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산업용 전원 공급 장치 요구 사항을 충족하는 방법

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글/Bill Schweber, Digi-Key

산업 응용 분야를 위한 AC/DC 전력 변환(‘오프라인’ 전력 변환이라고도 함)은 소비자 및 대중 시장 설계에 사용되는 것과 매우 다르다. 일반적으로 산업 응용 분야에서는 전압, 전류 및 전력 레벨이 훨씬 더 높고, 열 및 전기적 견고성에 관한 요구 사항이 추가로 있으며, 활성 모드와 대기 모드에 대해 엄격한 규제가 적용되고, 피드백 루프 및 결함 감지를 위해 진행 중인 작업을 모니터링해야 한다.

이러한 환경에서 효과적으로 설계하려면 스위칭 전력 장치 및 지원 부품과 함께 전력 컨버터 제어 회로 또는 장치가 컨버터의 핵심에 있어야 한다. 이러한 장치와 부품은 선택된 전원 공급 장치 토폴로지를 구현하고 원하는 전압 및 전류에서 정격 DC 출력을 제공하는 데 사용된다. 컨버터는 집적 전력 장치(예: MOSFET)를 포함하거나 실리콘 카바이드(SiC) 전력 장치를 비롯한 외부 이산 소자 전력 장치를 위한 컨트롤러 및 구동기 역할을 할 수 있다. 어떤 컨버터는 전체 시스템에 고정 DC 레일을 공급하고 또 어떤 컨버터는 잘 드러나지는 않지만 특수 켜기/끄기 특성이 필요한 게이트 구동기로서 중요한 역할을 한다.

이 기사에서는 산업용 전력 응용 분야에 적합한 다양한 전력 컨버터 토폴로지에 대해 설명하고 설계자가 토폴로지 및 관련 부품을 선택하기 전에 고려해야 하는 요소를 살펴본다. 그 과정에서 ROHM Semiconductor의 예제 부품을 소개하고 이러한 부품을 효과적으로 적용하는 방법을 알아본다.

전력 컨버터 토폴로지 선택

설계자는 전력 컨버터를 선택하고 산업 응용 분야의 까다로운 요구를 충족하는 공급 장치를 개발할 때 프로젝트 우선 순위에 따라 다양한 옵션과 트레이드 오프를 균형 조정해야 한다. 이를 수행할 수 있는 다양한 방법이 있지만 가장 일반적인 방법은 공급 장치에서 제공해야 하는 전력(W)으로 시작하고 입력과 출력을 분리하는 것이다(그림 1 및 그림 2). 이 두 요소는 전력 컨버터 토폴로지에 대한 가능한 선택을 나타낸다.

[그림 1] 전력 컨버터 설계자는 필요한 전력 출력 범위에 일반적으로 매핑되는 광범위한 토폴로지를 사용할 수 있다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

[그림 2] 토폴로지를 분리 유형(아래쪽)과 비분리 유형(위쪽)으로 분류하여 아키텍처의 핵심을 보여주는 간단한 회로 구성도로 각 컨버터 토폴로지를 설명할 수 있다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

이는 모두 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS) 토폴로지이며, 선형 모드 공급 장치는 없다. 선형 공급 장치는 반드시 매우 낮은 출력 잡음이 요구되어 허용되는 효율성 범위가 20% ~ 40%로 상대적으로 좁은 틈새 응용 분야에만 사용된다. 하지만 이러한 저전력 관련 잡음은 산업용 설치에서는 거의 필요하지 않다.

실제로 ‘올바른’ 접근 방법을 결정하는 것은 간단하지 않으며, 다음과 같이 많은 요소가 결정에 영향을 줄 수 있다.

• 기본 성능: 입력 및 출력 규정과 과도 응답을 포함한다.

• 견고성: 시나리오에 따라 전기 및 열응력에 대한 내성과 저항이 더 우수한 접근 방식이 있다.

• 작동 모드: 전원 공급 장치를 지속적으로 작동하거나, 파동적 또는 매우 간헐적으로 작동할 수 있다.

• 공급 장치에 대한 공칭 전력 이상의 수요

• 솔루션 비용

• 분리의 필요성

• 효율성: 간단한 단어이지만 많은 의미가 함축되어 있다.

