와이드 밴드갭 반도체와 디지털 제어를 사용하여 더 효과적인 역률 보정 설계

역률 보정(PFC)은 AC/DC 전원 공급 장치, 배터리 충전기, 배터리 기반 에너지 저장 시스템, 모터 구동 및 무정전 전원 공급 장치를 포함한 AC 본선 전력 구동 장비의 효율성을 극대화하는 데 필요합니다. 역률 보정은 특정 전자 장비 유형의 최소 역률(PF) 수준을 명시하는 규정이 있을 정도로 매우 중요합니다.

계속 축소되는 폼 팩터 내에서 전반적인 성능을 개선해야 하는 압박이 지속되는 상황에서 설계자는 이러한 규정을 충족하기 위해 디지털 제어 기술과 실리콘 카바이드(SiC), 질화 갈륨(GaN) 등의 와이드 밴드갭 반도체를 활용하는 능동 PFC 설계로 눈을 돌리고 있습니다.

이 기사에서는 PF 개념과 정의(IEEE와 IEC 간의 정의 구별 포함) 그리고 관련 표준을 검토합니다. 그런 다음 설계자가 평가 기판과 함께 와이드 밴드갭 반도체와 디지털 제어를 사용하는 PFC를 구축하기 위해 이용할 수 있는 STMicroelectronics, Transphorm, Microchip Technology 및 Infineon Technologies와 같은 벤더의 PFC 솔루션을 소개합니다.

역률 보정이란 무엇이고 왜 필요한가?

PF는 시스템에서 측정한 무효 전력 수준입니다. 무효 전력은 실제 전력은 아니지만 서로 위상이 다른 볼트와 암페어의 영향을 나타냅니다(그림 1). 위상 차이가 있으므로 작동에 유효하게 기여할 수는 없지만 AC 본선 전원 공급 라인의 부하로 나타납니다. 시스템의 무효 전력량은 에너지 전달의 비효율성을 측정하는 한 가지 척도입니다. 능동 PFC는 전력 전자 부품을 사용하여 부하에 의해 감소하는 전류 파형의 위상 및/또는 모양을 변경하여 PF를 개선합니다. PFC를 사용하면 전체 시스템 효율이 향상됩니다.

그림 1: PF는 θ의 코사인으로 정의되며 회로에 흐르는 피상 전력과 부하에 의해 흡수되는 실제 전력의 비율을 나타냅니다. 이 둘이 다른 이유는 무효 전력 때문입니다. 무효 전력이 0에 가까워지면 부하가 순전히 저항이 되고 피상 전력과 실제 전력이 같아져서 PF는 1.0이 됩니다. (이미지 출처: Wikipedia)

선형 또는 비선형 부하에서는 PF가 낮아질 수 있습니다. 비선형 부하에서는 전압 파형이나 전류 파형 또는 둘 다 왜곡됩니다. 비선형 부하가 포함된 경우에는 왜곡 PF라고 합니다.

선형 부하에서는 입력 파형의 모양이 왜곡되지 않지만 유도 용량 및/또는 정전 용량으로 인해 전압과 전류 사이의 상대적 타이밍(위상)이 변경될 수 있습니다(그림 2). 주로 저항 부하(예: 백열등 및 발열체)를 포함하는 전기 회로의 PF는 1.0에 가깝지만 유도 또는 정전 용량 부하(예: 스위치 모드 전력 컨버터, 전기 모터, 솔레노이드 밸브, 변압기 및 램프 밸러스트)를 포함하는 회로는 PF가 1.0보다 훨씬 낮습니다.

그림 2: 선형 부하의 지상 PF(즉, 전류가 전압보다 떨어지는 경우)가 0.71인 AC 전압 및 전류에서 계산된 순간 및 평균 전력 (이미지 출처: CUI, Inc.)

대부분의 전기 부하는 선형이 아닙니다. 비선형 부하의 예로는 스위치 모드 전력 컨버터와 형광등, 전기 용접기 또는 아크로와 같은 아크 방전 장치가 있습니다. 이러한 시스템의 전류는 스위칭 동작으로 차단되므로 전력 시스템 주파수의 배수인 주파수 성분이 전류에 포함됩니다. 왜곡 PF는 부하 전류의 고조파 왜곡으로 부하에 전달되는 평균 전력이 얼마나 감소하는지를 측정합니다.

