[테크가이드] 전력 성능과 효율 높이는 DC-DC 컨버터 설계 전략

발행일 : 2020-03-02 00:00

기존 양방향 DC-DC 컨버터는 전압 스파이크 문제로 인하여 전력 성능과 효율성에 제한을 받을 수 있다. 여기에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 배터리 뱅크 및 DC 버스 인터페이스와 함께 역할을 하며 고효율로 양방향(충전 배터리 방향 및 보조 버스의 방향)으로 작동하는 DC-DC 컨버터의 회로 각 블록 및 시스템 구현의 작동 원리와 양방향으로 고효율을 달성할 수 있는 실험 결과를 소개한다.

DC-DC 컨버터의 역할

배터리 제조 과정에서는 배터리 셀 또는 배터리 팩이 충전 상태를 유지하고 제대로 작동하는지 테스트해야 한다. 이를 위한 표준 방법으로 전원 공급 회로와 부하로 구성된다. 전원 공급 회로는 올바른 방식으로 배터리를 충전하고, 부하는 테스트 완료 후 배터리 방전에 사용된다. 이 구성에서 시스템 효율은 0%이다. 즉, 배터리를 테스트하는 데 사용되는 모든 에너지가 손실된다.

양방향 DC-DC 컨버터를 사용하면 이 에너지를 시스템으로 반환하여 배터리 테스트 충전 에너지를 재활용할 수 있다. 반환된 에너지는 후속 배터리 셀을 테스트하는데 사용될 수 있으며, 에너지 소모 부하로 인한 에너지 손실이 없으므로 단지 충전/방전 변환 손실만을 고려한 시스템 효율을 제공할 수 있다.

고효율 DC-DC 컨버터의 두 번째 용도는 배터리 백업 시스템(BBU)의 인터페이스로 사용하는 것이다. 정보 시스템의 장비는 정전 후에도 계속 작동해야 한다. 데이터 센터와 같은 정보 시스템에 정전이 발생하는 경우, 전력이 손실된 후 발전기 등 2차 소스에서 전력 공급을 재개하기 전에 몇 분 정도의 작동 시간이 필요할 수 있다. 이 시간 동안 장비 기능을 유지시려고 종종 배터리 뱅크를 사용한다. 뱅크가 방전되면 배터리 뱅크의 전압이 떨어지므로 올바른 버스 전압을 유지하기 위해 전력 변환 인터페이스가 필요하다. 배터리 뱅크는 또한 이벤트가 발생한 후 손실된 충전을 보충하고 유지하기 위한 전원이 필요하다. 단일 양방향 DC-DC 컨버터가 배터리 충전 및 버스 인터페이스 기능을 수행할 수 있다면 비용과 크기 측면에서 유리할 것이다.

그림 1은 널리 사용되는 기존의 절연 양방향 DC-DC 컨버터 토폴로지이다. 입력 DC 전압은 먼저 AC 전압으로 전환된 다음 변압기를 통과하여 출력 DC 전압으로 정류된다. 이 토폴로지는 누설 인덕턴스 에너지 저장 및 방전으로 인해 스위칭 MOSFET의 고전압 스파이크가 발생하므로 고전력 용도에 적합하지 않다. 이 문제를 해결하기 위해 이 토폴로지로부터 많은 파생물이 개발되었다. 그러나 이러한 파생물의 대부분은 스너버 또는 클램프 회로를 통해 이 전압 스파이크를 줄이기 위한 것인데, 개선은 되었지만 이 문제를 근본적으로 해결할 수는 없다.

여기에 소개되는 양방향 DC-DC 컨버터는 양방향이므로 배터리를 충전하기 위해 다른 DC-DC 컨버터 또는 AC-DC 컨버터가 필요하지 않다. 여기에서는 배터리 백업 시스템 적용을 통한 컨버터 제어를 설명한다.

고효율 절연 양방향 DC-DC 컨버터는 무엇?

그림 2는 절연 양방향 DC-DC 컨버터의 토폴로지를 보여준다. 여기에는 세 가지 기본 블록(블록 1, 2 및 3)이 포함된다. 블록 2는 절연과 더불어 입력 전압과 출력 전압 사이의 고정 비율 스텝 다운/업을 제공한다. 양방향이며 전류는 양방향으로 흐를 수 있다. 블록 1과 3은 정확한 레귤레이션을 제공한다. 이들은 입력 및 출력 전압이 반대 방향인 것을 제외하고는 동일한 블록이다. 블록 1의 경우 배터리가 출력 측에 있다. 블록 3의 경우 버스가 출력 측에 있다.

