어느 날 오후, 우리는 이탈리아의 한 산업용 전원 공급 장치 제조업체로부터 손상된 변압기 6개가 포함된 패키지를 받았습니다. 그들의 이메일은 짧고 간단했습니다.
"실험실에서는 모든 것이 완벽하게 작동하지만 현장에서 3~4개월이 지나면 고객이 실패를 보고하기 시작합니다. 이유를 찾는 데 도움을 주실 수 있나요?"
Wuxi Huipu Electronics Co., Ltd.에서 반품된 장치를 분해했을 때 변압기 중 어느 것도 크게 손상된 것처럼 보이지 않았습니다. 타버린 권선도 없었고, 깨진 페라이트 코어도 없었으며, 명백한 과부하 징후도 없었습니다. 그러나 뭔가 분명히 잘못되었습니다. 실패한 샘플을 새로 제조된 장치와 비교한 후 답이 서서히 나타났습니다. 여러 권선 층 사이의 절연은 고온에 장기간 노출된 후 악화되기 시작했습니다. 이러한 작은 변화로 인해 누설 전류가 증가하고 추가 열이 발생하여 결국 스위칭 MOSFET이 손상되었습니다. 반도체 결함으로 보이는 문제는 실제로 몇 달 전에 변압기 내부에서 시작되었습니다.
이런 경험은 특이한 것이 아닙니다. 전원 공급 장치 설계에 대한 가장 큰 오해 중 하나는 변압기가 작동하거나 작동하지 않는다는 것입니다. 실제로 스위칭 전원 공급 장치 변압기는 완전한 고장이 발생하기 훨씬 전에 거의 항상 경고 신호를 보냅니다. 문제는 값비싼 현장 수리를 방지할 수 있을 만큼 조기에 이러한 징후를 인식하는 것입니다.
우리가 직면하는 모든 문제 중에서 과도한 온도 상승이 가장 일반적입니다. 프로토타입 테스트 중에 엔지니어는 종종 30분 동안 전원 공급 장치를 작동하고 허용 가능한 온도를 기록한 다음 직접 생산에 들어갑니다. 불행하게도 산업용 장비는 30분 동안만 작동하는 경우가 거의 없습니다. 많은 시스템이 수천 시간 동안 지속적으로 실행됩니다. 내부 온도가 절연재의 설계 한계를 초과할 때까지 구리 손실 또는 코어 손실의 작은 증가가 점차 누적됩니다. 고객이 불안정한 출력이나 예상치 못한 종료를 발견할 때는 이미 피해가 발생한 것입니다. 이것이 바로 우리가 짧은 실험실 테스트에만 의존하기보다는 현실적인 장기 작동 조건에서 변압기를 평가할 것을 항상 권장하는 이유입니다.{6}}
또 다른 빈번한 실패 원인은 코어 포화입니다. 과열과 달리 포화는 별다른 경고 없이 갑자기 나타날 수 있습니다. 전원 공급 장치는 경부하에서는 정상적으로 작동할 수 있지만 작동 조건이 변경되면 과도한 전류가 흐르기 시작합니다. 고객이 트랜스포머 자체를 재설계하지 않고 스위칭 주파수를 수정하거나 입력 전압 범위를 확장한 후에 이런 일이 발생하는 것을 목격했습니다. 자기 코어는 예상보다 빨리 한계에 도달했습니다. 포화를 방지하는 것은 복잡하지 않지만 이상적인 작동 조건이 아닌 실제 작동 조건을 처리할 수 있도록 보수적인 자기 계산과 충분한 설계 마진이 필요합니다.
누설 인덕턴스는 종종 다른 장애 뒤에 숨어 있는 또 다른 문제입니다. 엔지니어는 일반적으로 불탄 스위칭 장치를 먼저 발견합니다. 왜냐하면 식별하기가 더 쉽기 때문입니다. 그러나 트랜스포머 내부에 과도한 누설 인덕턴스가 남아 있는 경우 MOSFET을 교체해도 문제가 해결되는 경우는 거의 없습니다. 권선 배열이 불량하면 모든 스위칭 주기 동안 전압 스파이크가 발생합니다. 이러한 스파이크는 실험실 테스트 중에 안전한 한계 내에서 유지될 수 있지만 몇 달 동안 작동하면서 점차적으로 반도체에 스트레스를 줍니다. 우리는 회로의 나머지 부분을 변경하지 않고 권선 구조를 재설계함으로써 여러 OEM 고객이 스위칭 손실을 크게 줄일 수 있도록 도왔습니다.
