AC-DC 변환을 위한 역률 보정 IC 선택

AC 메인에서 전력을 끌어오는 경우, 전력 인자 보정 IC를 사용하여 고효율 AC-DC 변환을 보장할 수 있습니다.

기능적으로 완벽한 설계를 만드는 것은 하나의 일이지만, 그 설계를 법적으로 메인에 연결할 수 있도록 보장하는 것은 또 다른 일입니다. 장치가 안전하고 기능적인지 여부는 실제 문제가 아닙니다. 대신, 전원 공급 단계에서 높은 변환 효율을 보장하는 것은 전력 인자를 높게 유지하는 것에 관한 것입니다. 이는 많은 설계자들이 간과할 수 있는 한 가지 측면이지만, 표준 준수에 있어서는 중요합니다.

이 전력 인자 보정을 제어할 필요성은 산업 수준, 소비자 수준 및 그 사이 어디에서나 적용됩니다. AC 메인에서 작동하고 스위칭 레귤레이터로 DC 입력을 조절하는 경우, 전력 인자 보정 IC를 추가하는 것을 고려해야 합니다. 혜택에는 표준 준수와 고객의 전기 요금 절약이 포함됩니다. 다음 PCB에 대한 전력 인자 보정 IC를 선택할 때 주의해야 할 사항은 다음과 같습니다.

전력 인자 보정이란?

전기 시스템의 전력 인자는 시스템이 실제로 소비하는 전력과 시스템이 이론적으로 소비하는 전력(또는 명목상의 전력) 사이의 비율로 정의됩니다. 변압기를 사용한 단순 선형 스텝업 및 스텝다운 AC 변환 또는 전압 분배기를 사용한 선형 DC-DC 변환의 경우, 리액티브 전력이 없을 때 시스템의 효율과 전력 인자가 동일합니다. 이 경우, 전력 인자 보정은 시스템에 의한 전류 소비가 입력 전압과 완벽하게 위상을 같게 하기 위해 시스템에 일부 위상 선행 또는 위상 지연을 추가하는 것을 단순히 포함합니다.

AC-DC 변환 및 이후 규제의 경우, 비선형 구성 요소의 존재로 인해 상황이 더 복잡해집니다. 여기서, 정류기에 사용된 다이오드와 같은 비선형 구성 요소는 규제 단계의 입력에서 전류 파형에 고조파 왜곡을 생성합니다. 본질적으로, 정류기 섹션으로 전류가 끌려오는 유일한 시간은 정류기의 다이오드가 도통하여 시스템으로 전류 펄스를 생성할 때입니다.

이는 아래에 스무딩 캐패시터 이전에 측정된 정류기가 있는 시스템의 예제 파형에서 보여집니다. 파란색 곡선은 스무딩 캐패시터로 입력되는 정류된 AC 전압을 보여주고, 빨간색 곡선은 정류기의 다이오드가 도통할 때마다 전류 소비를 보여줍니다.

스무딩 캐패시터/레귤레이터 단계 이전의 정류기에서의 전압 및 전류 파형.

왜 이런 일이 발생해야 할까요? 정류기의 다이오드는 비선형 부품으로, 입력 전압이 일정 임계값을 초과하면 고저 상태 사이의 DC 저항이 실질적으로 변하여 정류된 전압이 충분히 높아질 때만 상당한 전류를 끌어당깁니다. 이것이 정류 중 입력 전류가 정류된 사인파가 아닌 펄스로 나타나는 이유입니다. 이로 인해 AC 전원에 고조파 왜곡이 발생하며, 높은 THD는 기본적으로 그리드의 다른 곳에서 전력을 낭비하기 때문에 일정 수준 이하로 유지해야 합니다.

이 예에서, 시스템의 역률이 60%이고 귀하의 레귤레이터의 이론적 효율이 95%라고 가정해 보겠습니다; 실제 효율은 60% x 95% = 57%가 될 것입니다. 이는 연속된 전력 조절 전략에서 하나의 블록에서 낮은 역률/효율이 하류 블록의 효율을 감소시킨다는 것을 보여줍니다. 역률 보정 회로를 추가함으로써, 하류 전압 레귤레이터 단계로의 전류 인출을 실제 전압 파형에 더 가깝게 매끄럽게 하여 전원 공급 부분의 전체 효율을 증가시킵니다.

