[테마특강] 전력변환기술

고도 산업사회에서는 주파수, 전압, 전류 등이 가변된 특수형태의 전기적 특성을 요구하고 있다. 이에 따라 전력용 반도체 소자를 이용해 다양한 발전 원(풍력, 화력, 원자력, 태양광 등)으로부터 공급되는 전력의 흐름을 제어, 전력의 형태를 사용자의 요구에 따라 다양하게 변화시키는 기술이 필요하다.

다시말해 여러 형태의 에너지원(석탄, 가스, 원자력, 풍력 등)을 직접 사용할 수도 있지만 발전이라는 공정을 통해 전기에너지 형태로 바꾸어 쓰면 여러가지 편리하다. 이와같이 전기에너지를, 전력을 쓰는 목적, 장소에 따라 최적의 전력형태로 바꾸어 주는 기술이 바로 전력변화기술이다.

전력회사에서 공급되는 60Hz의 교류전력 그대로 형광등을 점등하는 것보다20KHz이상의 고주파 교류전력으로 형광등을 점등하면 에너지 효율이 약 30 정도 향상된다. 이러한 기존 60Hz교류전력을 20KHz고주파 교류 전력으로 변환하는 장치가 바로 전자식 안정기이다.

컴퓨터는 밧데리 전원과 같은 직류전원이 공급되어야 안정적인 동작을 할수있다. 따라서 전력회사에서 공급되는 60Hz 교류전력을 직류로 변환시켜주는장치가 필요하며 이 장치가 S.M.P.S(Switching Mode Power Supply)이다.

랩탑(laptop),팜(palm) 컴퓨터 설계시 이 S.M.P.S의 소형화가 가장 큰 걸림 돌로 부각되고 있다.

지하철, 전철의 차량을 견인하는 견인전동기는 전철의 정지, 가속, 감속, 주행 등의 운전을 효율적으로 하기 위해 속도, 토오크를 제어해야 된다.

이처럼 전력회사로부터 공급된 전력을 견인전동기가 제어되는 전력형태인 가변전압 가변주파수(Variable Voltage Variable Frequency:V.V.V.F) 전원으 로변환시켜 주는 장치가 인버터이다.

인버터는 광산용전동기, 철강의 압연설비, 발전소용 대형송풍기, 엘리베이터등에 폭넓게 쓰인다.

가정용 기기인 캠코더의 경우 내장된 밧데리 전압은 6Ⅴ이지만 캠코더의액정모니터는 15Ⅴ의 전압이 필요하고 드럼모터는 1.6~3.5Ⅴ의 가변전압이 필요하다. 따라서 밧데리전압 6Ⅴ를 15Ⅴ, 1.6~3.5Ⅴ의 전압으로 바꾸어 주는것이 DC/DC컨버터이다.

이처럼 소형 가전기기부터 인버터, 무정전 전원장치(UPS), 고속전철, 압연 기등의 대용량 산업기기까지 폭넓게 적용된 전력변환 기술은 그 적용분야가 매우 넓다.

최근 용접기에도 적용돼 TIG, MIG용접기 등이 개발되어 용접기술을 고성 능. 고기능화시키고 있다. 또 도금, 전해장치에도 전력변화기술이 도입돼 도금 기술 향상에도 크게 기여하고 있다.

전력변환기술은 입력과 출력의 전력형태에 따라 직류전력으로부터 전압.전 류가 다른 직류전력으로 변환하는 직류변환, 교류로부터 직류로 전력을 변환 하는 순변환(정류), 직류로부터 교류로 전력을 변환하는 역변환과 교류로부 터성질이 다른 교류로 전력을 변환시키는 교류변환 방식 등으로 나눌수 있다. 교류변환은 다시 교류전력 조정, 주파수 변환, 상수변환으로 분류할 수 있다. 현재 전력변환기술은 4H, 즉 *X레이나 전기 집진장치 등에 적용하기 위해수백 급의 AC, DC를 발생시키고 정교하게 제어하는 "하이볼티지(High Volta ge)"기술 *고속전철, DC송전, 정지형 무효전력 보상장치 등 수십~수백Mw급 의 대용량 전력변환기술인 "하이파워(High Power)"기술 *수MHz의 고주파 스 위칭기술을 실현시켜 S.M.P.S나, DC/DC컨버터 위성용 전원장치 등을 소형화 시키는 "하이프리퀀시(High Frequency)"기술 *레이저 전원장치 등과 같이고밀도 전력에너지 처리기술인 "하이에너지(High Energy)"기술을 지향하고 있다. 전력변환 기술은 전력, 제어, 전자기술로 실현되고 있다. 이를 크게 구분하면 전력용 반도체기술과 회로설계기술, 제어 및 실장기술 등으로 나눌 수있다. 건축물에 비유하면 전력용 반도체는 건축물의 주요 자재에 해당되고, 회로설계기술은 건축물의 설계도에 해당되며, 제어 및 실장 기술은 건축물의 기능을 안락하고 편리하게 하는 전화, 가정자동화(HA)장치와 건축설계도에 의한 건축물 시공으로 설명될 수 있다.