전자기 간섭도 비슷한 이야기를 합니다. 많은 사람들은 설계가 완료된 후 더 큰 필터나 추가 차폐를 통해 EMI를 해결해야 한다고 생각합니다. 우리의 경험에 따르면 그렇지 않습니다. 대부분의 경우 원치 않는 소음은 변압기 자체 내부에서 시작됩니다. 권선이 적층되는 방식, 1차 회로와 2차 회로가 얼마나 밀접하게 결합되어 있는지, 심지어 절연 테이프의 위치까지 모두 전도 및 복사 방출에 영향을 미칩니다. 처음부터 EMI를 고려하지 않고 설계된 변압기는 엔지니어가 나중에 주변 회로를 수정하는 데 훨씬 더 많은 시간을 소비하게 만드는 경우가 많습니다.
기계적 신뢰성은 변압기에 움직이는 부품이 없는 것처럼 보이기 때문에 간과되기 쉬운 또 다른 요소입니다. 실제로 고주파수 자기장은 페라이트 코어와 권선 내부에 작은 진동을 생성합니다. 수천 시간의 작동 시간이 지나면 이러한 미세한 움직임으로 인해 절연체가 점차 마모되고, 권선 구조가 느슨해지며, 많은 사용자가 전력 품질이 좋지 않기 때문에 윙윙거리는 소리가 발생할 수 있습니다. 적절한 권선 장력, 안전한 코어 조립 및 적절한 함침 기술은 특히 진동이 이미 존재하는 산업 환경에서 장기적인 안정성을{4}}획기적으로 향상시킵니다.
절연 실패는 특히 전기 절연이 안전에 직접적인 영향을 미치는 의료, 통신 및 산업 제어 장비에서 가장 심각한 문제 중 하나로 남아 있습니다. 단지 전압 정격만을 기준으로 절연재를 선택하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 연면거리, 공간거리, 열적 노화, 습도 및 제조 일관성은 모두 장기적인-신뢰성에 기여합니다. 전기 안전은 설치 후 고객이 육안으로 검사할 수 있는 것이 아니기 때문에 우리는 Hi-Pot 테스트와 절연 검증을 정기적으로 수행합니다.
수년에 걸쳐 우리가 알아차린 흥미로운 패턴 중 하나는 변압기 자체가 잘못 제조되는 경우가 거의 없다는 것입니다. 종종 그들은 결코 하도록 설계되지 않은 일을 하도록 기대됩니다. 전력 등급에 따라서만 선택된 변압기는 열 창 밖에서 작동할 수 있습니다. 순전히 물리적 크기에 따라 선택한 다른 제품은 과도한 EMI를 생성할 수 있습니다. 이전 프로젝트에서 복사한 다른 프로젝트는 더 이상 더 높은 스위칭 주파수에 적합하지 않을 수 있습니다. 이러한 변환기에는 결함이 없습니다.-단순히 애플리케이션과 일치하지 않는 것뿐입니다.
그렇기 때문에 고객과의 엔지니어링 논의는 "변압기에 몇 와트가 필요합니까?"라는 질문으로 거의 시작되지 않습니다. 대신 장비가 실제로 어떻게 사용될 것인지 묻습니다. 지속적으로 작동할 것인가, 아니면 간헐적으로 작동할 것인가? 밀폐된 캐비닛 내부에 설치되어 있습니까? 아니면 공기 흐름에 노출되어 있습니까? 주변 온도는 얼마나 됩니까? 어떤 스위칭 토폴로지가 사용되고 있습니까? 전체 애플리케이션을 이해한 후에만 변압기 설계 최적화를 시작합니다.
수년간 스위칭 전원 공급 장치에 대해 작업한 후 우리는 간단한 결론에 도달했습니다. 대부분의 변압기 고장은 제조상의 고장이 아닙니다. 이는 제품이 공장에서 출고된 후에만 눈에 띄는 설계 실패입니다. 이를 방지하는 데에는 일반적으로 더 비싼 재료나 더 큰 변압기가 필요하지 않습니다. 이를 위해서는 애플리케이션을 이해하고, 적절한 엔지니어링 마진을 고려하여 설계하고, 변압기를 단지 자재 명세서의 또 다른 구성 요소가 아닌 전원 공급 장치의 핵심으로 취급해야 합니다.
우리가 본 가장 안정적인 스위칭 전원 공급 장치에는 한 가지 공통점이 있습니다. 즉, 변압기는 결코 나중에 고려되지 않았습니다. 이는 처음부터 전체 시스템의 일부로 설계되었습니다.