그림 4.7은 Ton에 따른 Cout,min의 변화를 보여준다. Ton이 길수록 Cout,min이 증가하고 출력 캐패시턴스가 커져야 한다. 따라서 Cout 값을 작게 설계하 기 위해 Ton을 줄여야 하며 일반적으로 컨버터를 켜고 나서 정상 상태로 도달하는 데 걸리는 최소 시간으로 Ton을 정한다. 그래서 정상 상태로 도 달하는 시간이 짧을수록 Cout 값을 작게 설계할 수 있다.
Schottky 다이오드 FSV20100V 2개를 병렬로 연결해 사용하였다. 모의실 험에서 스위치와 다이오드는 각 제조사에서 제공하는 LTspice 모델로 추 가하였다. 그렇게 함으로써 기생 캐패시턴스와 순방향 전압 강하 등 실 제 스위치와 다이오드 소자의 비이상적인 특성을 모의실험에 반영할 수 있다. 또한, 표에서 C1과 C2는 실제 스위치와 다이오드 소자의 출력 캐패 시턴스를 고려해 추가로 병렬 연결한 값이다.
표 4.2 비교군 컨버터 (Class E 컨버터) 설계 사항
파라미터 값
Ldc 5 μH
C1 1.33 nF (S1과 병렬로 연결)
S1 EPC2010C (E-mode GaN FET)
Lr 220 nH
Cr 2.2 nF
L2 90 nH
C2 2 nF (D1과 병렬로 연결)
D1 2x FSV20100V (Schottky diode)
Cin 14.1 μF
Cout 50 μF
50 ns/div.
vD1
vA
50 ns/div.
50 ns/div.
vLr ir
50 ns/div.
30 V 60 V
0 V 90 V
−30 V
0 V 100 V 200 V
−100 V
−200 V
0 V 100 V 200 V
−100 V
−200 V
0 A 4 A 8 A
−4 A
−8 A
50 ns/div.
vds,S1 30 V
60 V
0 V 90 V
−30 V
그림 4.8 Vs = 24 V, Vo = 12 V, Po = 48 W, fs = 10 MHz일 때 제안하는 설계의 싱글 엔디드 컨버터 모의실험 파형
50 ns/div.
vD1
vA
50 ns/div.
50 ns/div.
vLr ir
50 ns/div.
30 V 60 V
0 V 90 V
−30 V
0 V 100 V 200 V
−100 V
−200 V
0 V 100 V 200 V
−100 V
−200 V
0 A 4 A 8 A
−4 A
−8 A
50 ns/div.
vds,S1 30 V
60 V
0 V 90 V
−30 V
그림 4.9 Vs = 24 V, Vo = 12 V, Po = 48 W, fs = 10 MHz일 때
Class E 컨버터 모의실험 파형
그림 4.8과 그림 4.9는 각각 정격 부하에서 제안하는 설계의 싱글 엔디
드 컨버터와 Class E 컨버터의 동작 파형을 보여준다. 스위치 전압 vds,S1
파형을 보면 두 컨버터 모두 설계한 대로 스위치가 켜질 때 ZVS가 일어 나는 것을 볼 수 있다. 또한, 다이오드 전압 파형 vD1에서 볼 수 있듯이 그림 4.2와 그림 4.3에 표시한 설계 점대로 제안하는 설계의 Drect가 Class E 컨버터의 Drect보다 더 크다. Drect가 클수록 다이오드의 전압 스트레스가 증가하므로 제안하는 설계에서 다이오드 전압 파형의 폭이 좁고 피크 전 압은 높다. 마지막으로 공진 전류 ir의 크기는 제안하는 설계가 Class E 컨버터보다 더 작다.
표 4.3은 모의실험 결과를 통해 공진 전류의 RMS 값 Ir,rms와 L1의 RMS
전류 IL1,rms, 그리고 이 두 RMS 값의 제곱 합 Irms,tot를 비교한 것이다. 제
안하는 설계에서 L1을 작게 설계함으로써 L1의 RMS 전류는 더 크지만, 공진 전류의 RMS 값과 RMS 전류의 제곱 합은 Class E 컨버터보다 각각
34%, 15% 감소한다. 한편, RMS 값들이 분석 모델로 예측한 이론 값보다
더 큰데 이는 모의실험 파형에서 볼 수 있듯이 실제로는 공진 전류에 고 조파 성분이 포함돼 있기 때문이다.
표 4.3 제안하는 설계와 Class E 컨버터의 Ir, IL1,rms, Irms,tot 값 비교
제안하는 설계 Class E
측정 값 이론 값 측정 값 이론 값 공진 전류의 RMS 값 Ir,rms [A] 3.489 3.214 5.248 4.582
L1의 RMS 전류 IL1,rms [A] 3.352 2.836 2.238 2
Irms,tot = √(Ir,rms 2+IL1,rms2) [A] 4.838 4.286 5.705 5