In this paper, a new power conversion scheme using integrated non-isolated bi-directional converter for the high efficiency N+1 server power supply under light load conditions. By using the snubber circuit, the phase-shift full-bridge (PSFB) converter can apply proposed method under light load conditions. The snubber capacitor is changed to the electrolytic capacitor and each snubber capacitor of the server power supplies is connected via bus for using the auxiliary voltage source and the snubber diodes are changed to switches for operating the bi-directional converter in the secondary side. By operating only the master’s secondary side as buck converter, the core loss in the transformer and the switching loss in the primary side can be decreased. Therefore, the proposed method shows the significantly improved efficiency under light load conditions. The proposed method can be most attractive solution for the redundant parallel power system as a server power system requiring high efficiency under light load conditions. The feasibility of the proposed converter was verified by experimental results with the 1+1 prototypes of 750W, 330~400V input, 12V-62.5A output conditions.
인터넷의 발전으로 인해, 데스크 PC이외에 노트북 PC, 태블릿 PC와 스마트 폰과 같은 IT기기 증가함에 따라서 데이터를 처리하기 위한 서버 시장이 증가하고 있다. 이에 따라 전력 소모 또한 증가하고 있는 추세이다. 그리고, 전력변환 구간이 전력 소모의 구간 중 큰 비중을 차지 함에 따라, 높은 효율의 서버파워 시스템이 요구되고 있는 상황이다. 특히, 서버 파워 시스템 동작이 5% 부하에 이하에서 큰 비중을 차지함에 따라 경부하의 효율이 중요하다.
서버 파워 시스템은 N+1개의 서버 파워 서플라이로 구성되어 있다. “N”은 서버 파워 시스템의 정격용량을 만족하기 위하여 필요한 서버 파워 서플라이의 개수를 의미하며, “+1”은 신뢰도를 1개의 여분의 서버 파워 서플라이를 의미한다. N+1개의 서버 파워 서플라이들이 동시에 동작하여 부하를 분담하게 되면, DC/DC단의 1차측 스위칭 손실과 변압기의 코어 손실이 한 개의 서버 파워 서플라이 대비 약 N+1 배 만큼 발생하여 낮은 효율을 갖게 된다. 이러한 손실을 개선하기 위하여 기존의 방법은 경 부하에서 다른 모듈을 동작하지 않고, 단일 모듈 마스터만 동작하여 부하를 부담시키게 된다. 따라서 스위칭과 코어 손실을 약 N+1 배 만큼 감소하게 된다. 하지만, DC/DC단의 1차측의 스위칭과 코어 손실이 여전히 존재하기 때문에, 5% 부하와 같이 낮은 부하에서는 낮은 효율을 여전히 갖는다.
따라서 본 연구에서는 경부하에서 단일 모듈의 1차측 스위칭과 변압기의 코어손실을 개선하기 위한 방법을 제안한다. DC/DC 단의 2차측만의 동작을 통해서 1차측 스위칭 손실과 변압기의 코어 손실을 개선하게 된다. 하지만, DC/DC단의 1차측이 동작하지 않기 때문에, PFC에서 파워를 전달받을 수 없게 된다. 따라서 2차측에 보조입력전원이 필요하게 된다. 그리고 보조입력전원의 용량을 최대화하기 위하여 각 모듈의 보조입력전원을 버스로 연결하게 된다. 따라서 보조입력전원에서 2차측을 통해 시스템에 파워를 전달하게 된다. 하지만, 일정한 시간이 지나게 되면 보조입력전원은 더 이상 파워를 전달 해 줄 수 없다. 보조입력전원을 충전하는 동작이 필요하게 된다. 보조 입력전원을 충전하기 위해, 다른 한 개의 모듈의 DC/DC 단을 간헐적으로 동작함으로써, 시스템에 파워를 전달 해주는 동시에, 마스터의 2차측으로 파워를 전달해준다. 전달된 파워는 마스터의 2차측을 통해 보조입력전원을 충전하게 된다. 따라서 주로 마스터 한 개 모듈의 2차측으로만 동작할 수 있게 된다. 이 때, 마스터의 2차측의 에너지 전달 방향은 양방향이기에, 양방향 컨버터로 동작해야 한다.
제안하는 방법을 DC/DC 단의 위상 천이 풀 브릿지 컨버터에 적용하기 위해, 2차측의 기생 인턱던스와 캐패시턴스에 의한 링잉을 클램핑 하기 위한 RCD 스너버 회로를 이용하면, 쉽게 적용할 수 있다. 스너버 캐패시터를 보조입력전원으로 사용하기 위해, 용량이 큰 전해 캐패시터로 바꾸게 되고, 용량을 최대화하기 위하여 각 모듈의 스너버 캐패시터를 버스로 연결하게 된다. 그리고, 2차측의 양방향 컨버터로 동작하기 위해, 스너버 다이오드를 스위치로 바꾸게 된다. 제안된 방법은 보조입력전원에서 시스템으로 파워를 전달해주는 동작과 보조입력전원을 충전하는 동작으로 나뉜다. 마스터의 2차측만을 벅 컨버터로 동작함에 따라, 보조입력전원에서 2차측을 통해 시스템에 파워를 전달하게 된다. 이 때, 1차측과 다른 모듈이 동작하지 않기 때문에, 1차측 스위칭 손실과 변압기의 코어 손실을 개선하게 된다. 보조입력전원을 충전하는 동작은 다른 한 개 모듈의 DC/DC 단을 위상 천이 풀 브릿지 컨버터로 동작함에 따라, 시스템에 파워를 주는 동시에, 마스터의 한 개 모듈의 2차측에 파워를 전달해 준다. 전달된 파워는 마스터의 2차측의 부스트 컨버터로 동작을 통해, 보조입력전원을 충전한다.
제안하는 방법은 경부하에서의 동작 분석 및 스너버 캐패시터 설계가 분석되었으며, 제안하는 방법의 타당성을 750W, 1+1 서버 파워시스템을 제작하여 실험을 통해 검증하였다. 제안하는 방법은 경부하에서 스위칭과 코어 손실이 개선을 통해, 높은 효율을 갖게 된다. 본 논문에서 제안하는 방법은 서버 파워시스템과 같이 여분을 갖는 병렬 파워시스템의 경부하 고효율 필요로 하는 시스템에 적합하다.
