부품, 제어 기법, 엔지니어링을 절충한
PFC 컨버터의 전력 손실 최소화 방법

전력 소비의 문제로 내부 및 외부 전원장치의 에너지 효율이 그 어느 때보다 중요하다. 능동 PFC 기술을 이용한 전원장치가 범용 AC-DC 시장보다 더 빠르게 성장할 것으로 전망된다. 신중한 부품의 선택과 새로운 제어 기법 및 적절한 엔지니어링을 결합해서 PFC 컨버터의 효율을 향상시킬 수 있다.

                                                      글│아웅 댓 투(Aung Thet Tu), 페어차일드
                                                   감수│김정호, 김찬태, 페어차일드 코리아 FAE Team

가정 및 사무실에서 가전 및 컴퓨터의 수요가 증가함에 따라서 전력 소비의 문제가 갈수록 중요해지고 있다. 사용자들의 전력 소비 감소 요구 때문에 내부 및 외부 전원장치의 에너지 효율이 그 어느 때보다 중요시되는 추세에 있다.
수백 와트에서 1K와트 이상에 달하는 AC-DC 전원장치의 경우에 전반적인 효율은 PFC Pre-Regulator Stage와 Down-Stream DC-DC 컨버터 스테이지의 각 효율에 의해 이루어진다. 오늘날 DC-DC 컨버터의 가격대 성능비 절충에 대해서는 잘 이해되고 있지만 PFC 기술은 Topology나 제어 기법에 있어서 뒤쳐지고 있다. 하지만 최근에 이러한 경향이 변화하기 시작했다. 이러한 변화에 대해 설명하고 전원장치 엔지니어가 어떻게 다양한 요구와 혼란스러운 의견들을 절충할 수 있을지 살펴본다.

AC-DC 변환 손실

AC-DC 컨버터에서는 부스트 다이오드(Boost Diode), 입력 다이오드 브리지(Input Diode Bridge), EMI 필터, PFC 스위치, 인덕터/초크와 같은 요소가 주요한 전력 손실의 요인이 될 수 있다.

부스트 다이오드의
Reverse-Recovery 손실

PFC 컨버터에는 연속 전도 모드(Continuous Conduction Mode; 이하 CCM)와 경계 전도 모드(Boundary Conduction Mode; 이하 BCM)의 두 가지 제어 기법이 주로 이용된다. BCM을 전이 모드(Transition Mode; TM) 또는 크리티컬 전도 모드(Critical Conduction Mode; CRM)라고도 한다. CCM 컨버터이면 제어 IC가 고정 주파수 PWM을 이용해 평균 부스트 인덕터 전류를 제어한다. BCM 컨버터는 인덕터 전류가 0이 되면, 그 다음에 스위치가 턴온되며 가변 주파수 기법을 이용한다.
CCM 컨버터의 MOSFET이 턴온되면 부스트 다이오드에서 Reverse Recovery가 발생해서 계속해서 이를 통해 인덕터 전류가 흐른다. 그럼으로써 그림 1의 메인 MOSFET M1에서 전력 소비가 일어난다. 하지만 BCM 컨버터에서는 MOSFET이 턴온될 때 인덕터 전류가 기본적으로 0이며, 소프트 스위칭을 제공한다. 따라서 BCM 제어 기법은 Reverse Recovery Loss를 최소화한다.


하지만 BCM은 이점과 더불어 대가를 수반한다. BCM 컨버터에서 대략 두 배 높은 피크 인덕터 전류로 인해 MOSFET 및 다이오드에서 더 높은 전도 손실을 발생시키고 인덕터에서도 더 높은 손실을 발생시킨다. 그러므로 BCM 컨버터는 전력이 250W에서 300W로 제한된다.
한편 다이오드 기술의 발전으로 CCM PFC 컨버터의 효율이 향상되었다. 탄화규소(SiC) 다이오드가 Reverse Recovery 효과를 대폭적으로 감소시켜 이 문제를 해결할 수 있지만 하지만 가격이 비싸다. 페어차일드의 Stealth 시리즈 같은 매우 빠른 실리콘 다이오드가 Reverse Recovery 손실은 감소시키는 대신 전도 손실은 높아진다.

입력 다이오드 브리지 손실

AC-DC 컨버터는 4개 Slow Reco-very 다이오드를 이용한 입력 다이오드 브리지 정류를 이용한다. 이들 다이오드에서의 손실이 전체적인 전력손실에 상당한 영향을 주어 부스트 스위치로서 그림의 브리지 정류기의 하위 2개 다이오드를 2개의 제어 지향적 MOS-FET으로 교체한 브리지리스 PFC Topology가 등장하였다. 입력 브리지 정류가 여전히 존재하므로 "브리지리스(Bridgeless)"라는 용어는 잘못 붙여진 것이다. 브리지 다이오드가 전형적인 Topology에서 부스트 다이오드 소자를 없애고 부스트 다이오드 역할을 한다. 전류 경로가 한 번에 3개가 아니라 2개 반도체 소자만을 통과하기 때문에 이론적으로 효율을 더 높일 수 있다.
브리지리스 PFC Topology의 문제는 전류 센싱(Sensing), EMI, 입력 전압 센싱이다. 또한 브리지의 능동 스위치 소자를 Line Transient로 부터 보호해야 한다. 또한 더 빠른 속도의 다이오드를 이용해야 하므로 더 높은 전력 레벨일 때 돌입 전류가 문제가 된다. 페어차일드의 FAN7528의 전압 모드 제어나 단일 사이클 제어 같은 새로운 PFC 제어 기법을 이용함으로써 최소한 입력 전압 센싱은 없이도 정상 동작할 수 있다. 제어 IC의 단일 게이트 구동 신호로 브리지 스위치를 제어하는 것이 일반적인 기법이지만 각각의 스위치를 개별적으로 제어해서 효율을 극대화하고 EMI를 낮추기 위해서는 새로운 최적화된 타이밍 기법이 필요하다.

