전력변환방식

왜 배우는가: 전력변환은 신재생에너지, 전동기 제어, 데이터센터 전원 등 거의 모든 설비의 기반 기술이라 실무에서 계속 쓰인다. 시험에서는 네 가지 변환 용어를 구분하는 1교시 문제와 방식·특성을 묻는 논술형으로 반복 출제됐다.

출제 이력: 제130회 1교시 10번, 제128회 4교시 2번, 제90회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전력변환방식은 전력의 형태(직류·교류)와 전압·주파수를 바꾸는 방식으로, AC-DC·DC-DC·DC-AC·AC-AC 네 가지로 나뉜다.

핵심 키워드

• 전력변환장치
• 정류
• 인버터
• 초퍼
• 사이클로컨버터
• 전력용 반도체 스위칭
• 선형형·스위칭형

2. 개념 풀이

쉬운 말로 말하면 전력변환은 전기의 모양을 바꾸는 일이다. 콘센트 전기는 교류이고 휴대폰 배터리는 직류를 쓴다. 태양광 패널은 직류를 내고 전동기는 교류로 돌린다. 전압 크기와 주파수도 기기마다 다르다. 그래서 전기의 종류, 전압, 주파수를 목적에 맞게 바꾸는 장치가 필요하다.

정식 정의로는 전력변환장치가 전력용 반도체를 스위칭하여 입력 전력의 형태·전압·주파수를 바꾸어 출력하는 장치다. 전원 공급 장치는 크게 선형형과 스위칭형으로 나뉜다. 선형형은 소자가 선형 동작 영역에서 일하므로 전압 차이가 열로 바뀌어 손실된다. 스위칭형은 소자가 대부분의 시간을 차단이나 포화 상태에 두므로 손실이 작아 효율이 높다.

네 가지 변환을 차례로 보면 다음과 같다.

• AC-DC 변환(정류): 교류를 한 방향 직류로 바꾼다. 다이오드 브리지가 기본 회로이며, 다이오드 일부를 사이리스터로 바꾸면 위상 제어로 출력 전압을 조절할 수 있다. 이를 제어 정류기라고 한다. 전자기기의 내부 전원과 용접 전원이 대표적 응용이다. 정류 뒤에는 평활 필터를 붙여 맥동을 줄인다.
• DC-DC 변환: 직류 전압의 크기를 바꾼다. 방식은 세 가지다. 첫째, 직류를 고주파 교류로 바꾼 뒤 변압기로 전압을 바꾸고 다시 정류하는 절연형 방식이다. 둘째, 스위치와 인덕터·축전기로 직접 강압하거나 승압하는 초퍼 방식이다. 셋째, 축전기 연결을 빠르게 바꾸는 전하 펌프 방식이다. 승압·강압 컨버터(buck-boost)는 출력 전압이 입력보다 크거나 작을 수 있고, 플라이백 컨버터와 같은 동작 원리를 가진다.
• DC-AC 변환(인버터): 직류를 교류로 바꾸며 전압과 주파수를 함께 정한다. 직류 측이 전압원이면 전압형, 전류원이면 전류형 인버터다. 전압형은 제어가 쉽고 경제적이어서 최근 대부분 채용되며, 출력 펄스의 폭을 바꾸는 PWM 방식이 주로 쓰인다. 펄스의 진폭을 바꾸는 PAM 방식은 모터 저소음 목적에 쓰이지만 효율과 시동 토크에 한계가 있다.
• AC-AC 변환: 교류를 다른 전압이나 주파수의 교류로 바꾼다. 전압만 바꾸는 교류 전압 조정기(사이리스터 위상 제어), 주파수까지 바꾸는 사이클로컨버터, 교류를 직류로 바꿨다가 다시 교류로 바꾸는 간접 변환(AC-DC-AC)이 있다. 간접 변환은 UPS와 가변속 구동장치에서 흔하다.

답안을 쓸 때는 변환 이름과 대표 장치, 대표 응용을 함께 써야 채점 근거가 분명해진다.

3. 등장 배경과 필요성

전기 공급은 아직 교류 계통이 기본이지만 사용 쪽에서 직류가 빠르게 늘었다. 전자기기, LED, 배터리, 데이터센터 서버는 내부적으로 직류로 동작한다. 태양광 패널, 연료전지, 배터리 같은 신재생에너지 원은 직류를 내거나 축적한다. 이 전기를 계통에 연계하거나 부하에 맞추려면 변환장치가 필요하다.

첫째 배경은 전동기 속도 제어다. 과거에는 교류 전동기의 속도를 넓은 범위에서 바꾸기 어려워 직류 전동기를 많이 썼다. 인버터가 등장해 전압과 주파수를 함께 바꾸면서 교류 전동기도 가변속 운전이 가능해졌다. 이것이 VVVF 제어의 기반이며, 펌프·팬·엘리베이터·철도 차량 구동에 널리 쓰인다.

둘째 배경은 효율이다. 선형 전원은 입력과 출력의 전압 차이를 소자에서 열로 소비하므로 효율이 낮다. 스위칭 방식은 소자가 끄고 켜는 동작을 반복하여 손실을 줄인다. 이 때문에 전원 장치, 충전기, 서버 전원은 대부분 스위칭형이다. 다만 고속 스위칭은 고조파와 전자기 잡음을 만들므로 필터와 차폐 설계가 함께 필요하다.

