Application Notes

커스터마이즈 변압기 설계에는 강력한 LCR 브릿지가 필요합니다

고주파 변압기는 절연된 SMPS(Switching Mode Power Supplies) 설계 시 핵심 구성요소입니다. 누설 인덕턴스(Leakage inductance)는 커스터마이즈 변압기를 이용한 설계와 관련하여 스위칭 소자 및 EMI에 대한 효율성, 최대 전압 등과 같은 많은 설계 변수를 조절하는 데 반드시 필요합니다. 이 기생 소자의 정확한 측정은 필수적입니다. R&S®LCX LCR Meter는 이와 같이 엄격한 측정 작업에 최적입니다.

R&S®LCX200 - LCR Meter
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목표

SMPS 변압기의 누설 인덕턴스가 미치는 영향은 몇 가지 요소에 달려 있습니다. 큰 값의 자화 인덕턴스를 얻기 위한 변압기 설계시 특히 1차 권선과 2차 권선 간 절연이 요구될 경우, 누설 인덕턴스가 커지는 경향이 있습니다. 특히 높은 컨버터 스위칭 주파수에서는 이러한 누설 인덕턴스로 인해 전력 손실이 발생하고 EMI 이미션(EMI emission)에 영향을 미칠 수 있습니다.

플라이백 컨버터에서 작동하도록 설계된 변압기의 경우 구동 트랜지스터가 꺼지면 메인 컨버터 스위치는 누설 인덕턴스의 전압 킥백(Voltage Kickback)에 민감해집니다. 누설 인덕턴스에 저장된 에너지는 스위칭 장치의 전압을 제한하기 위해 스너버 회로(Snubber circuits)가 필요합니다. 최적의 스너버 회로를 설계하려면 설계 시 기본 변압기 측에서 누설 인덕턴스를 정확히 측정해야 합니다. 이를 통해 메인 스위칭 소자를 충분히 보호할 수 있으며, 손실과 EMI 문제를 감소할 수 있습니다.

누설 인덕턴스 이외에도 자화 인덕턴스, 권선 정전용량, 권선 저항과 같은 변수가 고품질과 관련이 있으며 필요합니다.

설계를 더욱 빠르기 진행하기 위해서는 측정된 기생 변압기 값에서 정확한 시뮬레이션 모델을 도출할 수도 있습니다.

기본 및 누설 인덕턴스 측정 원칙
기본 및 누설 인덕턴스 측정 원칙

예제 셋업

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로데슈바르즈 솔루션

R&S®LCX LCR Meter는 모든 핵심 변압기 변수를 정확히 측정할 수 있습니다. 변압기 인덕턴스 측정에는 적절한 주파수의 정현파 전압이 필요합니다. 필요한 테스트 주파수는 컨버터 스위칭 주파수에서 도출합니다. LCR 미터는 2차 권선이 개회로 구성인 상태에서 AC 신호를 제공합니다. 그런 다음 기본 인덕턴스 LTotal을 측정할 수 있습니다.

측정 결과에는 자화 인덕턴스 LM과 누설 인덕턴스 LL이 결합됩니다. 기본 변압기 인덕턴스는 코어 투자율과 권선의 회전 수로 결정됩니다. 직렬 저항 소자 RS도 구리 권선에서 결정됩니다. 이 값도 AC 신호를 적용하는 동안 측정하거나 순수한 DC로 측정할 수 있습니다. 이 값은 구리 손실을 계산하는 데 도움이 됩니다.

누설 인덕턴스는 변압기 설계에 따라 정의되므로 직접 측정할 수 없습니다. 누설 인덕턴스에 적합한 방법은 기본 인덕턴스(Primary inductance)에서 자화 인덕턴스를 제거해야 하는데, 이는 보조 단자(Secondary inductance) 전체에 단락(Short circuit)을 적용하여 진행할 수 있습니다. 단락의 적용으로 출력 단자는 0 볼트가 되고 기본 자화 인덕턴스도 0 볼트가 됩니다. 따라서 기본 단자(Primary terminal)에서 측정된 인덕턴스는 누설 인덕턴스가 됩니다.

운용 예

관련 변수 측정을 위한 커스터마이즈 변압기 설계를 플라이백 원칙에 따라 2 A, 5V 출력 전압으로 오프라인 전력 컨버터에 배치합니다.

측정 작업

  • 보상 수행(DUT를 연결하지 않은 상태에서 Open/Short 측정)
    • 케이블링과 같은 나머지 변수를 보상하려면
  • 원하는 작동 주파수와 적절한 전압 테스트 레벨을 설정합니다
  • 적절한 임피던스 모드(lowZ 또는 highZ)를 선택합니다
    • 최대 정확도를 달성하려면
  • 적절한 범위 설정을 선택하고 올바른 변수 구성을 선택한 다음(Ls, Rs/Ls, RDC) DUT를 연결하고 측정을 시작합니다

아래 스크린샷은 데이터 시트 사양에 따른 기본 인덕턴스 745.3 µH를 나타냅니다.

10 kHz 및 100 mV(RMS)에서 기본 인덕턴스 측정
10 kHz 및 100 mV(RMS)에서 기본 인덕턴스 측정
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10 kHz 및 100 mV(RMS)에서 기본 인덕턴스 측정

T&M 솔루션

1.283 Ω의 직렬 저항도 나와 있습니다. DC 저항은 일반적인 변압기 데이터 시트에 지정되어 있으며 DC에서 측정해야 합니다. 또한, LCR 미터에서 RDC 변수를 선택하여 측정해야 합니다. 결과 DC 저항값은 약 1.41 Ω입니다.

아래 스크린샷은 데이터 시트 사양에도 포함된 약 6.08 µH의 누설 인덕턴스를 나타냅니다. 누설 인덕턴스를 측정한 후 자화 인덕턴스를 계산할 수 있습니다.

LM = LTotal − LL = 745.26 µH – 6.08 µH = 739.2 µH

10 kHz 및 100 mV(RMS)에서 누설 인덕턴스 측정
10 kHz 및 100 mV(RMS)에서 누설 인덕턴스 측정
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10 kHz 및 100 mV(RMS)에서 누설 인덕턴스 측정

요약

R&S®LCX LCR Meter는 강력한 성능과 뛰어난 정확성을 결합하여 다양한 스위칭 컨버터에서 변압기 설계를 지원하는 뛰어난 기기입니다. 대부분의 컨버터 설계에서는 누설 에너지가 스너버 회로에서의 소실 여부 또는 공진 컨버터의 제로 전압 스위칭에서 재사용 여부와 상관없이 제어되어야만 합니다. 다양한 변압기 기생 요소들을 측정할 수 있으므로 설계자가 매우 정확한 시뮬레이션 모델을 셋업할 수 있습니다. 생산 라인에서는 누설 인덕턴스를 측정하여 입고 검사를 위한 커스터마이즈 변압기 설계의 품질을 보장할 수 있습니다.

유형 타입 주문 번호
LCR Meter, 300 kHz R&S®LCX100 3629.8856.02
LCR Meter, 500 kHz R&S®LCX200 3629.8856.03
켈빈 클립 리드 R&S®LCX-Z2 3638.6446.02

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