EMI 필터 손실

EMI 필터의 크기를 줄임으로써 관련 손실을 줄일 수 있다. 비절연형 DC-DC 컨버터에서 위상을 인터리빙(Interleaving)하는 POL 프로세서 전력 기법에 이어서 하나 이상의 전력 스테이지를 이용하는 PFC 컨버터의 사용이 늘어나고 있다. 인터리빙이 입력에서 리플 전류를 낮춤으로써 EMI 필터의 크기를 줄인다. 인터리빙은 또한 전체적인 부스트 인덕터 크기를 줄이며 인덕터 분할을 통해서 소자의 온도를 낮출 수 있게 된다.


PFC 스위치 손실

스위칭 손실을 줄이기 위해서는 제로 전압 스위칭(ZVS)이나 제로 전류 스위칭(ZCS) 기술을 고려해야 한다. BCM 제어(FAN7527B 및 FAN7528 컨트롤러에 이용된 기술)는 메인 MOSFET 스위치가 제로 전류(ZCS)로 턴온 되어서 턴온 손실을 제거함으로써 전력 소비를 낮춘다. 이 점이 낮은 전력의 컨버터에는 매우 중요한 이점이다. 하지만 높은 전력 레벨일 때는 전도 손실이 크게 되므로 이 Topology를 300W 미만으로 제한한다.
PFC 프론트 엔드는 상대적으로 낮은 스위칭 주파수 때문에 IGBT를 이용해 높은 전력 레벨일 때의 전도 손실을 낮출 수 있다. 그렇지만 대다수 컨버터의 경우 낮은 스위칭 손실 때문에 여전히 MOSFET을 이용한다.
메인 MOSFET 스위치 역시 제로 전압으로 스위치 온(On)을 할 수 있도록 있다. 페어차일드의 FAN4822를 이용할 때 부가회로에서는 저전력 MOS-FET, 정류기, 인덕터가 포함된다. 이들 소자가 일차적인 Boos가 되면 적절한 타이밍 및 공진을 이용해 메인 MOSFET의 전압을 0으로 구동해서 스위치 온 할 수 있다. 이 솔루션은 매력적일 수는 있으나 Topology가 복잡하다.

인덕터/초크 손실

인덕터의 손실은 인덕턴스 값을 최소화함으로써 낮출 수 있다. 이는 스위칭 주파수의 외부적 설정을 가능하게 하는 제어 IC를 이용해 유효 스위칭 주파수를 높임으로서 손실을 낮출수있다. 대신에 높은 Harmonic Content와 빠른 속도의 다이오드가 필요하다(이를 위해서는 비용이 높아진다). 또 다른 기법이 전력 스테이지 인터리빙으로서, 이 기법이 리플 전류를 제거하는 것이 이점이므로 높은 피크 전류를 허용할 수 있도록 한다. 피크 전류가 더 높으면 더 작은 인덕턴스 값, 더 적은 구리, 초크당 더 낮은 전도 손실이 가능해진다.

향후 개발

최근에 인기를 얻고 있는 PFC 기술이 출력 전압이 입력 라인 전압에 따라 변화되도록 하는 부스트 팔로어 PFC이다. 이 기법이 AC 라인을 다운스트림 DC-DC 컨버터가 필요로 하는 최소 전압으로 부스트함으로써 PFC 컨버터의 전반적인 효율을 향상시킨다. 단점은 예를 들어 200V DC에서 400V DC에 달하는 더 넓은 입력 전압 범위에 걸쳐 동작해야 하므로 DC-DC 컨버터 디자인이 더 복잡해진다는 것과 널리 이용되는 LLC 공진 하프브리지 같은 좁은 입력 전압 범위를 필요로 하는 Topology를 이용할 수 없다는 것이다.
인터리빙이나 브리지리스 PFC 같은 새로운 제어 기법을 위한 실질적인 아날로그 제어 IC가 존재하지 않음으로써, 디지털 제어가 현실적인 대안이 될 수 있을 것이다. 실제로 최근에 최소한 3개의 디지털 제어 AC-DC 전원장치가 시장에 선 보였다. 이들 제품의 가격이 적어도 저전력 시장을 포함해서 많은 업체들에게 여전히 상당히 비싼 것이겠지만 주목할 만한 가치가 있는 것은 분명하다.

결론

능동 PFC 기술을 이용한 전원장치가 범용 AC-DC 시장보다 더 빠르게 성장할 것으로 전망되며, 이들 컨버터에 대한 높은 효율 요구 역시 증가하고 있다. 하지만 효율은 공짜로 주어지지 않으며 비용, 부품 수, 신뢰도, 새로운 기술 간에 적절한 절충을 고려해야 한다(표 1). 신중한 부품의 선택과 새로운 제어 기법 및 적절한 엔지니어링을 결합해서 PFC 컨버터의 효율을 향상시킬 수 있다.

 

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 08월호>