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엔지니어 인터뷰

환경 부하 저감을 위한 전원 기술 동향 Part 1

AC/DC 컨버터의 효율 개선이 필수

주목 키워드
  • AC 어댑터
  • 환경 문제
  • 고효율화
  • 수량을 저감
  • AC/DC 컨버터
  • 원자력 발전
  • 미국 에너지국 (DOE)의 효율 규제
  • 다이오드 정류 방식
  • 순방향 전압 Vf에 의한 도통 손실
  • 동기정류 방식
  • PWM 플라이백 방식
  • 연속 모드 동작

최근, 환경 문제는 전 세계적인 과제로서 분야에 상관없이 그 대응이 필요시되고 있습니다. 전원에 있어서는 변환 효율은 물론, 대기 시 소비전력에 대해서도 규제가 생겨나는 등, 에너지 절약에 대한 요구는 나날이 까다로워지고 있습니다. 또한, 환경 부하 경감의 대책으로서 산업 폐기물 삭감에 대한 요구가 높아지고 있습니다. 이와 같은 상황을 바탕으로, 환경 부하 저감에 대한 전원의 기술적 동향에 대해 로옴 주식회사 LSI 본부 상품 개발 담당 어플리케이션 엔지니어부의 카토 료씨를 인터뷰하였습니다.

-전 세계적으로 에너지 절약에 대한 대응이 필수가 됨에 따라, 전원의 경우 고효율화가 가장 시급한 과제로 떠올랐습니다. 최근에는 전원에도 산업 폐기물 삭감에 대한 방책이 강하게 요구되고 있다고 들었습니다. 먼저 이러한 상황에 대해 설명하여 주십시오.

예를 들면 AC 어댑터와 같은 전원은 전기 제품의 성능과 기능에 큰 영향을 미치지 않으므로, 필요한 전압과 전류를 공급하는 것 이외에 그다지 검토할 사항은 없었습니다. 그러나 최근, AC 어댑터 등의 외부 전원에 대한 관심이 매우 높아지고 있습니다. 그 이유는 역시 환경 문제, 그리고 관련된 규제에 대한 대응에 있어서, 기술적 해결책을 포함한 대응이 필요하기 때문입니다. 환경 문제에 대한 AC 어댑터 등의 중요 과제로는 2가지가 있다고 생각합니다. 먼저 「고효율화」입니다. 그리고 나머지 하나는, 산업 폐기물 삭감을 위해 AC 어댑터 등 외부 전원 그 자체의 「수량을 저감」하는 것입니다.

-먼저 고효율화를 언급하셨는데, 제 생각에 효율은 이미 매우 높은 레벨까지 달성된 것 같은데요…

전자기기 등에 탑재되어 있는 DC/DC 컨버터는 90% 이상의 고효율을 달성한 제품이 많기 때문에, 말씀하신 대로 상당한 레벨까지 와있다고 말할 수 있습니다. 그러나, AC 어댑터 등의 AC/DC 컨버터의 경우는, 스위칭 방식의 보급에 따라 효율이 많이 개선되기는 했지만, 아직 80% 정도의 효율인 제품이 대부분입니다.

-그렇다면 전력의 근본이 되는 AC/DC 변환의 효율을 개선하는 것이 중요하겠네요.

그렇습니다. 전기 제품의 생산 수량은 해마다 증가하고 있으며, 그에 비례해 전력 사용량도 증가하는 경향이 있습니다. 전기 제품은 현재, 연간 50억대 정도 생산되고 있으며, 그 대부분에 전원 모듈 및 전원 회로가 탑재되어 있습니다. 만약 이러한 전원 손실을 1W 개선한다면, 단순 계산으로 50억W의 전력 사용을 삭감할 수 있습니다. 이는 원자력 발전 5기분에 해당하는 전력이므로, 매우 큰 에너지를 절약할 수 있는 것입니다.

-그렇게 생각하니, 「고효율 = 급선무」인 것이 실감나네요.

이와 같은 배경에서 각국의 규격 단체 등도 효율에 대한 규제를 강화하고 있으며, 이러한 기준 및 규격을 만족하는 전원 모듈이나 전원 회로를 개발할 필요성이 높아지고 있습니다.

-예를 들면, 어떤 규제가 있을까요?

