즐겨찾기 등록 RSS 2.0
장바구니 주문내역 로그인 회원가입 아이디/비밀번호 찾기
home
기사 분류 > 전기기술
파워 일렉트로닉스 기술 현황과 전망
2005년 12월 2일 (금) 02:05:00 |   지면 발행 ( 2005년 11월호 - 전체 보기 )

파워 일렉트로닉스 기술 현황과 전망개요인버터를 대표하는 파워 일렉트로닉스 기기는 가전, 산업, 교통, 전력의 온갖 분야에서 에너지 절약화와 고성능화·고기능화에 공헌하고 있다. 게다가 최근 지구온난화나 환경오염 등의 지구환경문제와 세계적인 에너지 사정의 핍박으로 클린 전력을 이용하면서 에너지 절약효과가 높은 파워 일렉트로닉스 기기에 대한 기대가 더욱 높아지고 있다.이러한 파워 일렉트로닉스 기기에 대한 주요 시장요구로 소형화·고효율화·고성능화·고신뢰화, 환경조화를 예로 들 수 있다. 이들 시장의 요구에 부응하기 위해 파워 일렉트로닉스 기술은 파워 디바이스, 전력변환회로기술, 제어기술 및 집적(integration)기술 4가지를 주체로 기술개발이 활발하게 진행되고 있다.파워 디바이스로는 역도통 IGBT(Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor : RC-IGBT)와 역방지 IGBT(Reverse Blocking IGBT : RB-IGBT) 등 신기능 디바이스와 SiC(Silicon Carbide) 디바이스와 같은 신재료 디바이스의 실용화를 기대하고 있다. 전력변환회로기술로는 단계적 변화 제어형 인버터와 매트릭스 컨버터 등 새로운 방식의 인버터를 개발 실용화하기 시작했다. 제어기술에서는 모터의 센서리스 제어기술 개선과 제어 파라미터의 자동조정기술 개발이 착실하게 진보하고 있다. 게다가 미래 마이크로그리드(microgrid)를 비롯한 새로운 전력 공급시스템을 실용화하기 위해서는 시스템에 사용하는 다수의 파워 일렉트로닉스 기기 간의 전력융통제어도 중요한 기술과제가 된다. 서멀 매니지먼트나 구조·실장기술 등 집적기술은 파워 일렉트로닉스 기기를 더욱 소형화하고 고신뢰화 하는데 불가결하기 때문에 향후 기술진보가 기대된다.각종 모터 구동용 인버터와 스위칭 전원을 비롯한 파워 일렉트로닉스 기기는 에어컨이나 조명기구 등 가전·민생제품부터 전력계통 시스템의 사회 인프라까지 폭넓은 분야에 에너지 절약과 고성능화·고기능화에 공헌한다.미츠비시전기는 이들 파워 일렉트로닉스 기기의 키 구성요소인 파워 디바이스를 포함해 가전, 산업, 교통, 전력 등 온갖 분야에 사용되는 파워 일렉트로닉스 기기 제조에 종사하며 파워일렉트로닉스 기술의 발전에 공헌했다. 본고에서는 미츠비시전기가 배양한 파워 디바이스, 전력변환회로기술, 제어기술 등 파워 일렉트로닉스 기술을 중심으로 설명한다.

