전력 전자의 기초 - 전력 변환 -

전력 전자의 기술의 핵심인 전력 변환에  대하여 포스팅해 보겠습니다.

 

-전력 변환의 대표적인 예시 태양광 변환-

 - 전력 변환 이란?  -

 

전력 변환은 일반적으로 전자 장치 및 회로를 사용하여한 형태의 전력 또는 에너지를 다른 형태로 변환하는 프로세스입니다.  전력 변환은 재생 에너지 시스템, 전기 자동차, 가전제품, 산업산업 자동화를 비롯한 많은 애플리케이션에 필수적입니다. 전력 변환기는 에너지 효율을 개선하고 전력 소비를 줄이며 다양한 유형의 전원과 부하를 통합할 수 있습니다. 깨끗하고 효율적이며 안정적인 전력 시스템에 대한 증가하는 수요를 충족하기 위해서는 새로운 전력 변환 기술의 개발이 필수적입니다.

전력 변환은 전자 장치와 회로를 사용하여 전력을 한 형태에서 다른 형태로 변환하는 방식으로 작동합니다. 전력 변환의 기본 원리는 트랜지스터 또는 사이리스터와 같은 스위치를 사용하여 전력의 흐름을 제어하고 전압, 주파수 또는 파형과 같은 특성을 변경하는 것입니다.

 

다음은 다양한 유형의 전력 변환기에서 전력 변환이 작동하는 방식에 대한 간략한 개요입니다:

1.AC에서 DC로 변환

AC-DC 컨버터에서는 다이오드를 사용하여 입력 AC 전원을 정류하여 맥동하는 DC 전원으로 변환합니다. 그런 다음 커패시터를 사용하여 DC 전력을 평활화하고 제어 회로를 사용하여 조절하여 안정적인 DC 출력 전압을 생성합니다.

2.DC에서 AC로 변환

DC-AC 컨버터에서는 먼저 전력 발진기 회로를 사용하여 DC 입력 전압을 고주파 AC 전압으로 변환합니다. 그런 다음 전력 트랜지스터 또는 사이리스터를 사용하여 AC 전압을 증폭하고 필터링하여 진폭과 주파수가 제어된 정현파 파형을 생성합니다.

3.DC에서 DC로 변환

DC-DC 컨버터에서는 먼저 전력 발진기 회로를 사용하여 입력 DC 전압을 고주파 AC 전압으로 변환합니다. 그런 다음 고주파 변압기를 사용하여 AC 전압을 변환하고 정류하여 조정된 DC 출력 전압을 생성합니다.

4.AC에서 AC로 변환

AC-AC 컨버터에서는 입력 AC 전원을 먼저 정류하고 필터링하여 DC 전압을 생성합니다. 그런 다음 인버터 회로를 사용하여 DC 전압을 고주파 AC 전압으로 변환한 다음 원하는 출력 전압과 주파수를 생성하기 위해 변환 및 정류합니다.

 

전력 변환은 애플리케이션의 특정 요구 사항에 따라 다양한 토폴로지 및 제어 전략을 사용하여 달성할 수 있습니다. 전력 변환기는 전원 공급 장치, 모터 드라이브, 재생 에너지 시스템, 전기 자동차 등 다양한 애플리케이션에서 널리 사용됩니다.

 

잘못된 전력 변환 기술은 다음과 같은 여러 가지 사고로 이어질 수 있습니다. 사고 원인을 정리하면 아래와 같습니다. 

1. 과열 및 화재

올바르게 설계되거나 작동하지 않는 전력 변환기는 과도한 열을 발생시켜 부품을 손상시키고 화재로 이어질 수 있습니다. 예를 들어, 2018년 영국의 한 데이터 센터에서는 커패시터 결함으로 인해 과열된 전원 공급 장치로 인해 화재가 발생했습니다.

2. 정전

안정적이지 않거나 효율적이지 않은 전력 변환기는 정전을 일으켜 중요한 서비스를 중단시키고 재정적 손실을 초래할 수 있습니다. 예를 들어, 2019년 뉴욕에서는 전력 변환 시스템이 제대로 관리되지 않은 전압 변동으로 인한 변압기 고장으로 정전이 발생했습니다.

3. 장비 손상

고전압 또는 전류 스파이크를 생성하는 전력 변환기는 컴퓨터, 모터 및 전자 장치와 같은 연결된 장비를 손상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 2020년에 호주의 한 도시에서는 잘못된 전력 변환기로 인한 전력 서지로 하수 처리장을 비롯한 여러 전기 장치가 손상되었습니다.

