새로운 DBx Module을 활용한 스위칭 전원 공급 장치의 출력 성능 향상

서론

스위칭 전원 공급 장치는 60년 이상 전력 변환 산업의 핵심으로 자리 잡아 왔으며, 기존 전력 처리 기술에서 나타나는 일부 문제를 해결하는 동시에 새로운 과제를 제시하고 있습니다. 와이드 밴드갭 소자 활용 등 반도체 스위치가 지속적으로 개선됨에 따라 전력 밀도와 효율이 함께 향상되었습니다. 이상적인 전원 공급 장치는 출력 임피던스, 전자기 간섭(EMI), 출력 리플이 모두 0이고, 무단계 제어가 가능하며, 온도에 따른 드리프트가 없고, 물리적 크기와 비용이 0인 장치입니다. 리니어 전원 공급 장치는 고주파 스위칭 없이 DC 전압을 생성하고, 출력 리플이 매우 낮으며, 무단계 아날로그 제어가 가능합니다. 리니어 전원 공급 장치는 직렬 패스 전력 소자를 통해 전력을 제어 및 소산하여 이상적인 소스에 더 가깝게 동작하지만, 전력 손실이 상당히 높다는 단점이 있습니다. 그럼에도 불구하고 리니어 전원 공급 장치는 특히 높은 출력 성능이 요구되는 분야에서 여전히 수요가 있습니다.

특수 응용 분야에서는 스위칭 전원 공급 장치가 제공하는 높은 전력과 높은 효율, 그리고 리니어 전원 공급 장치의 높은 성능이 모두 필요합니다. 역사적으로 고출력 리니어 전원 공급 장치는 사이리스터 프리레귤레이터와 리니어 레귤레이터를 모두 포함하는 하이브리드 토폴로지를 채택해 왔습니다. 주 변압기 1차 측의 사이리스터는 2차 측 리니어 레귤레이터에 걸리는 전압 강하를 제한합니다. 사이리스터 프리레귤레이터의 사이클 제한 스위칭은 설계의 과도 응답을 크게 제약합니다. 50/60 Hz 절연 변압기는 스위칭 전원 공급 장치의 변압기에 비해 훨씬 큰 설치 면적을 필요로 합니다. 본 논문에서는 스위칭 전원 공급 장치와 리니어 전원 공급 장치 간의 격차를 보다 효과적으로 해소하여 고출력에서 향상된 출력 성능을 제공하는 또 다른 하이브리드 기술을 제안합니다.

기본 개념

사이리스터 프리레귤레이터에 대한 명확한 개선 방안은 더 작은 자성 부품과 더 우수한 과도 응답 시간을 갖춘 스위칭 전원 공급 장치를 사용하는 것이며, 이러한 개선은 EMI 증가라는 대가를 수반합니다. 고주파 스위칭을 통해 직렬 패스 전력 소자에 걸리는 전압을 낮추면 리니어 레귤레이터 입력의 리플을 최소화할 수 있습니다. 출력 전압 1000 Vdc 이하의 스위칭 전원 공급 장치의 일반적인 출력 전압 리플은 0.5 Vrms 미만입니다. 1 V 범위의 리니어 레귤레이터는 표준 스위칭 전원 공급 장치와 유사한 수준의 효율을 달성할 수 있습니다. 또한 스위칭 전원 공급 장치 프리레귤레이터에서 발생하는 EMI는 효과적으로 필터링되어야 합니다.

Magna-Power는 이러한 응용 분야를 위해 고도로 특화된 제품을 제공하는 대신, 자사의 표준화된 스위치 모드 프로그래머블 DC 전원 공급 장치에 새로운 애드온 모듈을 적용하여 리니어 전원 공급 장치에 근접하는 수준으로 제품 성능 사양을 향상시키는 방식을 선택했습니다. 이 신제품은 Figure 1에 나타낸 DBx Module로, 저주파 출력 리플을 최소화하는 출력 리니어 레귤레이터, 차동 모드 및 공통 모드 EMI 필터, 그리고 향상된 제어 방식을 포함합니다. 이 애드온 모듈을 통해 고출력 스위칭 전원 공급 장치가 고출력 리니어 전원 공급 장치와 유사하게 동작할 수 있습니다. DBx Module의 제어 방식은 리니어 레귤레이터가 저주파 출력 리플을 최소화할 수 있도록 스위칭 전원 공급 장치의 출력을 원하는 출력보다 약 1 Vdc 높게 설정합니다.

폐루프 제어 및 디지털 시스템을 가정할 경우, 고해상도 디지털-아날로그 변환기와 아날로그-디지털 변환기가 필요합니다. 18비트 변환기를 사용하면, 주변 아날로그 회로가 유사한 정확도를 갖출 경우 4 ppm의 설정점 정확도를 달성할 수 있습니다. 열 안정화를 통해 합리적인 주변 온도 범위에서 출력 전압이 25 ppm 미만으로 조절되어 정확도가 더욱 향상됩니다.

출력 필터

스위칭 전원 공급 장치는 EMI를 발생시키는 것으로 잘 알려져 있습니다. 차동 라인 간 EMI는 전력 소자의 온-오프 스위칭과 비이상적인 출력 커패시터 임피던스를 통한 고주파 고조파 전류의 흐름에 의해 방사됩니다. 공통 모드(라인 대 접지) EMI는 출력 다이오드와 히트싱크 접지 커패시턴스의 접점 및 변압기 출력 권선 커패시턴스에서 접지로 흐르는 전류에 의해 발생합니다. 입력 라인 필터는 전원 공급 장치 출력에 일반적으로 사용되지 않지만, 이러한 유형의 필터는 여전히 효과적일 수 있습니다.