셋째 배경은 변압기 소형화다. 상용 주파수 50Hz나 60Hz에서는 철심 변압기가 크고 무겁다. DC-DC 변환에서 직류를 수십 kHz 고주파 교류로 바꾸면 변압기와 인덕터를 훨씬 작게 만들 수 있다. 그래서 고주파 스위칭이 필수 기술이 됐다. 다만 고주파 스위칭 소자의 손실과 발열 관리가 새로운 과제가 된다.

넷째 배경은 반도체 소자의 발전이다. 사이리스터는 큰 전력을 다루는 정류와 위상 제어에 쓰였다. 이후 게이트 신호로 끌 수 있는 GTO, 트랜지스터, IGBT가 나오면서 고속 스위칭이 쉬워졌다. 최근에는 SiC 같은 소재의 전력 반도체가 고온·고효율 변환을 목표로 확대되고 있다.

최근 수요는 데이터센터와 전기차에서 커지고 있다. 무정전 전원장치(UPS)는 교류를 직류로 정류한 뒤 다시 교류로 바꾸는 이중 변환 구조를 쓰며, 전기차는 배터리 직류를 전동기용 교류로 바꾸는 인버터가 핵심이다. 따라서 네 가지 변환의 구분과 조합을 이해하는 것이 신재생·전동기·정보통신 설비를 함께 다루는 건축전기설비 기술사의 기본기가 된다.

신재생에너지 연계와 전동기 제어를 떠받치는 것이 전력변환이므로 네 가지 방식을 정확히 구분해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

전력변환 시스템은 입력 전원의 형태를 출력 전원의 형태로 바꾸는 장치들의 조합이다. 변환 장치의 핵심은 전력用 반도체 스위치와 이를 제어하는 스위칭 제어회로이며, 스위치를 고속으로 켜고 끄는 방식으로 전압과 주파수를 조절한다. 선형 방식은 소자를 선형 영역에서 동작시켜 남는 전력을 열로 버리므로 효율이 낮다. 스위칭 방식은 소자를 차단 또는 포화 상태에서만 동작시켜 손실을 줄인다.

구성요소를 기능별로 나누면 다음과 같다.

변환부 소자의 선택 기준은 정격 전압, 정격 전류, 스위칭 주파수 세 가지 사이의 상충 관계이다. 예를 들어 MOSFET은 고주파 동작에 유리하지만 고전압에는 적합하지 않다. 그래서 낮은 전압 영역에서는 MOSFET이, 고전압·대전류 영역에서는 IGBT나 사이리스터가 주로 쓰인다. 소자를 병렬로 연결해 전류 용량을 키울 수 있으며, 온도 계수가 양(+)인 소자는 전류 분담이 비교적 고르게 된다.

원리는 다음 흐름으로 설명한다.

• 입력 교류를 정류부에서 직류로 변환한다.
• 평활부에서 직류 맥동을 줄여 안정된 직류 전압을 만든다.
• 인버터부에서 고속 스위칭으로 직류를 원하는 전압·주파수의 교류로 바꾼다.
• 필터부에서 스위칭 고조파를 걸러 정현파에 가까운 출력을 얻는다.
• 제어부가 출력 전압·전류를 측정해 스위칭 듀티를 조정한다.

인버터의 출력 제어 방식은 크게 두 가지다. PAM(펄스 진폭 변조) 방식은 펄스의 진폭을 바꾸고, PWM(펄스 폭 변조) 방식은 펄스의 폭을 바꾼다. 현재 대부분의 인버터는 전압형 PWM 방식을 쓴다. 전류형 인버터는 전원 회생이 쉬워 관성 부하의 정역 운전에 유리하지만 가격이 높다.

출력 전압의 기본적인 관계는 다음과 같다. 스위칭 소자의 온 시간 비율을 듀티비 D라 하면, 강압형(Buck) 컨버터의 이상적인 출력 전압은 다음과 같다.

$V_o = D \cdot V_{in}$

여기서 V_o는 출력 전압[V], D는 듀티비(0~1), V_{in}은 입력 전압[V]이다. 승압·강압형(Buck-Boost)은 V_o = \frac{D}{1-D} V_{in} 로 쓴다.

예제: 입력 V_{in}=311\text{V}(정류 후 직류), 듀티비 D=0.5인 강압 컨버터의 출력은 V_o = 0.5 \times 311 = 155.5\text{V}이다. 결과는 입력의 절반이므로 상식 범위 안이다.

전력변환의 효율은 스위칭 소자가 포화·차단 상태에서 동작하는 비율로 결정된다

듀티비 0~1

5. 관련 법령·기준·표준

전력변환장치의 설계와 시험은 전기 관련 법령과 국가 표준을 따른다. 아래 표는 본문에서 쓰는 기준값을 모은 것이다. 기준값은 정격 조건과 측정 조건에 따라 다르므로 표의 조건을 함께 적어야 한다.

KEC(한국전기설비규정)는 2021년 1월 1일부터 시행된 전기설비 기술기준 체계이며, 구 '전기설비기술기준의 판단기준'을 대체했다. 전력변환장치의 설치와 접지는 KEC의 인버터·정류기 관련 조항을 따른다.

고효율 모드와 이중 변환 모드의 효율 차이는 소자의 상시 스위칭 여부에서 생긴다. 고효율 모드는 바이패스 경로를 쓰므로 효율이 높지만 전압 보호 성능은 낮아진다. 이중 변환 모드는 항상 정류와 인버터를 거치므로 전압 품질이 안정적이다.