전원공급기 에너지 효율이 환경에 미치는 영향에 대한 전세계적인 관심이 지속적으로 증가함에 따라 자연 자원을 보호하기 위해 노력하고 있는 전세계 정부 및 표준화 기관들이 에너지 효율적인 전력공급기의 도입을 활성화하기 위한 방법들을 지원하고 있다.
CEC(California Energy Commission)는 외부 전력공급기에 대한 의무적인 효율 표준들을 제안했으며, 현재 자발적인 규제 프로그램에 의존하고 있는 세계의 다른 지역에서도 전력공급기의 효율 향상을 장려하기 위한 의무적인 표준들을 고려하고 있다.
이러한 규제들로 인해 전력공급기 설계자들은 공진형 컨버터, 소프트-스위칭 컨버터 등과 같은 새로운 토폴로지를 사용해야만 한다.
공진형 스위칭 기법들은 전체 스위칭 주기에서 공진을 활용하는 반면 소프트-스위칭 기법들은 스위칭 디바이스의 스위칭 특성을 완화시키기 위한 스위칭 전환 시에만 공진 동작을 활용한다. 스위칭 전환이 완료되면, 컨버터는 친숙한 PWM(Pulse-Width-Modulation) 모드로 다시 복귀한다.
공진 동작이 스위칭 전화 시에만 포함되기 때문에 공진형 컴포넌트의 파라미터들은 공진형 컨버터에서만큼 중요하지 않다. 뿐만 아니라, 스위칭 주파수가 고정되기 때문에 EMI 필터의 최적화가 보다 간편하다.
다양한 소프트-스위칭 컨버터 중에서 비대칭 PWM 하프-브리지 컨버터들은 간편성과 고유한 ZVS(zero voltage switching) 성능 때문에 설계자들에게 특히 인기를 모으고 있다. 본고에서는 비대칭 하프-브리지 컨버터에 대한 기본적인 동작 원리에 대해 설명하고 일반적인 디스크리트 MOSFET와 PWM 컨트롤러 솔루션에 대해 탁월한 이점을 제공하는 통합 전력 스위치를 소개한다. 또한 소프트-스위칭 컨버터를 위해 특별히 설계된 이 고전력 스위치가 전체 설계 비용, 컴포넌트 수, 크기, 무게를 절감하면서 효율, 생산성, 시스템 신뢰성 등을 동시에 증가시킬 수 있는 방법에 대해 설명한다.
비대칭 하프-브리지 컨버터의 기본 동작 원리
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그림 1은 비대칭 PWM 하프-브리지 컨버터의 간략한 다이어그램과 파형을 나타낸 것이다. 세부 스위칭 파형은 그림 2에 나타내었다. DC 블록킹 커패시터(CB)는 상측 스위치(Q2)가 도전될 때 부하에 공급되는 에너지원으로서 동작할 뿐만 아니라 트랜스포머 포화를 방지하기 위한 블록킹 커패시터로 동작한다. 일반적으로 비대칭 PWM 하프-브리지 컨버터는 그림 1에 나타낸 바와 같이 3단계로 구성된다; 정현파 제너레이터, 에너지 변환 회로, 렉티파이어 회로.
• 정현파 제너레이터는 스위치 Q1과 Q2를 교대로 구동함으로써 정현파 전압 (Vd)을 생성한다. 다시 말해, 하측 및 상측 MOSFET의 듀티 사이클은 각각 D와 1-D가 되어야만 한다. 짧은 데드 타임이 일반적으로 연속 전환 사이에 유도된다.
• 에너지 변환 회로는 DC 블로킹 커패시터와 트랜스포머로 구성된다. 에너지 변환 회로는 DC 블로킹 커패시터 (CB)를 통해 정현파 전압 (Vd)의 DC 오프셋을 제거한 다음에 순수한 AC 정현파 전압을 트랜스포머를 통해 2차측에 전달한다. 트랜스포머 1차측 전류 Ip는 누설 인덕턴스 때문에 트랜스포머 1차측에 인가되는 전압을 지연시켜 MOSFET가 제로 전압을 통해 턴-온될 수 있도록 해준다. 그림 2에서 알 수 있듯이 스위치 -2.jpg)
중 하나가 턴-오프되면 MOSFET 출력 커패시턴스를 충전(또는 방전)시키고 결국 스위치 전압을 하나의 입력 레일에서 다른 입력 레일(Vin에서 접지, 또는 접지에서 Vin)로 스윙시킨다. 다음으로 Ip는 안티-패럴 바디 다이오드로 연속적으로 흐르게 된다. 바디 다이오드가 도전 상태를 지속하는 한 상응하는 MOSFET 역시 제로 전압으로 턴-온될 수 있다. 이 소프트-스위칭 접근법은 스위칭 손실을 줄일 뿐만 아니라 EMI 역시 감소시켜준다.
