죄송합니다. 더 이상 지원되지 않는 웹 브라우저입니다.

토템 폴 PFC 기법과 전원공급장치의 효율성 개선

PDF 다운로드

글/Yong Ang, Yong Ang, Strategic Marketing Director, 온세미

입력 브리지 정류기에서 발생하는 손실은 AC-DC 전원공급장치의 효율성 극대화를 저해하는 요소다. 브리지리스 토템 폴(bridgeless totem pole) 역률 보정(PFC) 전원 공급 토폴로지는 손실이 발생하는 브리지 정류기와 PFC MOSFET, 부스트 다이오드를 4개의 능동형 스위칭 장치로 바꾸는 우수한 솔루션이다. 그러나 이 토폴로지는 복잡한 제어 알고리즘을 사용하며, 따라서 고가의 마이크로컨트롤러 추가를 요할 수 있다. 이러한 제어 요소의 비용과 복잡성은 해당 토폴로지의 도입에 장애물이 되기도 한다. 이 설계상 난제에 대한 해법의 일환으로 본 기고문에서는 NCP1680 컨트롤러를 살펴본다.

본론

AC-DC 전원공급장치는 널리 보편화되어 있으며 전 세계 에너지 변환의 상당 부분을 차지한다. 그러므로 AC-DC 장치의 효율은 시스템에 드는 비용을 좌우하는 한편, 보다 넓게는 에너지 개발에 따른 오염 물질의 배출에도 영향을 미친다. AC-DC 전력을 논할 때 빼놓을 수 없는 또 하나의 파라미터가 바로 입력 역률(input power factor)이다. 입력 Line전류와 입력 line 전압의 형상(사인파)과 위상이 동일하지 않은 경우 전원공급장치는 필요 이상의 피상전력을 요구한다. 그 결과 야기된 비효율이 유틸리티 네트워크를 통해 재 전파된다. 이 비효율을 해결하는 방법인 역률 보정(PFC)은 이제 여러 국가와 지역의 법적 의무로 자리잡았다. 일반적 전원공급장치의 경우 능동형 역률 보정의 유무에 따라 발생 전류가 70%는 족히 증가할 수 있으므로 현재는 회로를 사용해 역률을 1에 가까운 값으로 보정하도록 의무화하고 있다. 

실제로 IEC 61000-3-2 등의 전자파적합성(EMC) 표준은 선 전류 왜곡으로 발생하는 40차 고조파까지 입력 전류를 제한한다. 80 Plus 인증 프로그램은 20%, 50%, 100% 부하에서 80%의 효율을 보일 것을 권장하고 있다. 80 Plus 표준의 최고 등급은 ‘80+ 티타늄 스탠더드’로, 10%~100% 부하에서 90% 이상의 효율을 기록해야 획득 가능하다. 

‘80+ 티타늄 스탠다드’ 효율 규정 충족하기

역률을 능동적으로 보정하는 전통적 방식은 정류된 시스템에서 부스트 컨버터를 사용해 출력 DC 레벨을 시스템의 입력 피크 전압보다 높이는 것이다(그림 1 좌측 참고). 이때 펄스폭 변조를 통해 출력 DC 레벨을 조절하는 동시에 Line 전류가 Line 전압의 파형과 동상을 유지하도록 유도한다. 

[그림 1] 전통적 방식(좌측)과 브리지리스 토템 폴 방식(우측)의 PFC 회로

이 기법은 부스트 인덕터 에너지가 각 사이클에서 완전히 소진되는지 여부와 관련없이 연속, 불연속, 임계 전도 모드에서 잘 동작하며, 제어도 간단하다. 그러나 AC-DC 컨버터는 서버에서 요구하는 ‘80+ 티타늄 스탠더드’ 등급(50% 부하 시 230VAC 입력에서 최대 96%의 효율)을 맞추기 위해 효율을 높여야 한다는 부담도 있다. 일반적으로 DC-DC 단계에서 2%의 손실이 허용되기 때문에 입력 정류(line rectification)와 PFC stage의 총 손실도 2%로 제한된다. 

그러나 입력 정류를 위한 브리지 정류기 단독에서만 약 1% 이상의 손실이 발생하며 로우 라인 입력(low line)에서는 최대 1.7%의 손실도 발생한다. 

그래서 개발된 보다 효율적인 기법이 브리지리스 ‘토템 폴 PFC(TPPFC)’다(그림 1 우측 참고). 이 기법에서는 부스트 다이오드가 동기 정류기로 바뀌어 상기 회로상의 부스트 트랜지스터(Q1)와 부스트 다이오드(Q2)가 시스템의 극성에 따라 기능을 맞바꿀 수 있게 된다. 이 경우 선 정류기 다이오드는 단 두 개만이 필요하며, 이들 또한 상단 회로의 Q3와 Q4처럼 동기 정류기로 작용해 효율을 높일 수 있다. 

