가혹한 환경에서 AC-DC 전원공급장치의 최적 성능 확보 방법

서론

AC-DC 전원공급장치는 AC 전원으로부터 고정 또는 가변 DC 전압이나 전류를 필요로 하는 부하로 전력을 변환해야 하는 응용 분야에서 사용됩니다. 이러한 장비는 입력 및 출력 연결이 비교적 단순하지만, 엔지니어들은 특정 환경에서 안정적인 성능을 확보하는 데 종종 어려움을 겪습니다. 문제가 되는 사항은 AC 전원의 품질, 냉각 제약, 제어 배선, 공기 품질, 또는 전력 변환 제품에 대한 사용자의 이해 부족 등 다양합니다. 본 문서에서는 몇 가지 일반적인 문제점을 설명하고 특정 응용 분야에서 최대 성능을 확보하는 방법에 대한 통찰을 제공합니다.

전력선 품질

AC 전원

AC-DC 전원공급장치를 전력 계통에 연결하는 것은 의외로 흔한 문제의 원인입니다. 전 세계 전원 전압은 일본의 200 VAC에서 네덜란드의 696 VAC까지 지역에 따라 다양합니다. 라인 주파수도 50Hz와 60Hz 사이에서 다르지만, 오늘날의 스위칭 전원공급장치에서는 주파수가 성능에 미치는 영향이 거의 없습니다.

Magna-Power Electronics는 매년 고객이 잘못된 AC 전원 전압에 연결하여 전원공급장치가 고장났다는 기술 지원 요청을 받고 있습니다. 전원공급장치 후면 커버의 사양 라벨을 확인하고 인가 전압을 측정하면 치명적이고 비용이 많이 드는 고장을 방지할 수 있습니다.

전원공급장치에 인가되는 전압의 순도, 즉 전력 품질은 예상치 못한 동작의 원인이 될 수 있습니다. 관련 변압기 및 배전 임피던스를 포함한 전력 배전 시스템은 전력 네트워크상의 다른 부하로 인해 전압 강하 또는 서지를 발생시킬 수 있으며, 이러한 부하는 고조파 전류를 순환시키고 유도성 및 용량성 부품 간의 공진을 유발할 수 있습니다. 6펄스 파형을 사용하는 산업용 전원공급장치는 강한 5차 및 7차 고조파 성분을 가집니다. 재생 에너지원과 관련 전력 변환 장비도 전원공급장치에 인가되는 전압에 영향을 미칠 수 있습니다.

위에서 설명한 고조파와 AC 전원의 전압 과도현상은 전력 변환 회로의 프런트 엔드를 손상시킬 수 있습니다. 전압 과도현상은 바리스터 또는 기타 전압 클램핑 장치로 억제할 수 있지만, 이러한 장치에도 한계가 있습니다. 제한된 양의 에너지만 흡수할 수 있기 때문입니다. 전력선 고조파는 전압 이탈이 더 긴 시간 동안 발생하기 때문에 더 큰 파괴력을 가질 수 있습니다. 이러한 유형의 문제를 해결하기 위해 Magna-Power Electronics는 1600V 정격의 프런트 엔드 부품을 사용합니다. 이 전압 정격은 낙뢰를 제외한 대부분의 전력선 조건을 처리하기에 충분합니다.

위상 회전은 3상 전원의 라인 전압 위상 관계입니다. 표준이 있지만, 산업 시설에서는 위상 관계가 다를 수 있습니다. 위상이 잘못되면 모터가 역회전하거나 SCR을 사용하는 전원공급장치에서 오점화가 발생할 수 있습니다. 최신 SCR 전력 처리 장비는 위상 회전 변동을 감지하고 보정하여 SCR 점화 회로 문제를 해결합니다.

