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혁신적인 실리콘 솔루션을 사용해서 최대의 PFC 효율 달성

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글/Rafael Garcia, Principal System Applications Engineer, 인피니언 테크놀로지스

머리말

팬데믹이 생활의 모든 면으로 영향을 미치면서 사회 전반으로 통신 네트워크가 핵심적 역할을 하게 되었다. 이전에 겪어보지 못했던 상황으로 서버 용량과 빠른 통신에 대한 요구를 충족하기 위해서 서버와 텔레콤 용으로 고도로 효율적인 스위치드 모드 전원장치(SMPS)가 필요하게 되었다. SMPS로 폼팩터는 그대로 두고서 더 높은 출력 전력을 제공해야 한다. 전력 밀도와 효율을 높이면서 동시에 비용을 낮추고 모듈화를 높이고 설계를 간소화해야 한다. 이 글에서는 바로 이러한 모든 요구를 충족하면서 보통의 다른 실리콘 솔루션과 비교해서 더 높은 성능을 달성하는 실리콘 기반 솔루션을 소개한다.

SMPS로 98퍼센트 이상의 전반적 효율을 달성하기 위해서는 PFC(역률 보정) 스테이지로 극히 높은 효율이 요구된다. 표준적 PFC 토폴로지의 근본적인 한계점들 때문에 CCM(연속 전도 모드) 토템폴 PFC 같은 브리지리스 PFC 토폴로지가 부상하고 있다[1]. 그런데 CCM 동작 모드는 하프 브리지 스위치가 주로 하드 정류로 동작하기 때문에 효율 면에서 실리콘(Si) 수퍼정션(SJ) MOSFET을 사용하기가 여의치 않다. 하프 브리지 구성으로 CCM 동작으로 Si SJ MOSFET을 사용하면 심각한 결함을 초래할 수도 있다[2].

그러므로 하이엔드 애플리케이션으로 인피니언의 CoolMOS™ 트랜지스터 제품 같은 Si SJ MOSFET을 사용하려면 다른 제어 전략이 필요하다. TCM(triangular current mode)[3]을 사용하면 완벽한 제로 전압 스위칭(ZVS)을 달성하고 효율을 높일 수 있다. 하지만 이 방법은 높은 인덕터 전류 리플 때문에 최소한 2개 전원 스테이지를 인터리브해야 한다. 부품 수가 늘어남으로써 전력 밀도를 높이기 위해서 더 높은 스위칭 주파수를 사용해야 한다. 뿐만 아니라 가변적 스위칭 주파수를 사용해서 인터리브하기 때문에 제어가 훨씬 복잡해진다.

이 글에서 소개하는 인피니언 솔루션은 이러한 문제들을 해결하는 매력적이고 간소한 솔루션으로서, 토템폴 PFC 토폴로지로 하프 브리지 CCM 동작으로 Si SJ MOSFET을 사용해서 최대의 효율을 달성하고 가격대 성능비를 높이도록 한다. 이 제안 솔루션의 동작 원리와 측정 시험 결과를 설명한다.

혁신적이며 간소한 솔루션

그림 1은 통상적인 이중 펄스 테스트 플랫폼 용으로 이 제안 솔루션의 회로 다이어그램을 보여준다. 이 셋업은 CCM 모드로 동작하는 토템폴 PFC로 ‘다이오드에서 스위치로 전이’ 상황을 나타내는 것으로서, 매 스위칭 사이클에 ‘다이오드 모드’ 스위치의 하드 정류가 일어난다.

[그림 1] 하프 브리지 구성으로 CoolMOS™를 채택한 제안 솔루션의 회로 다이어그램

그림 1의 하프 브리지 구성으로, Q1이 턴오프하고서, 스위칭 노드로 연결된 인덕터로 누적된 에너지가 주어져서 Q2가 소프트 스위칭으로 턴온한다. 그런데 Q2가 턴오프했을 때 인덕터 전류가 이의 바디 다이오드를 통해서 계속해서 흐르고 Q1이 턴온할 때 이 바디 다이오드 전류의 하드 정류가 발생해서 심각한 결과로 이어질 수 있다.

인피니언의 제안 솔루션은 프리휠링 또는 ‘다이오드 모드’ Si SJ MOSFET(그림 1에서 Q2)의 COSS 커패시턴스를 24V 같은 특정한 레벨로 사전 충전하는 것이다. 그럼으로써 출력 커패시턴스 전하(QOSS)와 턴오프 전이 시에 바디 다이오드 역 복구 전하(Qrr)와 관련된 손실을 크게 낮출 수 있다. 저전압 소스로부터 이들 전하를 제공하기 때문이다.

그러므로 Si SJ MOSFET으로 정류 손실을 크게 낮출 뿐만 아니라, 토템폴 PFC로 통상적인 CCM 동작으로 연속적 하드 정류를 가능하게 한다.

또한 이 제안 솔루션은 하드웨어 복잡성이 가중되는 것을 최소화한다. 하프 브리지의 각기 전력 디바이스로 단일의 고전압 쇼트키 다이오드(D1과 D2), 저전압(LV) MOSFET(Q3과 Q4), 커패시터(CHS_DP와 CLS_DP)만을 필요로 하기 때문이다. 또 LV MOSFET을 구동하고 사전 충전 전압을 제공하기 위해서 2개 전원 전압이 필요하다. 또 레벨 쉬프팅(부트스트랩 커패시터) 기법을 구현하고 있으며, 드라이버 전원과 공핍 전압을 위한 통상적인 드라이버들을 포함한다(각각 주황색과 회색으로 표시). 

