[디지키 테크포럼] 고효율 전력 변환 가이드①, 48V 강압 설계 한계와 하이브리드 컨버터의 등장

고효율 전력 변환 가이드①은 48V 강압 설계의 한계와 하이브리드 컨버터 등장이라는 주제를 다룬다. 기존 벅 레귤레이터는 48V 입력에서 낮은 출력 전압을 구현하기가 어렵다. 특히 기존 벅 레귤레이터는 48V 중간 전압 레일을 더 낮은 출력 전압으로 변환할수록 효율이 저하된다.

48V를 5V로 변환할 때 필요한 듀티 사이클은 약 9.6%다. 이처럼 낮은 듀티 사이클 구간에서는 변환 효율이 저하될 가능성이 있다. 같은 구간에서 전력 손실도 증가할 가능성이 있다.

이와 비교되는 방식으로는 트랜스포머 기반 아키텍처가 제시된다. 예시로는 푸시풀과 포워드 컨버터가 있다. 트랜스포머 기반 아키텍처는 권선비를 활용해 듀티 사이클을 조정할 수 있다.

권선비를 활용하면 변환 효율이 향상될 가능성이 있다. 다만 트랜스포머의 추가 손실이 발생해 효율 개선 폭은 제한된다. 트랜스포머 기반 구조가 듀티 사이클 측면에서 개선 여지를 갖더라도 손실 문제가 함께 따른다는 의미다.

따라서 갈바닉 절연이 불필요한 응용 분야에서는 트랜스포머를 사용하지 않는 방향이 권장된다. 트랜스포머 기반 구조의 장점이 있더라도 트랜스포머 자체 손실을 함께 고려해야 한다는 점이 제시된다.

기존 벅 컨버터로 48V 중간 전압 레일을 12V·5V 저전압으로 변환할 때에는 효율이 저하된다. 효율·전력 밀도 중시 응용 분야에서는 기존 방식 외 다른 토폴로지의 대안 가능성이 제기된다.

이와 관련한 주제는 기존 벅 레귤레이터 대비 하이브리드 컨버터의 고효율 구현이다. 효율 개선의 대안으로는 하이브리드 컨버터가 제시된다.

하이브리드 컨버터는 차지 펌프+벅 레귤레이터 결합 토폴로지다. 하이브리드 컨버터의 구조도 차지 펌프+강압형 벅 레귤레이터 결합으로 이뤄진다.

이 하이브리드 컨버터에서 사용되는 스위치 수는 총 4개다. 이 가운데 차지 펌프는 공급 전압을 1/2로 저감하는 방식으로 동작한다.

하단 2개 스위치는 인덕터와 함께 동작한다. 이 단계는 앞서 절반으로 낮아진 공급 전압을 바탕으로 구성된다.

하단 2개 스위치+인덕터의 역할은 절반으로 낮아진 공급 전압을 목표 출력 전압으로 변환하는 것이다. 즉 입력 전압을 먼저 낮춘 뒤 나머지 단계가 원하는 출력 전압으로 변환하는 구성이다.

[그림2]에는 해당 회로 구성이 제시된다. 이를 통해 하이브리드 컨버터의 결합 구조와 동작 단계가 함께 설명된다.

이 회로는 [그림2]와 같이 LTC7821 같은 하이브리드 컨트롤러 IC를 사용하는 구현 수단을 바탕으로, 입력 전압을 먼저 차지 펌프로 낮춘 뒤 후단 벅 스테이지에서 최종 출력으로 변환하는 2단 구조다.

차지 펌프는 48V 같은 입력 전압을 약 1/2로 감소시키는 역할을 한다. 이어 후단 벅 스테이지는 이렇게 낮아진 전압을 요구 출력 전압으로 변환하는 역할을 한다.

이 토폴로지는 벅 스테이지가 처리해야 하는 전압을 감소시키는 효과가 있다. 그 결과 기존 벅 레귤레이터 대비 더 높은 효율을 갖는 장점이 있다.

특히 비교적 높은 중간 전압을 훨씬 낮은 출력 전압으로 변환하는 경우에 유리하다. 자세한 내용에 대한 안내로는 원문이 DigiKey의 TechForum/Article를 참조하면 된다.

출처: 테크월드뉴스 · 이광재 기자
원문: https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=407744

참고자료

• https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=407744