Due to recent explosive use of mobile devices such as a smart phone and tablet PC, the amount of the processing data has been increased numerously. Thus, it is unavoidable that the number of data center has been grown continuously to deal with a lot of data. In the data center, there are many server computers that process the data directly, and a lot of network equipment that helps communication between servers. Meanwhile, they consume power greatly, and especially its power supply has large portion of total power consumption. Therefore, the high efficiency power supply is necessary for the server and network equipment to reduce power consumption in the data center. Typically, most power is consumed at daytime when the server and network equipment operate. However, some operate even at night and dawn so that the power is considerably consumed in such light load conditions. Thus, manufacturers for the server and network power supply have focused on minimizing power loss in light load conditions as well as heavy load conditions.
The server and network power supply consists of the input stage, main DC/DC converter, standby DC/DC converter and control stage. The DC/DC converters include the semiconductor devices such as a switch and diode, and the magnetic components such as a transformer and inductor. Moreover, the control stage involves the control IC, gate driver, and linear regulator. Meanwhile, in the server and network power supply, the power loss is divided into the load dependent loss and load independent loss. The load dependent loss is strongly affected by the load current, including the conduction loss of all the devices. On the other hand, the load independent loss is rarely influenced by the load current, including the core loss of magnetic components, switching and gate driving loss of switches, controller loss, and linear regulator loss. Generally, the load independent loss is large in light load conditions, while the load dependent loss is very small. Therefore, it is noted that it is necessary to reduce load independent loss to achieve high efficiency of server and network power supply in light load conditions.
Many literatures have presented methods to reduce load-independent losses. They are classified as follows: (1) Topological method (2) Burst mode control (3) Load adaptive control. First, the topological method means that a new topology or a conventional topology with additional circuit helps to reduce the specific load-independent loss in light load condition. However, when a new topology has or adds few devices, the conversion efficiency is degraded in heavy load conditions. On the other hand, when a new topology has many devices, low power density and high cost are disadvantages although the conversion efficiency is not degraded in heavy load conditions. Second, the burst mode control can improve light-load efficiency greatly by turning on the switch for a short period and turning off it for a long period. However, it can operate just at very light load condition, and the large output voltage ripple and audible noise are other disadvantages. Lastly, the load adaptive control can reduce the specific load-independent loss in light load conditions by changing the specific control variable differently from that of heavy load conditions. Generally, it can achieve high efficiency over wide light-load range, and there are no additional power devices. Furthermore, the conversion efficiency is not degraded in heavy load conditions and, it is easy to use by using commercial components.
In this dissertation, the research is divided into two parts by using the load adaptive control as follows:
Part 1. Load Adaptive Gate Driving Method for High Efficiency Under Light Load Conditions
In the server and network power supply, the auxiliary output stage of the standby converter provides the auxiliary output voltage, and from it, the linear regulator regulates the gate driving voltage of power MOSFET in the power stage. In the conventional gate driving method, both voltages are always high regardless of the load condition to reduce the conduction loss. However, since the gate charge of power MOSFET is large in this case, the gate driving loss is large in light load conditions. On the other hand, both voltages become low in the proposed gate driving method, which leads small gate charge of MOSFET. Therefore, the gate driving loss is greatly reduced. In addition, since the operating voltage of the controller is the same as the gate driving voltage, the proposed method can reduce loss on the controller. Meanwhile, as the current on the linear regulator is reduced due to small gate charge, the loss on linear regulator can be also reduced. The proposed method can be achieved by changing conducting path of the auxiliary output stage of standby converter. To verify the validity of the proposed method, the prototype of 720W DC/DC server power supply is experimented. As a result, the conversion efficiency is improved greatly below 10% load conditions. Especially, it is improved by more than 5% at 3% load condition.
Part 2. Analysis on Load Adaptive Phase-Shift Control for High Efficiency Full-Bridge LLC Resonant Converter in Light Load Conditions
The full-bridge LLC resonant converter is widely used for the server and network power supply due to low switching loss. In the conventional control method, the output voltage is regulated by a frequency control with fixed duty ratio as 0.5 regardless of load condition. In this case, since a flux density of transformer core is large, the core loss is so large that it is limited to raise light-load efficiency. On the other hand, in the proposed control method, the duty ratio becomes small in light load conditions while it is fixed as 0.5 in heavy load conditions. As a result, the flux density of transformer core is reduced greatly so that the core loss of transformer is reduced significantly. At this point, the duty ratio is varied by using a phase-shift control, and it is determined to minimize power loss at each load condition through loss analysis of all devices. Meanwhile, the output voltage is regulated by the frequency control. To verify the validity of the proposed method, the prototype of 720W AC/DC network power supply is experimented. As a result, the conversion efficiency is improved greatly below 10% load conditions. Especially, it is improved by 11% at 1% load condition.