드라이버 입력들로 RX-CX와 RY-CY 필터 네트워크가 하프 브리지 디바이스와 추가적인 LV 스위치들로 적절한 PWM 신호 타이밍을 제공한다. 그러므로 컨트롤러로부터 추가적인 PWM 신호들을 필요로 하지 않는다.

제안 솔루션의 동작 원리

그림 2는 Si SJ MOSFET Q1과 Q2를 채택한 하프 브리지의 하드 정류 시의 주요 파형들을 보여준다. 시간 축은 각기 다른 PWM 이벤트로 발생되는 전이 동작만을 보여주는 것으로서, 정확한 스케일은 아니다.

[그림 2] 제안 솔루션의 정류 파형

인피니언 평가 보드를 사용한 측정 결과

이 글에서 제안한 솔루션을 평가하기 위해서65kHz로 스위칭하고 SMD 부품을 채택한 인피니언의 3.3kW 토템폴 브리지리스 PFC 평가 보드를 사용해서 테스트를 실시했다. 그림 3은 이 시스템을 보여주는 것으로서, 표 1에서 보는 것과 같은 전력 스위치, 다이오드, 드라이버, 컨트롤러를 채택하고 있다. [4]에 따라서 사전 충전 회로를 설계하고, 표 2와 같은 값으로 구현했다. 

[그림 3] CoolMOS™ CFD7과 CoolMOS™ S7 SJ MOSFET을 채택한 3.3kW 토템폴 PFC 보드

[표 1] Si SJ CoolMOS™를 채택한 3.3kW 토템폴 평가 보드에 사용된 인피니언 제품들

[표 2] 하프 브리지로 2x IPT60R090CFD7을 사용할 때 사전 충전 루프 파라미터

그림 4와 그림 5는 이 평가 보드의 측정 효율을 보여준다. 바이어스 소모는 포함하고 팬 전력 소모는 포함하지 않았다.

[그림 4] 제안 솔루션을 적용한 토템폴 PFC의 효율 측정. 바이어스 전원은 포함하고 팬 전력 소모는 포함하지 않았다.

[그림 5] CoolMOS™와 OptiMOS™, EiceDRIVER™, CoolSiC™ 쇼트키 다이오드 650V 제품이 결합해서 PFC 스테이지로 99퍼센트에 가까운 피크 효율을 달성한다.

역률은 부하가 공칭 출력 전력의 20퍼센트보다 높을 때 0.95 이상이고, THD는 공칭 출력 전력의 50퍼센트 이상으로 5퍼센트 미만이다.

최대 효율은 1000W부터 1500W까지 출력 전력 범위로 98.9퍼센트 이상이고, 측정 전력 범위 전반에 걸쳐서는 98퍼센트 이상이다.

맺음말

인피니언의 CoolMOS™ CCM 토템폴 PFC 솔루션을 사용해서 실리콘 기반으로 한 차원 향상된 효율을 달성할 수 있다. 그러므로 강력한 와이드 밴드갭 솔루션과 더불어서 비용적으로 매력적인 솔루션을 제공한다.

CCM 토템폴 PFC 애플리케이션으로 Si SJ MOSFET을 채택하고 간소하면서도 효과적인 사전 충전 회로를 적용함으로써, Si SJ MOSFET을 공핍시키고 그럼으로써 QOSS와 Qrr 손실을 최소화할 수 있다.

이 글에서는 이 혁신적인 솔루션의 동작 원리를 설명하고, 인피니언의 CoolMOS™ SJ MOSFET 기술(CoolMOS™ CFD7과 CoolMOS™ S7 SJ MOSFET)을 채택한 토템폴 PFC 평가 보드의 시험 결과를 설명했다. 

이 제안 솔루션으로 1000W부터 1500W까지 출력 전력으로 98.9퍼센트를 넘는 최대 효율과 측정 전력 범위 전반에 걸쳐서 98퍼센트 이상의 효율을 달성하는 것을 확인했다.

인피니언은 컨버터 시스템 디자이너들이 CCM 토템폴 PFC로 원하는 가격대 성능비로 최대의 효율을 달성하고 하이엔드 서버 및 텔레콤 애플리케이션 요구를 충족하도록 다양한 구성의 제품 및 솔루션 포트폴리오를 제공한다. 보드 페이지를 방문하면 이 혁신적인 Si 기반 CCM 토템폴 PFC 시스템 솔루션에 관한 추가 정보를 볼 수 있다. 

[References]

[1] L. Huber, Y. Jang, and M. M. Jovanovic, “Performance Evaluation of Bridgeless PFC Boost Rectifiers,” in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 23, no. 3, pp. 1381-1390, May 2008.

[2] R. Siemieniec, O. Blank, M. Hutzler, L. J. Yip and J. Sanchez, “Robustness of MOSFET devices under hard commutation of the body diode,” 2013 15th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE), 2013, pp. 1-10

[3] C. Marxgut, F. Krismer, D. Bortis, and J. W. Kolar, “Ultraflat Interleaved Triangular Current Mode (TCM) Single-Phase PFC Rectifier,” in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 2, pp. 873-882, Feb. 2014.

[4] M. Kutschak, D. Meneses, M. Escudero, R. Garcia Mora, “Lossless hard-commutated operation of SJ MOSFETs and application to CCM totem-pole bridgeless PFC,” PCIM paper May 2021.

leekh@seminet.co.kr
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