고효율 디지털 SMPS
ST의 500W 시스템 솔루션
컴퓨터용 어댑터부터 서버 및 통신 시스템까지 다양한 목적으로 만들어진 AC/DC 컨버터는 작동 시 모든 부하
범위와 다용도 입력 전압 범위 전체에서 효율이 높아야 한다. 소형, 고효율 어댑터에 대한 니즈를 감안하면
AC/DC 컨버터 설계는 점점 더 어려워지고 있으며, 아날로그 IC에 기반을 둔 일반적인 방식이 아닌 새로운 변환
방식이 검토되고 있다.
Rosario Attanasio, Ivan Massimiani STMicroelectronics
AC/DC 컨버터 설계 방식을 상세히 살펴보면, 일반적으로는 부스트 타입 PFC와 레귤레이션 단계에서의 이용을 기반으로 하고 두 가지 모두 아날로그 PWM 레귤레이터를 이용해서 제어되는 반면, 새로운 방식은 완전 디지털화된 방식으로 마이크로컨트롤러를 이용하여 PFC와 DC/DC 단계를 관리한다. 이러한 방식은 고밀도, 고효율 전력전자장치 시스템에 점점 더 많이 적용되고 있다.
고성능 마이크로컨트롤러가 개발되고 전력 전자장치 변환에 디지털 컨트롤 방법을 새롭게 적용하면서 디지털 전력 공급 시장의 성장이 본격화되고 있다. 대다수의 하이엔드 전력 공급용 애플리케이션에서는 마이크로컨트롤러가 서서히 디지털 칩을 교체하고 있다. 교체되는 주된 이유를 살펴보면, 디지털 컨트롤은 복잡한 알고리즘 구현이 가능하고 아날로그 제어 대비 유연성, 부품 수, 시스템 오류 모니터링, 데이터 로깅(logging : 기록) 기능, 잡음 및 환경 면역성 개선 등의 이점을 제공하기 때문이다. 이에 따라 전력 공급장치 제조업체들은 IEC61000-3-2 및 IEC519와 같은 국제 표준 요건을 준수하는 새로운 AC/DC 컨버터를 개발하고 있다.
고효율성에 대한 요구가 늘어나면서 AC/DC 컨버터 토폴로지의 선택도 중요해졌다. 기존 토폴로지는 입력 EMI 필터, 다이오드 정류기 단계, PFC(Power Factor Correction)를 실행하는 부스트 섹션, DC/DC 컨버터로 구성되었으며 이러한 방식은 저전력 애플리케이션에 적합하다. 전력 레벨이 올라가면, 다이오드 브리지 손실이 커진다. 효율성을 위해서는 이러한 전력 손실을 반드시 제거해야 한다.
설계자가 처리해야 하는 또 다른 문제는 PFC와 DC/DC 단계에서 전부 전도 및 스위칭 손실을 줄이는 것이다. 전도 손실은 드레인 소스 저항이 매우 낮은 차세대 전력 MOSFET으로 줄일 수 있지만, 시스템 크기와 전체 비용을 줄이는 데 높은 스위칭 주파수를 사용하는 것이 필수적으로 되면서, 스위칭 손실을 줄이기 위해 제로 전류 또는 제로 전압 스위칭(ZCS 또는 ZVS) 전략을 주로 구현하게 된다.
여기서는 STM32 마이크로컨트롤러 제품군을 바탕으로 완전한 디지털 컨트롤을 갖춘 고효율, 500W AC/DC 스위치 모드 전력 공급장치 설계에 대해 살펴본다.
ST마이크로일렉트로닉스의 D-SMPS 솔루션
ST마이크로일렉트로닉스는 서버 및 통신 시스템용으로 500W 디지털 스위치 모드 전력 공급장치(Digital Switch Mode Power Supply, STEVAL-ISA147V)를 개발했다. 이 전력 공급장치는 STM32F0x로 제어하는 입력 SBPFC(Semi- Bridgeless Power Factor Corrector)와 LLG 하프 브리지로 실행되는 조절 단계, STM32F0x 마이크로컨트롤러로 제어되는 SR(Synchronous Rectification)로 구성되어 있다. 사진 1은 보드의 모습이다.
