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글/ 개리 보콕(Gary Bocock), XP Power

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브릭이라고도 알려진 베이스 플레이트 냉각 전력 변환기 모듈은 최종 장비에 통합할 수 있도록 브릭구서의 전력 솔루션을 제공한다. 이러한 고밀도 전력 솔루션은 견고한 구조와 전도 냉각 특성으로 견고한 실외 밀폐 장치와 운송 및 방어 애플리케이션, 그리고 소형 크기의 이점을 실현할 수 있는 고밀도 강제 공기 냉각 애플리케이션에 이상적이다.

또한 제조업체의 지원 및 애플리케이션 노트를 사용하여 최종 장비 설계자가 설계하거나, 시장 출시 기간을 단축하는 낮은 개발비용과 저위험 맞춤형 솔루션을 위해 입증되고 신뢰할 수 있는 모듈을 사용하여 모듈 제조업체 스스로 설계한 저위험 맞춤형 전력 솔루션의 구성 요소를 제공한다.

그러나 베이스 플레이트 냉각 변환기는 양산형 제품이 아닌 부품 수준의 전력 솔루션으로, 일반적으로 정확한 작동, 전기 안전, 열 관리 및 전자파 적합성(EMC)을 위해 추가 설계 자원과 부품이 필요하다. 그것들은 DC와 AC 입력 애플리케이션 모두를 위해 설계되었으며, 입력 범위는 배터리 및 DC 차량뿐만 아니라 더 높은 전압, 정류 또는 보정된 파워팩터(PFC) AC 공급장치를 포함하도록 설계되었다.

산업용에서는 쿼터브릭, 하프브릭, 풀브릭 등으로 표현되는 이 부품들의 표준 크기를 개발했다. 다중 전력 플랫폼용 시스템 설계를 표준화 하는 드라이브에 여러 공칭 배터리 공급 장치를 수용하기 위해 입력 범위가 4:1, 8:1 또는 심지어 12:1로 넓어짐에 따라 전력 밀도가 감소하지만 표준 2:1 입력 전체 브릭에서 최대 600W 또는 700W까지 전력 정격을 달성할 수 있다.

AC 입력형 베이스 플레이트 냉각 컨버터는 AC에서 저전압 DC 변환을 제공하는 보다 완벽한 솔루션으로 또는 고전압 출력(대개 약 400VDC)을 가진 PFC 모듈로 사용되어 고전압 DC/DC 브릭을 다운스트림한다. 또한 이러한 AC 입력 제품 대부분은 열 관리가 필요하며 다른 모든 부품을 포함하는 XP Power의 ASB110, 110W 완전한 AC/DC 풀브릭 솔루션과 같은 하나 또는 두 가지 예외가 있는 EMC용 고전압 전해 콘덴서와 구성품을 포함한 추가 설계와 구성품이 필요하다.

열관리

열 관리는 베이스 플레이트를 냉각하도록 설계된 파워 브릭 통합의 핵심 요소다. 브릭은 전력 반도체와 변압기와 같은 전력 소진 구성부품이 베이스 플레이트에 열적으로 결합되도록 설계되었으며, 이는 최종 적용의 최악의 조건에서 최대 작동 온도 이하로 유지되어야 한다. 냉각 장치의 열 저항은 부하 또는 최종 장비에 필요한 전력과 브릭 컨버터에서 소멸된 전력을 결정하는 모듈의 효율 및 장비가 작동할 것으로 예상되는 최대 온도와 일치해야 한다.

데이터 시트 헤드라인 효율보다는 실제 작동 부하와 적용되는 최저 입력 전압을 고려하는 것이 중요하지만 최악의 작동 조건에서 모듈 효율성 사양에서 손실(와트 단위)을 결정할 수 있다.

그림 1: 입력 전압 및 부하에 따른 효율 변화 예

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최악의 작동 지점에서 효율이 확립되면 열로 소비되는 손실전력은 다음과 같이 계산한다.

그림 2: 열로 소산되는 손실전력의 계산

아래의 단순 모델은 손실전력을 계산한 후, 장비 최대 작동 온도와 파워브릭의 최대 베이스 플레이트 온도의 차이로 정의하여 작동에 필요한 열 저항을 결정한다. 케이스에서 Heatsink까지의 열 저항은 일반적으로 방열 패드나 그리스를 사용할 때 0.1⁰C/W이다.

그림 3: 파워 브릭 및 히팅크 열 모델

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주변부에 대한 방열판의 열 저항은 주변 공기 흐름에에 크게 의존하며, 이는 대류 냉각 애플리케이션에서 물리적 크기가 강제 공랭 또는 수냉각이 있는 비교 가능한 전력 시스템보다 훨씬 크다는 것을 의미한다. 공통 방열판 또는 냉각된 표면에 연결된 여러 개의 브릭을 사용할 경우, 최악의 경우 시스템의 각 벽돌에서 방출된 전력의 합이 필요한 전체 열 저항을 결정한다.

전자파 적합성

위에서 설명한 열 관리 외에도 베이스 플레이트 냉각 모듈에는 애플리케이션의 수용성 요건에 정의된 스파이크 및 서지로부터 보호뿐만 아니라 정확한 작동, 역극성 보호 및 노이즈 발생량 제어를 위한 추가 외부 구성품이 필요하다. 즉, 노이즈 완화를 위한 콘덴서 구성과 입력 임피던스 및 인덕터와 서지감쇠 부품을 최종 설계적용에 사용해야 한다. 또한, 치명적인 고장으로 공급 회로 단락이 발생할 경우 안전을 위해 퓨즈를 사용해야 한다.