전력용 반도체소자는 정격 용량이 1W이상이거나 정격전류 1A이상 또는 내 압이 1백V이상의 특성중 어느 한가지 조건을 만족하는 반도체 소자를 말한다. 전화기, 라디오 등에 쓰이는 소신호용 다이오드나 트랜지스터의 용량을 크게높인것으로 이해하면 된다.

전력용반도체 소자의 종류는 많다. 이는 각소자의 전기적 특성이 다르기때문이다. 즉 고주파로 스위칭하는 분야(수백 KHz이상)에는 MO-SFET가 유리 하지만 소자의 허용전압 및 전류가 낮아 주로 수십㎻의 중.소용량 전력변환 장치에 쓰인다.

IGBT경우 스위칭주파수는 1백KHz영역까지 가능하고 허용 전압치도 1천2백V 까지 가능하여 중.대용량(수백㎻급) 전력변환장치에 쓰인다. 이 이상의 용량 은(수천㎻급 이상) 스위칭주파수가 수백Hz대로 낮지만 허용전압과 전류가 큰GTO SCR 등이 사용된다.

이러한 전력용 반도체 소자를 이용해 전력변환장치를 구성할때 그 장치의 특성에 따라 적용 소자가 안정적이며 최적의 성능으로 동작되도록 처리해주 는기술을 구동기술이라고 한다. 이 기술은 주로 전기적 절연, 전력용 반도체 소자의 최적스위칭 제어 등의 기능을 담당한다.

회로설계 기술은 전력용 반도체 소자와 저항, 콘덴서, 리액터 등의 부품을 이용하여 사용자가 요구하는 기술적 사양(효율, 역률, 소음, 장치크기, 무게 가격 등)을 충족시키는 전기적 회로설계기술을 의미한다. 즉 HW적인 부품의 최적 조합 형태를 창조제안, 구현하는 SW적인 작업으로 이 기술에 전력 변환장치의 SW적인 부가가치가 결정된다.

특히 전력용 반도체 소자는 거의 국산화 되어 있지 않아 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이다. 따라서 회로설계기술 분야에서의 기술경쟁력 확보가 매우 중요하다.

국내에서는 아직도 회로설계가 수작업, 경험 등에 의해 이루어지고 있다.

하지만외국의 경우 이에 수년전부터 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 새로운 회로개발을 적용하고 있다. 이에따라 새로운 방식의 전력변환회로에 대한 아이디어에서 신제품개발까지의 개발 주기가 종전보다 절반정도로 단축되고 있다.

특히 수㎻급이상의 전력변환장치 개발에 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하면 반복되는 시제품 제작의 수고를 덜 수 있어 연구개발비의 절감은 물론 연구기 간을 크게 단축시킬 수 있다.

이 분야의 기술경쟁력은 창조적인 새로운 전력변환회로(Totology) 창출에 있다. 전력변환회로 설계에서 최근의 이슈는 전력변환장치의 교류 입력측 역률을 높여(0.99이상) 전력설비 용량을 줄이고, 고주파 발생을 억제하는 SMR(Switc hed Mode Rectifier)방식 연구분야와 전원장치의 소형, 경량화를 목표로 하는 고주파 스위칭방식에서 전력용 반도체 소자의 스트레스와 EMI 등을 극소 화하기 위한 ZVS(Zero Voltage Switching)방식, ZCS(Zero Current Switchin g)방식 등의 회로방식 연구이다.

또 전동기 구동장치분야에서는 공간벡터 제어방식, 퍼지제어방식 등이 도입되어 전동기 속도 제어의 성능향상을 추구하고 있다. 전력용 반도체소자를 아주 빠른 속도로 작동시키고, 일정 시간이 지난후 정지시키는 기술을 스위 칭기술이라고 한다. 전력변환 기술은 바로 이 스위칭 기술을 기본으로 하고있다. 예를들면 직류1백V를 직류 10V로 변환하는 DC/DC 컨버터 경우 전력용 반도체소자는 직류 1백V를 부하에 1초동안 가동시키고 9초동안 정지시킴으로써 부하에는 평균 10V가 인가되는 방식을 취한다.

