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에너지 효율 개선을 위해 필수적으로 이해해야 할 ‘역률 보정(PFC)’

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글/조엘 투르키(Joel Turchi), 온세미컨덕터 기술 전문가

고 에너지 비용 시대에 에너지 관련 비용을 절감하려는 소비자 및 기업의 운영 담당자부터 점점 더 복잡해지는 표준 요건을 충족하고자 하는 설계자에 이르는 대부분의 사람들이 전력 최적화의 필요성을 인식하고 있다. 에너지 낭비 문제를 인식하지 못한다면, 지구 온난화를 가져올 에너지 생산의 환경적 여파는 점점 더 심각한 문제가 될 것이다.
에너지 효율 개선의 필요성을 인식한 정부와 산업협회는 제품 출시 전 충족이 되어야 하는 표준을 일부 마련했다. 비용에 민감하거나 환경을 의식하는 소비자들은 구매하려는 제품이 에너지 효율적인지 파악하기 위해 이러한 표준에 의존한다. 
현재 해결돼야 할 핵심 분야 중 하나는 EMI(Electro-Magnetic Interference) 필터를 포함하는 역률 보정(PFC, power factor correction) 단계이다.

효율은 단일 지점을 지칭하는 것이 아니다
전력 관련 애플리케이션에 있어 효율은 제조사가 항상 사양에 명시하는 사안이자 매개변수이다. 그러나, 과거에는 효율이 최대치로 표시됐으며, 단일 지점으로 전체 부하의 약 75% 정도였다.
그 결과, 제조사는 인지된 제품 효율을 향상시키기 위해 이 부하 수준에 집중했다. 그러나 실제 상황에서 이 전력 수준으로 디바이스는 짧은 시간 밖에 작동하지 못한다. 특히 다이나믹 로드(Dynamic Load)가 있는 애플리케이션의 경우, 전력 수준의 실제 효율은 예상치보다 훨씬 낮다는 의미가 된다.
이러한 상황을 해결하기 위해 최신 에너지표준은 최대지점이 아닌 전체 효율곡선에 걸친 성능을 고려한다. 이는 설계자가 저 부하 및 중 부하 수준에서 더 나은 성능을 보이기 위해 전력 변환 시스템 핵심 구성요소를 설계하는 방법을 모색하는 결과로 이어졌다. 출력 전력의 최대 8%를 소비할 수 있는 PFC 스테이지와 ECI 필터는 이를 해결하는 가장 중요한 영역이다.

PFC란

전력 회사가 공급하는 전압은 항상 정현파(sinusoidal)지만, 선 전류(line current)의 파형 형태와 위상은 전원이 공급되는 부하에 따라 다르다. 가장 단순한 저항성 부하의 경우, 부하 전류는 정현파이며, 동위상(in phase)이라 전력 계산이 수월하다.
인덕터(inductor)나 캐패시터(capacitor)와 같은 리액턴스 소자가 부하에 있는 경우, 부하 전류는 정현파로 유지되지만 전압에 맞게 위상은 변경된다. 이 경우, 유효 전력(실제 또는 평균 전력)은 이전과 같이 계산되지만 위상 각(변위 계수)의 코사인이 곱해진다. 부하에 리액턴스가 클수록 유효 전력은 낮아진다.
다이오드 브릿지 및 벌크 입력 캐패시터가 있는 일반적인 스위치 모드 전원 공급 장치의 입력 스테이지와 같이 비 선형 부하가 있는 경우 조금 더 복잡해진다. 여기서 전류는 인러쉬 스파이크(inrush spikes)의 연속이며, 전력은 푸리에 변환(Fourier transformation)을 사용해 계산한다.

[그림 1] 리액턴스 부하(좌) 및 비선형 부하(우)에 대한 전압(파란색)과 전류(빨간색)

두 개의 정현파를 가진 제품의 평균값을 도출하려면 복잡한 계산이 필요하며, 두 개의 파형이 동일한 주파수를 갖는 경우에만 0이 아닌 결과가 나온다. 그러나 이를 통해 실제 전력을 제공하는 것은 기본 구성 요소뿐이며, 고조파는 쓸모 없는 순환 전류(circulating current)만 생성한다는 점을 알 수 있다.
변위 계수와 마찬가지로 왜율(distortion factor)은 왜곡된 파형이 실제 전력에 미치는 영향을 모델링하며, 실제 전력을 실효값(RMS) 전압과 실효값 전류, 이 두 요소의 산물로 정의한다. 추가 분석으로 전체 고조파 왜곡(THD)을 보여준다.
실제로 시스템 역률(Power factor)은 단순히 변위 계수와 왜율의 산물이며, 그러므로 실제 전력은 실효값 전압, 실효값 전류 및 역률의 산물이다.

