전력 모듈 밀도의 주요 동인

전력 밀도와 볼륨 밀도

전력 솔루션은 전반적인 시스템 규모, 볼륨 효율성, 시스템 자재 비용 및 전력 밀도를 견인하기 위해 필요하지만 시간이 오래 걸리는 요인으로 악명이 높습니다. 일반적으로 이러한 전력 솔루션은 규모, 무게, 출력(SWaP 요인이라고도 함) 특성 등 시스템의 일반적인 성능 지수(FOM)로 나눌 수 있습니다. 비용 지표와 결합하면 SWaP-C 지표로 부를 수도 있습니다 [1].전력 밀도는 일반적으로 총 가용 전력 대 전체 솔루션 볼륨 함수로, 이 때문에 부품 크기는 전력 밀도와 반비례 관계를 보이는 경향이 있습니다. 전력 밀도 지표는 전체 솔루션 질량(일반적으로 지구 위 중량으로 번환됨)과 결합할 때 한 단계 더 나아갈 수 있으며, 이는 이어지는 내용에서 보여 주는 여러 관점에서 검토하는 것처럼 테더링되지 않은 응용 분야에서는 중요한 FOM일 수 있습니다.

또한 전력 밀도와 볼륨 밀도를 구분하는 것이 좋은데, 그러면 특히 전제 시스템 볼륨의 하위 집합인 전력 솔루션의 맥락에서 전력 밀도를 특성화할 수 있습니다. 일반적으로 전력 밀도는 항상 증가합니다. 여기서 볼륨 밀도는 주요 시스템 부하의 크기가 축소되면(전력 요구 사항이 감소할 수 있음) 줄어들 수 있고 이전부터 동일한 볼륨에서 더 많은 작업을 수행하는 기능을 강화할 수 있어 전력 솔루션에서 직접 볼 수 있는 것과는 다른 추세에 적합하게 됩니다. 업계에서는 와트당 달러($/W)와 같은 지나치게 단순화되고 형편없는 지표를 사용하여 이러한 추세 불일치를 표준화하려고 시도했으나, 이는 매우 유사한 전원 공급 장치를 비교하지 않는 한 거의 또는 전혀 의미가 없습니다.

전력 솔루션을 평가하고 기술적 영향과 재무적 기여를 평가하는 모든 측면과 마찬가지로 1차 분석 그 이면을 살펴보는 것이 중요합니다. 전력 소비와 에너지 효율성은 하위 시스템 하나에서의 최적화가 다른 부분에서의 성능 저하로 이어질 수 있기 때문에 자칫 “두더지 게임”이 되기 쉽상입니다. 따라서 이러한 접근 방식을 취하면 효율적인 시스템 수준 영향은 동일하거나 더 악화됩니다. 질화갈륨 또는 탄화규소와 같은 와이드 밴드갭 전원 스위치의 향상된 전력 밀도가 향상된 스위칭 주파수를 활용하여 일부 전원 구성요소의 수를 줄여 (전력 처리 기능이 증가하더라도) 물리적으로 더 작아진 파워 트레인을 가능하게 하는 경우가 대표적인 사례입니다. 그러나 결과적으로, 더 작아진 물리적 공간 내에서 밀도가 더 높은 전력을 처리하기 위해 더 큰(그리고 아마도 더 비싼) 열 완화 솔루션이 필요하거나, 심한 경우 시스템에 액체 냉각이 필요한 상황이 발생할 수 있습니다. 이는 보통 “가지고 있으면 좋은” “사소한 기능”일 수 있지만 솔루션 규모 및/또는 비용에는 적합하지 않은 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 커넥터(특히, 블라인드 메이트 방식) 및 팬은 클 수 있기 때문에 SWaP-C 분석 시 모든 FOM에 아주 큰 기여 요인이 될 수 있으며, 전기 기계 구성 요소는 시스템 품질 및 신뢰성 극대화의 병목 구간이기도 합니다.