접지

접지 문제는 산업 설비에서 자주 발생합니다. 적절한 접지는 많은 전기 시공업체에 의해 잘 이해되지 못하며, 불연속적인 접지 연결이 빈번하게 발견됩니다. 전원공급장치 접지의 주요 목적은 안전과 EMI 억제를 위한 것입니다. 접지는 보호 외함을 주변 장비와의 전압 차이가 안전한, 즉 거의 0에 가까운 수준으로 유지합니다. 전원공급장치 내부에서는 EMI 필터와 함께 접지 연결을 사용하여 고주파 전류 성분을 입출력 연결로부터 분리하고 전원공급장치 외함 내에 머무르도록 합니다.

전기 규정 및 안전 관점에서 대지 접지 연결은 하나만 있어야 하며, 접지 연결은 건물의 전기 인입구, 즉 계량 장비 위치에서 이루어져야 합니다. 이 지점에서 접지와 중성선이 연결되고 접지봉이 땅에 박힙니다. 시설 장비의 배선이 적절하게 되어 있다면, 접지 경로에는 소량의 전류만 흘러야 합니다. 낙뢰 발생 시 전체 시설이 동일한 전위로 상승하여 위험한 전압 차이로부터 물체나 인원을 보호합니다.

안타깝게도 모든 전력 시스템이 규정대로 배선되어 있지는 않으며, 일반적인 문제는 컴퓨터 및 계측 장비에 사용되는 접지가 전력 장비와 동일한 전압 전위에 있지 않다는 것입니다. Magna-Power Electronics 전원공급장치는 이러한 조건에 대해 조정을 시도하지만, 사용자 장비와 전력 장비 사이의 불량한 접지 연결이 이상한 전원공급장치 동작을 유발할 수 있습니다. 가장 흔한 문제는 전원공급장치와 컴퓨터 장비 간의 통신 장애입니다. 대부분의 경우, 사용자 인터페이스 장비와 전원공급장치 간의 접지를 본딩하면 이 문제가 해결됩니다.

일부 응용 분야에서는 외부 모니터링 또는 제어 회로에 연결해야 합니다. 대부분의 전원공급장치는 출력 단자를 기준으로 하는 오류 및 피드백 회로를 가지고 있습니다. 광절연기와 같은 적절한 절연 없이, 외부 회로와 전원공급장치 부하가 모두 접지되면 접지 루프가 발생할 수 있습니다. 외부 회로가 접지되고 전원공급장치 부하가 부동 상태로 남아 있으면 제어 오류가 발생할 수 있습니다. 이 경우 전도성 EMI가 외부 회로의 접지 리드로 유입됩니다.

Magna-Power Electronics는 모든 제어를 접지 전위에 가깝게 배치하여 많은 접지 문제를 해결했습니다. 접지 기준은 저항기와 병렬 연결된 커패시터의 연결을 통해 설정됩니다. 이러한 부품들은 전원공급장치와 외부 연결 회로가 불량한 접지 환경에서도 보호받을 수 있게 하면서 EMI 억제에 적합한 임피던스를 제공합니다.

전력 시스템이 적절하게 접지된 경우에도 EMI 발생원이 접지 회로에 전압 전위를 생성하여 문제가 발생할 수 있습니다. 접지 회로의 임피던스는 주파수에 따라 증가하며, EMI 발생원은 전력 시스템에서의 위치에 따라 외부 모니터링 및 제어 회로 사이에 전압을 유입시킬 수 있습니다. 불량한 접지 조건과 마찬가지로, 외부 장비를 전원공급장치에 본딩하면 이러한 전기적 잡음 문제를 완화할 수 있습니다.

환경

전원공급장치에는 변압기, 인덕터, 전력 반도체 등 열을 발생하는 부품이 포함되어 있습니다. 효율이 아무리 높더라도 이러한 모든 부품은 냉각이 필요합니다. 소형 전원공급장치는 때때로 자연 대류에 의존하지만, 대형 장비에는 강제 공냉 또는 수냉이 필요합니다. 수냉 장치는 공기 품질이 나쁜 환경이나 공기 유량 요구 사항을 충족할 수 없는 고밀도 랙 마운트 설치에 이상적으로 적합합니다. 사용자에 의한 냉각 문제는 Magna-Power Electronics의 현장 반품 고장의 주요 원인입니다.

