[테크월드=선연수 기자] 오늘날 기술 지향적 사회가 생태계에 미치는 영향에 대한 인식이 높아지고 있다. 관련 뉴스들은 헤드라인을 장식하고 있으며, 정부 정책에도 영향을 미치고 있다. 한정적인 에너지 자원에 대한 수요는 계속 늘어나고 있어 에너지 가격도 상승하는 중이다.
이에 전자 시스템으로 전력 효율을 높이는 것이 설계상의 중요한 과제가 됐다. 최근 산업 표준에서는 특정한 동작 상황에 대해서뿐만 아니라 경부하부터 최대 부하 조건에 이르기까지 모든 부하 범위에 걸쳐 효율 요건을 엄밀하게 규정하고 있다. 이 글에서는 잘 설계된 PFC(Power Factor Correction)로 효율을 크게 향상시키는 방법을 살펴보고, 해당하는 차세대 PFC 컨트롤러 IC들을 소개한다.
부각되는 에너지 효율의 중요성
에너지는 오늘날의 중요한 화두다. 환경에 해로우며 점점 고갈되고 있는 화석 연료가 아닌 재생 에너지로의 전환 필요성에 대해 전 세계가 뜻을 함께하고 있다. 정부 당국은 제품의 효율을 높여 치솟는 에너지 가격을 억제하고자 한다. 점점 생활의 모든 곳에 기술이 사용되면서, 에너지 수요는 계속 증가하고 있다. 이로 인해 에너지 가격은 계속 상승하고 소비자들이 지불해야 하는 전기 요금도 상당한 수준이다. 이는 상업용 에너지 사용자들의 예산에도 영향을 미치고 있다.
에너지 ‘효율’은 가정용, 상업용을 불문하고 새로운 장비를 구매할 때 중요한 선택 기준이 되고 있다. 과거에는 제조업체들이 가장 우수한 수치만을 제시해 효율 수치에 다소 오해가 있기도 했다. 기기는 어느 한 가지 수준으로만 동작하는 것이 아니기에 실제 효율은 그보다 훨씬 낮았기 때문이다.
표준 기관, 산업 협회, 정부 당국은 이런 상황의 심각성을 인식하고 경부하부터 최대 부하에 이르는 모든 부하 범위에 걸쳐 최소 효율 요건을 규정한 표준을 제정했다. 전원 시스템 디자이너들은 규정을 충족하기 위해 방법을 찾기 시작했고, 전력을 절약할 수 있는 부분인 PFC 스테이지로 눈을 돌리게 됐다. PFC 스테이지가 EMI 필터와 함께 시스템 가용 전력의 1/10 가까이 소모한다는 조사 결과도 있다.
PFC, 왜 중요한가?
PFC는 단순한 저항성 부하로서는 그다지 중요하지 않다. 가용 전력 전부가 부하로 전달되는데, 전류와 전압 파형의 위상은 일치하며 전력은 두 파형의 곱이다. 실제로는 많은 부하가 인덕티브나 패시티브 성분을 포함하고 있다. 이를 리액티브 부하 또는 복합 부하라고 부른다.
복합 부하는 전류와 전압 간 위상 편이를 일으키고 이는 부하로 이용할 수 있는 실효 전력(Real power)을 줄인다. 이렇게 되면 실제로 사용한 전력보다 높은 에너지 비용을 지불해야 한다. 에너지 비용은 피상 전력(Apparent power)이 기준이기 때문이다. 부하가 리액티브일수록 위상 편이가 커지고 실효 전력이 낮아진다.
실효 전력을 계산하기 위해서는 피상 전력을 전압과 전류 간 위상 각도 코사인으로 곱해야 한다. 이것을 변위율(Displacement factor)이라고 한다. 디바이스의 입력 스테이지, 스위치 모드 전원 장치(SMPS, Switching Mode Power Supply)에 사용되는 다이오드 브리지와 같이 비연속적으로 동작하는 부품을 포함하면 상황이 달라진다.
