고정비율 컨버터를 활용한 고성능 전력 분배 네트워크 구현 ②
상태바
고정비율 컨버터를 활용한 고성능 전력 분배 네트워크 구현 ②
  • 선연수 기자
  • 승인 2020.03.18 08:45
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

[테크월드=선연수 기자]

▷ '고정비율 컨버터를 활용한 고성능 전력 분배 네트워크 구현 ①'과 이어지는 기사입니다.

 

 

비절연 고정비율 컨버터를 통한 문제 해결

48V는 SELV를 준수하고, 최신 PoL 12V 레귤레이터는 입력 전압의 변동을 처리할 수 있어 48V-12V DC-DC 변환 스테이지에는 비절연 고정비율 컨버터가 적합하다. 비절연, 비레귤레이션 고정비율 컨버터는 전력 소모가 낮고, 전력 밀도가 높으며, 비용이 저렴한 가장 효율적인 고전력 버스 컨버터다. 높은 전력밀도로 비절연 고정비율 컨버터를 부하 근처에 배치할 수 있어 하이브리드 자동차에 새로운 분산형 전력 분배 아키텍처를 구현할 수 있다. 이를 통해 더욱 효율적인 48V PDN을 실행할 수 있는 것이다. 서버 블레이드의 경우, 소형 비절연 48V-12V 변환 고정비율 컨버터를 벅 레귤레이터와 가까이 마더보드에 배치할 수 있다.

엔비디아(NVidia)의 SXM, OCP(Open Compute Project)의 OAM 카드와 같은 새로 등장한 대부분의 AI 가속기 카드는 AI 프로세서의 500~700W에 이르는 전력 레벨로 인해 48V 입력으로 설계된다. 여전히 12V PDN 백플레인을 랙에 사용하는 서버 업체들은 클라우드 컴퓨팅에 이런 고성능 카드를 적용하기 위해 12V에서 48V로 변환해야 한다. 양방향 K=1/4 비절연 고정비율 컨버터를 12~48V 변환 부스트 컨버터(K=1/4)로 이런 가속기 카드나 분산형 고전력 12~48V 모듈에 추가하면, 기존의 랙 시스템에 매우 쉽게 설치할 수 있고, AI 성능과 용량을 확보할 수 있다.

 

[그림 4] 기존 시스템의 48V 전력 구현

[그림 4]는 기존 시스템으로 48V 전력을 구현한 모습이다. 바이코의 NBM2317 양방향 컨버터를 통해 12V와 48V 간 변환을 효율적으로 수행할 수 있다. 양방향 특성을 활용해 기존 보드를 48V에 통합하거나 최신 CPU를 기존 12V랙에 통합할 수 있다.

 

절연이 필요한 까다로운 고전압 애플리케이션 해결 방안

 

전기 자동차

전기 자동차 애플리케이션의 배터리 전압은 하이브리드 자동차에 사용되는 48V보다 훨씬 더 높아야 한다. 이런 전력 요구 사항으로 인해 보통 400V가 사용된다. 400V를 파워트레인, 섀시와 관련된 다양한 부하에 전력을 공급하기 위해 48V로 변환해야 한다[그림 5]. 고속 충전을 지원하기 위해서는 400V 배터리를 800V-400V 변환 컨버터로 800V DC 출력을 레귤레이션해 충전소에서 충전할 수 있다.

 

[그림 5] 분산형 48V 아키텍처는 더 작은 저전력 컨버터 여러개를 12V 부하에 더 가깝게 배치한다.

400V/48V, 800V/400V 애플리케이션은 높은 전력 요건을 가져, 높은 전력 밀도와 98% 이상의 효율을 갖춘 절연 K: 1/8(400/48), K: 1/2(800/400) 고정비율 컨버터를 병렬로 배치하는 게 효과적이다. 고정비율 컨버터 스테이지 이전이나 이후에 레귤레이션이 제공되며, 그렇지 않더라도 전력 밀도와 효율상의 이점으로 고전력 애플리케이션에 적합하고 열 관리에 용이하다.

