AC/DC 및 DC/DC 컨버터: 표준 전원 솔루션 및 주요 애플리케이션
전원 공급 장치 설계자들은 설계 아키텍처에 고품질 AC/DC 전원 공급 장치, DC/DC 컨버터 및 스위칭 레귤레이터를 사용하면, 사용자가 신뢰할 수 있는 높은 신뢰성의 최종 제품을 얻을 수 있다는 점을 잘 이해하고 있습니다. 의료, 시험·계측, 산업, 모빌리티, 자동화, 사물 인터넷(IoT), 고전력 밀도 애플리케이션 등 매우 다양한 분야에서 콤팩트한 전원 공급 장치에 대한 설계 요구 사항이 존재합니다.
콘센트에 연결되는 전자 기기는 교류(AC) 입력 전력을 직류(DC) 출력 전력으로 변환하기 위해 고품질 AC/DC 컨버터가 필요합니다. 대부분의 설계에서 반도체 소자는 DC 전원으로 동작합니다. DC/DC 컨버터는 특히 입력 소스가 변동할 때도 안정적이고 일정한 전압으로 시스템에 전력을 공급하기 위해 주로 사용됩니다. 이들 전력 컨버터는 고주파 스위칭 회로에 인덕터, 스위치, 커패시터를 조합하여 설계되며, 시스템의 스위칭 노이즈를 줄이는 데 기여합니다. 그 결과 견고하고 안정적인 조정형 DC 전압 출력을 얻을 수 있습니다.
콘센트에 연결되는 전자 기기는 교류(AC) 입력 전력을 직류(DC) 출력 전력으로 변환하기 위해 고품질 AC/DC 컨버터가 필요합니다. 대부분의 설계에서 반도체 소자는 DC 전원으로 동작합니다. DC/DC 컨버터는 특히 입력 소스가 변동할 때도 안정적이고 일정한 전압으로 시스템에 전력을 공급하기 위해 주로 사용됩니다. 이들 전력 컨버터는 고주파 스위칭 회로에 인덕터, 스위치, 커패시터를 조합하여 설계되며, 시스템의 스위칭 노이즈를 줄이는 데 기여합니다. 그 결과 견고하고 안정적인 조정형 DC 전압 출력을 얻을 수 있습니다.
DC/DC 컨버터: 기본 개요
DC/DC 컨버터는 여러 유형으로 나뉘며, 각 유형은 전자 시스템에서 서로 다른 전압 조정 요구를 충족하도록 설계되어 있습니다. 아래에서는 대표적인 DC/DC 컨버터 유형과 그 주요 기능 및 특징을 살펴보겠습니다.
벅 컨버터
강압(벅) 컨버터는 더 높은 DC 입력 전압을 안정화된 더 낮은 DC 출력 전압으로 변환하는 토폴로지입니다. 그림 1 참조.
그림 1: 단순 DC/DC 벅 컨버터 전압 레귤레이터 예시 (참고 문헌 1에서 제공한 이미지)
벅 컨버터의 장점은 손실이 적어 97% 이상의 효율을 달성할 수 있다는 점입니다. 스위칭 주파수는 수백 kHz 범위까지 올라가며, 작은 인덕터와 빠른 과도 응답을 통해 높은 전력 밀도를 구현할 수 있습니다. 스위칭 주기 동안 FET 스위치가 꺼져 있는 구간에는 출력이 0으로 떨어지므로, 무부하 시 전력 소비를 매우 낮게 억제할 수 있습니다. 이와 같은 장점 덕분에 벅 레귤레이터는 다양한 애플리케이션에서 선형 전압 레귤레이터를 대체하는 매력적인 옵션이 됩니다.