전류 파형이 사인파에서 일련의 스파이크로 바뀔 때 고조파 전류가 발생한다. 이 전류는 부하로 순환하며 가용 전력에는 영향을 주지 않아 효율을 낮춘다. 이를 전력 계산에 반영하기 위해서는 총 고조파 왜곡(THD, Total Harmonic Distortion)에 기반한 왜곡률(Distortion factor)을 사용한다. 파형이 왜곡될수록 왜곡률은 실효 전력에 나쁜 영향을 준다.
수학적으로 말해, 어떤 시스템의 역률(PF, Power Factor)은 변위율과 왜곡률을 곱한 것이다. 다시 말해, 전류 파형이 사인파이며 전압과 위상이 일치하면 효율을 떨어트리지 않고, 위상 차이나 파형 왜곡이 클수록 실효 전력은 낮아진다.
PFC 구현 기술 2가지
시스템을 통해 PF를 관리할 수 있는 방법 중 하나는 부하를 덜 리액티브하게 만드는 것이다. 그러나 많은 경우 현실적으로 불가능한 방법이다. 예를 들어 모터는 권선을 사용해야 하는데 권선은 특성적으로 리액티브다.
나쁜 PF를 개선하기 위해 디자이너들은 SMPS의 프런트 엔드(Front-end)로 능동 PFC 스테이지를 사용하는 경우가 많다. 시간이 흐르면서 전력을 사용하는 다양한 애플리케이션, 다양한 전력대를 충족하기 위해 다수의 PFC 제어 방식이 개발됐다.
LED 기술이 전통적인 전구를 대체함에 따라, 갈수록 많은 조명이 직접 메인 전압이 아닌 SMPS를 통해 구동되고 있다. 이때 임계 전도 모드(CrM, Critical Conduction Mode)라는 토폴로지가 주로 사용된다. 이 가변 주파수 기법은 전류 파형으로 제로 크로싱할 경우에만 스위칭해, 역 EMF(Electromotive Force)를 제거하고 고속 복구 다이오드를 요구하지 않는다.
많이 사용되는 또 하나의 기법은 연속 전도 모드(CCM, Continuous Conduction Mode)다. 이는 전력대가 300W 이상인 고전력 시스템에 많이 사용된다. 정주파수로 동작하며 전류가 흐를 때 스위칭해, 고속 복구 다이오드가 요구된다.
많은 반도체 업체들의 PFC 컨트롤러가 두 방식을 모두 지원한다. 디자이너들은 이를 사용해 PFC 솔루션을 빠르게 구현해낼 수 있다. 어떤 업체는 좀 더 정교한 방식을 제공하기도 한다. 예를 들어, 부하 조건에 따라 전도 모드를 전환해 최대 효율을 달성하도록 지원한다.
최신 PFC 솔루션
AL1771/AL1772는 오프라인 PFC 컨트롤러와 단일/듀얼 채널 LED 드라이버를 통합한 조명 애플리케이션용 다이오드다. 컴팩트한 TSSOP-16 패키지로 제공되며, 최적화된 2스테이지 토폴로지를 구현해 단일 채널 디밍과 2채널 튜닝 백색 LED 구성을 비롯한 다양한 커넥티드 조명 디자인에 활용될 수 있다.
1차측 레귤레이션(PSR, Primary Side Regulated) 기술에 기반한 디바이스 제품은 2차 피드백 없이도 동작한다. 다시 말해 옵토커플러를 필요로 하지 않아 공간을 절약하고 BOM(Bill of materials)을 낮출 수 있다. 준 공진(QR, Quasi-resonant) 모드로 MOSFET이 드레인 전압 골에 턴 온해 스위칭 손실을 최소화하고 효율을 높여준다.
높은 전력대에 적합한 제품으로는 파워 인테그레이션스(Power Integrations)의 HiperPFS-4 PFC 컨트롤러 제품군[그림 1]이 있다. 이 IC는 CCM 부스트 PFC 컨트롤러, 게이트 드라이버, 600V 전력 MOSFET을 단일 패키지로 통합해 수직이나 수평으로 탑재할 수 있다. HiperPFS-4는 새로운 제어 기법을 사용해 출력 부하, 입력 라인 전압, 입력 라인 사이클에 대한 스위칭 주파수를 조절할 수 있다. 이로 인해 외부적 전류 검출 저항을 요구하지 않고 이에 따른 전력 손실을 제거해 효율을 끌어올린다.
