전원 공급 장치란 무엇인가요?
전원 공급 장치는 에너지원(예: 전력망)의 전류를 부하(예: 모터 또는 전자 장치)에 필요한 전압으로 변환하는 전기 장치입니다.
전원 공급 장치에는 선형 전원 공급 장치와 스위칭 전원 공급 장치라는 두 가지 주요 설계가 있습니다.
선형 전원 공급 장치: 선형 전원 공급 장치 설계는 변압기를 사용하여 입력 전압을 강압한 다음 전압을 정류하고 DC 전압으로 변환한 다음 필터링하여 파형 품질을 개선합니다. 선형 전원 공급 장치는 선형 레귤레이터를 사용하여 출력 전압을 일정하게 유지합니다. 선형 레귤레이터는 과도한 에너지를 열의 형태로 방출합니다.
스위칭 전원 공급 장치: 스위칭 전원 공급 장치 설계는 변압기 크기 및 전압 조정 문제를 포함하여 선형 전원 공급 장치 설계에 존재하는 많은 문제를 해결하는 새로운 접근 방식입니다. 스위칭 전원 공급 장치 설계에서는 입력 전압이 더 이상 감소하지 않고 입력에서 정류 및 필터링된 다음 초퍼에 의해 고주파 펄스 시퀀스로 변환되고, 전압이 출력에 도달하기 전에 다시 필터링 및 정류됩니다.
목차
스위칭 전원 공급 장치의 작동 원리
선형 AC/DC 전원 공급장치는 오랫동안 전력망의 교류를 가전제품이나 조명에 사용하기 위해 직류로 변환하는 데 사용되어 왔습니다. 하지만 고전력 애플리케이션에는 점점 더 작은 전원 공급 장치가 필요합니다. 선형 전원 공급 장치는 낮은 소음으로 인해 여전히 유용한 특정 산업 및 의료용으로 강등되었으며, 스위칭 전원 공급 장치는 작은 크기, 고효율 및 고전력 처리 능력으로 인해 선형 전원 공급 장치를 대체했습니다. 그림 1은 스위칭 전원 공급 장치에서 교류(AC)에서 직류(DC)로의 일반적인 변환 과정을 보여줍니다.
그림 1: 절연 AC/DC 스위칭 전원 공급 장치
입력 정류
정류는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 과정입니다. 입력 신호의 정류는 스위칭 모드 AC/DC 전원 공급 장치의 첫 번째 단계입니다.
직류 전압은 일반적으로 배터리에서 제공하는 전압과 같이 일정한 직선 전압으로 생각됩니다. 하지만 실제로 직류(DC)는 단방향으로 흐르는 전하의 흐름으로 정의됩니다. 즉, DC 전압은 같은 방향으로 흐르지만 반드시 일정하지는 않습니다.
사인파 교류(AC) 사인파는 가장 일반적인 전압 파형으로, 주기의 전반부는 양수이고 후반부는 음수입니다. 음의 절반 주기가 반전되거나 제거되면 전류는 교류를 멈추고 직류가 됩니다. 이 변환 과정은 정류를 통해 이루어질 수 있습니다.
정류는 패시브 하프브리지 정류기에서 다이오드를 사용하여 사인파의 음의 절반을 제거함으로써 이루어집니다(그림 2 참조). 다이오드는 파의 양의 절반 주기 동안 전류가 흐르도록 허용하고 반대 방향으로 흐르면 전류를 차단합니다.
그림 2: 하프 브리지 정류기
정류된 사인파는 평균 전력이 낮아 디바이스에 효과적으로 전력을 공급할 수 없습니다. 더 효과적인 또 다른 방법은 음의 반파의 극성을 변경하여 양의 파동으로 바꾸는 것입니다. 이 방법을 전파 정류라고 하며 풀 브리지 구성에는 4개의 다이오드만 필요합니다(그림 3 참조). 이 구성은 입력 전압의 극성에 관계없이 안정적인 전류 방향을 보장합니다.
그림 3: 풀 브리지 정류기
하프 브리지 정류에 비해 전파 정류 파형의 평균 출력 전압은 더 높지만 전자 장비에 전력을 공급하는 데 필요한 일정한 DC 파형과는 여전히 거리가 멀다. 이미 DC 파형이지만 전압 파형의 모양을 보면 전압이 매우 빠르고 자주 변하는 것을 알 수 있으며 이러한 DC를 사용하여 장비에 전원을 공급하는 것은 비효율적입니다. 이러한 DC 전압의 주기적인 변화를 리플이라고 하며, 효율적인 전원 공급을 위해서는 리플을 줄이거나 없애는 것이 중요합니다.
리플을 줄이는 가장 간단하고 일반적인 방법은 정류기 출력에 스토리지 커패시터 또는 스무딩 필터라고 하는 대형 커패시터를 추가하는 것입니다(그림 4 참조).
