라이백 컨버터에 적용하고 손실과 효율 특성을 분석하기 위해서 Table 1과 같은 전기적 사양의 실험 회로를 설계하고 제작 하였다[5,6]. Table 2는 실험 회로에서 사용된 변압기의 물리 적 특성을 나타낸 것이다.

일반적으로 20W 미만의 소용량의 전원장치에는 사이 즈와 제조 가격을 저감시키기 위해서 스위치와 제어회로 가 결합된 소위 전력용 IC 구조를 선호하고 있으며 Fig. 6 에는 본 논문에서 적용한GaN FET가 내장된 전력용 IC를 나타내었다. 한편 Fig. 7 (a)에는 GaN FET를 적용한, (b)에는 Si FET를 적용한 QR 플라이백 컨버터의 회로도를 나타내 었다. 특히 Fig. 7 (a)의 회로에서 전력용 IC는 변압기 1, 2차 절연이 가능하고 동기정류기 구동 신호를 제공하기 때문 에 고효율 동작이 가능하다. Fig. 7 (b)는 전력용 IC내부에 스위치와 제어회로가 포함되어 있으며 변압기 2차측 정 류기는 회로 구조를 단순화 시키기 위해서 다이오드를 사용하였다[7].

Table 1. Electrical specifications of experimental circuit

Parameters Unit Value

Input voltage range Vdc 390-400

Output voltage Vdc 12

Max. load power W 12

Max. load current A 1.0

Table 2. Physical characteristics of transformer

Parameters Unit WBG FET Si FET Model name EED2516 EFD2020S Maker Guanyouda Ferroxcube Turns ratio 33:5:3 33:5:3 Inductance µH 625 4,500

Material GP95A 3C95

Primary wire mm 0.3mm 0.2mm Secondary wire mm 0.4mm 0.2mm

Fig. 8은 제작된 두 개의 실험회로의 앞면과 뒷면의 사 진을 나타내었다. 참고로 실험회로는 입력 역률에 따른 효율 측정 오차를 최소화 하기 위해서 직류 입력을 인가 하였다.

전원장치의 내부 손실은 식 (13)과 같이 부하전류의 변 수로 일반화 시킬 수 있는데 이때 각 손실계수 K

0

, K

1

, K

2

는 회로 구조에 따라 달라진다. 또한 기능별 손실 요인은 식 (14)와 같이 나타나며 이때 출력 P

0

, 제어전력 P

A

, 전도 손실 P

L

, 스위칭 손실 P

S

로 구분되며 전도손실은 식 (11), (12)의 실효전류와 내부저항의 곱으로 계산된다.

안태영 · 유정상 102

(13)

(12)

Fig. 6. QR flyback control IC with GaN FET.

(a)

Fig. 7. (a) Circuit diagram of QR flyback converter with

(b)

GaN FET.

Fig. 7. (b) Circuit diagram of QR flyback converter with Si FET.

(a) (b)

Fig. 8. (a) Experimental circuit of QR flyback converter with GaN FET.

Fig. 8. (b) Experimental circuit of QR flyback converter with Si FET.

5. 실험결과

Fig. 9는 앞 절에서 제작된 QR 플라이백 컨버터의 실험 회로와 효율 및 손실 측정 환경을 나타내었다. 전력변환 효율과 내부 전력손실을 측정하기 위해서 실험회로의 입 출력단에 YOKOGAWA WT1600전력계를 연결하고 KIKUSUI PLZ1004WH전자부하를 사용하여 측정 데이터를 수집하였다.

Fig. 9. Experiment and measurement environment.

(a) (b)

Fig. 10. (a) Experimental waveform of GaN FET.

Fig. 10. (b) Experimental waveform of Si FET.

Fig. 10은 두 종류의 실험회로에 대한 부하별 스위치 전 압과 전류 파형을 나타내었다. Fig. 10 (a)는 GaN FET를 적용 한 실험회로의 동작파형이며, Fig. 10 (b)는 Si FET를 적용한

   

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WBG 스위치를 적용한 소용량 플라이백 컨버터의 내부손실 특성과 효율 개선에 관한 연구 103

실험회로의 동작파형이다. 각 파형은 위로부터 출력전력 이 2.5W, 7.5W, 12.5W일 때 측정된 결과이며 Fig. 11은 스위 치가 턴온 상태 일 때 전류와 전압 파형을 확대한 것이다.

그림에서 두 실험회로 모두 스위치 전압이 최저점에 도 달 했을 때 턴온 되었으며, 출력이 증가할수록 스위칭 주 파수가 증가하고 있다. 특히 GaN을 적용한 실험회로는 스위치의 등가 커패시터가 Si에 비해 작고 따라서 밸리의 진폭이 작으며 공진 주기도 빠르다는 것을 알 수 있었다.

Fig. 12는 Si FET 스위치를 적용한 실험 회로의 전력변환 효율과 내부전력손실을 부하 전력과 입력전압에 따라 측 정하여 나타낸 것이다. 그림에서 효율은 입력전압이 높을 수록 부하전력이 9W 이상에서 최대 효율이 약 82%로 관 측되었으며, 최대 손실 전력은 약 2.8W이었다.

(a) (b)

Fig. 11. (a) Voltage and current waveform of GaN FET.