AC 어댑터에 관한 예의 하나로, 미국 에너지국 (DOE)의 효율 규제가 있습니다. 이 규제는 2014년 2월에 발표되어 2016년 2월부터 적용되었습니다. 대상이 되는 AC 어댑터 등의 외부 전원은 그 기준을 만족하지 않으면, 미국내에서 판매가 금지됩니다. 하기 표와 같이, 정격 출력전력 분류에 따라, 동작 시의 평균 효율과 무부하 시의 소비전력이 규정되어 있습니다.

-제 PC의 AC 어댑터는 16V, 2.5A라고 되어 있습니다.

그렇다면, 출력전압 6V 이상에 대한 위쪽 표에서, 출력전력은 40W이므로, 2번째 줄에 해당됩니다. 계산하면, 87.6% 이상의 평균 효율로, 무부하 시의 소비전력은 0.1W 이하여야 합니다. 이는 AC 어댑터가 스위칭 방식이 아니라면 기본적으로 불가능하며, 스위칭 방식이라고 해도 상당히 까다로운 조건입니다.

-그렇다면, 이 규제를 만족하기 위해서는 효율이 더 높은 솔루션이 필요하다는 것인가요?

그렇습니다. 효율이 한층 더 높은 기술과 방식을 사용한 솔루션이 필요하다고 생각됩니다. 기존의 AC/DC 컨버터는 회로가 간단하고 비교적 비용이 저렴하다는 이유에서, 정류 소자에 다이오드를 사용한 다이오드 정류 방식이 많이 채용되었습니다. 다이오드 정류 방식의 고효율화는 MOSFET 등의 스위칭 소자나 다이오드 등의 정류 소자의 특성 개선이 주류였지만, 이러한 파워 디바이스의 개선만으로는 최근의 요구를 만족시킬 수 없습니다.

이러한 과제를 해결하기 위해서는 부품 기술만으로는 한계가 있으므로, 한층 더 고효율의 회로 기술로서 동기정류 방식이 채용되고 있습니다.

-DC/DC 컨버터에서는, 다이오드 정류 방식에서 동기정류 방식으로 변경됨에 따라, 대폭적인 효율 향상을 달성했다는 경위가 있는데, 그와 같은 개념으로 생각해도 될까요?

기본적으로는 동일한 개념입니다. 동작은 1차측의 스위칭에 동기하여, 2차측의 정류 소자인 MOSFET를 ON / OFF시킵니다. 정류 소자가 다이오드에서 MOSFET로 변경됨에 따라 다이오드의 Vf에 해당하는 도통 손실은 MOSFET의 ON 저항과 Ids에 의한 전압 강하가 됩니다. 동기정류 방식에서 사용되는 MOSFET의 ON 저항은 일반적으로는 십mΩ대로 매우 낮으므로, 대폭적인 손실 저감이 가능합니다. 이 포인트는 DC/DC 컨버터와 동일한 개념입니다.

-DC/DC 컨버터의 동기정류 방식화는 상당히 예전부터 있었던 것으로 알고 있습니다. 그런데, AC/DC 컨버터에서는 아직도 다이오드 정류가 주류인 이유는 무엇입니까?

동기정류 방식 자체는 저전압 DC/DC 컨버터의 대부분에 채용되어 있으므로, 특별히 새로운 것은 아닙니다. 그러나, AC/DC 컨버터의 경우 제어 방식 등에 과제가 있어, 동기정류 방식 보급의 방해가 되었습니다.

대부분의 AC/DC 컨버터에서는 PWM 플라이백 방식이 채용되어, 입출력 조건 및 트랜스 사양에 따라 연속 모드 동작이 됩니다. 그러나, 동기정류 방식과의 단순한 조합으로는, 연속 모드 동작 시 정상적인 제어가 불가능하여, 1차측의 스위칭 소자 (MOSFET)와 2차측의 정류 소자 (MOSFET)가 동시에 ON되므로, 관통 전류로 인해 소자의 파괴를 일으킬 가능성이 있습니다. 따라서, 동시 ON을 방지하기 위해 보호 회로를 추가하거나, 연속 모드로 동작하지 않는 의사 공진 방식 및 불연속 모드 동작만 사용하는 경우가 대부분이었습니다.

-그럼, 다음 편에서 구체적인 솔루션에 대해 설명해 주십시오.

※본 기사는 2018년 1월 시점의 내용입니다.

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