역률을 바로잡는 실용적 접근법

PFC와 관련된 주요 표준은 61000-3-2-이다. 이는 그리드에서 공급되는 전류의 THD를 최소화하는 목표로 작성됐다. 2차부터 40차에 이르는 모든 고조파의 최대 크기를 정의해 이 목표를 달성한다. PFC 요구 사항은 에너지 스타(Energy Star) 사양과 같은 다른 문서에서도 다뤄지는데, 바로 이런 이유로 PFC 기술이 많은 애플리케이션에 널리 사용되는 결과로 이어졌다고 생각하는 이들이 많다.
지금까지 이러한 표준을 충족하는데 사용된 가장 일반적이며 효과적인 PFC 유형은 액티브 PFC이다. 입력 브릿지 정류기와 대용량 캐패시터 사이에 PFC 프리-레귤레이터(pre-regulator)를 추가해 일정한 전압을 제공하면서 전류를 정현파로 만드는 것이 일반적인 방법이다.

[그림 2] PFC는 다이오드 브릿지와 벌크 캐패시터 사이에 위치한다.

두드러진 역률 개선 외에도 이 방식이 제공하는 이점은 많다. 일반적인 PFC 스테이지 출력은 상당히 잘 조절된 400V로, 한층 쉽고 비용 효율적인 다운스트림 컨버터 설계가 가능하다. 또한, 비 맥동 전류는 EMI 필터링 요구사항을 줄여 크기와 비용을 절감한다.
그러나 이러한 PFC 프리-컨버터 유형은 100% 효율을 달성할 수 없어 시스템 손실로 이어진다. 모든 전력 시스템에는 스위칭과 전도라는 두 가지 주요 손실 유형이 있다. 전도 손실은 두 손실 유형의 합이다. 여기서 말하는 두 손실 유형이란 브릿지 내 다이오드 순방향 전압과 같은 요인으로 인해 전력에 비례하는 손실과 MOSFET 온-저항(on-resistance)과 같이 저항 손실을 구성하는 시스템 전력의 제곱에 비례하는 손실을 말한다. 

[그림 3] 스위칭 및 전도 손실은 전체 전력 시스템 손실에 영향을 미친다.

한편 스위칭 손실은 전류에 비례하며, 전달되는 전력에 비례하는 큰 부분을 차지한다. 다른 부분의 경우 일정하며 시스템 전원과 관련이 없다. 기생 커패시턴스(parasitic capacitances)와 충전 전류로 인해 발생하며, 시스템 스위칭 주파수에 주로 비례한다. 설계자가 시스템 크기를 줄이기 위해 동작 주파수를 늘리면 스위칭 손실은 더 문제가 되며, 특히 상당한 효율 손실이 발생할 수 있는 낮은 전력 수준에서는 더욱 그렇다.

PFC 제어 방식

여러 시스템 요구사항을 충족하기 위해 다양한 PFC 제어 방식이 개발됐지만, 목표는 대게 낮은 부하에서 스위칭 손실을, 높은 부하에서 전도 손실을 줄이는 것이다.
그림에서 볼 수 있듯 세 가지 기본 제어 방식이 있다. CCM(Continuous conduction mode)은 고정 주파수에서 작동하며, 손실 증가는 허용하는 반면 인덕터 전류 리플은 제한한다. 주로 고전력 시스템 (300W 이상)에 사용된다.
임계 전도 모드(CrM)에서는 인덕터 전류가 0으로 떨어져 새로운 스위칭 사이클을 시작하며, 고속 복구 다이오드의 필요성을 해소한다. 이는 상대적으로 리플 전류가 큰 가변 스위칭 주파수로 이어진다. 간단하고 저렴한 이 방식은 조명을 비롯한 저전력 애플리케이션에 널리 사용된다.

[그림 4] Primary single-channel PFC operating modes

온세미컨덕터는 몇 년 전 CrM에서 볼 수 있는 주파수 확산을 제한하기 위해 주파수 클램핑 임계 전도 모드 (FCCrM)를 도입했다. 주파수가 최고치인 경 부하 상황에서, 동작 모드는 비연속 전도 모드 (DCM)으로 변환되어 스위칭 손실을 제한한다. 추가 회로는 DCM의 전형적인 데드 타임(deadtimes)을 해결해 현재 파형이 올바른 형태임을 보장한다.
온세미컨덕터는 역률 컨트롤러와 전원 스위치를 비롯해 설계자들이 자신 있게 PFC 솔루션을 개발할 수 있도록 지원하는 설계 리소스를 포함한 다양한 구성 요소를 제공한다.