KOKP007 April   2024

 

  1.   1
  2.   요약
  3. 1 머리말
  4. 2 PSFB 작동 원리
  5. 3 PSFB 출력 정류기
  6. 4 PSFB를 위한 클램핑 옵션
  7. 5 PSFB 제어
  8. 6 동기 정류기 작동 모드
  9. 7 경부하 관리 옵션
  10. 8 PSFB 설계 예
  11. 9 결론
  12. 10추가 리소스

1 머리말

오늘날의 전력 변환 시스템은 높은 효율성, 높은 전력 밀도 및 가벼운 무게를 필요로 합니다. 80 Plus 인증 프로그램은 통신, 서버 및 PC 분야에서 15년 이상 효율적인 전원 공급 장치 표준을 정의해 왔습니다. 최근 OCP(Open Compute Project)는 표 1에 나와 있는 것처럼 80 Plus보다 훨씬 높은 효율 요구 사항이 요구되는 서버 PSU(전원 공급 장치)에 대한 M-CRPS 사양을 발표했습니다.

표 1 80 Plus 티타늄 230V 내부 예비 PSU 및 M-CRPS의 효율성 요구 사항.
효율성: 10% 부하 20% 부하 50% 부하 100% 부하 참고
80 Plus 티타늄 90% 94% 96% 91% 230VAC 입력에서
M-CRPS(<2,500 W) 90% 94% 96% 92% 240VAC 입력에서
M-CRPS(≥2,500 W) 90% 94% 96% 94% 240VAC 입력에서

PSU가 더 높은 효율성을 유지해야 하는 이유 중 일부는 에너지 효율적인 데이터 센터가 필요하기 때문입니다. 10년 미만의 데이터 센터에서 PUE(Power Usage Effectency)는 약 3이며, PUE는 방정식 1에서 다음과 같이 정의됩니다.

방정식 1. P U E = T o t a l _ D a t a c e n t e r _ P o w e r A c t u a l _ I T _ P o w e r

PUE가 낮을수록 데이터 센터의 효율성이 향상됩니다.

그림 1 및 그림 2에서는 PUE가 3과 1.25인 두 데이터 센터의 전력 소비량을 각각 세분화합니다. PUE가 3인 데이터 센터의 경우 전체 데이터 센터 전력의 상당 부분이 냉각 시스템에 전력을 공급하므로 서버 PSU 효율을 높이면 필요한 냉각 전력 감소, PUE 감소 및 효율성 향상에 큰 도움이 됩니다.

GUID-20240203-SS0I-FLSG-8TPN-TCHC4MGTPRDV-low.svg그림 1 데이터 센터(PUE = 3) 전력 소비 분석
GUID-20240203-SS0I-4ZWS-9SB5-LSTVPCZLZMSM-low.svg그림 2 데이터 센터(PUE = 1.25) 전력 소비 분석

효율성이 더 높은 것은 필수 요건일 뿐만 아니라, 서버 PSU는 무어의 법칙에 따라 인공 지능(AI)과 에지 컴퓨팅이 등장함에 따라 더 작은 공간에서 더 많은 전력을 공급해야 합니다. CPU 및 GPU(그래픽 처리 장치)를 포함한 서버 부하에는 프로세스 단위당 트랜지스터가 기하급수적으로 증가하고 있기 때문에 더 많은 전력이 필요합니다. 서버 랙 크기는 동일하게 유지되지만 서버 PSU는 서버 부하 전원 수요를 충족시키기 위해 더 높은 전력 밀도를 가져야 합니다.

자동차 및 우주 항공 응용 분야에서는 높은 전력 밀도도 필요합니다. 무게가 가벼우면 운송 사업자들이 에너지 효율을 더 개선할 수 있기 때문입니다.

PSU 내부에서 무게를 줄이는 한 가지 방법은 컨버터 스위칭 주파수를 증가시켜 자기 볼트 초를 줄이고, 그에 따라 크기를 줄이는 것입니다. 그림 3은 변압기 볼륨과 스위칭 주파수를 플롯합니다. DC/DC 컨버터 스위칭 주파수가 500kHz인 온보드 충전기에는 100kHz 변압기 볼륨의 절반도 미만의 변압기가 있습니다.

GUID-20240203-SS0I-SJQN-RHHH-RLBVCLFVFBWQ-low.jpg그림 3 변압기 용량 대 스위칭 주파수.