① 블록 2의 기능
블록 2의 기능은 절연 및 고정 비율 스텝 업 또는 다운을 제공하는 것이다. 변압기에 소형 커패시터를 추가하면 이 소형 커패시터의 고유 공진 주파수와 변압기의 누설 인덕터를 사용하여 제로 전류 스위칭[k – l]을 제공할 수 있다. 1차측 전류의 고유 공진 주파수가 사용되어 MOSFET이 공진 부분의 제로 크로싱 포인트에서 스위칭한다. 공진 전류가 0에 도달하면 S5, S6, S7 및 S8은 항상 켜지고 꺼진다. S5와 S7이 켜지면(t1에서 t2 동안) 1차측 공진 전류 IP는 0에 도달할 때까지 정현파로 흐른다. 그 후, S6 및 S8이 켜지고 1차측 공진 전류 IP는 t2에서 t3로 가는 동안 도시된 바와 같이 여전히 정현파 형태로 반대 방향으로 흐른다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 동일한 스위칭 시퀀스가 양방향 작동으로 이어질 수 있으므로 이 회로를 자연스럽게 양방향으로 만들 수 있다.

이 컨버터의 스위칭 손실은 약 0이므로 이 컨버터는 수 MHz까지의 매우 높은 스위칭 주파수에서 작동할 수 있어 초 고전력 밀도를 가능하게 한다. 2차측의 완전 제로 전류 스위칭(ZCS) 및 1차측의 부분 ZCS(오류는 자화 전류로 인한 것이며, 스위칭 손실을 무시하기 위해 1차측의 제로 전압 스위칭(ZVS)을 사용했다)를 사용하면 매우 높은 효율을 달성할 수 있다.

블록 2는 공진을 사용하여 제로 전류 스위칭을 달성하므로 스위칭 MOSFET의 고전압 스파이크 문제가 효과적으로 해결된다. 다른 토폴로지는 전압 스파이크 진폭을 줄이는 개선 기능만 제공할 수 있다. 블록 2의 공진 주파수는 수 MHz만큼 높아질 수 있다. 따라서 블록 2는 매우 높은 효율로 매우 높은 전력 밀도를 달성할 수 있다.

② 블록 1과 블록 3의 기능
블록 1과 블록 3은 정확한 레귤레이션을 제공한다. 이들은 동일한 블록이지만 시스템 수준에서 양방향 작동을 제공하기 위해 방향이 정반대이다. 예를 들어 그림 4와 같이 블록 1을 사용하면, 첫 번째 단계에서 S1과 S4가 켜지고 인덕터 IL을 통해 흐르는 전류는 VIN에 비례하는 속도로 증가한다. 그런 다음 S3이 켜지고 S4가 꺼지며 두 번째 단계로 이동한다. IL은 입력 전압과 출력 전압의 차이에 따라 평탄하거나 감소/증가할 수 있다. 그런 다음 S2가 켜지고 S1이 꺼지며 세 번째 단계로 이동한다. IL은 VOUT에 비례하는 속도로 감소한다. 그런 다음 S4가 켜지고 S3이 꺼지며 네 번째 단계로 이동한다. 약간의 음의 전류가 인덕터를 통과한다. 전환하는 동안 제로 전압 스위칭 벅-부스트 컨트롤러를 사용하여 제로 전압 전환을 활성화한다.

ZVS 스위칭으로 인해 블록 1/블록 3에서도 고효율 및 고전력 밀도를 달성할 수 있다.

이 용도에서 이 컨버터를 간단히 제어하는 방법은 다음과 같다. 블록 3의 조정된 VOUT의 버스 전압을 비교적 낮게 설정한다. 이 버스 전압은 대부분 일반 버스 전압보다 낮지만 버스 부하를 지원하기에는 충분하다. 이 구성에서는 대부분 버스 전압이 블록 3의 조정된 VOUT보다 높으므로 블록 3은 무부하 전력 손실분만 소비한다. 그 동안 버스는 대부분 블록 1과 2를 통해 배터리를 충전한다. 버스 전압이 갑자기 사라지면 블록 3은 즉시 전원을 처리하고 블록 2와 3을 통해 전류가 흘러 버스를 지원한다.

