맞춤형 전원 공급 장치 솔루션: AC/DC 및 DC/DC 설계

전원 공급 장치 설계 시 고려해야 할 사항은 표준 옵션을 평가하고, 맞춤형 설계가 필요한지 여부를 판단할 때 매우 중요합니다. 전원 공급 장치 시장은 복잡하고 역동적이어서, 다양한 애플리케이션 요구 사항을 충족하고, 높아지는 에너지 효율 기준을 만족시키며, 계속 변화하는 규제 요구 사항을 준수하기 위해 다양한 접근 방식이 필요합니다. RECOM은 폭넓은 표준 제품 포트폴리오를 제공하지만, 일부 애플리케이션은 완전히 맞춤화된, 진정한 의미의 커스텀 솔루션을 요구할 수 있습니다.

수십 년 전만 해도 전원 공급 장치 설계는 비교적 단순한 작업이었습니다. 당시 전원 기술은 선형 방식이었고, 일반적인 전원 공급 장치의 전단부는 변압기, 전파 정류 브리지, 그리고 대용량 필터 커패시터로 구성되었습니다. 이러한 선형 설계는 단순하고 신뢰성이 높았으며, 무조정형 전원 공급 장치가 요구 사항을 충족한다면 효율도 꽤 괜찮았습니다. 하지만 조정 기능을 추가하면 효율이 급격히 떨어졌습니다. 선형 조정기는 패스 소자(전력 트랜지스터)에 전압을 강하시키는 방식으로 출력 전압을 제어하기 때문에, 많은 열이 발생하고 효율이 60% 수준까지 낮아질 수 있습니다.

스위칭 전원 토폴로지는 이 모든 것을 바꾸어 놓았습니다. 입력 DC 전압을 고주파 스위칭 전압으로 변환해 원하는 출력 전압과 전류를 만들어 냄으로써, 전력 트랜지스터는 대부분의 시간을 효율적인 “온(on)” 또는 “오프(off)” 상태로 동작하게 되어 전력 손실을 최소화합니다. 스위칭 전원 공급 장치를 설계하는 방법은 매우 다양하며, 시간이 지남에 따라 수많은 스위칭 토폴로지가 등장했습니다. 각 토폴로지는 특정 애플리케이션에 대해 고유한 장점과 단점을 가지며, 현재 사용 가능한 옵션으로는 부스트(boost), 벅(buck), 벅-부스트(buck-boost), 쿠크(Ćuk), 플라이백(flyback), 포워드(forward), 풀-브리지(full-bridge), 하프-브리지(half-bridge), 푸시-풀(push-pull), SEPIC, 동기식 벅(synchronous buck), 2스위치 포워드(two-switch forward), 바인버그(Weinberg), 제타(zeta) 토폴로지 등이 있습니다.

한편 더욱 엄격해지는 규제에 따라 대부분의 AC/DC 설계에는 전원 역률 보정(PFC) 전단부를 추가해야 합니다. 높은 효율을 추구하는 과정에서 설계 복잡성은 커졌고, 초기 수동 PFC에서 기존 부스트 컨버터를 거쳐 최근에는 토템폴(totem-pole) 토폴로지까지 발전해 왔습니다. 전력 반도체 소자도 크게 다양해졌습니다. 바이폴라 트랜지스터는 대부분 다양한 MOSFET 기술로 대체되었으며, 실리콘 기반 소자뿐만 아니라 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)과 같은 와이드 밴드갭(WBG) 소자도 널리 사용되고 있습니다.

오늘날 스위칭 전원 공급 장치는 MHz 대역 주파수로 동작하며 90%를 훨씬 상회하는 효율을 달성할 수 있습니다. 그러나 이러한 성능 향상과 함께 설계자에게 요구되는 수준도 크게 높아졌습니다. 설계자는 이제 고주파 자기 설계, 열 관리, 전자기적 적합성(EMC), 스위칭 트랜지스터 기술, 인쇄회로기판(PCB) 레이아웃, 디지털·아날로그 제어 이론 등 다양한 기술에 익숙해야 합니다.