또 전동기의 속도를 가변시켜주는 인버터의 경우에도 제어 신호의 스위칭 주파수가 변함에 따라 이 신호가 전력용반도체 소자에 인가되어 전동기에 인가되는 전압을 고속으로 ON, OFF제어함으로써 전동기의 속도가 가변된다. 이 스위칭 패턴에 따라 응답측정, 고주파발생, 제어의 정밀성 등이 결정된다.

제어장치 구성은 아날로그방식에서 디지털방식으로 발전되어 제어의 유연 성, 가변성 등을 확보, 고부가가치를 도모하고 있다. 또한 DSP(Disital Sign al Process)등 새로운 마이크로프로세서의 적용과 새로운 제어기법의 응용으로 기능 향상을 도모하고 있다. 실장, 생산기술은 제작과 시험기술로 요약되는데 제작설비의 자동화와 검사설비의 고도화를 통한 생산성 향상과 신뢰성 향상에 필요한 기술이다.

전기업계는 1960년대 농어촌 전화사업 추진으로 전통적인 중전기기(차단 기,개폐기, 변압기 등)를 중심으로 크게 성장했다. 그러나 국내 산업규모가 커지고 산업구조가 고도화되면서 생산기술 중심의 기술부가가치가 낮아지고후발개도국의 도전 등으로 국내외 중전기산업의 환경이 어려워지고 있다.

특히 세계적 기술추세가 HW를 강조한 전자기술에서 SW가 중심이되는 정보 화로 구조개편됨에 따라 중전기산업도 생존차원의 변신과 대안 발굴의 필요 성이 절실히 요구되고 있다. 게다가 중전기 산업은 주문 생산에 의한 소량 다품종 중전기 중심이어서 자동화가 어렵다는 점이 문제 해결을 더욱 어렵게하고 있다.

그러나 중전기산업은 선진국산업에서 점차 중진국 산업으로 이전되고 있는세계적인 추세나 중국의 개방화에 따른 아시아지역에서의 신규 수요확대, 사 회간접자본확충에 의한 내수 확대 등으로 중전기산업의 전망은 매우 밝다.

이러한 상황을 감안하면 결국 중전기 산업은 구조 조정을 통한 기술의 고도화 고부가가치화만이 유일한 대안으로 제시되고 있다. 이와같은 중전기산 업의 변신을 이끌고갈 선도기술의 발굴, 육성 또한 매우 중요하다.

전력변환기술은 SW중심의 복합.응용기술(전력, 제어, 전자)이고 제품을 고 부가가치화시키는 기술이다. 반도체가 산업의 쌀이라면 전력변환기술은 산업 기술의 소금이라 할 수 있다. 국내에서 당면한 제조업 경쟁력향상에 필수적 으로 요구되는 기술이 바로 전력변환기술이다.

또 기술의 응용분야가 가전기기에서부터 고속전철, 압연설비, 통신위성 등산업기기 첨단기기 분야에 이르기까지 전기를 에너지로 사용하는 기기에 폭넓게 응용돼 한계에 도달한 중전기산업을 고도화시킬 수 있는 주요기술로 인식되고 있다.

이에따라 선진국에서는 전력용 반도체의 자체생산 등으로 이미 기술이 완숙기에 접어들고 있다. 하지만 국내는 1970년대부터 전력변환 제품이 본격 개발되어 실용화되었으나 산업 전반에 대한 기술확산 및 기술축적속도가 뒤처진 상태이다. 그동안 단기 사업성 위주로 발전한 결과, 신개발품의 품질보증을 위한 규격지원이 미흡하고 기존제품의 규격도 거의 없다. 또 적극적인 수요개발을 위한 체계적인 노력이 미흡했으며 중소기업 기술자의 현장중심의 기술력 향상을 위한 재교육 기회가 마련되지 못했다.

특히, 국가적인 육성 필요성은 강조되어왔으나 이를 실행키 위한 전략적인 활성화대책, 방안 등의 추진이 거의 이루어지지 못했다.

그러나 최근 정부에서도 그 필요성이 인정되어 전력변환기술 지원사업(1단 계:1995~1998년, 4년)이 정부지원사업으로 추진되고 있어 종합적이고 체계적 인전력변환기술의 발전이 가능하게 될 것으로 기대되며 관련단체.기관 특히 기업들의 적극적인 참여가 요구되고 있다.