개요
인공지능과 5G, 빅데이터 및 클라우드 서버와 같은 애플리케이션에서 데이터 프로세싱 인프라가 계속 빠르게 성장함에 따라 최소한의 공간으로 더 높은 전력 레벨을 공급할 수 있는 솔루션이 요구되고 있다.
이 글은 최신 데이터센터와 서버 랙 전력공급 시스템의 요구사항을 충족할 수 있는 고효율 및 높은 전력밀도의 LLC 공진형 컨버터를 소개한다. 이 DC-DC 컨버터는 48V 중간 버스를 레귤레이션 되지 않은 다운스트림 12V 버스와 비절연 방식으로 연결한다. 표 1은 이 컨버터의 주요 설계 사양을 나타낸 것이다.
컨버터 사양 및 개요
그림 1은 이 컨버터의 시스템 레벨 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. 로컬 바이어스 전원공급장치는 드라이버와 마이크로컨트롤러 장치에 전원을 공급하는데 필요한 전력을 생성한다. 먼저, 드라이버에 전원을 공급하기 위해 48V 버스를 5V로 변환한 다음, LDO(Low Drop-Out) 선형 레귤레이터를 이용해 5V에서 획득한 3.3V를 공급한다. 입력 및 출력 전압이 측정되면, 마이크로컨트롤러 감지 모듈로 피드백된다. 이 컨트롤러는 고분해능 PWM 신호를 생성하여 전력단에 명령을 전달한다.
이 컨버터는 LLC 공진형 토폴로지를 사용하며, 전력 회로도는 그림 2에 나와 있다. 풀 브리지 1차측 구성은 공진 탱크 회로에 펄스 입력 전압을 생성한다. 이 탱크는 트랜스포머 누설 인덕턴스를 이용하는 공진형 인덕터와 직렬로 연결된 공진형 커패시터로 구성되어 있다. 권선비가 4:1인 고주파 평면 트랜스포머는 단일 코어에 2개의 직렬 2:1:1 섹션으로 구성된 매트릭스 트랜스포머로 설계되었다. 트랜스포머 자화 인덕턴스는 1차측 FET에서 ZVS(Zero Voltage Switching)를 달성하는데 사용되는 주요 파라미터이다. 스위칭 Q1 및 Q4와 Q2 및 Q3은 약 50% 듀티 사이클로 스위칭되고, 위상이 서로 180° 다르다. 1차측 FET의 데드타임을 적절히 조정하면, 피크 자화 전류가 FET의 해당 출력 기생 커패시터를 충전 및 방전하여 ZVS를 달성한다. ZVS는 전체 부하 및 라인 범위에서 고효율 및 낮은 EMI를 달성하는 핵심 요소이다.
2개의 병렬 센터-탭(Center-Tapped) 하프 브리지 암이 출력용 동기식 정류기 FET와 함께 2차측에 사용된다. 이러한 동기식 정류 방식은 높은 부하 전류에서 2차측의 전도 손실을 감소시킨다.
소프트 스위칭 컨버터에서 eGaN FET의 이점
LLC 토폴로지는 이미 문서화[1-3]가 잘 되어 있으며, 차세대 eGaN FET의 등장으로 이 토폴로지가 제공하는 모든 장점을 더욱 극대화할 수 있게 되었다. eGaN FET는 MOSFET에 비해 몇 배에 이르는 낮은 성능 지수를 가지고 있다.[4] eGaN FET는 게이트 전하가 낮기 때문에 게이트 드라이버의 전력소모를 줄일 수 있다. 또한 낮은 온 상태 저항(RDS(on))으로 특히 높은 부하 전류에서 전도 손실을 줄이는데 도움을 준다. 이외에도 MOSFET에 비해 낮은 출력 커패시턴스(Coss)는 소프트 스위칭 애플리케이션을 구축하는데 필요한 에너지를 감소시킴으로써 소프트 스위칭 애플리케이션의 데드타임을 단축시킬 수 있다.
eGaN FET의 작은 크기는 전력 밀도를 증가시키고, 전력 컨버터의 크기를 간단하게 줄일 수 있다.
LLC 모듈의 1차측과 2차측에 사용된 2개의 eGaN FET는 표 2와 그림 3에서 확인할 수 있다.
프로토타입 실험 및 결과
그림 4는 LLC 보드 상단과 하단의 각기 다른 섹션이 하이라이트되어 있다.
보드가 작고 전력밀도가 높다는 점을 감안하면, 구성요소의 허용 동작온도를 충족할 수 있는 효과적인 방열판 시스템 설계가 필요하다. 그림 5는 보드의 한쪽 면에 대한 어셈블리 프로세스와 냉각 시스템의 다양한 구성요소를 보여준다. 대칭된 반대쪽은 나타내지 않았지만, 동일한 방식으로 완성된다.
컨트롤러에 구현된 소프트 스타트업 프로세스를 통해 탱크의 높은 돌입전류를 최소화하고, 출력 전압이 공칭 값으로 설정되기 이전의 초기 스타트업 동안 FET전반에 걸쳐 전압 스트레스를 최소화한다. 마이크로컨트롤러는 공칭 동작 값의 약 50%에 도달할 때까지 듀티 사이클을 250ps 단계까지 증가시킨다. 그림 6은 스타트업 시퀀스 동안의 입력 및 출력 전압을 보여준다.
이 컨버터는 개방형 루프 모드에서 DC 트랜스포머로 동작하기 때문에 출력 전압에 대한 레귤레이션을 제공하지 않는다. 고정된 입력 전압에서 동작하면, 부하 전류가 증가함에 따라 출력 전압은 떨어지게 된다. 부하 전류의 함수로서의 출력 전압 강하는 그림 7에 나와 있다.
1차측 FET에서 달성된 ZVS는 오버슈트 및 링잉이 없기 때문에 그림 8의 스위치 노드 파형을 기준으로 확인할 수 있다.
또한 2차측의 동기식 정류기 FET 드레인 전압도 원활하게 전환되는 것을 볼 수 있다. 파형은 1.2kW의 최대 부하 전력에서 캡처되고, 공진 회로는 공진보다 약간 높게 조정된다. 이러한 상태에서의 공진 탱크 전류는 그림 9에서도 확인할 수 있다.
하우스키핑 전원공급장치를 포함한 LLC 컨버터의 전반적인 효율 및 손실은 그림 10에 나와 있다. 측정된 최대 효율은 97.3%이고 풀 부하에서는 96.3%이다.
이 컨버터는 최대 부하 조건에서 1,000LFM 강제 공냉식으로 동작하며, 보드 및 1차측 FET 온도는 보드에서 가장 뜨거운 부분으로 기록된다. 그림 11과 같이, 최대 다이 온도는 97.5°C이고, PCB 온도는 95°C로 관찰되었다.
결론 및 향후 작업
1/8 브릭 사이즈의 1.2kW eGaN FET 기반 LLC 공진형 컨버터는 97.3%의 피크 효율과 96.3%의 최대 부하 효율을 나타냈으며, 1,472W/in3의 전력밀도를 달성했다.
[저자]
아미르 네가다리(Amir Negahdari)
마이클 드 루지(Michael de Rooij)
– EPC(Efficient Power Conversion Corporation) https://epc-co.com/epc