DC/DC 컨버터는 입력 회로와 출력 회로 사이에 절연을 제공하면서 특정 전압 레벨을 출력하는 장치입니다. 이러한 다용도 컴포넌트 하나로 단일 보드 상의 전자 부품들이 필요로 하는 모든 전압을 공급할 수 있습니다. DC/DC 컨버터가 제공하는 절연은 안전 규격 준수를 뒷받침하고, 간섭, 고장 보호 등의 문제를 해결하는 데 도움을 줍니다. 또한 분산 전력 아키텍처(Distributed Power Architecture) 시스템에 대해 깨끗하고 유연한 솔루션을 제공합니다.

DC/DC 컨버터 모듈은 일반적으로 다음 중 하나 이상의 목적을 달성하도록 설계됩니다.

• 1차 전원 공급 장치에 2차 부하를 매칭
• 1차 회로와 2차 회로 사이의 절연 제공
• 고장, 단락 또는 과열로부터 보호
• 안전, 성능 또는 EMC 규제 준수를 보다 쉽게 충족하도록 지원

RECOM의 무조정형 DC/DC 컨버터는 일반적인 전력 절연 및 전압 매칭 애플리케이션용으로 설계되었습니다. 이러한 컨버터는 -40°C에서 +85°C까지의 넓은 산업용 동작 온도 범위 전체에서 디레이팅(감률) 없이 동작합니다.

RECOM의 조정형 DC/DC 컨버터는 산업용 애플리케이션에 이상적입니다. 높은 용량성 부하를 처리할 수 있으며, 입력 전압이 갑자기 변할 때에도 안정적인 출력 전압을 유지합니다. 이들 역시 넓은 동작 온도 범위에서 디레이팅 없이 동작합니다.

DC/DC 컨버터 주요 사양	설명
입력 전압 범위	운영 온도 범위에서 컨버터가 전체 성능을 유지하는 범위
부하 조정률	지정된 출력 부하 범위에 대한 출력 전압의 백분율 변화
라인 조정률	입력 전압의 특정 변화에 대한 출력 전압의 백분율 변화
출력 전압 정확도	출력 전압이 공칭 사양에 얼마나 가깝게 일치하는지
리플 및 노이즈	스위칭 주기 동안 입력 또는 출력에서 발생하는 전압 강하 및 고주파 노이즈
입력-출력 절연	입력 회로와 출력 회로 사이의 절연 강도
절연 저항	입력 회로와 출력 회로 사이의 저항
전부하 효율성	25°C 및 100% 부하 조건에서 공급된 입력 전력에 대한 전달된 출력 전력의 비율
온도 드리프트	주변 온도 변화 1도당 공칭값의 백분율로 표시되는 전압 변화
스위칭 주파수	컨버터 스위칭 회로의 운영 주파수로, 리플은 일반적으로 이 주파수의 두 배
무부하 전력 소비	출력 부하가 0일 때 스위칭 회로가 소비하는 에너지로, 전체 효율성을 제한
절연 용량	변압기 1차 권선과 2차 권선 사이의 기생 용량
평균 고장 간격(MTBF)	+25°C 및 최대 운영 조건에서 MIL-HDBK-217F에 따라 계산된 신뢰성 측정 지표

AC/DC 컨버터는 안전하고, 비용 효율적이며, 에너지 효율이 높고, 신뢰성이 높고, 크기가 컴팩트해야 할 뿐 아니라 각종 규제 요건도 충족해야 합니다. RECOM의 최신 설계는 이러한 규제를 준수하기 위해 무부하 및 경부하 조건을 포함한 전체 부하 범위에 걸쳐 높은 효율을 우선시합니다. AC/DC 및 DC/DC 컨버터는 지역 및 전 세계 규제를 준수하기 위해 안전, EMC, 에너지 효율 표준을 반드시 만족해야 합니다. 주요 규제 항목은 다음과 같습니다:

