고전류, 고속 과도 응답 DC/DC 컨버터를 위한 특수 인덕터 사용

데이터 센터와 서버 랙에는 수킬로와트의 전력과 수백 암페어의 전류가 필요합니다. 이 정도의 DC 전력을 제공하는 것은 설계적으로 어려움이 따르며 이는 전압이 낮은 상황에서도 마찬가지입니다. 이 문제는 수 밀리볼트 이상의 전압 레일 드룹이 발생하지 않도록 방지하기 위해 마이크로초 수준의 과도 응답 시간이 요구된다는 점에서 더욱 심각해집니다. 이러한 전압 레일 드룹이 발생할 경우 간헐적인 회로 동작을 유발할 수 있습니다.

과도 수요에 대한 응답을 개선하기 위해 설계자들은 여러 개의 단상 벅 컨버터를 병렬로 사용하는 다상 DC/DC 컨버터 토폴로지로 전환했습니다. 그러나 이 접근 방식은 출력 커패시터의 피할 수 없는 기생 유도 용량과 저항 때문에 본질적인 한계를 가지며, 이러한 요인들은 컨버터의 과도 응답을 지연시킵니다.

이 약점을 보완하기 위해 트랜스 인덕터 전압 조절기(TLVR)라고 알려진 고급 다상 토폴로지가 개발되었습니다. 성공적인 TLVR 구현을 위한 핵심 요소는 각 TLVR 전력 위상에 하나씩 있는 두 개의 저 유도 용량, 고전류 인덕터와 TLVR 인덕터의 1차측에 있는 단일 보상 인덕터입니다.

이 기사에서는 고전류 DC/DC 컨버터와 관련된 문제를 검토하고, 이러한 문제를 해결하기 위해 다상 DC/DC 토폴로지를 적용하는 방법을 탐구합니다. 그런 다음 보상 인덕터의 중요한 역할과 Abracon의 예시 부품을 사용하여 이러한 회로 소자의 성능 요구 사항을 충족하는 방법을 설명합니다.

단상 토폴로지에서 다상 토폴로지로의 전환

데이터 센터와 서버 랙과 같은 시스템에 조절된 전력을 공급하는 데는 두 가지 과제가 있습니다. 첫째, 수백 암페어의 전류가 필요합니다. 이 정적 최대 전류 수요는 스위칭 리플을 완화하기 위해 고용량 벌크 커패시터를 사용하는 적절한 스위칭 컨버터 설계를 통해 충족될 수 있습니다.

두 번째 과제는 부하 과도 현상으로 인한 동적 문제입니다. 부하가 전력 사용을 줄이고 열 문제를 최소화하기 위해 필요한 무부하 또는 저부하 유휴 상태에서 완전히 활성 상태로 빠르게 증가하기 때문입니다. 컨버터는 공칭 레일 전압을 오버슈트하거나 언더슈트하지 않으면서 마이크로초 이내에 응답해야 합니다.

이러한 상충되는 문제를 해결하는 것은 어려운 일이지만, 전원 공급 장치 및 컨버터 설계자들은 이를 완화할 수 있는 방법을 고안했습니다.

단상 컨버터로 시작

표준 강압(벅) 스위칭 토폴로지 DC/DC 컨버터는 단상 방식을 사용합니다(그림 1, 왼쪽). 이 컨버터는 입력 DC 레일을 받아 사각형에 가까운 고주파 AC 파형으로 변환한 후, 변압기나 기타 방법을 사용하여 이를 하향 변환합니다. 결과적으로 원래에 가까운 DC가 생성되며 이 DC는 대용량 커패시터를 통해 필터링되어 리플을 최소화하고, 부하가 갑자기 더 많은 전류를 요구할 경우 전류를 증폭합니다. 부하가 변동할 때 원하는 전압으로 출력을 조절하기 위해, 컨버터는 피드백을 사용하여 분할된 신호의 펄스 폭과 듀티 사이클을 조정하며(그림 1, 오른쪽) 이를 통해 평균값이 목표값과 일치하게 됩니다.

그림 1: 조정을 목적으로, 단상 컨버터(왼쪽)는 부하 전류의 변동에도 불구하고 안정적인 DC 출력을 유지하기 위해 스위칭된 펄스 폭(오른쪽)의 ON/OFF 듀티 사이클을 조절합니다(이미지 출처: Abracon).

그러나 이 단상 설계의 경우 과도 응답에 결함이 있습니다. 부하가 절전 모드에서 최대 수요 모드로 전환될 때 커패시터가 필요한 전류를 공급하려고 하면 커패시터의 유효 직렬 저항(ESR)과 유효 직렬 유도 용량(ESL)이라는 피할 수 없는 기생 성분으로 인해 응답 시간이 지연됩니다.

