스위치 모드 전원 공급 장치의 인-서킷 인덕터 및 트랜스포머 테스트

개요

Tektronix의 기술 마케팅 매니저 Wilson Lee 작성.

인덕터와 트랜스포머는 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)의 중추입니다. 신뢰할 수 있는 동작을 보장하기 위해 실제 작동 조건에서 인-서킷 상태에서 성능을 검증해야 합니다.

컴포넌트 데이터시트와 시뮬레이션 모델이 설계를 안내하지만, 기생 효과, 온도 변화, 신호 변동이 실제 동작을 변화시키는 경우가 많습니다. 이 글은 최신 오실로스코프, 프로브, B-H 곡선 분석을 사용하여 실행 중인 SMPS에서 인덕터와 트랜스포머를 직접 측정하는 기초와 실용적 단계를 안내합니다.

인덕터 이론

패러데이와 렌츠의 법칙은 인덕터를 흐르는 전류와 그 양단 전압의 관계를 설명합니다:

재배열 및 적분하면:

실제로 차동 전압 프로브, 전류 프로브, X-Y 플로팅을 지원하는 오실로스코프로 전압과 전류 파형을 기록하여 인덕턴스를 추출할 수 있습니다. 이 시간 영역 접근법은 공급 장치에 존재하는 실제 신호 형태, 진폭, 주파수 하에서 진정한 인덕턴스를 포착합니다.

실제 인덕터는 전류, 온도, 주파수에 의존하므로 동작 중 값이 드리프트할 수 있습니다.

예를 들어 토로이드 인덕턴스는 다음과 같이 근사할 수 있습니다:

여기서 µ는 코어 투자율(H/m), N은 턴 수, r은 코어 반경(cm), A는 단면적(cm²)입니다. N²이 지배적이므로 턴 수가 인덕턴스에 가장 큰 영향을 미칩니다. 높은 µ의 코어 선택으로 더 작은 물리적 크기와 낮은 손실 달성 가능.

따라서 코어 소재와 지오메트리가 모든 동작 지점에서의 인덕턴스와 결과적인 전력 손실을 결정합니다.

인덕턴스 측정

설계자는 일반적으로 제조 후 LCR 미터로 인덕턴스를 검증합니다. LCR 미터는 좁은 대역 정현파로 컴포넌트를 여기하며, 이는 빠른 검증에는 적절하지만 인-서킷 성능을 예측하지는 못합니다. SMPS에서 여기는 일반적으로 고주파, 비정현파 펄스이므로 인-서킷 측정이 필수적입니다.

인-서킷 인덕턴스 측정을 위해 권선에 차동 전압 프로브를 연결하고 같은 권선에 전류 프로브를 연결합니다. 오실로스코프의 전력 분석 소프트웨어가 전압을 시간에 대해 적분하고 전류 변화로 나누어, DC 오프셋을 자동으로 제거하고 여러 사이클에 걸쳐 평균화합니다.

트랜스포머 측정 시 2차 측에 부하를 주지 않아야 합니다. 무부하 상태에서 1차 인덕턴스를 측정하여 여자 인덕턴스를 얻습니다. 2차 측에 부하를 주면 상호 결합으로 유효 인덕턴스가 변경됩니다.

B-H 곡선 측정

SMPS의 자기 부품은 포화와 과도한 손실을 피하기 위해 히스테리시스 루프의 선형 영역에서 동작해야 합니다. 그러나 부하 변화, 온도, 시동 트랜지언트로 작동 조건이 변할 수 있어 설계 시 예측이 어렵습니다.

많은 코어 제조업체가 제공하는 B-H 곡선은 여자력 H(A/m)와 자속 밀도 B(T)의 관계를 보여줍니다. 주요 파라미터:

• 투자율(µ) – B-H 곡선의 기울기, 코어가 H를 B로 변환하는 효율성 표시
• 포화 자속 밀도 – 추가 H가 B를 더 이상 증가시키지 않는 지점
• 히스테리시스 특성 – 루프 폭, 코어 손실과 상관관계. 연자성 소재는 잔류 자속(Br)과 보자력(Hc) 최소화

불안정 지표로는 피크 B가 포화 한계에 접근하거나 B-H 루프가 사이클 간에 이동하는 것이 있습니다.

오실로스코프는 권선 양단의 전압과 전류를 측정하여 B와 H를 계산함으로써 B-H 플롯을 생성할 수 있습니다:

B = (1 / (µ₀·N·A)) · ∫V dt, H = I / l

여기서 l은 자기 경로 길이입니다. 스코프의 분석 소프트웨어가 이 계산을 자동화합니다.

트랜스포머용 B-H 곡선

트랜스포머에 부하가 걸리면 1차 전류의 일부가 2차 측으로 공급됩니다. 여자 전류만 분리하기 위해 1차와 병렬로 가상의 인덕터 Lₘ을 모델링합니다. Lₘ은 코어의 자기 동작을 나타내며 여자 전류만 전달합니다.

손실 분석

자기 손실은 SMPS 효율 예산의 주요 부분을 차지합니다. 코어 손실(히스테리시스 및 와전류 손실)은 자속 밀도와 주파수에 의존하며, 구리 손실은 권선 저항에서 발생합니다.

Steinmetz 경험식으로 코어 손실 추정:

여기서 k, a, b는 코어 제조업체가 제공하는 소재 상수입니다. 데이터시트는 정현파 여기 손실 값을 제공하지만, SMPS에서는 비정현파 여기가 일반적이므로 실시간 측정이 선호됩니다.

스코프는 단일 권선 인덕터, 다중 권선 인덕터, 트랜스포머에 대해 이 계산을 수행할 수 있습니다. 트랜스포머의 경우 1차에 차동 프로브, 1차에 전류 프로브(필요 시 2차도)를 연결하여 소프트웨어에 공급하면 와트 단위 손실을 출력합니다.

요약하면, 인덕터와 트랜스포머는 SMPS 성능(필터링, 절연, 에너지 저장, 타이밍)에 필수적입니다. 최신 오실로스코프와 전력 분석 소프트웨어를 사용한 정확한 인-서킷 측정으로 이 컴포넌트들이 설계 사양을 충족하고 모든 조건에서 신뢰성 있게 동작함을 보장할 수 있습니다.