이 구성은 특히 이 버스 배터리 인터페이스 용도에 대해 양방향으로 고효율 및 고전력 밀도를 얻는 데 있어 큰 이점을 제공한다.

배터리 충전 및 방전 모드에서 필요한 전원 수준은 서로 다르다. 배터리 충전 모드인 경우 필요한 전원 수준이 지원 버스 모드보다 훨씬 낮아야 한다. 실제로 안전을 위해 충전 전력을 일정 수준 이하로 제한하는 것이 좋다. 이 구성에서, 버스 전력 수준을 달성하기 위해 블록 3의 n을 병렬로 놓을 수 있다. 블록 1의 1 또는 m(m은 n보다 상당히 작을 수 있음)은 충전 전원을 공급하기에 충분해야 한다. 따라서 블록 1 또는 3은 양방향이 아니지만 개별적으로 함께 작동하여 블록 1의 n에 가까운 총 크기/전력 손실로 양방향을 커버한다. 이 구성은 보조 버스와 충전 배터리 간의 전력비가 높기 때문에 그 이점이 크다.

그림 3 블록 2: 양방향으로 흐르는 1차 및 2차 공진 전류: (a) 충전 배터리 방향, (b) 보조 버스 방향

실험 결과

버스 전압은 48V, 배터리 전압은 12V를 사용한다. 따라서 블록 2의 스텝 다운 비율은 4:1로 설계해야 한다.

VIN = 48V, 300W 블록 2의 모듈 비율이 4:1인 경우, 부하가 50%를 초과하고 96.2%에서 피크가 되면 테스트된 효율은 96% 이상이다. 부하가 50% 미만이면 효율이 떨어지지만 10% 부하에서도 여전히 85.5%의 효율을 달성할 수 있다. 전체 테스트는 실온 상태를 기준으로 한다. 다른 라인 및 부하 조건에서의 효율 매트릭스 테스트는 그림 5 (a)에 나와 있다. 입력 전압은 26~55V로 설계되었으므로 6.5~13.75V의 배터리 전압이 버스를 역방향으로 지원할 수 있다. 범위가 넓어 더 많은 배터리 구성이 가능하며, 더욱이 배터리가 더 오래 동안 버스를 지원할 수 있게 한다.

그림 5 (b)는 버스를 지지하는 방향에서 블록 2 모듈의 실험 효율 테스트 결과이며, 이것은 보고서에서 역방향으로 정의된다. 이 실험에서는 심방전(deep-cycle) 해양 납산 12V 배터리(부품 번호 24DC-1, 예비 용량 140분, 콜드 및 해양 크랭킹 500 암페어 이상)를 사용하여 블록 2 모듈을 통해 버스를 지원한다. 공급 전류가 증가함에 따라 배터리 단자 전압이 감소하므로 VIN은 11.7V(IOUT = 0.6A • 4)에서 10.9V(IOUT = 6.3A • 4)로 떨어진다. 최대 효율은 96.9%이다.

그림 5. 블록 2 모듈 (300W, 4:1 비율)의 효율 실험 결과: (a) 충전 배터리 방향 (b) 보조 버스 방향

지지 버스 방향의 효율은 충전 배터리 방향보다 훨씬 높다는 점에 유의한다. 역 상태에서 배터리는 충전 배터리 방향보다 훨씬 높은 전력 수준으로 버스를 지원해야 하기 때문에 이 용도에 유리하다. 보조 버스 방향의 효율이 높으면 이 고전력 용도에서 열 관리 작업이 간소화된다.

500W 블록 1/블록 3 모듈의 실험 효율 테스트 결과는 그림 6에 나와 있다. 최대 효율은 97.3%이다.

이 모듈들은 제어 회로를 통해 비활성화/활성화될 수 있다. 비활성화된 전력 손실은 무부하 전력 손실보다 훨씬 적다. 25°C에서 공칭 48V, 500W 블록 3 또는 블록 1의 경우, 일반적인 무부하 전력 손실 2 4:1 비율 블록 2 모듈의 일반적인 비활성화 전력 손실을 보면, 일반적인 d 손실은 0.04W이고, 일반적인 n 손실은 5.3W이다.

시스템 구현

이 양방향 DC-DC 컨버터의 7x9 인치 PCB 프로토타입은 그림 7과 같이 블록 3 모듈 3개(모듈 당 500W)와 블록 2 모듈 5개(모듈 당 300W)를 갖추고 이 용도에 맞춰 제작되었다.

