동작 원리
DAB(Dual Active Bridge) 컨버터는 두 개의 풀브리지를 고주파 변압기와 직렬 인덕턴스로 연결합니다. 전력은 위상이 앞선 브리지에서 뒤진 브리지로 흐르며, 그 크기는 두 구형파 전압 사이의 위상 천이로 정해집니다. 두 브리지가 모두 능동 소자이므로 전력이 양방향으로 흐를 수 있어, 배터리 충전기, 에너지 저장 장치, 반도체 변압기(SST)에 많이 쓰입니다.
SPS(Single Phase Shift) 변조는 브리지 사이에 위상 천이 d 하나만 씁니다. 단순하지만 전압 변환비 M이 1에서 멀어지면 큰 무효 순환 전류가 흐릅니다. DPS(Dual Phase Shift)는 각 브리지 안에 내부 위상 천이를 추가하고, TPS(Triple Phase Shift)는 내부 위상 천이를 독립적으로 둡니다. 둘 다 전류 스트레스를 줄이고 ZVS 범위를 넓힙니다.
SPS의 경우 이 계산기는 최대 전력과 선택한 최대 위상 천이로 직렬 인덕턴스를 설계한 뒤, 선택한 동작점에서의 위상 천이를 구합니다. 또한 스위치 기생 커패시턴스의 영향을 포함해 영전압 스위칭(ZVS)의 필요충분조건을 확인합니다.
DPS와 TPS 결과는 기준 전력 P_N으로 정규화되어 서로 다른 설계를 바로 비교할 수 있습니다. 이 모드에서는 L을 V2측 기준으로 입력하세요. SPS 결과를 쓰려면 L_k에 n²을 곱하면 됩니다. 여기서 d는 스위칭 반주기에 대한 비율이고 n = N2/N1입니다. 정의는 논문마다 다르므로 다른 자료와 비교하기 전에 확인하세요.
설계 절차
- 1동작 범위를 정합니다. V1, V2의 최솟값과 최댓값, 전력 범위, 스위칭 주파수가 해당됩니다.
- 2가장 흔한 동작 범위에서 M = V2 / (n · V1)이 1에 가깝도록 권선비를 정합니다. ZVS와 RMS 전류는 M = 1 부근에서 가장 좋습니다.
- 3정격 전력에서의 최대 위상 천이 d_max를 정합니다. d_max가 작으면 인덕턴스와 RMS 전류가 줄지만 제어 여유도 줄어듭니다. 0.25~0.35 정도가 흔히 쓰입니다.
- 4최대 전력점의 전력 식으로 직렬 인덕턴스를 계산한 뒤, 동작 범위의 다른 극단 조건에서 위상 천이와 ZVS 조건을 확인합니다.
- 5경부하이거나 M이 1에서 멀어 ZVS를 잃거나 RMS 전류가 너무 크다면 DPS 또는 TPS 변조로 바꾸고 전류 스트레스를 비교합니다.
공식
- 전압 변환비
- M = V2 / (n · V1)
- SPS 전달 전력 (L_k는 V1측 기준)
- P = d · (1 − d) · V1 · V2 / (2 · n · f_s · L_k)
- 직렬 인덕턴스 (설계 1)
- L_k = (1 − d_max) · d_max · V1 · V2_max / (2 · n · f_s · P_max)
- DPS/TPS 기준 전력 (L은 V2측 기준)
- P_N = n · V1 · V2 / (8 · f_s · L)
계산 예시
V1 = 48 V, V2 = 400 V, 1 kW, 100 kHz, d_max = 0.35에서 n을 비워 두면 n = V2_max / V1 ≈ 8.33으로 정해져 정격 전력에서 M = 1이 됩니다. 설계 결과는 V1측 기준 L_k ≈ 2.6 µH, 인덕터 피크 전류 약 32 A입니다.
흔한 실수
- n, d, 그리고 L이 어느 쪽 기준인지에 대한 규약을 섞어 쓰는 것입니다. 논문이나 시뮬레이션과 비교하기 전에 각 식이 어느 쪽 기준을 가정하는지 확인하세요.
- 정격 전력에서 d를 0.5에 가깝게 쓰는 것입니다. 전력은 d = 0.5에서 최대이므로 과도 상태에 대한 제어 여유가 남지 않습니다.
- 변압기 누설 인덕턴스를 무시하는 것입니다. 누설 인덕턴스는 외부 직렬 인덕턴스에 더해집니다.
- ZVS를 정격 전력에서만 확인하는 것입니다. SPS는 M ≠ 1일 때 보통 경부하에서 ZVS를 먼저 잃습니다.
자주 묻는 질문
언제 SPS 대신 DPS나 TPS를 써야 하나요?
배터리 전압 범위가 넓은 경우처럼 전압 변환비가 1에서 크게 벗어나면, SPS는 경부하에서 ZVS를 잃고 RMS 전류가 커집니다. DPS와 TPS는 제어가 복잡해지는 대신 두 문제를 모두 줄여 줍니다.
위상 천이 d는 무엇을 뜻하나요?
d는 두 브리지 전압 사이의 위상 천이를 스위칭 반주기에 대한 비율로 나타낸 값입니다. 정상 동작은 0 < d ≤ 0.5 범위이며, d = 0.5에서 최대 전력이 전달됩니다.
ZVS 확인에 왜 기생 커패시턴스가 들어가나요?
다음 스위치가 켜지기 전에 스위치 출력 커패시턴스를 충방전할 수 있을 만큼 스위칭 순간의 인덕터 전류가 커야 하기 때문입니다. 커패시턴스가 클수록 더 많은 전류가 필요합니다.
계산 결과는 공학적 추정치입니다. 데이터시트, 시뮬레이션, 측정으로 설계를 확인하세요.