이 글은 서지 보호, 3kW 서버 전원 정류기 배리스터와 TVS 협조 계산을 2편으로 나누어 정리한 시리즈의 1편입니다. 이번 편에서는 서버 전원 장치 서지 보호 규격과 보호 소자 특징, 1차 보호 소자 MOV의 정격과 클램핑 특성 산정을 다룹니다.
서버 전원 장치 서지 보호 규격과 보호 소자 특징
서버 전원 장치는 데이터센터의 중단 없는 신뢰성을 보장하기 위해 교류 입력단에 인가되는 이상 전압에 대해 견고한 보호 성능을 갖추어야 합니다. 낙뢰 유도 서지나 대용량 전력 변환 장치의 스위칭 과도 현상은 입력 전원선을 통해 수 kV 단위의 급격한 고전압 스파이크를 유입시킵니다. 국제 표준 규격인 IEC 61000-4-5는 이러한 전원선 서지 내성 시험을 규정하며, 옥내 전원선에 대해 1.2/50 μs 개방 전압 파형과 8/20 μs 단락 전류 파형을 생성하는 조합 파형 발생기를 사용하도록 명시합니다. 여기서 1.2/50 μs는 전압의 파두 시간이 1.2 μs이고 반치폭이 50 μs임을 의미하며, 8/20 μs는 단락 전류의 파두 시간이 8 μs이고 반치폭이 20 μs임을 의미합니다. 조합 파형 발생기의 내부 등가 임피던스는 2 Ω으로 규정됩니다.
3kW 단상 220 V_rms 서버 전원 장치 정류기 입력단에는 일반적으로 2 kV의 차동 모드 서지와 4 kV의 공통 모드 서지 내성이 요구됩니다. 금속 산화물 배리스터(MOV)는 수 kA 이상의 대전류 방전과 수백 J 이상의 서지 에너지를 흡수할 수 있는 대표적인 1차 보호 소자입니다. 그러나 MOV는 수십 ns 수준의 응답 지연이 존재하고, 대전류 방전 시 클램핑 전압이 정격 전압의 2배 이상으로 상승하여 후단 정류 소자와 역률 개선(PFC) 스위칭 MOSFET의 내압을 초과할 위험이 있습니다. 반면 과도 전압 억제 다이오드(TVS)는 피코초 단위의 매우 빠른 응답 속도와 정밀한 전압 억제 성능을 제공합니다. 하지만 TVS 다이오드는 실리콘 접합부의 허용 서지 에너지 내량이 수십 J 이내로 제한적이며, 단독으로 2 kV 급 서지를 차단하면 소자가 즉시 과열 파괴됩니다. 따라서 대용량 서지 에너지를 흡수하는 MOV와 후단 전압을 정밀하게 제한하는 TVS를 직결하지 않고 적절한 임피던스를 매개로 연계하는 다단 협조 설계가 필수적입니다.
1차 보호 소자 MOV의 정격과 클램핑 특성 산정
1차 대용량 방전 소자인 MOV를 선정할 때 가장 먼저 결정해야 하는 파라미터는 최대 연속 동작 교류 전압(MCOV)입니다. 공칭 입력 전압 V_in = 220 V_rms인 서버 전원 장치에서 계통 전압의 상한 변동 범위를 +15%로 고려하면 최대 정상 전압 V_in,max = 253 V_rms가 됩니다. 정상 운전 상태에서 MOV에 흐르는 누설 전류를 억제하고 열화를 방지하기 위해 MCOV는 최소 275 V_rms 이상이어야 하며, 실무에서는 300 V_rms 이상의 정격을 선정합니다. MOV의 공칭 배리스터 전압 V_N은 직류 1 mA가 흐를 때 소자 양단에 측정되는 전압입니다. 배리스터 전압은 최대 입력 피크 전압보다 충분히 높아야 오동작을 방지할 수 있습니다.
식 (1)에서 k_tol은 배리스터 전압의 제작 공차율이며 통상 0.1(10%)을 적용합니다. V_in,max = 253 V_rms를 식 (1)에 대입하여 계산한 식은 식 (2)와 같으며, 최소 공칭 배리스터 전압은 약 397.5 V가 됩니다.
이에 따라 공칭 배리스터 전압 V_N = 470 V(±10% 편차 적용 시 최저 423 V)인 표준 소자를 선정합니다. IEC 61000-4-5 규격에 따른 2 kV 차동 모드 서지 인가 시 내부 임피던스 Z_source = 2 Ω을 통과하는 최대 서지 전류 I_surge는 다음과 같이 산정됩니다.
식 (3)에서 V_test = 2000 V이고 선정된 470 V MOV의 8/20 μs 전류 파형에 대한 최대 클램핑 전압 V_C,MOV가 대략 775 V일 때, 유입되는 피크 서지 전류는 식 (4)와 같이 612.5 A가 됩니다.
8/20 μs 서지 전류 파형에서 MOV가 흡수해야 하는 총 에너지 E_MOV는 다음과 같은 등가 적분 공식으로 계산합니다.
식 (5)에서 τ는 파형의 펄스 지속 시간 매개변수로서 8/20 μs 규격 파형에 대해 약 20 μs를 대입합니다. I_peak = 612.5 A, V_C,MOV = 775 V를 식 (5)에 대입하여 식 (6)과 같이 계산하면 흡수 에너지는 약 13.29 J이 계산됩니다.
반복적인 서지 인가 환경과 4 kV 공통 모드 서지 시험 여유를 확보하기 위해 에너지 내량이 150 J 이상이고 최대 서지 전류 용량이 6.5 kA 이상인 20 mm 직경의 MOV(예: 20D471K)를 선정합니다.
다음 편에서는 이어지는 내용을 계속 설명합니다.