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Oct 17, 2023

고효율 AC/DC 전원 공급 장치에서 MCU(및 코딩)의 필요성 제거

존 하퍼 | Onsemi Grid 전력은 여러 가지 이유로 AC이지만 거의 모든 장치가 작동하려면 DC 전원이 필요합니다. 이는 AC-DC 전원 공급 장치가 거의 모든 곳에서 사용된다는 것을 의미합니다.

존 하퍼 | 온혈증

그리드 전력은 여러 가지 이유로 AC이지만 거의 모든 장치가 작동하려면 DC 전력이 필요합니다. 이는 AC-DC 전원 공급 장치가 거의 모든 곳에서 사용된다는 것을 의미하며, 환경에 대한 인식이 높아지고 에너지 비용이 상승하는 시대에 운영 비용을 제어하고 에너지를 현명하게 사용하려면 효율성이 매우 중요합니다.

간단히 말해서 효율은 입력 전력과 출력 전력의 비율입니다. 그러나 입력 역률(PF)을 고려해야 합니다. 이는 전원 공급 장치를 포함한 모든 AC 전원 장치의 유효(실제) 전력과 총(피상) 전력 간의 비율입니다.

순수 저항성 부하의 경우 PF는 1.00('단위')이지만 반응성 부하의 경우 피상 전력이 증가함에 따라 PF가 감소하여 효율성이 감소합니다. 1 미만의 PF는 SMPS(스위치 모드 전원 공급 장치)와 같은 불연속 전자 부하에서 일반적으로 나타나는 역위상 전압 및 전류, 상당한 고조파 함량 또는 왜곡된 전류 파형으로 인해 발생합니다.

낮은 PF가 효율성에 미치는 영향을 고려할 때, 전력 레벨이 70W를 초과할 때 법률에 따라 설계자는 PF를 1에 가까운 값으로 수정하는 회로를 통합해야 합니다. 능동형 PF 보정(PFC)은 정류된 주전원을 높은 DC 레벨로 변환하는 부스트 컨버터를 사용하는 경우가 많습니다. 그런 다음 이 레일은 펄스 폭 변조(PWM) 또는 기타 기술을 사용하여 조정됩니다.

이 접근 방식은 일반적으로 작동하며 배포가 간단합니다. 그러나 까다로운 '80+ 티타늄 표준'과 같은 최신 효율성 요구 사항은 넓은 작동 전력 범위에 걸쳐 효율성을 규정하며 절반 부하에서 96%의 피크 효율성을 요구합니다. 이는 다음 PWM DC-DC가 추가로 2%를 손실하므로 라인 정류 및 PFC 단계가 98%를 달성해야 함을 의미합니다. 브리지 정류기의 다이오드 내 손실로 인해 이를 달성하는 것은 매우 어렵습니다.

부스트 다이오드를 동기식 정류기로 교체하면 도움이 되며 2라인 정류기 다이오드도 비슷하게 교체하여 효율성을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 이 토폴로지를 TPPFC(토템폴 PFC)라고 하며 이론적으로 이상적인 인덕터와 완벽한 스위치를 사용하면 효율성이 100%에 가까워집니다. 실리콘 MOSFET은 우수한 성능을 제공하지만 WBG(와이드 밴드갭) 장치는 '이상적인' 성능에 훨씬 더 가깝습니다.

설계자가 자기 부품의 크기를 줄이기 위해 주파수를 높이면 스위칭 장치의 동적 손실도 증가합니다. 실리콘 MOSFET의 경우 이러한 손실이 상당할 수 있으므로 설계자는 특히 TPPFC 응용 분야의 경우 탄화 규소(SiC) 및 질화 갈륨(GaN)을 포함한 WBG 재료로 눈을 돌리고 있습니다.

CrM(임계 전도 모드)은 일반적으로 효율성과 EMI 성능의 균형을 유지하면서 최대 수백 와트의 전력 수준에서 TPPFC 설계에 선호되는 접근 방식입니다. 킬로와트 설계에서 CCM(연속 전도 모드)은 스위치 내의 RMS 전류를 더욱 줄여 전도 손실을 줄입니다.

심지어 CrM도 '티타늄 80 플러스' 달성에 걸림돌이 되는 경부하에서 효율성이 10%에 가까워지는 것을 볼 수 있습니다. 최대 주파수를 클램핑('폴드백')하면 경부하에서 회로가 DCM으로 강제 전환되어 피크 전류가 크게 감소됩니다.

4개의 활성 장치를 동시에 구동하고 CrM을 강제하기 위해 인덕터의 제로 전류 교차를 감지해야 하는 경우 TPPFC 설계는 결코 쉽지 않습니다. 또한 회로는 높은 역률을 유지하고 출력을 조절하기 위한 PWM 신호를 생성하는 동시에 회로 보호(예: 과전류 및 과전압) 기능을 제공하면서 DCM을 켜거나 꺼야 합니다.

이러한 복잡성을 해결하는 확실한 방법은 제어 알고리즘을 위해 마이크로컨트롤러(MCU)를 배포하는 것입니다. 그러나 이를 위해서는 코드 생성 및 디버깅이 필요하므로 설계에 상당한 노력과 위험이 추가됩니다.

그러나 완전히 통합된 TPPFC 제어 솔루션을 사용하면 시간이 많이 걸리는 코딩을 피할 수 있습니다. 이 장치는 MCU 및 관련 코드를 구현할 필요가 없기 때문에 고성능, 더 빠른 설계 시간, 설계 위험 감소 등 여러 가지 이점을 제공합니다.