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최대 1000V 고전압 DC 전원의 스위칭과 모니터링
이나리 기자 | 승인 2017.08.14 10:29

[EPNC=이나리 기자] 수백 볼트에 이르는 DC 전원은 생각만큼 드물지 않다. 이런 애플리케이션으로 가장 먼저 떠올릴 수 있는 것이 전기차의 리튬이온 배터리 스택이다. 이 배터리 스택의 전압은 최대 400V까지 지원한다.

그 외에도 좀 덜 알려진 애플리케이션으로서 F-22 랩터(Raptor)와 F-35 라이트닝 II 같은 첨단 전투기를 들 수 있다. 이 전투기는 빠르고 정밀한 동작을 위해서 주로 270V DC를 사용하고, 대규모 태양광 어레이는 600V 이상을 출력할 수 있으며, 산업용 모터 드라이브로 AC 전압을 정류하면 170V~680V에 이르는 DC 전압을 제공할 수 있다. 

그리고 또 지난 수년에 걸쳐서 데이터센터 내에서의 전원 공급을 AC에서 고전압 DC(380V 또는 ±190V)로 전환하고자 많은 연구개발이 이뤄졌다. 이로써 전력 변환 단계를 줄이고, 설비 풋프린트를 줄이고, 운영비를 절감할 수 있으며, 또한 태양광 같은 재생 에너지와 통합을 수월하게 할 수 있다. 전력을 더 높은 전압으로 공급하면 전류 수준을 낮출 수 있고, 더불어 저항 손실을 줄일 수 있다(I2•R).

이를 활용하면 케이블 무게를 줄일 수도 있다. 단, 이런 모든 고전압 전원을 온 또는 오프로 스위칭하고 부하를 매끄럽게 소프트 스타트를 해야 한다. 또 에너지 모니터링과 최적화를 위해서는 고전압 버스로 흐르는 전압과 전류에 대한 디지털 모니터링이 필요하다. 또한 작업자 안전을 달성하고 저전압 장치들을 위험한 고전압으로부터 보호하기 위해서는 전원을 제어하는 회로를 갈바닉 절연해야 한다.

쇄도 전류 제어, 전력 모니터링

고전압 전원을 설계할 때 중요한 고려사항의 하나는 통상적인 브리지 정류기 다음에 오는 DC 버스 커패시터 같은 커패시티브 부하로 스타트업 쇄도 전류를 안전하게 제어하는 것이다. 쇄도 전류를 낮추기 위한 간단한 방법은 음의 온도 계수(NTC) 서미스터를 사용하는 것이고, 이것을 쇄도 전류 리미터(ICL)라고 부른다[그림 1a]. 

이런 서미스터는 전원 또는 부하를 턴온하기에 앞서 실온에서 높은 저항(수 옴)에서부터 시작하고, 높은 저항이 턴온 시의 쇄도 전류를 제한한다. 전류가 흐르면 서미스터가 뜨거워지고, 이로 인해 저항이 10배에서부터 100배까지 낮아진다. 이 서미스터는 전류와 저항 정격에 따라서 개당 0.13달러부터 7달러까지 이를 수 있다. 또 서미스터는 사용하기가 단순하기는 하나, 빠른 전력 사이클 시에(온-오프-온) 서미스터가 충분히 시간을 갖고 식어서 높은 저항 상태가 되지 못하면, 두 번째 파워업 시에 쇄도 전류를 제한하지 못할 수 있다는 것이 단점이다. 

[그림 1] 쇄도 전류 리미터. (a)음의 온도 계수(NTC) 서미스터, (b)스텝 스타트 릴레이

NTC 서미스터는 넓은 허용오차(25%) 때문에 애를 먹을 수 있고, 쇄도 전류는 저항이 떨어지는 비율을 통해서 정상 상태(Steady State) 전류와 연관돼 있기 때문에 쇄도 전류를 임의의 낮은 수준으로 유연하게 조절하기가 어렵다. ICL은 진공 청소기, 형광등, 스위치드 모드 전원장치 같은 애플리케이션에 사용돼 브리지 정류기의 DC 버스 커패시터로의 쇄도 전류를 제한한다.

빠르게 재시작할 때의 NTC 서미스터가 쇄도 전류를 제한하지 못하는 단점을 극복하기 위해서는 저항과 병렬로 단락 릴레이를 사용할 수 있다. 이것을 스텝 스타트 릴레이라고 한다(그림 1b). 이를 통해 턴온 시에 병렬 릴레이가 개방되고 저항에 의해서 쇄도 전류가 제한된다. 또 타이머가 작동된다. 이 시간이 완료되면 릴레이가 저항으로 단락된다. 그러면 부하 전류가 릴레이를 통해서 흐르고, 빠르게 재시작할 때 이 스텝 스타트 릴레이가 쇄도 전류 제한을 할 수 있다. 이 기법을 사용하기 위해서는 단락 릴레이와 턴온을 제어하기 위한 타이머를 추가해야 한다. 그러므로 솔루션 비용이 20~30달러 대로 높아진다.

그 밖의 쇄도전류 제어 기법으로는 제로 크로싱 트라이액, 동적 역률 제어회로, 인덕티브 입력 필터링에 댐핑을 사용하는 것을 예로 들 수 있다. 이런 대부분의 기법은 복잡성, 크기, 비용을 추가하면서 AC 입력에만 사용할 수 있다.

절연 전류 모니터링을 위해서는 전류 검출 저항으로 절연 증폭기와 ADC로 차동-대-싱글 엔디드 변환 증폭기를 사용해야 한다. 또 다른 기법은 절연형 델타-시그마(ΔΣ) 변조기에 외부 디지털 필터를 사용하는 것이다.

