높은 전력 밀도에 대한 트렌드는 수십 년 동안 업계에 존재했고 앞으로도 계속될 것입니다. 그림 1에서 6A~10A 전원 모듈의 컨버터 크기가 시간에 따라 작아지고 있음을 볼 수 있습니다. 기술의 발전에 따라 크기가 작아지거나 전력 출력 용량이 크게 늘어날 수 있습니다. 각각의 선은 새로운 세대의 기술을 보여주며 그에 따라 전력 밀도가 어떻게 커졌는지 보여줍니다.

그림 1 시간의 흐름과 새로운 기술 세대의 등장에 따른 전원 모듈 크기의 감소.

전력 밀도가 향상되면 효율성이나 비용과 같은 다른 영역의 발전도 뒤따를 수 있습니다. 일반적으로 전력 변환 효율성이 근본적으로 개선되면 솔루션 크기가 감소할 수 있습니다. 이러한 감소는 물리적 자재 감소, 부품 수 감소, 비용 구조 개선, 솔루션 통합 증가, 총 소유 비용 감소와 같은 파급 효과를 낳습니다.

전력 밀도는 지정된 공간에서 처리할 수 있는 전력을 측정한 것으로, 부피 단위에 따라 처리되는 전력량을 입방미터당 와트(W/m³) 또는 입방인치당 와트(W/in³) 단위로 수량화한 것입니다. 이 값은 그림 2에 나와 있듯이 컨버터의 전력 등급과 모든 부품이 포함된 전원 솔루션의 외형 체적(길이 × 너비 × 높이)을 기준으로 계산됩니다. 적절한 전력 레벨 또는 크기로 장치를 확장할 수 있습니다. 예를 들어 전기 자동차에 있는 온보드 배터리 충전기의 FOM(Figure Of Merit)은 리터당 킬로와트인데 이 전력 컨버터가 킬로와트 수준의 전력(3~22kW)을 출력하기 때문입니다.

그림 2 65W 능동 클램프 플라이백 컨버터(65mm x 28mm x 25mm).

전류 밀도는 전력 밀도와 관련이 있는 매우 유용한 측정값으로, 부피 단위당 전류를 평방인치당 암페어 또는 평방밀리미터당 암페어로 수량화할 수 있습니다. 전류 밀도 계산에는 컨버터의 전류 등급(주로 입력 전류 또는 출력 전류)이 사용됩니다.

전류 밀도는 POL(Point-of-Load) 전압 레귤레이터 등에 적용하기에 더욱 적합한 FoM입니다. 이러한 설계의 크기는 출력 전류에 따라 커지며 출력 전압 레벨은 보통 1V 내외로 낮습니다. 하지만 비현실적으로 높은 출력 전압을 가정하여 전력 밀도를 인공적으로 높일 수 있습니다. 따라서 출력 전압을 고려하지 않는 전류 밀도가 더욱 효과적인 측정값입니다.

때로는 체적 밀도가 중요하지 않은 경우가 있습니다. 설계 시 다른 부분의 크기가 더 커서 전력 부품의 크기에 제한이 없을 수 있습니다. 대신 회로 보드 공간이 제약을 주는 요소가 될 수 있습니다. 이러한 상황에서 전력 밀도를 개선시키면 구성 요소의 중첩 또는 3D 통합을 통한 전력 솔루션 풋프린트 절감으로 이어질 수 있습니다. 이후에는 사용된 측정값을 수정하여 솔루션과 입방밀리미터당 와트 또는 입방인치당 암페어를 비교하며, 이를 통해 주요 설계 목표가 중점적으로 드러납니다(그림 3 참조).

그림 3 10A POL(Point-of-Load) 컨버터(13.1mm x 10mm)의 경우 전류 밀도는 76mA/mm²입니다.

상황에 따라 다른 방법으로 전력 밀도를 볼 수는 있지만 목표는 동일합니다. 솔루션 크기의 감소는 전력 밀도의 향상으로 이어집니다. 문제는 어떻게 전력 밀도를 높일까 하는 것입니다.

엔지니어와 연구원들은 오랜 시간 동안 전력 밀도를 높이는 방법을 찾는 데 집중했습니다. 이는 쉬운 일이 아닙니다. 대부분은 에너지 변환에 사용되는 수동 부품의 크기를 줄이는 데 중점을 두었습니다. 그림 4에 나와 있듯이 인덕터, 커패시터, 변압기, 히트 싱크가 전력 솔루션의 크기에서 가장 큰 부분을 차지합니다. 반도체 스위치 및 제어 회로는 상당한 크기 감소와 통합이 이루어진 상태입니다.

그림 4 인덕터 및 커패시터와 같은 수동 부품이 많은 공간을 차지할 수 있습니다.

수동 부품의 크기를 어떻게 줄일까요? 간단한 방법은 스위칭 주파수를 높이는 것입니다. 스위칭 컨버터의 수동 부품은 스위칭 사이클마다 에너지를 보관 및 방출합니다. 스위칭 주파수가 높아지면 각 사이클을 위해 저장해야 하는 에너지가 감소합니다. 예를 들어 벅 컨버터의 인덕터에 대한 설계 방정식인 방정식 1을(를) 생각해 보세요.

여기서

• L은 인덕턴스입니다.
• D는 충격 계수입니다.
• ΔI_L은 인덕터 전류 리플입니다.
• F_sw는 스위칭 주파수입니다.
• V_L은 인덕터 전체의 전압입니다.

필요한 인덕턴스(L)는 스위칭 주파수(F_sw)와 반비례합니다. 스위칭 주파수가 증가하면 인덕턴스가 감소합니다. 인덕턴스가 감소하면 인덕터가 작아지고 공간이 절감됩니다. 그림 5는 400kHz와 2MHz에서 스위칭하는 3A, 36V 컨버터에 필요한 인덕터 크기의 차이를 보여줍니다.

그림 5 400kHz(왼쪽)와 2MHz오른쪽)에서 스위칭하는 3A, 36V 컨버터의 크기 비교.

스위칭 주파수가 높아지면 크기 절감으로 이어지는 또 다른 이점이 있습니다. 스위칭 주파수를 높이면 제어 루프 대역폭이 증가하고, 이를 통해 적은 출력 커패시턴스로도 높은 성능 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 인덕턴스와 커패시턴스가 작은 차동 모드 EMI(전자기 간섭) 필터를 설계하고 자기 코어 물질의 포화 없이 더욱 작은 변압기를 사용할 수 있습니다.

그렇다면 모두가 스위칭 주파수를 높이지 않는 이유는 무엇일까요? 실제로 그렇게 하기가 어렵기 때문입니다. 전력 컨버터에 사용하는 모든 수동 부품을 매우 작은 크기로 축소한다 해도 여전히 전력 솔루션 크기를 줄일 수 있는 방법이 있습니다. 전력 스위치, 게이트 드라이버, 모드 설정 저항, 피드백 네트워크 구성 요소, EMI 필터, 전류 감지 구성 요소, 인터페이싱 회로, 히트 싱크 및 여러 구성 요소가 소중한 물리적 공간을 차지합니다. 전반적인 전력 설계의 모든 요소에서 혁신을 통해 전력 밀도를 개선할 수 있습니다. 설계자의 전력 밀도 개선 가능성을 제한하는 주요 요인을 검토해 보겠습니다.