최근에 반도체 소자, 회로 기술, 제조 기술, 소프트웨어 기술 등의 눈부신 발전으로 스마트폰, 태블릿 PC 등 스마트 기기가 개발되고 사람들에게 널리 사용되고 있다. 따라서, 그것들로부터 발생하는 데이터의 양이 기하급수적으로 늘어나면서 이를 처리하는 데이터 센터의 수가 점점 늘어나고 있는 추세이다. 한편, 실제 데이터 센터 내부에는 데이터를 직접적으로 처리하는 서버 컴퓨터와 서버들간 통신을 담당하는 네트워크 장비들이 아주 많이 설치되어 있다. 이러한 IT 장비들은 많은 전력을 소모하는데, 특히 그것들의 전원 장치가 전체 전력 소모 중에서 큰 비중을 차지한다. 따라서, 데이터 센터의 전력 소모를 줄이기 위해서는 서버 및 네트워크 장비의 전원 장치의 효율을 높이는 것이 중요하다. 한편, 서버 컴퓨터의 시간대별 활용도를 살펴보면 낮 시간에는 서버를 50% 정도 활용하지만 밤과 새벽시간에는 10% 정도밖에 활용하지 않는다. 즉, 긴 시간 동안 낮은 부하 전류 조건 혹은 경부하 조건에서 전원 장치가 동작하므로 경부하 조건에서 이들의 전력 소모가 상당하다. 따라서, 경부하 조건에서 서버 및 네트워크용 전원장치의 효율을 높이는 연구가 필요하다.
서버 및 네트워크용 전원장치는 입력단, 주 출력단, 스탠바이 출력단, 제어단으로 나뉜다. 출력단은 스위치, 다이오드와 같은 반도체 소자와 변압기, 인덕터와 같은 자성체를 포함하고 있으며, 제어단의 경우 제어기와 게이트 구동 IC, 선형 레귤레이터를 포함하고 있다. 한편, 이들에서 발생하는 전력 손실은 부하 전류에 따라 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 부하 전류에 따라 손실이 크게 변하는 load-dependent 손실로써 소자들의 도통 손실을 포함한다. 다른 하나는 부하 전류에 따라 손실이 거의 변하지 않는 load-independent 손실로써 스위치의 스위칭 손실과 게이트 구동 손실, 제어기의 손실, 선형 레귤레이터의 손실, 자성체의 코어 손실을 포함한다. 일반적으로, 경부하 조건에서는 load-dependent 손실은 작으나 load-independent 손실이 크므로 효율이 낮다. 따라서, 경부하 조건에서 효율을 높이기 위해서는 load-independent 손실을 줄여야 한다.
Load-independent 손실을 줄이는 방법은 크게 회로적 접근 방법, 버스트 모드 제어 기법, 부하 적응 제어 기법으로 나눌 수 있다. 먼저, 회로적 접근 방법의 경우 기존의 회로에 전력 소자들을 추가하거나 새로운 회로를 이용하여 경부하 효율을 증가시키는 방법이다. 하지만, 이 방법은 적은 전력 소자들이 사용될 경우 중부하 조건의 효율이 낮아지고 많은 전력 소자들을 사용할 경우 전부하 영역에서 효율이 높지만 비용이 많이 들고 전력 밀도가 낮아지는 단점이 있다. 둘째로, 버스트 모드 제어 기법의 경우 짧은 구간에서만 회로가 동작 하므로 동작하지 않는 긴 구간에서 손실을 줄일 수 있는 방법이다. 하지만, 이 방법은 일반적으로 매우 낮은 부하 전류 조건에서만 동작하며 출력 전압 리플과 소음이 발생하는 단점이 있다. 마지막으로, 부하 적응 제어 기법은 경부하 조건에서 특정 제어 변수를 중부하 조건과 다르게 동작 시켜 손실을 줄일 수 있는 방법이다. 이 방법은 별도의 전력 소자가 필요하지 않고 넓은 경부하 범위에서 효율을 올릴 수 있는 장점이 있다. 게다가, 중부하 조건의 효율이 저감되지 않으며 상용 소자들을 이용하여 쉽게 구현할 수 있다.