AC 라인 분리는 거의 모든 산업용 전력 컨버터에 내재되어 있으며 전압 승압/강압, 사용자 안전 및 시스템 성능에 사용되는 변압기를 통해 수행된다. 또한 1차측 변압기를 사용하는 일부 컨버터의 경우 자체 작동, 여러 레일 간 전기적 분리 또는 고전압 레일 부트 스트래핑을 위해 내부 입력/출력 분리(부동 출력이라고도 함)가 필요하다. 이 입력/출력 분리는 추가 변압기 또는 광 커플러를 사용하여 구현할 수 있다.

효율성 요구 사항

산업용 전력 컨버터를 논의할 때 효율성을 가장 우선적으로 고려해야 한다. 효율성이 런타임과 가장 밀접한 관련이 있는 배터리 구동 장치와 달리 AC/DC 컨버터의 효율성은 다음의 목표에 따라 촉진된다.

• 작동 비용: 많은 산업 응용 분야에서는 수백, 수천 와트의 전력이 필요하며, 이러한 응용 분야는 대부분 24시간 연중무휴로 가동되므로 작동 비용은 특히 중요하다.

• 과도한 열 발산: 제한된 공기 흐름 또는 능동적 냉각 기능의 부재로 인해 많은 설치에서 주위 온도가 높아질 수 있다. 이 열로 인해 부품 응력이 발생하여 수명이 단축되고 교체 다운타임 및 비용이 발생한다. 전력 컨버터 비효율성은 이미 높은 주위 열 부하에 가중된다.

• 규제 문제: 응용 분야, 전력 레벨, 영역에 따라 효율성 최소값을 설정하는 많은 표준 및 규제가 있다. 이러한 표준은 허용 역률 최소값도 정의하므로 전력 컨버터 및 공급 장치에 역률 보정(PFC) 기능을 추가해야 할 수 있다.

기본적인 수학의 관점에서 볼 때 효율성이 약간만 개선되더라도 매우 유의미한 결과를 얻을 수 있다. 전력 컨버터의 효율성을 65%에서 70%로 증가시켜 보겠다. 단지 5% 차이로 상승폭이 그리 대단해 보이지 않는다. 이를 보완적 관점에서 보면 비효율성이 35%에서 30%로 감소되었다. 이는 5% 포인트 향상이지만 약 14%(5/35)의 비효율성 감소이기도 하다. 효율성을 65%에서 70%로 높이면 비효율성이 14% 감소하므로 비용과 열 부하는 물론 추가 냉각의 필요성도 감소한다. 이는 중요한 개선이며 열 설계 요구 사항과 작동 비용에 직접 반영된다.

더 높은 효율성 실현

특히, 설계자가 개선율을 조금이라도 더 높이려는 경우 더 효과적인 AC/DC 컨버터 설계로 연결되는 한 가지의 ‘마법 솔루션’은 없다. 대신, 다음과 같이 크고 작은 다양한 전략이 결합된 결과로 개선이 이루어진다.

• 컨버터에 적절한 코어 토폴로지를 선택하고 해당 방식과 전력 레벨에 가장 적합한 스위칭 주파수 결정: 이 주파수는 일반적으로 100kHz와 1MHz 사이이다.

• 회로 최적화: 기본 설계에는 비효율성의 원인이 되는 작지만 다양한 요소가 있으며, 전원 공급 장치 설계자들이 이러한 요인을 부분적 또는 대폭적으로 최소화할 수 있는 방법을 식별했다. 각각의 방법은 개선 정도가 적을 수도 있지만 상호 가중된다.

• 본질적으로 높은 효율을 촉진하는 능동 소자 및 수동 소자 부품 사용: 전력 장치(MOSFET)와 일부 다이오드의 경우 이는 SiC 공정 기술을 기반으로 하는 부품으로 전환하는 것을 의미한다.

SiC 기술은 이제 높은 온도에서 낮은 온스테이트 저항과 뛰어난 특성으로 인해 차세대 저손실 스위칭 및 차단 소자 부문에서 가장 유력한 대체 부품이다. 또한 높은 항복 전압과 다음과 같은 기타 특성으로 인해 실리콘에 비해 많은 이점을 제공한다.

• 훨씬 높은 임계 항복 전기장 전압: 온스테이트 저항이 크게 감소하여 훨씬 얇은 레이어에서 지정된 정격 전압으로 작동할 수 있다.

• 향상된 열 전도율: 단면적당 더 높은 전류 밀도를 실현한다.

• 와이드 밴드갭: 높은 온도에서 누설 전류가 감소된다. 따라서 SiC 다이오드와 FET를 와이드 밴드갭(WBG) 장치라고도 한다.