반면 단점도 있습니다. 펄스 폭 변조(PWM) 레귤레이터의 피드백 회로는 주기별(cycle-by-cycle)로 제어가 이루어지기 때문에, 제대로 조정(regulation)되려면 일정 수준 이상의 출력 리플이 필요합니다. 또한 출력 리플은 듀티 사이클에 의존하며, 일반적으로 50%일 때 최대가 됩니다. 이런 특성 때문에 μV 수준까지 리플과 노이즈를 낮추는 것은 사실상 어렵고, 이런 수준은 비스위칭 방식의 선형 레귤레이터를 사용해야만 달성할 수 있습니다.
보다 깨끗한 전원이 필요하다면 벅 레귤레이터 뒤에 선형 레귤레이터를 추가로 배치하여 두 토폴로지의 장점을 결합할 수 있습니다. 선형 레귤레이터의 전원 제거비(PSRR, Power Supply Rejection Ratio)가 출력 리플/노이즈를 크게 억제해 주기 때문입니다.
그림 1: 단순 DC/DC 벅 컨버터 전압 레귤레이터 예시 (참고 문헌 1에서 제공한 이미지)
벅 컨버터의 장점은 손실이 적어 97% 이상의 효율을 달성할 수 있다는 점입니다. 스위칭 주파수는 수백 kHz 범위까지 올라가며, 작은 인덕터와 빠른 과도 응답을 통해 높은 전력 밀도를 구현할 수 있습니다. 스위칭 주기 동안 FET 스위치가 꺼져 있는 구간에는 출력이 0으로 떨어지므로, 무부하 시 전력 소비를 매우 낮게 억제할 수 있습니다. 이와 같은 장점 덕분에 벅 레귤레이터는 다양한 애플리케이션에서 선형 전압 레귤레이터를 대체하는 매력적인 옵션이 됩니다.
반면 단점도 있습니다. 펄스 폭 변조(PWM) 레귤레이터의 피드백 회로는 주기별(cycle-by-cycle)로 제어가 이루어지기 때문에, 제대로 조정(regulation)되려면 일정 수준 이상의 출력 리플이 필요합니다. 또한 출력 리플은 듀티 사이클에 의존하며, 일반적으로 50%일 때 최대가 됩니다. 이런 특성 때문에 μV 수준까지 리플과 노이즈를 낮추는 것은 사실상 어렵고, 이런 수준은 비스위칭 방식의 선형 레귤레이터를 사용해야만 달성할 수 있습니다.
보다 깨끗한 전원이 필요하다면 벅 레귤레이터 뒤에 선형 레귤레이터를 추가로 배치하여 두 토폴로지의 장점을 결합할 수 있습니다. 선형 레귤레이터의 전원 제거비(PSRR, Power Supply Rejection Ratio)가 출력 리플/노이즈를 크게 억제해 주기 때문입니다.
부스트 컨버터
승압(부스트) 컨버터 전력 설계는 낮은 입력 전압을 안정적이고 견고한 높은 출력 전압으로 변환합니다. 그림 2 참조.
그림 2: 단순 DC/DC 부스트 컨버터 레귤레이터 예시 (참고 문헌 1에서 제공한 이미지)
부스트 컨버터의 장점은 출력 전압을 마크-스페이스 비율(고레벨 시간과 로우레벨 시간의 비, 즉 듀티 사이클)에 따라 조정할 수 있다는 점입니다. 예를 들어 듀티 사이클이 50%일 때는 PWM 신호의 고레벨 구간과 로우레벨 구간이 동일하며, 이 경우 출력 전압은 입력 전압(VIN)과 같거나 그보다 높은 수준으로 “승압”될 수 있습니다.
이 기능을 통해 부스트 컨버터는 낮은 배터리 전압을 더 유용한 고전압 레벨로 끌어올리는 데 효과적으로 사용됩니다. 다만 입력 전압의 2~3배를 넘는 승압 비율을 요구할 경우, 피드백 루프의 안정성을 확보하는 것이 점점 어려워집니다. 또한 승압비가 커질수록 입력 전류 펄스가 그 비율에 비례하여 증가하므로, 예를 들어 입력 전압을 3배로 승압하는 컨버터는 약 3배의 입력 전류를 끌어당기게 됩니다. 이 정도의 펄스성 입력 전류는 EMI(전자기 간섭)를 증가시키고, 배터리 입력 단자에서 전압 강하를 유발할 수 있습니다.