또한 공급되는 전압이 감소하기 시작하면 커패시터로 유도되는 추가 전류는 컨버터의 인덕터를 반드시 통과해야 합니다. 컨버터의 특정 성능 측면을 위해서는 더 큰 유도 용량을 갖는 인덕터를 사용하는 것이 유리할 수 있지만 전류 변화 속도가 느려질 수 있습니다. 이로 인해 인덕터가 커패시터를 충전하고 부하 요구 사항을 충족하는 데 필요한 전류 값에 도달하는 데 더 오랜 시간이 걸립니다. 따라서 인덕터의 크기는 컨버터 설계 시 고려해야 할 많은 트레이드 오프 중 하나입니다.

다상으로의 전환

단상 컨버터의 한계를 극복하는 혁신적인 토폴로지로는, 병렬로 작동하는 여러 개의 단상 벅 컨버터를 사용하는 다상 컨버터가 있습니다. 다상 컨버터는 하나의 대형 인덕터에 의존하는 대신 여러 개의 작은 인덕터를 동시에 사용하여 부하를 구동할 수 있는 유연성을 제공합니다.

부하로 전달되는 전류는 모든 위상에서 제공되는 전류의 합입니다(그림 2, 왼쪽). 각 위상의 유도 용량이 단상 설계에 비해 낮기 때문에 전류가 더 빠르게 증가합니다. 이로 인해 부하 과도 현상 동안 응답 속도가 빨라지고 전압 드룹이 감소합니다(그림 2, 오른쪽).

그림 2: 여러 위상을 병렬로 배치하고(왼쪽) 각각의 출력을 합산하는 방식 덕분에 다상 컨버터의 과도 응답은 단상 토폴로지보다 훨씬 빠르고 드룹도 낮습니다(오른쪽)(이미지 출처: Abracon).

일반적인 설계 관행은 단상 전류를 30A(암페어) ~40A(암페어)로 제한하는 것이지만, 더 높은 경우도 있습니다. 다상 설계는 일반적으로 2개 ~ 8개의 위상으로 구성되지만, 더 많은 위상도 가능합니다. 더 적은 개수의 강력한 위상을 선택할지 또는 더 많은 개수의 약한 위상을 선택할지는 전기적 성능, 물리적 크기, 부품 명세서(BOM), 비용 등 다양한 측면에서 많은 트레이드 오프를 수반합니다.

TLVR을 통한 다상 개선

다상 회로 출력의 경우 위상이 순차적으로 트리거될 때 조정하는 데 시간이 필요합니다. 더욱 스마트한 회로 개선을 통해, 부하 과도 현상에 대한 응답으로 각 위상의 트리거 방식을 제어함으로써 컨버터의 응답 시간을 줄일 수 있습니다. 이 작업은 TLVR 접근 방식을 사용하여 수행됩니다.

이 다상 DC/DC 컨버터 토폴로지는 모든 위상을 서로 결합하는 인덕터를 통해 2차 권선을 직렬로 연결하여 더 빠른 과도 응답을 제공합니다. 결과적으로, 부하가 증가하면 여러 위상에 걸쳐 동시에 전류가 유도될 수 있습니다(그림 3).

그림 3: TLVR 토폴로지는 위상 간 인덕터(위)를 추가하여 위상을 결합하고 전류 수요를 미리 '인지'할 수 있도록 합니다(아래)(이미지 출처: Abracon).

TLVR 토폴로지에 필수적인 요소는 TLVR 인덕터와 보상 인덕터입니다. TLVR 인덕터는 1차 및 2차 권선이 두 개의 구리 클립으로 구성되어 DC 손실을 최소화하는 특수 변압기입니다(그림 4). 두 개 클립은 페라이트 또는 철 기반 재료로 만들어진 자기 코어 내에 포함되어 있어 1차측과 2차측을 자기적으로 결합합니다. TLVR 설계와 기본 다상 구성의 주요 차이점은 각 TLVR 인덕터의 1차 권선을 모든 위상의 출력 인덕터로 사용하는 것입니다.

그림 4: TLVR 인덕터는 각 위상의 출력을 다음 위상에 연결하는 특수 변압기입니다(이미지 출처: Abracon).

또한, 모든 위상의 2차 권선은 단일 보상 인덕터(LC)에 직렬로 상호 연결되어 있습니다(그림 3, 오른쪽 위). 각 1차 권선의 전압은 해당 2차 권선에 반영됩니다. 모든 2차측이 직렬로 연결되어 있기 때문에 보상 인덕터는 이 모든 파형의 합을 받습니다.

작동 중에 컨버터에서 더 많은 전류가 소모되면 커패시터의 기생 ESR 및 ESL로 인해 출력 전압이 떨어지기 시작합니다. 피드백 제어 루프는 이러한 드룹을 감지하고, 이 시점에 활성화된 위상의 구동 레벨을 증가시켜 해당 위상을 통해 더 많은 전류를 공급함으로써 전압 강하를 제한하고 새로운 부하 요구를 충족합니다.

이런 이유로 TLVR은 전통적 다상 컨버터에 비해 우수한 성능을 제공합니다. 특정 위상에서 더 많은 전류를 요구할 경우 이 새로운 전류 파형은 모든 1차 권선에 반영되는데, 2차 권선이 다른 모든 위상과 결합되어 있기 때문입니다. 그 결과, 피드백 시스템에 대한 한 위상의 반응으로 다른 위상을 통해 전류가 유도되므로 모든 위상에 걸쳐 전류가 거의 즉시 증가합니다.

