As the global warming has been focused on the world-wide problem, many projects for reducing CO2 emissions are in progress. For the server power system, climate savers computing initiative (CSCI) have regulated CO2 emissions from the operation of computers. In this case, the server power system with single output must be satisfied with the gold level efficiency by 2010, which is 88%-92%-88% at 20%-50%-100% load conditions, respectively. This high efficiency becomes a big obstacle to the server power system with the power factor correction (PFC) circuit, the DC/DC converter, the stand-by circuit, hold up time regulation, and hot-swap function. Furthermore, low cost is required as the cost to the server power system is rapidly increased.
To meet these market needs, this dissertation suggests three approaches which can achieve high efficiency and low cost server power system.
First, a new modified flying capacitor passive lossess snubber with wide snubber reset ranges is proposed for the PFC stage. The proposed snubber has a new branch that consists of one coupled inductor and one diode compared to the conventional flying-capacitor passive lossless snubber. When the main switch is turned on, the voltage across flying-capacitor is charged to $2V_{in}$/n using a new branch without the help of the reverse recovery current of output diode. Therefore, it can effectively reduce the reverse recovery current maintaining wide snubber reset ranges. Furthermore, the output diode can achieve low voltage stress since the clamping diode is turned off before the voltage across flying capacitor reaches its peak value.
Secondly, a new transformer integrated with additional resonant inductor is proposed for the DC/DC stage. For the DC/DC stage of server power system, phase-shift full-bridge (PSFB) converter with additional resonant inductor and clamping diodes is widely used due to the wide zero voltage switching (ZVS) ranges and the low voltage stress of secondary rectifiers. However, the additional resonant inductor has bulky size, high cost and high core loss due to the non-sinusoidal excitation. To overcome this drawback, the proposed transformer implements the additional resonant inductor without extra magnetic core by utilizing the outer side of transformer. As a result, it can reduce size, cost, and core loss by the additional resonant inductor. Furthermore, it can adopt primary clamping diodes to reduce the voltage ringing of SRs because the additional resonant inductor and the transformer work independently.
Thirdly, adaptive link voltage control method is proposed for the redundant server power system. The DC/DC converter of server power system is operated with small duty ratio due to the hold up time regulation. This small duty ratio causes high conduction loss in the primary side and high core loss in the secondary side. However, most server power system is worked with two modules for achieving high reliability. In this case, it has long hold up time due to the excess energy stored in the link capacitor since each module supplies only half load. The proposed control method lowers the link voltage when two modules are worked in parallel. Therefore, the duty ratio of DC/DC converter is increased, which results in high efficiency.
서버는 전 세계적으로 가장 빠르게 성장하는 폼 팩터로써 여러 물리적인 장점과 더불어 IT 단순화를 위한 최적의 플랫폼을 제공하고 있다. 과거 소수의 하이엔드 서버 시스템을 직접 운영하던 기업들이 유지 및 관리 비용 감소, 데이터 보안, 그리고 빠른 업그레이드 등의 이유로 자사의 서버 관리 시스템을 아웃 소싱함에 따라 전 세계적으로 수많은 서버용 컴퓨터를 가진 인터넷 데이터 센터 (IDC)가 급증하고 있다. 이러한 환경 변화로 인하여 무분별한 서버 시스템의 도입 비용을 절감할 수 있었지만, 막대한 전력 사용에 의한 전력 소비량 및 운영 비용 증가 같은 문제점이 발생하게 되었다. 일례로 현재 전 세계 IDC 의 전력사용량은 5년마다 2배씩 증가하고 있으며 2011년에는 약 1천억kWh의 전력이 필요할 것으로 예상되고 있다. 현재 서버 시장은 HP, Dell, IBM, SUN, Fujitsu 등의 주요 서버 업체들이 전체 수요량의 70% 이상을 점유하고 있으므로, 서버용 전원장치 시장 진입을 위해서는 이들 업체들의 질적 요구 사항에 맞는 서버용 전원장치의 개발이 필요하다. 하지만 서버용 전원 장치는 고 신뢰성, 고 전력밀도, 고효율 및 저소음 등을 요구하므로 높은 수준의 전력전자 기술이 필요하다. 따라서 Delta 사, Lite-on 사, Astek 사 등 높은 기술력과 생산력을 바탕으로 한 유수의 외국 기업들이 전체 서버파워 시장의 75% 이상을 점유하고 있으며, 국내 기업의 시장 점유율은 거의 전무한 상태이다. 특히나 Intel 사, IBM 사와 API 사간의 관계와 같이 업체간 전략적 제휴에 의한 Custom Made 제품 경향이 강하므로 국내 기업들의 시장 진입이 더욱 큰 난관을 겪고 있다.
