능동모드 효율규제를 위해
효율을 향상시킨 하이브리드 제어기법
이 글은 전통적인 PWM 동작과 의사 공진형 동작을 결합시킨 하이브리드 제어 기법을 제안하고 있다.
제안된 기법은 도통 손실을 증가시키지 않고 중부하 및 경부하 조건에서 스위칭 손실을 감소시키고 효율을 증대시킨다.
이 제안된 제어방법은 90~265Vac/5V, 30W 오프-라인 플라이백 컨버터를 통해 검증되었다.
글│박영배, 최항석, 페어차일드 반도체
대부분의 가전 기기 및 사무 장비들은 콘센트에 직접 플러그를 꽂아 고전압 AC(Alternating Current)로부터 전원을 공급받지만 내부회로를 위해서는 저전압 DC(Direct Current)가 필요하다. 따라서, AC 전압을 낮은 DC 전압으로 변경시킬 전원 공급장치가 필요하다.
미국의 Ecos 컨설팅이 수행한 연구에 따르면, 대략 30억 대의 AC/DC 전원 공급장치들이 현재 미국에서 사용되며 약 100억 대가 전세계에서 사용되고 있다고 한다[1,2]. 이와 같이 많은 전원 공급장치들이 사용되고 있기 때문에, 전원 공급장치의 효율이 환경에 미치는 영향이 국제 사회에서 많은 주목을 받고 있으며 그 영향을 최소화시키려는 노력이 진행 중이다.
첫 번째 단계로, 전원 공급장치가 대기 모드에 있을 때 소비전력을 감소시키는 수많은 노력들이 수행되고 있다[3-6]. 그러나, 대기 전력 소모를 감소시키기 위해 사용되고 있는 많은 기술적 방식들은 능동모드에서의 효율 향상과는 크게 관계없는 경우가 많다. Ecos 컨설팅의 연구에 따르면 전기, 전자제품들이 능동모드일 때 소비하는 에너지가 그 제품에서 소비하는 전체 에너지의 73% 정도가 된다고 한다. 이것은 능동모드에서 전력 절감을 위한 더욱 다양한 기회가 존재한다는 것을 의미한다[1,2].
따라서, 전세계의 정부 및 표준화 기관들은 자연자원을 보호하기 위해 효율이 높은 전원 공급장치 채택을 장려하는 대책들을 마련하고 있다. CEC(California Energy Comm-ission)는 외장형 전원 공급장치를 위한 강제적인 효율 표준을 제안했으며, 자발적인 규제 프로그램을 실행하고 있는 전세계 다른 지역들은 전원 공급장치의 고효율성을 장려하는 강제적인 표준들을 고려하고 있다[7].
새로운 CEC 표준에서 주목해야 되는 한 가지는 새로운 표준이 정격 부하에서 뿐만 아니라 중부하, 경부하에서의 효율도 고려한다는 것이다. 표 1과 그림 1에서 언급되고 있는 효율은 정격 출력의 25%, 50%, 75%, 100%일 때 효율의 산술적인 평균을 의미한다.
일반적으로 효율은 출력 부하가 감소하면 하락한다. 그 이유는 경부하에서는 스위칭 손실이 지배적이기 때문이며, 이것은 능동모드 효율규제를 만족시키기가 어려운 요인이 되곤 한다. 스위칭 손실을 감소시키는 가장 간단한 방법은 의사 공진형(Quasi-Resonant) 동작을 이용하는 것으로, 이 방법은 연속도통모드/불연속도통모드(CCM/DCM, Continuous And Discontinuous Conduction Mode)의 경계에서 컨버터를 동작시킨다. 하지만 의사 공진형 컨버터의 가장 큰 단점은 부하에 따라 스위칭 주파수가 광범위하게 변하는 것이고 또 다른 단점은 연속도통모드에 비해 도통손실이 커진다는 것이다.
그 이유는 의사 공진형 컨버터가 CCM/ DCM의 경계에서 동작하기 때문에 CCM으로 동작하는 컨버터에 비해 상대적으로 작은 인덕터 값을 사용하기 때문이다. 도통 손실은 입력전압의 범위가 유니버셜일 때 더 심각해 진다. 그 이유는 전체 입력범위에서 CCM/DCM의 경계에서 동작하기 위해서는 더 작은 인덕터가 필요하기 때문이다.
