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시스템 설계에 베이스플레이트 냉각 컨버터 모듈 통합

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글/게리 보콕, XP Power 기술 이사

옥외 사용을 위해 설계된 견고한 장비를 설계하는 경우, 신뢰성 있게 만드는 가장 좋은 방법은 외부 환경 조건으로부터 장비를 완전히 밀봉하는 것이다. 그러나 이는 신중한 조치지만, 그 경로를 이용하는 것은 일부 설계 문제를 야기하는데, 그 중 하나는 전력 공급 능력을 제공하는 방법이며, 특히 상대적으로 높은 수준의 전력이 필요한 경우 더욱 그러하다. 대부분의 고출력 공급장치는 발생되는 열을 발산하기 위해 강제적인 공기냉각을 사용하며, 완전히 밀폐된 장치에서는 실용적이지 않다. 그 결과, ‘브릭스’라고도 불리는 베이스플레이트 냉각 전력 변환기 모듈의 사용이 대중화되었는데, 이 모듈들은 차가운 벽이나 유닛 케이스에 장착되고 전도 냉각 기능을 사용한다.
드롭인 솔루션이 아닌 구성품 수준의 전원 모듈로 설계된 브릭은 실외 장비 및 시스템의 제조업체에게 입증되고 신뢰할 수 있으며 쉽게 구할 수 있는 다양한 전원 모듈을 사용하여 시장 출시 시간을 단축하는 저위험 개발 접근방식을 제공한다.
제품은 AC와 DC 입력 애플리케이션 모두에 사용할 수 있다. AC 입력 제품은 입력 전압 DC-DC 브릭을 구동하는 데 사용되는 완전한 AC-DC 솔루션 또는 PFC 모듈일 수 있다. 몇 가지 예외를 제외하고 AC 입력 제품에는 외부 고전압 전해 캐패시터를 추가해야 한다. DC 입력 제품은 PFC 모듈 또는 정류된 주 전압, 고전압 배터리 솔루션 및 재생 에너지 용도에 맞게 약 450VDC까지 광범위한 공칭 배터리 전압, 차량 공급 및 고전압 용도에 적용된다.
업계 표준 크기의 세트가 진화했으며 쿼터 브릭, 하프 브릭, 풀 브릭이라고 불리며 최대 700와트의 전력 정격은 업계 표준 2:1 입력 전체 브릭 패키지에서 확인할 수 있다. 광범위한 잠재적 공칭 입력 전압을 포함하는 시스템 설계를 표준화하기 위해 4:1, 8:1 또는 심지어 12:1으로 입력 범위를 넓히면 브릭의 전력 밀도가 감소한다.
베이스플레이트 냉각 변환기의 설계에는 특히 열 관리와 전자파 적합성(EMC)을 위해 몇 가지 추가 설계 고려사항이 필요하다.

열관리

브릭의 모든 전원 분산 구성 요소는 전력 트랜지스터, 정류기, 트랜스포머 및 인덕터를 포함하여 베이스 플레이트에 열적으로 결합된다. 모듈 베이스 플레이트의 열 관리는 매우 중요하며, 최종 설계자가 요구하는 최악의 경우 최대 작동 한도 이하로 온도를 유지해야 한다. 냉각 장치의 열 저항 특성은 부하 또는 최종 장비에 필요한 전력과 브릭 컨버터에서 소실된 전력을 결정하는 모듈의 효율 및 장비가 작동할 것으로 예상되는 최대 온도와 일치해야 한다.
최악의 경우 부하 조건에서 모듈의 작동 효율 사양은 얼마나 많은 전력이 소모되는지를 결정한다. 이것은 모듈의 명시한 헤드라인 효율로 이것을 순수하게 계산하기 보다는 가능한 모든 입력 전압 범위와 실제 부하 조건에 걸쳐 모듈의 효율에 대한 면밀한 분석을 수반할 필요가 있다(그림 1 참조). 그래프는 입력 전압과 부하에 따라 모듈의 효율이 어떻게 변화하는지 보여준다.

[그림 1] 입력 전압 및 부하에 따른 효율 변화 예

소실할 전력량을 결정하기 위한 계산은 아래 그림 2와 같다.

[그림 2] 열로 소산되는 손실전력의 계산

아래의 단순 모델은 폐열/전력을 파악한 후, 장비 최대 작동 온도와 파워브릭의 최대 베이스플레이트 온도의 차이로 정의하여 작동에 필요한 열 저항을 결정한다. 케이스에서 히트싱크까지의 열 저항은 일반적으로 방열패드나 방열 그리스 사용 시 0.1℃/W이다.

