글_ Jeff Shepard 작성
Digi-Key 북미 지역 편집부 제공
역률 보정(PFC)은 AC/DC 전원 공급 장치, 배터리 충전기, 배터리 기반 에너지 저장 시스템, 모터 구동 및 무정전 전원 공급 장치를 포함한 AC 본선 전력 구동 장비의 효율성을 극대화하는 데 필요합니다. 역률 보정은 특정 전자 장비 유형의 최소 역률(PF) 수준을 명시하는 규정이 있을 정도로 매우 중요합니다.
계속 축소되는 폼 팩터 내에서 전반적인 성능을 개선해야 하는 압박이 지속되는 상황에서 설계자는 이러한 규정을 충족하기 위해 디지털 제어 기술과 실리콘 카바이드(SiC), 질화 갈륨(GaN) 등의 와이드 밴드갭 반도체를 활용하는 능동 PFC 설계로 눈을 돌리고 있습니다.
본 기사에서는 IEEE와 IEC 간 정의의 차이를 비롯한 PF 개념 및 정의와 관련 표준을 살펴보고 설계자가 평가 기판의 사용을 포함한 와이드 밴드갭 반도체와 디지털 제어를 사용하여 PFC를 구현하는 데 사용할 수 있는 STMicroelectronics, Transphorm, Microchip Technology, Infineon Technologies와 같은 벤더의 PFC용 솔루션을 소개합니다.
[원고 내용]
1) 와이드 밴드갭 반도체와 디지털 제어를 사용하여 더 효과적인 역률 보정 설계(1)
2) 와이드 밴드갭 반도체와 디지털 제어를 사용하여 더 효과적인 역률 보정 설계(2)
WBG 반도체와 디지털 제어를 사용하여 능동 PFC 설계
GaN 및 SiC를 비롯하여, 설계자에게 새로운 옵션으로 떠오르는 디지털 제어 기술과 와이드 밴드갭 전력 반도체를 사용하는 능동 PFC 회로는 아날로그 제어 기반의 능동 PFC 설계나 수동 PFC 설계와 비교해 높은 효율과 높은 전력 밀도를 제공할 수 있습니다.
설계자는 아날로그 컨트롤러를 고급 디지털 제어 기술로 대체하거나 마이크로 컨트롤러를 비롯한 추가 디지털 제어 소자로 아날로그 제어를 보완하여 PFC 성능을 극대화할 수 있습니다. 경우에 따라, WBG 반도체를 사용하여 PFC 성능을 개선할 수도 있습니다.
부품 비용이 감소되면서 PFC에 대해 인터리브 설계와 브리지리스 설계라는 두 가지 방법이 앞당겨 구축되었습니다. 접근 방식마다 제공되는 이점이 다릅니다.
• 인터리브 PFC 이점:
o 효율 향상
o 열 분산 개선
o PFC 스테이지를 통과하는 RMS 전류 감소
o 모듈성
• 브리지리스 PFC 이점:
o 효율 향상
o 입력 정류에서의 손실이 절반으로 감소
o 열 분산 개선
o 출력 밀도 향상
아날로그 및 디지털 제어를 결합한 3채널 인터리브 PFC 컨트롤러
STMicroelectronics의 STNRGPF01 컨트롤러는 구성 가능 ASIC로, 디지털과 아날로그 제어를 결합하며 인터리브 PFC에서 최대 3개 채널까지 구동할 수 있습니다(그림 5). 이 장치는 평균 전류 모드 제어를 통해 고정 주파수에서 연속 전도 모드(CCM)로 작동하며 혼합 신호(아날로그/디지털) 제어를 구현합니다. 아날로그 내부 전류 루프는 하드웨어로 실행되어 주기별 조정이 가능합니다. 외부 전압 루프는 디지털 비례 적분(PI) 컨트롤러로 실행되어 응답이 빠르고 동적입니다.
