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2018년까지 전 세계 전력 수요는 약 20,000TWh였습니다. 정보통신기술(ICT) 산업은 이 중 2000TWh 또는 10%를 차지했는데, 이는 네트워크(무선 및 유선)와 데이터 센터로 나뉩니다. 데이터 센터만 해도 매년 약 200TWh의 전력을 소비합니다. 자주 인용되는 예측에 따르면 ICT의 총 전력 수요는 2020년대에 가속화될 것이며, 데이터 센터가 더 큰 비중을 차지할 것입니다. 이러한 가속화는 지수적으로 증가하는 데이터와 5G 응용 프로그램에 의해 주도되고 있습니다.

데이터 센터는 인터넷의 ‘뇌’와 같습니다. 우리는 매일 사용하는 다양한 정보 서비스에 대한 데이터를 처리, 저장 및 통신하는 역할을 합니다. 이 서비스에는 스트리밍 비디오, 이메일, 소셜 미디어, 전화 통화 또는 과학 계산 등이 포함될 수 있습니다. 데이터 센터는 이러한 서비스를 제공하기 위해 다른 ICT 장치들을 활용하며, 모든 장치들은 전기로 구동됩니다. 서버는 주요 ICT 구성 요소로, 정보 요청에 대한 계산과 논리를 제공합니다. 네트워크 장치인 유선 이더넷과 무선 기지국은 데이터 센터를 인터넷과 최종 사용자에게 연결하여 데이터 흐름을 가능하게 합니다. 이러한 IT 장치에서 사용된 전기는 결국 열로 변환되어 전기를 사용하는 냉각 장비를 통해 데이터 센터에서 제거되어야 합니다. 전력 효율성을 개선하는 모든 단계는 운영 비용뿐만 아니라 탄소 배출량에도 크게 영향을 미칩니다.

엔드 컴포넌트에 도달하기 전에 모든 전력은 프런트엔드 정류기에서 처리되어야 합니다. 현재 서버 및 통신 전원 시스템의 효율성은 주로 이 정류기 수준에서 향상되고 있습니다. 주요 업체들의 정류기 효율은 90%에서 96% 사이입니다. 98%의 정류기 효율 솔루션은 달성 가능하다는 것이 입증되었지만, 광대역 갭 장치와 제어 IC의 가용성과 비용 때문에 그 적용은 아직 제한적입니다. 효율성 외에도 데이터 센터에서 정류기의 전력 밀도 역시 중요한 설계 요구사항입니다. 더 높은 정류기 전력 밀도는 서버 용량 설치를 위한 더 많은 공간을 확보할 수 있습니다.

정류기는 사전 조절 전력 인수 수집(PFC) 단계와 격리된 DC/DC 변환기로 구성됩니다. 98%의 정류기 효율을 달성하려면 PFC와 DC/DC 모두 99%의 효율 수준에서 작동해야 합니다. 약 97.5%의 피크 효율을 가진 전통적인 PFC는 이러한 설계에는 더 이상 적합하지 않습니다. 브릿지리스 PFC가 새로운 세대의 정류기 설계에 있어 유일한 옵션으로 부상하고 있습니다. 현재 두 가지 다른 브릿지리스 PFC 토폴로지가 제품에 사용되고 있습니다.

Double-Boost PFC는 기본적으로 두 개의 부스트 컨버터로 구성됩니다. 하나는 양극성 AC 사이클에서 작동하고 다른 하나는 음극성 AC 사이클에서 작동합니다. 이를 통해 전통적인 PFC의 3개에서 2개로 전력 처리 경로 내 반도체 장치 수가 줄어들고, 이에 따라 효율이 향상됩니다. 이 토폴로지의 장점은 제어가 간단하다는 것입니다. 전통적인 PFC 컨트롤러는 약간의 회로 수정만으로 사용할 수 있습니다. 단점은 두 개의 부스트 인덕터가 필요하다는 점이며, 이는 BOM 비용을 증가시키고 전력 밀도 향상에 영향을 미칠 수 있습니다. 싱글페이즈 CrM (크리티컬 모드) PFC는 높은 부스트 인덕터 전류 리플과 EMI 필터 설계의 어려움 때문에 매우 제한된 전력 처리 능력(500W 미만)을 가지고 있습니다. 500W 이상의 ZVS CrM PFC는 종종 두 위상의 인터리빙(interleaving)을 사용합니다. 두 위상의 스위칭 주기를 180도 차이를 두면 전류 리플이 서로 상쇄되어 총 전류 리플이 허용 가능한 범위로 감소될 수 있습니다.

SiC와 GaN의 성숙화 및 비용 절감으로 인해 정류기 설계는 96% 이상의 효율을 달성하고 더 높은 스위칭 주파수에서 작동할 수 있는 보다 선진적이고 간단한 토폴로지를 사용할 수 있습니다. 아래는 kWs급 정류기 설계에 적합한 CCM (Continuous Conduction Mode) 토템폴 PFC입니다.

IVCT는 2.5kW 토템폴 PFC 참조 설계를 개발했습니다. 아래는 참조 설계 사진과 주요 테스트 데이터입니다. (애플리케이션 노트 링크)

2.5kW Totem-Pole PFC Reference Design

DC/DC 스테이지에 대해, 하프-브릿지와 풀-브릿지 LLC 토폴로지가 매우 인기가 되고 있습니다. 고전력 설계에서 주도적인 토폴로지였던 위상 이동 풀 브릿지 토폴로지에서 LLC 토폴로지로 전환하는 데에는 두 가지 주요 이유가 있습니다. 전체 부하 범위에서의 프라이머리 ZVS(Zero Voltage Switching)와 넓은 부하 범위에서의 세컨더리 ZCS(Zero Current Switching)가 이 토폴로지의 주요 장점입니다. 세컨더리 측에 인덕터가 없기 때문에, 12V 또는 48V 서버/텔레콤 출력에서는 동기 정류 회로를 사용하여 도전 손실을 크게 줄일 수 있습니다. 이러한 장점들 덕분에 LLC 컨버터는 99% 이상의 효율 설계가 가능합니다. LLC 컨버터는 높은 출력 전류 리플을 가지고 있기 때문에, 고전류 출력 설계에서는 출력 전압 리플을 줄이고 출력 필터 커패시터의 자발열을 완화하기 위해 인터리빙 LLC 구조가 종종 사용됩니다.