그림 1의 블록도는 이 실행에서 사용된 아키텍처 개념을 간단히 나타낸 것이다. 이러한 종류의 애플리케이션에서는 일반적으로 2단계 컨버터가 사용된다.
왼쪽에서 오른쪽으로 볼 때 맨 처음 블록이 EMI 필터이다. EMI 필터는 일반 AC/DC 토폴로지에서 다이오드 브리지 정류기의 입력과 연결되고, 그것은 다시 PFC 단계의 입력과 연결된다. 하지만 이 AC/DC 컨버터는 소위 세미 브리지리스(Semi-Bridgeless) PFC 토폴로지라는 것을 사용한다. SBPFC는 다이오드 정류기 단계 사용을 피함으로써 전도 손실이 적고 효율성이 높다는 장점을 갖고 있다. SBPFC를 선택하면 일반 PFC와 비교했을 때 부품 수량도 줄어든다.
입력 단계는 일반적으로 버스 전압 조절에 외부 전압 루프를, 사인파형에 따라 전류를 형성하기 위해 내부 제어 루프를 사용하여 제어된다. 외부 루프는 부하나 입력 전압 변동으로부터 독립적으로 조절 버스 전압을 유지하기 위해 전류 지령(Current Reference)을 조정한다. 출력 분리 및 조절 단계는 일정한 듀티 사이클과 가변주파수 제어로 운영되는 하프 브리지 LLC 토폴로지를 이용하여 실행된다.
DC/DC 단계는 모든 작동 범위에서 우수한 효율성과 레귤레이션 유지를 위해 선택된 1차-2차 턴 비의 HF 변압기를 이용하여 전압 강하를 수행하는 LLC 하브 브리지 컨버터이다. 이 변압기는 1차 측 액티브 스위치가 생성한 구형파 전압으로 공급된다. 이 전압 파형은 2차 측에서 정류되고 출력 필터에 의해 평평해진다. 1차 측의 스위칭 손실은 ZVS(Zero Voltage Switching) 덕분에 줄어들고, 2차 측에서는 SR을 이용하여 전도 손실을 낮춘다. 이러한 설계의 전반적인 효과로 시스템의 효율성이 높아짐에 따라 전력공급장치 산업의 까다로운 요건을 맞출 수 있게 된다.
이 시스템은 STM32 제품군의 마이크로컨트롤러로 2개로 제어된다. 1차 측에서는 STM32F0x가 2개의 MOSFET, 즉 입력 AC 전압, 출력 버스 전압의 전류를 샘플링함으로써 브리지리스 PFC를 제어한다. 그 후 2개의 제어 신호, PWM1과 PWM2가 만들어져 2개의 STP57N65M5 MDmeshTM V, N-채널, 전력 MOSFET 스위치를 작동시킨다. 이 장치의 특징은 650V의 최소 항복전압, 63mΩ의 최대 온 저항이다. PFC 출력 정류기 단계는 2개의 STPSC1006D(600V, 10A) 전력 쇼트키 실리콘 카바이드 다이오드를 이용하여 실행된다. 1.16A에서 순방향 전압 강하는 0.75V이다.
2차 측에서는 STM32F30x 마이크로컨트롤러가 출력 전압을 샘플링하고, LLC 브리지 제어 신호 주파수를 조절하여 전 부하 범위에서 안정적으로 작동하도록 한다. 또한, ADC의 2개 채널을 이용하여 SR MOSFET 드레인 소스 전압의 상승 및 하강 에지를 샘플링한다. 두 개의 마이크로컨트롤러는 양방향 직렬 통신을 통해 입력 및 출력 전력 단계 상태에 대한 정보를 교환한다.
전력 단계 및 제어 단계 모두 VIPer28H 고전압 컨버터에 기반을 둔 오프라인 플라이백 회로로 공급된다. 이 컨버터는 2개의 마이크로컨트롤러, 게이트 드라이브 IC, 신호 조절 회로에 적절한 조절 전압을 제공한다.
