전류원 전력 변환—라이드스루 견고성

본 기사는 Magna-Power Electronics에서 작성하였으며, IEEE Power Electronics Magazine 2019년 3월호에 최초 게재되었습니다.

지난 20년간 이루어진 발전을 고려하면, 특정 용도에 가장 적합한 전력 변환기 토폴로지를 선택하는 것은 상당히 까다로운 일일 수 있습니다. 이러한 발전의 상당 부분은 더 빠른 스위칭 속도, 더 낮은 온 상태 전압, 더 낮은 전력 손실, 더 낮은 전력 구동 요구사항 등을 제공하는 우수한 반도체 스위치를 통해 달성되었습니다. 최적의 전력 변환기 토폴로지 선택은 비용, 크기/패키징, 효율성, 견고성의 우선순위와 애플리케이션의 요구사항 간의 균형을 맞추어야 합니다. 미국 뉴저지주 플레밍턴에 소재한 프로그래머블 DC 전원 제품 제조업체 Magna-Power Electronics(Magna-Power)는 토폴로지 선택 시 견고성을 최우선으로 삼았습니다. 이러한 토폴로지 선택은 까다로운 산업 환경에서 높은 신뢰성을 요구하는 고객의 필요에 의해 결정되었습니다.
Magna-Power 제품은 실험 및 프로토타입 검증 용도로 자주 사용되기 때문에, 고객 만족을 위해서는 일반적인 작동 조건을 훨씬 넘어서는 일관된 전력 변환기 성능이 요구되었습니다. 수만 대의 전원공급장치를 출하한 결과, 현장 고장의 대부분은 다음과 같은 고객의 부적절한 사용에 기인하였습니다:

• 부식
• 낙뢰, 전력선 과도현상, 전력선 고조파 등 비정상 입력 전압
• 역전압 인가 및 과도한 AC 전류 등 출력 오용
• 비정상적 환경에서의 전자기 간섭 감수성
• 장비 랙 내 전원공급장치의 부적절한 배치로 인한 공기 흐름 제한 및 과도한 발열

신뢰성을 향상시키는 일반적인 방법은 n + 1 이중화 구현과 평균 고장 간격(MTBF) 단축입니다. 이러한 기법은 고장 원인이 외부 조건에 의한 것이라면 장기 신뢰성을 부분적으로만 개선할 수 있습니다. 예를 들어, 높은 입력 전압 과도현상에 노출되는 산업 환경에 설치된 전원공급장치는 더 높은 역방향 차단 전압 정격의 입력 정류기를 사용하는 것이 더 신뢰할 수 있습니다. 이 경우, 고전압 소자를 사용하여 신뢰성을 향상시키는 것이 동일한 외부 환경 조건에서 모두 고장 나는 낮은 부품 정격의 이중화 전원공급장치를 갖추는 것보다 더 유리할 수 있습니다. 작동이 일시적으로 중단되더라도 비정상적인 외부 영향을 견뎌내는 것이, 제품이 고장 나 예비품에 의존하는 것보다 훨씬 낫습니다.

Magna-Power의 핵심 목표 중 하나는 잠재적으로 손상을 유발할 수 있는 조건을 견딜 수 있는 전력 회로를 개발하는 것이었습니다. 강력한 라이드스루 능력, 즉 결함 저항성은 현장 반품을 줄이고, 비용이 많이 드는 수리를 감소시키며, 가장 중요하게는 고객 만족을 유지합니다. 모든 조건에서 결함 보호를 달성할 수는 없지만, 설계의 취약점을 파악하면 개선 가능성에 대한 더 나은 이해를 얻을 수 있습니다.
1 kW 이상의 전력 범위에서 대부분의 전원공급장치 설계는 전압원 토폴로지 또는 유사한 파생 토폴로지를 사용합니다. 그림 1에 나타난 바와 같이, 입력 단계는 커패시터, 브리지 인버터, 절연을 위한 변압기, 출력 정류기, 인덕터-커패시터 저역통과 필터에 공급하는 DC 소스로 구성됩니다. 설계의 취약점은 브리지 인버터입니다. 소자 중 하나가 고장 나거나 잘못 턴온되면, 그 결과는 매우 심각할 수 있습니다: 다른 브리지 인버터 소자의 고장, 화염, 주변 회로의 손상이 발생할 수 있습니다. 브리지 인버터 회로가 거의 완벽한 볼트-초 균형으로 스위칭하지 않으면 변압기 코어가 포화되어 유사한 고장 상태가 발생할 수 있습니다.

전압원 변환기의 결함 감지 분야에서 상당한 발전이 있었습니다. 그러나 보호 회로는 여전히 마이크로초 단위로 작동해야 합니다. 이러한 고장은 열적 특성과 소자에 따라 달라집니다. 보호 기술의 발전에는 역포화 감지 회로를 이용한 온 상태 전도 감지와, 코어 포화를 방지하기 위해 변압기를 통과하는 피크 전류를 제한하는 전류 모드 컨트롤러가 포함됩니다. 잘못된 스위칭 상태를 유발하는 외부 영향은 시정 조치를 취할 시간이 거의 없는 상태에서 잠재적 고장을 초래할 수 있습니다.