강화되는 규제 기준과 높아지는 고객 기대 수준에 따라 전원 공급 장치 시장은 지속적으로 진화하고 있습니다. 이러한 요구를 충족하기 위해 새로운 기술이 꾸준히 등장하고 있습니다.
최근 트렌드는 다음과 같습니다:

• 와이드 밴드갭(WBG) 소자: 탄화규소(SiC) 및 질화갈륨(GaN)과 같은 재료는 뛰어난 효율, 높은 스위칭 속도, 우수한 열 특성 덕분에 전력 애플리케이션에서 실리콘 MOSFET 및 IGBT를 점차 대체하고 있습니다.
• 고급 토폴로지: 와이드 밴드갭 소자에 기반한 토템폴(totem-pole) PFC 등은 더 높은 효율과 단순화된 회로 구성을 제공합니다.
• 혁신적인 패키징: 3차원 패키징 기술은 내부 컴포넌트를 통합해 전력 밀도를 더욱 끌어올리고 EMC 성능을 향상시키는 데 기여합니다.

RECOM은 30,000개가 넘는 표준 DC/DC 및 AC/DC 제품을 제공하지만, 일부 애플리케이션에서는 맞춤형 설계가 필요할 수 있습니다. 맞춤화 범위는 사양의 소폭 조정부터 완전히 신규로 설계된 풀 커스텀 솔루션에 이르기까지 매우 다양합니다.

RECOM은 다음과 같이 세 가지 수준의 맞춤화를 제공합니다:

• • 수정된 표준 제품(Modified standard): 출력 전압 조정, 핀 구성 변경 등 기존 제품에 대한 비교적 단순한 변경
• • 준 맞춤형 설계(Semi-custom): 더 큰 폭의 변경을 수반하며, 종종 안전 관련 부품 재인증이 필요
• • 완전 맞춤형 설계(Full custom): 애플리케이션의 구체적인 요구 사항에 맞춰 처음부터 설계되는 완전히 새로운 제품

가장 간단한 맞춤화 수준은 기존 표준 제품에 변경을 가하는 것입니다. RECOM 및 PCS 카탈로그 제품은 종종 고객의 간단한 요청을 충족시키기 위해 수정됩니다. 일반적인 수정 내용은 다음과 같습니다:

• 출력 전압 조정(예: OR-ing 다이오드 추가를 위해 5V에서 5.7V로 변경)
• 핀 아웃 구성 변경
• 봉지 재료 변경
• 핀 길이 변경(더 길게 또는 더 짧게)

이러한 요청은 일반적으로 쉽게 구현할 수 있으며, 수정된 표준 제품으로 분류됩니다. 대부분의 경우 기존 안전성 및 EMC 인증이 유효하므로 비용과 개발 시간이 크게 절감됩니다. RECOM은 수정된 표준 제품을 제공한 경력이 있으며, 특정 요구 사항을 충족하는 제품이 이미 카탈로그에 있을 수 있습니다.

RECOM의 RHV2 및 RHV3 컨버터 시리즈는 하드 진공 시스템, 정전 필터 및 X선 발생기와 같은 고전압 산업용 애플리케이션에 설계되었습니다. 이러한 컨버터는 20kVDC 또는 12kVAC의 절연 전압을 견딜 수 있도록 인증된 강화 절연을 특징으로 합니다. 한 경우에 고객은 고전압 애플리케이션에 RHV2-0505S/R20 을 필요로 했지만, 표준 30.5mm보다 더 큰 입력/출력 핀 간격이 필요했습니다. 해결책은 다음과 같았습니다:

• 14번 핀을 제거하여 2차측 핀 아웃을 변경
• 15번 핀을 -Vout으로 재할당하여 크리피지 및 클리어런스 거리를 2.54mm 추가로 증가시켜 33mm 이상으로 함

핀 재할당이 이미 제품의 시험 보고서 사양에 포함되어 있었기 때문에 고객은 측정, 제어 및 실험실용 전기 장비에 대한 안전 요구 사항에 대해 기존 IEC/EN 61010-1 인증을 유지할 수 있었습니다.