대략적인 ‘규모’를 비교하면 SiC 기반 MOSFET 장치는 실리콘 장치보다 최대 10배 더 높은 전압을 차단할 수 있으며, 25℃에서 1/2 이하의 온스테이트 저항으로 약 10배 더 빠르게 전환할 수 있다. 동시에 125℃에 비해 훨씬 더 높은 200℃의 온도에서도 작동할 수 있으므로 열 설계와 관리가 간편하다.

SiC 스위칭 장치의 전력 처리 기능의 예로는 105mΩ의 일반 RDS(on)을 지원하는 1200V, 24A, N 채널 SiC 전력 MOSFET인 ROHM Semiconductor의 SCT3105KRC14가 있다. 이 장치는 적용된 펄스 폭에 비해 최대 값에 빠르게 도달하는 양호한 열 저항 특정을 제공한다(그림 3).

[그림 3] ROHM SCT3105KRC14 1200V, 24A, N 채널 SiC 전력 MOSFET은 펄스 구동에서도 빠르게 평형 상태에 도달할 수 있는 열 특성을 제공한다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

이산 소자 및 통합 전력 설계

저전력 레벨에서의 옵션은 컨버터의 조정기를 연결된 전력 스위칭 장치와 결합하는 IC를 선택하는 것이다. 그러면 조정기와 전력 장치 간 상호 연결에서 최적의 경로를 제공하고, 불가피한 기생 용량이 규격서에 제공된 사양에 특정되는 이점이 있다. 또한, 통합 150mΩ 전력 MOSFET을 탑재한 벅 스위칭 조정기인 ROHM BD9G341AEFJ-E2에 표시된 대로 외부 부품에 대한 필요성이 최소화된다(그림 4).

[그림 4] ROHM BD9G341AEFJ-E2 벅 스위칭 조정기는 MOSFET을 컨트롤러와 통합하여 솔루션의 거의 모든 특성을 지원하면서 외부 회로망의 수량과 복잡성을 최소화한다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

이 미니어처 HTSOP-J8 장치는 크기가 4.9mm × 6.0mm × 1.0mm에 불과하며 산업용 분배 전력 응용 제품에 적합하다. 이 장치는 12V ~ 76V 입력 전압을 허용하고 최대 3A 출력 전류를 제공한다. 전류 모드 아키텍처는 50kHz ~ 750kHz의 사용자 설정 가능 스위칭 주파수를 지원하면서 빠른 과도 응답과 간단한 위상 보정 설정을 제공한다.

전력 레벨(및 전압 및 전류)이 증가할수록 전력 장치를 패키지화하는 것이 중요하며 개별 장치를 사용하는 것이 더욱 까다로워진다. 그럴 경우 두 개 이상의 전력 장치와 함께 사전에 패키지로 제공되는 모듈은 매력적인 옵션이다. 예를 들어, ROHM의 BSM300D12P2E001은 1200V 전압과 300A 전류를 처리할 수 있는 두 개의 SiC 이중 확산 MOSFET(DMOSFET)과 SiC 쇼트키 장벽 다이오드를 탑재한 하프 브리지 모듈이다(그림 5).

[그림 5] ROHM BSM300D12P2E001 모듈은 연결된 두 개의 SiC DMOSFET과 SiC 쇼트키 장벽 다이오드를 통합하여 일반 하프 브리지 구성에서 MOSFET 정합을 간소화하고 결과적 성능을 특정한다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

MOSFET과 다이오드를 단일 모듈에 통합하면 전체 조립품의 성능이 최적화된다. 전체 조립품은 길고 얇은 브릭과 흡사하며 크기는 약 152mm × 62mm × 17mm(L X W X H)이다(그림 6). 또한 이 모듈은 독립 온도 센서(NTC 서미스터)를 포함하여 열 상황을 모니터링할 수 있으며, 이 전압 및 전류 쌍의 주요 고려 사항인 향상된 열 관리를 촉진하는 구조로 되어 있다. 기계적 무결성을 제공하고 강력한 전력 리드를 견고하게 연결하면서 실제로 회로 기판 또는 방열판에 부품을 쉽게 연결할 수 있다.