[그림 3] 파워 브릭 및 히팅크 열 모델

대류 냉각 애플리케이션에서, 히팅크의 물리적 크기는 강제 공기 또는 액체 냉각을 사용하는 비교 가능한 솔루션보다 훨씬 크다. 둘 이상의 베이스 플레이트 냉각 모듈을 공통의 히팅크, 저온 벽면 또는 외부 케이스에 장착할 경우 최악의 조건에서 작동하는 모든 벽돌의 소멸된 전력 합계에 의해 필요한 전체 열저항이 결정된다.

전자파 적합성

베이스플레이트 냉각 변환기 전력 시스템 설계의 또 다른 중요한 측면은 EMC이며, 여기에는 스파크 및 서지로부터 보호함은 물론 전파 노이즈 방출 제어도 포함된다. 최종 적용에 대한 민감도 요건은 단순한 수동 구성 요소에서 과도 전압 억제기(TVS), 가스 방전 튜브(GDT) 또는 심지어 일부 차량 및 레일 적용에 필요한 능동 클램프 설계에 이르기까지 필요한 서지 및 스파크 억제 범위와 복잡성을 정의한다. 애플리케이션별 EMC 모듈은 이러한 까다로운 애플리케이션에서 낮은 위험성이 입증된 솔루션을 제공하기 위해 군용 및 철도 애플리케이션에 사용할 수 있다. 또한 전원 모듈 기반 전원 솔루션은 안전을 위해 적절한 퓨즈 또는 회로 차단기 보호가 포함되어야 하며 일반적으로 소스의 임피던스를 줄이기 위해 일부 국부적 정전 용량이 필요하다.
전원 모듈 데이터 시트 및 애플리케이션 노트는 필요한 구성 요소의 값을 명시한다. 단, 모든 연면 및 간극 요건에 대한 우수 설계 관행을 따르고 EMC 준수에 대한 기생 인덕턴스를 최소화하는 것은 전력 시스템 설계 엔지니어의 몫이다.
그림 4를 참조하여 퓨즈 FS1은 단락 입력 오류 보호 기능을 제공한다. 역극성 보호는 다이오드 D1에 의해 제공된다. L1, C1, C2는 pi 필터 배열에 연결되어 전력 스위칭 단계 내에서 전류의 급격한 변화에 따른 차등 노이즈을 감소시킨다. 공통 모드 필터는 L2, C4 및 C5에 의해 형성되어 전력 변환기의 급속한 전압 변화에 의해 발생하는 노이즈를 완화한다. 콘덴서 C3은 전력 변환기 스위칭 전류 수요를 위한 낮은 임피던스 소스를 나타내며 TVS1은 스파크와 서지로부터 보호하는 양방향 과도 서지 억제기다. C6와 C7은 낮은 노이즈 전력을 규정한 애플리케이션의 출력에 추가적인 차동 필터가 필요할 수 있지만 출력의 공통 모드 노이즈를 감소시킨다.

[그림 4] DC 입력 시스템 회로

전원 시스템 레이아웃을 설계할 때 루프를 짧게 유지하기 위해 디커플링 캐패시터 C4, C5, C6 및 C7을 연결 핀과 베이스 플레이트의 섀시 연결부에 최대한 가깝게 배치하는 것이 현명하다. 입력에 걸친 TVS1, 과도 전압 억제기 및 전해 콘덴서 C3는 입력 핀에 가능한 가깝게 유지해야 한다. 전원 모듈 아래의 PCB 트랙은 피해야 한다.
컨버터 앞에서 PFC 모듈을 사용하는 경우 일반적으로 450VDC 정격인 고전압 전해액 대용량 캐패시터 C6도 필요하다. 엔드 시스템에 필요한 홀드업 또는 안정도는 커패시터의 값을 결정한다.

[그림 5] AC 입력 시스템 회로

벌크 캐패시터를 위해 외부 연결이 제공되는 일부 단일 브릭 PFC와 DC/DC 모듈을 사용할 수 있다. 설계 단계에서 관련 안전 표준에서 규정한 L상, N상, 접지 및 입력 간 간격과 L상,N상, 접지 사이의 간극 거리를 준수하는 것이 AC 입력 시스템의 요건이다.
또한 열 및 안전 한계 내에서 유지되도록 열 관리 설계에 추가 구성 요소를 포함시킬 필요가 있다. 온도는 전기 콘덴서 수명에 영향을 미치며 단 10도만 감소하면 사용 수명을 두 배로 증가시켜 최종 기기의 사용 수명을 유지하기 위해 구성품 설계 수명, 온도 정격 및 냉각 준비의 선택이 매우 중요하다. 열전도 패드를 사용하고 열감응성 구성품을 고온 부품에 가까이 두지 않는 것은 전반적인 시스템 신뢰성을 유지하는 데 도움이 된다.
베이스플레이트 대류 냉각 전력 변환 모듈의 사용은 견고한 환경 밀폐 장비에 이상적인 접근법이며, 많은 운송 시스템, 방산 애플리케이션 및 마스트 헤드 장착 네트워크 장비에 인기 있는 방법이다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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