이 커패시터는 파동의 피크 동안 전압을 저장한 다음 전압이 상승하는 정류 전압 파동보다 낮아질 때까지 부하에 전류를 공급합니다. 이렇게 생성되는 파형은 원하는 모양에 더 가까워지며 AC 성분이 없는 DC 전압으로 생각할 수도 있습니다. 이 최종 전압 파형은 DC 장비에 전원을 공급할 수 있습니다.
그림 4: 스무딩 필터가 있는 풀 브리지 정류기
패시브 정류기는 반도체 다이오드를 제어되지 않는 스위치로 사용하는데, 이는 교류파를 정류하는 가장 간단한 방법이지만 가장 효율적이지는 않습니다.
다이오드는 비교적 효율적인 스위치입니다. 최소한의 전력 소비로 빠르게 켜지고 꺼집니다. 그러나 유일한 문제점은 순방향 바이어스 전압 강하가 0.5V ~ 1V로 발생하여 효율성이 떨어진다는 것입니다.
능동 정류기는 다이오드를 MOSFET 또는 BJT 트랜지스터와 같은 제어 가능한 스위치로 대체합니다(그림 5 참조). 첫째, 트랜지스터 정류기는 저항을 임의로 작게 만들 수 있기 때문에 반도체 다이오드 고유의 0.5V~1V 전압 강하가 없고 따라서 전압 강하도 작으며, 둘째, 트랜지스터는 제어 가능한 스위치이므로 스위칭 주파수를 조정하고 최적화할 수 있다는 두 가지 장점이 있습니다.
단점은 능동 정류기는 목표를 달성하기 위해 더 복잡한 제어 회로가 필요하므로 추가 부품이 필요하고 따라서 비용이 더 많이 든다는 것입니다.
그림 5: 풀 브리지 액티브 정류기
역률 보정(PFC)
스위칭 전원 공급 장치 설계의 두 번째 단계는 역률 보정(PFC)입니다.
PFC 회로는 AC를 DC로 실제 변환하는 데 거의 기여하지 않지만 대부분의 상업용 전원 공급 장치에서 중요한 부분입니다.
그림 6: 정류기 출력의 전압 및 전류 파형
정류기 저장 커패시터의 전류 파형을 보면(그림 6 참조), 커패시터 입력 전압이 커패시터 충전량보다 큰 시점부터 피크 사이의 정류 신호까지 매우 짧은 시간 동안 충전 전류가 커패시터를 통해 흐르는 것을 볼 수 있습니다. 이로 인해 커패시터에 일련의 짧은 전류 스파이크가 발생하여 전원 공급 장치뿐만 아니라 전체 그리드에 심각한 문제를 일으킬 수 있습니다. 이러한 전류 스파이크는 그리드에 주입되어 많은 수의 고조파를 생성하기 때문입니다. 고조파는 왜곡을 일으켜 그리드에 연결된 다른 전원 및 장비에 영향을 줄 수 있습니다.
스위칭 전원 공급 장치의 설계에서 역률 보정 회로의 목적은 이러한 고조파를 걸러내고 최소화하는 것입니다. 역률 보정 회로에는 액티브와 패시브의 두 가지 유형이 있습니다.
패시브 PFC 회로는 고주파 고조파를 제거하기 위한 패시브 저역 통과 필터로 구성됩니다. 그러나 패시브 PFC만으로는 특히 고전력 애플리케이션에서 전원 공급 장치가 국제 고조파 노이즈 사양을 준수할 수 없습니다. 반드시 액티브 역률 보정을 사용해야 합니다.
액티브 PFC는 전압 파형을 따르도록 전류 파형의 모양을 변경할 수 있습니다. 고조파는 더 높은 주파수로 이동하므로 필터링하기가 더 쉽습니다. 이 경우 가장 일반적으로 사용되는 회로는 부스트(또는 스텝업) 컨버터입니다.
절연: 절연 및 비절연 스위칭 전원 공급 장치
PFC 회로의 존재 여부와 관계없이 전력 변환의 마지막 단계는 정류된 DC 전압을 의도한 애플리케이션에 적합한 크기로 낮추는 것입니다.
입력에서 들어오는 AC 파형이 정류되기 때문에 DC 전압 출력은 매우 높습니다. PFC가 없으면 정류기의 출력 DC 전압은 약 320V이고, 활성 PFC 회로가 있으면 부스트 컨버터의 출력은 400V 이상의 높은 안정적인 DC 전압이 됩니다.
두 경우 모두 고전압은 매우 위험하며 매우 낮은 전압이 필요한 대부분의 애플리케이션에는 불필요합니다. 표 1에는 컨버터 및 애플리케이션을 포함하여 올바른 절연 토폴로지를 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 측면이 나와 있습니다.