 

고성능 컴퓨팅

엑사스케일(Exascale)의 HPC(High Performance Computing) 시스템은 일반적으로 100kW를 초과해 메인 PDN으로 380VDC를 사용한다. 이런 애플리케이션은 k=1/8 또는 1/16 절연 고정비율 컨버터를 랙 전반에 분산된 서버 블레이드나 메자닌 카드에 통합해 마더보드에 48V나 12V를 공급한다. 그 다음 12V 다상 벅 컨버터 어레이나 첨단 고효율 48V-PoL 아키텍처로 레귤레이션을 제공한다. 고정비율 컨버터의 밀도와 효율은 이런 유형의 PDN 아키텍처가 우수한 성능을 제공하는 게 중요한 역할을 수행한다.

 

유선 드론

절연을 요구하는 또 다른 고전압 애플리케이션으로 유선 드론(Tethered Drone)이 있다. 유선 드론에 사용되는 전력 케이블은 드론이 비행 고도를 유지할 수 있도록 높이 올라가기 때문에 길이가 400m를 넘을 수 있다. 800V 수준의 고전압을 사용하면, 이런 벌크 전력 베이블의 무게와 비용을 크게 절감할 수 있고, 이를 통해 고성능 드론을 구현할 수 있다[그림 6]. 48V로 변환하기 위해 K=1/16인 온보드 고정비율 컨버터를 사용하면 온보드 전자장치와 비디오 탑재장비에 매우 작고 효율적인 전력 공급 솔루션을 제공할 수 있다.

 

[그림 6] 전압이 높을수록 케이블이 가벼워지고, 유선 드론의 고도를 높일 수 있다.

 

5G 통신

전 세계는 4G 무선·안테나 타워들을 4G 장비 대비 전력 레벨이 5배 높은 5G 시스템으로 업그레이드해야 하는 과제를 안고 있다. 4G PDN은 48V로, 전력은 지상의 전원 시스템 케이블을 통해 공급된다. 이런 PDN을 48V 레벨로 유지하면서 5G 장비를 추가하고 전력 레벨이 높아지게 되면, 전력 케이블의 직경과 무게가 엄청나게 증가하게 된다. 통신 사업자들은 현재 케이블의 크기를 대폭 줄이기 위해 380VDC PDN의 이점을 활용하는 방안을 모색하고 있다. 양방향 K=1/8 고정비율 컨버터를 부스트 모드에 사용 시 지상의 48V 전원 시스템은 타워 상단까지 380V(K: 8/1)를 공급할 수 있다. 타워 상단에 380V-48V 레귤레이션 컨버터를 사용해 5G와 4G 시스템이 모두 레귤레이션된 48V 전압을 공급받을 수 있고, 작은 380V 전력 케이블로 비교적 낮은 비용으로 전력을 공급할 수도 있다.

 

고정비율 컨버터를 통한 PDN 설계

고성능 전력에 대한 요구는 계속 늘어나고 있다. 엔터프라이즈와 고성능 컴퓨팅, 통신·네트워크 인프라, 자율주행 차량, 운송 애플리케이션 등의 첨단 시스템을 비롯해 빠른 성장 속도를 보이는 다양한 산업분야에서 더 많은 전력을 요구하고 있다. 이런 시장은 극도의 전력 요건과 함께 공간, 무게를 함께 줄일 수 있는 소형의 고밀도 DC-DC 컨버터 솔루션의 이점을 필요로 한다는 점이다. 따라서 전력 시스템 엔지니어는 전체 시스템 성능에서 경쟁우위를 확보할 수 있는 고성능 PDN을 구현하기 위해 고정비율 컨버터를 핵심 솔루션으로 고려해야 한다.

 

글: 필 데이비스(Phil Davies), 글로벌 세일즈·마케팅 담당 부사장

자료제공: 바이코

 

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 3월 호에 게재된 기사입니다.


관련기사

댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
0 / 400
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.