선형 전력 조절에서 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)로의 진화는 전력 전자 산업에 혁신을 가져왔습니다. 수십 년간의 획기적인 연구 개발과 전력 장치 , 컨트롤러 IC, 토폴로지에서 반도체 공정 및 재료에 이르기까지 다양한 기술에 걸친 지속적인 개선이 결합되어 SMPS가 전력 변환에 널리 사용되고 있습니다. 이 글에서는 SMPS의 역사를 논의하고 Patrick Le Fèvre가 쓴 논문(참고 문헌 참조)에 보고된 대로 선형 레귤레이터의 장단점과 비교합니다.
선형 레귤레이터 및 SMPS
선형 레귤레이터는 매우 오랫동안 사용되어 왔으며 1960년대에 SMPS가 개발되기 전까지 전력 변환에서 중요한 구성 요소였습니다. 선형 레귤레이터의 장점 중 하나는 단순성입니다. 가변 저항과 이 변수를 조정할 수 있는 피드백 루프를 통합한 저항 분배기는 단계적으로 조정된 전압을 생성하는 기반을 형성합니다. 이 가변 저항은 예를 들어 선형 모드에서 바이폴라 또는 전계 효과 트랜지스터가 될 수 있습니다. 통합 선형 레귤레이터 IC는 외부 구성 요소가 거의 필요 없고 설계가 간단합니다. 이러한 레귤레이터의 출력 전압 리플은 낮으며 일부는 스위칭 요소가 없기 때문에 µV의 rms 노이즈 레벨만 생성합니다. 외부 보상 루프가 없기 때문에 더 넓은 제어 루프 대역폭과 더 빠른 과도 응답으로 변환됩니다. 선형 레귤레이터의 효율성은 다음과 같이 근사할 수 있습니다.
h = V O /V IN
여기서 V O 와 V IN 은 출력 및 입력 전압 레벨입니다. 따라서 V O 가 V IN 보다 훨씬 낮 으면 효율이 낮습니다 (예를 들어 12V ~ 3.3V 선형 레귤레이터의 효율은 27.5%에 불과합니다). 선형 레귤레이터의 또 다른 한계는 전압 레벨을 높일 수 없다는 것입니다(즉, 부스트 모드에서 작동할 수 없음). 따라서 이러한 레귤레이터는 이제 잡음과 단순성 이점이 지배적인 요소인 애플리케이션, 특히 저전력 및 저드롭아웃(즉, V O 가 V IN 에 가까움 ) 애플리케이션에서 사용됩니다.
선형 레귤레이터 기반 전원 공급 장치에서 입력 AC 라인 전압은 일반적으로 변압기를 사용하여 더 낮은 전압 AC 레벨로 낮아집니다. 이 변압기는 50Hz 또는 60Hz의 라인 주파수에서 작동하기 때문에 부피가 큽니다. 이 요인과 큰 방열판을 필요로 할 수 있는 열 손실은 낮은 전력 밀도로 이어집니다.
SMPS는 MOSFET과 같은 전력 장치를 빠르게 켜고 끄는 방식으로 작동합니다. 스텝다운 벅 컨버터(그림 1 참조)에서 V O 와 V IN 간의 관계는 다음과 같이 근사할 수 있습니다.
V O = V IN x D
여기서 D는 스위칭 장치 Q의 듀티 사이클(스위칭 기간의 온타임 백분율)입니다. 출력 경로의 인덕터 L은 전류 흐름을 유지하는 데 도움이 되며, 스위칭 장치가 OFF일 때 프리휠링 다이오드 D1이 전류 경로를 완성합니다.
이 다이오드를 (1-D)의 동기 시간 간격으로 켜지는 MOSFET으로 교체하면 손실을 낮추는 데 도움이 됩니다. 전도 손실만 가정하면 위에서 언급한 12V에서 3.3V로 변환하는 예에서 동기식 벅 컨버터의 효율은 선형 레귤레이터의 27.5%에 비해 최대 97%까지 높아질 수 있습니다. 이처럼 엄청난 효율 개선이 SMPS의 주요 장점입니다. 스위칭 및 인덕터 손실은 이 수치를 낮추지만 여전히 95% 이상일 수 있습니다. 높은 스위칭 주파수는 능동 소자의 스위칭 손실과 인덕터 코어 손실이 증가하는 대가로 자기 소자의 크기를 줄이는 데 도움이 됩니다. 탄화규소(SiC) 및 질화갈륨(GaN)으로 만든 것과 같은 와이드 밴드 갭(WBG) 소자는 기생 커패시턴스가 낮고 따라서 고주파에서도 스위칭 손실이 비교적 낮습니다. 따라서 고전력 밀도 SMPS 컨버터에 자연스럽게 적합합니다.
SMPS의 역사
SMPS의 역사는 1930년대로 거슬러 올라갑니다. NASA와 항공 우주 산업이 이 기술의 초기 원동력이었습니다. 크기, 무게 및 효율성의 개선이 주요 동기 요인으로 여겨졌습니다. 1960년대에 NASA는 1962년에 발사된 Telstar와 같은 여러 위성에서 SMPS를 사용했습니다 . 1950년대 후반에 IBM과 Pioneer Magnetics와 같은 회사가 진공관 장치를 기반으로 SMPS 프로토타입을 제작한 것으로 보고되었습니다. 1967년에 RO Associates는 최초의 상업용 20kHz 5V, 10A SMPS를 출시했습니다. 그 시대의 SMPS의 다른 주목할만한 사용 사례는 Digital Equipment Corporation(DEC)의 PDP-11/20 미니컴퓨터와 1972년 HP 포켓 계산기였습니다. Robert Boschert가 설립한 Boschert Inc.는 1974년까지 프린터용 저가 스위칭 전원 공급 장치를 생산했습니다. Boschert의 기술은 우주 및 군용 항공기에도 사용되었습니다. 이 시기에 전력 트랜지스터 기술이 향상되면서 SMPS가 발전하고 사용이 더욱 확대되었습니다.