전력 모듈 데이터 시트 및 애플리케이션 노트는 설계 엔지니어가 면적및 극 요건에 대한 모범 설계 관행을 따르고 EMC 준수를 위한 기생 인덕턴스를 최소화하는 것이 목표지만 필요한 구성 요소의 용량을 명시한다.

그림 4: DC 입력 시스템 회로

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FS1은 입력 단락 고장에 대한 보호를 제공하며, D1은 역극성 보호를 제공한다. L1, C1, C2는 pi 필터를 형성하여 전력 스위칭단계의 급속한 전류 변화에 의해 발생하는 미분 소음을 완화하며, L2, C4, C5는 공통 모드 필터를 형성하여 전력단계의 급속한 전압 변화에 의해 발생하는 소음을 완화한다. C3는 전력 변환기 스위칭 전류 수요를 위한 낮은 임피던스 소스를 제시하며, TVS1은 스파이크와 서지로부터 보호하기 위한 양방향 과도 서지 억제기다. C6와 C7은 출력 공통 모드 노이즈를 감소시키며, 매우 낮은 노이즈를 필요로 하는 애플리케이션의 경우 출력에 차동 필터를 추가할 수 있다.

일반적으로 디커플링 커패시터(C4, C5, C6 및 C7)는 루프를 가능한 짧게 유지하기 위해 베이스 플레이트에 대한 핀 및 섀시 연결부에 최대한 가깝게 해야 한다. 입력 전해 콘덴서(C3)와 과도 전압 억제기(TVS1)는 루프가 가능한 한 최소 상태에서 모듈의 입력 핀에 물리적으로 가까워야 하며, 전원 모듈 아래로 지나가는 회로구성은 피해야 한다.

DC 입력 철도 및 방위산업 애플리케이션에서 발견된 비정상적인 서지에 대해 사용할 수 있는 애플리케이션별 필터 모듈의 수가 제한적이다. 또한 일반적으로 완전한 준수를 위해 몇 가지 추가 구성요소가 필요하다.

그림 5: 방위산업 적용 DC 입력

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이 경우 DSF 필터 모듈은 28V 정격 군용 차량 공급 및 필터 인덕터의 요구 사항을 준수하기 위해 필요한 모든 능동 서지 보호 회로를 포함한다. C1은 디퍼렌셜 필터 단계를 완료하고, C3과 C4는 공통 모드 필터 단계를 완료한다. C2는 MTC 시리즈 DC/DC 컨버터에 낮은 임피던스 소스를 제공한다.

AC 입력 전력 시스템에 PFC 모듈 솔루션을 사용할 때는 그림과 같이 유사한 EMC 구성 요소가 필요하며, 고전압(450VDC) 대용량 전해 커패시터(C6)도 필요하다. 벌크 커패시터의 값은 시스템 홀드업 또는 안정도에 의해 결정된다.

그림 6: AC 입력 시스템 회로

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일부 AC 입력 솔루션은 PFC와 DC/DC 섹션을 하나의 브릭으로 결합하고, 벌크 커패시터에 사용할 수 있도록 연결한다. 전원 시스템 구현 중에 준수해야 하는 L과N, N과 L, 접지 사이의 연면 및 절연 거리와 관련된 AC 입력 시스템에 대한 추가 조건이 있다. 이러한 연면 및 간격 거리는 최종 적용에 대한 관련 안전 표준에 설명되어 있다.

위에서 설명한 추가 구성 요소도 인덕터와 필터 커패시터의 열 안전 한계 내에 조절되고, 채택된 전해 콘덴서가 최종 장비의 임무 프로필에 걸쳐 원하는 사용 수명을 갖도록 하기 위해 세심한 선택과 열 관리가 필요하다. 적절한 적합한 방열 패드를 사용하여 인덕터에서 기기 베이스 면까지 열을 전달 할 수 있으며, 다른 구성부품은 PCB의 후면에 장착하여 고온 부품으로부터 멀리 떨어져 있는 경우가 많다.

이러한 고밀도 베이스 플레이트 냉각 브릭 컨버터의 최고의 제조업체는 설계를 지원하는 애플리케이션 정보와 EMC 데이터를 가지고 있다. 또한 설계 및 컴플라이언스 테스트 단계에서 사용자를 지원하고 공통의 산업, 통신, 운송 및 방산 EMC 표준에 대한 사전 컴플라이언스 테스트를 제공할 수 있는 숙련된 애플리케이션 엔지니어도 있다.

또한 제조업체는 이 모듈을 수많은 애플리케이션별 맞춤형 설계에 사용했으며, 적용 및 안전 및 EMC 표준 준수에서 귀중한 경험을 얻었다. 모듈 제조업체를 사용하여 맞춤형 브릭 기반 전력 시스템을 설계하고 생산하는 것은 여전히 대중적인 선택으로 남아 있으며, 사내에서 추가 설계 및 시험 자원의 필요성이 없으며, OEM 방식의 핵심 시스템 설계에 집중할 수 있도록 한다.