그림 3: 비선형 부하인 이 컴퓨터 전원 공급 장치의 경우 사인파 전압(노란색) 및 비사인파 전류(파란색)의 왜곡 PF는 0.75입니다. (이미지 출처: Wikipedia)

지상 PF와 진상 PF의 차이점

지상 PF는 전류가 전압보다 떨어짐(뒤에 있음)을 나타내고 진상 PF는 전류가 전압보다 높음(앞에 있음)을 나타냅니다. 유도 부하(예: 유도 모터, 코일 및 일부 램프)의 경우 전류가 전압보다 떨어지므로 지상 PF를 생성합니다. 정전 용량 부하(예: 동기식 콘덴서, 커패시터 뱅크 및 전자 전력 컨버터)의 경우 전류가 전압보다 앞서므로 진상 PF를 생성합니다.

지상 또는 진상 구분은 양수 값 또는 음수 값과 동일하지 않습니다. PF 값 앞의 음수 및 양수 부호는 사용하는 표준(IEEE 또는 IEC)에 의해 결정됩니다.

IEEE와 IEC의 PF 비교

그림 4의 구성도에서는 IEEE 및 IEC 표준 모두의 kW 전력, 볼트-암페어 무효(var) 전력, 역률, 유도 또는 정전 용량 부하 간의 상관 관계를 보여 줍니다. 조직마다 다른 미터법을 사용하여 PF를 분류합니다.

그림 4: IEC(왼쪽)에 따르면 역률 부호는 단순히 실제 전력 흐름의 방향에 따라 달라지며 유도 부하인지 또는 정전 용량 부하인지에는 관계가 없습니다. IEEE(오른쪽)에 따르면 역률 부호는 단순히 부하의 특성(정전 용량성 또는 유도성)에 따라서만 달라집니다. 이 경우 실제 전력 흐름의 방향에는 영향을 받지 않습니다. (이미지 출처: Schneider Electric)

IEC(그림 4의 왼쪽)에 따르면 PF 부호는 단순히 실제 전력 흐름의 방향에 따라 달라지며 유도 부하인지 또는 정전 용량 부하인지에는 관계가 없습니다. IEEE(그림 4의 오른쪽)에 따르면 PF 부호는 단순히 부하의 특성(정전 용량성 또는 유도성)에 따라서만 달라집니다. 이 경우 실제 전력 흐름의 방향에는 영향을 받지 않습니다. 즉, 유도 부하이면 PF가 음수이고 정전 용량 부하이면 PF가 양수입니다.

PF 표준

EU와 같은 규제 기관들은 PF를 개선하기 위해 고조파 한도를 설정했습니다. 최신 EU 표준 EN61000-3-2(IEC 61000-3-2 기반)를 준수하려면 출력 전력이 75W를 초과하는 모든 스위치 모드 전원 공급 장치는 PFC를 포함해야 합니다. EnergyStar의 80 PLUS 전원 공급 장치 인증을 받으려면 100% 정격 출력 전력에서 PF가 0.9 이상이어야 하며 능동 PFC가 필요합니다. 이 기사를 작성할 때 최신 버전의 IEC 표준은 IEC 61000-3-2:2018, “전자파 적합성(EMC) - 3-2부: 한도 - 고조파 전류 방출 한도(장비 입력 전류 ≤ 위상당 16A)”입니다.

보정되지 않은 스위치 모드 전력 컨버터는 최신 PFC 표준을 충족하지 못합니다. PF에 영향을 미치는 한 가지 고려 사항은 사용되는 AC 입력의 유형(단상 또는 3상)입니다. 단상 비보정 스위칭 전원 공급 장치는 일반적으로 PF가 약 0.65 ~ 0.75입니다(위에서 설명한 PF 부호에 대한 IEEE 규칙 따름). 대부분의 장치에서 정류기/커패시터 프런트 엔드를 사용하여 DC 버스 전압을 만들기 때문입니다. 이런 구성에서는 각 라인 사이클의 피크에서만 전류를 인출하여 펄스가 좁고 높은 전류를 생성하므로 PF가 낮아집니다(위의 그림 3 참조).

