서지 보호, 3kW 서버 전원 정류기 배리스터와 TVS 협조 계산 2편

이 글은 서지 보호, 3kW 서버 전원 정류기 배리스터와 TVS 협조 계산 시리즈의 2편입니다. 앞 편에 이어 2차 보호 소자 TVS 다이오드 선정과 클램핑 기준, MOV와 TVS 협조 설계를 위한 디커플링 인덕턴스 계산, 맺음말을 설명합니다.

3kW 서버 전원 정류기에서 1차 대용량 MOV와 2차 정밀 TVS 다이오드 사이에 69.33 μH 이상의 디커플링 인덕턴스(L_d)를 설계하여 130 V의 유도 기전력으로 MOV의 조기 도통을 유도하고 후단 650 V 반도체를 580 V로 안전하게 보호하는 3단계 서지 보호 협조 회로 및 전압 클램핑 메커니즘입니다.

2차 보호 소자 TVS 다이오드 선정과 클램핑 기준

2차 보호 소자로 적용되는 TVS 다이오드는 후단 정류 브리지 및 PFC 승압 회로의 전력 반도체(MOSFET 및 SiC 다이오드)가 허용하는 최대 전압 이하로 잔여 서지 전압을 정밀하게 제한합니다. TVS 다이오드의 스탠드오프 전압(V_RWM)은 정상 운전 상태에서 TVS가 비도통 상태를 유지하며 누설 전류가 수 μA 이하로 억제되는 최대 전압입니다. 최대 입력 피크 전압인 358 V 조건에서 오동작하지 않도록 V_RWM은 최소 380 V 이상, 통상 400 V 이상으로 선정합니다. TVS 다이오드의 항복 전압(V_BR)과 최대 클램핑 전압(V_C,TVS)은 소자의 동적 저항 특성에 따라 결정됩니다.

V_{C,TVS} = V_{BR} + I_{PP} \cdot R_{dyn}

(7)

식 (7)에서 I_PP는 TVS에 흐르는 피크 펄스 전류이며, R_dyn은 TVS 다이오드의 내부 동적 저항입니다. 서버 전원 정류기 후단의 고전압 반도체 전압 정격이 650 V인 경우, 안전 마진을 고려한 목표 클램핑 전압은 550 V에서 580 V 이하로 제한되어야 합니다. 정격 전압 V_RWM = 400 V, V_BR = 440 V에서 480 V 범위인 양방향 TVS 소자를 적용하면 허용 피크 펄스 전류 I_PP = 15 A 조건에서 최대 클램핑 전압 V_C,TVS는 약 580 V로 억제됩니다. TVS 다이오드가 과도 상태에서 감당해야 하는 피크 전력 P_PP는 다음과 같이 계산됩니다.

P_{PP} = V_{C,TVS} \cdot I_{PP}

(8)

식 (8)에 V_C,TVS = 580 V와 I_PP = 15 A를 대입하여 식 (9)와 같이 계산하면 피크 전력은 8700 W가 계산됩니다.

P_{PP} = 580 \cdot 15 = 8700 W

(9)

이는 8/20 μs 단기 펄스 조건에서 10 kW 이상의 첨두 전력을 감당할 수 있는 표준 전력용 TVS 다이오드의 허용 한계 내에 부합합니다.

MOV와 TVS 협조 설계를 위한 디커플링 인덕턴스 계산

MOV와 TVS를 단순히 병렬로 직접 연결하면 심각한 소손 문제가 발생합니다. TVS의 클램핑 전압(580 V)이 MOV의 본격적인 도통 개시 전압(약 710 V)보다 낮기 때문에, 유입되는 수백 A의 서지 전류가 TVS로만 집중되어 TVS가 허용 전류(15 A)를 초과하여 즉각 열파괴됩니다. 따라서 MOV와 TVS 사이에 직렬 디커플링 임피던스를 삽입하여 TVS 전류가 한계값에 도달했을 때 1차측 MOV가 먼저 도통하도록 전압 강하를 유도해야 합니다. 직렬 저항을 사용하면 3kW 정상 부하 전류(약 15 A_rms)에 의해 수십 W의 불필요한 도통 손실이 발생하므로 실무에서는 인덕터(L_d)를 적용합니다. 서지 유입 시 인덕터 양단에 유도되는 전압 V_L은 전류 상승률에 비례합니다.

V_{L} = L_{d} \cdot \frac{{di}_{TVS}}{dt}

(10)

TVS가 허용 최대 서지 전류 I_TVS,max = 15 A에 도달하기 전에 MOV 양단 전압이 도통 개시 전압 V_MOV,on에 도달해야 하므로 협조 부등식은 다음과 같이 정립됩니다.