페어차일드의 신제품에 적용된 하이브리드 제어 회로는 컨버터가 CCM 영역으로 동작할 때는 전통적인 하드-스위치 PWM 모드로 동작한다. 반면 DCM 영역에서 동작할 경우에는 의사 공진형 모드로 동작한다. 즉, 컨버터는 중부하 혹은 경부하 조건에서만 의사 공진형 모드로 동작한다. 이 방법으로 일반적인 PWM 컨버터 설계에서 사용하는 상대적으로 큰 인덕터를 사용할 수 있어 정격부하에서는 도통 손실을 증가시키지 않고 중부하, 경부하에서는 스위칭 손실을 감소시켜 전체효율을 향상시킬 수 있다.
전통적인 의사 공진형 컨버터
의사 공진형 플라이백 컨버터는 전통적인 PWM(Pulse Width Modulated) 플라이백 컨버터를 CCM/DCM의 경계에서 동작시키는 방법으로 쉽게 이해할 수 있다. 그림 2와 그림 3은 의사 공진형 플라이백 컨버터의 간략화된 회로와 중요한 파형을 각각 보여준다. 기본적인 동작 원리는 다음과 같다.
*MOSFET ON 시간(TON) 동안, 입력 전압(VIN)은 1차 측 인덕터(Lm)에 인가된다. 이 때, MOSFET 전류(Ids)는 제로에서 피크 값(Ipk)까지 선형적으로 증가한다. 이 시간 동안, 에너지는 입력에서 인덕터로 Lm × Ipk2/2 만큼 저장된다.
*MOSFET이 꺼지면 인덕터에 저장된 에너지는 2차측 다이오드(D)를 통해 방출된다. 다이오드 ON 타임(TD) 기간 동안, 출력 전압(Vo)이 2차측 인덕터(Lm × Ns2/ Np2)와 연결된 회로가 되며 다이오드 전류(ID)는 피크 값(Ipk × Np/Ns)에서 제로까지 선형적으로 감소된다. TD가 끝나는 시점에서, 인덕터에 저장된 모든 에너지는 출력으로 전달된다. 이 시간 동안, MOSFET의 드레인과 소스 사이에는 1차측에서 바라본 출력 전압(Vo × Np/Ns)과 입력 전압 (VIN)이 합해진 전압이 가해진다.
*다이오드 전류가 제로가 되면, 드레인과 소스 사이의 전압(Vds)은 1차측 인덕터(Lm)와 MOSFET 출력 커패시터(Coss) 사이의 공진으로 오실레이션 하기 시작하며 초기 시작전압은 그림 3에서 보듯이 VIN과 Vo × Np/Ns의 합이다. 소프트 스위칭은 Vds가 최소 값일때 MOSFET을 켬으로써 간단히 달성된다. 이렇게 함으로써, MOSFET의 드레인과 소스 사이의 커패시턴스 부하로 발생되는 MOSFET 턴-온 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다. 공진 진폭을 결정하는 인자인 턴비 Np/Ns을 증가시켜 1차측에서 바라본 2차측 전압이 VIN보다 더 크게 되도록 트랜스포머를 설계할 경우, MOSFET의 ZVS (Zero-Voltage-Switching)를 구현할 수도 있다.
드레인 소스 전압이 공진으로 최소 값에 도달할 때 MOSFET 이 켜지기 때문에, 의사 공진형 동작은 EMI(Electro Magnetic Interference)를 감소시키면서 전력 변환 효율을 증대시킨다. 그러나, 이와 같이 CCM/DCM의 경계모드에서 동작하면 부하가 변할 때 스위칭 주파수가 많이 변하게 된다. 부하가 감소하면 스위치 온-시간은 피크 드레인 전류를 줄이기 위해 감소하며 따라서 스위칭 주파수는 증가한다.
