역률 개선과 고효율을 동시에 실현한 AC-DC 컨버터 제어 기술：역률 개선 회로를 탑재하면 전원 효율이 저하되는가?

최근 에너지 절약화가 전세계 공통의 과제로 대두됨에 따라, 전자기기에는 가동 시뿐만 아니라 대기 시의 전력에 관해서도 소비 전력 삭감이 강하게 요구되고 있습니다. 또한, 공급되는 전력의 낭비를 줄이기 위해서는 PFC (역률 개선) 기능의 탑재가 필수적으로 요구되고 있습니다. 그러나, PFC로 인해 대기 시 및 경부하 시의 효율이 저하되므로, 기기 설계에 있어서 역률과 효율의 균형은 큰 과제입니다.

이러한 상황에서 로옴은, 기기의 역률 개선과 대기 시의 고효율을 동시에 실현하는 독자적인 전원 제어 기술을 채용한 AC-DC 컨버터 IC를 개발하였습니다. 역률 개선과 고효율화에 대한 과제, 그리고 그 해결책에 대해 알아보기 위해, 로옴 주식회사의 담당 엔지니어를 인터뷰하였습니다.

－이번 인터뷰의 테마가 「역률 개선과 경부하 시 고효율의 동시 실현」이므로, 먼저 「역률」과 「효율」에 대해 간단히 설명하여 주십시오.

최근 「효율」이라는 단어는 널리 사용되고 있지만, 「역률」은 일반인이 사용하는 경우가 거의 없을 것입니다.

효율은 입력전력에 대한 출력전력의 비율이며, 대부분 %로 나타냅니다. 간단한 예로, 전원의 출력전력이 60W일 때의 입력전력 (소비전력)이 80W인 경우, 60W/80W이므로 효율은 75%가 됩니다. 여기까지는 쉽게 이해될 것입니다.

역률은 교류의 피상 전력, 유효 전력, 무효 전력의 개념이 필요하므로, 조금 이해하기 어려울지도 모르겠습니다. 역률 자체는 피상 전력에 대한 유효 전력의 비율이며, 최대는 1입니다. 역률은 0.9나 0.95와 같은 소수를 사용하는 경우가 많습니다. 피상 전력은 전력 회사가 송전하는 전력으로, 「겉보기 전력」이라고도 합니다. 유효 전력이란, 기기 즉 부하가 사용되는 전력입니다. 앞에서 설명한 전원을 예로 들면, 전원 (기기)이 사용 (소비)하는 전력 (유효 전력)이 80W이고, 이 80W를 위해 전력 회사가 송전하는 전력 (피상 전력)이 100W라고 하면, 역률은 80W/100W이므로 0.8이 됩니다.

역률은 교류 전력이므로 벡터 (vector)로 생각합니다. 교류 전력의 전압과 전류의 위상을 θ라고 하면, 역률은 COSθ로 구할 수 있으며, 전압과 전류의 위상차가 없는 상태에서 정현파일 때 1이 됩니다. 하기 그림을 참조하여 주십시오.

부하가 단순한 저항인 경우에는 위상 지연이 발생하지 않으므로 역률은 1이 됩니다. 용량성 및 유도성의 부하가 있는 경우나 파형이 정현파가 아닌 경우에는 위상 편차가 발생하여, 역률은 1이 아니게 됩니다. 이것을 이번 테마인 스위칭 방식 AC-DC 컨버터의 입력전압과 전류 파형으로 생각해 보겠습니다.

스위칭 전원은, 입력된 교류 전압 평활용으로 콘덴서가 사용됩니다 (콘덴서 입력 타입 정류 평활이라고 함). 이 평활용 콘덴서는 당연히 용량성 부하입니다. 이 콘덴서에 대한 입력 교류 전류는, 입력 교류 전압이 평활 콘덴서 전압보다 높을 때만 흐르므로, 하기 그림과 같이 도통각이 작고 펄스와 같은 정현파가 아닌 고주파 성분을 포함한 전류가 됩니다.

이러한 상태에서는 전력 소비가 동일하다고 해도 전원 측에서는 일시적으로 큰 전류가 흐르므로, Cin=100µF, Vin=100Vrms, Po=20W일 때 입력전류의 피크치는 1.4A가 됩니다. 역률은 약 0.5가 되어, 역률이 1일 때와 비교하면 5배가 됩니다. 따라서 이러한 고주파 성분을 포함한 정현파가 아닌 전류가 흐르는 부하에 대해서는 큰 피상 전력이 필요하여, 전력 공급측인 전력 회사는 여분의 발전 및 큰 피크 전력에 대응하기 위한 설비가 필요하며, 이에 따라 비용도 증가하게 됩니다.

－간단히 말하자면, 기기의 전원 역률이 나쁘면 그 소비전력보다 큰 전력을 공급할 필요가 있어서, 발전이나 송전 시 낭비가 많아진다는 의미군요.

그렇습니다. 역률이 낮을 때의 문제에 대해서는 이미 전 세계 각국에서 대응책을 마련하고 있으며, 지정 전력 이상을 소비하는 기기에는 고주파 전류 규제를 반영하는 등, 법규제를 통해 억제하는 곳도 적지 않습니다. 이러한 규제에 대응하기 위한 수단 중 하나는 역률 개선 회로 (PFC)를 이용하는 것으로, 역률을 높여 고주파 전류를 억제하는 것입니다. 유럽에서는 이미 75W 이상의 기기에 대해 PFC의 탑재가 의무화되었으며, 한국이나 일본에서도 대부분 탑재되고 있는 실정입니다.

－PFC는 어떻게 역률을 개선하는 것입니까?

PFC로서는 수동 소자 (인덕터)를 사용하는 패시브 타입과 MOSFET 등의 파워 스위치를 사용하는 액티브 타입이 일반적입니다. 하기 그림은 액티브 PFC 회로를 통한 전류 파형 개선의 이미지입니다. 높은 피크를 가진 펄스와 같은 전류 파형을, 스위칭 동작을 통해 초핑하여 정현파에 가깝게 개선합니다.

특징으로는 패시브 타입의 경우 회로 구성이 간단하지만, 넓은 입력전압 범위에는 대응이 어렵고 소형화도 어렵다는 단점이 있습니다. 반면에 액티브 타입은 넓은 입력전압 범위에 대응 가능하며, 소형화에도 유리합니다. PFC 컨트롤러라고 일컬어지는 IC는 액티브 타입입니다.

－그럼 이번 테마인 「역률 개선과 경부하 시 고효율의 동시 실현」에 대한 설명을 듣고자 합니다. 「PFC 회로를 탑재하면 효율이 저하」되는 것입니까?

액티브 방식 PFC 회로의 탑재는 그만큼의 소비전력이 증가하므로 효율 면에서는 저하됩니다. 특히, 대기 모드를 탑재한 최근의 전자기기에서는 PFC 회로의 소비전력이 대기 시의 효율에 미치는 영향이 현저하게 나타납니다.

이러한 과제를 해결하기 위해 개발한 것이, PFC 제어 기능을 탑재한 AC-DC 컨버터용 컨트롤러 IC이며, 그 중 하나가 「BM1C101F」입니다. BM1C101F는 의사공진 (Quasi-resonant) 타입을 채용하여, 설정한 전력으로 내장 PFC 컨트롤러를 ON / OFF할 수 있는 기능과, PFC 출력을 전환할 수 있는 제어 방식이 특징입니다. 이러한 기술을 통해 대기 시 전력을 대폭 삭감할 수 있어, 국제 규격인 Energy Star6.0의 요구를 만족할 수 있습니다.

※본 기사는 2018년 6월 시점의 내용입니다.