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엔지니어 인터뷰

스위칭 전원에 최적인 콘덴서와 인덕터란?

전원 회로에서의 검토 사항

인덕터편 –제3장-

주목 키워드
  • 직류 중첩 허용 전류
  • 온도 상승 허용 전류
  • 포화 허용 전류

※본 기사는 태양유전 주식회사 이시하라씨의 인터뷰입니다.

-지금까지 인덕터의 사양과 특성 및 특징에 대해 알아보았습니다. 그럼, 그러한 특성이 전원 회로에 어떤 영향을 미치는지에 대해 설명해 주십시오.

먼저, 중요 특성인 직류 중첩 허용 전류와 온도 상승 허용 전류가 강압 컨버터의 출력전류와 어떤 관계가 있는지 하기 그림을 통해 설명하겠습니다.

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직류 중첩 허용 전류포화 허용 전류라고도 합니다. 상기 파형도에서 청색 선으로 표시된 인덕터의 피크전류가 이에 해당됩니다. 피크전류가 직류 중첩 허용 전류의 최대치를 초과하면, 인덕터가 자기 (磁氣) 포화를 일으켜, 인덕턴스가 감소합니다. 인덕터가 포화되면, 인덕터의 피크전류가 비정상적으로 커지며, 그로 인해 효율 저하 및 이상 동작을 일으켜, 최악의 경우는 전원 IC가 파괴되는 경우도 있습니다.

온도 상승 허용 전류는 인덕터에 흐르는 전류와 저항 성분에 의한 발열의 허용치라고도 할 수 있습니다. 파형도에서 적색 선으로 표시된 출력 DC 전류와 분홍색 선으로 표시된 삼각파의 실효 전류의 합계가 온도 상승 허용 전류에 해당됩니다. 또한, 이것에 인덕터 저항분을 곱한 것이 손실 전력이 되어 발열이 발생합니다. 참고로, 삼각파의 실효 전류는 피크전류의 1/√3로, AC 손실이 됩니다. 온도 상승 허용 전류보다 큰 전류를 흘리면 발열이 커져, 인덕터뿐만 아니라 주변 부품의 신뢰성도 저하시킬 가능성이 있습니다. 또한, 발열이 허용되지 않는 레벨에 이르면, 와이어의 절연 불량을 일으켜 소손 (焼損) 될 가능성도 있습니다.

-피크전류가 직류 중첩 허용 전류치를 초과한 경우의 현상에 대해 조금 더 구체적으로 설명해 주십시오.

하기 실제 파형 데이터를 참고하여 주십시오.

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상기 그래프는 특성이 다른 3종류의 인덕터를 사용한 강압 컨버터 데이터입니다. 좌측 위는 출력전류에 대한 효율을 나타낸 것입니다. 부하가 500mA 시에는 차이가 그다지 없지만, 1500mA 시, 청색 선의 인덕터 효율이 다른 인덕터보다 저하된 것을 알 수 있습니다.

좌측 아래의 파형은, 출력전류에 대한 인덕턴스의 변화를 나타냅니다. 청색 선으로 표시한 인덕터의 인덕턴스는 부하가 1000mA를 초과하면 급격히 감소합니다. 즉, 이 인덕터는 포화 상태가 됩니다.

우측은 인덕터 전류의 파형입니다. 우측 위는 부하 500mA 시, 효율에 차이가 없는 상태의 파형으로, 파형에 특별한 차이가 없으며 정상입니다.

우측 아래는 부하가 1500mA 시의 파형으로, 포화된 청색 선의 인덕터 파형의 폭이 커져 피크전류도 증가합니다. 이는, 포화에 의해 인덕턴스가 저하됨에 따라 피크전류가 증가하고, 그로 인해 인덕턴스가 한층 더 저하되어, 전류가 더 흐르게 되는 폭주 상태를 나타냅니다.

-그럼, 부하전류의 증가에 의해 예측보다 효율이 더욱 저하되는 증상이 있다면, 인덕터 전류의 파형을 체크하는 것도 하나의 방법이겠네요.

기본적으로 DC/DC 컨버터의 평가 단계에서는 필수 체크 항목이므로, 이러한 파형의 이상이 관찰되거나 피크전류가 계산치를 대폭 초과하는 경우는, 인덕터의 포화를 의심해 볼 수 있습니다. 참고로, 앞서 설명한 드럼 슬리브 타입의 인덕터는 급격히 포화되므로 폭주가 발생하기 쉬운 성질을 지니고 있으며, 수지 타입은 포화가 완만하므로 약간이지만 폭주가 발생되기 어렵다고 할 수 있습니다.

-그렇군요. 다음으로 온도 상승 허용 전류에서, 특히 인덕터 손실에 대해 자세히 설명해주십시오.

