열악한 응용 환경을 위한 접점 냉각 AC/DC 전력 컨버터 사용

전자 장치가 확산됨에 따라 열악한 환경을 위한 전력 장치 및 AC/DC 컨버터 모듈 설계자들은 점점 더 까다로워지는 성능, 환경, 포장 요구 사항에 직면하고 있습니다. 라인으로 연결된 전력 컨버터 모듈의 역할은 기본적으로 변하지 않았지만 현장에서 완벽하게 작동하기 위해서는 더 많은 것이 필요합니다.

먼저 냉각 문제가 있습니다. 효율적인 공급 장치라도 열이 발생하기 때문입니다. 다음으로, 설계자는 시스템 수준에서 전기 및 폼 팩터 요구 사항을 고려해야 합니다. 마지막으로, 컨버터는 디자인인을 간소화하고 컨버터, 사용자 및 부하를 부정적 영향으로부터 보호하는 기능을 통합해야 합니다.

이 기사에서는 열악한 환경용으로 고안된 전력 시스템 설계자들이 직면한 문제를 간략하게 검토합니다. 그런 다음 Advanced Energy의 504W, 접점 전도 냉각형 AC/DC 컨버터 제품군을 소개하고 이 제품군을 통해 이러한 문제를 해결할 수 있는 방법을 보여줍니다.

냉각 문제

거의 예외없이, AC/DC 컨버터를 시스템으로 통합하는 설계자는 발생된 열을 발산시키는 방법도 결정해야 합니다. 최신 컨버터는 일반적으로 80% ~ 90% 또는 그 이상으로 비교적 효율적이지만 열이 계속적으로 생성되며 공급 장치가 과열되어 성능 및 신뢰성을 떨어뜨리지 않도록 하려면 이러한 열을 제거해야 합니다.

열 물리학에서는 세 가지 방법으로 이러한 열을 발산시킵니다(그림 1).

1. 고체 표면 간 직접 연결을 통한 전도
2. 유동 유체(공기 또는 액체일 수 있음)를 통한 대류
3. 진공 상태에서 발생할 수 있는 전자기(주로 적외선) 에너지인 복사

그림 1: 열 에너지는 전도, 대류 또는 복사에 의해 발산될 수 있습니다(이미지 출처: Nuclear Power).

복사 기반 냉각은 상대적으로 적은 양의 열만 전달하기 때문에 일반적으로 전자 시스템에 적합하지 않습니다. 그러나 복사는 열을 우주의 진공 공간에 분산시켜야 하는 우주선에 매우 중요합니다.

대부분의 설계자들은 비강제(자연) 또는 팬 강제 기류 대류를 사용하는 냉각 전략으로 시작하는 것을 선호합니다. 이때 공기는 컨버터 장치의 개방구 및 환기구를 통해 들어갑니다. 이 냉각 방법은 상대적으로 저렴하고 평가하기 쉽습니다.

그러나 대류 냉각 접근 방식은 여러 실제 설치에서 실행이 불가능합니다. 컨버터는 물, 비, 먼지 및 기타 오염 물질에 대한 완전한 보호를 위해 응용 장치의 밀봉 방수/방진(IP) 등급 케이스 내에 있어야 합니다. 또한, 대부분의 표준 컨버터는 전도 기반 냉각을 위해 물리적으로 배열되거나 패키징되지 않습니다.

단지 컨버터의 인클로저에서 인접한 표면으로의 열 전도로만 냉각해야 하는 경우 다른 설계가 필요합니다. 이를 흔히 접점 또는 냉벽 냉각이라고 합니다. Advanced Energy의 Artesyn AIF500 전력 컨버터 제품군(그림 2)의 패키징 설계는 이러한 접근 방식의 좋은 예입니다.

그림 2: Artesyn AIF500 전력 컨버터는 접점 또는 냉벽 냉각을 사용합니다(이미지 출처: Advanced Energy).

이 저높이 장치는 인쇄 회로(PC) 기판에 장착되어 있습니다. 이 장치는 4.6in × 2.4in의 산업 표준 풀브릭 바닥판 실장 면적, 0.55in의 높이(116.84mm × 60.96mm × 13.95mm) 및 9.2oz(260g)의 무게를 가집니다.

이 장치는 주로 5G 전기 통신 응용 분야의 원격 무선 헤드 RF 전원 공급 장치 요구 사항을 위해 설계되었으며 디스플레이 및 산업 응용 제품용으로도 적합합니다. 이 장치의 평균 무고장 시간(MTBF)은 1백만 시간을 초과합니다.

이 모듈은 바닥판을 통해 접점 냉각되도록 설계되었으며(그림 3) -40°C ~ +100°C의 넓은 바닥판 온도 범위에 걸쳐 최대 전력 정격을 제공할 수 있습니다.

그림 3: AIF500 모듈은 더 차가운 표면과 직접 접촉하는 바닥판을 통한 전도 냉각을 위해 설계되었습니다(이미지 출처: Advanced Energy).

전력 컨버터 선택하기

전력 컨버터의 선택은 핵심적인 성능 요구 사항으로 시작합니다. 여기에는 선간 전압의 정상 상태 변동, 전압 과도 상태, 부하 수요 변화, 주변 온도 변화에도 부하에 일관된 출력 전압을 제공하는 기능이 포함됩니다.

