Nowadays, the high power efficiency has become more important because many electric devices have been developed and power consumption has been increased continuously. The environmental problems such as energy resource depletion and global warming have been issued since a lot of power is supplied in worldwide. Therefore, the high power efficiency is strongly required and the more guidelines are recommended.
Meanwhile, the power consumption has been more increased with the development of information technology (IT) industry. After the IT market has been grown dramatically all over the world, many data processing devices such as laptop computers have been developed and the processing data has been increased continuously. Therefore, the more server system has been required and the number of data centers has been surged accordingly.
Laptop computer is one of the early models of portable computers. However, since it has outstanding performance compared with recent models like smartphones and tablet PCs, it has been widely used until now. It has been developed with high performance and wide screen to be differentiated from the other equipment. Therefore, laptop computers have become slim and adapter has been demanded to be slim and have high power rating, accordingly.
Since the most serious problem with the laptop computer is operating heat, a cooling fan is equipped in the main body. When the adapter is operated with high power-level, it provides high power loss and heat and there is no cooling fan. Thus, low operating temperature is one of the most important issues of adapter application, furthermore, it can be difficult to be achieved in the slim-type converter. Therefore, the high efficiency of the slim adapter is strongly required to reduce the power loss and operating heat, especially under the heavy load condition.
Server computer has also been developed highly with the increase of data centers. And the power ratings have been increased with growing demand for amount of data. Therefore, the server power supply which supplies the power of server computer has also been required high power efficiency and power density.
In the server power system, very high reliability is demanded due to the characteristic of server system. Therefore, the redundant structure is widely used in the server power supply applications, which means many power supplies are paralleled to prevent the system fault. If something goes wrong with one or two power supplies, other supplies could make up. Accordingly, each power supply is operated under light load condition mainly, rather than heavy load condition. Therefore, the importance of high efficiency has been shifted from the heavy load condition to the light load condition.
Since the different approaches are needed to improve the power efficiency according to the kind of power supply, the study about them are explained in this paper.
Part 1. High efficiency slim adapter with low profile transformer structure
This chapter presents the implementation of high efficiency slim adapter using LLC resonant converter. A low profile transformer is needed for the slim-type adapter, naturally, and printed-circuit-board (PCB) winding structure has been researched. However, with the PCB pattern for both primary and secondary winding, the conduction loss of many primary turns could be very increased. And although the copper winding is used for primary winding, the conductive cross-sectional area is reduced because of insulation between primary and secondary winding.
A new structure of slim-type transformer is proposed, which is composed of copper wire as primary winding and PCB winding on the outer layer as secondary winding. The proposed structure is suitable for slim and high efficiency converter. Since the insulation takes a small part of window area, conductive cross-sectional area can be widen and conduction loss can be reduced. Also, the leakage inductance of transformer, the important design parameter of LLC resonant converter, can be determined by the control of insulation easily. In addition, the voltage-doubler rectifier is applied to the secondary side due to its simple structure of secondary winding and CLC filter is adopted to reduce output filter size. The validity of this study is confirmed by the experimental results from an 85W prototype. The measured efficiency is increased as the load current is higher and about 96% at the maximum load condition. This tendency is very suitable for the low temperature adapter application.
Part 2. Variable delay time method for reduced power consumption under light load condition
In the phase-shifted full-bridge converter, the zero-voltage-switching of primary lagging-leg switches cannot be achieved and switching loss is increased when the load current is lower. Also, since the portion of switching loss is getting larger, the efficiency under light load condition is extremely decreased.
This chapter proposes a new control method for the server power supply, which is variable delay time of lagging-leg switches under the light load conditions. By widening the delay time, the switching occurs at the lower drain-source voltage and then switching loss can be reduced under the light load conditions. The voltage stress of synchronous rectifier switches in secondary side is also reduced and RCD snubber loss can be decreased. The analysis and experimental results with the 1.6kW prototype are presented in the paper to confirm the validity of this study. Without additional power devices and side-effects at heavy load condition, the higher efficiency under the light load conditions can be obtained. Therefore, this method can be very suitable for the server power supply system.
In this paper, the different methods to improve the power efficiency of slim-type laptop adapter and server power supply are proposed. Because there is no power density decrease and no side-effect, they can be expected to be very useful in the industry.
전세계적으로 인간이 생활하는 데 있어 전기는 이제 필수적이라 할 수 있다. 수많은 전자 제품을 사용하면서 높은 전력 효율은 점차 중요해지고 있다. 가정과 회사에서 모두 전력 효율의 차이는 같은 전력을 사용하더라도 공급 전력의 차이를 가져오기 때문에 그만큼 비용의 차이가 생긴다. 또한 회사에서는 대규모 전력을 사용하기 때문에 전력 효율이 낮을 시 많은 열이 발생하고 이를 냉각시키기 위한 엄청난 추가 비용이 발생한다. 또한 전세계적으로도 많은 전력을 공급하며 에너지 자원 고갈, 지구 온난화와 같은 환경 문제가 계속 부상하고 있다. 따라서 높은 전력 효율에 대한 요구가 많이 생겨나며 그에 대한 가이드라인도 계속해서 제시되고 있다.