이 제어 기법은 전체적인 부하 범위에 걸쳐 효율을 극대화할 뿐만 아니라, 넓은 대역폭에 걸친 확산 스펙트럼 효과에 의해 EMI(Electromagnetic Interference) 필터링 요구를 최소화한다.
HiperPFS-4 디바이스의 메인 코어는 아날로그인데 라인 모니터링, 피드 포워드 스케일링, 역률 증가와 같은 주요 기능들은 디지털이라 무부하 전력 소모를 크게 줄여준다. 이 IC는 전체적인 부하 범위에 걸쳐 효율을 극대화함으로써 EN61000-3-2 Class C/D를 비롯한 최근의 효율 요건을 수월하게 충족할 수 있다.
또한, IC 제품은 낮은 부하(20%)로 높은 PF(0.95 이상)를 달성함으로써 LCD TV, 랩톱, 모터, 팬, LED 조명에 사용할 수 있다.
온세미컨덕터(ON Semiconductor)의 NCP1622는 PFC 부스트 스테이지를 구동하도록 설계된 향상된 PFC 컨트롤러다. VSFF(valley Synchronized Frequency Foldback) 기법에 기반한 이 제품은 사용자 프로그래머블 제어 전압이 임계를 넘었을 때 CrM 모드로 동작한다. 임계 아래일 때는 스킵 기능이 주파수를 낮춰 제어 전압이 임계에 도달하도록 한다. VSFF 기법은 경부하와 공칭 부하로 효율을 극대화하고, 특히 대기 손실을 완화해준다. 낮아진 동작 주파수로도 1에 가까운 PF를 달성한다.
과열 셧다운, 과전압 보호, 과전류 제한, 브라운아웃 감지와 같은 다수의 안전성 기능을 포함하고 있다. 피드백 핀 차단, 접지 핀 개방, 바이패스 다이오드 단락과 같은 결함을 감지하고 대처할 수도 있다. PFC가 필요한 모든 오프라인 애플리케이션, PC 전원 장치, 조명 밸러스트(LED·형광등 모두)를 사용하기에도 적합하다.
텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments, 이하 TI)의 UCC28064A 인터리브 PFC 컨트롤러는 기존에 불가능했던 높은 전력 정격을 제공한다. TI는 고유한 ‘내추럴 인터리빙(Natural Interleaving)’ 기법을 사용해 두 채널 모두 동일한 주파수로 마스터로서 동작한다. 각각의 인터리브 채널에서 더 빠른 응답 시간, 더 우수한 위상-대-위상 온(On) 시간 매칭이 이뤄지고, 전이 모드 동작을 수행할 수 있게 만든다.
또한, 임계를 조절할 수 있는 버스 모드 기능을 제공해 경부하로 높은 효율을 달성하고, EUP Lot6 Tier II, CoC Tier II, DOE Level VI와 같은 까다로운 대기 전력 요건을 충족할 수 있다. UCC28064A는 모든 타입의 TV, 올인원 PC, 홈 오디오 시스템, 전원 어댑터에 사용하기 적합하다. TI는 WEBENCH 전원 설계 소프트웨어도 함께 지원하고 있다.
결론
오늘날은 에너지 가격 상승에 따른 가동 비용 절감을 위해 전원 시스템 설계자, 구매자, 가동하는 사람까지 누구에게든 효율이 중요한 문제가 됐다. 에너지 규정이 엄격해짐에 따라 대기 전력과 경부하 효율도 중요해졌다.
전력 낭비를 막기 위해서는 PFC를 1에 가까이 달성해야 한다. 이를 위해서는 전원 디자이너들이 일련의 과제를 해결해야 한다. 다행인 것은 디자이너들이 보다 쉽게 사용할 수 있는 혁신적인 기술과 기능이 통합된 우수한 PFC 제어 IC들이 이미 출시돼 있다는 점이다. 이런 IC 제품을 사용함으로써 최신 에너지 효율 규정을 수월하게 충족할 수 있다.
글: 마크 패트릭(Mark Patrick)
자료제공: 마우저 일렉트로닉스
- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 8월 호에 게재된 기사입니다.
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