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브리지리스 토템폴 역률 보정을 사용하는 경우 및 방법

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글/Jeff Shepard, Digi-Key 북미 편집자

고역률(PF) 및 고효율은 서버, 네트워킹, 5G 통신, 산업 시스템, 전기 자동차 및 기타 다양한 응용 분야에서 사용되는 AC-DC 전원 공급 장치에 대한 핵심 요구 조건이다. 하지만 전원 공급 장치 설계자가 해결해야 할 어려운 과제는 IEC 61000-3-2와 같은 기준의 PF 및 전자파 적합성(EMC) 요구 사항과 EnergyStar의 최신 80 PLUS Titanium 효율성 표준을 동시에 충족하는 것이다. 후자는 10% 부하에서 최소 90%의 효율성을 요구하고, 최대 부하에서는 94%의 효율성을 요구한다. 기존의 부스트 PF 보정(PFC) 토폴로지는 높은 PF와 우수한 EMC를 제공할 수 있지만, 상대적으로 비효율적인 다이오드 브릿지를 포함하고 있어 기대되는 효율성 기준을 충족하기가 어렵다.

다이오드 브릿지를 브리지리스 토템폴 PFC 토폴로지로 교체하면 높은 PF와 고효율성을 모두 제공한다. 그러나 이 방법은 토폴로지가 두 개의 제어 루프(정류용 라인 주파수에서 작동하는 저속 루프와 부스트 구간의 고주파수 루프)를 포함하기 때문에 더 복잡하다. 처음부터 두 개의 제어 루프를 설계하는 것은 시간이 오래 걸리는 공정으로, 시장 출시 시간이 지연될 수 있으며 필요 이상으로 비용이 많이 들고 규모가 큰 솔루션이 될 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 설계자는 브리지리스 토템폴 PFC 설계에 사용하도록 최적화된 PFC 컨트롤러 IC를 대안으로 선택할 수 있다. 이러한 컨트롤러는 내부 보정형 디지털 루프를 가지며, 홀 효과 센서 없이도 사이클별로 전류 한계를 구현할 수 있으며, 실리콘 카바이드(SiC) 또는 질화 갈륨(GaN)과 같은 실리콘 MOSFET 또는 와이드 밴드갭(WBG) 스위칭 장치와 함께 사용될 수 있다. 위의 결과물인 PFC는 90V ~ 265V 범위의 AC 입력에서 최대 99%의 효율로 작동할 수 있다.

이 기사에서는 AC-DC 전원 공급 장치가 충족해야 하는 업계 표준을 간략히 검토하고, 다양한 PFC 토폴로지의 성능을 비교하며, 브리지리스 토템폴 PFC를 선택해야 하는 경우를 알아본다. 그런 다음, 브리지리스 토템폴 PFC에 사용하도록 최적화된 onsemi 컨트롤러 IC와 함께 지원 부품, 평가 기판, 개발 공정의 속도를 높여줄 설계 제안을 소개한다.

효율성 달성이 어려울 수 있음

전원 공급 장치 효율성은 AC 및 DC 부품을 모두 고려하기 때문에 생각보다 복잡하다. 효율성을 단순하게 설명하자면, 입력 전력 대비 출력 전력의 비율을 말한다. 하지만 일반적인 AC-DC 전원 공급 장치의 입력 전력은 순수한 사인 곡선 형태가 아니므로, 그 결과 AC 주전원에서 끌어오는 동위상 전력 및 역위상 전력 간의 차이가 발생한다. 그 차이를 PF라고 한다. AC-DC 전원 공급 장치의 효율성에 대한 완벽한 설명을 위해서는 DC 효율성과 PF가 모두 포함되어야 한다. 이를 더욱 어려운 문제로 만드는 요인은 효율성 곡선이 평평하지 않다는 점이다. 효율성과 PF는 입력 전압과 출력 부하와 같은 매개변수에 따라 달라질 수 있다.

이러한 변수를 설명하기 위해 EnergyStar와 같은 효율성 표준은 PF에 대한 요구 사항과 함께 다양한 부하 수준 및 다양한 입력 전압에서의 효율성을 정의한다(표 1). ‘80 PLUS Titanium’이라고 불리는 가장 높은 수준은 115VAC 입력 시 정격 부하 10%와 100% 모두에서 90%의 최저 효율성을 의미하고, 정격 부하 50%에서 94%의 효율성, 그리고 정격 부하 20%에서 95% 이상의 PF를 의미한다. 230VAC 입력에는 더 높은 효율성이 필요하다. 또한 전원 공급 장치는 전력선 고조파를 제한하는 IEC 61000-3-2를 충족해야 한다.

