로맹 피숑(Romain PICHON) 시스템 및 애플리케이션 엔지니어

 

소개

지난 10년간 신규 서버 설치에 대한 시장 수요가 2015년부터 2022년까지 연평균 11%의 높은 성장률로 급격히 증가했다. 이러한 가속화의 첫 번째는 업무용 또는 개인용 문서의 전반적인 프로세스가 디지털화하면서 발생했다. 다음 두 번째는 전 세계적인 보건 위기로 업무적으로는 재택 근무가 증가하거나 개인적으로는 새로운 미디어 플랫폼이 등장하면서 스크린 소비가 늘어나면서 발생했다. 세 번째. 가속화는 이제 AI 개발과 상용화로 시작되고 있다. 

 

 

이러한 환경에서 서버용 SMPS를 설계할 때 가장 어려운 과제는 높은 전력 분산을 관리하거나, 확장 가능하고 규모가 큰 유형의 인프라의 유지보수 비용을 줄이는 것이었다. 최소한 이 두 가지 주요 문제에 대한 답을 찾기 위해 실리콘 제어 정류기(SCR, Silicon-Controlled-Rectifiers) 전력 디스크리트에 기반을 둔 새로운 트렌드가 탄생했으며, 이는 SMPS의 AC/DC단과 시동 기능으로 기존의 전기 기계식 스위치에 대한 혁신적 대안을 제시한다. 

 

최첨단 기술

 

a) 원리
AC-DC 전력 컨버터를 시동하는 동안 DC 벌크 커패시터의 충전으로 발생하는 고전류는 시스템 공칭 정상 상태 전류의 10배까지 상승할 수 있다. 이 돌입 전류는 AC 주전원의 전압 강하를 유발하며, 이는 동일한 전력 네트워크에 연결된 다른 장비의 작동에 영향을 줄 수 있다. 전압 변동 및 플리커는 IEC61000-3-3 표준에 규정돼 있다. 전기 설비의 안전과 전력 컨버터의 안정성을 유지하려면 이 돌입 전류를 제한해야 한다.

 

실제로 돌입 전류는 회로 차단기, 와이어 퓨즈, 커패시터 또는 브리지 정류기와 같은 직렬 장치를 트리거하거나 손상시킬 수 있다. 다음 세 가지 솔루션으로 애플리케이션 플러그인 시에 발생하는 돌입 전류를 제한한다. 

 

- NTC 또는 PTC를 정상 상태의 전기 기계식 릴레이를 통해 우회시킨다.
- SCR은 NTC 또는 PTC 우회에 사용된다. 
- SCR은 소프트 스타트 턴온 구성으로 사용된다.

 

소프트 스타트 단계와 정상 상태 단계의 각 솔루션 원리는 그림 1을 참조하면 된다. 

 

 

b) 소프트 스타트에 적합한 전략
이전의 표준 토폴로지는 돌입 전류를 관리하는 NTC를 우회하는 전기 기계식 릴레이를 사용했다. SCR을 사용하면 NTC를 우회하면서 동일한 효과를 낼 수 있다. 현재 소프트 스타트 토폴로지에는 최적화한 설계 전략이 채택됐다. SCR은 위상각으로 제어되면서 피크 AC 라인 전압까지 PFC 출력 커패시터 전압을 원활하게 증가시킨다. MCU는 사전 충전 피크 전류 값을 제어하고 SCR 게이트의 구동 신호 각도 단계(그림 2의 Δt)를 동기화한다.

 

 

I_LINE 피크 값과 Δt 값은 상관관계가 있음을 알 수 있다. Δt 값이 높을수록 I_LINE 피크 값이 높아지고 시스템 시동이 빨라진다. 

 

c) 전체 SCR 토폴로지의 장점
소프트 스타트 토폴로지를 사용하면 설계자는 전기 기계 소자 및 수동 소자(예 : NTC 또는 PTC) 없이도 애플리케이션 시작 시 돌입 전류를 처리해 AC/DC 정류 섹션의 전체 부품 수를 저감시킬 수 있다. SCR 턴온은 MCU로 제어하며, 설계자는 라인 전류 수준을 손쉽게 설정할 수 있어 IEC61000-3-3을 충족하는 동시에 시동 시간을 단축할 수 있다. 

 

SCR X1 및 X2는 브리지의 로우사이드에서 표준 정류 다이오드를 대체하며 1개의 트라이악 Q1과 2개의 소형 정격 다이오드 D1 및 D2로 구성된 간단한 드라이버에 의해 트리거된다. 드라이버 배열 덕분에 절연 회로 및 AC 라인 극성 감지 기능 없이도 MCU로 SCR을 트리거할 수 있다. 순방향 바이어스된 SCR만 트리거되므로 사용하지 않는 SCR에 게이트 전류를 역방향으로 적용할 때 잠재적인 전력 손실의 위험이 없다. 