표 1: 절연 및 비절연 AC/DC 전원 공급 장치
혈압 감소 방법의 선택은 주로 안전과 관련이 있습니다.
전원 공급 장치의 입력 쪽은 AC 전원에 연결되어 있으므로 출력에 누전이 발생하면 이 정도의 충격은 심각한 부상이나 사망을 초래할 수 있으며 출력에 연결된 모든 장비가 손상될 수 있습니다.
전원에 연결된 AC/DC 전원 입력 및 출력 회로를 자기적으로 절연하여 안전성을 보장합니다. 절연 AC/DC 전원 공급 장치에서 가장 널리 사용되는 회로는 플라이백 컨버터와 공진형 LLC 컨버터로, 둘 다 전기적 또는 자기 절연이 가능하기 때문입니다(그림 7 참조).
그림 7: 플라이백 컨버터(왼쪽) 및 LLC 공진 컨버터(오른쪽)
변압기를 사용한다는 것은 신호가 일정한 DC 전압이 될 수 없다는 것을 의미합니다. 대신 전압이 변해야 하고 따라서 전류가 변해야 유도 결합을 통해 변압기의 한쪽에서 다른 쪽으로 에너지가 전달될 수 있습니다. 따라서 플라이백 및 LLC 컨버터는 모두 입력 DC 전압을 구형파로 '절단'한 다음 변압기를 통해 강압합니다. 마지막으로 파형은 출력 전에 다시 정류됩니다.
주로 저전력 애플리케이션에 사용되는 플라이백 컨버터는 변압기의 1차측과 2차측 권선 간의 관계에 따라 출력 전압이 입력 전압보다 높거나 낮을 수 있는 절연 벅-부스트 컨버터이기도 합니다. 권선비.
플라이백 컨버터의 작동은 부스트 컨버터의 작동과 매우 유사합니다.
스위치가 닫히면 1차 코일은 입력에 의해 충전되어 자기장을 형성하고, 스위치가 열리면 1차 인덕터의 전하가 2차 권선으로 전달되어 회로에 전류를 주입하여 부하에 전력을 공급합니다.
플라이백 컨버터는 상대적으로 설계가 쉽고 다른 컨버터보다 더 적은 부품이 필요하지만, 트랜지스터를 마음대로 켜고 끄도록 강제하기 때문에 효율적이지 않으며, 이러한 하드 스위칭으로 인해 막대한 손실이 발생합니다(그림 8 참조). 특히 고전력 애플리케이션에서는 트랜지스터 수명이 단축되고 막대한 전력 손실이 발생합니다. 따라서 플라이백 컨버터는 일반적으로 전력이 최대 100W인 저전력 애플리케이션에 더 적합합니다.
공진형 LLC 컨버터는 일반적으로 고전력 애플리케이션에 사용됩니다. 이 회로는 변압기를 통해 자기적으로도 절연되어 있습니다. LLC 컨버터는 공진 현상을 기반으로 하며, 이는 작동 주파수가 필터의 고유 주파수와 일치하면 이 주파수가 증폭된다는 것을 의미합니다. 이 경우 LLC 컨버터의 공진 주파수는 직렬 인덕터와 커패시터(LC 필터)에 의해 정의되며 변압기의 1차 인덕턴스(L)의 추가 효과에도 영향을 받으므로 LLC 컨버터라는 이름이 붙여집니다.
LLC 공진 컨버터는 소프트 스위칭이라고도 하는 제로 전류 스위칭을 생성할 수 있기 때문에 고전력 애플리케이션에 선호됩니다(그림 8 참조). 회로의 전류가 0에 가까워지면 스위치를 켜고 끌 수 있어 트랜지스터의 스위칭 손실을 최소화하여 EMI를 줄이고 효율을 개선할 수 있습니다. 하지만 이러한 성능 향상에는 대가가 따릅니다: 다양한 부하 조건에서 소프트 스위칭을 달성할 수 있는 LLC 공진 컨버터를 설계하는 것은 매우 어렵습니다. 이를 위해 MPS는 컨버터가 올바른 공진 상태에서 작동하여 더 나은 스위칭 효율을 달성하도록 보장하는 특수 LLC 설계 도구를 개발했습니다.
그림 8: 하드 스위칭(왼쪽) 및 소프트 스위칭(오른쪽) 손실
앞서 언급했듯이 AC/DC 전원 공급 장치의 한계 중 하나는 입력 트랜스포머의 크기와 무게입니다. 입력 트랜스포머의 낮은 작동 주파수(50Hz)는 포화를 피하기 위해 더 큰 인덕터와 코어가 필요하기 때문입니다.