[그림 6] ROHM BSM300D12P2E001 하프 브리지 모듈 패키지는 배선 연결, 물리적 실장, 열 고려 사항을 간소화한다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

효과적인 컨버터 작동을 위한 구동기의 중요도

실리콘 또는 SiC 기반 MOSFET을 켜고 끌 때 게이트 구동 전압, 전류, 슬루율, 과도 전압, 오버슈트, 입력 정전 용량 및 유도 용량과 관련한 다양한 세부 사항과 기타 많은 정적 요소와 동적 요소를 신중하게 고려해야 한다. 게이트 구동기는 제어 프로세서의 출력에서 수신되는 낮은 레벨의 상대적으로 간단한 신호와 스위칭 장치의 게이트 입력 사이에서 인터페이스 역할을 한다. 게이트 구동기는 전력 장치의 부하 요구 사항에 맞는 출력을 제공하는 특수 유형의 전력 컨버터이다.

스위칭 장치 쌍을 일반 배열(예: 하프 브리지 또는 풀브리지)에서 사용할 경우 구동기 블록은 하이사이드 장치와 로우사이드 장치가 한 순간도 동시에 켜지지 않도록 해야 한다. 그러면 전력 레일과 접지 사이에 단락이 발생한다. 일부 전력 장치 응용 제품에서는 각 장치에 맞는 성능을 제공하면서 두 전기 장치 경로 중 하나 또는 모두를 시스템 접지에서 전기적으로 분리해야 한다.

이러한 요구 사항을 충족하기 위해 일반 전력 장치 벤더는 하나 이상의 스위칭 장치에 맞게 특별히 고안된 구동기 IC를 제공한다. 예를 들어, Tamura/ROHM 2DU180506MR02 하프 브리지 게이트 구동기 IC의 특성과 기능은 위에 언급된 ROHM 하프 브리지 모듈을 보완한다. 이 장치는 다양한 보호 모드를 추가하면서 해당 모듈에 지정된 구동을 제공해야 하는 과제를 간소화한다(그림 7).

[그림 7] Tamura/ROHM 2DU180506MR02 게이트 구동기 IC는 제어 프로세서와 ROHM BSM300D12P2E001 하프 브리지 모듈 사이에서 완벽한 인터페이스 역할을 하도록 특별히 고안되었다. (이미지 출처: Tamura)

이 게이트 구동기는 65mm × 100mm 크기 회로 기판에 실장되는 24mm 높이의 소형 모듈로 패키징된다. 이 기판은 DC 전력, 프로세서 인터페이스 및 전력 모듈 구동을 위한 커넥터를 제공한다. 또한 게이트 구동기는 거의 모든 전력 장치, 특히 고전력 산업용 응용 분야에 필요한 중요 감시 회로 기능을 제공한다. 여기에는 과부하 방지, 과열 방지(전력 모듈의 일부인 서미스터와 연결), 부족 전압 차단, 게이트 구동기 고장 표시기가 포함된다.

기타 하프 브리지 게이트 구동기는 보다 일반적인 용도로 사용된다. ROHM BM60212FV는 N 채널 MOSFET 및 IGBT를 위한 1200V 하이사이드 및 로우사이드 게이트 구동기 IC이다(그림 8). 이 장치는 자기적 분리를 제공하는 무철심 변압기를 사용하여 하이사이드에 필요한 레벨 조정을 구현한다. 하지만 이 장치는 나머지 내부 기능이 분리되지 않으므로 공식적으로 비절연 게이트 구동기로 분류된다.

[그림 8] ROHM BM60212FV 하이사이드 및 로우사이드 게이트 구동기 IC는 하이사이드 구동 경로의 레벨 조정 회로망에서 자기적 분리를 사용한다. 로우사이드 경로는 분리되지 않는다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

6.5 mm × 8.1mm × 2.0mm 크기의 SSOP-20W 패키지에 실장된 이 초소형 부품은 3V 및 5V 구동 신호와 호환되며, 다른 기능 중 부족 전압 차단 기능을 포함한다. 이 IC는 AEC-Q100 인증 장치로서, 엄격한 자동차 신뢰성 표준을 충족한다. ‘자동차 인증’이 ‘산업용’을 의미하지는 않지만 일부 설계자는 환경적으로 까다로운 산업적 조건에서 제품의 신뢰성을 개선하기 위한 방편으로 BOM에 AEC-Q100 인증 부품을 명시하는 것을 선호한다. 이러한 조건에는 전기 서지 및 EMI/RFI, 극한 온도의 열응력, 열 순환과 진동에 따른 기계 고장 등이 포함된다.