최근 서버 시장은 하나의 큰 변화를 맞이하고 있다. 지구 온난화 방지를 위해 이산화탄소를 줄이자는 도쿄 의정서가 체결된 이후, 전 세계적으로 에너지를 보호하기 위한 여러 정책들이 경제 및 사회 각 분야에 걸쳐 진행되고 있다. 서버 파워 시장 역시 CSCI (Climate Saver Computing Initiative) 협회가 이산화탄소 배출을 줄이기 위해서 서버 파워의 효율을 규제하고 있으며, 현재 권고 사항인 CSCI 효율 규제는 앞으로 1~2년 후 필수 사항으로 될 예정이다. 따라서 앞으로 1~2년 후에는 효율 규제를 만족하지 못하는 서버 파워는 수출 및 수입 자체가 금지될 것으로 보인다. 현재 CSCI는 2010년 기준으로 20%-50%-100% 부하 조건에서 각각 88%-92%-88% 의 효율을 갖는 Gold level 의 서버 파워를 요구하고 있으며, 2011년 혹은 2012년에는 20%-50%-100% 부하에서 각각 92%-94%-92% 의 효율을 갖는 Platinum level 의 효율을 요구할 것으로 예상된. 이러한 높은 효율 규제는 Power factor correction (PFC) 회로와 절연형 DC/DC 컨버터 그리고 Stand-by 회로로 구성된 서버용 전원장치에 큰 부담으로 작용하게 된다. 따라서 고효율과 저가격을 가지는 서버용 전원장치를 개발할 경우, 높은 시장 진입장벽을 넘어설 수 있는 상황이다.
따라서, 본 논문에서는 고효율 저가격 서버용 전원장치를 구현하기 위하여 PFC 회로, 절연형 DC/DC 컨버터, 제어 부분 각각에 대하여 고효율과 저가격을 얻을 수 있는 방법을 얻을 수 있는 방법을 제안하도록 한다.
첫째, PFC 회로를 위해 넓은 스너버 리셋 범위를 가지는 새로운 플라잉 커패시터 무손실 스너버 회로를 제안하였다. 제안된 회로는 커플드 인덕터와 작은 다이오드로 구성된 보조 회로를 통하여 주 스위치 턴 온 시 플라잉 커패시터를 충전하게 된다. 따라서, 플라잉 커패시터를 충전하기 위한 큰 역회복 전류가 필요 없게 되어 주 스위치는 낮은 전류 스트레스와 스위칭 손실을 가질 수 있게 된다. 또한, 플라잉 커패시터의 전압이 역회복 전류가 아닌 입력전압에 의해 결정되므로 기존 무손실 스너버에 비해 넓은 스너버 리셋 범위를 가질 수 있게 된다.
둘째, 절연형 DC/DC 컨버터를 위하여 추가 공진 인덕터를 가지는 새로운 트랜스포머를 제안하였다. 제안된 트랜스포머는 기존 트랜스포머 외각에 추가적인 외부 권선을 감음으로써 추가 공진 인덕터를 구현하였다. 따라서 추가적인 자성 코어 없이 추가 공진 인덕터를 구현 할 수 있으며, 외부 와인딩에 의한 추가 공진 인덕터는 트랜스포머의 일/이차측과 독립적으로 동작하기 때문에 일차측에 클램프 다이오드를 적용하여 이차측 동기 정류기의 전압 스트레스도 줄일 수 있게 된다. 게다가, 큰 에어갭으로 인하여 추가 공진 인덕터는 낮은 자속 변화를 가지게 되어 낮은 코어 손실도 얻을 수 있게 된다.
셋째, 홀드 업 타임 제어를 통한 가변 링크 전압 제어 기법을 제안하였다. 서버용 전원 장치의 절연형 DC/DC 컨버터의 경우 홀드 업 타임 규제로 인하여 정상동작에서 낮은 시비율로 동작하게 된다. 이는 일차측에는 높은 도통 손실을 이차측에는 높은 코어 손실을 유발하게 된다. 하지만, 서버용 전원장치는 고 신뢰성을 위하여 일반적으로 2개의 모듈이 병렬로 동작을 한다. 이 경우, 각각의 모듈이 최대 50% 의 부하전류만을 공급하기 때문에 병렬 동작 시 과도한 홀드 업 타임을 가지게 된다. 따라서 병렬 동작 시 링크 커패시터 전압을 낮게 제어함으로써 절연형 DC/DC 컨버터의 시비율을 높여 높은 효율을 얻을 수 있게 된다.
제안된 각 방법을 이용하여 서버용 전원장치를 이루는 각 부분에서 효과적으로 고 효율과 저 가격을 얻을 수 있었다. 또한, 제안된 컨버터는 서버용 전원장치뿐만 아니라 다른 분야에서도 쉽게 응용 가능할 것으로 기대 된다.