Fig. 11. (b) Voltage and current waveform of Si FET.

Fig. 12. Efficiency and loss characteristics of QR flyback converter with GaN FET.

Fig. 13은 GaN FET 스위치를 적용한 실험 회로의 전력변 환 효율과 내부전력손실을 부하 전력과 입력전압에 따라 측정하여 나타낸 것이다. 그림에서 효율은 앞서의 실험회 로와 동일하게 입력전압이 높을수록 높은 효율을 나타내 었으나, 부하전력이 2W 이상에서 이미 90% 이상의 고효 율에 도달했으며, 이때 최대 효율은 약 92%로 관측되었

으며, 최대 손실 전력은 약 1.1W이었다. 그림으로부터 GaN FET 스위치를 적용한 실험 회로의 경우 스위칭 손실 과 온저항에 의한 전도손실의 저감과 동기정류기 적용에 의한 내부손실이 최소화 되면서 전원장치의 전력변환 효 율이 개선 된 것으로 판단된다.

Fig. 13. Efficiency and loss characteristics of QR flyback converter with Si FET.

6. 결 론

본 논문은 최근 차세대 전력용 반도체로 주목 받고 있 는 WBG 소자 중에서 고속 스위칭에 적합한 GaN FET를 QR플라이백 컨버터에 적용하고, 효율 특성과 손실 특성을 보고한 것이다. 특히 효율 특성 비교를 위해서 기존 Si FET 로 제작된 QR 플라이백 컨버터와 GaN FET를 적용한 12W 급의 실험회로를 각각 제작하였다. 실험 결과 GaN FET를 적 용한 QR플라이백 컨버터의 실험회로는 부하전력이 2W 이 상에서 효율이 90% 이상의 높은 효율에 도달했으며, 최대 효율은 약 92%로 관측되었고, 최대 손실 전력은 약 1.1W이 었다. 한편 Si FET로 제작된 실험회로의 효율은 입력전압이 높을수록 효율이 증가하였으나 부하전력이 9W 이상에서 효율이 약 82% 미만으로 관측되었고, 내부 손실 전력은 약 2.8W이었다. 이상의 결과로부터 GaN FET 스위치를 적용한 실험 회로의 경우 스위칭 손실과 전도손실의 저감 및 동기 정류기 적용에 의한 내부손실이 최소화 되면서 전력변환 효율이 개선 된 것으로 추정되며 20W미만의 전원장치에 도 고효율 전력용 스위치로서 적합하다고 판단된다

감사의 글

이 논문은 2020학년도에 청주대학교 산업과학연구소가 지원한 학술연구조성비 (특별연구과제)에 의해 연구되었 음. (No.20200050)

60 70 80 90 100

0 3 6 9 12

E ffi ci en cy [% ]

Output power [W]

400V 200V 300V

0.0 1.0 2.0 3.0

0 3 6 9 12

P ow er lo ss [W ]

Output power [W]

400V

300V 200V

70 80 90 100

0 3 6 9 12

E ffi ciency [% ]

Output power [W]

400V

300V 200V

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0 3 6 9 12

P owe r l os s [W ]

Output power [W]

400V 300V

200V

안태영 · 유정상 104

참고문헌

1. J. S. Yoo, T. Ahn, G. Yu, J. Lee and J. Lee, "A study on novel active clamp snubber applied DC-DC quasi resonant flyback converter to effectively reduce switch voltage surge," ICEMS, 2017, pp. 1-5.

2. T. Ahn. "A Study on Switching Characteristics of Active Clamp Type Flyback Converter with Synchronous Rectifier Driving Signals Controlling Auxiliary Switch,"

Journal of The Korean Society of Semiconductor &

Display Technology, vol. 17, no. 3, pp.21-26, 2018.

3. T. Ahn. "A Study on Quasi Resonant Converter with Low Switching Surge Voltage Characteristics by Applying Auxiliary Winding Type Active Snubber,"

Journal of The Korean Society of Semiconductor &

Display Technology, vol. 17, no. 4, pp.56-61, 2018.

4. S. Xu, C. Wang, Q. Qian, J. Zhu, W. Sun and H. Li, "A single-switched high-switching-frequency quasi- resonant flyback converter with zero-current-switching and valley-switching," 2019 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC),

Anaheim, CA, USA, pp. 2123-2127, 2019.

5. G. Mauromicale et al., "Si and GaN Devices in Quasi Resonant Flyback converters for Wall Charger Applications," 2019 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Baltimore, MD, USA, pp.

3253-3258, 2019.

6. Minggang Chen, Shen Xu, Linlin Huang, Weifeng Sun,

"An Improved Peak Current Control Method for GaN- based Active-clamped Flyback Converter", Industrial Electronics Society (IECON) 2020 The 46th Annual Conference of the IEEE, pp. 3654-3659, 2020.

7. Sung Hoon Lee, Myung-Sik Son, "5.8GHz 25W Microwave Wireless Power Transmission System Development and Measurement," Journal of The Korean Society of Semiconductor & Display Technology, vol. 18, no. 1, pp.21-24, 2019.

접수일: 2020년 12월 11일, 심사일: 2020년 12월 14일, 게재확정일: 2020년 12월 15일