데이터 센터 서버 전원 공급 장치의 전력 손실로 인해 엔터테인먼트, 금융 거래, 홈 보안 시스템에 이르는 모든 작업을 중단시킬 수 있습니다. Open Compute Project(OCP)의 V2 전원 셀프 사양과 같은 사양[1] 강력한 AC 드롭아웃 제어 알고리즘을 통해 서버 다운타임을 줄일 필요성을 강조합니다. 또한, 기존의 연속 전도 모드 제어‌[2-8]에서는 수동 부품을 축소하면서 PFC(역률 보정) 경부하 및 최대 효율을 향상시키기 위한 비용 효율적인 데이터 센터 솔루션의 필요성이 점점 어려워지고 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 TI는 2상 통합 삼각 전류 모드(iTCM) PFC(그림 1) [9]를 사용하는 질화 갈륨(GaN) 기반 고밀도 설계를 개발했습니다. 고주파에서 작동하는 저가형 인덕터를 사용하면 이 설계의 고효율(>99%)과 전력 밀도(120W/in³)가 가능합니다. 이러한 소형 인덕터는 단 몇 마이크로초의 스위치 온 타임으로 70A 이상의 스위치 전류가 발생할 수 있다는 점에서 AC 드롭아웃 복구에 고유한 문제를 야기합니다. 또한 타이밍이 지연되면 상당한 역전류가 발생하여 PFC 복구가 더욱 악화될 수 있습니다. 전류 수준을 안전한 크기로 유지하고 역전류를 방지하려면 AC 드롭아웃 및 복구 문제에 대한 새로운 솔루션을 개발할 필요가 있었습니다. 이 문서에서는 표 1에서 주요 부품 및 시스템 사양을 나열하는 가변 주파수, ZVS, 5kW, GaN 기반, 2상 토템 폴 PFC 레퍼런스 설계[10]를 기반으로 하는 랩 검증 데이터를 통해 이 솔루션에 대해 설명합니다.

이 토폴로지는 단일 DC 차단 커패시터 C _b 로 위상에서 180°로 작동하는 2상을사용하며, 2상 아키텍처에서 제공하는 리플 전류 취소를 활용하고 C _b의 RMS(루트 평균 제곱) 전류 스트레스를 줄입니다. L _b1 및 L_b2는 TCM 작동에 필요한 고주파 AC 리플 전류를 처리할 수 있도록 크기가 조정되어 [5]에 정의된 대로 TCM에 사용되는 인덕터에 필요한 DC 바이어스 부담을 제거합니다. L_b1 및 L_b2용 페라이트 코어를 사용하면 제로 전압 스위칭(ZVS)에 필요한 높은 플럭스 스윙이 있는 상태에서 낮은 손실이 보장됩니다. L_g1 및 L_g2는 L_b1 및 L_b2보다 값이 커서(약 10배 더 큼) 대부분의 고주파 전류가 입력 소스로 유입되는 것을 방지하고 결과적으로 EMI를 개선합니다. 또한 L_g1 및 L_g2에서 리플 전류가 감소하여‌‌‌‌ 저렴한 코어 물질을 사용할 수 있습니다. 그림 1에는 또한 인덕터 및 스위치 노드의 리플 전류 엔벨로프가 나와 있습니다.

첫 번째 과제는 AC 입력 전압이 사라질 때의 역전류 생성입니다. 토템 폴 PFC 토폴로지의 모든 스위치는 양방향이므로 AC를 제거할 때 동기 정류기로 작동하는 FET가 가능한 한 빨리 꺼져야 합니다. 이 차단 기능은 출력 전압을 방전시키고 사용 가능한 홀드업 시간을 감소시키는 음의 전류가 생성되는 것을 방지합니다. 그림 2은 양극 하프 사이클 중에 동기 전도 간격에 대해 이 음극 전류를 생성하는 경로를 보여줍니다. 또한 동기 정류기를 끄는 데 상당한 지연이 있을 경우 과전류 보호(OCP)를 활성화할 수 있는 큰 전류 스파이크가 발생할 수 있습니다. 예를 들어 입력 전압이 존재하지 않을 때 동기 정류기가 계속 켜져 있으면 문제를 해결할 수 있습니다 $V_{dc}=L_{b1}\cdot \frac{d{I}_1}{dt}$ - 70A의 전류를 생성하는 데 걸리는 시간, 즉 2.5µs로 계산합니다. 이 짧은 시간은 시스템이 OCP에 도달하거나 손상을 유발하기 전에 문제를 식별하고 스위칭을 중지하기 위한 AC 드롭아웃 감지에 중요한 문제를 나타냅니다.

두 번째 문제는 AC 복원 후 PFC 작동을 재개하는 것입니다. 이 이벤트의 중심 문제는 PFC의 바이패스 다이오드가 입력 사인파의 피크로 출력 전압을 충전하기 때문에 출력 전압이 이 피크 값 이하로 떨어질 때 고압선에서 가장 쉽게 발생합니다. 이러한 이벤트 동안 컨버터는 전류를 중지하는 메커니즘이 없어 서지 전류가 매우 큽니다. 이러한 이벤트 동안 스위치를 잘못 제어하면 인덕터의 포화, OCP 이벤트 생성 및 출력 전압을 추가로 방전하여 훨씬 더 악화시킬 수 있습니다. 이 시간 동안 정밀한 제어 알고리즘의 필요성은 다시 L_b1 및 L_b2에 사용되는 작은 값의 인덕터와 함께 iTCM 토폴로지의 고주파 작동 지점에 의해 배가됩니다.