기술자료

전력 프로세스 체인을 통한 고전압 전력 공급의 진화


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글/크리스 섀어바움(Chris Schairbaum) 아날로그 혁신 및 개발 부문 책임자
    라마난 나타라잔(Ramanan Natarajan) 고전력 컨트롤러 고전압 전력 부문 제품 라인 매니저
    제프 모로니(Jeff Morroni) 전원 관리 부문 책임자 킬비 랩(Kilby Labs)
    텍사스 인스트루먼트


휴대전화를 충전하지 않을 때 플러그를 그대로 꽂아놓은 충전기 어댑터에서는 조금씩 전류가 흐른다. TV를 시청하지 않을 때 전원을 꺼도 TV의 전원장치에서는 계속 누설전류가 흐르고 있다. 대부분의 사람들은 사용하지 않은 채 플러그를 꽂아둔 어댑터를 보면 약간의 양심의 가책을 느끼기는 하겠지만 얼마나 많은 전류가 누설되는지는 생각해보지 않았을 것이다.
실제로 플러그를 꽂아둔 채 사용하지 않는 충전기 어댑터나 TV에서는 소량의 전기가 흐르는데, 이처럼 누설되는 전류를 전기 ‘뱀파이어’라고 부른다. 휴대전화 충전기 어댑터와 TV 내부 전원장치에서 이렇게 조금씩 새어나가면서 낭비되는 전기를 모두 합치면 엄청난 양이 된다. 이를 수치로 환산해 보면 한 해 동안 판매된 모든 휴대전화 충전기에서 누설 전류를 영으로 낮출 경우, 이를 통해 절감되는 전기로 20만 명이 거주하는 도시에 전력을 공급할 수 있다. 이는 누설 전류가 없는 휴대전화 충전기를 사용한다면 해마다 몇 기의 발전소 전기를 절약할 수 있다는 것을 의미한다.
이러한 상황은 태블릿이나 노트북 어댑터에도 똑같이 해당된다. 항상 플러그를 꽂아두는 사운드 시스템과 DVD 플레이어 같은 주변에 흔히 보는 전자제품에는 더욱 분명히 나타난다. 전력 수요와 손실이 훨씬 큰 대형상용 시스템에도 이와 같은 종류의 누설은 발생한다.
노트북으로 영화를 감상할 때 노트북 AC 어댑터가 뜨거워지거나 데스크톱 PC으로 열심히 일하고 있을 때 컴퓨터 전원 팬에서 시끄러운 소리가 났던 경험은 누구나 해보았을 것이다. 이 두 가지 예는 모두 전원장치가 100% 효율을 달성하지 못하기 때문에 일어나는 현상이다. 발생되는 에너지가 낭비됨으로써 장치가 뜨거워지고, 따라서 이를 냉각하기 위한 팬이나 히트싱크가 필요하게 된다.
전통적으로 전자 시스템은 크든 작든 전력을 능동적으로 공급하거나 대기 상태일 때 전원장치에서 전력은 손실된다. 전원장치의 역할은 고전압 전기 전력이나 규정되지 않은 배터리 전압과 같은 에너지원에서 발생하는 전력을 전자 회로에서 사용할 수 있도록 적절하게 규정된 저 전압으로 변환하는 데 있다. 그러나 애플리케이션을 사용하지 않아도 여전히 전원에 연결되어 있는 경우, 아니면 최대로 가동해 사용하는 경우 전력 변환은 항상 전력 손실이라는 페널티를 가질 수밖에 없다.
다행히 전원장치에서 전개되는 새로운 개발은 휴대전화나 디지털 텔레비전과 같은 일상에서 사용하는 전자제품에서부터 전기차(EV) 및 하이브리드 전기차(HEV), 로봇과 같은 산업용 기기, 통신 기지국과 데이터 센터와 같은 대규모 시설에 이르기까지 다양한 애플리케이션에서 전기를 절약하는 데 획기적인 기여를 하고 있다.
더 높은 전력 밀도를 제공하는 전원장치는 더 좁은 공간에 설치할 수 있을 뿐 아니라 전력 손실을 낮추고 발열 및 신호 잡음을 줄이는 등 많은 이점을 제공할 수 있다. 또한 전원장치 아키텍처 및 FET(field-effect transistor) 기술의 향상, 보다 우수한 배터리와 같은 에코시스템이 빠르게 개발되어 제공되고 있는 동시에 보다 높은 전력 밀도와 효율에 대한 요구가 증가하고 있다.
TI는 고전압 전력 반도체 솔루션을 이끄는 선도적인 개발업체로서 시스템 개발자가 더 작고 효율적인 보드를 구현해 신속하게 검증하고 생산할 수 있도록 보다 높은 전력 밀도를 제공하기 위한 혁신을 거듭하고 있다. 고전압 혁신은 전력 절감에서 오는 강력한 이점은 물론 고전압 전력선 또는 저장 배터리에서 전원을 공급받는 거의 모든 종류의 전자 애플리케이션에 이점을 제공한다.