스위칭 전원 공급 장치에서는 전압의 진동 주파수가 훨씬 더 높습니다(최소 20kHz 이상). 즉, 고주파 신호가 선형 변압기에서 자기 손실을 덜 일으키기 때문에 강압 변압기를 더 작게 만들 수 있습니다. 입력 변압기의 크기가 작아지면 시스템을 소형화할 수 있으므로 현재 우리가 사용하는 것과 같이 전체 전원 공급 장치를 휴대폰 충전기에 넣을 수 있습니다.
일부 DC 장비는 절연을 제공하기 위해 변압기가 필요하지 않습니다. 이는 장치 매개변수의 처리가 별도의 장치(예: 휴대폰, 태블릿 또는 컴퓨터)에서 이루어지기 때문에 사용자가 직접 터치할 필요가 없는 장치(예: 조명, 센서, IoT 등)에서 흔히 볼 수 있습니다.
이는 장치의 무게, 크기 및 성능에 상당한 이점이 있습니다. 이 컨버터는 고전압 벅 컨버터를 사용하여 출력 전압 레벨을 낮춥니다. 이 회로는 앞서 언급한 부스트 컨버터의 인버팅 회로로 간주할 수 있습니다. 이 경우 트랜지스터 스위치가 닫히면 인덕터를 통해 흐르는 전류가 인덕터에 전압을 생성하여 공급 전압을 상쇄하여 출력 전압을 낮춥니다. 스위치가 열리면 인덕터가 부하에 전류를 전달하여 회로가 전원에서 분리될 때 부하에 걸리는 전압을 유지합니다.
AC/DC 스위칭 전원 공급 장치는 스위치 역할을 하는 MOSFET 트랜지스터가 큰 전압 변화를 견딜 수 있어야 하므로 고전압 벅 컨버터를 사용합니다(그림 9 참조). 스위치가 닫혀 있을 때 MOSFET의 전압은 0V에 가깝지만, 스위치가 열리면 이 전압은 단상 애플리케이션에서는 400V까지, 3상 컨버터에서는 800V까지 상승합니다. 이러한 갑작스러운 고전압 변화는 일반 트랜지스터를 쉽게 손상시킬 수 있으므로 특수 고전압 MOSFET을 사용합니다.
그림 9: 액티브 PFC를 사용하는 비절연 AC/DC 스위칭 전원 공급 장치
벅 컨버터는 인덕터가 하나만 필요하기 때문에 변압기보다 통합이 더 쉽습니다. 전압 감소 효율도 높아 정상 조건에서 최대 95%의 효율을 제공합니다. 이러한 높은 효율은 트랜지스터와 다이오드가 스위칭 전력을 거의 소비하지 않고 인덕터에서 발생하는 손실만 있기 때문에 달성할 수 있습니다.
요약
AC/DC 스위칭 전원 공급 장치는 현재 AC 전원을 DC 전원으로 변환하는 가장 효율적인 방법입니다. 전력 변환은 3단계로 나뉩니다:
1. 입력 정류: 입력 주전원 AC 전압은 다이오드 브리지를 통해 DC 정류 파로 변환됩니다. 브리지 출력에 커패시터를 추가하면 리플 전압을 줄일 수 있습니다.
2. 역률 보정(PFC): 정류기에 비선형 전류가 존재하기 때문에 전류의 고조파 함량이 매우 큽니다. 이 문제를 해결하는 방법에는 두 가지가 있습니다. 하나는 필터를 사용하여 고조파 효과를 억제하는 패시브 PFC를 사용하는 것이지만 이 방법은 효율적이지 않으며, 두 번째 방법은 스위치를 전압 변환기에 사용하여 전류 파형이 입력 전압 파형을 따르도록 하는 액티브 PFC라고 합니다. 액티브 PFC는 전력 컨버터가 전류 크기와 효율 표준을 충족할 수 있는 유일한 방법입니다.
3. 절연: 스위칭 전원 공급장치는 절연 또는 비절연이 가능합니다. 전원 공급 장치의 입력과 출력이 물리적으로 연결되지 않으면 장치가 절연된 것입니다. 절연은 회로의 두 반쪽을 전기적으로 분리하는 변압기를 통해 달성할 수 있습니다. 그러나 변압기는 전류가 변할 때만 전력을 전송할 수 있으므로 정류된 직류 전압을 고주파 구형파로 잘게 잘라 2차 회로로 전송한 다음 다시 정류하여 최종적으로 출력으로 전달합니다.
스위칭 전원 공급 장치를 설계할 때는 특히 안전, 성능, 크기, 무게 등 모든 측면을 고려해야 합니다. 스위칭 전원 공급 장치의 제어 회로도 선형 전원 공급 장치보다 더 복잡하기 때문에 많은 설계자는 전원 공급 장치에 통합 모듈을 사용하는 것이 도움이 된다고 생각합니다.
