파워 서플라이 Active PFC 회로란?

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파워 서플라이 Active PFC 회로란?

최고관리자 0 2225

400W 파워서플라이가 있다고 가정해 봅시다.



1. 콘덴서 용량계산 -------------------------------------------



일반적인 묻지마파워의 400W 파워서플라이는

양심이 있다면 적어도 820uF 정도 용량의 200v 내압짜리 콘덴서를 2개 직열로 연결해 사용합니다.

(여기서 200v는 콘덴서가 견뎌내는 내압을 뜻하고 820uF마이크로페러디 는 충전가능한 전하의

용량을 의미합니다.)



우리나라의 가정용 전압은 220v이므로 200v로는 20v가 부족해 견뎌내지 못하므로

200v짜리를 2개 직열연결해서 400v 짜리 콘덴서의 효과를 내도록 만들어 사용하는것입니다.

(실제론 220v에 피크전류라는게 있어서 264v정도까지 견뎌야 한다고 하는군요. 그래서

20v가 부족해 200v짜릴 2개 쓰는건 아니라고 합니다. )



왜 400v짜리 1개를 안쓰냐면, 2개를 써도 충분할정도로 회로기판위에 공간도 많이 남고,

또 가격차이도 크기 때문이며, 또하나는 마케팅적으로 눈에 보이는 용량을 키울 필요가 있기

때문입니다.

(다른이유로는 프리볼트를 구성하기 위해서 200v를 2개 쓴다고 합니다. Active-PFC방식과

달리 None-PFC방식은 전압대별로 스위칭을 통해 다른 220v입력회로를 작동시키게 되는데

이때 200v짜릴 2개 쓰는게 유리하다고 합니다. )



200v짜리 2개와 400v짜리 1개의 콘덴서용량 변환에 관한 공식은 다음과 같습니다.

1/a + 1/b = 1/c  ( a와 b는 200v짜리 직열연결된 콘덴서용량, c는 400v짜리 콘덴서용량 )



1/820 + 1/820 = 1/410

가 됩니다. 820uF 200v 짜리 2개는 410uF 400v짜리 1개와 같은 능력을 보입니다.



2. 역율 ---------------------------------------------



우선 역율이란것이 있습니다.

한전에서 공급되는 220v 전기에 오실로스코프란 기계를 꼽아보면

사인파형상의 파형이 나타납니다. 잘 아시듯이 교류파입니다.

그런데 이것은 전압의 파형이고, 전류의 파형이 따로 또 있습니다.

긴 거리를 송전하다보면 이 전류와 전압의 파형이 일부 서로 어긋나게 되는데,

이때 두 파형이 겹쳐지는 구간중에,

실제로 그 전기를 사용해 기계를 구동시킬수 있는 유효전력이 있고,

아무것도 하지 못하는 무효전력이 있습니다.

이때 전체전기에서 유효전력의 비율을 역율이라고 합니다.

일반적으로 발전소에서 가정까지 공급되는 전기의 역율은 0.5에 불과합니다.

(공급전력의 품질에는 국가마다 차이가 있을수 있습니다.)



우리나라에서는 가정용전기에는 무효전력에 대해 전기료를 과금하지 않지만

유럽은 무효전력에도 전기료를 과금하고 있습니다.

무효전력도 발전소에서 생성당시에는 유효전력이었고, 엄연히 전기를 발전하는데

무효전력역시 비용이 들어가기 때문이지요.





3. Active-PFC회로 ------------------------------------



Active-PFC회로는

반도체칩을 사용해 무효전력을 유효전력으로 바꿔줍니다.( 두 어긎난 파형을 일치시켜줍니다.)

이것은 완전히 디지털로 이뤄지는것은 아니며 약간의 아날로그적인 요소도 있습니다.

핵심은 전압과 전류의 사인파파형을 직류 비스무레하게 뭉개서 강재로 파형을 일치시킨다는

것입니다. 이때 전압을 뭉개는데는 대용량 콘덴서가 사용되고, 전류를 뭉개는대는 커다란 코일이

사용됩니다.

여기까지가 Passive-PFC로 이는 역율을 0.5에서 0.75~0.8 까지 끌어올려 줍니다.

그러나 아직 부족합니다. 여기서 IC반도체를 동원해 파형이 일치하는 구간만 딱 찝어서

그순간만 회로를 On-Off 해준다면 역율을 엄청높이 끌어올릴수 있습니다.

이때 가급적 전압을 올려주면( 마치 사진에 포샵처리를 할때 일단 사진을 확대한후 포샵처리를

한다음 다시 사진을 축소하는것처럼) 그 효과가 증대됩니다.

이렇게 하면 거의 효율이 1에 가까운 0.99까지 끌어올릴수 있습니다.

이것이 바로 Active-PFC회로이며, 다른말로 승압형회로라고도 합니다.

보통은 회로마다 다르지만 220v를 310~380v까지 승압합니다.



Active-PFC회로에는 콘트롤IC회로와 On-Off를 반복하게 해주는 MOSFET이 필요합니다.

때문에 Active-PFC회로에는 반드시 콘트롤IC를 탑제한 미니보드가 구성품으로 들어가지만

자세히 파워서플라이 내부의 주변 방열판을 보면 콘덴서와 코일이 있는 주변에 방열판옆에

Mosfet소자가 붙어있습니다. On-OFF를 반복하기때문에 발열이 있어서 그렇습니다.