3상 비보정 스위치 모드 전력 변환기는 PF가 더 높아서 0.85에 이르는 경우에 많습니다(마찬가지로 PF 부호에 IEEE 규칙 사용). 정류기/커패시터를 사용하여 DC 버스 전압을 만들더라도 위상이 3개여서 전체 PF가 추가적으로 향상되기 때문입니다. 그러나 단상이든 3상이든 스위치 모드 전력 컨버터는 능동 PF 보정 회로를 사용하지 않고는 최신 PF 규정을 충족할 수 없습니다.

WBG 반도체와 디지털 제어를 사용하여 능동 PFC 설계

설계자에게 새로운 옵션으로 떠오르는 디지털 제어 기술과 GaN 및 SiC를 비롯한 와이드 밴드갭 전력 반도체를 사용하는 능동 PFC 회로는 아날로그 제어 기반의 능동 PFC 설계나 수동 PFC 설계와 비교해 높은 효율과 높은 전력 밀도를 제공할 수 있습니다.

설계자는 아날로그 컨트롤러를 고급 디지털 제어 기술로 대체하거나 마이크로 컨트롤러를 비롯한 추가 디지털 제어 소자로 아날로그 제어를 보완하여 PFC 성능을 극대화할 수 있습니다. 일부 경우에는 WBG 반도체를 사용하여 PFC 성능을 개선할 수도 있습니다.

부품 비용이 떨어지면서 인터리브 설계와 브리지리스 설계라는 두 가지 PFC 방법이 앞당겨 구축되었습니다. 접근 방식마다 이점이 다릅니다.

• 인터리브 PFC 이점:
  • 고효율
  • 열 분산 개선
  • PFC 스테이지를 통과하는 RMS 전류 감소
  • 모듈성
• 브리지리스 PFC 이점:
  • 고효율
  • 입력 정류에서의 손실 절반
  • 열 분산 개선
  • 높은 출력 밀도

아날로그 및 디지털 제어를 결합한 3채널 인터리브 PFC 컨트롤러

STMicroelectronics의 STNRGPF01 컨트롤러는 디지털과 아날로그 제어를 결합한 구성 가능한 ASIC로, 인터리브 PFC에서 최대 3개 채널을 구동할 수 있습니다(그림 5). 이 장치는 평균 전류 모드 제어를 사용하여 고정 주파수에서 연속 전도 모드(CCM)로 작동하며 혼합 신호(아날로그 / 디지털) 제어를 구현합니다. 아날로그 내부 전류 루프는 하드웨어가 수행하므로 주기별로 조정됩니다. 외부 전압 루프는 동적 응답이 빠른 디지털 비례 적분(PI) 컨트롤러에 의해 수행됩니다.

그림 5: STNRGPF01의 기능별 제품 구성도에서는 3상 인터리브 PFC 응용 제품의 내부 아날로그 제어 섹션(빨간색)과 외부 디지털 제어 섹션(녹색)을 보여 줍니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

STNRGPF01은 실제 부하 조건에 따라 정확한 수의 PFC 채널을 사용할 수 있는 유연한 상 흘림 전략을 구현합니다. 이 기능 덕분에 STNRGPF01은 다양한 부하 전류 요구 사항에서 최고 전력 효율을 항상 보장할 수 있습니다.

유입 전류 제어, 소프트 스타트업, 버스트 모드 냉각 관리, 상태 표시 등과 같은 여러 기능을 구현합니다. 또한 과전압, 과전류 및 열 결함을 방지하는 전체 내장형 기능을 포함하고 있습니다.

설계자가 쉽게 시작할 수 있도록 STMicroelectronics는 STNRGPF01을 기반으로 하는 STEVAL-IPFC01V1 3kW PFC 전력 관리 평가 기판도 제공합니다(그림 6). 특징 및 사양은 다음과 같습니다.