표 1은 500W 디지털 전력공급장치의 주요 규격을 요약한 것이다. STEVAL-ISA147V1은 광범위한 입력 전압을 수용하고, 12V의 조절 출력을 만들어낸다. 이 장치의 연속 전력등급은 500W이다. 300W까지는 자연대류를 이용한다. 그 이상으로 되면, 냉각 팬이 작동하여 강제 공랭된다. 주변 작동 온도 범위는 0℃∼50℃이다.
중간 단계의 고전압 DC 버스는 AC 입력에서 사인파 입력 전류를 끌어들이는 PFC로 430V에서 레귤레이션되어 역률은 높게, 전류 총합 왜형률(THDI%)은 낮게 유지한다. LLC 회로는 높은 DC 전압을 낮은 DC 전압으로 변환하여 HF 변압기로 분리(4kV)하며 ZVS 덕분에 고효율성을 제공한다. 입력 및 출력 전류와 전압 보호도 과온도 보호장치가 함께 제공된다.
세미 브리지리스 PFC 설계
브리지리스 PFC는 다이오드 브리지 정류기가 없고, 어떤 작동 인터벌 동안이라도 전류 전도 경로에서 2개의 반도체만 사용하는 특징을 가진 고효율 토폴로지이다. 그림 2는 브리지리스 PFC 부스트 컨버터의 기본 구도를 나타낸 것이다. 부스트 인덕터가 입력 AC 소스와 바로 연결되어 있고, 라인과 중립 배선으로 나뉘어 있다. 각 인덕터는 전력 MOSFET의 드레인, 고속 스위칭 다이오드의 양극과 연결된다. 다이오드 2개의 음극은 출력 필터 커패시터와 연결되고, 이 커패시터는 다시 부하와 병렬 연결된다.
이 회로의 작동은 일반 PFC 작동과 매우 유사하다. 좀 더 자세히 살펴보면, 입력 전압의 양(Positive)의 반 주기 동안 L1, M1, D1 및 C1으로 구성된 부스트 컨버터가 활성화되고, 입력 전압의 음(Negative)의 반주기 동안에는 L2, M2, D2, 및 C1으로 구성된 부스트 컨버터가 활성화된다.
이 회로는 기존의 PFC 토폴로지에 비해 부품 수량이 적고 효율성이 높지만, 단점도 있어 이러한 구성으로 사용하는 데에는 한계가 있다. 주요 단점은, AC 소스가 PFC 그라운드로 참조되지 않는다는 것이다. 그 결과 입력 전압과 인덕터 전류 센싱에 어려움이 발생한다. 이 회로와 관련하여 공통 모드 EMI 필터링도 이슈가 될 수 있다.
브리지리스 PFC의 변종인 세미 브리지리스 PFC는 그림 3과 같이 D3, D4 등 다이오드 2개가 추가된 것이 특징이다.
추가된 다이오드 2개의 목적은 음의 단계가 PFC 그라운드에 계속 연결되게 하는 것이며, 그러면 전술한 브리지리스 토폴로지에서 생기는 EMI 필터링 이슈를 해결할 수 있다.
이 컨버터는 DCM에서 작동하도록 설계되었다. 중/저전력 애플리케이션에서 스위칭 손실 감소, 낮은 다이오드 역회복 전류, 작은 인덕터 크기 등 여러 가지 장점 때문에 불연속 및 크리티컬 전도 모드가 종종 이용된다. 광범위한 입력 전압 범위 및 부하 범위 전체에서 DCM으로 동작하려면, 2개의 입력 초크의 인덕턴스 값을 신중하게 선택해야 한다.
광범위한 입력전압 범위 및 부하 범위 전체에서 DCM이 작동되도록 하려면 2개의 입력 초크 인덕턴스값을 신중하게 선택해야 한다. 인덕터의 값은 식 (1)과 같다.
식 (1)에서 M＝Vout/Vin은 컨버터 전압 이득을, R＝Vout2/Pout은 부하 저항을, T는 스위칭 기간을 의미한다. 식 (2)에서 입력 인덕터의 값을 계산하는 데 피크 입력 전압의 최소값을 고려했다는 점에 주목해야 한다.