4. 환경오염

올바르게 설계되거나 작동하지 않는 파워 컨버터는 전자파 간섭(EMI) 또는 고조파 왜곡을 발생시켜 환경오염과 건강 위험을 초래할 수 있습니다. 예를 들어, 2011년에는 차폐가 제대로 되지 않은 고주파 변압기가 미국 한 마을의 여러 가정과 기업에 영향을 미치는 EMI 공해를 일으켰습니다.

 

이러한 사건은 전력 시스템의 안전, 신뢰성, 효율성을 보장하기 위해 올바른 전력 변환 기술을 사용하고 적절한 설계 및 운영 지침을 따르는 것이 중요하다는 점을 강조합니다.

 

 - 전력 변환 기술 동향  (과거)-

 

전력 변환 기술은 반도체 기술, 전력 전자 및 제어 시스템의 발전에 힘입어 지난 수십 년 동안 크게 발전해 왔습니다. 과거의 전력 변환 기술을 정리하면 다음과 같습니다

 

1. 선형 전원 공급 장치

선형 전원 공급 장치는 전자 장치에 사용된 가장 초기의 전력 변환 기술 유형이었습니다. 선형 레귤레이터를 사용하여 출력 전압을 조절하고 변압기, 정류기, 선형 레귤레이터로 구성된 단순한 설계를 가졌습니다. 하지만 비효율적이고 부피가 컸습니다.

2. 스위칭 전원 공급 장치

스위칭 전원 공급 장치는 1970년대에 도입되어 많은 애플리케이션에서 선형 전원 공급 장치를 대체했습니다. 스위칭 레귤레이터를 사용하여 출력 전압을 조절하고 선형 전원 공급 장치보다 훨씬 높은 효율을 가졌습니다. 또한 스위칭 전원 공급 장치는 크기와 무게가 더 작고 더 넓은 범위의 입력 전압을 처리할 수 있었습니다.

3. 펄스폭 변조(PWM)

PWM은 전력 회로의 전압 또는 전류를 제어하기 위해 전력 전자 장치에서 사용되는 변조 기술입니다. PWM은 1980년대에 도입되어 보다 효율적이고 정밀한 전력 컨버터를 개발할 수 있게 해 주었습니다.

4. 공진형 컨버터

공진 컨버터는 스위칭 손실을 줄이고 효율을 개선하기 위해 공진 회로를 사용하는 스위칭 전력 컨버터의 한 유형입니다. 공진 컨버터는 1990년대에 개발되어 고주파 전력 변환 애플리케이션에 사용되어 왔습니다.

5. 멀티레벨 컨버터

멀티레벨 컨버터는 여러 전압 레벨을 사용하여 고품질 출력 전압 파형을 생성하는 전력 컨버터의 한 유형입니다. 2000년대 초에 개발되어 재생 에너지 시스템 및 모터 드라이브와 같은 고전력 애플리케이션에 사용되었습니다.

 

과거의 전력 변환 기술은 오늘날 개발되고 있는 보다 진보되고 효율적인 전력 변환 기술의 토대를 마련했습니다.

 

 - 전력 변환 기술 동향  (현재)-

 

현재 다양한 애플리케이션에서 개발 및 사용되고 있는 몇 가지 전력 변환 기술이 있습니다. 현재에 전력변환에 있어서 중요한 기술들을 나열하면 다음과 같습니다.

 

1. 실리콘 기반 전력 디바이스

실리콘 기반 전력 디바이스(예: MOSFET, IGBT, 다이오드)는 전력 변환 애플리케이션에서 가장 널리 사용되는 전력 반도체 디바이스입니다. 높은 효율성, 신뢰성, 스위칭 속도를 제공하며 고전압과 전류를 처리할 수 있습니다.

2. 와이드 밴드갭 전력 디바이스

SiC(실리콘 카바이드) 및 GaN(질화 갈륨) 디바이스와 같은 와이드 밴드갭 전력 디바이스는 실리콘 기반 디바이스에 비해 더 높은 효율, 더 빠른 스위칭 속도, 더 높은 온도 작동을 제공합니다. 이러한 디바이스는 전기 자동차, 재생 에너지 시스템, 전원 공급 장치와 같은 고전력 및 고주파 애플리케이션에 사용됩니다.