• 입력 전압 범위: 90VAC ~ 265V_AC
• 라인 주파수 범위: 47Hz ~ 63Hz
• 최대 출력 전력: 3kW(230V 기준)
• 출력 전압: 400V
• PF: 0.98 초과(20% 부하 기준)
• 총 고조파 왜곡: 5% 미만(20% 부하 기준)
• 혼합 신호 제어
• 스위칭 주파수: 111kHz
• 주기별 조정(아날로그 전류 제어 루프)
• 입력 전압 및 부하 피드 포워드
• 위상 차단
• 버스트 모드 작동

그림 6: STEVAL-IPFC01V1 제품 구성도: 1. I/O 측정 신호, 2. 아날로그 회로망, 3. 전력 스테이지, 4. STNRGPF01 디지털 컨트롤러를 사용하는 디지털 제어 섹션, 3상 인터리브 PFC (이미지 출처: STMicroelectronics)

STNRGPF01 혼합 신호 컨트롤러 외에도 이 평가 기판에는 STW40N60M2 N채널, 600V, 34A의 저 Qg 실리콘 전력 MOSFET 및 PM8834TR 게이트 드라이버 IC가 포함되어 있습니다.

GaN FET를 사용하는 브리지리스 토템폴 PFC

브리지리스 PFC 토폴로지는 다이오드 브리지 정류 사용과 관련된 전압 강하 및 비효율성을 제거하기 위해 개발되었습니다. 브리지리스 토템폴 PFC는 GaN 및 SiC와 같은 WBG 전력 반도체의 등장으로 가능해졌습니다(그림 7). 기존 토템 폴 설계(a)에서는 라인 정류를 위해 GaN FET 2개와 다이오드 2개를 사용합니다. 브리지리스 토템폴 수정(b)에서는 다이오드 대신 2개의 낮은 저항 실리콘 MOSFET으로 다이오드의 전류-전압(IV) 강하를 대체하여 효율을 향상시킵니다.

그림 7: 기존 토템폴 설계(a)에서는 GaN FET 2개와 다이오드 2개를 라인 정류에 사용하고, 수정된 회로(b)에서 다이오드 대신 2개의 저저항 실리콘 MOSFET으로 다이오드의 전류-전압 강하를 대체하여 브리지리스 토템폴의 효율을 향상시킵니다. (이미지 출처: Transphorm)

GaN 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)의 역회복 전하(Qrr)가 실리콘 MOSFET보다 훨씬 작기 때문에 브리지리스 토템폴 설계를 실용적이게 합니다(그림 8). 다음의 간소화된 CCM의 토템폴 PFC 회로도에서는 전도 손실을 최소화하는 데 중점을 둡니다.

그림 8: 간소화된 CCM 모드의 토템폴 PFC 회로도는 높은 펄스 폭 변조 주파수로 작동하고 부스트 컨버터 역할을 하는 고속 스위칭 GaN HEMT 2개(Q1 및 Q2)와 훨씬 낮은 라인 주파수(50Hz / 60Hz)로 작동하는 저항이 매우 낮은 MOSFET 2개(S1 및 S2)로 구성됩니다. (이미지 출처: Transphorm)

이 회로는 고속 스위칭 GaN HEMT 2개(Q1 및 Q2)와 저항이 매우 낮은 MOSFET 2개(S1 및 S2)로 구성됩니다. Q1 및 Q2는 높은 펄스 폭 변조(PWM) 주파수에서 작동하며 부스트 컨버터 역할을 합니다. S1 및 S2는 훨씬 더 낮은 라인 주파수(50Hz/60Hz)에서 작동하며 동기화된 정류기 기능을 합니다. 1차 전류 경로는 빠른 스위치 1개와 느린 스위치 1개만 포함하며, 다이오드 강하가 없습니다. S1 및 S2의 역할은 8(b) 및 8(c)에 나온 대로 동기화된 정류기입니다. 양의 AC 주기 동안 S1은 켜지고 S2는 꺼지므로 AC 중성선이 DC 출력의 음극 단자에 연결됩니다. 음의 주기에는 정반대로 적용됩니다.

CCM이 작동할 수 있으려면 슬레이브 트랜지스터의 본체 다이오드가 플라이백 다이오드로 작동하여 부동 시간 중 인덕터 전류가 흐르도록 해야 합니다. 그러나 마스터 스위치가 켜지면 다이오드 전류가 0으로 빠르게 감소하고 역차단 상태로 전환해야 합니다. 이 프로세스가 토템폴 PFC에서 중요한 이유는 고전압 Si MOSFET의 본체 다이오드 Qrr이 높아서 비정상적인 스파이크, 불안정성 및 관련된 높은 스위칭 손실이 발생할 수 있기 때문입니다. Qrr이 낮은 GaN 스위치를 사용하면 설계자가 이런 문제를 극복할 수 있습니다.