한편 최근 가장 급부상하고 있는 산업으로 단연 IT 산업을 꼽을 수 있다. 모든 정보가 데이터화 되면서 데이터 사용량이 계속해서 늘어나고 그와 함께 IT 시장도 커지고 있다. 컴퓨터 기술의 발전으로 그 크기가 계속해서 작아지면서 손에 들고 다니며 데이터를 처리할 수 있는 기기들이 무척 많이 개발되었다. 따라서 최근 수년간 개인용 컴퓨터 중 데스크톱 컴퓨터의 수요는 주춤한 데 비해 노트북 컴퓨터의 수요는 계속해서 늘고 있고, 이러한 추세는 계속될 것으로 전망된다. 또한 온라인 데이터의 증가와 함께 데이터 센터가 전세계적으로 급격하게 늘어나고 있고, 그 안에 들어가는 서버 컴퓨터 역시 높은 수요를 보이며 많은 개발이 이루어지고 있다. 따라서 그들의 전원을 공급하는 노트북 아답터와 서버용 전원 장치 역시 활발히 연구가 진행되고 있다.
노트북 컴퓨터는 소비자들의 기호에 따라서 점차 화면은 커지고 성능은 좋아지고 있다. 그에 따라 아답터 역시 높이는 낮아지며 높은 전력 사양을 갖도록 요구되고 있다. 노트북 컴퓨터 사용 시 가장 문제가 되는 것은 동작 시의 발열 문제인데, 아답터에는 팬도 없으며 높이가 낮아지고 있기 때문에 낮은 동작 온도를 위해 특히 중부하 영역에서의 고효율이 무척 중요하다.
전세계 데이터 처리량이 급속히 늘어남에 따라서 데이터 센터와 함께 서버 컴퓨터의 수도 크게 증가하고 있다. 따라서 이들이 사용하는 전력량이 엄청나기 때문에, 환경 보호 측면에서 서버용 전원 장치의 높은 효율을 요구하고 그 가이드라인이 제시되고 있다. 특히 서버용 전원 장치는 높은 신뢰도를 위해 대부분 병렬적으로 구동하며, 실제 동작 시 경부하로 동작하는 경우가 많아 최근 점차 경부하의 높은 효율이 중요해지고 있다.
Part 1. 낮은 높이의 변압기 구조를 이용한 고효율 슬림 아답터
노트북 아답터의 DC-DC 단의 변압기의 경우, 전체 손실 중 많은 부분을 차지하며 부피 상에서도 큰 비중을 차지하고 있어 그 설계가 무엇보다 중요하다. 슬림 타입 아답터의 변압기 역시 높이가 낮은 구조를 가져야 하며, 이를 구현하기 위해 기존에도 PCB 패턴을 권선으로 이용하는 구조가 연구되었다. 하지만 1, 2차 측 모두 PCB를 이용하는 경우 턴 수가 많은 1차 측의 도통 손실이 커지고, 1차 측 권선을 구리 도선을 이용하여도 1, 2차 간의 절연 간격에 의해 도통 단면적이 줄어드는 문제점이 있었다.
따라서 1차 측의 구리 도선과 2차 측의 PCB 패턴을 내외곽에 위치시키는 구조를 제안함으로써 절연 간격으로 인해 사용하지 못하는 도통 단면적을 줄이고 도통 손실을 저감하였다. 또한 1, 2차 측의 간격의 조절을 통해 LLC 공진 컨버터에서 중요한 설계 고려 사항인 변압기의 누설 인덕턴스를 쉽게 조절할 수 있다는 장점도 갖는다. 추가적으로 출력단에 배전압 정류 회로에 CLC 출력 필터를 사용하여 출력 필터의 부피를 저감하였다. 제안하는 구조는 85W LLC 공진 컨버터를 통해 검증되었으며 부하가 커질수록 효율이 높아져 최대 부하에서 96%에 달하는 높은 효율을 얻을 수 있었다. 이 같은 경향은 낮은 발열이 중요한 아답터 사양에서 무척 바람직한 결과라 할 수 있다.
Part 2. 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 경부하 전력 소모 저감을 위한 딜레이 타임 변화 기법
서버용 전원 장치의 DC-DC 단에서 많이 사용되는 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 경우 부하 전류가 작아질수록 1차 측 스위치의 영전압 스위칭이 되지 않아 스위칭 손실이 커진다. 또한 스위칭 손실의 비중이 커지면서 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 경부하 효율은 급격히 감소하는 모습을 보인다.
하지만 부하가 작은 경우 영전압 스위칭 에너지가 남아 있음에도 스위칭 손실이 발생하는 상황이 발생한다. 이는 부하 전류와 상관없이 1차측 스위치의 딜레이 타임이 일정하며, 중부하 영역에 초점에 맞춰 정해지기 때문이다. 따라서 부하 영역이 작아질 때 딜레이 타임을 길게 가변함으로써 영전압 스위칭이 가능해지고, 스위칭 손실을 줄이는 방법을 제안하였다. 또한 그로 인해 2차 측 동기 정류기의 전압 오버슛이 감소하여 RCD 스너버의 손실도 추가적으로 저감할 수 있었다. 1.6kW의 서버용 전원 장치를 통해 제안하는 방법을 실험한 결과 기대한 효과를 모두 확인할 수 있었으며 그로 인해 경부하의 전력 소모가 크게 줄어들었다. 파워 소자를 추가하지 않는 간단한 방법으로 경부하의 효율을 향상시킬 수 있어 서버용 전원 장치 시스템에서 무척 유용하게 사용될 것으로 기대된다.
본 논문에서는 노트북용 슬림 아답터와 서버용 전원 장치의 그 특성에 따라 다른 효율 향상을 위한 접근 방식을 제안하였다. 제한한 방법 모두 전력 밀도의 감소가 없으며 기존의 동작을 모두 수행하기 때문에 다른 역효과 없이 실제 산업에서 유용하게 사용될 것으로 기대한다.