역률 보정 IC 선택하기

정류기 출력과 하류 레귤레이터 단계 사이에 역률 보정 IC를 추가함으로써, 시스템의 전체 역률을 1에 가깝게 만듭니다. COTS 구성 요소는 역률을 1에 매우 가깝게 만들 수 있습니다. 역률 보정 IC를 선택할 때 주의해야 할 다른 등급이 있습니다:

• 최대 전압 및 전류 등급: 역률 보정 IC는 매우 높은 전압/고전력 시스템용으로 설계되지 않았습니다. 이러한 등급에 주의하여 칩이 타지 않도록 하십시오. 실제 IC의 역률은 기능일 수 있습니다

• 위상: PFC 회로는 벅 또는 부스트 위상을 가질 수 있습니다. 벅-부스트 PFC를 구축할 수 있지만, 일반적으로 AC 메인 전력을 스텝업하거나 스텝다운해야 하기 때문에 일반적으로 사용되지 않습니다. 이 IC들의 블록 다이어그램은 기본적으로

• 변조 주파수: 역률 보정 IC는 입력 전압 파형과 동기화하여 PFC 회로로 주기적으로 전류를 인출하는 스위칭 PWM 신호를 사용합니다. 이 스위칭 동작은 정류기 단계에서 끌어당기는 전류를 매끄럽게 합니다. 전형적인 값은 100 kHz 범위입니다. 일부 IC는 하류 스위칭 레귤레이터에서 사용할 수 있는 PWM 신호를 출력으로 제공합니다.

• 전도 모드: 사용 가능한 전도 모드에는 연속 전도 모드(CCM), 임계 전도 모드(CrCM), 그리고 불연속 전도 모드(DCM)가 있습니다. 이것은 변조 방법(PWM 또는 PFM)과 관련이 있으며, PWM이 꽤 흔합니다.

시장에서 찾을 수 있는 일부 역률 보정 IC는 다음과 같습니다:

Analog Devices, LT1509

Analog Devices의 LT1509CSW는 PWM을 사용하여 비규제 고전압 출력을 절연된 저전압 출력으로 변환합니다. 듀티 사이클은 변압기 포화를 방지하기 위해 내부적으로 47%로 제한됩니다. 이 구성 요소는 최대 전력 인자 보정(99% 정격 전력 인자)을 보장하기 위해 PFC 컨트롤러 섹션과 PWM 신호를 내부적으로 동기화합니다. 입력 공급 전압은 통합된 참조 전압 회로 덕분에 11.5V에서 25V까지이며, 정격 출력은 7.5V입니다.

LT1509 전력 인자 보정 IC 블록 다이어그램. LT1509 데이터시트에서.

ON Semiconductor, NCL30030B3DR2G

ON Semiconductor의 NCL30030B3DR2G는 kW의 전력이 필요한 시스템에서 통합 전력 인자 보정 및 규제(준공진 전류 모드 플라이백 토폴로지)를 제공합니다. 이 특정 구성 요소는 LED 뱅크를 구동하기 위해 설계되었지만, 고출력이 필요한 다른 용도에도 사용할 수 있습니다. PFC 단계는 CrCM에서 1에 가까운 전력 인자 값을 낮은 고조파 왜곡으로 제공합니다. 정격 공급 전압은 40V에서 700V까지이며, 출력은 210V/4A입니다.

Texas Instruments, UC3854BDW

Texas Instruments의 UC3854BDW 전력 인자 보정 IC는 CCM에서 작동하며 10V에서 20V의 공급 전압을 받아들이고 (절대 최대 22V), 내부 7.5V 참조를 가진 통합 200kHz PWM 오실레이터를 포함합니다. 출력은 5V/1.2A로 감소되며, 선 전류 왜곡은 3% 미만입니다. 이 IC는 16핀 PDIP, 와이드 SOIC, CDIP, 20핀 PLCC 패키지로도 제공됩니다.

UC3854BDW 전력 인자 보정 IC 블록 다이어그램. UC3854BDW 데이터시트에서.

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