실리콘정류기

왜 배우는가: 실리콘정류기는 직류전기철도 변전소에서 교류를 직류 급전 전압으로 바꾸는 핵심 기기이므로 설계와 운영의 출발점이 된다. 1교시 용어 문제와 2~4교시 장·단점, 정격, 소자 특성 문제에 공통으로 이어지므로 시험에서 여러 회차에 걸쳐 나온 개념이다.

출제 이력: 제133회 1교시 4번, 제95회 1교시 9번, 제89회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

실리콘정류기는 실리콘 반도체의 정류 작용을 이용하여 교류를 직류로 변환하는 정지형 정류장치이다.

핵심 키워드는 실리콘 정류소자, 정류 작용, 순방향 특성, 역방향 특성, 3상 전파정류, 맥동, 첨두역전압, 정격이다.

실리콘정류기는 정류기의 한 형식이다. 정류 작용은 교류의 양의 반주기와 음의 반주기 가운데 한쪽 방향의 전류만 통과시키는 작용을 뜻한다. 회전기를 쓰는 전동발전기와 달리 움직이는 부분이 없으므로 소음이 적고 보수가 간단하다. 직류전기철도에서는 변전소의 주요 설비로 쓰이며, 교류 전원을 전차에 맞는 직류 전압으로 바꾸는 역할을 맡는다.

2. 개념 풀이

실리콘정류기는 교류 전원을 변압기로 적정 전압에 맞춘 뒤, 실리콘 정류소자로 전류가 한 방향으로만 흐르게 하여 직류를 얻는 장치이다. 정류소자 하나만으로도 정류는 가능하지만, 큰 전력을 다루는 변전소에서는 여러 소자를 특정한 결선으로 배열하여 사용한다. 실리콘정류기는 정류기 가운데 정류 소자의 재료로 실리콘을 택한 형식이다.

정류 원리는 실리콘 접합부에 생기는 전위 장벽에 있다. 전위가 낮은 쪽에 음극을 연결하고 전위가 높은 쪽에 양극을 연결하는 순방향에서는 전위 장벽이 낮아져 전류가 잘 흐른다. 반대로 역방향에서는 장벽이 높아져 저항이 매우 커지므로 전류가 거의 흐르지 못한다. 순방향에서는 흐르는 전류가 늘어날수록 순방향 저항이 감소하는 특성을 보인다. 정류 성능은 순방향에서 작은 저항과 역방향에서 충분히 큰 저항이라는 두 조건을 함께 만족하는 정도로 평가된다.

소자의 성능 한계는 구조와 크기에 따라 결정된다. 정류기가 안전하게 처리할 수 있는 최대 전류, 첨두역전압(역방향에 걸리는 최대 전압), 최대 입력 실효전압이 정격을 이룬다. 정격을 넘는 전류나 전압이 걸리면 소자가 파손되므로, 운전 조건에 여유를 두고 정격을 선정한다.

정류기의 손실은 주로 순방향에서 소자에 걸리는 전압 강하와 흐르는 전류의 곱으로 생기며, 이 손실은 열로 바뀌어 접합부 온도를 올린다. 그래서 온도 한계가 정격과 함께 중요한 기준이 된다. 실리콘 소자의 주의 온도는 150℃이고 셀렌 소자는 80℃이다. 이 차이 때문에 고온에 강한 실리콘 소자로 옮겨 가는 흐름이 있다.

정류 방식은 교류의 상 수와 파형 처리 방법에 따라 나뉜다. 단상 정류는 맥동이 커서 큰 용량에 적합하지 않다. 3상 교류를 전파 정류하면 각 상의 펄스가 서로 겹쳐 맥동이 작아지며, 맥동 주파수는 전원 주파수의 6배가 된다. 정류 회로의 펄스 수는 정류 방식을 구분하는 기준이며, 6펄스 정류와 12펄스 정류라는 이름도 이 펄스 수에서 나온다.

3. 등장 배경과 필요성

직류 전기철도는 교류 전원을 그대로 전차에 공급하지 않는다. 변전소에서 3상 교류 고압을 강압한 뒤 정류하여 직류로 바꾸고 전차선에 공급한다. 이때 공급되는 직류 전압은 선로 방식에 따라 600~3,000V 범위로 정해진다. 이 변환을 맡는 장치가 정류기이며, 그중 실리콘 소자를 쓴 것이 실리콘정류기이다.

정류기 기술은 시대에 따라 바뀌어 왔다. 초기 고전력 정류에는 수은 밸브 아크 정류기가 쓰였다. 1975년부터 2000년까지 고전력 응용 분야에서 수은 밸브 정류기는 대부분 초고전력 사이리스터 스택으로 대체되었다. 사이리스터는 단순한 다이오드와 달리 반도체층이 두 개 추가된 실리콘 소자이며, 이후 실리콘 소자 기반 정류가 고전력 직류 설비의 기반이 되었다.

실리콘정류기가 필요한 이유는 세 가지로 정리된다. 첫째, 수은 정류기처럼 밀폐 용기와 진공 장치가 필요하지 않아 유지보수가 간단하다. 둘째, 정지형 기기이므로 회전 기기보다 소음과 진동이 적다. 셋째, 소자를 병렬로 늘려 큰 용량을 처리할 수 있다.

3상 교류 정류의 장점은 맥동 감소이다. 맥동이 작으면 평활 회로의 부담이 줄고 직류 급전 전압의 품질이 안정된다. 이 점이 대용량 직류 설비에서 3상 정류를 택하는 이유이다.