TLVR 이름의 '트랜스 인덕터'는 이러한 교차 위상 인덕터 연결 방식에서 비롯되었습니다. 부하 변화에 대해 모든 위상이 집합적으로 반응하기 때문에, 컨트롤러가 다른 위상들을 각각 트리거하는 데 필요한 시간 간격을 건너뛰어 더 빠른 과도 응답을 유도합니다.

TLVR 인덕터는 일반적으로 1:1 권선비를 가지며, 두 유도 용량 값이 동일합니다. 유도 용량 값은 주로 듀티 사이클과 허용 가능한 리플 전류량의 함수입니다.

인덕터 설계는 TLVR 성능의 핵심입니다.

저항기, 커패시터, 인덕터와 같은 수동 소자는 단순한 부품으로 생각되는 경우가 많습니다. 수동 소자는 개념적으로는 간단하지만, 실제로는 복잡하고 미묘한 요소들이 많습니다. 인덕터는 원리만 보면 단지 구부리거나 감은 전선 또는 컨덕터에 불과하므로 단순하다고 오해하기 쉬운 대표적인 부품일 수 있습니다.

앞서 언급했듯이, TLVR 토폴로지에서는 각 전력 위상에 대해 TLVR 인덕터(Lm_n)가 필요하며(그림 5, 아래), 이를 통해 시스템 수준의 전류 공급이 수백 암페어를 초과할 수 있습니다.

반면, TLVR 토폴로지의 1차측에서는 전원 공급을 조절하기 위해 단일 보상 인덕터(Lc₁)(그림 5, 위)만 필요합니다. 이는 전압에 대해 위상을 평활화하고 조정하여 위상 마진을 증가시키고 안정적인 작동을 보장함으로써 달성됩니다.

그림 5: 완전한 TLVR 다상 컨버터에는 위상 간 연결을 위한 위상당 하나의 TLVR 인덕터와 안정적인 작동을 위한 단일 보상 인덕터가 필요합니다(이미지 출처: Abracon).

AVR 계열 조립 인덕터

TLVR 설계에 사용되는 보상 인덕터는 낮은 DC 저항을 가져야 하고, 높은 전류를 처리할 수 있어야 하며, 넓은 온도 범위에 걸쳐 지정되어야 하고, 물리적으로 작아야 합니다. Abracon의 AVR 계열 조립 인덕터(그림 6)는 페라이트 기반 구조, 22나노헨리(nH) ~ 680나노헨리(nH)의 유도 용량 범위, -40°C ~ +125°C의 작동 온도 범위, 최저 0.100 밀리옴(mΩ)의 낮은 DC 저항(DCR), 160암페어(A)의 낮은 포화 전류로 이러한 요구 사항을 충족합니다.

그림 6: AVR 계열 조립 인덕터는 전통적 DC/DC 컨버터와 TLVR 토폴로지의 보상에 필요한 요구 사항을 충족하도록 구조, 주요 파라미터 값 범위, 크기 등을 고려하여 특별히 설계되었습니다(이미지 출처: Abracon).

보상 인덕터의 패키징도 콤팩트한 컨버터 설계의 성공에 기여합니다. 이전에는 성형 인덕터가 콤팩트한 컨버터 응용 제품의 표준으로 사용되었지만, 이러한 조립 인덕터는 더 낮은 비용으로 향상된 성능을 제공합니다.

예를 들어, AVR-1F070605S90NLT는 차폐형 90 ±15% nH 인덕터(0.1MHz/1.0V)로 약 6mm × 7mm 크기입니다. DCR은 0.17 ±30% mΩ이며, 통상적인 포화 전류는 +25°C에서 50A이고 +100°C에서는 45A로 약간 감소합니다.

고전류 응용 분야를 위한 AVR-1Z090610SR12KT는 비차폐형 120 ±10% nH 인덕터(800kHz 및 0.8V)입니다. 9.5mm × 10mm 크기의 이 부품은 +25°C에서 90A, +100°C에서 75A의 포화 전류와 함께 0.10mΩ(최대 0.12mΩ)의 통상적인 DCR을 특징으로 합니다.

결론

단상 DC/DC 컨버터에서 다상 접근 방식으로, 그리고 TLVR 토폴로지로 전환하면 부하 전류가 높고 빠르게 변하며 선명한 과도 응답과 높은 출력 정확도를 요구하는 응용 분야에서 뛰어난 성능을 제공할 수 있습니다. 단일 보상 인덕터와 함께 각 위상에 대해 TLVR 인덕터를 추가하여 다상 설계를 개선함으로써 이 접근 방식은 설계 목표를 충족할 수 있습니다. 필요한 보상 인덕터를 위해, Abracon의 AVR 계열 인덕터는 다상 전압 조절을 위한 진보적이고 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다.