완전하게 캡슐화된 AIF500 장치는 90V_AC ~ 264V_AC에서 작동합니다. 옵션에는 고정 12V/42A 출력을 가진 AIF42BAC-01N 또는 48V/10.5A AIF11WAC-01N이 포함됩니다. 시작 시간부터 최대 출력까지 걸리는 시간은 3.5초이며 이는 여러 응용 분야에서 중요한 파라미터입니다. 또한 라인 규정은 ±0.2%이고 부하 규정은 ±4%입니다.

넓은 범위의 AC 라인 입력 및 잘 조정된 DC 출력과 함께 AIF500 컨버터는 부족 전압 차단(UVLO), 과전압 보호(OVP), 과전류 보호(OCP)와 같은 보호 기능도 통합합니다. 내부 유입 전류 제한은 시작 전류 서지로부터의 손상을 방지하는 데 필요한 외부 회로망을 최소화합니다.

또한, 이 컨버터는 관련 EN, UL, 캐나다 UL, IEC, EN 62368-1 안전 표준을 충족하도록 승인되었으며 CE 및 UKCA 안전 마크를 획득했습니다. 이러한 인증은 4,000V_DC 입력-출력, 2,500V_DC 입력-바닥판, 100V_DC 출력-바닥판의 여러 격리 정격으로 인해 부분적으로 획득되었습니다.

규정 요구 사항 및 우수한 엔지니어링 관행에서는 고효율 작동을 위해 열 부하를 최소화해야 합니다. 이러한 컨버터는 1/2 이상의 정격 출력 전력에서 작동할 경우 90%가 넘는 효율성을 제공합니다. 예를 들어, 230V_AC 라인에서 작동하는 12V 장치는 300W 이상의 출력 전력에서 93%가 넘는 효율성을 가집니다(그림 4). 300W가 넘어가면 역률(PF)이 0.99를 초과하여 규정 의무를 능가합니다.

그림 4: AIF500의 전력 변환 효율은 중간 부하 정격 이상에서 작동할 경우 90%보다 큽니다. 이는 열 손실을 줄이며 규정 요구 사항을 충족합니다(이미지 출처: Advanced Energy).

시스템 레벨 특징 및 기능 추가하기

오늘날의 컨버터는 AC 입력을 위한 2선, DC 출력을 위한 2선, 2개의 원격 감지 리드 이외의 기능을 제공해야 합니다. 또한 시스템 수준에서 추가 연결 및 기능을 통합해야 합니다.

예를 들어, AIF500 컨버터는 원격 활성화를 위한 직접 단일 라인 'unit good' 출력과 TTL 레벨 입력을 가집니다. 활성화되지 않은 경우 대기 전력은 5W입니다. 컨버터에는 PMBus 인터페이스도 포함되어 있으므로 이러한 보고 및 제어 신호는 단지 연결을 위한 시작점에 불과합니다.

추가 특징에는 250mA에서 8V_DC ~ 11V_DC의 상시 고정 전압 보조 출력이 포함됩니다. 이를 통해 작고 중요한 부하를 지원할 수 있습니다.

단일 장치 컨버터 구성 시 외부 전자기 간섭(EMI) 필터, 홀드업 커패시터, 출력 커패시터만 있으면 됩니다.

단일 AIF500 장치의 출력 전류가 충분하지 않은 응용 분야를 위해, 이 장치는 간단한 장치 간 상호 연결을 통해 단일 장치 구성을 최대 10개 장치로 확장하는 능동 전류 공유를 지원합니다(그림 5). 이 병렬 출력 배열에는 두 번째 장치(및 각각의 추가 장치)를 위한 홀드업 및 출력 커패시터만 추가하면 되며 다른 부품이 필요하지 않습니다.

그림 5: 단일 AIF500 장치는 몇 개의 외부 부품만 있으면 작동이 가능하며(위), 더 높은 출력 전류가 필요한 경우 최대 10개를 병렬로 연결할 수 있습니다(아래)(이미지 출처: Advanced Energy).

PMBus는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 허용합니다. GUI는 설계자가 개발 단계에 있거나 응용 배포를 진행 중일 때 모듈의 제어 및 모니터링을 간소화합니다. GUI는 전압, 전류 및 핵심 작동 메트릭/물리적 지점의 상태에 대한 통찰력을 제공합니다.

결론

견고한 AC/DC 컨버터는 탄탄한 설계로 시작되지만 적절한 냉각을 제공하는 것은 특히 노출된 설치에서 항상 문제가 되어 왔습니다. 완전히 밀폐된 Artesyn AIF500 컨버터 제품군은 접점 냉각을 사용하는 바닥판에서 최대 +100°C의 사양까지 작동하도록 설계되었습니다. 이 장치는 뛰어난 성능을 제공하며 PMBus 인터페이스와 같이 단지 조정된 DC 출력의 필수 소스가 아니라 시스템 호환이 가능한 컨버터로 작동하도록 할 수 있는 추가 기능 및 특징을 포함합니다.