class-e회로의 맹점과 슬라이닥스,오실로스코프 겸용 문제의 해결방안 모색

사실 며칠전부터 IRFP460의 CLASS -E 회로의 매칭이 잘 이루어지지 않아 골머리를 앓아오던차였다.

매칭이 잘 되지도 않을뿐더러, 참고한 자료에 나온 시정값으로 만들면 작동이 불가능한 수준까지 효율저감이 일어나곤 했었다.

에디슨의 정신을 가지고 게이트트랜스포머를 여러번 다시 감아도 봤으며 콘덴서와 코일의 시정값을 무수히 바꿔꼈으나 잘 되지 않았다.

 

이러던 차에 지난 번에 쓴 CLASS E 의 이론을 다룬 포스팅(https://blog.naver.com/dongjungim20/221193721191)을 퇴고해볼까 하여 다시 읽어보던중, 어떤 부분을 읽으며 돌파구를 찾을수 있었다.

바로 '더하여 입력전력이 증가함에따라 스트리머가 커지고 이에 따른 감쇄율이 증가한다는 것은 유의할 필요가 있다. 입력전력이 특정값 이상이 되면 점차 커지는 감쇄율로 인해 class e 회로가 적절히 동작하지 않을수도 있으므로 입력전력을 올릴때에는 이점을 염두해두어야합니다. 만일 이상적인 동작을 위한 입력전력의 마지노선을 넘게 될 경우, class-e회로가 정상적인 작동을 할 수 없기에 스위칭손실이 일어나고 효율은 떨어지며 모스펫의 발열로서 많은 에너지가 소실되게 됩니다.' 

부분...

 

입력전력에 따라서 이상적인 CLASS E 동작을 위한 시정값이 바뀌어야한다는게 요지이다.

내가 참고한 도면에서 사용하는 전압은 대개 150V였고 내가 회로에 공급하는 전압은 고작 12V였다.

전압의 차이가 큰 만큼 이상적인 동작을 위한 시정값의 괴리도 클 터이다.

 

바로 슬라이닥스를 이용해 30V가량 전압을 올리고 실험해보기로 했고(여전히 전압차가 크지만,,) 상당히 만족스런 결과를 얻었다.

아래는 당시의 동작영상이다.

 

 

 

460으로 구동할때 네온램프도 점등하기 어려웠었는데 어느정도 스트리머를 발생시킨다.

하지만 여전히 넘어야될 문제들이 있다.

위의 영상에서는 L과C등 여타 시정값을 대충 집어넣고 전원을 넣은것으로, CLASS E의 매칭이 잘 이루어지지 않았다.

때문에 열손실로 인한 효율저감이 엄청나며 내가 가진것중 가장 큰 방열판으로 방열시켜줌에도 소자가 곧 죽어도 이상하지 않을만큼의 열이 난다..

 

그럼 왜 시정값을 정교히 설정하지 못하는가.

바로 오실로스코프와 슬라이닥스를 같이 사용할 수가 없었기때문이다.

비단 오실로스코프뿐만 아니라 접지라인과 연결된 모든 장비를 슬라이닥스와 사용할수 없다.

 

해당분야는 문외한이라 자세히는 모르지만 이곳저곳 질문을 해본결과 그 이유는 다음과 같다. 

슬라이닥스는 단권형변압기의 방식이다. 내가 최근까지 모든 변압기는 1차측과 2차측이 나뉘어있다고 생각했으나 단권형변압기는 권선이 한 라인으로 되어있다. 즉 220V입력과 출력이 물리적으로 절연되어있지 않으며 ,(복권변압기의 경우, 1차코일과 2차코일이 전자기장에 의해 결합되어있으나 두개의 별개라인을 이용하기에 물리적으로는 절연되어있다.) 이때문에 출력측이 접지라인에 접촉한다면 차단기가 떨어지게 된다. 이러한 문제외에도 슬라이닥스의 출력은 물리적으로 220V라인과 동일하기에 이를 회로에 접속하게되면 굉장히 불안정하고 위험한 결선이라고 한다. 슬라이닥스는 전압을 가변해야하는 구조적인 특성으로 단권변압기의 형식을 차용해야하기에 이러한 문제를 해결하려면 절연트랜스를 이용하여 220V라인 및 전원측과 실험하려는 회로를 물리적으로 분리해야한다.

절연트랜스는 복권트랜스포머로 권선이 1:1로 감겨있어 위에서 언급한대로 두 부분을 물리적으로 분리하는데 사용한다고 한다.

 

이 절연트랜스를 구하기위해 여려군데 찾아봤으나 쉽게 구할수 없었고 주문제작의 경우, 단가가 상당했다.

내가 직접 트랜스를 감아볼까 생각도 했으나 적절한 코어도 없을뿐더러 들어갈 노력과 에나멜선을 생각해보면 현명한것같지 않았다.