완벽한 switching과 이상적인 인덕터를 구현하고 다이오드의 전압 강하를 완전히 없앨 수 있다면 TPPFC 회로의 효율은 100%에 도달할 수 있다. 그러나 실제 변환 시에는 전도와 switching에 따른 손실이 발생하며, 낮은 온저항의 MOSFET을 사용해(병렬 가능) 낮은 수준의 전도 손실(Conduction loss)을 달성할 수 있다 하더라도 동적 손실(Switching loss)의 증가는 불가피하다. 이는 결국 이러한 손실의 적당한 균형이 필요함을 의미한다. 

동적 손실은 부스트 동기 정류기로 설정된 MOSFET의 역회복에서 기인한다. 역회복은 switching 시의 ‘부동 시간(dead time)’과 커패시턴스(switch output capacitance)의 충전과 방전 시에 MOSFET 본체의 다이오드가 역방향 전도를 일으킬 때를 의미한다. 이는 효율 측면에서 심각한 문제를 초래할 수 있기 때문에 연속 전도 모드 회로의 경우 실리콘 MOSFET 중 Superjunction 제품조차 사용이 불가하다. 결과적으로는 탄화규소(Silicon Carbide-SiC)와 질화갈륨(Gallium Nitride-GaN)등의 광대역 밴드갭(wide band-gap) 스위치의 적용을 고려할 수밖에 없다. 

연속 전도 모드(CCM)는 피크 전환(peak switch)과 인덕터 전류를 낮게 설정함으로써 실효값(RMS)을 줄이고, conduction 손실과 인덕터 코어 손실을 낮게 유지할 수 있어 대전력에서 선호된다. 그러나 이는 하드(hard) 스위칭 모드에 해당하기 때문에 높은 동적 손실을 유발하는 역회복과 아웃풋 커패시턴스를 요구한다. 

저전력에서의 불연속 전도 모드(DCM)는 턴 온(turn-on) 손실이 낮다. 이 지점에서는 부스트 다이오드 전류가 0으로 떨어지고, 따라서 복구할 전하가 없기 때문이다. 그러나 피크 전류와 RMS 전류의 관리가 힘들어 높은 저항손과 코어 손실이 발생할 수 있으므로 대전력에는 적합하지 않다. 

훌륭한 절충점, 임계 전도 모드 

최대 수백 와트까지 사용이 가능하며 인터리빙(inter-leaving)으로 그 한계를 더 넓힐 수 있는 절충안이 바로 임계 전도 모드(CrM)다. 이 모드에서는 부하전류 또는 입력 line 전압이 변화함에 따라 회로가 CCM과 DCM 사이의 경계면에서 작동할 수 있게 스위칭 주파수가 변경된다. 이를 통해 낮은 수준의 턴 온 손실이 주는 이점은 계속 누리면서 피크 전류를 평균 2배 수준으로 제한해 conduction 및 코어 손실을 적절하게 유지한다(그림 2 참고).

[그림 2] PFC 부스트 인덕터 전류의 파형, 임계 전도 모드

그러나 CrM의 턴 오프(turn-off)는 하드 스위칭 정류(commutation)를 발생시키고, 부스트 다이오드의 순방향 회복 일체가 출력 전압의 오버슈트(overshoot)와 일부 손실을 유발한다. 또한 CrM의 가변적인 스위칭 주파수의 경우, 경부하에서는 주파수가 너무 높아 더 심각한 Switching손실과 효율감소를 야기할 가능성이 있다. 이들의 관계는 다음의 수식을 따른다. 

이 수식은 스위칭 주파수와 입력 전력이 역의 관계임을 의미하게 되므로 부하전력이 20%에서 100%로 5배 변화하면 주파수 또한 5배 변화해야 지속적인 효율이 확보됨을 의미한다. 그러나 주파수가 높아지면 효율은 감소하기 때문에 이에 따라 각 요인이 상호 작용한다. 주파수와 RMS 입력 전압의 관계는 더 복잡해서 대개 주파수와 입력 line 범위간 비율이 2:1 이상의 차이를 보이고 mid전압에서 피크를 이룬다. 