전류 측정

전력 컨버터 설계의 경우에도 출력에서 부하까지 흐르는 전류의 크기를 알아야 하는 경우가 많지만, 산업 응용 분야에서는 거의 언제나 필수적이다. 경우에 따라 컨버터에 폐쇄형 루프 성능에 대한 피드백을 제공하려면 이 전류 값이 필요하지만, 산업용 설정에서는 부하 및 상황(예: 정지되거나 고장난 모터)을 모니터링하는 데에도 이 전류 값이 필요하다. 전류를 실시간에 지속적으로 측정하는 한 가지 방법은 부하와 직렬로 연결된 저항기를 통해 전압을 감지하는 것이다. 이러한 맥락에서 볼 때 적합한 용어는 아니지만 이를 션트 저항기라고도 한다.

개념적으로 이 방식의 전류 측정에는 옴의 법칙이 직접 적용된다. 실제로 고전류 산업용 컨버터 설치에서는 다양한 과제가 제기된다. 먼저, 설계자는 적절한 저항 값을 결정해야 한다. 여기에는 트레이드 오프가 있다. 즉, 저항기에서 제공하는 값이 클수록 IR 강하가 커지므로 분해능 및 잡음 내성이 향상되지만, 내전력이 커지고, 부하에 대한 레일 전압이 감소되며, 컨트롤러/부하 루프의 안정성에 부정적인 영향을 줄 수 있다.

일반적으로 좋은 시작점은 최대 전류에서 통과 전압 강하가 약 100mV이 되도록 저항기 값을 선택하는 것이다. 수학적으로 보면 밀리옴 범위 이내의 저항기 값을 감지하여, 다른 회로 기능에 일반적인 킬로옴 이상의 값과 확연히 대조된다.

저항기 값이 결정되면 설계자는 특정 물리적 부품을 선택해야 한다. 전류 값의 크기로 인해 이 저항기는 대부분의 다른 저항기에 비해 정격 전압이 상대적으로 높아야 한다. 또한 실내 온도에서 훨씬 더 정확해야 한다. 낮은 저항 온도 계수(TCR)를 보장하는 소재 및 제조 기술을 사용해야 한다. 낮은 TCR로 인해, 주위 온도 증가나 또는 자가 가열로 인한 온도 상승에도 불구하고 값이 눈에 띄게 변경되지 않는다.

ROHM PSR400ITQFF0L50 션트 저항기는 현혹될 정도로 간단해 보이는 이 수동 소자의 복잡성을 보여주는 좋은 예이다. 이 장치는 500µΩ(밀리옴의 1/2) ±1%, 4W 금속 소자 장치이다(그림 9).

[그림 9] ROHM의 PSR400ITQFF0L50과 같은 전류 감지 저항기는 특수 소재와 기술로 정교하게 제조된 정밀 수동 소자이며, 밀리옴 범위 공칭 값과 매우 낮은 TCR을 제공한다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

PSR400ITQFF0L50은 구부러진 단순한 금속 조각처럼 보일 수도 있지만, 겉모습만 보고 판단하면 오해를 일으킬 수 있다. 이 5.2mm × 10mm 소자는 구리 및 금속 수소를 신중하게 굽혀서 ±175ppm/℃ TCR을 생성하도록 제조된다. 이 제품군에 속하는 다른 전류 감지 저항기는 더 낮은 TCR과 더 높은 TCR을 모두 제공한다. 비교하자면 표준 저비용 ‘일반’ 저항기의 TCR은 약 ±2000ppm/℃ ~ ±4000ppm/℃로서 이 초저저항 금속 플레이트 고전력 션트 저항기보다 10배 ~ 20배 더 높다.

고전류 값에서 션트 저항기를 사용할 경우, 전기 연결은 물론이고 물리적 실장과 방열을 신중하게 고려해야 한다. 밀리옴 범위에서 저항기를 사용할 경우 필요한 4선식 켈빈 연결점의 저항이 매우 낮아야 한다. 또한 이러한 연결 저항으로 인해 손상되지 않는 유효한 측정치를 생성하도록 저항기를 물리적으로 배치해야 한다.

결론

산업용 전원 공급 장치 및 컨버터 설계자는 응용 환경의 응력으로 인해 성능, 비용, 공간 및 신뢰성 요구 사항을 충족하는 데 어려움이 있다. 고전력 레벨에서는 효율성, 열 방출, 패키징을 추가적으로 고려해야 한다. 또한 게이트 구동기 및 전류 감지 문제를 해결해야 한다.

응용 분야의 요구 사항을 충분히 고려하여, 여기에 표시된 산업용 전원 공급 장치의 핵심 구성 요소(예: 이산 소자 장치, 통합 및 모듈식 전력 부품)는 산업용 전원 공급 장치 및 컨버터의 과제를 즉시 충족할 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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