이 애플리케이션에서는 DC 저항이 33mΩ인 100μH, 10A RMS 인덕터 초크 2개를 선택했다. 자기 포화(Core Saturation)를 피하기 위해 인덕터의 피크-전류 등급은 컨버터의 예상 피크 전류보다 훨씬 높아야 한다. 식 (2)로 인덕터 피크 전류를 계산할 수 있다.
식 (2)에서 듀티 사이클은 최대 0.9로 제한되었다고 가정한다. 60kHz의 설계 스위칭 주파수에서는 철손(Core Loss)이 낮은 코어 재료로 이루어진 갭 페라이트가 사용되었다. 최소 입력 전압 및 최소 희망 컨버터 효율을 감안하여, 입력 전류의 최대 RMS와 피크 값은 다음과 같이 산출될 수 있다.
정격 전압이 출력 전압보다 높고, 정격 전류가 최대 인덕터 전류보다 높은 전력 MOSFET을 선택한다. DCM에서 작동하는 부스트 PFC는 주로 전도 손실 영향을 받으므로, 고효율을 보장하기 위해서는 드레인 소스 저항이 낮은 전력 MOSFET을 사용하는 것이 중요하다. 식 (5)에 따라서 장치의 출력 전압을 선택한다.
설계 요건을 충족시키기 위해 STP57N65M5 MDmeshTM V N 채널 전력 MOSFET을 M1 및 M2에 사용했다. 평균 다이오드 전류는 다음과 같이 산출될 수 있다.
2개의 STPSC1006D 600V, 10A 전력 쇼트키 실리콘 카바이드 다이오드를 정류기 다이오드로 사용한다.
PFC 제어 알고리즘
기존 전류 센싱 회로와 32비트 마이크로컨트롤러에서 고속 12비트 A/D 컨버터로 제공되는 STM32F051K8로 제어한다. 기존의 평균 전류 모드 제어 실행과 같이, 이 알고리즘은 ＜100Hz에서 작동하여 기준 값(430V)에서 버스 전압 출력을 조절하는 외부 전압 루프와 60kHz에서 작동하면서, 입력 전류가 입력 전압과 같은 위상에서 사인곡선 기준을 따라가도록 하는 내부 전류 루프 등 제어 루프 2개를 사용한다.
전압 제어는 1개의 선형 레귤레이터로 가능하지만, 전류 제어는 PI 제어기에 덧붙여 피드포워드 제어기를 바탕으로 한다. 그림 4는 제어 도식을 블록선도로 나타낸 것이다.
이 마이크로컨트롤러는 피드백 전류와 기준 전류값의 오류를 기준으로, 매 스위칭 주기마다 듀티 사이클을 계산한다. 그 후 듀티 사이클 값으로 2개의 스위치를 제어하여 단위 역률과 사인 입력 전류 파형을 얻는다. 최종 산출된 듀티 사이클 값은 즉각적인 입력 및 출력 전압값에 따라 결정되는 개루프(Open Loop) 피드포워드와, 적용된 부하에 따라 좌우되는 폐루프(Closed Loop) 등 2개의 용어로 구성된다.
LLC 컨버터의 설계 및 제어 알고리즘
DC/DC 단계의 목적은 PFC 출력 전압을 12V로 강하하는 것이다. 이 변환 단계에 이용되는 토폴로지는 그림 5에 나타난 LLC 하프 브리지이다. LLC 컨버터의 전력 단계는 입력 및 출력 커패시터 C2와 C3, 전력 MOSFET M3 및 M4, 변압기 T1, 공진 커패시터 Cr로 구성된다. 그림 5의 공진 인덕터 Lr과 자화 인덕터 Lm은 고주파수 변압기에 통합되어 있다.
이 컨버터는 모든 부하 범위의 ZVS 영역에서 작동하도록 설계되어 있다. 표 2는 이 설계에 사용된 주요 매개변수를 나타낸 것이다. 이 컨버터를 ZVS에서 모든 부하(Full Load), 최소 입력 전압으로 작동시키기 위한 양호도 Q의 최대값은 식 (7)과 같이 계산할 수 있다.
LLC의 1차 측에서 사용된 전력 MOSFET의 경우 파괴전압은 600V, 100℃ 케이스 온도에서 드레인 전류는 6.9A, 최대 드레인 소스 저항은 0.38Ω이다.
