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글/ 용 앙(Yong Ang), 온세미(onsemi) 전략 마케팅 디렉터

전기 에너지는 그리드에 의해 AC로 공급되지만, 우리가 사용하는 대부분의 디바이스는 DC 전원을 필요로 한다. 즉 이러한 변환은 AC/DC 전원 공급 장치에 의해 이루어지며, 이 장치는 에너지 그리드에 있어서 가장 일반적인 부하이다. 전 세계적으로 환경 보호와 운영 비용 관리를 위한 에너지 효율에 초점을 맞추기 시작하면서, 전원 공급 장치의 효율적인 운영의 중요성이 커지고 있다.

효율성은 입력 전력과 부하에 공급되는 전력 간의 비율을 측정하는 척도로 이해할 수 있다. 그러나 입력 역률 또한 상당한 영향을 미친다. 역률(PF)이란 전원 공급 장치를 포함해 AC 전원 디바이스가 소비하는 유용한(실제) 전력과 총(피상) 전력(kVA) 간의 비율을 뜻한다. 역률은 사용된 전력이 유용한 작업의 출력으로 변환되는 과정에서의 효율성을 측정한다.

순수한 저항성 부하의 경우, 역률은 단일이지만 부하 내의 반응성(Reactive) 요소가 역률을 감소시킨다. 이로 인해 피상 전력이 유용한 전력보다 커져 효율성이 감소한다. 

유도 부하와 마찬가지로, 단위 미만의 역률은 전압 및 전류가 위상을 벗어나면서 발생하는 현상이다. SMPS(switched mode power supplies) 또는 다른 유형의 불연속 전자 부하에서 흔히 볼 수 있는 것처럼 높은 고조파 성분이나 왜곡된 전류 파형이 원인이 될 수도 있다.

역률 보정

역률 보정을 거치지 않은 SMPS는 보정된 SMPS보다 높은 전력을 소비한다. 따라서 70W를 초과하는 전력 레벨에서 역률을 1에 가까운 값으로 보정하기 위해서 설계자는 회로를 통합해야 한다. 액티브 PFC(PF correction)을 위한 가장 일반적인 기법은 부스트 컨버터를 사용해 정류된 AC전원을 높은 DC 레벨로 변환한 다음, PWM(pulse width modulation)을 사용하여 이 DC 레벨을 조절하는 것이다.

이러한 기술은 작동 및 구현이 용이하지만 몇 가지 문제가 있다. 엄격한 '80+ 티타늄 표준'과 같은 현대의 효율 표준은 광범위한 전력 범위에서 높은 효율성을 요구하며, 50% 부하에서는 최대 96%의 최고 효율성을 요구한다. PFC 단계 이후의 DC-DC 컨버터는 일반적으로 2%의 손실을 나타내므로, AC 정류 및 PFC 단계에서의 자체 손실 요구분이 2%에 불과하다. 따라서 AC 정류 즉 브리지(bridge) 정류기의 다이오드의(D1~D4) 손실이 문제가 된다.

그림 1. 기존 회로(좌측)와 브리지리스(bridgeless) 토템 폴 PFC 회로(우측) 

그러나 부스트 다이오드(D5)를 동기 정류기로 상쇄하면 효율이 향상될 수 있다. 또한 2개의 라인 정류 다이오드만 필요한데, 이는 효율을 더욱 향상시키는 동기 정류기(Q3, Q4)를 사용할 수 있다. 토템 폴 PFC(TPPFC)로 알려진 이 기술은 이상적인 인덕터와 완벽한 스위치를 사용하면 100%에 가까운 효율을 보일 수 있다. 일반적인 MOSFET이 우수한 성능을 제공하지만, 병렬로 사용하더라도 이상적인 스위치의 요구 수준에 도달하지는 못한다. 따라서 와이드 밴드갭(Wide Bandgap) 반도체 스위치는 토템폴 PFC 토폴로지와 함께 사용된다.

손실 문제에 대처하기

스위칭 주파수가 점점 높아지는 추세에 따라, 스위칭 디바이스의 동적 손실이 보다 많은 영향을 끼치게 되었다. 이러한 동적 손실은 MOSFET의 역회복에 의해 발생하는 것으로 토템폴의 fast leg에 있어서, 바디 다이오드가 스위칭 '데드’ 타임에 전도되고 저장된 전하가 고갈되어야 할 때와 스위치 출력 커패시턴스의 충전 및 방전이 원인 중 하나이다.