본 논문에서는 많은 장점을 가진 부하 적응 제어 기법을 이용하여 load-independent 손실을 줄이는 연구를 다음과 같이 두 가지로 나누어 진행하였다.
Part 1. 부하 적응 게이트 구동 기법에 대한 연구
서버 및 네트워크용 전원 장치에서는 스탠바이 컨버터의 보조 출력단에서 보조 출력 전압을 만들고 이 전압이 선형 레귤레이터를 거치면 주출력단의 스위치인 MOSFET의 게이트 구동 전압이 된다. 기존에는 부하 조건에 상관없이 보조 출력 전압과 게이트 구동 전압을 높게 함으로써, MOSFET의 채널 저항을 작게 하므로 도통 손실을 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만, 경부하 조건에서는 MOSFET의 게이트 전하량이 크므로 게이트 구동 손실이 큰 단점이 있다. 이를 개선하기 위해 제안하는 게이트 구동 기법에서는 중부하 조건에서는 두 전압을 높게 하여 도통 손실을 줄이고, 도통 손실의 비중이 작은 경부하 조건에서는 두 전압을 낮춤으로써, MOSFET의 게이트 전하량을 줄이므로 게이트 구동 손실을 줄일 수 있다. 게다가, 게이트 구동 전압은 또한 제어기의 동작전압이므로 게이트 구동 전압이 낮아지면 제어기의 손실을 줄일 수 있다. 한편, 게이트 전하량이 줄어들면 선형 레귤레이터에 흐르는 전류가 작아져 그것의 손실도 줄일 수 있다. 제안하는 방법은 중부하 및 경부하 조건에서 스탠바이 컨버터의 보조 출력단의 도통 경로가 부하 조건에 따라 다르게 동작하도록 구현하였으며 이에 대한 설계 가이드라인을 제시한다. 제안하는 방법의 타당성을 검증하기 위하여 48V DC 입력을 갖는 720W DC/DC 서버용 전원 장치를 가지고 실험하였으며, 그 결과 10% 이하 부하 조건에서 크게 효율이 향상되었고 3% 부하 조건에서는 5% 이상의 효율이 개선된다.
Part 2. 풀브리지 LLC 공진형 컨버터를 위한 부하 적응 위상 천이 제어 기법에 대한 연구
서버 및 네트워크용 전원 장치에 널리 쓰이는 풀브릿지 LLC 공진형 컨버터는 경부하 조건에서 스위칭 손실이 작은 장점으로 인해 널리 사용된다. 이 컨버터의 경우 부하 조건에 상관없이 시비율은 0.5로 고정하고 주파수를 변화시켜 출력전압을 제어하는 주파수 제어 방식을 사용한다. 이 경우, 큰 시비율로 인해 변압기의 자화 인덕턴스에 긴 시간 동안 높은 전압이 인가 되어 자속 밀도의 변화가 크므로 변압기의 코어 손실이 큰 단점이 있다. 이를 개선하기 위해 제안하는 제어 방식의 경우 중부하 조건에서는 시비율을 0.5로 고정하고 경부하 조건에서 시비율을 낮춰줌으로써 자속 밀도의 변화를 줄이므로 변압기의 코어 손실을 줄일 수 있다. 여기서, 시비율은 위상 천이 방식을 통해 변화시키며, 각 소자들의 손실 분석을 통해 각 부하별로 손실을 최소화 할 수 있는 최적의 시비율을 선정한다. 한편, 주파수 제어를 통해 출력 전압을 레귤레이션한다. 즉, 시비율이 임의로 정해지면 출력 전압의 피드백을 통해 그에 상응하는 주파수가 정해진다. 제안 방식의 타당성을 검증하기 위하여, 720W 네트워크용 전원 장치에 사용 되는 풀브릿지 LLC 컨버터를 이용하였으며, 미리 설정된 시비율을 디지털 제어기에 입력하였다. 실험결과, 10% 이하 부하 조건에서 효율이 크게 향상 되었고, 특히 1% 부하 조건에서는 11%의 효율이 개선된다.