이 장치의 부품 번호는 STP13NM60ND이며, MDmeshTM Ⅱ 기술을 이용하여 만들어진 고유의 빠른 복구 바디 다이오드를 특징으로 한다. SR의 2차 측에 사용된 전력 MOSFET의 파괴전압은 30V이며, 100℃ PCB 온도에서 드레인 전류는 32A이다. STripFETTM Ⅵ DeepGATETM 기술 덕분에 드레인 소스 저항이 매우 낮다. 부품 번호는STL160N3LLH6 이며, 파워 플랫 5X6 패키지로 제공된다.
LLC 컨버터 제어 알고리즘
LLC 펌웨어는 2차 측 MCU에서 실행되며, 2차 측의 MCU는 STM32 제품군의 32비트 마이크로컨트롤러인 STM32F303Cx이다. 이 제어 전략에서는 12V DC로 출력 전압을 정확하게 조절하기 위해 1차 및 2차 측 MOSFET 모두 게이트 신호를 생성한다.
그림 6은 이 제어도식을 블록도로 나타낸 것이다. 전압 제어 루프는 단순한 PI 레귤레이터로 구성되어 있고, 적절한 타이머의 업데이트 이벤트에서 실행된다. 레귤레이터 출력이 여러 클록 사이클에서 바로 MOSFET PWM 기간의 신규 값이므로 주파수는 44kHz∼80kHz으로 다양한 반면, 듀티 사이클은 50%로 고정된다. SR PWM의 상승 및 하강 에지는 계속해서 계산되고 업데이트된다.
사실, SR PWM 생성은 광분리기(Opto-Isolator) 지연과 5MHz, 12비트 ADC로 샘플링된 SR MOSFET 드레인 소스 전압값을 감안한다. 실행된 동기 정류 제어 전략은 효율성을 개선하고 하드웨어로 인해 발생한 지연을 보상한다.
시스템의 성능
500W AC/DC 디지털 전력공급장치의 성능과 제어 테크닉은 상용 라인 입력 전압 범위와 50W∼500W 부하 범위에서 실험실 테스트를 통해 검증되었다.
그림 7은 두 개의 효율성 곡선을 통해 효율성을 측정한 결과이다. 두 곡선은 230V AC 및 120V AC 입력 전압에서의 효율성 결과를 나타낸다. 230V AC에서 피크 효율성이 측정되었으며, 거의 93%였다. 50W∼500W 전력 범위, RMS 선간 전압 230V AC 및 120V AC에서 측정된 역률과 THD%가 각각 그림 8과 그림 9에 나타나 있다. 제안된 제어 방식은 전체 작동 범위에서 THD가 낮았고, 역률이 높았다.
그림 10은 120VAC 및 450W 작동 시 입력 전류 파형(가운데에 있는 굵은 선)과 듀티 사이클(위쪽에 있는 굵은 선)을 나타낸 것이다. 측정된 THD 값은 5.8%이다. 그림 11은 전체 부하에서 1시간 작동한 후의 DSMPS 보드 열 지도이다. 300W 이상으로 되면 MCU는 강제 공냉을 활성화한다.
지금까지 ST마이크로일렉트로닉스의 500W 디지털 스위치 모드 전력 공급장치의 새로운 설계에 대해 살펴봤다. STEVAL-ISA147V1라는 이름의 이 시스템은 세미 브리지리스 PFC 회로와 LLC 하프 브리지 DC/DC 단계로 구성된 2단계 아키텍처를 기반으로 한다. 제어 아키텍처는 STM 32 마이크로컨트롤러 제품군인 32비트 MCU 2개를 중심으로 설계되었다. 여기서는 PFC와 LLC 컨버터의 제어 알고리즘이 강조되었다.
실험 결과, 스위칭 특징이 우수하고 매우 낮은 온 저항의 전력 MOSFET과 같은 ST마이크로일렉트로닉스 제품을 사용하고, 고성능 32비트 마이크로컨트롤러에 적합한 제어 전략을 실행한 덕분에 광범위한 입력 전압 및 부하 전류 조건에서 고효율성(거의 93%), 거의 단위 역률, 낮은 THD%를 달성할 수 있었다.