전류원 변환기

그림 2는 전압원 변환기의 전기적 쌍대, 즉 전류원 변환기를 보여줍니다. 전류원 토폴로지는 오래전부터 존재해 왔지만, 전류원 입력 생성의 필요성과 추가 비용, 그리고 저누설 변압기에 대한 요구사항 때문에 상업적으로는 거의 배치되지 않았습니다 [1]. 전압원 변환기와 전류원 변환기의 차이는 매우 미묘합니다. 전압원 브리지 소자는 입력 DC 버스를 절대 단락시켜서는 안 되는 반면, 전류원 브리지 소자는 입력 DC 버스를 절대 개방시켜서는 안 됩니다. 둘째, 전압원 변환기에서 출력 인덕터 L1은 변환기의 출력 측에 있지만, 전류원 변환기에서는 입력 측에 있습니다.

그림 3에 나타난 바와 같이, 전류원 입력에 대한 요구사항은 전압-전류 변환기로 작동하는 벅 변환기 또는 초퍼를 통해 충족할 수 있습니다. 이것이 실제로 토폴로지의 단점이긴 하지만, 이 추가 단계는 두 변환기 단계 사이의 보호에 활용할 수 있습니다.

절연 및 전압 변환을 주요 기능으로 하는 인버터 단계는 거의 50% 듀티 사이클로 작동해야 합니다. 이 단계는 동적 성능의 저하 없이 더 낮은 스위칭 주파수로 작동할 수 있습니다. 변환기의 모든 제어는 벅 변환기 단계에 의해 관장됩니다. 변압기 T1의 낮은 누설 임피던스는 높은 변환기 효율과 낮은 출력 전압 리플을 보장합니다. 두 인버터 극의 전류 전환 중에 인버터 양단의 DC 버스가 단락되며, 전류가 출력 단계로 흐르는 것이 차단됩니다.

전류원 변환기에서 반도체 소자를 보호하는 데 필요한 시간은 벅 변환기의 스위칭 주기와 인덕터 L1의 설계에 따라 달라지며, 이 두 매개변수가 인덕터 L1의 코어 포화를 방지하는 데 필요한 시간을 결정합니다. 20 kHz로 작동하는 벅 변환기의 경우, 일반적인 10 μs 주기를 통해 정상 작동 범위 내에서 제어 반도체 소자를 쉽게 보호할 수 있습니다. 이 보호는 잘못된 스위칭 상태, 변압기 단락 또는 출력 다이오드 단락 발생 시 인버터 또는 벅 반도체 스위치에 적용할 수 있습니다. 결함 조건 중에는 브리지 인버터 양단의 DC 버스가 붕괴되어 나머지 소자를 치명적 고장으로부터 보호합니다. DC 버스 전류가 벅 변환기에 의해 설정 및 유지되는 전류 수준으로 제한되므로, 변압기 T1의 코어 포화는 사실상 불가능합니다.

충분한 시간이 주어지면, 벅 변환기 단계로 인버터 단계를 보호하고 인버터 단계로 벅 변환기 단계를 보호하는 결함 보호 회로를 구성할 수 있습니다. 또한, 제어 반도체 스위치의 고장은 벅 변환기에 의해 전류가 제한되어 치명적 고장을 방지합니다. 보호를 위한 시간이 연장되므로, 특수한 역포화 감지 회로가 필요하지 않습니다.

전류원 토폴로지의 또 하나의 장점은 더 높은 전력의 대형 시스템으로의 확장성입니다. 인덕터 L1에 직렬로 약간의 추가 인덕턴스를 추가해도 시스템 성능에는 사실상 영향이 없습니다. 리드 인덕턴스에 대한 큰 우려 없이 단계를 쉽게 병렬로 구성할 수 있습니다.

전류원 설계의 장점에도 불구하고, 전압원 설계가 산업계에서 훨씬 더 널리 사용됩니다. 전압원 토폴로지는 전력 변환 단계가 하나 적고 자성 부품도 더 적습니다. 이 두 가지 요구사항은 비용과 효율에 영향을 미칩니다. 단일 보드 전원공급장치 제조는 전력 수준이 1 kW 이하의 낮은 범위에서 더 비용 효율적일 수 있습니다. 많은 제조업체가 동일한 설계의 다수 어셈블리를 결합하여 더 높은 전력 수준을 달성하지만, 이러한 설계는 추가 부품 수로 인해 시스템 신뢰성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

전류원 변환기의 과제

경쟁 시장에서 전류원 변환기를 제조하는 데에는 여러 과제가 있습니다. 추가 전력 변환 단계가 물리적 공간을 차지하며 이에 수반되는 재료 비용이 있습니다. 설계의 쌍대성으로 인해 기존의 제어 회로를 사용할 수 없으며, 이러한 회로는 더 적은 집적 소자로 설계해야 합니다. 극도로 낮은 누설 인덕턴스를 위해 설계된 변압기는 독특한 코어 형상이 필요합니다. 더 조밀한 패키징과 특수 자기 회로에 대한 요구로 인해 Magna-Power Electronics는 외주를 최소화하고 설계를 최적화하기 위해 제조 운영을 수직 통합해야 했습니다.

현재 Magna-Power Electronics는 모든 어셈블리를 자사 내에서 제조하고 있습니다. 이 결정은 글로벌 시장에서 경쟁력을 유지하는 데 도움이 되었으며, 전류원 토폴로지를 실현하는 동시에 품질과 납기를 개선할 수 있었습니다. 제조 운영에는 판금 가공, 분체도장, 로봇 방열판 및 체결 부품 조립, 자동 표면 실장 및 스루홀 인쇄회로기판 조립, 자성체 권선 및 코어 가공, CNC 가공, 와이어 하네스 제작, 최종 조립 및 시험이 포함됩니다.

참고문헌

[1] I. Abraham, Pressman: Switching Power Supply Design, 2nd ed. New York: McGraw-Hill, 1998.