이 글은 여러 개의 트랜스포머를 병렬로 연결하여 다중 위상을 구동함으로써 플라이백 컨버터의 전력량을 높일 수 있는 가능성을 설명한다. 이러한 설정은 플라이백 스위치 모드 전원공급장치 토폴로지의 입력 측에서 전도 방사를 줄이는 데에도 도움이 된다.

■ 다중 위상 플라이백 컨버터, 전력 한계 극대화 설계 용이

다중 위상 플라이백 컨버터는 가능한 전력 한계를 극대화하고, 설계가 용이하며, 전도 간섭을 줄인다.

플라이백 컨버터는 제어된 갈바닉 절연 전압을 생성하기 위한 좋은 방법이다.

이 전압 변환 기술은 회로가 매우 간단하고 기술이 성숙해 있어 다양한 애플리케이션에 활용되고 있다.

그림 1은 플라이백 컨버터의 회로 구조를 간략하게 나타낸 것이다.

그러나 플라이백 기술에는 몇 가지 한계가 있다.

먼저, 전달할 수 있는 최대 전력이 제한적이라는 것이다. 이를 그림 1의 회로도를 이용해 설명해 보기로 한다.

스위치 Q1이 켜져 있는 동안 트랜스포머의 1차 측에 전류가 흐른다.

이 시간 동안, 에너지는 트랜스포머 코어 T1에 저장된다.

Q1의 오프 시간 동안에는 1차 측에 전류가 흐르지 않지만, 트랜스포머의 2차 측에는 전류가 형성된다.

앞서 T1에 저장된 에너지는 2차 권선을 통해 방출된다.

트랜스포머에 저장할 수 있는 최대 에너지에는 한계가 있다.

따라서 플라이백 컨버터의 최대 전력은 제한된다.

특수한 트랜스포머를 사용할 경우, 100W 이상의 출력 전력을 달성할 수도 있지만, 플라이백 구성은 통상적으로 약 60W까지의 출력 전력에 사용된다.
 

플라이백 토폴로지를 더 높은 전력 수준에서 효과적으로 구동하기 위한, 다소 특이하지만 영리한 방법이 있다.

다중 채널을 제어하여 플라이백 컨버터를 두 개 이상의 트랜스포머와 함께 구동하여 출력 전력을 각 채널에 분산시키는 방법이다.

이러한 트랜스포머는 다양한 옵션으로 쉽게 구할 수 있으며 병렬로 사용할 수 있다.

그림 2는 2채널 플라이백 컨버터 회로를 보여준다. 이 회로는 특별한 컨트롤러 IC인 MAX15159에 의해 제어된다.

이 IC는 위상 천이 방식으로 동작하는 2채널 플라이백 컨트롤러로서, 전류가 두 개의 병렬 전원 경로에 고르게 분배되도록 보장한다.

또한 두 개의 MAX15159 플라이백 컨트롤러를 사용하여 네 개의 트랜스포머로 4위상 플라이백을 구동할 수도 있다.

그 결과, 이 회로는 소형 트랜스포머를 사용하면서도 100W가 넘는 매우 높은 전력을 생성할 수 있다.
 

단일 채널 플라이백과 마찬가지로, 다중 위상 플라이백 또한 피드백 경로에서 옵토 커플러 없이 동작할 수 있다.

MAX15159는 옵토 커플러가 필요 없는(no-opto) 기술을 탑재하고 있다.

이 방식은 오프 시간 동안 1차 권선에 걸리는 전압을 평가하여 출력 전압을 제어한다.

다중 위상 플라이백의 독특한 장점 중 하나는 전도 간섭을 줄일 수 있다는 점이다.

입력 측에서 플라이백은 스위치 모드 스텝다운 컨버터, 즉 벅(buck) 토폴로지를 사용하는 레귤레이터처럼 동작한다.

두 토폴로지 모두 펄스 입력 전류가 발생한다.

입력 측 간섭을 최소화하기 위해, 다중 위상 플라이백 컨버터의 각 채널들은 위상 천이되어 서로 다른 시간에 동작한다.

이는 EMI 특성을 개선할 뿐 아니라 필요한 입력 측 커패시터의 크기와 개수도 줄여준다.

그림 3은 2채널 플라이백 컨버터의 입력 측 전류를 보여준다.
 

다중 위상 플라이백 컨버터의 흥미로운 장점은 한 개의 커다란 트랜스포머 대신 단순하고 저렴하며 소형의 트랜스포머 여러 개를 사용할 수 있다는 점이다.

■ 다중 위상 플라이백 컨버터, 옵토 커플러 필요 없어

갈바닉 절연 전원공급장치를 개발할 때, 60W 이하에서는 플라이백 컨버터, 60W 이상에서는 포워드 컨버터라는 일반적인 솔루션 외에 다른 선택지가 있다.

다중 위상 플라이백 컨버터를 사용하여 60W이상의 전력량을 공급할 수 있다는 것이다.

MAX15159 컨트롤러 IC와 같은 솔루션은 옵토 커플러가 필요 없는(no-opto) 기술을 제공한다.

이는 옵토 커플러를 사용할 필요가 없을 뿐 아니라, 위상 천이 제어 방식에 의해 발생하는 전도 간섭을 최소화한다.

※ 저자 소개
프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전원 관리 전문가로서 이 업계에서 20년 넘게 종사하고 있다. 독일의 에를랑겐 대학교에서 마이크로일렉트로닉스를 전공하고, 2001년에 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해서 FAE로서 고객 프로젝트로 전원 관리 솔루션 구현과 관련한 풍부한 경험을 쌓았다. NS 재직 시 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원공급장치(SMPS)를 맡았다. 2009년에 아나로그디바이스(Analog Devices)에 입사했으며, 이후 제품 라인 및 유럽 기술 지원과 관련한 다양한 직책을 거쳤다. 현재는 풍부한 설계 및 애플리케이션 지식을 바탕으로 전원 관리 전문가로서 ADI 뮌헨 지사에서 근무하고 있다.