[테크월드=선연수 기자] 절연이 무엇인지는 다들 잘 알고 있지만, 다양한 절연의 유형에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 이 글에서는 4가지의 절연 유형과, 통합 트랜스포머 기술의 절연 솔루션에 대해 살펴본다.

 

절연(Isolation)이란 간단히 말해 시스템 내 분리된 부품 간 원하는 신호나 전력은 전달하면서, 원치 않는 DC, AC 전류를 차단하는 것이다. 많은 애플리케이션에 절연이 사용되며, 절연 기능을 통해 ▲전원이나 모터 드라이브 회로의 상측 게이트 드라이버 구동 ▲고전압 시스템 상에서 저전압 회로 보호(예를 들어 전기자동차 시스템 프로세서) ▲서로 다른 전압 전위 시스템 간 통신 분리 ▲고전압 장비를 사용하는 최종 소비자의 전기 충격 방지 등을 수행한다.

 

기능 절연과 기본 절연

기능 절연(Functional isolation)은 용어에서 알 수 있듯이 단순히 절연 기능만 제공하는 것이다. 전압 전위가 다른 시스템들 사이에 신호나 전력을 전달하며, 전기적 충격에 대한 보호는 제공하지 않는다.

이 다음 단계가 기본 절연(Basic isolation)이다. 기능 절연에 전기 충격에 대한 보호 기능을 더한 것으로, Class Ⅰ 디바이스는 기능 절연에 어스 접지 연결을 사용해 사용자를 보호한다. [그림 1]은 통상적인 Class Ⅰ 디바이스를 나타낸다.

 

[그림 1] Class Ⅰ 디바이스

 

이중 절연

기본 절연은 전기 충격에 대한 기본적인 수준의 보호 기능을 제공한다. 기본 절연이 실패했을 때 발생할 수 있는 전기 충격의 가능성을 낮추기 위해, 전기적 부분과 최종 소비자 간 보조적인 절연 레이어를 추가하게 되는데 이것이 바로 이중 절연(Double isolation)이다.

Class Ⅱ 제품은 이중 절연을 필요로 한다. 이 제품은 어스 접지 프롱(Prong)이 없는 AC 플러그를 사용해 제조되며, 사용자 안전을 위해 외부적 배선이 사용되지 않아 안전성이 향상된다. 이중 절연을 사용한 최종 장비로는 전력망 자산 모니터링 시스템, Ⅳ 펌프와 같은 휴대용 의료기기, 블렌더와 같은 가전제품, 휴대폰 전원 충전기 등이 있다.

이차 레이어를 사용하면 외부 케이스로부터 내부의 금속 부분을 물리적으로 차단하거나, 외부 케이스로 플라스틱과 같은 비전도성 소재를 사용할 수 있다. Class Ⅱ 디바이스는 이중 보호기능을 위해 외부로부터의 배선을 사용하지 않아 Class Ⅰ 디바이스 대비 상당한 안전성을 제공한다. [그림 2]는 Class Ⅱ 디바이스의 개략도를 나타낸다.

 

[그림 2] Class Ⅱ 디바이스

 

강화 절연

강화 절연(Reinforced isolation)은 단일 레이어를 사용해 이중 절연과 같은 효과를 낸다. 강화 절연을 사용한 디바이스는 기본 절연 기능과 함께 PCB 트레이스, 코어, 권선, 핀 간 물리적 간격을 확보하면서도, 안전을 위한 연면 거리와 간격(2개의 전압 시스템 간 물리적 거리)을 충족할 수 있도록 설계된다. 강화 디바이스는 이중 절연으로 설계되지만 단일 피스로서만 테스트될 수 있다.

 

절연 표준

절연을 위한 안전 표준은 인증을 위한 다양한 달성 요건을 규정하고 있다. IEC 60950-1 표준은 기본 절연으로 3.2mm, 강화 절연과 이중 절연으로 6.4mm의 연면 거리와 간격을 요구한다. 전압 정격 요구는 기본 절연으로 1분에 2500VRMS, 1초에 3000VRMS, 강화 절연과 이중 절연으로는 1분에 5000VRMS, 1초에 6000VRMS다. 이를 보면, 강화·이중 절연 요건이 기본 절연의 정확히 두 배 수준이라는 것을 알 수 있다. 이중 절연 디바이스는 [그림 3]에서 보는 것과 같이 라벨 상에 이중 상자 표시가 표기된다.

 

[그림 3] 이중 절연 표기

Class Ⅱ 디바이스를 설계하기 위해서는 이중 절연이나 강화 절연이 필요하다. 이중 어떤 절연을 선택할 지는 해당 솔루션의 크기와 비용에 따라 달라진다. 두 가지 일을 다 할 수 있는 단일 디바이스를 사용하면, 당연히 물리적으로 솔루션 크기를 줄일 수 있다. 통합 디바이스를 사용해 비용을 절감하고, 절연 안전성 표준 충족에 소요되는 엔지니어링도 줄일 수 있는 것이다.

 

통합 절연 솔루션

텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments, 이하 TI)는 소형 패키지에 통합된 강화 절연 솔루션을 담은 UCC12050 제품을 제공하고 있다. 이는 제어, 드라이버, 전계 효과 트랜지스터, 자기 소자를 비롯한 모든 것을 단일 패키지로 통합하고 있다.

몇 개의 바이패스 커패시터만 있으면 적절한 보드 레이아웃 지침에 따라 보드 상에 디바이스를 탑재하고, 소형화된 풋프린트로 바이어스 전원 공급 애플리케이션을 위한 강화 절연 솔루션을 설계할 수 있다. 엔지니어링 작업이 모두 이뤄져 있어, 자기 소자를 이용한 설계나 전원 컨트롤러를 선택하지 않아도 된다.

VDE 0884-10, IEC 60747-17와 같은 표준은 강화 절연 디바이스 인증을 위한 최소 요건을 정의하고 있다. 이에 UCC12050은 7kVPK(1초, 생산 테스트)의 최소 보호와 5kVRMS(1분) 절연으로 강화 절연에 대한 요건을 충족한다.

 

[그림 4] UCC12050 기능 블록 다이아그램

 

결론

정리하자면, 기능 절연과 기본 절연은 하나의 전압 레일을 다른 레일로부터 전기적으로 절연하는 것이고, 이중 절연과 강화 절연은 설계만 다를 뿐 플러그로부터 어스 접지 핀을 제거하는 같은 목표를 위해 호환할 수 있는 솔루션이다. 이중 절연과 비교해 강화 절연의 강점은 2개의 절연 디바이스를 하나로 줄일 수 있다는 점이다. 이를 활용해 다른 절연형 바이어스 전원 솔루션 대비 시간, 노력, 비용을 절감할 수 있다.

 

글: 윌 해든(Will Hadden) TI 오토모티브 ASIL 애플리케이션용 절연 게이트 드라이버 시스템 엔지니어

자료제공: 텍사스 인스트루먼트

 

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 5월 호에 게재된 기사입니다.

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