STNRGPF01은 실제 부하 조건에 따라 정확한 수의 PFC 채널을 사용할 수 있는 유연한 상 흘림 전략을 구현합니다. 이 기능 덕분에 STNRGPF01은 다양한 부하 전류 요구 사항에서 항상 최고 전력 효율을 보장할 수 있습니다.
이 컨트롤러는 유입 전류 제어, 소프트 스타트업, 버스트 모드 냉각 관리, 상태 표시와 같은 여러 기능을 구현합니다. 또한 과전압, 과전류 및 열 결함에 대한 완전한 보호 기능이 내장되어 있습니다.
설계자가 쉽게 시작할 수 있도록 STMicroelectronics는 STNRGPF01을 기반으로 하는 STEVAL-IPFC01V1 3kW PFC 전력 관리 평가 기판도 제공합니다(그림 6). 기능 및 사양은 다음과 같습니다.
• 입력 전압 범위: 90VAC ~ 265VAC
• 라인 주파수 범위: 47Hz ~ 63Hz
• 최대 출력 전력: 3kW(230V 기준)
• 출력 전압: 400V
• PF: > 0.98(20% 부하 기준)
• 총 고조파 왜곡: < 5%(20% 부하 기준)
• 혼합 신호 제어
• 스위칭 주파수: 111kHz
• 주기별 조정(아날로그 전류 제어 루프)
• 입력 전압 및 부하 피드 포워드
• 위상 차단
• 버스트 모드 작동
STNRGPF01 혼합 신호 컨트롤러 외에도 이 평가 기판에는 STW40N60M2 N 채널, 600V, 34A의 저 Qg 실리콘 전력 MOSFET 및 PM8834TR 게이트 구동기 IC가 포함되어 있습니다.
GaN FET를 사용하는 브리지리스 토템폴 PFC
브리지리스 PFC 토폴로지는 다이오드 브리지 정류 사용과 관련된 전압 강하 및 비효율성을 제거하기 위해 개발되었습니다. 브리지리스 토템폴 PFC는 GaN 및 SiC와 같은 WBG 전력 반도체의 등장으로 가능해졌습니다(그림 7). 기존 토템폴 설계(a)에서는 라인 정류를 위해 GaN FET 2개와 다이오드 2개를 사용합니다. 브리지리스 토템폴 수정(b)에서는 다이오드 대신 2개의 낮은 저항 실리콘 MOSFET으로 다이오드의 전류-전압(IV) 강하를 대체하여 효율이 향상됩니다.
GaN 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)의 역회복 전하(Qrr)가 실리콘 MOSFET보다 훨씬 작기 때문에 브리지리스 토템폴 설계의 실용성이 높아집니다(그림 8). 다음의 간소화된 CCM의 토템폴 PFC 회로도에서는 전도 손실을 최소화하는 데 중점을 둡니다.
이 회로는 고속 스위칭 GaN HEMT 2개(Q1 및 Q2)와 저항이 매우 낮은 MOSFET 2개(S1 및 S2)로 구성됩니다. Q1 및 Q2는 높은 펄스 폭 변조(PWM) 주파수에서 작동하며 부스트 컨버터 역할을 합니다. S1 및 S2는 훨씬 더 낮은 라인 주파수(50Hz/60Hz)에서 작동하며 동기화된 정류기 기능을 합니다. 1차 전류 경로는 빠른 스위치 1개와 느린 스위치 1개만 포함하며, 다이오드 강하가 없습니다. S1 및 S2의 역할은 8(b) 및 8(c)에 나온 대로 동기화된 정류기입니다. 양의 AC 주기 동안 S1은 켜지고 S2는 꺼지므로 AC 중성선이 DC 출력의 음극 단자에 연결됩니다. 음의 주기에는 정반대로 적용됩니다.
