In this paper, a control technique to achieve high power density and power factor (PF) under expanded high line input voltage using a cascade buck-boost PFC converter is proposed. Recently, the requirement of a $277 V_{AC}$ rather than a $230 V_{AC}$ has been increased in an AC distribution structures. The link voltage of conventional boost PFC converter is increased to 450 V under a $277 V_{AC}$ compared to the link voltage (400 V) under a $230 V_{AC}$ . Therefore, the volume of the link capacitor is also increased compared to the volume of a conventional link capacitor, which reduces the power density of the PFC stage. Moreover, the conventional boost PFC converter has a poor PF at the light load conditions due to the phase leading input current caused by the input capacitor. To overcome these problems, this paper proposes control techniques using a cascade buck-boost PFC converter in order to achieve a lower link voltage (400 V) under a voltage range of $180~305 V_{AC}$ . Therefore, a proposed technique uses a smaller link capacitor and achieves a high power density. Also, with a proper control of an additional switch $(Q_1)$, the phase leading input current can be relieved. Proposed techniques are explained and performance of the proposed technique is verified by prototype with 800 W conventional(450 V, 1.78 A)and proposed (400 V, 2.00 A).
IT산업의 발전으로 인하여, 노트북, 스마트 폰, 태블릿 PC와 같은 IT 장비의 증가로 인하여 처리할 데이터 양이 많아지고 이에 따라 엄청난 수의 서버시스템을 모아놓은 데이터 센터가 점점 많이 구축되고 있다. 그 결과로 데이터 센터에서의 전력 소모량 또한 크게 증가하고 있다. 따라서 전력 소모량을 줄이기 위해 전력 소모량에서 15%의 손실을 차지하고 있는 변환단계를 줄이는 추세이다. 이에 따라, 최근 데이터센터에서는 $277 V_{AC}$ 배전 구조가 사용된다. UPS와 PDU의 변환단계를 줄임으로써 변환손실을 줄이고 또한 서버용 전원장치의 입력으로는 기존에 사용하던 $230 V_{AC}$ 가 아닌 $277 V_{AC}$ 가 인가된다.
일반적으로, 서버용 전원장치는 PFC단과 DC/DC 단으로 구성 되어 있다. 효과적으로 전력을 전달하고 고조파 규제를 만족시키기 위해 PFC 단이 반드시 필요하다. DC/DC 단은 PFC 단에서의 출력 전압인 링크 전압을 입력으로 하여 최종 부하에 출력전압을 레귤레이션 하는 역할을 한다. 입력이 $230 V_{AC}$ 에서 $277 V_{AC}$ 로 바뀔 경우 PFC단과 Link 전압이 영향을 받게 된다. 이 때 기존에 PFC단에서 사용되는 승압형 역률 보상 컨버터의 경우, 링크 전압이 기존의 400V 보다 더 높은 450V로 설계되어야 한다.
이와 같이 큰 링크 전압으로 인해 전압 내압 역시 증가하게 되고, Hold up time을 함께 고려할 경우 500V 내압의 부피가 큰 링크 커패시터를 사용해야 한다. 이로 인해 최근 점점 높은 전력 밀도를 요구하는 서버용 전원장치에서 전력밀도가 낮아지는 문제점이 발생한다. 또한 더 큰 입력전압에 의해 작아진 입력전류로 인해 기존보다 입력 커패시터에 흐르는 전류의 영향이 더 커 지면서 경부하에서 역률이 더 낮아지는 두번째 문제점이 발생한다. 따라서 본 연구에서는 기존의 부스트단 앞에 벅단을 추가한 아래 회로의 직렬 승강압형 역률 보상컨버터를 통해 두가지 문제점을 개선하는 방법 두가지를 제안한다.
제안하는 방법1은 동작 모드가 2가지이다. 첫번째 동작 구간은, 공칭전압인 $277 V_{AC}$ 이하 입력에서는 벅스위치를 항상 켜주어 도통시킴으로써 기존의 부스트와 동일한 동작을 한다. 이 때 추가적인 도통 손실만 발생하는데, 이는 낮아진 링크전압으로 인하여 부스트 스위치의 스위칭 손실을 저감함으로써 상쇄된다. 이로 인하여 기존의 부스트 역률보상 컨버터의 높은 효율과 역률을 그대로 달성할 수 있다. 두번째로는, 비정상 입력 구간이다. 비정상 입력 구간에서는 최대 $305 V_{AC}$ 의 전압이 인가되는 데 이 때 최대 전압은 432 V가 된다. 이와 같은 상황에서 벅스위치의 벅동작을 통해 부스트단의 평균입력전압을 낮춤으로써 이 구간에서도 링크전압을 400V로 유지할 수 있다. 따라서 제안하는 방법 1은 전 입력구간에서 링크전압을 450V에서 400V 로 감소시킨다. 이를 통하여 기존보다 더 작은 450 V 내압용 링크 커패시터를 사용하여 부피를 크게 감소함으로써 PFC단의 전력밀도를 향상시킨다.
하지만 제안하는 방법 1만 적용시킬 경우, 경부하에서 기존 부스트 역률보상 컨버터와 마찬가지로 경부하에서 입력 커패시터에 흐르는 전류에 의해 역률이 낮은 문제점이 동일하게 발생한다. 따라서 제안하는 방법 2는 경부하 조건하에서 벅스위치에 점점 증가하는 시비율을 인가하여 이를 통해 벅스위치에 흐르는 평균전류의 위상이 입력전압에 비해 지연되게 한다. 이를 통하여 입력 커패시터에 흐르는 전류에 의해 앞선 위상을 보상하여 입력전류의 최대 값이 입력전압의 최대전압 값과 위상이 동일하게 하고, 이는 경부하에서 역률을 향상시킨다.
결과적으로, 제안하는 방법은 링크전압을 낮춤으로써 링크 커패시터의 부피 감소 및 PFC단에서의 전력 밀도 상승, 그리고 벅스위치의 듀티 제어를 통해 경부하에서의 앞선 위상을 보상함으로써 역률을 개선한다. 제안하는 방법은 $180~305 V_{AC}$ 입력, 800W 출력의 specification으로 검증 하였다. 본 논문에서 제안하는 방법은 데이터 센터에서의 변환 손실을 줄이기 위해 기존보다 더 높은 $277 V_{AC}$ 입력이 인가되는 조건에서 높은 전력밀도와 높은 역률을 요구하는 서버용 전원 장치에 적합하다.
