전력 밀도의 기초 기술 이해하기

[테크월드=선연수 기자] 

최신 전력 공급 솔루션에 있어서 전력 밀도의 중요성과 가치는 아무리 강조해도 지나치지 않는다. 이번 글에서는 고전력 밀도 설계의 기초 기술에 대한 이해도를 높이기 위해, 고전력 밀도 솔루션의 가장 중요한 다음 4가지 측면을 다룬다.

전력 밀도란?

전력 관리 분야에서 전력 밀도(Power density)는 간단하게 [그림 1]과 같이 컨버터의 정격(또는 공칭) 출력 전력을 컨버터가 차지하는 부피로 나눈 값으로 정의할 수 있다.

이 간단한 정의조차도 전력 밀도를 기준으로 전력 장치를 비교하려고 할 경우, 많은 설명이 필요하다.

출력 전력은 최악의 환경 조건에서 컨버터가 전달할 수 있는 연속 출력 전력이다. 이런 전력 성능에는 주변 온도, 최대 허용 온도, 방향, 고도, 예상 수명이 복합적으로 작용하며 영향을 미칠 수 있다.

마찬가지로, 전원 장치의 부피는 컨버터의 용도와 구조에 따라 여러 방식으로 정의될 수 있다. 부피에 큰 영향을 미칠 수 있는 변수에는 전원 공급 장치의 보고된 전력 밀도, 전자파 장해 필터, 팬, 하우징 요구 조건, 입·출력 에너지 저장 커패시터의 포함 변수 또는 제외 변수가 될 수 있다. 즉, 참고 문헌에 명시된 전력 밀도 데이터를 비교할 시 이런 변수에 대해서 고려해야 한다.

전력 밀도의 역사

먼저 간단한 역사적 개요를 통해 전력 밀도의 관심에 대한 유래와 오늘날의 트렌드가 어떻게 시작됐는지 살펴보자.

효율성은 스위치 모드 전력 변환 초창기부터 전력 기술 혁신의 원동력이었다. 스위치 모드 전력 컨버터가 등장하면서 입·출력 전압비와 몇 안 되는 가용 토폴로지에 주로 의존하던 선형 전원 장치의 결정적 효율성이 깨질 수 있었다.

1990년대 초부터 개인 컴퓨팅과 전자기기, 이동통신, 반도체 기술 발전에 힘입어 효율성을 개선하자는 요구에 가속도가 붙었다. [그림 2]에서 설명한 바와 같이 전력 솔루션의 효율성 증가는 전력 밀도의 지속적인 발전을 촉진시켰다.

여러 번 파동을 일으킨 에너지 위기와 그에 따른 규제 요건의 등장으로 효율성은 전력 시스템, 특히 에너지 절약과 총 소유 비용 측면에서 훨씬 더 중요한 속성이 됐다. 지난 10년 동안 고전력 밀도는 전력 시스템 공학의 정점으로 인정받고 있다.

고전력 밀도 달성 요건

전력 밀도 중심에 대한 이해도를 높이기 위해 고전력 밀도를 달성하는 데 필요한 것을 알아보자. 이 분야에 대한 전문적 배경지식이 없는 사람이 보기에도 효율성, 크기, 전력 밀도 사이의 관계는 특별하고 명확하다.

효율성은 기기의 발열량을 줄이는 데 필수적인 요소로 고전력 밀도의 핵심이라 불린다. 효율성을 높이기 위해서는 솔루션의 부피, 즉 크기를 줄여야 한다. 높은 효율성과 크기 축소를 동시에 달성하려면 높은 동작 주파수에서 효율적으로 작동하는 솔루션이 필요하다. 이런 솔루션이 포함하는 사항들을 소개한다.

스위칭 손실 감소

낮은 전도와 낮은 스위칭 손실을 제공할 수 있는 스위칭 요소가 필요하다.

토폴로지, 제어, 회로 설계

높은 스위칭 주파수에서 작동하려면 올바른 토폴로지가 필요하다. 대부분의 컨버터 토폴로지가 적용된 제어 기법에 기반해 기존의 사각파 펄스 폭 변조, 무전압 또는 영전류 천이형, 완전 공명 모드 등 다양한 모드에서 작동할 수 있는 점을 고려하면, 제어 방법과 혁신적인 회로 구현 역시 중요하다.

통합

더 높은 동작 주파수가 수동 부품에 미치는 스케일링 효과를 통해, 전력 컨버터의 크기를 줄일 수 있다. 그러나 전력 밀도라는 퍼즐의 매우 중요한 조각인 '통합'은 실리콘 기술 자체에서 전력 요소와 제어 요소의 모놀리식 결합을 통해 실현되고 있다.

반도체 디바이스 분야에서는 설계자들이 멀티칩 모듈 기술을 이용해 여러 반도체 다이를 통합하고 있으며, 대부분의 수동 디바이스와 커패시터, 자성 부품도 결합하고 있다. 컨버터와 인클로저의 기계와 인쇄 회로 기판 설계는 의심할 여지 없이 고전력 밀도 달성에 중요한 요소다.

열 성능 향상

강화된 패키징 기술과 첨단 리드프레임 기술은 외부 냉각면과 실제 실리콘 온도 간 온도 기울기를 최소화하는 데 중요한 역할을 한다. TI는 이런 기술에 동반되는 모델링, 최적화 역량, 고전력 밀도 설계와 함께 반도체 디바이스가 장기적으로 안정적인 작동을 할 수 있도록 향상된 열 성능을 제공하고 있다.

설명한 4가지 기본 기술을 함께 적용함으로써 성공적인 고전력 밀도 설계의 초석을 다질 수 있다. 설계자는 가장 적절한 반도체 기술을 얼마나 잘 적용했는지, 설계자가 올바른 토폴로지와 제어 방법, 기계 설계, 열 관리, 통합적인 전략을 선정했는지 등 각 항목 평가를 통해 전력 밀도 달성 수준을 확인할 수 있다.

결론

전력 밀도가 전력 공학의 기술적 가치를 평가하기 위한 단순한 보편적 지수의 역할을 넘어 전력 밀도가 중요한 이유를 제대로 이해하고 싶다면, 한 걸음 물러나 업계와 사회 전체가 고전력 밀도 달성을 통해 어떤 혜택을 얻고 있는지 살펴봐야 한다.

예를 들어, 보통 물리적 치수가 작아지면 원재료 사용량이 줄어들고 이는 재료 비용 절감으로 이어질 수 있다. 크기 축소와 재료 절감은 경량화로 이어지며, 경량화는 운송 부문의 전력 시스템에서 연료 절감이나 장거리 운송을 실현할 수 있는 아주 중요한 특성이다. 전력 밀도가 높아지면 소형화의 가능성도 커지며, 이런 측면을 최대한 밀어붙이면 전력 변환 업계에서 이전에는 상상도 못 한 새로운 시장을 창출해낼 수 있다.

예시와 같이 전력 밀도는 시스템 수준의 제조업체, 사용자, 운영업체에 총 소유비용 절감 등의 뚜렷한 경제적 이점을 가져온다는 점에서 중요하다. TI의 홈페이지와 유튜브 채널에서 전력 밀도와 관련한 교육 영상 5부작을 통해 더 자세한 기초 기술을 이해할 수 있다.

TI의 전력 밀도의 기초 기술 이해 교육 시리즈 소개편

글: 라즐로 발로(Laszlo balogh) TI DMTS 선임 기술자
자료제공: 텍사스 인스트루먼트

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 9월 호에 게재된 기사입니다.