 

돌입 전류에 대한 이 완전한 solid-state 솔루션을 사용하면 더 이상 대형 기계 장치인 릴레이가 필요하지 않으며, 안정성과 작동 수명이 향상된다. 또한 애플리케이션에 릴레이 접점 반동으로 인한 EMI 잡음 문제가 더 이상 발생하지 않으며, 반도체인 SCR은 릴레이에 대비해 노화 영향을 받지 않는다. 그림 3에서는 전력 효율, 전력 밀도, 수명, 음향 잡음, 전자기 간섭과 같은 몇 가지 애플리케이션 성능을 16A SCR과 16A기계식 릴레이로 비교해 보여준다.
 
 

 

데이터 센터의 엄청난 전력 손실

 

데이터 센터 SMPS(Switched-Mode Power Supply) 설계자에게 가장 큰 고민은 전력 손실이다. 물 냉각이나 전자 장비의 오일 침지와 같은 냉각 방법이 계속 개선되고 있음에도 불구하고, 컨버터의 전력 소자 손실을 최소화하여 가능한 최고의 효율성을 달성하는 것이 첫 번째 지렛대다. 

 

a) 1500W PSU의 전력 손실 : 릴레이와 SCR 비교
전체 SCR 솔루션의 전력 효율은 1500W 전원 공급 장치(PSU)에서 측정됐다. 기계식 릴레이를 사용하는 원래 구성은 ST에서 제작한 평가 보드를 사용해 전체 SCR 토폴로지로 연결함으로써 대체됐다. 그림 4는 10%부터 100%까지의 출력 부하에 대한 두 솔루션의 효율을 보여준다.
 

 

SCR 토폴로지는 릴레이와 정확히 동일한 효율을 보여준다.

b) 150°C의 접합부 온도로 SCR 손실 최적화
높은 전력 손실과 과열을 방지하려면 올바른 SCR을 선택하는 것이 중요하다. ST는 AC/DC 컨버터 전용 SCR 제품군을 개발했다. 핵심 파라미터는 150°C의 최대 접합부 온도다. 16A고온 SCR의 온 상태 특성을 나타내는 그림 5를 참조하면 된다. 150°C의 접합부 온도와 6.5A의 RMS 전류 수준(1500W/230V SMPS의 경우)에서 SCR의 온 상태 전압 강하는 25°C의 저온에서보다 낮다. 따라서 고온에서 작동될 경우 SCR의 전력 손실이 더 낮아진다. 고온에서 작동될 경우 냉각 성능 제한, 설계자의 온도 평가 마진 확보, 안정성 향상 등 다른 이점도 있다.  

 

 

회로 구현 및 동작

 

설계자의 첫 번째 질문은 ‘정류기 브리지에서 SCR 게이트 회로를 어떻게 설계할 것인가?’다. 이 질문의 답은 아래 게이트 회로를 통하여 쉽게 답할 수 있다. 그림 6의 인터페이스 회로는 몇가지 절연되지 않은 디스크리트 소자와 직접 연결된 MCU로 구성돼 있다. 동작 설명을 단순화하기 위해 다음과 같이 AC 라인의 반주기의 사인파에 대한 동작만 고려한다. X2 SCR은 다이오드 D2를 통해 Q1에 의해 트리거된다. 따라서 MCU에 의해 Q1이 활성화되면 X2도 즉시 켜진다. Q1 게이트 전류는 MCU에서 싱크되고, X2 게이트 전류는 AC 라인에서 Q1 및 D2를 통해 싱크된다. 

 

 

반주기의 사인파 동작 중에 D1 다이오드는 역바이어스되므로 X1 SCR 게이트를 통해 게이트 전류가 흐르지 않아 SCR 누설 전류로 발생하는 추가적인 역 손실이 방지된다. 돌입 단계에서 Q1 트라이악은 MCU에 의하여 위상각으로 제어되므로 X2 SCR도 위상각으로 트리거된다. 돌입 전류는 D3, PFC 출력 커패시터(C), X2 SCR을 통해 흐르고 Neutral로 돌아간다. 이 동작으로 PFC 출력 커패시터(C)에 DC link전압 Vdc가 부드럽게 충전된다. 정상 상태에서는 PFC가 켜져 있고, Q1 트라이악은 입력 사인파의 전구간에서 트리거돼 있다. 

 

결론

 

높은 접합온도를 기반으로 하는 SCR 토폴로지와 전용 비절연 드라이버를 사용하면 돌입 전류를 완전한 solid-state 솔루션으로 처리하는 동시에 전자 기계 및 또는 수동 소자를 손쉽게 교체할 수 있다. 데이터 센터용 SMPS와 같이 전력 밀도가 높은 애플리케이션에 완벽하게 적합하므로 설계자는 고효율 애플리케이션을 유지하고 기계 부품을 제거해 높은 안정성을 제공하고, 비절연 제어 회로를 손쉽게 구현하는 등의 이점을 누린다. 

 

헬로티 서재창 기자 |