Research on load adaptive control for improving light-load efficiency in server and network power supply

Abstract

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...