Active-PFC회로는 On-Off를 하는 Mosfet소자를 1개 더 쓰므로 EMI측면에서 그만큼 떨어집니다.

코일만 사용하는 Passive-PFC회로는 None-PFC회로보다 코일을 하나 더 쓰는데

이 코일은 On-Off소자가 아니고 전류파형을 안정시켜주는 역할을 하므로 오히려 EMI측면은

좋습니다. EMI측면만 보면 Passive-PFC > None-PFC > Active-PFC 이지만

파워서플라이엔 On-Off소자가 이것이외에도 다른부분에 더 많이 여러개 사용되고 있기때문에

전체 EMI를 Active-PFC회로만이 좌우하는것은 아닙니다. ( 전체 총 10개 정도 사용됨 )



* 그리고 80+ 인증 (효율80%이상임을 인정받는 인증)을 받는 조건으로 역율0.9 라는 것이

있다고 합니다. 그래서 Active-PFC회로가 없으면 80+인증을 받을수 없다는..





4. 파워서플라이 제조 ------------------------------------------



Active-PFC 회로에서 사용되는 콘덴서용량은

개선된 역율만큼 작은것을 사용해도 됩니다. ( 거의 절반으로 줄어듭니다. )

즉 위에서 계산했던 400v짜리 410uF용량의 콘덴서를

Active-PFC회로를 탑제한 파워서플라이에서는 400v짜리 205uF 콘덴서 1개만 써도 됩니다.

즉 마케팅적으로 820uF짜리 콘덴서 2개를 쓰는것과, 400v짜리 205uF짜리 콘덴서 1개만

쓴것을, Active-PFC에 관해 잘 모르는 일반인에게 광고할때, 어느것이 더 효과적이겟습니까?

820uF *2 = 1620uF 인데 205uF 짜리 1개로 먹히겠습니까?

이때문에 대부분의 파워서플라이 제조사들은 820uF 짜리 2개를 써서 제품을 제조합니다.

Active-PFC회로를 추가하지 않아도 되기때문에, 기판의 여유공간도 많아지고

제조원가도 싼데다가, 광고효과도 큽니다. 마다할이유가 없지요.

(다른이유로는 프리볼트를 구성하기 위해서 200v를 2개 쓴다고 합니다. Active-PFC방식과

달리 None-PFC방식은 전압대별로 스위칭을 통해 다른 220v입력회로를 작동시키게 되는데

이때 200v짜릴 2개 쓰는게 유리하다고 합니다. )



Active-PFC회로는 None-PFC회로에 비해 코일이 1개 추가되고, Active-PFC콘트롤칩을

탑제한 미니회로기판이 추가되며, MOSFET도 한개 추가되고 그에 부속된 방열판도 추가됩니다.

즉 파워서플라이 내부에 그만큼 공간을 더 잡아먹습니다.

때문에 이만큼의 공간을 다른데서 절약해서 확보해야 합니다.

즉 200v짜리 콘덴서 2개를 싼값에 쓰던것을, 좀 비싸도 400v짜리 1개로 바꿔야 하는 것입니다. 







5. 기타 ------------------------------------------



무효전력에도 과금을 하는 국가를 기준으로 Active-PFC를 구성하는데 추가로 들어가는

1만원가량의 재료비는, 약 6개월정도만 Active-PFC를 탑제한 파워서플라이를 사용하기만 해도

전기료를 절감하는것에 의해 본전을 뽑을수 있습니다. 일반적인 파워서플라이의 수명이

3년이상임을 감안하면 Active-PFC가 채용된 파워를 구입하는것은 매우 남는 장사입니다.



Active-PFC회로를 채택하면 콘덴서의 용량을 줄일수 있으므로, 초대형파워서플라이의

설계 및 제조가 보다 손쉬워집니다.



Active-PFC는 고압의 전류를 다루므로 비교적 고급의 부품사용을 강요하는 측면이 있습니다.

또 전고조파를 감소시키는 효과도 있는데 이때문에 효율이 더 오른다고 합니다. 그래서 최종적으로

Active-PFC제품은 None-PFC보다 역율을 제외하고 무효전력에 과금하지 않는 우리나라기준으로

이야기하더라도, 일반적으로 2~4%정도 효율이 더 높습니다.



또 제조원가가 높기때문에 비교적 대규모제조공장을 가진 대형제조업체만이 Active-PFC방식의

파워서플라이를 제조합니다. 그덕에 각종인증획득이나 품질관리 등에서 대형공장에서 생산되는

Active-PFC가 유리한 측면이 있습니다. 자연히 A/S도 유리해 집니다.



그리고

Active-PFC는 또한 친환경이기도 합니다.

무효전력에 전기료가 부과되지 않는 국가에 살고있다고 하더라도, 발전소에서는 무효전력생산에도

유효전력과 똑같은 비용을 들이고 있습니다. 이것을 절약해 발전용량을 줄일수 있다면 엄청난

에너지절약이며 또한 친환경이기도 합니다.

 

마지막으로

Active-PFC는 본래 승압형 회로이기때문에

90V~264V 까지의 입력을 간단한 '전압구간별 입력스위칭 회로' 만 추가해도,

풀레인지로 받아들일수 있습니다. 즉 파워서플라이 제품의 프리볼트 설계가 쉽습니다
                         

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