• 렉티파이어 회로는 AC 전압을 렉티파이어 다이오드와 저역 LC 필터를 통해 정류하여 DC 전압을 생성한다. 이 렉티파이어 회로는 전파(full-wave) 브리지 또는 중앙-탭(center-tapped) 구성으로 구현될 수 있다.
비대칭 하프-브리지 컨버터를 위해 설계된
통합 전력 스위치
비대칭 하프-브리지 컨버터 설계를 확실하게 처리할 수 있는 한 가지 기술은 페어차일드의 통합 ‘Green FPSTM’ 전력 스위치 FSFA2100 시리즈이다. 이 기술은 PWM 컨트롤러, 상측 드라이브, SuperFETTM를 단일 디바이스에 통합함으로써 필요한 외부 컴포넌트의 수를 최소화한다. 그림 3은 내부 블록 다이어그램을 나타낸 것이다.
고전력 컨버터 애플리케이션과 함께 사용할 경우, 일반적으로 불편한 것은 PCB 레이아웃의 어려움으로 이로 인해 게이트 드라이브 및 제어 회로를 잡음의 역효과를 최소화하기 위해서 MOSFET에 최대한 가깝게 반드시 배치해야 하기 때문이다. FSFA2100는 MOSFET를 게이트 드라이브 및 제어 회로와 통합함으로써 이러한 문제를 해결하여 이들 컴포넌트 사이의 거리를 최소화하고 최종 애플리케이션에서 잡음의 영향을 줄여준다. 이것은 또한 중요한 설계 시간을 줄임으로써 생산성을 향상시킨다.
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시스템-인-어-패키지로 제공되는
SMPS 설계의 신뢰성 및 ‘환경친화’ 문제 해결
현재 대부분의 전자 제조업체들이 SMPS 설계에 대해 고신뢰성을 필요로 하기 때문에 전원공급기 설계자들은 과부하, 과전압, 출력 단락, 출력 다이오드 단락, 과온 등과 같은 다양한 고장 상황에 대해 보호 회로를 사용해야 한다. 하지만, 이와 같은 보호 기능들은 많은 부가 회로를 필요로 할 수 있기 때문에 시스템 비용을 증가시키게 된다. FSFA2100은 자체-보호 기능들을 설계에 통합하여 추가적인 컴포넌트에 대한 요구를 제거함으로써 신뢰성을 증대시키면서 비용을 낮춰준다.
소프트-스위칭 컨버터와 관련된 다른 문제는 MOS-FET 출력 커패시터를 충전 또는 방전시키기 위한 1차측 전류가 부족하여 소프트-스위칭이 경부하 조건에서 달성되지 않을 수 있다는 것이다. SMPS가 낮은 대기전력을 필요로 하는 전력 효율 또는 ‘환경친화’ 표준들을 충족시켜야 할 때 이것은 문제를 일으킨다.
FSFA2100은 대기 모드가 대기전력 손실을 1W 이하로 낮추는 것을 목표로 하는 IEA(International Energy Agency)의 1와트 이니셔티브(1 Watt Initiative)를 보다 쉽게 달성할 수 있도록 해주는 버스트 모드 동작을 제공한다. 버스트 모드에서 이 전력 스위치는 스위칭 동작을 번갈아 활성/불능화시킬 수 있기 때문에 유효 스위칭 주파수를 줄여준다. 이 방법은 MOSFET의 스위칭 손실과 트랜스포머의 히스테리시스 손실을 감소시킨다.
결론
SMPS에 소프트-스위칭 토폴로지를 사용함으로써 얻을 수 있는 효율 및 EMI 이점 때문에 설계자들이 이러한 새로운 접근법을 자신들의 전력공급기 설계에 지속적으로 채택하고 있다. 전통적으로 설계자들은 소프트-스위칭 접근법을 구현하는 데 디스크리트-플러스-컨트롤러 솔루션을 사용해 왔다. 하지만, 현재 PWM IC와 SuperFET를 통합한 전력 스위치는 소프트-스위칭 컨버터의 비용 효율적인 설계에 최적화된 기본적인 플랫폼을 제공한다. 보호 기능을 통합하고 버스트-모드 동작을 채용함으로써 이 전력 스위치 기술은 신뢰성을 대폭 증대시키는 동시에 엄격한 ‘환경친화’ 표준들을 충족시킬 수 있는 저전력 소모 특성을 제공한다.
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기자 : 뉴스관리자 기자 
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