전력 솔루션은 무어의 법칙 및 마이크로전자기계 시스템 기기로 구동되는 항목에서 관찰할 수 있는 것과 같은 속도로 확장되지 않습니다. 이는 거의 매년 프로세스 노드가 개선되기 때문에 전력 솔루션 크기의 기하급수적 감소(또는 역으로 전력 밀도의 기하급수적 증가)에 대한 시스템 로드맵을 계획할 수 없다는 의미입니다. 즉, 전력 솔루션은 증가하는 부하 수요를 자체적인 방식으로 충족하여 향상된 부하 크기/성능의 속도를 유지하도록 도울 수 있습니다 [2].

전력 밀도에서 큰 역할을 하는 기능 세트

섀시 커버가 분리된 전원공급장치 그림(위)을 보세요. 이 박스 내 대부분의 공간을 실제 전원 공급 부품이 차지하고 있는 것처럼 보이나요 아니면 (빈 공간과 함께) 커넥터, 와이어, 팬, 방열판 및 인클로저가 공간의 대부분을 차지하고 있는 것처럼 보이나요? 실제 파워 트레인이 전반적인 전력 솔루션 볼륨과 달성 가능한 전체 최대 전력 밀도에 미치는 영향이 미미하다는 사실은 상당히 놀랍습니다. 다시 말하지만, 이것이 $/W와 같은 지표가 완전히 유사하게 제작되지 않은 전원공급장치 설계 평가에 적절하지 않은 이유입니다(예: 유일한 주요 차이가 파워 트레인 부품의 정력 전력이고 거의 모든 기능이 동일함).

안전 인증과 고압 입력(예: 2D 및 3D 공간 필요량 증가) 및 더 혹독한 작동 환경 등과 같은 필요 지원으로 인해 발생하는 요구 사항은 솔루션 밀도에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 네트워크 장비 구축 시스템 인증이 필요한 응용 분야와 같이 더 엄격한 전자기 호환성(EMC) 및/또는 충격 및 진동 수준을 충족해야 하는 경우에는 질량이 더 큰 부품을 고정하기 위해 사용되는 향상된 기계적 지지와 함께 더 큰 필터 부품이 공간을 많이 차지합니다. 여기에는 약간의 접착제/밀폐제(실온에서 응고되는 액상 실리콘 고무, 따라서 이 용도에는 "실온 경화"(RTV) 화합물이 일반적으로 사용됨), 스트래핑, 심지어 전체 포팅(즉, 열 전달을 용이하게 하고, 전기적으로 절연하고, 외부 환경에 노출되지 않도록 방지하기 위해 에폭시/폴리머 재질에 솔루션을 완전히 담금)이 필요할 수 있습니다. 이러한 모든 대형 부품과 안전/인증 및/또는 열/환경 지원을 위한 지지 재료의 보강은 솔루션의 전체 무게 따라서 밀도 지표에 기여합니다.

포괄적인 품질 및 가속 수명 테스트 전력 솔루션이 오래 지속된다는 점을 감안할 때, 기능적 전기 벤치 자격 테스트 외에도 이러한 테스트 설정 및 통과 요구 사항은 설계 단계 및 테스트 계획에 미치는 영향을 고려해야 합니다. (비용 및 일정 시간 측면에서) 장기적으로 비용이 많이 드는 자격 테스트를 실행하는 경우 처음에 통과가 목표입니다. 하지만 더 크고/또는 더 복잡한 설계의 더 빈번한 실패 그리고 적절한 시정 조치를 유도하는 고장 분석에서 실사를 수행하지 못한 경우 어셈블리 및 부품에 접근할 수 있는 능력으로 인해 테스트를 통과하지 못할 수 있습니다.

밀도 기반 전력 솔루션 SWaP 개선을 위한 기회

SWaP 지표에 가장 큰 기여요인은 관련 FOM 개선을 위한 가장 큰 기회이기도 합니다. 즉, 주요 기여요인은 필터 부품, 전기 기계 부품과 이러한 더 크거나 느슨한 부품의 질량을 지지하는 데 필요한 모든 것입니다. 이러한 요인을 파악하고 부품 및 시스템 설계에 대한 개별 기여도를 가려내 통해 설계자는 검증을 위한 일련의 하위 작업 및 전용 테스트에 대한 전반적인 최적화에 집중할 수 있습니다.