 

고심끝에 복권변압기를 포함하는 DC - DC컨버터를 만들기로했다.

 

도면은 위와 같다.

절연트랜스를 구할때까지 사용하는 그야말로 '임시용'이라 급한대로 집에 있는것들로 만들어야했는데

마침 한창 고전압에 심취해있었던 천년전에 만들어놓은 ZVS모듈이 있었기에 이를 사용하기로했다.

 

5년전에 창고에 넣어뒀다가 4년전 고등학생때 소논문경진대회를 준비하며 사용한 이후 줄곧 창고에 있었다.

꺼내서 작동시켜보니 잘 안된다-_-한쪽 모스펫만 열이 심하게 나기에 두 모스펫의 게이트-소스가 들어갈 자리의 저항을 찍어보니 한쪽이 심하게 작다. 외관상 저항들은 멀쩡해보이길래 다이오드들을 테스트해봤고 , 제너다이오드가 고장난것이었기에 비슷한 사양의 것으로 교체해주니 다행스럽게도 잘 작동한다.

 

이 제너다이오드 고장때문에 파워모스펫을 하나 날려먹었다. IRFP460의 가격은 개당 2500원이다...

남아있는 460의 갯수는 2개인데 이중 한개를 HFSSTC실험에 써야하므로 , 가지고있는것중 드레인 소스간 저항이 가장 작은 IRF540으로 대체하기로 했다. 540은 초등학교때 산것같은데 고맙게도 

잘 살아있었다.

트랜스포머는 옛날에 소형 FBT에서 분해한것에 감아주었다.

처음에는 권선수를 이것보다 많이 감았었으나 출력 전류치가 적은듯해 줄였다.

공진콘덴서에는 많은 전류가 흐르므로 내구도가 좋은것을 사용해야한다.

여러 용량을 실험해봤으나 주파수가 낮을수록 출력전류가 커 가진것들중 용량이 큰것 두개를 병렬했다.

트랜스포머 2차측 출력파형이다. 입력전압이 직류 12V이며 사인파 피크전압이 18V정도 된다. 1차권선과 2차권선의 비가 1:1이므로 입력전압이 출력전압과 같다.

높은 소비전류 환경에서 안정성을 실험하기위해 의도적으로 2차측을 단락했다.

의미없긴하지만 주석선을 부하로 써서 달궜다.

 

그럼 이제 케이싱을 해보자..

 

 

 

 

D-S저항이 작은 덕인지 예상보다 FET의 발열이 굉장히 적다.(이회로는 이론상 모스펫의 드레인 소스간에 걸려있는 전압이 없을때 FET이 켜지므로 스위칭손실로 인한 열손실이 없다. 모든 발열은 D-S간에 흐르는 전류와 그 저항값에 의한 열작용이다)

그냥 방열판을 안달아도 될정도..

안달기엔 좀 불안하니 부피가 좀 작은 방열판으로 교체해줬다.

 

케이스는 그냥 종이박스이다. 굉장히 조악하지만.....별다른 선택사항이 없었을뿐더러 어디까지나 임시용이기에 많은 노력을 들이진 않았다. 구성요소들이 움직이다 접촉할수도 있기에 글루건으로 간단히 고정했다.

 

사실 뭔가가 잘못되는 경우.. 예컨데 콘덴서나 FET이 터지는 경우에 불똥이 튈 수 있을텐데 종이재질 박스에 옮겨붙을까 걱정이 되긴 한다. 덮개는 개방한상태로 사용해 감시하는게 좋을듯..

 

 

 

 

출력전압을 50V까진 올려보긴했다.

전압이 올라갈수록 무부하임에도 장치가 전류를 많이 먹어 슬라이닥스의 험이 상당히 커진다.

IRF540이 23A 100V급의 소자이던데 100V는 아니더라도 전압을 더 높이려면 변압기의 권선을 더하거나 회로에 들어가는 전류제한용인덕터를 더 큰것으로 바꿔줘야할듯하다.

 

===============================2018.2.2 수정=============================================

 

몇가지 실험을 하다 본 장치의 모스펫 한개가 파열하여 약간의 보수작업을 진행했습니다.

우선 위의 회로대로 제작하면 사실상 50v이상의 전압을 걸기엔 다소간의 위험부담이 있을것같습니다.

 

설명하기에 앞서 위에 올린 zvs회로의 게이트보호부분을 잠깐 언급하자면,

10k옴은 풀다운저항으로, 게이트의 전여전하를 0v전위로 끌어내림으로서 플로팅상태를 방지합니다.

470오옴과 12v제너다이오드는 12v정전압회로를 이루어 모스펫 게이트를 구동할 정전압을 만들어줍니다. (일반적으로 파워모스펫의 게이트 threshold 전압은 5v정도이고 한계전압은 30,20v정도 되는것같습니다.)

