PFC (역률 개선)란? – 원리와 회로 : 싱글 / 인터리브, BCM / CCM

이제부터는, 실제 어플리케이션 회로에서 다이오드와 트랜지스터의 특성 및 성능에 따라 어떤 차이가 있는지, 그 차이에 따라 어떻게 구분하여 사용하는지에 대해 설명하겠습니다. 전자기기에 따라서는 PFC (역률 개선) 탑재가 필수이므로, 먼저 PFC에 대해 설명하겠습니다.

PFC란?

PFC (역률 개선)는, 역률을 개선하여 1에 가깝게 하는 것을 의미합니다. 이것은, 역률각 (위상각)을 0°에 가깝게 함으로써 전압과 전류의 위상차를 작게 하여, 피상 전력을 유효 전력에 근접시킵니다. 동시에, 고조파 전류를 억제합니다. 고조파 억제는, 국제 규격 IEC61000-3-2로 등급 분류 및 최대 허용 고조파 전류가 규정되어 있으며, 그에 해당하는 전자기기는 기본적으로 PFC를 탑재해야 합니다.

싱글 PFC와 인터리브 PFC

PFC의 기본 동작은 인덕터에 삼각파 형태로 전류를 흘려, 전류의 평균값이 정현파가 되도록 제어함으로써 전압과 전류의 위상 편차를 보정합니다. 하기는, PFC의 기본 회로로, 싱글 방식과 인터리브 방식의 예입니다.

싱글 방식은 스위치 (트랜지스터), 다이오드, 인덕터의 1세트로 구성된 것에 비해 인터리브 방식은 2세트 구성으로, 스위치는 180° 위상차로 구동합니다. 따라서, 싱글 PFC의 인덕터 전류는 ON / OFF에 의한 단일 삼각파지만, 인터리브 PFC는 삼각파가 오버랩됩니다. 그 결과, 리플 전류는 작아지고 실효 주파수는 2배가 됩니다. 우측 그림은, 인덕터 1개 당 전류 파형과, 인터리브 방식의 전류 파형의 이미지입니다.

인터리브 방식은, 2세트의 스위치를 사용하므로, 스위칭 손실이 분산되어 1개의 스위치 부하가 경감됨에 따라 열 설계가 용이해집니다. 또한, 리플이 작고 실효 주파수가 높아지므로 필터 사이즈의 소형화가 가능합니다. 이는, DC-DC 컨버터의 2 phase 구동과 동일한 원리입니다.

임계 모드 (BCM)와 연속 모드 (CCM)

PFC 제어를 위해서는 일반적으로, 전류가 “0”이 되는 시점에서 스위칭하는 전류 임계 모드 (BCM : Boundary Current Mode)와, 인덕터에 연속적으로 전류가 흐르는 상태에서 사용하는 전류 연속 모드 (CCM : Continuous Current Mode)가 사용됩니다.

BCM은, 다이오드 전류가 “0”이 된 시점에서 스위치가 ON되므로, 다이오드에 역회복 전류가 흐르지 않습니다. 그러나, 전류가 “0”에서 최대치까지 크게 변화하므로, 인덕터와 다이오드의 피크 전류가 커집니다. 반면에 CCM은, 다이오드에 전류가 흐르는 상태에서 스위치가 ON되어 다이오드가 강제로 OFF되므로, 큰 역회복 전류가 흘러 스위칭 노이즈가 발생합니다. 단, 연속적으로 흐르는 인덕터 전류는 거의 직류로, 리플이 작다는 점이 특징입니다.

방식의 차이에 따른 출력전력의 차이

위에서 설명한 것과 같이 싱글 방식과 인터리브 방식, BCM 제어와 CCM 제어의 차이는, 출력전력과 피크 전류 특성의 차이로 나타납니다. 일반적으로, 출력전력이 큰 회로에서는 인터리브 방식 및 CCM 제어를 사용하는 경우가 많습니다. 하기 그래프는 비교 예입니다.