공냉

강제 공냉이 필요한 전원공급장치의 경우, 환기구 막힘, 불량한 공기 품질, 캐비닛 인클로저 내 공기 제한으로 인해 열 문제가 발생할 수 있습니다. 환기구를 막으면 당연히 장비 고장이 발생할 수 있습니다. 핵심 부품에 온도 센서를 배치하면 이러한 문제를 감지하는 데 도움이 되지만, 실질적으로 가능한 범위에는 한계가 있습니다. 외함 환기구의 막힘을 방지하면 제조업체가 예상한 장비 수명을 확보할 수 있습니다.

전원공급장치를 장비 인클로저에 설치하면 열 문제가 발생할 수도 있습니다. 전원공급장치 내부의 공기 유동은 인클로저 내부에서도 동일한 공기 유동을 필요로 합니다. 장비 인클로저의 자체 발열은 흔한 문제입니다. 흡기 및 배기 통풍구의 부적절한 위치로 인해 따뜻한 공기가 재가열되어 외부로 배출되지 않을 수 있습니다. 장비 인클로저 냉각에 대한 보수적인 접근 방식은 인클로저 하단에 흡기 통풍구를 배치하고 상단에 동일한 풍량(CFM) 정격의 팬을 설치하는 것입니다. 팬 압력과 공기 제한을 최소화하기 위해 인클로저 하단의 통풍구 개구부는 상단의 통풍구 개구부와 동일해야 합니다.

공기 품질이 나쁜 환경에서는 오염 물질이 일반적으로 전원공급장치 외함 내부로 유입됩니다. 인쇄 회로 기판은 때때로 수천 볼트에 달하는 전압을 지원하도록 설계됩니다. 먼지, 도료, 기타 미립자의 층이 전기적 절연 파괴를 유발할 수 있습니다. 인클로저 내에 에어 필터를 설치하여 유입 공기를 정화하면 이 문제를 최소화할 수 있지만, 이러한 필터의 부적절한 청소는 또 다른 문제를 야기합니다. 불량한 공기 품질과 필터 문제 사이에는 실질적으로 좋은 절충점이 없습니다. 극도로 열악한 환경 조건에서는 전원공급장치를 밀봉하고 수냉을 활용하는 것이 열 관리와 안정적인 운전을 확보하기 위한 최선의 대안입니다.

수냉

가혹한 환경에서 수냉은 많은 응용 문제를 해결할 수 있습니다. Magna-Power Electronics는 열 센서를 사용하여 방열판 어셈블리의 결로를 방지하기 위해 수류를 제어합니다. 수냉 장비가 올바르게 작동하려면 수온, 유량 및 압력에 대한 제조업체 사양을 준수하는 것이 중요합니다.

배출되는 가열된 물은 폐쇄 루프 시스템에서 수-공기 또는 수-수 열교환기로 냉각하거나 개방 루프 시스템에서 배출할 수 있습니다.

사용자 연결

제어 및 모니터링 연결

많은 응용 분야에서 전원공급장치 파라미터의 모니터링 및 제어를 위한 외부 장비가 필요합니다. 전기적 연결이 제조업체 정격을 초과하지 않도록 하는 것 외에도 케이블 배치가 중요할 수 있습니다. AC-DC 전원공급장치의 입출력 단자에 존재하는 전압과 전류는 과도현상, EMI, 고조파 형태의 고주파 성분을 포함합니다. 제어 및 모니터링 케이블을 전력 케이블과 평행하게 배치하면 예측할 수 없는 결과가 발생할 수 있습니다. 제어 또는 모니터링 케이블은 가능하면 별도의 금속 도관에 분리하여 배선하는 것이 권장됩니다.

원격 센스 연결

출력 전압 또는 전류의 조절은 원하는 출력 파라미터를 샘플링하고 비교 기준에 맞게 조정하는 것에 의존합니다. 기준 및 출력 샘플링 파라미터 모두 전원공급장치 외부에 있을 수 있습니다. 출력 전압의 원격 센싱은 부하에 연결된 리드의 전압 강하를 최소화하기 위해 일반적으로 사용됩니다. 적절하게 사용하면 원격 센싱은 부하 지점에서 우수한 조절 성능을 제공합니다.