모듈을 간단히 병렬화하고 그림 2의 토폴로지로 통합하면 이 컨버터가 작동한다. 블록 3 모듈의 조정된 VOUT의 버스 전압을 비교적 낮게 설정한다. 이 버스 전압은 대부분 일반 버스 전압보다 낮지만 버스 부하를 지원하기에는 충분하다. 이 방식에서는 시스템 제어 회로가 더 이상 필요하지 않다. 블록 2의 모듈 5개 모두는 보조 버스 모드에 있을 때 즉시 전원을 처리할 수 있다.

이 구성의 단점은 모든 모듈이 항상 활성 상태이고 일부 모듈은 대부분의 작동 시간 동안 경부하/무부하 전력 손실을 소비한다는 것이다.

이러한 경부하/무부하 전력 손실을 줄이기 위해서 모듈 활성화가 필요 없는 동안에는 비활성화할 수 있다.

버스 전압이 사라질 경우 일부 모듈은 비활성화 모드에서 활성화 모드로 복구해야 한다. 이 시간 동안 버스 전압은 커패시터에서 지원된다. 신속한 모듈 재시작 기간 동안에 지원되는 충분한 정전 용량이 버스에 추가된 후, 이 보드의 시스템 수준 제어 회로를 사용하여 모듈을 비활성화/활성화하면 불필요한 전력 손실을 막을 수 있다.

충전 배터리 방향에서, 블록 2 모듈 중 4개를 비활성화할 수 있고, 블록 3 모듈 3개를 모두 비활성화할 수 있으며, 이 경우 충전 배터리 전력 300W를 제공한다.

보조 버스 방향에서 블록 1 모듈을 비활성화할 수 있으며, 이 경우 보조 버스 전력은 1500W이다.

이 시스템 구성에서는 300W/25A에서 배터리를 충전하고 1500W/31A에서 48V 버스를 지원할 수 있다. 배터리 예비 용량이 140분인 경우, 완전 방전에서 완전 충전까지 2.3시간이 걸리고, 그 후 28분 동안 버스(1500W 부하)를 지원할 수 있다. 재구성 또는 병렬 처리를 통해 보다 쉽게 전력 수준을 높일 수 있다.

순방향 및 역방향 모드에서 블록 1/블록 3 모듈 효율은 97.3%를 사용하고, 블록 2 모듈 효율은 96.2%를 사용한다. 블록 1/블록 3 모듈 비활성화 전력 손실은 0.78W를 사용하고, 블록 2 모듈 비활성화 전력 손실은 0.04W를 사용한다. 따라서 충전 배터리 모드에서 최대 효율은 다음과 같다.

보조 버스 모드에서 최대 효율은 다음과 같다.

DC-DC 컨버터 적용분야

이상으로 새로운 양방향 DC-DC 컨버터의 설계와 분석에 대해서 알아봤다. 이 컨버터는 배터리 뱅크와 DC 버스를 양방향(충전 배터리 방향 및 보조 버스 방향) 인터페이스에 활용할 수 있다. 양방향에서 고효율을 달성할 수 있어 300W 입력(충전 배터리) 1500W 출력(보조 버스) 양방향 DC-DC 컨버터의 프로토타입을 구축할 수 있다.

배터리 예비 용량이 140분인 경우, 완전 방전에서 완전 충전까지 2.3시간이 걸리고, 그 후 28분 동안 버스(1500W 부하)를 지원할 수 있다. 시스템 제어 회로가 내장된 이 프로토타입은 92.9% 효율(300W)로 배터리를 충전하고 93.6% 효율(1500W)로 버스를 지원할 수 있다. 재구성 또는 병렬 처리를 통해 보다 쉽게 전력 수준을 높일 수 있다.

웨비나 전문방송 전자신문 올쇼TV에서는 오늘 3월 5일 오후2시부터 3시까지 '개발기간 줄이는 고성능 DC-DC 최적 설계법' 웨비나를 진행한다. 이 웨비나에서 일반화된 사례 연구를 통한 DC-DC 시스템 설계의 세부 사항과 전원을 효과적으로 관리하는 방법, 개발자들이 고려해야할 사항들이 상세히 소개되니 참고하기 바란다.

폴 이먼(Paul Yeaman) 바이코 애플리케이션 엔지니어링 시니어 디렉터
쌰오얀 유(Xiaoyan Yu) 바이코 애플리케이션 엔지니어링 매니저