Figure 2a와 Figure 2b는 6000 W DC 전원 공급 장치에서 발생하는 일반적인 차동 및 공통 모드 노이즈를 보여줍니다. 스캔 결과에서 EMI가 발생하는 영역이 확인되며, 이는 이 전력 범위의 제품에서 일반적으로 나타나는 현상입니다. EMI 연구에서 통상적으로 다루어지지는 않지만, DC에 가까운 영역에서 높은 수준의 신호가 존재합니다. 이는 AC 출력 리플 전압의 측정값입니다.

Figure 3a와 Figure 3b는 동일한 테스트 구성에 DBx Module을 연결한 결과를 보여줍니다. 두 세트의 스캔을 비교하면, DBx Module 설치 시 1 MHz 이하에 고조파 대역이 존재합니다. 이러한 스펙트럼 성분은 DBx Module에서 제어 회로에 전원을 공급하기 위해 사용되는 스위칭 전원 공급 장치에 의해 발생합니다. 더 주목할 만한 것은 DBx Module이 설치되지 않은 구성에서 나타나는 저주파 고조파의 크기입니다. 이러한 감소는 다음 섹션에서 논의할 출력 전압 리플에 의한 결과입니다.

Table 1은 DBx Module의 EMI 필터를 삽입 손실 기준으로 나타낸 것으로, 이는 입력 EMI 필터를 평가하는 일반적인 방법입니다.

리니어 레귤레이터

출력 필터 설계의 주요 과제는 저주파 고조파를 억제하는 것입니다. 출력 리플 전압은 전원 주파수까지 확장될 수 있습니다. 이러한 저주파 영역에서는 고출력 시 필요한 자성 부품의 크기 때문에 수동 LC 필터가 실용적이지 않습니다. 리니어 레귤레이터는 직렬 패스 전력 반도체에 걸리는 DC 전압 강하를 낮게 유지하면 주파수 리플을 효과적으로 억제할 수 있습니다.

Figure 4는 1.25 V 리니어 레귤레이터의 블록 다이어그램과 관련 회로를 보여줍니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 레귤레이터에는 두 개의 피드백 루프가 필요합니다. 하나는 리니어 레귤레이터에 걸리는 1.25 V DC 전압 강하를 유지하기 위한 것이고, 다른 하나는 입력의 AC 리플 전압과 크기가 같고 위상이 반대인 AC 리플 상쇄 전압을 직렬 패스 전력 반도체에 생성하기 위한 것입니다. 레귤레이터에 직렬 연결된 다이오드를 추가하면 기존 리니어 레귤레이터의 취약점인 전류 서지 및 과전압 과도 현상에 대한 보호를 제공합니다.

그림 5a와 그림 5b는 DBx Module 선형 레귤레이터 미적용 시와 적용 시의 일반적인 리플 전압 감쇠를 보여줍니다. 선형 레귤레이터를 적용하면 저주파 성분이 사라지는 것을 확인할 수 있습니다. DBx Module은 리플 전압을 55 mV에서 3.2 mV로 감소시키며, 이는 24.7 db의 감쇠에 해당합니다.

컨트롤러

정확하고 정밀한 성능을 얻기 위해서는 폐루프 제어 회로 내에 온도 안정화된 프리미엄 부품이 필요합니다. 구체적으로 기준 전압원, 고분해능 아날로그-디지털 변환기, 영자속 전류 변환기, 저온도 드리프트 저항기가 해당됩니다. 최신 부품을 사용하더라도 0.5 ppm/°C의 미세한 온도 계수로 인해 25°C 범위에서 12.5 ppm의 편차가 발생할 수 있습니다. 이러한 온도 변화를 줄이기 위해서는 온도에 민감한 부품을 감싸는 온도 제어 구획이 필요합니다. 핵심 부품을 밀집 배치하고 열적으로 근접시키면 구획 온도를 안정화하는 데 필요한 시간이 단축되며, 온도 변동은 1°C를 초과하지 않아야 합니다.

그림 6은 MagnaDC 전원 공급 장치와 DBx Module의 인터페이스 연결을 보여줍니다. DBx Module의 제어 출력은 전원 공급 장치의 아날로그 입력으로 연결됩니다. 전원 공급 장치의 전력 출력은 DBx Module의 DC 입력으로 연결됩니다. 부하는 DBx Module의 출력 DC 버스에 연결됩니다.

전체 시스템 성능 사양은 DBx Module 제품 페이지를 참조하십시오.

결론

본 기사에서는 스위칭 전원 공급 장치와 선형 전원 공급 장치의 장점을 결합한 새로운 하이브리드 기술을 설명합니다. 스위칭 전원 공급 장치는 선형 레귤레이터에 사용되는 직렬 통과 반도체 양단의 전압을 낮게 유지하기 위해 원하는 출력 설정값보다 약 1 V 높게 조절합니다. 직렬 통과 반도체는 스위칭 전원 공급 장치에서 발생하는 출력 전압 리플을 상쇄하도록 제어됩니다. 전원 공급 장치 출력단의 필터는 스위칭 전원 공급 장치에서 발생하는 EMI를 감소시킵니다. 넓은 온도 범위에서 출력을 일정하게 유지하기 위해 고성능 온도 안정화 부품이 사용됩니다. 새로운 랙마운트 모듈은 표준 스위칭 전원 공급 장치와 결합할 수 있도록 설계되었습니다.