원격 센스 연결을 전환하거나 원격 센싱으로 구성한 후 원격 센스 리드를 연결하지 않는 것은 흔하지만 잘못된 구성입니다. 출력 파라미터를 샘플링하지 않고 운전되는 전원공급장치는 전원공급장치의 출력 부품을 손상시키거나 부하를 손상시킬 수 있습니다. 제어할 출력 파라미터가 없으면 피드백 회로가 출력 전압 또는 전류를 최대값으로 구동합니다. 조절되지 않는 최대 출력은 전원공급장치 부품의 안전 출력 정격을 초과할 수 있습니다.

이 잠재적 문제를 해결하는 일반적인 방법은 출력 단자와 원격 센스 단자 사이에 저항기를 추가하는 것입니다. 원격 센싱으로 구성된 전원공급장치에서 원격 센스 리드를 제거하면 출력 전압이 정상 조건보다 약간 상승합니다. 정상 조건 이상의 편차는 전원공급장치 내부의 로컬 센스 저항기의 함수입니다.

원격 센스 및 전력 리드가 전환될 때 원격 센싱의 합병증이 발생할 수 있습니다. 그림 1은 일반적이지만 잘못 구성된 시스템 응용 사례를 보여줍니다. 출력 단자는 VO+와 VO-로, 전압 센스 단자는 VS+와 VS-로 정의됩니다. 이 구성은 동일한 전원공급장치를 사용하여 전력 및 원격 센스 리드를 서로 다른 부하로 전환하기 위해 사용됩니다. 전자 피드백 회로는 일반적으로 기계식 릴레이 및 접촉기의 전환보다 빠르며, 전환 순간에 전원공급장치는 출력을 센싱하지 않고 운전됩니다. 이 구성의 또 다른 문제는 센스 회로만 연결된 상태(릴레이 K2 온, 릴레이 K1 오프)로 전원공급장치를 운전하는 것입니다. 이 경우 센스 리드 연결이 부하를 통해 사실상 단락됩니다. 이로 인해 전원공급장치가 최대 출력으로 운전될 때 보호 저항기 R1과 R2가 부하와 직렬로 배치됩니다.

Magna-Power Electronics는 원격 센스 보호를 위한 대안적 접근 방식을 사용하지만, 이 역시 일부 단점이 있습니다. 그림 2에서 보는 바와 같이, 원격 센스 전압(VSX+ - VSX-)은 전원공급장치 내부의 전자 스위칭을 통해 전원 투입 사이클 시작 시 테스트됩니다. 전원공급장치는 전원 투입 사이클 시작 시 로컬 센스를 사용합니다. 그런 다음 피드백 시스템의 응답보다 빠르게 원격 센스 단자로 전환하여 원격 센스 리드가 부하에 연결되어 있는지 확인합니다. 전압이 감지되면 전원공급장치는 원격 센스 구성을 유지하고, 그렇지 않으면 로컬 센스 연결이 재설정됩니다. 이 방식은 전원 투입 사이클 이후에 사용자가 원격 센스 연결을 전환하거나 제거하는 경우를 제외하고는 잘 작동합니다.

가혹한 부하 조건

출력 전류 리플

AC-DC 전원공급장치는 일반적으로 출력 단자 사이에 커패시터가 연결되어 있습니다. 이러한 커패시터는 전력 변환 과정에서 발생하는 불필요한 AC 전류를 감소시키기 위한 분로 경로를 제공합니다. 이러한 커패시터는 내부 직렬 저항을 가지며, AC 전류에 의해 전력 손실이 발생하여 열이 생성됩니다.

부하로부터의 AC 전류가 전원공급장치에서 생성된 전류에 추가되면 커패시터 전류를 허용 가능한 범위 내로 유지하는 것이 문제가 될 수 있습니다. 이러한 조건은 벅 컨버터와 같은 스위칭 유형의 부하가 전원공급장치의 출력 단자에 연결될 때 발생할 수 있습니다. 그림 3에서 보는 바와 같이, 전원공급장치는 커패시터 C1과 C2의 내부 직렬 저항 R1과 R2의 비율에 따라 AC 부하 전류 성분을 흡수합니다.

