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글/ 케일럽 랜더(Caleb Lander), XP Power 수석 제품 매니저

전통적으로 AC-DC 전원 공급 장치 설계는 특정 부하 및 라인 조건에 대해서만 최적화될 수 있었다. 이는 일반적으로 사용되는 고정 주파수에서 고전적인 아날로그 제어와 간단한 펄스 폭 변조 기술에서 비롯되며, 이러한 제약 조건은 일반적으로 작동 범위의 극단에서 더 높은 구성 요소 스트레스를 초래한다. PSU를 위한 데이터 시트는 낮은 입력 전압과 함께 심한 열화를 보여주었고, 출력은 기껏해야 +/-10% 정도 조정될 수 있는 고정된 값으로 제한되었다. 제로 출력 전압과 진실하고 정확한 정전류 출력은 일반적으로 특별히 콤팩트하거나 효율적일 필요가 없는 값비싼 실험실 공급으로 제한되었다. 마찬가지로 제어 루프 응답, 과부하에 대한 반응 및 고장 검출 임계값과 같은 특성은 제어 및 모니터링 신호 수준, 기능 및 극성과 함께 설계에 '기입'되었다.

그 결과 사용자는 사용 가능한 전원 공급 장치에 대해 작업하고, 최상의 타협점을 찾은 다음 다양한 제품 유형을 준비해야 했다. 확립된 최종 제품의 경우, 업그레이드와 변경은 전원 공급기가 허용하는 것으로 제한될 수 있다. 출력 전압을 약간 조정할 필요가 있더라도 전원 시스템 설계의 주요 재규격을 필요로 할 수 있다. 많은 응용 프로그램들은 또한 특히 PSU가 어떤 방식으로든 가변적이어야 하며, LED 정전류 부하는 종종 조광 가능해야 하거나, 반응 속도를 결정하기 위해 전기 분해 공정에 대한 출력 전압을 프로그래밍할 수 있어야 한다. 이러한 경우 솔루션은 비용이 많이 드는 사용자 지정 설계인 경우가 많다.

고객은 전원 공급 장치가 최종 제품이 무엇을 달성할 수 있는지 결정한다고 기대해서는 안 된다. 따라서 PSU 공급업체는 항상 제품을 최대한 다용도화하려고 노력해야 한다. 그러나 과거에 사용 가능한 기술은 가격 또는 크기나 효율성과 같은 일부 다른 성능 매개변수의 절충을 강요했다. 이제, 많은 좋은 이유로 높은 전력 밀도가 주요 지침이기 때문에, 절충은 받아들일 수 없을지도 모른다

디지털과 진정한 디지털 전력 변환

그들이 처음 등장했을 때, '디지털' 전원 공급 장치는 '소프트웨어 제어' 전원의 유연성을 약속하는 것처럼 보였지만, 최초의 제품에는 단순히 이산 전자 장치와 아날로그 컨트롤러의 디지털 인터페이스가 있었다. 이는 제품의 다용성을 향상시키기보다는 제품이 어떻게 동작했는지에 대한 정보에 더 쉽게 접근할 수 있게 했다. 지난 몇 년 동안, 설계 기술과 반도체 기술의 발전으로 효율과 전력 밀도가 향상되었기 때문에, 라인 및 부하 변동에 대한 저하 문제가 완화되었다. 예를 들어 넓은 밴드갭 반도체를 탑재한 '토템-폴 브리지리스 PFC' 단계는 낮은 라인에서도 99% 이상의 피크 효율과 약 97.5%를 달성하고 있어 라인 정류와 PFC는 더 이상 '병목'을 악화시키지 않으며 사용자는 전 세계 라인 전압에 대해 이 기술을 사용하여 PSU에서 최대 전력을 얻을 수 있다. '위상 편이 풀 브리지'와 같은 현대의 격리된 컨버터 스테이지도 고효율의 넓은 출력 작동 범위와 보다 다용도적인 제품을 위해 정전류 작동을 정밀하게 제어할 수 있다(그림 1).

그림 1. 브리지리스 PFC 스테이지, 위상 편이 풀 브리지 컨버터, 동기 출력 보정 및 광대역 갭 스위치를 이용한 진정한 디지털 제어 기능을 갖춘 전형적인 최신 고효율 AC-DC 개요

기술된 변환 토폴로지는 최상의 성능을 위해 복잡한 제어 요구 사항을 가지고 있으며, 이는 진정한 디지털 제어에 의해 가능하게 되었다. 여기서 모든 스위치에 대한 드라이브는 소프트웨어 알고리즘에 의해 생성되며, 지금은 ARM Cortex와 같은 저비용이지만 고성능 컨트롤러이다. 이제 소프트웨어 제어 하에 애플리케이션 요구 사항에 맞게 많은 매개변수를 동적으로 변경할 수 있다. 주파수를 낮추거나 PFC 단계를 제거하면 더 나은 광부하 효율을 얻을 수 있다. 출력 전압을 '동적 전압 스케일링'으로 변경하여 공회전 시 부하 전력 소비를 줄일 수 있다. 루프 보상은 다음과 같이 최적화될 수 있다. 특정 부하 저항 및 병렬 캐패시턴스를 통해 최상의 과도 응답 및 기타 기능을 제공한다. 현대의 변환 토폴로지는 양방향 작동에도 도움이 되며, 이는 EV 충전 및 그리드에 대한 에너지 '백피딩'과 같은 응용 프로그램에 대해 진정한 디지털 제어로 하드웨어를 변경하지 않고 구성할 수 있는 현실적인 옵션이 된다.