CCM이 작동할 수 있으려면 슬레이브 트랜지스터의 바디 다이오드가 플라이백 다이오드로 작동하여 부동 시간 중 인덕터 전류가 흐르도록 해야 합니다. 그러나 마스터 스위치가 켜지면 다이오드 전류가 0으로 빠르게 감소하고 역차단 상태로 전환해야 합니다. 이 프로세스가 토템폴 PFC에서 중요한 이유는 고전압 Si MOSFET의 바디 다이오드 Qrr이 높아서 비정상적인 스파이크, 불안정성 및 관련된 높은 스위칭 손실이 발생할 수 있기 때문입니다. Qrr이 낮은 GaN 스위치를 사용하면 설계자가 이런 문제를 극복할 수 있습니다.
설계자는 Transphorm의 TDTTP4000W066C 4kW 브리지리스 토템폴 PFC 평가 기판을 사용하여 회로 운영을 연구할 수 있습니다. 이 평가 기판은 Microchip Technology의 MA330048 dsPIC33CK256MP506 디지털 전력 플러그인 모듈(PIM)을 컨트롤러로 사용합니다. Transphorm의 Gen IV(SuperGaN) TP65H035G4WS GaN FET를 통해 효율성이 매우 높은 1상 변환이 가능합니다. 회로의 고속 스위칭 레그에 Transphorm GaN FET를 사용하고 회로의 느린 스위칭 레그에 낮은 저항 MOSFET을 사용함으로써 성능과 효율을 높일 수 있습니다.
실리콘 FET와 SiC FET를 결합한 양방향 토템폴 PFC
그리드 양방향 배터리 전기 자동차 및 배터리 기반 에너지 저장 시스템 설계자를 위해, Infineon에서는 양방향 전력 용량을 갖춘 3300W 토템폴 PF 보정기인 EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 평가 기판을 제공합니다(그림 9). 이 브리지리스 토템폴 PFC 기판은 입방인치당 72W의 높은 출력 밀도를 제공합니다. EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 기판에 구현된 토템폴은 정류기(PFC) 및 인버터 모드의 CCM에서 작동하며, Infineon XMC1000 계열 마이크로 컨트롤러를 사용하여 완전한 디지털 제어를 구현합니다.
이 토템폴 PFC는 Infineon의 IMZA65R048M1 64mΩ, 650V, CoolSiC SiC MOSFET과 IPW60R017C7 17mΩ, 600V, CoolMOS C7 실리콘 전력 MOSFET의 조합을 사용합니다. 이 컨버터는 CCM에서 65kHz의 스위칭 주파수로 하이라인(최소 176V rms, 공칭 230V rms)에서만 작동하며, 반부하 상태에서 최대 99%의 효율을 제공합니다. 이 3300W 양방향(PFC/AC-DC 및 인버터/AC-DC) 토템폴 솔루션에 사용되는 기타 Infeneon 장치는 다음과 같습니다.
• 2EDF7275FXUMA1 분리형 게이트 구동기
• 바이어스 보조 공급 장치를 위한 IPU95R3K7P7 950V CoolMOS P7 MOSFET을 사용하는 ICE5QSAGXUMA1 QR 플라이백 컨트롤러
• PFC 제어 구현을 위한 XMC1404 마이크로 컨트롤러
결론
PF가 낮으면 전력망과 전력 변환기에 비효율성이 초래되므로 특정 유형의 전자 장치에 대한 최소 PF 수준을 명시하는 규정에서 다양한 AC 본선 전력 구동 장비에 PFC를 구현하도록 하고 있습니다. 이러한 규제 요구 사항을 충족하는 동시에 폼 팩터 축소와 성능 향상의 요구를 해결하기 위해 설계자는 간단하고 저렴한 수동 PFC 기술의 대안이 필요합니다.
위에서 살펴본 바와 같이 설계자는 대신 디지털 제어 기술과 SiC 및 GaN 같은 WBG 반도체를 사용한 능동 PFC 설계를 구현하여 PF를 높이는 동시에 콤팩트한 설계를 얻을 수 있습니다.
권장 참고 자료
1. Designing Efficient Interleaved Power Factor Correction Solutions(효율적인 인터리브 역률 보정 솔루션 설계)
2. SiC 기반 MOSFET을 사용하여 전력 변환 효율 개선