3. 모듈형 전력 컨버터

모듈형 전력 컨버터는 모듈식 설계 방식을 사용하여 고효율, 신뢰성 및 유연성을 달성합니다. 모듈형 전력 컨버터는 병렬 또는 직렬로 연결하여 원하는 전력 정격 및 전압 레벨을 달성할 수 있는 여러 개의 동일한 전력 모듈로 구성됩니다. 모듈형 전력 컨버터는 데이터 센터, 전기 자동차, 재생 에너지 시스템 등 다양한 애플리케이션에 사용됩니다.

4. 디지털 전원 컨트롤러

디지털 전력 컨트롤러는 디지털 신호 프로세서(DSP) 또는 마이크로컨트롤러를 사용하여 전력 컨버터의 작동을 제어합니다. 높은 정확도, 유연성, 프로그래밍 기능을 제공하며 복잡한 전력 시스템에 쉽게 통합할 수 있습니다. 디지털 전원 컨트롤러는 서버, 데이터 센터, 재생 에너지 시스템 등 다양한 애플리케이션에 사용됩니다.

5. 에너지 저장 시스템

배터리, 슈퍼 커패시터, 플라이휠과 같은 에너지 저장 시스템은 전력 변환 애플리케이션에서 전기 에너지를 저장하고 방출하는 데 사용됩니다. 이러한 시스템은 전력 시스템의 안정성, 효율성, 신뢰성을 개선하고 재생 에너지원과 전기 자동차의 통합을 가능하게 합니다.

 

이러한 최신 전력 변환 기술은 스마트 그리드, 전기 운송, 재생 에너지 시스템과 같은 새로운 전력 시스템 및 애플리케이션의 개발을 주도하고 있습니다. 또한 보다 지속 가능하고 효율적인 에너지 미래로의 전환을 가능하게 하고 있습니다.

 

 - 전력 변환 기술 동향  (미래)-

 

보다 효율적이고 안정적이며 지속 가능한 전력 시스템에 대한 수요 증가에 대응하기 위해 여러 가지 새로운 기술이 개발되고 있는 가운데 전력 변환 기술의 미래는 흥미롭고 유망합니다. 다음은 미래의 전력 변환 기술 중 일부입니다:

 

1.GaN-on-Diamond 소자

GaN-on-Diamond 디바이스는 실리콘 기판 대신 다이아몬드 기판을 사용하는 일종의 와이드 밴드갭 전력 디바이스입니다. 기존 GaN 디바이스에 비해 열전도율이 높고 항복 전압이 높으며 온저항이 낮아 전력 컨버터의 효율과 신뢰성을 향상할 수 있습니다.

2. 고온 초전도(HTS) 디바이스

고온 초전도 소자는 고온에서 저항 없이 전기를 전도할 수 있는 초전도 전력 소자의 일종입니다. 높은 전력 밀도, 고효율, 높은 신뢰성을 제공하여 보다 콤팩트하고 효율적인 전력 시스템을 개발할 수 있습니다.

3. 무선 전력 전송

무선 전력 전송은 자기 공명 또는 기타 무선 기술을 사용하여 전원에서 부하로 전력을 무선으로 전송합니다. 전선과 케이블이 필요하지 않으므로 전력 시스템의 설치와 유지보수를 간소화할 수 있습니다.

4. 마이크로그리드 및 DC 그리드

마이크로그리드와 DC 그리드는 전력 시스템의 효율성과 신뢰성을 향상할 수 있는 새로운 배전 아키텍처입니다. 마이크로 그리드는 독립적으로 작동하거나 주 그리드에 연결할 수 있는 소규모 전력 시스템이며, DC 그리드는 교류 대신 직류를 사용하여 전력을 전송하므로 전력 손실을 줄이고 효율성을 개선할 수 있습니다.

5.AI 기반 전력 제어

AI 기반 전력 제어는 인공지능 알고리즘을 사용하여 재생 에너지원의 전력 출력을 조정하거나 건물의 전력 수요를 예측하는 등 전력 시스템 운영을 최적화합니다. 이를 통해 전력 시스템의 효율성, 신뢰성, 지속 가능성을 개선하고 더 많은 재생 에너지원의 통합을 가능하게 할 수 있습니다.

 

이러한 미래 전력 변환 기술은 전력을 생산, 전송, 소비하는 방식을 혁신하고 보다 지속 가능하고 효율적인 에너지 미래로의 전환을 가속화할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

 

 

이상,  전력 변환에  설명 및 과거, 현재, 미래에 대한 기술동향을 알아본 포스팅을 마치겠습니다.