이상적인 ZVS를 트랜스포머 턴비 Np/Ns를 높여 달성할 수 있어도 이 경우 MOSFET에 걸리는 전압스트레스가 커지기 때문에 실제 설계의 경우 그림 3에서 보듯 완전한 ZVS가 아닌 드레인 전압이 어느정도 감소된 상태에서 스위치가 켜지는 경우를 선호한다. 경부하에서 스위칭 주파수가 상승하면 상당한 스위칭 손실이 생긴다.
또 다른 결점은 CCM 동작과 비교할 때 도통손실이 커진다는 점이다. 그 이유는 CCM/DCM의 경계모드에서 동작하기 위해서는 상대적으로 작은 인덕터가 필요하기 때문이다. 도통 손실은 입력전압의 범위가 유니버셜일 때 더 심각해 진다. 넓은 입력전압 전 범위에서 CCM/DCM의 경계모드 동작을 보장하기 위해서는 인덕터 값이 더 작아야 하기 때문이다.
제안 기법의 동작 원리
전통적인 의사 공진형 동작의 결점을 해결하기 위해, 제안된 하이브리드 제어 회로는 전통적인 PWM 동작 및 의사 공 진형 동작의 장점을 결합하였다. 제어회로에 의해 동작 모드는 적절히 선택되며, 이를 통해 컨버터는 CCM 영역에서 동작할 때 전통적인 하드 스위치 PWM 모드로 동작하며, DCM 영역에서 동작할 때는 의사 공진형 동작을 한다. 그림 4는 제안된 제어 기법을 이용한 플라이백 컨버터의 간략화된 회로를 보여준다. 드레인 전압 파형을 모니터하기 위해 보조 권선 전압이 사용된다.
그림 5는 여러가지 부하 조건에서 제안된 제어 기법의 동작 파형을 보여준다. T1시점은 최소 스위칭 주기(Tsmin)가 끝나는 시점으로 제어 회로가 CCM/DCM 여부를 판단하는 기준 시점이 된다. 컨버터가 CCM 영역에서 동작할 때, 보조 권선 전압은 T1까지 Vo × Na/Ns로 유지되며 보조 권선 전압의 공진은 최소 스위칭 주기(Tsmin) 내에서는 관찰되지 
않는다. 이 때, 컨트롤러는 T1(동작 A)에서 MOSFET을 켬으로써 일반적인 하드 스위칭 PWM 제어를 수행한다.
반면, 부하가 감소하여 컨버터가 DCM 영역으로 진입할 경우, 최소 스위칭 주기내에서 보조 권선 전압의 공진이 시작된다. 이 때, 컨트롤러는 컨버터를 의사 공진형으로 동작시킨다. 즉 MOSFET전압이 최소점일 때 MOSFET을 켠다. DCM 동작에서, 컨트롤러는 보조 권선 전압을 모니터하여 윈도우 시간(TW) 내에서 최초로 드레인 전압이 최소인 시간을 찾아내어(동작 B와 C) MOSFET을 켠다. 따라서, 스위칭 주파수는 동작 모드와 관계없이 제한된다.
여기서 TR은 1차측 인덕턴스와 MOSFET 출력 커패시턴스 간의 공진 주기이다.
그림 6은 스위칭 주파수가 부하에 따라 어떻게 변화되는가를 보여준다. 여기서 그림 5의 동작점 A, B, C는 점으로 표시된다. 동작점 A에서, 컨버터는 CCM 영역에서 동작하며, 스위칭 주파수는 최대이다. 컨버터의 부하가 점점 감소하면 어느 지점에서 CCM에서 DCM 동작으로 변한다. 제안된 제어방식에서 최대주파수로 동작하는 CCM 동작은 CCM/DCM이 바뀌는 지점까지 지속된다.
일단 컨버터가 DCM으로 진입하면, 보조 권선 전압의 공진은 최소 스위칭 주기(Tsmin)내에서 시작한다. 따라서, 컨트롤러는 Tsmin 다음에 오는 최초의 밸리에서 MOSFET을 켠다. 동작점 B의 경우, 최초의 밸리는 Tsmin 다음에 온다.