디지털 제어를 사용하면 타이밍/지연, 임계값 및 극성에 대한 모니터링 및 제어 특성과 함께 출력 전압 및 전류 레벨을 구성하는 것이 어려워진다. 직렬 통신 버스는 사용자가 원하는 대로 제조업체가 제공하는 GUI를 통해 컨버터를 설정하거나 설정을 실험하고 최적화되면 제조업체에 해당 설정이 미리 설치된 제품을 배송하도록 요청할 수 있도록 구현이 용이하다. 적절한 컨트롤러를 사용하면 필요에 따라 애플리케이션에서 동적으로 기능을 변경할 수 있다.

직렬 인터페이스는 일반적으로 PMBus 프로토콜을 사용하는 I2C이지만, 완전한 유연성을 위해 RS232 또는 RS485, CANopen, MODBUS 또는 SCPI 버스도 선택적으로 사용할 수 있다. 예를 들어, 아날로그 제어 입력은 0-5V 선형 프로그래밍 출력 전압 또는 전류와 같이 일반적으로 선택 사항이다(그림 2).

그림 2. 디지털 PSU는 종종 A-D 인터페이스를 통한 아날로그 프로그래밍을 허용한다.

사례 연구

디지털 제어가 어떻게 큰 이점을 제공했는지를 보여주는 예는 낮은 AC 공칭에서 요구되는 성능 저하로 인해 기존의 PSU가 전 세계 공급과 호환되지 않는다는 것을 발견한 응용 프로그램에서이다. 기능성과 제어성 또한 제한적이어서 불편하고 비싼 외부 하드웨어와 PSU를 수정해야 했다. 더 나은 해결책은 단상 80-264에서 작동하는 DSP 플랫폼을 기반으로 하는 1500W PSU인 XP Power의 HPA1K5였다.출력 등급에 거의 영향을 미치지 않는 VAC는 모든 시장에서 작동한다. 디지털 제어는 외부 회로 및 PSU 하드웨어 수정을 제거하고 시스템이 신호 장애를 활성화하는 경우 안전 셧다운을 포함한 기능을 추가했다. 사용자가 제공한 GUI를 통해 증명하면 제품 출하 전에 XP Power에 의해 설정이 공장에서 구성되었다. 고객은 신용카드 크기의 단일 보드 컴퓨터와 인터페이스하여 PSU의 I2C 버스에서 얻은 추가 가치를 활용할 수 있었다. 이 컴퓨터는 유럽 제어 센터에서 사용자의 클라우드 네트워크에 대한 게이트웨이를 제공하고 전 세계적으로 최종 제품 파워레일 성능을 모니터링할 수 있었다. 사용자는 향상된 신뢰성과 함께 부품 수, 비용 및 설치 공간이 감소하여 더 경쟁력 있는 제품을 보유하고 있다.

HPA1K5와 같은 제품은 전 세계 ITE 및 의료용(MOPP 2배) 안전 승인과 높은 전력 밀도를 통해 적용 가능성을 확장한다. 공칭 출력은 정전압, 프로그래밍 가능한 정격 공칭의 0~105% 또는 정격 최대치의 정전류 0~110%로 구성할 수 있다. 또한 원격 감지, 병렬 장치를 위한 전류 공유, 5V 대기 공급 장치 및 온도 조절 팬을 포함한다.

XP Power의 DSP 기능을 갖춘 'HP' 제품군에는 3상 180 – 264VAC 입력으로 5kW 정격의 HPL5K0 범위가 포함된다. 이 범위는 60V, 100V 또는 200VDC의 공칭값과 함께 더 높은 출력 전압 애플리케이션을 위한 것이다. 또 다른 예로 HPT5K0도 5kW의 정격이지만 3상 180 – 528VAC 입력, 높은 공칭 출력 전압 옵션 및 두 가지 케이스 스타일 변형을 들 수 있다. HPL 및 HPT 범위에는 설명된 모든 디지털 제어 및 모니터링과 고속 출력 슬루 레이트가 포함되어 있어 까다로운 테스트 애플리케이션에 유용하다(그림 3).

그림 3. XP의 HP 제품 범위와 해당 프로그래밍 GUI

결론

AC-DC 제품은 사용자가 출력 전압, 전류 및 모든 기능을 제어하고 최적화한 다음 생산용 펌웨어에 내장하여 비용과 효율성을 저하시키지 않으면서 마침내 '소프트웨어 정의 파워'의 시대가 도래했다. 제품은 광범위한 최종 애플리케이션에 대한 인증을 통해 전 세계적으로 작동할 수 있으며, 소프트웨어 및 제조업체에서 제공하는 GUI를 사용하여 노트북에 간단하게 연결할 수 있어 새로운 제품에 맞게 업그레이드 또는 재프로그래밍할 수 있으므로 사용자는 이제 확실하게 제어할 수 있다.