앞서 설명한 것처럼 검토가 필요한 것은 출력전류의 DC 전류와, 인덕터 AC 전류의 실효 전류, 그리고 인덕터의 저항분입니다. AC 전류에 의한 AC 손실과 DC 전류에 의한 DC 손실 모두, 인덕터의 DC 저항 Rdc와 AC 저항 Rac는 동일하지 않고, Rac는 주파수에 따라 변동된다는 것을 고려하여 생각할 필요가 있습니다.

우측의 그래프는, 어떤 인덕터의 저항 및 임피던스와 주파수의 관계를 나타낸 것으로, 녹색 선이 저항입니다. Rdc는 주파수가 “제로”일 때의 값입니다. 반면에, Rac는 주파수가 높아짐에 따라 증가하여, 일반적으로 스위칭 레귤레이터의 스위칭 주파수대인 수백 kHz~수 MHz의 Rac는 Rdc의 수 배~수십 배가 됩니다.

-즉, AC 손실은 전류가 작아도 큰 손실이 된다는 것이군요. 게다가 스위칭 주파수가 높으면 더 그렇겠네요.

그렇습니다. 그리고 부하전류의 크기에 따라 손실의 주체가 크게 달라집니다. 하기 그림을 참고하시면 이해가 빠를 것입니다.

인덕터의 손실 전력은 상기 식을 통해 알 수 있듯이, DC 손실 전력+AC 손실 전력이 됩니다. 우선, 경부하 시의 상태를 살펴보면, 출력전류가 작으므로 DC 손실은 작고, AC 성분이 대부분이므로 AC 손실이 지배적입니다. 부하가 큰 상태, 즉, 출력전류가 큰 상태에서는 반대로 DC 전류가 지배적입니다.

추가로, 하기는 동일한 DC/DC 컨버터 회로에서 인덕턴스는 동일하지만 구조 및 사이즈, 그리고 허용 전류가 다른 인덕터 사용 시의 부하 – 효율 특성의 비교와, 각 인덕터의 Rac 주파수 특성을 나타낸 그래프입니다.

부하가 큰 영역은 인덕터의 Rdc에 의한 DC 손실이 지배적입니다. 그리고, 경부하에서는 Rac에 의한 AC 손실이 지배적입니다. 여기에서 주목해야 할 점은, 인덕터의 종류에 따라 Rdc와 Rac 모두 편차가 있지만, 특히 Rac의 편차가 크다는 것입니다.

효율 그래프를 보면, 경부하 시의 효율 차가 커, Rac의 차가 크다는 것을 알 수 있습니다. 또한, Rac의 그래프에서는 Rac 자체에 상당한 편차가 있다는 것을 알 수 있습니다. 세로 축은 대수이므로 분홍색 선의 인덕터와 청색 선의 인덕터는 몇 배 정도 차이가 납니다.

-AC 손실은 경부하 시에 지배적이라는 점과, 인덕터의 종류에 따라 편차가 크다는 점은 이해했습니다. 이것이 어떤 문제가 됩니까?

예를 들면, 스마트폰과 같이 대기 상태가 긴 기기는 동작 시간의 대부분이 대기 상태이며, 부하전류 즉 DC 전류는 매우 적게 흐릅니다. 즉, AC 손실이 지배적인 상태가 되어, 전류는 적지만 어느 정도의 손실이 발생하게 됩니다. 그럼, 이러한 기기에 Rac가 큰 인덕터를 사용하면 어떻게 될까요?

-대기 시간이 짧아지거나, 배터리의 수명이 짧아질 가능성이 있습니다.

그렇습니다. 전원은 배터리이므로 가능한 대기 시의 손실을 줄이고 싶을 것입니다. 만약, 설계자가 인덕터의 이러한 특성을 모른 채로 Rac가 큰 인덕터를 선택해버리면, 배터리 구동의 휴대기기는 원하는 만큼의 동작 시간을 실현할 수 없을지도 모릅니다. 대기 상태가 긴 배터리 기기에서는 Rac가 작은 인덕터가 중요합니다.

-단순히 인덕터의 손실로 인한 발열에 주의하는 것뿐만 아니라, 손실 요인과 특성을 이해하여 인덕터를 선택하는 것이 중요하다는 말씀이군요. 그런데, 처음에 설명해주신 인덕터의 스펙에서는, Rdc는 있었지만 Rac는 없었던 것 같습니다.

Rac는 규격치 표에 기재되어 있지 않은 경우가 대부분이며, 홈페이지에 게재되어 있는 경우도 별로 없습니다. Rac의 정보가 필요한 경우에는, 각 메이커에 문의하여 주십시오.

※본 기사는 2016년 7월 시점의 내용입니다.

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