실제로 실리콘 MOSFET에서는 이러한 동적 손실이 크게 발생할 수 있다. 이로 인해 설계자들이 실리콘 카바이드(SiC) 및 질화 갈륨(GaN) 디바이스와 같은 와이드 밴드갭 반도체 재료를 TPPFC 애플리케이션에 지정하는 사례가 점점 많아지고 있다. 이는 높은 주파수 작동과 높은 온도에서의 작업을 가능케 한다는 이점을 가지며, 전력 애플리케이션에서 매우 유용하다는 특성이 있다.

임계 전도 모드(Critical conduction mode, CrM)는 TPPFC에 대한 전도 모드로, 수백 와트까지 선호되며 효율성과 EMI 성능 간에 좋은 절충안을 제공한다. 전류 연속 모드(Continuous conduction mode, CCM)는 스위치의 RMS 전류 및 전도 손실을 추가로 감소시킴으로써 킬로와트 정격 애플리케이션에서 TPPFC를 사용할 수 있도록 해준다.

CrM을 사용하더라도 가벼운 부하에서 최대 10%에 이르는 상당한 효율성 저하가 발생할 수 있는데, 이는 대기 또는 무부하 에너지 소비 한계를 충족하려고 할 때 실질적으로 문제가 된다. 한 가지 해결책은 최대 허용 주파수를 클램프(clamp)하거나 또는 '폴드백(fold-back)’하여 가벼운 부하에서 회로를 DCM으로 전환하는 것이다. 이 때의 피크 전류는 동일한 CrM 구현 피크 전류보다 낮다. 

TPPFC를 CrM 작동 및 주파수 클램핑과 결합하면 우수한 미디움 파워(medium-power) 솔루션을 활용할 수 있는데, 이 설루션은 특히 WBG 스위치가 고주파 레그에 사용될 때 부하 범위 전반에 걸쳐 효율성을 제공한다.

추가적인 과제

효율성 문제를 해결한 후에 극복해야 할 마지막 장애물이 있다. 동시적으로 구동되는 네 개의 능동 디바이스는 CrM을 강제 실행을 위해 인덕터의 제로 전류 교차를 감지해야 한다. 회로는 필요할 때 자동으로 DCM으로 전환할 수 있어야 하며, 이 모든 작업은 고출력 계수를 유지하고 출력을 조절하기 위한 PWM 신호를 생성하면서 수행돼야 한다. 또한 여기에는 과전류, 과전압과 같은 회로 보호도 필요하다.

이러한 복잡성을 고려할 때 일반적으로 가장 좋은 접근은 마이크로컨트롤러에서 제어 알고리즘을 구현하는 것이다. 하지만 이는 비용이 많이 들 수 있고, 많은 설계자들이 기피하는 분야인 코드의 생성 및 디버깅이 필요하다.

CrM을 사용한 TPPFC 코드프리(code-free) 솔루션

완전히 통합된 TPPFC 제어 솔루션은 다양한 이점을 제공한다. 마이크로컨트롤러 및 관련 코드를 구현할 필요가 없는 것은 물론, 높은 수준의 성능과 설계 시간 단축, 설계 위험 감소 등이 있다.

이러한 통합 솔루션 중 하나로 온세미의 혼합 신호 TPPFC 컨트롤러인 NCP1680가 있다. NCP1680은 부하 범위에 걸쳐 높은 수준의 효율성을 보장하기 위해 일정 시간동안 CrM으로 작동한다. 또한 ‘밸리 스위칭’ 기술이 탑재되어, 가벼운 부하에서 주파수 폴드백 중에 최소 전압으로 전환하여 효율을 높인다. 디지털 전압 제어 루프는 설계 프로세스를 단순하게 유지하는 동시에 부하 범위 전반에 걸쳐 성능을 최적화하도록 내부적으로 보상된다.

그림 2. 코드프리 TPPFC에 대해 단순하면서도 명쾌한 솔루션 제공하는 NCP1680

소규모 SOIC-16 패키지에 내장된 혁신적인 컨트롤러는 전류 센싱을 위한 고유한 저손실 접근 방식을 통합한다. 그리고 사이클별 전류 제한은 외부의 홀 효과(Hall effect) 센서 없이도 우수한 수준의 보호를 제공하며, 복잡성, 크기 및 비용을 줄여준다.

모든 필수 제어 알고리즘은 IC에 내장되어 설계자에게 효율적인 비용으로 높은 성능을 구현하는 저위험, 검증된 솔루션을 제공한다.