시장 요구와 기술과제파워 일렉트로닉스 기기는 파워 디바이스를 응용한 전력변환장치와 전력변환장치의 입출력전압·전류를 제어하기 위한 제어장치로 구성된다.전력변환장치의 입출력을 에너지 형태로 착안해 크게 나누면 <그림2>와 같다. 입력 측 전기 에너지원으로는 상용전원 외에 엔진이나 풍차에 직결된 발전기, 태양전지나 연료전지 등의 발전형 전지가 있다. 한편 출력 측 부하기기로는 전기에너지를 기계에너지로 이용하는 모터, 전력계통시스템과 같이 전기에너지로 이용하는 전기적 부하 및 조명기구와 같이 광 에너지로 이용하는 물리적 부하가 있다. 또한 전력변환장치에는 전력을 축적하는 기능이 없기 때문에 전력저장이 필요한 경우는 전기 2중층 커패시터나 배터리를 사용한다.<그림2>에 나타내듯이 대표적인 파워 일렉트로닉스 응용제품 중 하나로 교류 모터 구동용 인버터가 있다. 미츠비시에서는 팬·펌프의 에너지 절약 구동용 범용 인버터와 철도차량 추진제어장치, 엘리베이터 권상기 구동용 인버터, HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모터 구동용 IPU(Integrated intelligent Power drive Unit), 에어컨 압축기모터구동용 인버터 등을 제조하고 있다. 또 전기적 부하 대응의 응용제품으로 무정전 전원장치와 태양광 발전용 파워 컨디셔너 등이 있다. 물리적 부하 대응의 응용제품으로는 조명기구용 인버터, 자동차용 HID(High Intensity Discharge)램프 점등장치, 레이저 가공기용 레이저 발진전원 등이 있다. 이들 파워 일렉트로닉스 응용제품을 지원하는 키 파트가 파워 디바이스와 파워 모듈이다.이와 같이 현재 파워 일렉트로닉스 기기는 세계 다양한 분야에 보급하고 있는데 파워일렉트로닉스 기기에 대한 시장 요구로 다음과 같은 예를 들 수 있다.1. 소형화파워 디바이스의 소형화·저손실화, 고주파 스위칭 회로기술과 실장기술이 진보함에 따라 파워 일렉트로닉스 기기의 소형화가 진전됐음에도 더욱 더 소형화를 요구하고 있다.2. 고효율화파워 디바이스의 스위칭 동작으로 인해 발생하는 손실을 제로까지 끊임없이 저감하는 것이 영원한 기술과제이다. 손실이 줄면 냉각이 용이해 지기 때문에 기기의 소형화로도 직결된다.3. 환경조화파워 일렉트로닉스 기기가 주위환경과 조화되기 위해서는 파워 디바이스의 스위칭 동작에 기인하는 전원 고조파, 소음이나 전자 노이즈 저감이 필요하다. 원리적 대책수단은 알고 있지만 대책 비용이나 장치 치수와의 트레이드오프가 있기 때문에 적용 용도마다 대책을 고안하고 있다.4. 고성능화·고기능화모터구동용 인버터에서는 속도나 토크의 제어응답 향상과 속도센서의 센서생략, 제어 파라미터의 자동조정이 요구된다. 속도 센서리스화로 인해 모터와 인버터 사이의 신호선이 불필요해지기 때문에 인버터의 고신뢰화로도 직결된다.5. 고신뢰화생산 공장에서 사용되는 인버터에 고장이 발생하면 생산에 영향을 미치기 때문에 인버터에는 고신뢰성이 요구된다. 이를 위해 전해콘덴서와 같은 수명부품 교체시기를 예측하는 기술과 수명부품을 사용하지 않는 전력변환회로방식을 개발해야 한다. 게다가 부품고장이 발생해도 운전 지속이 가능한 장황한 시스템을 요구하는 용도도 있다.이러한 시장의 요구에 부응하기 위해 종래 파워 일렉트로닉스 기술은 ‘파워 디바이스’, 이를 적용한 ‘전력변환회로’ 및 이 회로의 ‘제어’를 3가지 주체로 개발을 진행했다. 그러나 최근 소형화·원가절감화 요구가 증가하면서 냉각기술, 절연기술, 재료기술 등 관련기술을 결집한 ‘집적 기술’의 필요성이 더욱 높아지고 있다.따라서 본고에서는 파워 디바이스, 전력변환회로, 제어기술 및 집적 기술 4가지를 키워드로 미츠비시의 최근 기술개발의 진행상황을 소개하며, 이들 기술의 현황과 미래 동향을 설명한다.파워 디바이스파워 디바이스의 역사는 1950년대에 시작됐는데 양극(Bipolar)계 디바이스와 MOS(Metal Oxide Semiconductor)계 디바이스로 대별된다. 