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기획특집

[전력반도체] 전원 모듈 시장 트렌드는 ‘고효율화’, ‘환경 부하 경감’ (1)

  • 등록 2015.12.14 17:10:45
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[전력반도체] 전원 모듈 시장 트렌드는 ‘고효율화’, ‘환경 부하 경감’ (1)

[전력반도체] 전원 모듈 시장 트렌드는 ‘고효율화’, ‘환경 부하 경감’ (2)


세계적으로 환경에 대한 관심이 많아지면서 전원 모듈 시장에도 변화의 바람이 불고 있다. 해마다 세계 각지에서 환경 문제가 빈발함에 따라, 환경 부하를 경감하는 다양한 활동이 추진되고 있으며, 전원에도 이에 대한 대책이 요구되고 있다. 환경 문제를 해결할 키워드는 고효율화와 산업 폐기물 삭감이다.


전원 모듈(AC/DC 어댑터 등)은 전기제품의 성능 및 기능에 직접적인 영향을 미치지 않는다고 생각해 큰 관심을 갖지 않았다. 하지만 최근 들어 이러한 전원에 대한 관심이 매우 높아지고 있다.


이러한 상황의 주요 원인은 ‘환경’이다. 해마다 세계 각지에서 환경 문제가 빈발함에 따라, 환경 부하를 경감하는 다양한 활동이 추진되고 있으며, 전원에도 이에 대한 대책이 요구되고 있다. 그 키워드로는 고효율화와 산업 폐기물 삭감을 들 수 있다.


키워드 1 … 고효율화
전기제품의 생산수량은 해마다 증가하며, 이에 비례해 전력 사용량 또한 증가하는 추세다. 수치로 나타내면 연간 50억대 정도의 전기제품이 생산되고 있으며, 대부분 전원 모듈이나 전원 회로가 탑재되어 있다. 


만약 이러한 전원의 손실을 1W(와트)씩 개선한다면, 단순 계산으로 50억W, 원자력 발전 5기분에 상당하는 에너지 절약 효과가 있다. 이러한 상황에서 각국의 규격 단체 등에서도 효율 규제를 강화하고 있으며, 이러한 기준을 통과한 전원 모듈 및 전원 회로의 개발이 요구되고 있다.


여기서 전원 모듈에 요구되는 고효율화 규제의 대표로 미국의 에너지청(DOE)이 규정하는 효율 규제를 소개하고자 한다.


미국의 에너지청은 2014년 2월 3일, AC 어댑터 등의 외부 전원에 대한 규제 강화를 발표했다. 2016년 2월 10일 이후(예정), 대상이 되는 외부 전원은 새로운 기준(표 1, 2)을 통과해야만 미국 내에서 판매가 가능하게 된다. 따라서 AC/DC 어댑터 메이커 등을 중심으로 이러한 규제를 통과할 수 있는 제품화가 급속히 추진되고 있다.


표 1. DOE CEC Level 6 외부 전원 규제 AC/DC 전원 (출력전압 ≥6V)

표 2. DOE CEC Level 6 외부 전원 규제 AC/DC 전원 (출력전압 <6V)


키워드 2 … 산업 폐기물 삭감
전기제품의 생산수량 증가에 따라, 그 폐기물 또한 증가하고 있다. 이러한 산업 폐기물 삭감을 위해 3R(Reuse, Reduce, Recycle)이 요구되고 있다. 전원에 있어서 지금까지 그 구성 부품, 재료 일부가 리사이클되고 있지만, 대부분은 폐기되고 있다.


현재, 이와 같은 환경 부하를 경감하는 기술 개발이 추진되고 있으며, 전원 모듈 및 전원 회로에도 탑재되고 있다. 가까운 미래에는 이러한 기술이 산업 폐기물 삭감에 기여할 것으로 기대된다. 이러한 키워드를 바탕으로 전원의 고효율화 및 기술, 어플리케이션 등에 대해 소개하고자 한다.


동기정류와 저소비전력화의 기능


전원 모듈(AC/DC 어댑터 등)의 고효율화를 실현하는 기술로서는 스위칭 디바이스 (MOSFET) 등 부품의 진보와 회로 기술 개선이 필요하다. 그 중에서 회로 기술 개선 방법으로 주목 받고 있는 것이 ‘동기정류 방식’이다. 


기존의 AC/DC 컨버터에서는 회로가 간단하고, 비교적 염가라는 이유에서 정류 소자에 다이오드가 사용되었으나, 이 다이오드의 순방향 전압 (Vf)에 의한 도통 손실이 고효율화의 장해물이 되었다.


또한, 다이오드의 발열을 억제하기 위해 히트싱크 등의 방열 대책이 필요하므로, 그만큼의 스페이스가 필요하여 실장 측면에서도 과제였다. 이러한 손실 경감 대책으로서 동기정류 방식이 사용되게 되었다.


동기정류 방식은 정류 소자에 MOSFET을 사용하여 저 ON 저항(Low Ron)화로 도통 손실을 경감한다(그림 1). 동작은 1차측 스위칭 동작에 동기하여 정류 소자의 MOSFET를 ON/OFF시킨다.


그림 1. 전원 모듈 고효율화를 위한 ‘동기정류 방식’


동기정류 방식 자체는 저압(특히 12V 이하) DC/DC 컨버터의 대부분에 채용되어 있으므로, 특별히 새로운 것은 아니다. 그러나 AC/DC 컨버터에 있어서는 제어 방식 등의 과제가 있으므로 동기정류 방식은 보급에 방해 되어 왔다. 


현재는 대부분의 AC/DC 컨버터에 PWM 플라이백 방식(ON/OFF 방식)이 채용되어 있으나, 이 방식은 입출력 조건 및 트랜스 사양에 따라 연속 모드 동작이 된다. 그러나 동기정류 방식을 연속 모드 동작으로 사용하면 정상적인 제어가 불가능하여, 1차측의 스위칭 소자와 2차측의 정류 소자가 동시에 ON됨에 따라 관통 전류로 인해 소자가 파괴될 가능성이 있었다.


따라서 동시 ON을 방지하기 위한 보호회로 추가 및 연속 모드 동작이 되지 않는 경우(의사 공진 방식 및 불연속 모드 동작)만 사용하는 것이 일반적이다. 


그러나 이번에 개발한 로옴의 동기정류 IC는 이러한 과제를 극복하여, 연속 모드 동작 시에도 특별한 보호회로를 필요로 하지 않고 안정된 동기정류 동작이 가능하다. 이에 따라 기존의 다이오드 정류에 비해 전원 모듈 전체에서 3% 이상의 효율 개선을 실현했다(그림 2).


그림 2. 기존의 다이오드 정류에 비해 전원 모듈 전체에서 3% 이상의 효율 개선 실현


또한 로옴의 동기정류IC는 동기정류 제어부+션트 레귤레이터부로 구성되어 1개의 IC로 두가지 기능을 한다. 션트 레귤레이터부는 저전류 동작(40uA)을 실현하고, 동기정류 제어부는 무부하 시 등에 자동으로 ‘sleep’ 모드로 전환함으로써 동작전류를 경감한다. 이에 따라 기존의 범용 션트 레귤레이터 IC 사용 시에 비해 무부하 시의 소비전력을 25mW 이상 경감하였다(그림 3). <자료 : 로옴 LSI 상품개발본부 어플리케이션 엔지니어부>


그림 3. ‌범용 션트 레귤레이터 IC 사용 시에 비해 무부하 시의 소비전력을 25mW 이상 경감


정리 : 임재덕 기자 (eled@hellot.net)






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