PFC에는 두 가지 일반적인 접근 방식이 있다. 이는 다이오드 정류에 기반한 부스트 컨버터와 능동 정류를 기반으로 하는 보다 복잡하고 효율적인 토템폴 토폴로지(그림 1)이다. 부스트 컨버터 PFC는 기본적인 PF 및 효율성 요구 사항을 충족할 수 있지만 80 PLUS Titanium과 같은 엄격한 요구 사항에는 적합하지 않다. 예를 들어 부스트 PFC에서는 DC-DC 단계에서 2%의 손실이 있을 수 있고, 라인 정류 및 PFC 단계에서 1%의 손실이 있을 수 있다(이는 낮은 라인 작동에서 거의 2%까지 증가할 수 있음). 낮은 라인에서 거의 4%의 손실이 발생하기 때문에, 230VAC 입력 시 50% 부하 상태에서 효율성 96%를 명시한 80 PLUS Titanium 요구 사항을 충족하는 것은 어려운 일이다. 최고 수준의 효율성을 요구하는 응용 분야에서는 다이오드 정류기를 동기식 정류기로 교체함으로써 PFC 단계의 손실을 줄일 수 있다.

위에서 살펴본 토템폴 PFC에서, Q3와 Q4는 라인 주파수에서 동기 정류을 구현하는 느린 구간인 반면, Q1과 Q2는 정류된 전압을 380VDC와 같이 더 높은 전압으로 승압시키는 빠른 구간을 형성한다. Q1 및 Q2에 대해 저항이 낮은(RON) MOSFET을 사용하여 토템폴을 구현하는 것이 가능하지만, MOSFET의 역 회복 특성으로 인한 고주파 스위칭 손실은 효율성을 감소시킨다. 결과적으로 대다수의 토템폴 PFC 설계에서, Q1 및 Q2 실리콘 MOSFET은 역 회복 손실이 거의 또는 전혀 없는 SiC 또는 GaN 전력 스위치로 대체된다.

최적화된 제어

PFC를 설계할 때 해야 하는 또 하나의 결정은 어떤 제어 기술을 선택할지이다. PFC는 연속 전도 모드(CCM), 불연속(DCM) 또는 임계 전도(CrM) 모드에서 작동할 수 있다. 이러한 모드는 부스트 인덕터의 작동 특성에 따라 다르다(그림 1의 L1). CCM은 인덕터를 최대한 활용하고 전도 및 코어 손실을 낮게 유지하지만, CCM은 하드 스위칭이고 동적 손실이 더 높다. DCM은 저전력 동작에서는 효율적일 수 있지만, 상대적으로 높은 피크 및 rms 전류로 인한 비효율을 겪기 때문에, 결과적으로 인덕터에서 더 높은 전도 및 코어 손실이 일어난다.

CrM은 설계 시 최대 수백 와트까지 효율성을 더 높일 수 있다. CrM을 사용하면 선간 전압과 부하 전류의 변동이 모니터링되고, CCM과 DCM 사이에서 작동하도록 스위칭 주파수가 조정된다. CrM은 턴온 손실이 적고 피크 전류를 평균 전류의 2배로 제한하여 전도 및 코어 손실을 합리적인 수준으로 유지한다(그림 2).

그러나 CrM 사용 시 다음과 같은 몇 가지 어려움이 있다.

• 이는 하드 스위칭 토폴로지이며, 부스트 장치의 순방향 복구는 소량의 손실을 유발하고 출력 전압 오버슈트가 생길 수 있다.

• 가벼운 부하에서는, 매우 높은 주파수로 작동하여 스위칭 손실이 증가하고 효율성이 감소한다.

• 활성화된 4개의 장치를 제어해야 하고, PFC 인덕터에서 전류 제로 상태를 감지하며, 출력 전압을 조절해야 한다.

CrM은 복잡한 제어 알고리즘을 수행하기 위해 마이크로 컨트롤러(MCU)와 함께 회로 내장 센서를 사용하여 구현될 수 있다. 위에서 기술된 성능 문제를 처리하기 위해 알고리즘을 코딩하는 것은 위험하고 시간이 많이 소요되며, 제품 출시 시간을 잠재적으로 지연시킬 수 있다.

코드 없는 토템폴

이러한 문제를 해결하기 위해, 설계자는 통합형의 코드 없는 CrM 토템폴 PFC 솔루션을 제공하는 onsemi의 NCP1680ABD1R2G 혼합 신호 컨트롤러를 선택할 수 있다. SOIC-16 패키지 컨트롤러는 자동차 응용 제품에 대해 AEC-Q100 인증을 받았으며 저손실, 저비용, 저항성 전류 감지 기능을 제공한다. 또한 홀 효과 센서 없이 사이클별 전류 제한 보호를 구현한다(그림 3). 내부적으로 보정된 디지털 전압 제어 루프는 PFC 설계를 단순화하여 전체 부하 범위에서 성능을 최적화한다.