반복적 단락 회로 운전

과도한 출력 전류 리플과 마찬가지로, 출력 커패시터, 특히 알루미늄 전해 타입은 전원공급장치의 출력 단자를 단락시키면 손상될 수 있습니다. 피크 전류는 출력 커패시터의 내부 직렬 저항과 연결 케이블의 리드 임피던스에 의해서만 제한됩니다. 커패시터에 저장된 에너지는 커패시터 내에서 열로 방출되며, 출력 단자를 반복적으로 단락시키면 성능 저하 또는 치명적 고장이 발생할 수 있습니다. 폴리프로필렌 필름을 사용하는 필름 커패시터는 손실 계수가 낮아 알루미늄 전해 커패시터보다 더 많은 가혹 조건을 견딜 수 있지만, 주어진 크기에 대한 정전 용량이 낮아 필터링 성능에 영향을 미칩니다. 출력 리플 성능과 안정적이고 반복적인 단락 회로 운전 간의 절충은 설계 제약 사항입니다.

역공급 전압

DC 전원공급장치는 자체 에너지원을 가진 부하 또는 전원공급장치의 정격을 초과하는 전압과 전류를 생성하는 부하에 연결되는 경우가 많습니다. 대표적인 예로는 배터리 부하, DC 모터, 모터 컨트롤러 등이 있으며, 이러한 부하는 양방향 전류 흐름이 가능합니다.

전원공급장치의 출력 단자에 배터리를 연결하면 출력 커패시터의 급속 충전 및 과도한 출력 전류가 발생할 수 있습니다. 그림 4에서 보는 바와 같이, 전원공급장치의 출력과 배터리 사이에 직렬 다이오드 D1을 설치하면 전압이 전원공급장치의 출력 단자로 역공급되는 것을 방지합니다. 부하에서 원격 센스로 전원공급장치를 구성하면 다이오드 전압 오프셋이 제거됩니다. 또한, 다이오드는 전원공급장치가 꺼져 있을 때 전원공급장치를 통한 배터리 방전을 방지합니다. AC-DC 전원공급장치는 일반적으로 전원공급장치가 꺼져 있을 때 저장된 전하를 방전시키기 위해 출력 커패시터에 방전 저항기(블리드 저항기)를 갖추고 있습니다.

DC 모터와 모터 컨트롤러 조합은 에너지를 회생하려고 시도하면서 전압을 역공급할 수 있습니다. 전원공급장치가 에너지를 소산할 수 없는 경우, 출력 전압은 모터 또는 컨트롤러에 의해 생성된 전압에서 부동 상태가 됩니다. 앞서 설명한 바와 같이 다이오드를 설치하면 전원공급장치의 출력이 전압 정격을 초과하는 것을 방지합니다.

역전압

대부분의 AC-DC 전원공급장치는 최종 출력 전력 처리 단계에서 다이오드 또는 동기 정류 회로 구성을 사용합니다. 이러한 부품은 역방향으로 수 볼트 수준에서 출력 전압을 클램핑합니다. 역전압을 생성하도록 전원공급장치에 부하를 연결하는 것은 출력 전류가 전원공급장치 정격 내에 있는 한, 알루미늄 전해 커패시터를 포함한 출력 단에 신뢰성 문제를 일으키지 않습니다. 배터리와 같은 역전압원을 인가하면 전류가 정격을 초과할 경우 출력 전력 반도체가 손상될 수 있습니다. 그림 5에서 보는 바와 같이, 역전압 보호는 직렬 연결된 속동형 DC 퓨즈 F1과 퓨즈의 i2t를 초과하는 서지 정격을 가진 다이오드 D1으로 구현할 수 있습니다. 이 보호 방식에서 역전압 연결은 보호 다이오드를 통해 전류를 흘려 퓨즈를 용단시킵니다.