기술자료

디지털 전력 제어로 GaN PFC 설계 향상

TI는 최근 전력 제어 애플리케이션에 최적화된 새로운 피콜로(Piccolo)™ F28004x 마이크로컨트롤러(MCU) 시리즈의 양산을 발표했다.

고성능 전력 제어를 위한 피콜로 F28004x의 주요 기능은 다음과 같다.
• 온칩 윈도우 비교기
• 슬로프 보상이 포함된 프로그래머블 디지털-아날로그 컨버터
• 가변 주파수 인터리빙 전력 컨버터 구현을 간소화하는 고분해능 펄스폭변조(PWM) 원샷 및 전역 리로드 기능
• 프로그래머블 PWM 블랭킹
• 고분해능 PWM 데드밴드
• 온칩 비교기와 PWM 타이머 모듈 간 긴밀한 결합
• 복수의 독립적인 고속 고분해능 아날로그-디지털 컨버터
• 병렬 CLA(control law accelerator) 옵션을 포함한 고성능 부동소수점 중앙 처리장치

2종의 레퍼런스 디자인 – 인터리브 CCM 토템폴 브리지리스 역률보정(PFC) 레퍼런스 디자인 및 고효율 1.6kW 고밀도 GaN 기반 1MHz CRM 토템폴 PFC 컨버터 레퍼런스 디자인 – 은 실제 시스템에서 이러한 기능의 장점을 보여준다. 이 설계는 토템폴 역률보정(PFC) 컨버터 레퍼런스이며 텔레콤, 서버 및 네트워크, 산업용 및 전기차(EV) 온보드 충전(OBC)에 사용되는 전력 애플리케이션에 적합하다.

이들 레퍼런스 디자인은 전압 레벨(AC 입력, 400VDC 출력)과 효율(+98.7%)이 유사하고, 또한 유사한 부품(600V 게이트 드라이버, 질화갈륨[GaN] 전력 단계)과 기능(소프트 스타트, 적응형 데드타임, 위상 셰딩)을 사용하지만 구현에서 몇 가지 중요한 차이점이 있다.

인터리브 연속 전도 모드(CCM) 레퍼런스 디자인은 CCM 동작으로 100kHz PWM에서 스위칭하는 3상 인터리브 토폴로지(그림 1)를 보여준다. 이 기법은 중간 정도의 전력 밀도에서 높은 효율을 요구하는 5kW 이상의 애플리케이션에 주로 사용된다. 스위칭 주파수는 스위칭 손실로 인해 약 200kHz로 제한된다.

[그림 1] 인터리브 연속 전도 모드(CCM) 레퍼런스 디자인을 위한 PFC 토폴로지.png

그림 1: 인터리브 연속 전도 모드(CCM) 레퍼런스 디자인을 위한 PFC 토폴로지

토템폴 PFC 컨버터 레퍼런스 디자인은 임계 전도 모드(CRM) 동작으로 최대 1.2MHz PWM 주파수에서 스위칭하는 2상 인터리브 토폴로지(그림 2)를 보여준다. CRM 모드는 스위칭 손실을 방지하고 CCM 동작에 비해 더욱 높은 PWM 주파수에서 높은 효율을 유지할 수 있다. 높은 주파수로 인해 설계는 고효율을 유지하면서 더 작은 크기로 높은 밀도를 구현할 수 있다.

[그림 2] 토템폴 PFC 컨버터 레퍼런스 디자인을 위한 PFC 토폴로지.png

그림 2: 토템폴 PFC 컨버터 레퍼런스 디자인을 위한 PFC 토폴로지

주요 과제는 전체 AC 사이클과 라인 및 부하 조건에서 제로 전압 스위칭(ZVS)을 달성하는 것이다. 이러한 과제는 입력 전압이 DC 버스 전압 값의 절반보다 높게 증가하면서 인덕터에 공급되는 추가적인 전류 없이 밸리 스위칭만 얻게 되기 때문에 달성하기 어려워진다. 밸리 스위칭과 완전하지 않은 ZVS 동작으로, 스위칭 주파수가 증가함에 따라 MOSFET 스위칭 손실은 크게 증가한다.

전체 AC 사이클에서 ZVS 동작을 연장하는 해결책은 인덕터에서 네거티브 전류가 존재하도록 동기 스위치의 전도 시간을 연장하는 것이다. 이렇게 하면 드레인-소스 전압이 제로로 변동된다. 과제와 솔루션은 그림 3에 설명되어 있다. 이론은 간단하지만 구현은 전체 부하와 동작 범위에서 상당히 까다로우므로 피콜로 F28004x 실시간 컨트롤러의 기능에 의존한다. 

[그림 3] CRM과 CRC (ZVS) 기법 비교.png

그림 3: CRM과 CRC (ZVS) 기법 비교

고효율 1.6kW 고밀도 GaN 기반 1MHz CRM 토템폴 PFC 컨버터 레퍼런스 디자인은 현재 시중에 나와 있는 제품을 뛰어넘는 구현과 효율 성능을 갖춘 첨단 디자인이다. TI는 유사한 제품 개발을 돕기 위해 솔루션에 적용할 수 있는 소프트웨어 툴 세트도 제공한다. C2000™ MCU를 위한 DigitalPower 소프트웨어 개발 키트(SDK)는 두 레퍼런스 디자인을 모두 지원한다.

이 SDK는 C2000 MCU 기반 디지털 전력 시스템 개발 시간을 최소화하도록 설계된 소프트웨어 인프라, 툴 및 문서를 모두 포괄하고 있다. 소프트웨어는 C2000 디지털 전력 평가 모듈(EVM)에서 실행되는 펌웨어와 TI Designs 라이브러리에 있는 레퍼런스 디자인을 포함하며, 모든 디지털 전력 애플리케이션에 필요한 모든 자원을 제공한다.

DigitalPower SDK에는 디지털 전력 소프트웨어 디자인 툴 패키지인 powerSUITE가 포함되어 있다. 이 패키지는 다음의 구성요소를 포함한다.

• 솔루션 어댑터: TI 솔루션과 동일한 토폴로지를 사용해 예제에서 실행할 코드 예제 또는 하드웨어를 커스터마이징한다.
• 보상 설계자: 디지털 보상 장치를 설계해 원하는 폐쇄 루프 성능을 달성한다.
• SFRA(Software Frequency Response Analyzer): 개방 루프 이득(루프 이득 보드 플롯)과 플랜트(전력 단) 주파수 응답을 작도하고 측정해 디지털 전력 제어 루프의 안정성과 견고성을 평가하고 최적화한다(그림 4 참조).

[그림 4] 인터리브 CCM 레퍼런스 디자인의 PFC 전압 루프 응답을 보여주는 PowerSUITE SFRA 툴.png

그림 4: 인터리브 CCM 레퍼런스 디자인의 PFC 전압 루프 응답을 보여주는 PowerSUITE SFRA 툴



기사입력 : 2018-05-21



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