양극계 디바이스는 사이리스터, GTO(Gate Turn Off) 사이리스터, GCT(Gate Commutated Turn-off) 사이리스터, 파워 트랜지스터가 있으며, MOS계 디바이스에는 IGBT, 파워 MOSFET(MOS Field Effect Transistor)가 있다. 현재는 1980년대 제품화된 IGBT가 파워 디바이스의 주역을 차지하고 있다. 설계 규칙인 미세화, 플레이너 구조에서 트렌치 구조로 이행, 웨이퍼의 박후화(薄厚化) 등의 기술진보를 통해 2000년대 제품화된 제5세대 IGBT는 제1세대 제품과 비교해 칩 전류밀도가 약 2배, 포화전압이 약 65%까지 개선됐다. 그리고 인버터에 적용했을 때의 전력손실은 1/3까지 저감됐다.IGBT 발전에 큰 역할을 담당한 것으로서 IGBT 칩 및 최적의 구동·보호기능을 멀티 칩 구성으로 소형화한 모듈 패키지에 집적화한 미츠비시 독자 컨셉의 인텔리전트 파워 모듈(Intelligent Power Module : IPM)이 있다. IPM은 1980년대 후반 제품화돼 지금까지 많은 응용분야에서 고객의 요구와 문제의 해결로 발전함과 동시에 기술 진보도 이뤘다. 1990년대 가전용 인버터와 그 밖의 소용량 모터구동 분야의 경우 시스템의 소형화·고성능화, 저비용화에 대한 요구가 더욱 높아졌기 때문에 최적의 솔루션으로 HVIC(High Voltage Integrated Circuit) 기술 및 트랜스퍼 몰드 패키지 구조기술을 적용한 업계 최초의 DIP-IPM(Dual In-line Package IPM)시리즈를 제품화했다. DIP-IPM은 시장투입 후, 급속하게 보급되면서 현재 인버터 가전제품에서 결함 제품으로 주목 받고 있다.파워 디바이스(칩)와 구동회로를 내장한 파워 모듈에서는 ① 스위칭 시 서지전압 제어를 위한 모듈 내부 임피던스의 최소화, ② 내부전극으로 인한 전자계의 영향 억제, ③ 최적의 절연구조, ④ 납땜이나 알루미늄 와이어의 장수명·고신뢰의 접합기술이 중요과제다. 때문에 이러한 문제를 해결하기 위한 집적 기술과 패키지 기술 개발이 불가결하다.미츠비시에서는 IGBT 모듈 패키지로 케이스 형태와 트랜스퍼 몰드 형태의 2종류를 제품화했다. 트랜스퍼 몰드 형태의 DIP-IPM은 앞서 설명했듯이 소형·원가절감과 고신뢰라는 특징으로 인해 적용용도가 대폭 확대되고 있다.케이스 형태로는 4.5kV 정격모듈까지 제품화했으며 전기철도용 차량추진 장치 등 대용량 파워 일렉트로닉스 기기의 소형화·고효율화에 공헌했다. 6.5kV 정격모듈의 제품화 개발도 추진하고 있다.미츠비시에서는 소형화와 고기능화를 목적으로 집적 기술과 패키지 기술 개발에 힘을 쏟고 있다. <그림3>에 나타내듯이 신기능 소자인 RC-IGBT와 RB-IGBT의 실용화 개발도 진행하고 있다. 장래적으로는 SiC를 적용한 MOSFET나 SBD(Shottky Barrier Diode) 등이 초저손실 파워 디바이스로 시장에 등장, 파워 일렉트로닉스 기술의 새로운 전개가 기대된다.전력변환회로현재, 모터구동용 인버터를 비롯해 <그림4>의 2레벨 인버터 회로가 폭넓은 용도로 사용되고 있다. 이 회로는 구성이 간단하고 사용할 파워 디바이스 수도 적다는 점에서 회로 면에서는 하나의 이상형이라 할 수 있다.그러나 파워 디바이스의 스위칭 동작에 기인하는 자기소음이 구동되는 모터로부터 발생한다. 따라서 자기소음을 저감시키기 위해 고주파 스위칭이 일반적으로 실행되고 있지만 스위칭 손실 증가로 인해 변환효율이 저하된다. 또 전자노이즈가 증가하기 때문에 노이즈 저감 필터를 부가할 필요가 있다.콘덴서 입력형의 다이오드 정류회로는 전원고조파 전류성분이 많기 때문에 전원고조파 성분이 규제되는 용도에 적용할 경우는 고조파 저감대책이 필요하다. 대책 예로는 다이오드 정류회로를 인버터 회로와 동일한 구성 회로로 전환시키면 된다. 그러나 스위칭에 따라 발생하는 고조파전류를 억제하기 위한 LC필터를 부가해야 하기 때문에 장치 치수와 비용이 증가하는 문제가 발생한다.따라서 적용분야와 용도에 따라 다른 고객 요구에 맞춰 전력변환회로에는 다양한 공법을 고안하고 있다.