제어 IC 개발의 중요성은 과장할 수 없습니다. Silicon General Semiconductors의 공동 설립자인 Robert Mammano는 1976년에 SMPS에 전용된 최초의 제어 IC를 소개했습니다. 이것은 원래 신세대 텔레타입 기계에 사용되었습니다. 또 다른 주목할 만한 획기적인 사건은 Robert Holt가 1977년에 Apple II 컴퓨터에서 성공적으로 사용된 38W 다중 출력 오프라인 플라이백 SMPS를 설계했을 때였습니다. 이 SMPS는 더 작고 효율적이었으며 개인용 컴퓨터에서 SMPS 사용을 촉진했습니다.
1980년대, 90년대부터 오늘날까지 SMPS는 지속적으로 개선되었습니다. 전력 밀도와 효율은 계속 증가하고 있습니다. 예를 들어, 6A~10A 전력 모듈에서 역체적 전류 밀도(mm3/A)는 1990 년의 약 10,000mm3 /A에서 오늘날 10mm3 / A 미만으로 감소했습니다 . 전체 SMPS 생태계에서 다양한 개선 사항이 이에 기여했으며, 그 중 일부는 아래에 나열되어 있습니다.
SMPS 개선
- 증가된 스위칭 주파수: 필요한 인덕턴스 L은 스위칭 주파수에 반비례합니다.
- 스위칭 손실 감소: 스위칭 손실은 하드 스위칭 컨버터에서 주요 손실 메커니즘이 될 수 있습니다. 개선된 공정, 장치 설계 및 WBG 재료 사용은 모두 기생 커패시턴스를 줄이는 결과를 가져왔습니다. 역 회복과 같은 손실은 빠른 회복 다이오드, 쇼트키 다이오드 사용, SiC 및 GaN과 같은 WBG 반도체를 포함한 다양한 수단을 통해 감소되었습니다. 이러한 개선으로 손실 페널티가 낮아져 더 빠른 스위칭이 가능해졌습니다. 턴온/오프 손실도 개선된 패키징, 재료 및 레이아웃을 통해 패키지 및 보드 수준에서 기생 인덕턴스를 낮춤으로써 개선되었습니다. 스위칭 장치에서 더 높은 전류 슬루율 di/dt는 스위칭 손실을 낮춥니다. 이는 오버슈트 및 신뢰성 고려 사항과 상쇄되어야 합니다.
- 각 세대의 장치가 개발될 때마다 특정 온 상태 저항(R DSON )이 낮아지면서 주어진 크기에 대한 전도 손실이 줄어들거나 더 낮은 스위칭 손실로 주어진 R DSON 에 대해 더 작은 크기의 장치를 사용할 수 있게 되었습니다 .
- 장치에서 열을 제거하는 능력은 전체 전력 밀도를 제한할 수 있습니다. 접합부 대 주변 열 저항(R ⍬JA )은 이 지표의 척도입니다. 주어진 전력 레벨에서 다이 영역이 줄어들면 전체 시스템의 열적 특성에 훨씬 더 큰 부담이 가해집니다. 이는 개선된 장치 패키징을 통해 대응할 수 있습니다. 소결, 클립 등을 사용하면 모두 R ⍬JA 가 개선되었습니다 .
- 개선된 컨트롤러, 게이트 드라이버, 통합 및 컨버터 토폴로지: 고급 컨트롤러에는 소프트 스타트, 과전류 및 단락 회로 보호 등과 같은 많은 기능이 포함됩니다. 고객은 전압 제어 대 전류 제어와 같은 다양한 옵션을 선택할 수 있습니다. 부하 및 부하 과도 현상의 변화는 가변 주파수 및/또는 시간에 따른 듀티 사이클과 같은 다양한 방식을 통해 제어할 수 있습니다. 컨트롤러에서 인공 지능(AI)을 사용하는 것이 많은 관심을 받았습니다. 머신 러닝 알고리즘과 신경망을 사용하면 실시간으로 매개변수 변동 및 고조파, 과도 왜곡 감소에 대한 견고성이 더 높아질 수 있습니다. 최신 게이트 드라이버는 다양한 유형의 스위칭 장치에 최적화되어 있으며 스위칭 장치를 안전 작동 영역(SOA) 내에서 유지하면서 빠른 스위칭 기능을 갖춘 2단계 시작과 같은 기능을 포함할 수 있습니다. PFC 단계에서 브리지리스 토템 폴과 같은 더 간단한 토폴로지는 역방향 복구 손실이 0인 GaN 능동 장치를 사용하여 사용할 수 있습니다. 플라잉 커패시터 다중 레벨 토폴로지는 더 낮은 전압 정격과 더 작은 필터를 갖춘 스위칭 장치를 사용할 수 있게 합니다. 수동 부품, 게이트 드라이버, 스위칭 장치 중 일부를 결합하는 등 부품을 더 많이 통합하면 기생 전류를 줄이고 전력 밀도를 개선하는 데 도움이 됩니다.