[그림 3] NCP1680 CrM 컨트롤러는 저비용 및 효율적인 저항 전류 감지(회로도의 오른쪽 하단 모서리에 있는 ZCD)를 사용한다. (이미지 출처: onsemi)

고속 게이트 구동기

NCP1680 컨트롤러는 Onsemi의 4 x 4mm 15핀 QFN 패키지 NCP51820 고속 게이트 구동기와 페어링할 수 있다. 이는 하프 브리지 토폴로지에서 게이트 주입 트랜지스터(GIT) GaN 고전자 이동성 트랜지스터(HEMT) 및 인핸스먼트 모드(e-모드) GaN 전력 스위치와 함께 사용하도록 설계되었다(그림 4).

예를 들어, NCP51820AMNTWG는 -3.5V ~ +650V(통상)의 하이사이드 구동을 위한 공통 모드 전압 범위뿐만 아니라 짧고 매칭된 전달 지연이 특징이다. 구동기 단계에는 전압 스트레스로부터 GaN 장치의 게이트를 보호하기 위한 전용 전압 조절기가 있다. NCP51820 게이트 구동기에는 독립적 저전압 차단(UVLO) 기능 및 과열 시 전원 차단 보호 기능이 포함되어 있다.

제품 출시 시간을 단축하기 위해 설계자는 NCP51820-GAN1GEVB 평가 기판(EVB)을 사용할 수 있다. 설계자는 이 EVB를 통해 NCP-51820 구동기의 성능을 탐색하여 토템폴 구성에서 2개의 GaN 전력 스위치를 효율적으로 구동할 수 있다. NCP51820-GAN1GEVB는 4계층, 1310mil x 1180 mil 크기의 인쇄 회로(PC) 기판을 사용하여 설계되었다. 여기에는 하프 브리지 구성의 NCP51820 GaN 구동기와 2개의 e-모드 GaN 전력 스위치가 포함된다(그림 5).

[그림 5] NCP51820GAN1GEVB EVB에는 하프 브리지 구성에 NCP51820 구동기와 2개의 E-모드 GaN 스위치가 포함되어 있다. (이미지 출처: onsemi)

설계 제안

이러한 IC를 사용할 때 최고의 성능을 실현하기 위해 설계자가 따를 수 있는 몇 가지 간단한 설계 예시가 있다. 예를 들어 신호 경로에 잡음이 유입되거나 우발적으로 NCP51820 게이트 구동기를 작동시키는 것을 방지하기 위해, onsemi는 NCP1680의 제어 신호(PWMH 및 PWML)를 게이트 구동기 IC의 입력 단계에서 직접 필터링할 것을 권장한다. 구동기의 핀에 직접 배치된 1kΩ 저항기와 47pF 또는 100pF 커패시터를 통해 적절한 필터링을 제공할 수 있다(그림 6).

NCP1680는 스킵/대기 모드에서 부하가 없거나 부하가 낮을 때 매우 높은 성능을 발휘할 수 있다. 그러나 이는 PFCOK 핀 펄스를 통하거나, SKIP 핀을 접지하고 NCP13992 공진 모드 컨트롤러와 인터페이스를 하는 방식으로 외부에서부터 트리거되어야만 한다. 인터페이스 회로의 부품값은 NCP1680 EVB에 있는 값과 유사해야 한다. 정상 작동 시 NCP13992 공진 모드 컨트롤러의 PFCMODE 핀은 컨트롤러의 VCC 바이어스 전압과 동일하다. 컨버터가 스킵 모드에 들어가면, 펄스화하여 접지된다. 스킵 모드로 들어가려면 PFCOK 핀이 50μs 이상 동안 400mV 미만이어야 한다.

[그림 7] NCP1680에서 스킵/대기 모드를 호출하는 데 필요한 외부 트리거 회로의 예. (이미지 출처: onsemi)

결론

일반적인 부스트 컨버터 PFC 토폴로지를 사용하여 80 PLUS Titanium과 같은 최신 EnergyStar 표준의 효율성, EMC 및 PF 요구 사항을 모두 충족하는 것은 어렵다. 설계자는 그 대안으로 토템폴 PFC 토폴로지를 선택할 수 있다. 위에서 살펴보았듯이 NCP1680 혼합 신호 컨트롤러와 더불어, 예를 들면 NCP51820 게이트 구동기, 평가 기판 및 모범 설계 사례와 같은 onsemi의 지원을 통해 설계자가 CrM 토템폴 PFC 솔루션을 신속하게 구현하는 동시에 요구되는 표준을 충족시킬 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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