이 수정은 내부 PCB 및 표준 작업 절차(SOP)만 조정하면 되므로 간단했습니다. 결과적으로 수정된 표준 부품은 추가적인 맞춤화 비용 없이 정상 가격으로 제공되었습니다.

준 맞춤형 설계(semi-custom design)는 수정된 표준 제품을 넘어서는 다음 단계의 맞춤화입니다. 준 맞춤형과 수정된 표준의 가장 큰 차이는 변경 사항이 안전 재인증을 필요로 하느냐 여부입니다. 변압기 구조, 광커플러(optocoupler) 또는 Y-커패시터 선택, 크리피지 및 클리어런스 거리 등 안전에 중요한 부품이나 설계 요소를 변경하는 경우에는 거의 항상 새로운 인증 절차가 필요합니다.

많은 경우, 고객 사양은 기존 플랫폼 설계를 기반으로 충족할 수 있습니다. 이러한 플랫폼 설계는 이미 성능과 신뢰성이 검증되어 있어, 완전 맞춤형 솔루션 대비 비용 효율적이고 빠른 대안이 됩니다. 내부 보유 부품, 기존 금형 및 생산 설비를 최대한 활용함으로써, 준 맞춤형 설계는 제품 안전 및 EMC 인증을 단순화하고 리스크를 줄이며 시장 출시 시점을 앞당길 수 있습니다.

고객은 내시경 및 복강경 수술용 고주파 발생기를 필요로 했습니다. 이 시스템은 단극, 양극, 초음파 및 고급 양극과 같은 모든 일반적인 수술 에너지 형태를 지원하므로 의료 시장에서 독특한 솔루션입니다.

설계는 다음과 같은 여러 과제를 안고 있었습니다:

• 넓은 입력 전압 범위
• 제한된 사용 가능한 공간
• 의료용 안전 인증
• 높은 신뢰성

제안된 해결책은 표준 제품의 1.2kW에 비해 2.2kW 피크 부하를 처리하도록 적응시킨 수정된 RACM1200-48SAV/ENC 였습니다. 주요 설계 수정 내용은 다음과 같습니다:

• 대용량 커패시턴스 두 배 증가
• 돌입 전류 회로 수정
• 스위칭 컴포넌트 업그레이드
• 기계적 레이아웃 재설계

이러한 준 맞춤형 접근 방식은 비용 효율성을 유지하고 개발 시간을 최소화하면서 고객의 사양을 충족시켰습니다.

완전 맞춤형(full custom) 전력 컨버터는 특정 고객 애플리케이션을 위해 전용으로 설계된 제품으로, 기존 표준 제품을 기반으로 하지 않습니다. 그렇다고 해서 설계를 완전히 백지 상태에서 시작하는 것은 아닙니다. 검증된 설계 블록과 기존 생산 인프라를 적절히 활용해 개발을 효율화합니다. 대체 텍스트: 일반적인 맞춤형 설계 프로젝트의 단계

일반적인 맞춤형 설계 프로젝트는 다음 단계를 따릅니다:

단계	설명
프로젝트 제안	고객은 기술 요구 사항(기능 사양, 성능 요구, 기술 표준, 물리적 치수 등)과 상업적 요인(예산, 예상 수량, 목표 비용 등)을 상세히 설명한 초기 요청을 제출합니다.
프로젝트 평가	기술 요구 사항에 대해 실행 가능성, 제조 가능성 및 리소스 가용성을 분석합니다. 기존 제품으로 요구를 충족시킬 수 없고, 연구 개발, 테스트 및 생산 비용이 허용 가능하며, 프로젝트 수량이 리소스 투자를 정당화할 경우 프로젝트는 실행 가능하다고 간주합니다.
프로젝트 계획	각 단계의 프로젝트 일정, 리소스 할당 및 마일스톤을 개략적으로 설명하는 종합적인 계획을 개발합니다.
프로토타입 개발	기능 사양 준수를 검증하기 위해 프로토타입을 제작합니다. 이 단계에서 사양이 변경될 수 있습니다. 초기 승인 후 통계적으로 유효한 성능 및 스트레스 테스트를 위해 최소 50개의 양산 전 프로토타입을 생산합니다.
설계 검증 테스트(DVT) 및 생산 검증 테스트(PVT)	이러한 테스트는 프로젝트 성공에 중요합니다. RECOM은 모든 예상 운영 및 고장 조건에서 설계의 신뢰성을 입증하기 위해 데이터시트 및 테스트 문서를 제공합니다. 테스트에는 다음이 포함됩니다: 전기 및 열 스트레스 테스트 안전 운영 영역 테스트 장기간 소킹 테스트 충격 및 진동 테스트 생산 허용 오차 테스트 네트워크화된 테스트 스테이션을 갖춘 RECOM의 자동화 테스트 실험실은 다양한 환경 조건에서 빠른 평가를 보장합니다.
생산 및 인증 계획	설계 동결을 시작하기에 충분히 DVT 테스트가 진행되면 생산 계획이 실행됩니다. 이에는 컴포넌트 소싱, 맞춤형 하우징 주문, 인쇄 및 패키징이 포함됩니다. 양산 준비가 완료된 프로토타입은 기관 승인(UL, IEC, EN, CB 보고서)을 위해 보내집니다.
생산	최종 제품을 제조, 테스트 및 고객에게 배달하기 위한 조립 라인을 설정합니다.
변경 관리	제품 수명 주기 동안 변경은 불가피합니다. 기술 표준 업데이트(일반적으로 3년마다) 또는 주요 컴포넌트의 가용성은 설계 변경을 필요로 할 수 있습니다. 이러한 변경은 제품 변경 통지(PCN)로 관리됩니다. 제품 수명 주기(PLC) 문서는 고객이 결정하는 제품 수명 종료까지 유지됩니다.

RECOM의 완전 맞춤형 설계는 1W 이하부터 수천 와트까지 다양하며, 오스트리아, 이탈리아, 대만 및 중국의 엔지니어링 팀이 다양한 사양을 지원합니다. 이탈리아의 RECOM Power Systems(RPS)는 고전력 단상 및 3상 AC/DC 컨버터, DC/DC 컨버터, 배터리 충전기/컨디셔너, PFC 전단부 및 인버터에 특화되어 있습니다. 이러한 솔루션은 산업, 의료, 에너지, 항공우주, 철도 및 군용 COTS 시장에 맞춰 제작됩니다.

RPS는 최첨단 설계 기술을 활용하여 경쟁력 있는 비용으로 높은 전력 밀도와 효율성을 제공합니다. 종합적인 안전 인증 및 EMC 준수 테스트(내부 사전 준수 또는 타사 인증)는 최종 제품이 모든 규제 및 운영 표준을 충족하도록 보장합니다.

최근 몇 년 동안 대체 연료로서 메탄올과 수소에 대한 전 세계적인 관심이 급증했습니다. 다양한 산업에서 이동식 및 정지식 애플리케이션을 위한 연료 전지 솔루션을 전문으로 하는 고객은 연료 전지에서 배터리를 충전하기 위한 고효율 시스템을 필요로 했습니다. 이 시스템은 입력 전류 추적(ICT), 액체 냉각 및 CAN 인터페이스 호환성과 같은 추가 요구 사항을 충족하면서 약 7,000와트의 전력을 공급해야 했습니다.