<그림5>는 미츠비시가 기술개발한 단계적 변화 제어형 인버터의 원리도다. 이 인버터는 입력직류전압 비율이 2진수 또는 3진수가 되는 복수의 단상 인버터를 직렬 접속해 각각 출력전압의 합계가 실제와 비슷한 정현파가 되도록 각 인버터의 스위칭을 실시하는 것이다. 고주파 스위칭이 불필요하므로 변환효율이 높고 전자 노이즈가 적기 때문에 전력변환장치의 소형화·고효율화가 가능하다. 전력품질 개선으로 이용하는 순저 보호장치와 무정전 전원장치에 적용했더니 장치의 소형화와 고효율화에 현저한 효과를 얻을 수 있다는 사실이 확인됐다. 향후 적용범위의 확대가 기대된다.또한 실용화가 기대되는 그 밖의 전력변환 회로로는 매트릭스 컨버터가 있다. 이 회로에는 직류링크를 연결하지 않고 직접 AC-AC변환하는 직접형과 직류링크를 보유한 간접형의 2가지 방식이 있다. 어느 방식이든 평활콘덴서가 불필요하기 때문에 장치의 소형화와 고신뢰화를 기대할 수 있다. 단 평활 콘덴서로 인한 전력의 평활·축적기능이 없기 때문에 전원전압이 흔들릴 때나 순시정전 발생 시 입력전력변동이 모터의 부하기기에 영향을 주지 않도록 제어 알고리즘을 고안할 필요가 있다. 파워 일렉트로닉스 기기를 더욱 더 소형화하기 위해서는 수동부품인 리액터와 콘덴서의 소형화, 생략 가능한 전력변환회로방식이 바람직하기 때문에 고주파 스위칭의 매트릭스 컨버터도 실용화 될 것으로 기대한다.제어기술모터 제어에 대해서는 유도 모터, 같은 기간의 모터 둘 다 벡터제어의 적용으로 인한 고속응답·고정밀도의 제어기술이 거의 완성 영역에 도달했다. 속도 센서리스화와 제어 파라미터의 자동조정화 등 고기능화에 관해서는 시장의 요구가 높아지면서 앞으로도 개선개발이 지속될 것으로 예상된다.향후 태양광과 풍력 등의 재생 가능한 에너지를 이용한 분산전원 시스템의 본격적인 보급이 예상된다. 이들 시스템에 사용되는 파워 일렉트로닉스 기기에 관해서는 태양전지, 풍력발전기, 연료전지 등의 부하 각각의 특성에 합치한 기기 개별 제어기술 개발에 더해 분산전원 시스템 전체의 전력 메니지먼트를 위한 제어기술개발이 중요해질 것이다.모터나 발전기와 같은 전기기기는 전기적 등가회로모델의 도출이 용이하기 때문에 제어이론을 적용하기 쉽다. 이에 비해 배터리나 연료전지와 같이 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 기기와 조명기구나 레이저와 같이 전기에너지를 광 에너지로 변환하는 기기는 전기적 등가회로 모델 도출이 곤란하기 때문에 전력변환회로에 따라 이들 기기를 최적으로 제어하기 위해서는 등가회로모델 도출이 중요과제가 된다. 향후 이들 물리적 부하를 지닌 전력변환회로의 제어기술에 대한 진보가 기대된다.집적기술파워모듈 개발에서는 앞의 ‘파워디바이스’에서 설명한 과제가 있다. 미츠비시에서는 파워 디바이스가 지닌 성능을 최대한으로 끌어내기 위해 파워 모듈 내부의 분포정수 추출과 스위칭 특성해석에 따른 모듈 내부배선의 설계기술 개발을 진행했다. 이로써 파워 디바이스의 턴 오프 시 서지 전압뿐 아니라 배선 간 전자결합으로 인한 게이트 전압변동과 배선의 기생인덕턴스로 인한 병렬소자 간의 분류 언밸런스 등의 해석이 가능해져 파워 모듈의 최적 배선설계에 위력을 발휘하고 있다. 이러한 해석기술은 파워 모듈뿐 아니라 전력변환회로의 주회로 구조설계에도 적용가능하다.