반면, 동작점 C 경우는 부하가 더 낮아져 공진이 더 빨리 시작되어 최초의 밸리지점이 Tsmin 이전에 생겼지만 이 지점은 무시되고 T
smin 다음에 오는 첫번째 밸리, 전체 공진파형으로 보면 두번째 밸리지점에서 MOSFET이 켜진다. 따라서 제안된 제어 회로는 컨버터가 중부하 혹은 경부하 조건에서 의사 공진형 동작을 한다. 이것은 전통적인 PWM 컨버터 설계에서 사용되는 상대적으로 큰 인덕터를 사용가능하게 하며 중부하 이하에서는 의사-공진형 동작으로 스위칭 손실을 감소시켜 전체 효율을 향상시킨다.
실험적 테스트 및 결과
제안된 방법의 유효성을 보기 위해, 서로 다른 방식으로 동작하는 3가지의 90~265 Vac/5V, 30W 오프-라인 플라이백 컨버터들을 설계하여 비교하였으며 그 스펙이 표 2에 정리되어 있다. 그림 7, 그림 8, 그림 9는 A, B, C 각각의 경우 115Vac 및 230Vac 입력 전압에서 정격 부하 시 동작 파형이다. 트랜스포머 인덕턴스 값은 3종류의 컨버터 모두 동일한 값을 사용하였다.
A 컨버터의 경우, 스위칭 주파수는 고정이며 컨버터는 입력전압이 낮을 경우(VIN = 115Vac) CCM으로 동작하고 높을 경우(VIN = 230Vac) DCM으로 동작한다. 스위칭 주파수가 고정이기 때문에, 동일한 파워를 만들기 위한 피크 드레인 전류는 입력전압에 상관없이 거의 동일하다.
반면, B 컨버터는 CCM/DCM의 경계 모드에서 항상 동작한다. 따라서 스위칭 주파수는 입력전압이 낮을 때 감소하며 피크 드레인 전류는 그림 8에서 보듯 다른 두 경우보다 더욱 높다. 이 때문에 입력전압이 낮으면 도통손실이 증가하여 효율을 저하시킨다.
제안된 제어 방법으로 동작하는 C 컨버터는 입력전압이 낮을 때 CCM으로 동작하면서 제어기의 최대 스위칭 주파수로 동작하는 반면 입력전압이 높을 경우 의사 공진형처럼 밸리에서 스위칭한다. 따라서 입력전압이 낮을 때 피크 드레인 전류는 A의 경우와 동일하다.
그림 10은 입력 전압이 115Vac일 때 3가지의 컨버터들의 효율비교 그래프이다. 살펴본 대로, 전통적인 의사 공진형 컨버터(사례 B)는 입력전압이 낮고 정격 부하일 때 효율이 감소한다. 이것은 의사 공진형 동작에 의한 스위칭 손실의 감소보다 도통손실의 증가가 더 커졌기 때문이다.
그러나, 제안된 기법은 입력전압이 낮을 때 정격 부하에서 향상된 효율을 보여준다. 그 이유는 컨버터가 전통적인 의사 공진형처럼 부하변동이나 입력전압 변동에 따른 전 영역에서 CCM/DCM의 경계모드를 보장하기 위한 비교적 큰 드레인 피크전류로 인해 발생하는 상대적으로 큰 도통 손실이 없기 때문이다.
그림 11은 입력 전압이 230Vac일 때 3가지 컨버터의 효율을 보여준다. 여기서 보듯이, 제
안된 기법은 다른 2가지의 방법에 비해 향상된 효율을 보여준다. 전통적인 의사 공진형 컨버터는 그림 10의 경우보다 더욱 낮은 효율을 보여준다.
그 이유는 높은 입력전압에서 증가된 스위칭 주파수가 스위칭 손실을 증가시키기 때문이다. 그림 10과 그림 11은 제안된 컨트롤러가 입력전압이 높을 때와 낮을 때 모두 능동 모드 효율을 향상시킬 매우 효과적인 방법임을 보여준다.
결론
이 글은 전통적인 PWM 동작과 의사 공진형 동작을 결합시킨 하이브리드 제어 기법을 제안하고 있다. 제안된 기법은 도통 손실을 증가시키지 않고 중부하 및 경부하 조건에서 스위칭 손실을 감소시키고 효율을 증대시킨다. 이 제안된 제어방법은 90~265Vac/5V, 30W 오프-라인 플라이백 컨버터를 통해 검증되었다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 12월호>