이처럼 고전압 DC 전원을 제어, 보호, 모니터링하기 위해서는 다수의 부품을 추가해야 하고 이들이 서로 안전하고 매끄럽게 동작하도록 구현해야 하기 때문에 결코 만만한 일이 아니다. 디스크리트 솔루션은 크기가 크고, 다수의 부품을 필요로 하면서, 비용이 비싸고, 안전성 인증을 받고 있지 않다. 따라서 여기에 통합적이면서 이미 인증을 받은 새로운 솔루션을 사용함으로써 설계 시간과 인증에 소요되는 기간을 수개월에서 수주로 단축할 수 있다.

고전압 전력 제어와 텔레메트리 포함하는 통합적인 솔루션

리니어 테크놀로지의 LTM9100 μModule IC는 컴팩트한 올인원 솔루션으로서 최대 1000V DC에 이르는 고전압 전원을 제어, 보호하고 모니터링할 수 있다[그림 2a].

또 5kVRMS 절연 벽이 로직과 외부 N-채널 MOSFET이나 IGBT 스위치를 구동하는 스위치 컨트롤러로부터의 디지털 인터페이스를 절연한다. 제어회로 보호, 작업자 안전, 접지경로 차단을 위해서 이 절연이 필요한데, 부하를 소프트 스타트하고[그림 2b], 전류제한 회로 차단기를 사용해서 전원을 과부하로부터 보호할 수 다. 또 부하 전류와 2개 전압 입력에 대한 절연 10비트 ADC 측정을 I2C/SMBus 인터페이스를 통해서 액세스할 수 있으므로, 고전압 버스의 전력, 에너지, 열 모니터링을 실행한다. 

[그림 2] (a)텔레메트리를 통합한 LTM9100 Anyside 고전압 절연 스위치 컨트롤러, (b)LTM9100이 200mA 쇄도 전류 제한을 사용해서 270V 부하를 소프트 스타트하고 있다.

LTM9100은 리니어의 아이솔레이터(isolator) μModule 기술[그림 3]을 사용해서 절연 벽을 통해 신호와 전력을 전달할 수 있다. 또 신호를 펄스로 인코딩하고 이를 μModule 서브스트레이트 상에 형성된 코어리스 트랜스포머를 사용해서 절연 경계를 통해 전달함으로써 견고한 양방향 통신을 달성하게 된다.

또한 50kV/s의 동상 모드 트랜션트에 대해 중단 없는 통신을 가능케 하고, 트랜스포머를 포함하는 내부의 통합적인 DC/DC 컨버터를 사용해 절연 측을 구동하므로 외부 부품을 필요로 하지 않는다.

[그림 3] 리니어의 isolator μModule 내부 

절연 벽을 견고하게 하기 위해서 모든 LTM9100 컨트롤러 하나하나를 6kVRMS로 생산 테스트 해야 한다. 또 LTM9100은 UL1577 규격에 대해서 조만간 승인이 주어질 예정이므로 최종 양산품 제조까지 승인에 소요되는 시간을 수개월까지 단축할 수 있다. 또 절연 거리가 길기 때문에 절연 벽을 통해 ±20kV의 높은 ESD를 달성한다. ±Module 패키지로 다수의 소자와 기능을 통합함으로써 보드 공간을 최소화하고 전기와 열 성능을 향상시키는 첨단 솔루션을 제공한다.
LTM9100은 절연 특성에 의해서 하이사이드, 로우사이드(접지 리턴), 부동 애플리케이션에 따라 손쉽게 구성할 수 있다[그림 4]. LTM9100은 범용성이 뛰어나므로 핫스왑 가능 카드뿐만 아니라 AC 트랜스포머, 모터 드라이브, 인덕티브 부하 같은 다양한 애플리케이션으로 쇄도 전류를 제어할 수 있다. 또 LTM9100은 저전압과 과전압 록아웃 임계값을 조절할 수 있어 입력 전원이 정해진 범위일 때만 부하가 동작하게 한다. 22mm x 9mm x 5.16mm BGA 패키지로서, 로직 부분과 절연 부분 사이의 연면 거리는 14.6mm이다.

 

[그림 4] 하이사이드 또는 로우사이드 애플리케이션에서 LTM9100 활용 예

맺음말

전통적으로 고전압 DC 전원은 산업용 환경에서 주로 사용됐으나, 다른 전자 시스템들에서도 비용을 낮추고 전력 공급의 효율을 높이기 위해서 특히 전력 소모적인 시스템 중심으로 더 높은 전압으로 전환하려는 움직임을 보이고 있다. 

이런 전원을 위해서는 쇄도 전류를 제어하고, 스스로를 보호하고, 전력을 모니터링하기 위한 간소화된 솔루션을 필요로 한다. LTM9100은 디스크리트와 릴레이 기반 회로에 비해 훨씬 더 유리한 간소하면서도 컴팩트한 솔루션을 제공한다. 인증을 받은 즉시 사용할 수 있는 솔루션을 제공하므로 보드 공간을 절약하고 설계 시간과 인증에 소요되는 시간을 수개월 단축할 수 있다. 컴팩트한 표면실장 로우프로파일 BGA 패키지로 디지털 텔레메트리와 절연을 비롯한 모든 필요한 기능을 제공한다.

<글 : 핀케쉬 사츠데브(Pinkesh Sachdev) 리니어 혼합신호 제품 마케팅 엔지니어)>
<자료제공 : 리니어 테크놀로지/아나로그디바이스>

 

이나리 기자  narilee@epnc.co.kr

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