또한 6.5kV 정격 IGBT 모듈에 보이듯이 최근 파워 모듈은 고전압화가 진전되고 있기 때문에 신뢰성이 높은 절연구조가 요구된다. 미츠비시에서는 고신뢰의 절연구조를 실현하기 위해 고감도 절연평가 방법을 개발해 재료와 구조의 고신뢰화에 대한 적용을 추진하고 있다. 게다가 모듈 내부의 절연재료에 인가되는 전계는 수kV/㎜로 높아지고 있으며, 이와같은 고전계하에서는 절연재료중의 분극과 공간전하의 축적이 발생해 절연 특성과 디바이스 동작에 영향을 미칠 가능성이 있다. 이러한 새로운 과제에 대해서도 물리현상을 해명하면서 절연신뢰성이 높은 구조개발을 진행하고 있다.파워 일렉트로닉스 기기를 소형화·고신뢰화하기 위해 파워 디바이스·모듈의 최적배치, 고열전도재료, 고성능 히트싱크로 인한 서멀 매니지먼트가 중요과제가 됐다. 미츠비시에서는 파워 모듈의 열부하와 용도에 맞는 고신뢰성 재료선정과 냉각구조를 채용하고 있다. 공냉·수냉 히트 싱크나 열 수송기기의 냉각성능향상과 형상최적화에 따라 소형·원가절감 실장이 가능해졌다. 게다가 SiC 파워 디바이스의 실용화도 기대할 수 있어 고접합 온도대응의 절연재료와 실장구조기술 개발도 추진하고 있다.이상, 파워 일렉트로닉스 기술의 현황과 미래 동향 및 미츠비시의 대책에 관해 설명했다. 클린 에너지 전력을 이용한 고효율 파워 일렉트로닉스 기기는 화석연료 고갈과 지구온난화와 같은 에너지 문제와 지구환경보호문제 해결에 공헌하므로 향후 수요가 더욱 높아짐과 더불어 적용분야 확산이 기대된다.이러한 기대에 부응하기 위해 미츠비시의 기술력을 결집해 신기술·신제품 개발을 수행할 생각이다.

<Energy News>

인쇄하기   트윗터 페이스북 미투데이 요즘
네이버 구글
이전 페이지
분류: 전기기술
2005년 11월호
[전기기술 분류 내의 이전기사]
(2005-10-31)  [연재강좌] 최근의 광기술
(2005-10-31)  [단기연재] 초음파 코로나 탐지기
(2005-10-31)  [이달의 신제품 기술정보] 전원분배장치의 개요
(2005-10-31)  도심지 전식대책을 위한 분포형 외부전원 시스템
(2005-10-31)  66/77kV용 단락 대응 속류차단형 아크혼 개발
핫뉴스 (5,304)
신제품 (1,566)
전기기술 (868)
특집/기획 (810)
전시회탐방/에너지현장 (301)
업체탐방 (262)
자격증 시험대비 (255)
전기인 (134)
분류내 최근 많이 본 기사
시스템의 안정성을 보장하는...
인버터에 의한 모터제어
[신기술] 인체에 치명적인 C...
비상 발전기 및 소방 전원 보...
[빛의 향연, LED 조명 ①] 조...
비상발전기의 운영 및 유지 ...
고압 전류 제한 퓨즈
[전문가칼럼] 전기안전지침(...
[무정전 전원 장치(UPS)] UP...
히트펌프의 최신기술동향
과월호 보기:
서울마포구 성산로 124, 6층(성산동,덕성빌딩)
TEL : 02-323-3162~5  |  FAX : 02-322-8386
정기간행물등록번호 : 마포 라00108  |  통신판매업신고번호 : 마포 통신 제 1800호
개인정보관리책임자 : 강창대 팀장 (02-322-1201)

COPYRIGHT 2013 JEONWOO PUBLISHING Corp. All Rights Reserved.
Family Site
네이버 포스
회사소개  |  매체소개  |  정기구독센터  |  사업제휴  |  개인정보취급방침  |  이용약관  |  이메일주소 무단수집 거부  |  네이버 포스트  |  ⓒ 전우문화사