필터가 EMC 요구 사항을 충족하기 위해 계산 및 선택한 부품은 종종 집중해야 할 항목 목록의 맨 위에 있습니다. 대형 커패시터와 더 큰/더 조밀한 마그네틱은 일반적으로 최악의 요인이지만 놀랍게도 많은 설계자가 필터 설계에 대해 잘 모르기 때문에 최적화를 고려할 때 관심을 덜 기울이는 경향이 있습니다. 필터 설계는 매우 주관적일 수 있고 더 복잡한 솔루션에 사용되는 기술일 수도 있지만 전력 설계/검증과 아주 약간이라도 관련이 있는 모든 설계자는 필터 설계 및 최적화에 대한 몇 가지 기본 교육을 숙지하는 것이 좋습니다. [3] [4] [5]. T주요 상쇄 관계는 필터 부품 FOM(성능이 뛰어나면 부품이 더 크고 무거운 경향이 있음)과 (일반적으로 탄소 배출 수준 측면에서) 허용 가능한 규정 준수 수준 사이에 있습니다. 참고: 주어진 주파수에서 원하지 않는 에너지를 처리하는 최선의 전략은 완화입니다. 다시 말해, 이러한 원치 않는 이탈을 파악하여 대응하기 위해 필터링에 총력을 기울이기에 앞서 설계를 최적화해 노이즈 소스를 없애거나 줄이세요. 더 넓은 주파수 스펙트럼에 걸쳐 에너지를 분산시키는 데 기여하기 위해 전력 드라이버/컨트롤러가 분산 스펙트럼 클로킹을 지원하여 더 강력한 필터링의 필요성을 줄이는 경우를 예로 들 수 있습니다. [6].

전력 하위 시스템을 분해하는 것도 밀도를 개선하는 훌륭한 방법이 될 수 있습니다. 전력 솔루션을 분리하는 것은 밀도 지표를 개선하기 위해 통합으로 추진되는 논의에서 다소 직관에 반대되는 것처럼 보일 수 있지만 너무 많은 기능을 단일 솔루션에 통합하려고 할 때 오히려 수익이 감소하는 지점에 도달할 수 있는 경우가 있습니다. 특히 전원공급장치 설계의 모든 부분과 변수를 고려할 때 "분할 정복(Divide and Conquer)" 접근 방식을 더 많이 취하는 것이 때때로 더 합리적일 수 있습니다. 입력 측의 넓은 범위에 대한 지원과 출력 측의 절연 및/또는 엄격한 규제가 필요한 시스템 전력 레일을 예로 들 수 있습니다. 이러한 시스템 전력 레일은 넓은 입력 비율에 최적화된 솔루션과 뒤이어 규제/절연에 최적화된 다른 솔루션으로 구성된 별도의 솔루션으로 최적화될 수 있습니다. 또 다른 일반적인 예로, 대형 단상 컨버터를 각각 더 적은 전력을 처리하는 소형 다상 컨버터로 변경하는 경우를 들 수 있습니다. 그러면 부품 크기가 줄어 전기/열 응력이 감소하고, 부품 FOM를 더욱 개선하기 위해 스위칭 주파수를 푸시할 수 있는 기회를 얻을 수 있습니다.

필터 값, 개별 부품 또는 가장 효과적인 분해 솔루션을 최적화하든 상관없이 설계자가 첨단 솔루션(State-Of-The-Art, SOTA) 특히, 상용 기성품(Commercial Off The Shelf, COTS) 솔루션을 활용하면서 이러한 목표를 충족하도록 지원하는 온갖 솔루션이 있습니다. 3차원 전력 패키징(3DPPR) 특히, 저전압 DC/DC 전력 컨버터 분야에서 주요 발전은 스윗 스팟(Sweet Spot)입니다. 고급 패키징 기술은 위에서 언급한 많은 SOTA 기술을 활용하고 이를 고밀도 통합 부품에 통합할 수 있는 기술을 통해 전력 변환 및 전력 관리 솔루션을 촉진했습니다. 특히, 필터 부품은 평판형 마그네틱, 몰드 패키징 및 멀티칩 모듈의 형태로 전원 모듈에 이질적으로 통합됩니다. 3DPPR를 사용하면 COTS 솔루션을 최대한 이용하면서 이러한 최고 기술이 SWaP 최적화에 기여하도록 할 수 있습니다.

