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산업용 AC/DC 전원장치로 높은 효율과 신뢰성을 달성하기 위한 3가지 고려사항


산업용 전원장치는 다양한 동작 조건으로 효율적이고, 신뢰할 수 있고, 유연해야 한다. 첫 번째로 중요한 것은 효율이다. 효율이 높으면 열 발생을 줄일 수 있고, 그러면 시스템으로 팬이 필요 없게 되고 자연적인 냉각 방법을 사용해서 만족스럽게 작동할 수 있다. 그러므로 높은 시스템 효율과 신뢰성을 달성하면서 시스템 비용을 절감할 수 있다.

신뢰성과 유연성을 달성하기 위해서 중요한 것은 정전류(CC)/정전압(CV) 모드로 동작하면서 넓은 출력 범위를 지원하고 과부하를 허용할 수 있게 하는 것이다. 이 능력에 따라서 복잡한 회로를 필요로 하거나 비용을 늘리지 않으면서 다양한 부하 유형과 동작 조건을 충족할 수 있다. 심한 과부하가 발생되더라도 전원장치가 문제 없이 충분한 전력을 제공할 수 있다. 그럼으로써 전원장치 자체와 부하를 손상으로부터 보호할 수 있다.

이 글에서는 산업용 AC/DC 전원장치를 설계할 때 중요한 세 가지 고려사항에 대해서 설명한다. 그 세 가지는 높은 효율, CC/CV 루프로 넓은 출력 범위 지원, 과부하 허용 능력이다.


높은 효율

요구되는 동작 범위로 높은 효율을 달성하기 위해서는 적절한 토폴로지와 컨트롤러를 선택하는 것이 중요하다.

전이 모드 PFC(power factor correction)는 스위칭 손실을 낮출 수 있다. MOSFET과 정류기 다이오드 둘 다로 모든 동작 조건으로 제로 전류 스위칭(ZCS)을 하기 때문이다. ZCS 소프트 스위칭은 정류기 다이오드의 역 복구를 제거할 수 있다. TI의 UCC28056 PFC 컨트롤러는 골(valley) 동기화 턴온을 함으로써 스위칭 손실을 추가적으로 더 줄인다.

DC/DC 스테이지에는 인덕터-인덕터-커패시터(LLC) 토폴로지가 선호된다. 이것은 소프트 스위칭 특성 때문이다. TI의 UCC256301 LLC 컨트롤러는 고유의 제어 기법을 사용해서 우수한 효율을 달성한다.

이러한 토롤로지와 컨트롤러를 기반으로 “CC/CV를 사용한 94% 피크 효율, 150W 정격, 240W 피크 산업용 DC/DC 전원장치 레퍼런스 디자인”은 230VAC로 94% 이상의 피크 효율과 115VAC로 92.5% 이상의 피크 효율을 달성한다. 그러므로 강제 냉각을 사용하지 않고서 작동할 수 있다. 또 이 레퍼런스 디자인은 컨트롤러와 함께 UCC24624 출력 동기 정류기를 사용해서 출력 정류기 손실을 줄이고 전반적인 효율을 향상시킨다. 그림 1은 이 레퍼런스 디자인의 효율 곡선을 보여준다.


그림 1: 산업용 AC/DC 전원장치 레퍼런스 디자인의 효율 곡선

CC/CV 루프를 사용해서 넓은 출력 범위 지원

출력 전압 범위가 넓고 조절 가능하면 다양한 산업용 애플리케이션을 유연하게 충족할 수 있다. 산업용 애플리케이션은 긴 수명에 걸쳐서 유연하게 변경할 수 있어야 한다. 이 레퍼런스 디자인은 다양한 값의 저항을 사용해서 각기 다른 부하 조건에 따라서 출력 전압을 조절할 수 있다. 또 CC 루프와 CV 루프를 배터리 충전기 애플리케이션과 LED 애플리케이션에 따라서 조절할 수 있다. 충전기를 CC 모드로 작동하면, 배터리 전압에 따라서 출력 전압이 점차적으로 상승한다. 배터리 전압 범위가 넓기 때문에 배터리 충전기가 이 조건을 만족시켜야 한다. LED 애플리케이션으로도 마찬가지다. LED 수에 따라서 출력 전압이 달라진다.

넓은 출력 범위를 달성하기 위해서는 LLC의 공진 탱크 계산이 중요하다. 최대 출력이면서 최소 입력 조건일 때 회로가 커패시티브 구간으로 들어가지 않도록 해야 한다. 또한 넓은 동작 범위로 LLC로 높은 효율을 달성하기 위해서는 공진 주파수에 근접하게 적절한 주파수 범위를 선택해야 한다. 그림 2에서 보듯이 내부적 전압 레퍼런스를 포함한 통합적인 듀얼 연산 증폭기 제품으로서 TI의 TL103W 연산 증폭기를 사용해서 CV/CC 피드백을 달성할 수 있다.

Description: industrial-ac-dc-power-supply-reference-design-block-diagram
그림 2: 산업용 AC/DC 전원장치 레퍼런스 디자인 블록 다이어그램

과부하 허용 능력

산업용 전원장치 디자인으로 또 다른 중요한 요구사항은 순간적인 과부하를 견딜 수 있게 하는 것이다. 이 능력에 따라서 시스템이 과부하 조건 시에 문제 없이 동작할 수 있다. 이 레퍼런스 디자인은 3초 동안 정격 부하의 1.6배를 제공할 수 있다.

과부하를 허용할 수 있게 하기 위해서는 최대 부하에 기반해서 PFC 인덕터를 계산해야 한다. 그렇지 않으면 필요한 충분한 전력을 제공할 수 없다. 또한 LLC의 공진 탱크 파라미터를 최대 출력 전력이면서 최악 상황 조건일 때 커패시티브 구간으로 들어가지 않도록 해야 한다. 커패시티브 구간으로 들어가면 일차 스위치를 심하게 손상시킬 수 있다. TI의 UCC256301은 ZCS 회피 기능이 있어서 시스템이 커패시티브 구간으로 들어가지 않도록 한다. 그림 3은 이 레퍼런스 디자인의 순간적인 과부하 허용 능력을 보여준다.

 

Description: short-time-overload-ability-industrial-acdc-power-supply
그림 3: 산업용 AC/DC 전원장치 레퍼런스 디자인의 순간적 과부하 허용 능력

맺음말

이 레퍼런스 디자인은 산업용 전원장치로 높은 효율과 신뢰성을 달성한다. TI의 컨트롤러와 토폴로지를 사용해서 다양한 산업용 애플리케이션을 유연하게 충족할 수 있다.

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