고전압 전원장치의 설계 요구사항

전자 시스템은 회로보다 높은 전압을 갖는 소스로부터 공급되는 전력으로 가동된다. 전력은 110V 또는 220V의 전력망에서 발생하는 교류(AC)나 높은 저장 전압을 갖는 배터리에서 발생하는 직류(DC)가 될 수 있다. 예를 들어 자동차 배터리는 전통적으로 12V에서 동작하지만, 첨단 운전자 지원 시스템이 지속적으로 전력을 구동하고, 엔진을 돌리는 대신 펌프와 같은 특정 기능이 전기적으로 구현됨에 따라 48V 배터리를 채택함으로써 전류 요구량을 감소시킨다.
전자 시스템에 사용하려면 이러한 전압은 보통 1V ~ 5V 범위의 훨씬 낮은 전압으로 변환되어야 한다. 저전압은 전송 과정에서 더 많은 전력이 손실되므로 변환 전에 고전압을 최종 애플리케이션에 가깝게, 가능한 회로 보드까지 가져가야 하는 어려움이 있다. 절감되는 공간과 전력은 비용 절감으로 이어지지만, 동시에 장치와 장치를 사용하는 사람에 대한 안전 문제가 제기된다.
높은 전압을 최종 애플리케이션에서 구현하기 위한 핵심적인 기술적인 문제는 어떻게 전력 밀도를 증가시킬 것인가에 있다. 데이터 센터에 사용되는 전기는 전통적으로 일련의 단계를 거쳐 여러 번 처리된 다음, 마이크로프로세서와 최종 부하를 구성하는 저장장치와 같은 부품에 도달한다. 따라서 전원장치는 언제나 상당한 공간을 차지하며, 각 변환 단계에서 전력이 손실돼 전체적으로 많은 발열을 발생시키는 동시에 냉각을 위한 공간을 요구한다.
해결책은 작은 크기, 효율적 전력 변환, 그리고 한정된 공간에 발열이 거의 없는 SMPS(switched-mode power supplies)를 사용하는 것이다. 그러나 SMPS 설계는 전통적으로 복잡하며, 밸런싱이 필요한 다수의 부품 임피던스와 원하지 않은 신호가 라인에 거꾸로 흘러 들어가 다른 부품에 간섭할 수 있는 내재적인 고주파단을 갖는다. 높은 주파수가 사용되므로 부품 크기를 줄일 수 있지만, 매우 빠른 컨트롤러와 함께 실리콘(Si)과는 다른 재료들, 질화갈륨(GaN) 또는 실리콘 카바이드(SiC)를 필요로 한다. 시스템의 다른 분야에 전문지식을 갖고 있는 대부분의 회로 설계자들에게 이러한 모든 요소들은 새롭게 직면하게 되는 골칫거리들이다...(중략)

기사입력 : 2017-07-03