고객의 초기 내부 솔루션은 여러 PCB 모듈을 병렬로 운영했습니다. 기능적으로는 작동했지만 효율성이 92%에 그쳐 충분하지 않았습니다. 또한 복잡하고 요구되는 레이아웃 설계로 인해 220A까지의 전류를 관리하면서 ICT를 유지하는 데 상당한 과제가 있었습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 PCS 팀은 병렬 캐스케이드 중첩 벅-부스트 토폴로지 기반의 비절연형 컨버터인 SD7008을 개발했습니다. 이 설계는 넓게 변동하는 입력 전압보다 낮거나 같거나 높을 수 있는 조절 가능한 출력 전압을 제공합니다. 주요 특징은 다음과 같습니다:

• 97% 초과 효율성: 고급 반도체 기술을 통해 달성
• 입력 전류 추적(ICT): 고객 사양을 충족하도록 완전 통합
• 액체 냉각: 열 관리를 향상시키기 위해 구현
• CAN 인터페이스: 최신 통신 프로토콜과의 호환성을 위해 CAN J1939 표준으로 업그레이드

이 설계는 기존 스위칭 토폴로지 개념을 활용하여 빠른 개발을 가능하게 하면서 효율성을 크게 향상시켰습니다. 액체 냉각 시스템과 업데이트된 인터페이스는 효율적으로 통합되었으며, 결과적으로 12~14주라는 짧은 프로젝트 기간 내에 고객의 일정과 목표 가격을 모두 만족시켰습니다.

비표준 설계 옵션을 평가할 때 각 맞춤화 수준의 장단점을 고려하는 것이 중요합니다. 다음 표는 수정된 표준, 준 맞춤형 및 완전 맞춤형 설계에 대한 주요 고려 사항을 요약합니다:


각 맞춤화 수준은 고유한 이점과 절충점을 제공합니다. 수정된 표준 제품은 빠르고 비용 효율적인 조정을 위해 이상적이며, 준 맞춤형 설계는 특정 요구에 대한 더 큰 유연성을 제공합니다. 완전 맞춤형 솔루션은 더 복잡하지만, 독특한 애플리케이션에 대한 최대 유연성을 제공합니다.

광범위한 표준 제품 외에도 RECOM은 완전 맞춤형, 준 맞춤형 및 수정된 표준 설계를 포함한 포괄적인 맞춤화 옵션을 제공합니다. 중국, 대만, 오스트리아 및 이탈리아에 있는 엔지니어링 팀을 통해 RECOM은 특정 요구 사항에 맞게 새로운 설계를 만드는 데 필요한 광범위한 제품 개발 전문성을 활용하며, 대규모로 효율적인 생산을 지원합니다.

준 맞춤형 설계와 기존 제품에 대한 수정은 매우 경쟁력 있는 가격으로 제공됩니다. RECOM은 규모의 경제적 이익을 누리는 자동화 생산 라인을 활용하여 수정 비용을 낮게 유지합니다. 기존 도구, 생산 장비 및 광범위한 현장 컴포넌트 재고를 재사용함으로써 RECOM은 비용 효율성과 빠른 배송 시간을 보장합니다.

RECOM은 특히 고전력 및 완전 맞춤형 솔루션에 대한 빠른 출시를 전문으로 하는 이탈리아 자매사인 PCS를 통해 강력한 플랫폼 설계 라이브러리를 유지 관리합니다. 이러한 플랫폼 설계는 특정 애플리케이션에 쉽게 적응할 수 있으며, 종종 광범위한 개발 또는 재인증 비용이 필요하지 않습니다

RECOM의 맞춤화 및 수정 서비스는 다음을 포함한 광범위한 제품을 다룹니다:

• 저전력부터 고전력까지의 AC/DC 및 DC/DC 컨버터
• 배터리 충전기 및 컨디셔너
• AC 인버터
• PFC 전단부

이러한 솔루션은 산업, 의료, 에너지, 항공우주, 모빌리티 및 군용 COTS와 같은 주요 산업에 제공됩니다. 완전 맞춤형 및 준 맞춤형 제품 모두 고객 사양을 충족하기 위해 필요한 모든 안전성 및 EMC 인증과 함께 제공될 수 있습니다.

다양한 옵션이 있기 때문에 적절한 솔루션을 결정하는 가장 간단한 방법은 RECOM 엔지니어링 팀에 문의하는 것입니다. 함께 협력하여 귀하의 고유한 요구 사항에 대한 최적의 솔루션을 개발할 수 있습니다.