V_{C,TVS} + L_{d} \cdot \frac{{di}_{TVS}}{dt} \geq V_{MOV,on}

(11)

식 (11)을 디커플링 인덕턴스 L_d에 대해 정리하면 최소 인덕턴스 산정식이 도출됩니다.

L_{d} \geq \frac{(V_{MOV,on} - V_{C,TVS})}{\frac{{di}_{TVS}}{dt}}

(12)

IEC 61000-4-5 규격의 8/20 μs 전류 파형에서 파두 시간 t_r = 8 μs 동안 TVS 전류가 최대 허용치인 I_TVS,max = 15 A까지 상승한다고 가정하면 전류 상승률은 다음과 같이 정의됩니다.

\frac{{di}_{TVS}}{dt} = \frac{I_{TVS,max}}{t_{r}}

(13)

식 (13)에 I_TVS,max = 15 A와 t_r = 8 μs를 대입하여 식 (14)와 같이 계산하면 전류 상승률은 1.875 * 10^6 A/s가 됩니다.

\frac{{di}_{TVS}}{dt} = \frac{15}{(8 \cdot 10^{- 6})} = 1 875 000 A / s = 1.875 \cdot 10^{6} A / s

(14)

MOV 도통 개시 전압 V_MOV,on = 710 V, TVS 클램핑 전압 V_C,TVS = 580 V를 식 (12)에 대입하여 최소 디커플링 인덕턴스를 계산합니다.

L_{d} \geq \frac{(710 - 580)}{(1.875 \cdot 10^{6})} = \frac{130}{1 875 000} \approx 69.33 \cdot 10^{- 6} H = 69.33 μH

(15)

식 (15)의 계산 결과에 따라 최소 69.33 μH의 인덕턴스가 요구됩니다. 실무에서는 소자 산포와 전류 파형의 비선형성을 고려하여 마진을 확보한 70 μH에서 100 μH의 인덕턴스를 적용합니다. 특히 3kW 서버 전원 장치의 입력단에 위치한 차동 모드 전자기 간섭(EMI) 필터 인덕터의 인덕턴스를 이 디커플링 인덕턴스로 겸용하면 추가적인 부품 추가 없이 최적의 협조 보호 회로를 구현할 수 있습니다.

맺음말

본 글에서는 3kW 단상 교류 입력 서버 전원 장치 정류기의 서지 보호를 위해 1차 대용량 방전 소자인 MOV와 2차 고속 정밀 클램핑 소자인 TVS 다이오드의 협조 설계 계산 과정을 체계적으로 도출하였습니다. 220 V_rms 입력 계통의 최대 전압 변동(+15%)을 고려하여 MCOV 275 V_rms 이상, 공칭 배리스터 전압 470 V, 에너지 내량 150 J 이상의 20 mm급 MOV(20D471K)를 1차 보호 소자로 선정하였습니다. 2차단에는 스탠드오프 전압 V_RWM = 400 V, 최대 클램핑 전압 580 V, 허용 피크 펄스 전류 15 A 정격의 양방향 TVS 다이오드를 배치하여 후단 반도체의 절연 내압을 확보하였습니다.

두 소자 간의 도통 시점을 분리하는 디커플링 인덕턴스는 8/20 μs 서지 전류 상승률(1.875 * 10^6 A/s)과 소자 간 클램핑 전압 차이(130 V)를 바탕으로 계산하여 최소 69.33 μH임을 입증하였습니다. 이 인덕턴스는 입력단 차동 모드 EMI 필터 인덕터와 통합하여 설계할 수 있습니다. 실무 적용 시에는 MOV 소자의 누설 전류 증가와 열폭주(Thermal Runaway) 방지 대책을 반드시 수립해야 합니다. MOV는 반복적인 서지 유입과 고온 환경에 노출될 때 누설 전류가 증가하며 자체 발열로 인해 열화가 가속되는 특성을 갖습니다. 따라서 신뢰성이 중요한 서버 전원 장치에서는 열 감지 차단 소자가 일체화된 TMOV를 적용하거나, MOV 전단에 적절한 용융 적분(I^2 * t) 정격을 갖는 속단형 퓨즈를 직렬로 협조 배치하여 이상 과열 시 안전하게 회로를 분리하도록 설계해야 합니다.

이 글은 앞선 내용을 몰라도 읽을 수 있게 썼습니다. 배경이 궁금하다면 단상 위상 제어 정류기, 150W LED 점호각 제어와 출력 전압 계산을 함께 보면 도움이 됩니다: https://www.infoshirimp.co.kr/?p=278

이것으로 시리즈를 마칩니다. 앞선 편들과 함께 읽으면 전체 흐름을 파악할 수 있습니다.

2차 보호 소자 TVS 다이오드 선정과 클램핑 기준

MOV와 TVS 협조 설계를 위한 디커플링 인덕턴스 계산

맺음말

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