설계자는 Transphorm의 TDTTP4000W066C 4kW 브리지리스 토템폴 PFC 평가 기판을 사용하여 회로 작동을 살펴볼 수 있습니다. 해당 기판은 Microchip Technology의 MA330048 dsPIC33CK256MP506 디지털 전력 플러그인 모듈(PIM)을 컨트롤러로 사용합니다. 효율이 매우 뛰어난 단상 변환을 실현하기 위해 Transphorm의 Gen IV(SuperGaN) TP65H035G4WS GaN FET를 사용합니다. 회로의 고속 스위칭 레그에 Transphorm GaN FET를 사용하고 회로의 느린 스위칭 레그에 낮은 저항 MOSFET을 사용함으로써 성능과 효율을 높일 수 있습니다.

실리콘 FET와 SiC FET를 결합한 양방향 토템폴 PFC

그리드 대화식 배터리 전기 자동차와 배터리 기반 에너지 저장 시스템 설계자를 위해 Infineon은 양방향 전력 성능을 갖춘 3300W 토템폴 PF 보정기인 EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 평가 기판을 제공합니다(그림 9). 이 브리지리스 토템폴 PFC 기판은 입방인치당 72W의 높은 출력 밀도를 제공합니다. EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 기판에서 구현되는 토템폴은 CCM에서 정류기(PFC) 모드와 인버터 모드 모두에서 작동하며 Infineon XMC1000 계열 마이크로 컨트롤러를 통한 디지털 제어를 완벽히 구현합니다.

그림 9: EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 3300W 토템폴 PFC 평가 기판의 제품 구성도에서는 기판의 지정된 입방인치당 72W 출력 밀도를 제공하는 토폴로지를 보여 줍니다. (이미지 출처: Infineon Technologies)

이 토템폴 PFC는 Infineon의 IMZA65R048M1 64mΩ, 650V CoolSiC SiC MOSFET과 IPW60R017C7 17mΩ, 600V CoolMOS C7 실리콘 전력 MOSFET을 함께 사용합니다. 이 컨버터는 스위칭 주파수가 65kHz인 CCM의 하이 라인(최소 176Vrms, 공칭 230Vrms)에서만 작동하며 반부하에서 최대 99%의 효율을 실현합니다. 이 3300W 양방향(PFC/AC-DC 및 인버터/AC-DC) 토템폴 솔루션에 사용되는 추가 Infineon 소자는 다음과 같습니다.

• 2EDF7275FXUMA1 절연 게이트 구동기
• 바이어스 보조 공급 장치를 위한 IPU95R3K7P7 950V CoolMOS P7 MOSFET을 사용하는 ICE5QSAGXUMA1 QR 플라이백 컨트롤러
• PFC 제어 구현을 위한 XMC1404 마이크로 컨트롤러

결론

PF가 낮으면 전력망과 전력 변환기에 비효율성이 초래되므로 특정 유형의 전자 장치에 대한 최소 PF 수준을 명시하는 규정에서 다양한 AC 본선 전력 구동 장비에 PFC를 구현하도록 하고 있습니다. 이러한 규제 요구 사항을 충족하는 동시에 폼 팩터 축소와 성능 향상의 요구를 해결하기 위해 설계자는 간단하고 저렴한 수동 PFC 기술의 대안이 필요합니다.

위에서 살펴본 바와 같이 설계자는 대신 디지털 제어 기술과 SiC 및 GaN 같은 WBG 반도체를 사용한 능동 PFC 설계를 구현하여 PF를 높이는 동시에 콤팩트한 설계를 얻을 수 있습니다.

권장 참고 자료

1. Designing Efficient Interleaved Power Factor Correction Solutions(효율적인 인터리브 역률 보정 솔루션 설계)
2. SiC 기반 MOSFET을 사용하여 전력 변환 효율 개선