CrM의 경부하 손실을 줄이는 주파수 클램핑

경부하에서는 효율이 최대 10%까지 감소할 수 있고, 이는 대기 시 또는 무부하 상태의 에너지 소비 제한 요건을 충족하는 데 심각한 걸림돌이 된다. 이 문제의 해법은 경부하에서 피크 전류가 CrM보다 낮은 DCM으로 회로 동작을 유도함으로써 최대 허용 주파수를 클램프(clamp) 또는 ‘폴드 백(fold-back)’ 하는 것이다. 

그러므로 Mid부하에서만 아니라, 전체 입력 line 범위와 부하 범위에서도 고역률 및 고효율을 가지는 솔루션은 토템 폴 배열과 주파수 클램핑이다. 이 회로는 AC line 동기 정류기로 실리콘 MOSFET을, 고주파용 ‘레그(leg)’로 광대역 밴드갭 스위치를 조합해 사용해야 한다. 그러나 해당 회로는 제어가 쉽지 않다는 문제점이 있다. 능동 소자(active device) 4개를 구동하면서 제로 다이오드 전류를 감지해 CrM으로 유도하고, 경부하에서 DCM으로 자동 변환하는 동시에 출력 전압을 조절하며 높은 역률을 유지해야 하기 때문이다. 또한, 해당 회로에는 출력 과전압 감지와 마찬가지로 전환 과전류 보호(Switch overcurrent protection)에도 적합하다. 이 같은 과제는 스위치 및 측정 파라미터와 연동된 마이크로 컨트롤러에 복잡한 제어 알고리즘을 심어 해결할 수 있다. 그러나 그러한 솔루션에는 막대한 비용이 소모될 뿐 아니라 전력 설계자의 입장에서는 최적의 성능을 낼 장치의 코딩까지 진행해야 하는데, 이는 숙련자가 아니면 어려울 뿐만 아니라 시간 소요도 큰 작업이다. 

혼합 신호 TPPFC CrM 컨트롤러

온세미가 새롭게 제안하는 솔루션은 더욱 간단하며 코딩이 불필요하다. NCP1680은 업계 유일의 혼합 신호 CrM TTPFC 컨트롤러이며 SOIC-16 패키지로 제공된다. 해당 소자는 특허를 획득한 저손실 전류 감지 아키텍처와 성능이 입증된 제어 알고리즘으로 저비용, 저위험, 고성능 솔루션을 제공한다. 경부하에서 주파수 폴드 백을 실행하는 동안 지속적이고 정기적으로 CrM과 ‘밸리 스위칭(valley switching)’ 기능을 지원해 최소 전압에서 switching을 진행하고 효율을 높인다. 디지털 전압 제어 루프는 시스템 설계의 간편함을 활용해 부하 범위 전반에서 최적화된 성능을 달성한다. 또한 보호 목적으로 사이클 전류 제한을 포함하고 있어 홀 효과(Hall-effect) 센서가 불필요하다. NCP1680을 사용해 토템 폴 PFC 단계를 구현하는 간단한 도면은 다음과 같다(그림 3). 

[그림 3] NCP1680를 사용한 일반적인 TPPFC 애플리케이션의 간략한 도면

현재 NCP1680의 평가 보드가 제공되고 있다(그림 4 참고). 이 평가 보드는 고속 스위치로 GaN HEMT 셀을, AC Line 동기 정류기로 Si-MOSFET을 사용한다.  

[그림 4] 온세미의 NCP1680평가 보드

이 평가 보드는 90 ~ 265 VAC 선에서 395 VDC 출력으로 300W를 제공한다. 전체 부하 효율의 최고치는 99%에 근접하며, 입력 범위 전반에서는 약 98%를 달성한다(그림 5).  

[그림 5] 온세미 NCP1680 평가 보드의 효율 추이

광대역 밴드갭 반도체와 저비용적인 혼합 신호, 임계 전도 모드 컨트롤러의 활용이 가능해지면서 온세미의 토템 폴 PFC 스테이지는 수백 와트의 고효율 역률 보정을 지원하는 한편, 80+ 티타늄 효율 표준과 대기(Standby mode) 및 무부하 손실을 최소화하는 에코 설계 요건을 만족하는 이상적 솔루션이다. 

버티컬 섹터 전반에서 더 높은 효율을 요구하는 수요가 증가하는 현재, 모든 부하 수준에서 손실을 줄이도록 CrM을 사용해 개선한 능동형 PFC는 여러 제조 업체와 소비자, 유틸리티 서비스 공급자에게 환영받는다. 엔지니어들은 이제 NCP1680를 평가하고 응용 영역 전반에서 새로운 제품 개발의 효율을 높일 때다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
<저작권자(c) 반도체네트워크, 무단 전재-재배포 금지>