목표는 효율성을 저하시키지 않으면서 전력 밀도를 높이는 것이기 때문에 스위칭 손실을 줄이기 위해 PSU에 소프트 스위칭을 도입하는 것이 필수적입니다. 그림 4에서 보듯이 하드 스위치 모드 전원 공급 장치에서 처음으로 개발되었으며, MOSFET 턴온 과도 상태에서 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터) 전류와 전압이 중첩됩니다. 스위칭 주파수가 높을수록 하드 스위칭 과도 현상이 더 빈번함을 의미하므로 스위칭 손실이 커집니다. 겹치는 영역을 줄이기 위해 시동 속도를 높여 스위칭 손실을 줄일 수 있지만, 전압 변경 회전율이 높을수록 잡음과 전자기 간섭 수준이 높아집니다. 반면, 게이트 전압이 높아지기 전에 음극 드레인-소스 전류가 MOSFET 출력 커패시터(COSS) 전압을 방전하도록 하면 그림 5에 나와 있는 것처럼 소프트 스위치 턴온을 달성할 수있습니다. MOSFET 턴온 과도 상태에서 전류와 전압이 겹치지 않아 시동 스위칭 손실이 없기 때문에 PSU가 높은 스위칭 주파수에서 작동하고 동시에 고효율을 유지할 수 있습니다.

GUID-20240208-SS0I-KQXB-H05F-0NBV37LRGW0J-low.jpg그림 4 MOSFET 하드 스위칭 턴온 과도 상태.
GUID-20240203-SS0I-2Q7Q-XBNM-QVDBNDL6ZZRX-low.jpg그림 5 MOSFET 소프트 스위칭 턴온 과도 상태.

제어 방법이 다른 동일한 토폴로지에 사용하면 MOSFET 스위칭 과도 상태에서 여러 동작을 초래할 수 있습니다. 그림 6‌에서 풀 브리지 컨버터를 예로 들어보겠습니다. 펄스 폭 변조(PWM) 제어 기능으로 풀 브리지 컨버터를 작동하려 할 경우 컨버터는 MOSFET 턴온 과도 상태에서 하드 스위칭 동작을 나타내며, MOSFET 드레인-소스 전류는 턴온 과도 상태에서 양에서 시작됩니다.

그림 7에서는 녹색 파선 원으로 강조 표시된 것처럼 스위칭 과도 상태에서 0이 아닌 전압과 전류가 겹치는 가장 중요한 하드 스위치 풀 브리지 컨버터의 MOSFET 전압과 전류 파형을 보여줍니다. 두 입력 다리 사이의 위상 전환 제어를 통해 풀 브리지 컨버터를 작동할 경우, MOSFET 턴온 과도 상태에서 음극 드레인-소스 전류는 그림 8에 나와 있는 것처럼 소프트 스위칭에 대해 0이 아닌 전압 전류가 중첩되는 것을 방지할 수 있습니다.

GUID-20240201-SS0I-TCGX-H4ZS-JQ34V2C6M6ZQ-low.jpg그림 6 풀 브리지 컨버터.
GUID-20240203-SS0I-ZQBV-2K88-BDHM5HKFNZXZ-low.jpg그림 7 하드 스위치 풀 브리지 MOSFET 전류 및 전압.
GUID-20240203-SS0I-W2GR-WVRT-9W3T4MSVCRBG-low.jpg그림 8 PSFB MOSFET 전류 및 전압.

PFSB 컨버터, LLC(인덕터-인덕터-커패시터) 시리즈 공진 컨버터(SRC) 및 듀얼 액티브 브리지(DAB) 컨버터는 모두 소프트 스위칭을 달성할 수 있지만 특성은 다릅니다. LLC-SRC는 전압 조정을 위해 주파수 변조를 사용하며, PSFB 및 DAB는 모두 전압 조정을 위해 고정 스위칭 주파수를 가진 위상 변이 제어를 사용합니다. LLC-SRC는 이러한 세 가지 중 출력 정류기에서 소프트 스위칭을 달성할 수 있는 유일한 컨버터로, 대부분의 경우 PSFB 또는 DAB보다 높은 피크 효율을 가집니다.

하지만 LLC-SRC는 넓은 입력 또는 출력 범위를 가진 애플리케이션에 좋은 옵션이 아닙니다. LLC-SRC에서 넓은 입력 또는 출력 범위를 다루려면 공진 인덕턴스에 변압기 자화 인덕턴스의 비율을 낮춰야 합니다. 그러면 효율성이 향상됩니다. PSFB 및 DAB는 LLC-SRC라는 큰 효율성 감소 없이 넓은 유효 듀티 사이클(Deff) 범위로 넓은 입력 또는 출력 범위를 처리할 수 있습니다. 또한 PSFB에 대한 피크 전류 모드 제어는 부하 과도현상에 대한 빠른 응답을 위해 LLC-SRC의 전류 모드 제어보다 더 성숙합니다. 빠른 과도 응답 요구 사항이 있는 애플리케이션에서 PSFB가 선호되는 선택이기도 합니다. PSFB 애플리케이션에는 빠른 부하 과도를 지원하는 AI 및 에지 컴퓨팅을 위한 서버 PSU와 넓은 입력 및 출력 범위를 지원하는 전기 자동차 400V, 800V~12V 배터리 전원 변환 시스템을 비롯한 배터리 충전기 애플리케이션이 포함됩니다.

이 항목에서는 작동 원리, 정류기 옵션, 클램핑 옵션 및 다양한 유형의 제어를 비롯한 PSFB의 기본 사항을 설계 예제와 함께 설명합니다.