네이버에 '제너다이오드 정전압회로'라 치면 많은자료들이 나오니 읽어보는게 좋습니다.

간단히 말해보자면 제너다이오드의 경우 양단에 제너전압보다 높은 전압이 걸리게 될때 부하에는 제너전압만큼의 전압만 걸리고 

제너전압을 초과하는부분은 자신을 통해 흘려버립니다. 

 

만일 위 회로에서 50v이상의 전압,,예컨데 100v을 넣어주면 이중 제너전압인 12v가 게이트에 걸리고 나머지전압은 제너다이오드로 흘려보냅니다.(사실 470옴에 의한 전압분배도 고려해야합니다) 이경우 많은 전류가 흐르면 다이오드가 파열되기에 470옴을 전류제한으로 넣어놓은것이구요. threshold전압 이상에서 입력전압이 커질수록 제너다이오드의 자체 저항도 작아지므로 상승하는 전압과 맞물려 많은 전류가 흐릅니다. 470옴에도 마찬가지구요.

 

저같은경우 이 모듈을 만들때 돈이 없어서 그랬는지 470옴을 1/4와트로 썼고, 이번에 50v근방까지 입력을 하니 저항이 타버렸습니다.

전원용 컨버터로 사용할 시 적어도 150v정도는 입력가능해야하기에 위같은 구성을 그대로 유지하려면 470옴의 저항을 높여 전류제한을 더 강화하는 등 몇가지 시정값을 변경해야합니다. 처음에는 이렇게 개조를 하려 했으나 구글링을 통해 알아보던 중 몇가지 시사점을 발견했는데요, 모스펫 게이트에는 어느정도 충분한 전류가 흘러야한다는것이 그것입니다.

왜그런고하니, 파워FET의 입력커패시턴스가 또 말썽이었습니다.

어디선가 말했었는데 IRFP460의 입력커패시턴스는 3000PF이고 전류치가 낮으면 이걸 충전하는데 시간이 소요됩니다.

이때문에 스위칭손실이 생겨 제대로된 ZVS동작이 불가능해진다고 하네요..

 

그럼 470옴을 안태우고 12V제너다이오드에 적절한 전압을 걸어줌과 동시에 적정량의 전류를 흘려 입력커패시턴스를 충분히 빠르게 충전할 수 있는 최적의 전류포인트는 어떻게 될까요.

 

저도 모르겠고 머리가 아픕니다.

 

그래서 그냥 전원소스를 분리하기로했습니다. 분리하는건 간단한데 그냥 트랜스포머의 센터텝에 연결된 전류제한용 인덕터를 +라인에서 분리하고 여기에 메인전원을 넣어주면 됩니다. 물론 GND는 공통으로 잡아주어야하구요.

GND라인이 슬라이닥스와 공용으로 잡여있어 게이트구동회로에 넣을 전원도 접지라인이 연결되있지않은 전원소스를 이용해야하는데 

저같은경우 9V사각전지를 이용했습니다. 살짝 낮은감이 있긴하나 잘 작동합니다.

 

이렇게 전원소스를 분리하니 소모전류도 엄청나게 줄어들었다는 이점이 있습니다.

전압을 높일경우 제너 정전압부에서 불필요하게 버려지는 에너지가 그만큼 많다는 얘기기도 하죠.

 

무부하시 0.4A정도 먹습니다.

사실 12V 입력으로 초기설계할때 차후 입력전압을 높일걸 생각안하고 허용전류를 높게 잡았더니

전압을 높이니 너무많은 전류가 흘러 트랜스포머와 커패시터부분도 개량을 했습니다.

이회로는 사인파를 출력하는 교류회로이므로 주파수가 높아질수록 코일의 전류제한이 커집니다.(리액턴스가 커지므로)

콘덴서 용량을 작게 해 주파수를 늘리고 1차코일 권선을 두배로 감아 인덕턴스를 늘렸습니다.

사실 1차권선의 인덕턴스가 증가하면 주파수가 감소하는 상충되는 효과가 있긴 하나 결과적으로는 원하는대로 전류제한이 좀더 걸리네요.

 

주파수가 낮을때는, 이것이 가청주파수 내에 있어 발진음이 무척 시끄러웠는데 지금은 가청주파수를 벗어나 여러모로 낫습니다

테스터기로는 소모전류를 감시하고있어 스코프로 출력전류를 재보았습니다.

5V/DIV에 프로브가 1/10배율이므로 100V DC를 출력합니다.

 

출력측 도선도 늘리고 사용에 용이하게 단자대도 달아줬습니다.

 

현재 컨버터에서 사용하는 모스펫 사양이 500V 9A급인데 퓨즈가 10A짜리뿐이네요.

정말 조심해서 써야할듯...

 

 

원본동영상 : https://blog.naver.com/dongjungim20/221197455035