결론

전력 솔루션에 대한 무어의 법칙은 없으며, SWaP-C 지표를 압도하는 경향이 있는 에너지 저장 장치를 고려하는 경우 특히 더 그렇습니다. 이때, 결국 거의 모든 노브를 구동하여 전력 밀도와 전체 시스템 밀도를 결정합니다. 패키징은 전력 솔루션(특히, 모듈 및 기타 기성품)이 사물의 부하 측면에서 밀도의 발전을 따라가도록 하는 매우 큰 동인인 경향이 있습니다.

개선된 지표(예: W/m3) 하나만 가지고 전력 밀도를 쫓는 것은 비용 및 개발 시간 증가부터 효율성 및 신뢰성 감소에 이르기까지 많은 프로젝트 상쇄 요인과 함께 발생하는 비용이 많이 드는 노력일 수 있습니다. 원하는 기능의 실제 영향을 고려하고 비용, 공간 및 효율성(및 당연히 프로젝트 일정)에 대한 영향이 곧 응용 분야에서 진정으로 정당한지 여부를 고려하는 것이 중요합니다.

즉, 고급 패키징으로 밀도를 높이고 3DPPR 기술 및 제조 자동화를 활용하면 SWaP-C 지표를 얼마나 개선할 수 있는지 역시 검토했지만 여기에 절대적인 것은 없습니다. 설계 복잡성이 증가하면 일반적으로 제조 수율 감소(또는 추가 재작업으로 인해 생산 속도가 느려지고 비용이 늘어남) 측면에서 설계 위험으로 이어지지만, 수동 조립 공정을 자동화하면 동시에 전원 모듈 밀도를 구동하면서 신뢰성을 향상시킬 수 있는 보다 엄격하게 제어되는 공정 단계의 고도로 통합된 솔루션이 가능할 수 있습니다. 평판형 마그네틱의 사용 증가는 이를 보여 주는 완벽한 예입니다.

증가한 전력 밀도는 모든 열 완화 전략에서 더 많은 문제를 불러오는 경향이 있습니다. 작은 공간에 갇혀 있는 열이 많을수록 열을 효율적으로 분산하고 주변 환경으로 이전하는 것이 점점 더 어려워집니다. 열을 외부로 효율적으로 이전하지 못하면 부품의 온도가 크게 상승해 신뢰성 감소로 이어질 수 있습니다. 이 때문에 전력 모듈 밀도 개선이 설계의 다른 SWaP-C 목표에 방해가 되지 않도록 전력 설계가 전반적인 시스템에 미치는 영향을 고려하는 것이 중요합니다. 특히, 열 및 품질 관련 제품 수명 주기 예측과 관련하여 밀도는 보증 분석 및 지원 비용에 영향을 미칠 수 있습니다.

참고 문헌

[1] “Power Supply Design for maximum Performance,” RECOM 블로그, 2022년 10월 21일, https://recom-power.com/en/rec-n-power-supply-design-for-maximum-performance-229.html (2023년 2월 15일 접속).
[2] “Power Modules are Catching up with Moore’s Law,” RECOM 블로그, 2022년 11월 11일, https://recom-power.com/en/company/newsroom/blog/rec-n-power-modules-are-catching-up-with-moores-law-235.html (2023년 3월 13일 접속).
[3] “Specifying line inductors for power converter noise filters,” RECOM 백서, https://recom-power.com/en/support/technical-resources/whitepaper/whitepaper-specifying-line-inductors/whitepaper-specifying-line-inductors.html.
[4] “Very low noise filter for isolated DC/DC converters,” RECOM 블로그, 2019년 3월 4일, https://recom-power.com/en/company/newsroom/blog/rec-n-very-low-noise-filter-for-isolated-dc!sdc-converters-46.html (2023년 3월 13일 접속).
[5] S. Roberts, “DC/DC BOOK OF KNOWLEDGE – Practical tips for the User,” 제5판, RECOM Engineering, 2021.
[6] 위키피디아 기고자, “Spread spectrum,” 무료 백과사전 위키피디아, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Spread_spectrum&oldid=1138317993 (2023년 3월 13일 접속).