또 다른 단점은 입력 측과 직렬로 두 번째 스위치를 추가하지 않는 한 출력을 완전히 차단할 수 없다는 점입니다. PWM 컨트롤러만 비활성화해도 부하가 입력으로부터 전기적으로 분리되지 않기 때문입니다. 따라서 부스트 컨버터의 입력 전압이 출력 전압보다 높아지는 상황은 피해야 합니다. 그런 상황에서는 PWM 컨트롤러가 그림 3의 S1 스위치를 계속 열어둔 상태로 유지할 수 있고, 이때 입력과 출력은 L1과 D1을 통해 조정 없이 직접 연결되어 매우 큰 전류가 흐르면서 컨버터와 부하를 빠르게 손상시킬 수 있습니다. 이런 조건을 피할 수 없다면, 벅과 부스트 동작을 모두 지원하는 다른 토폴로지를 채택하는 것이 바람직합니다.
그림 2: 단순 DC/DC 부스트 컨버터 레귤레이터 예시 (참고 문헌 1에서 제공한 이미지)
부스트 컨버터의 장점은 출력 전압을 마크-스페이스 비율(고레벨 시간과 로우레벨 시간의 비, 즉 듀티 사이클)에 따라 조정할 수 있다는 점입니다. 예를 들어 듀티 사이클이 50%일 때는 PWM 신호의 고레벨 구간과 로우레벨 구간이 동일하며, 이 경우 출력 전압은 입력 전압(VIN)과 같거나 그보다 높은 수준으로 “승압”될 수 있습니다.
이 기능을 통해 부스트 컨버터는 낮은 배터리 전압을 더 유용한 고전압 레벨로 끌어올리는 데 효과적으로 사용됩니다. 다만 입력 전압의 2~3배를 넘는 승압 비율을 요구할 경우, 피드백 루프의 안정성을 확보하는 것이 점점 어려워집니다. 또한 승압비가 커질수록 입력 전류 펄스가 그 비율에 비례하여 증가하므로, 예를 들어 입력 전압을 3배로 승압하는 컨버터는 약 3배의 입력 전류를 끌어당기게 됩니다. 이 정도의 펄스성 입력 전류는 EMI(전자기 간섭)를 증가시키고, 배터리 입력 단자에서 전압 강하를 유발할 수 있습니다.
또 다른 단점은 입력 측과 직렬로 두 번째 스위치를 추가하지 않는 한 출력을 완전히 차단할 수 없다는 점입니다. PWM 컨트롤러만 비활성화해도 부하가 입력으로부터 전기적으로 분리되지 않기 때문입니다. 따라서 부스트 컨버터의 입력 전압이 출력 전압보다 높아지는 상황은 피해야 합니다. 그런 상황에서는 PWM 컨트롤러가 그림 3의 S1 스위치를 계속 열어둔 상태로 유지할 수 있고, 이때 입력과 출력은 L1과 D1을 통해 조정 없이 직접 연결되어 매우 큰 전류가 흐르면서 컨버터와 부하를 빠르게 손상시킬 수 있습니다. 이런 조건을 피할 수 없다면, 벅과 부스트 동작을 모두 지원하는 다른 토폴로지를 채택하는 것이 바람직합니다.
벅-부스트(인버팅) 컨버터
벅-부스트 컨버터(플라이백 컨버터라고도 함)는 입력 전압을 안정화된 음의 출력 전압으로 변환하는 토폴로지로, 이 출력 전압은 입력 전압의 절대값보다 크거나 작을 수 있습니다. 그림 3은 벅/부스트 레귤레이터의 단순화된 회로도를 보여줍니다.
그림 3: 벅/부스트 레귤레이터의 단순화된 회로도 (참고 문헌 1에서 제공한 이미지)
벅-부스트 컨버터의 입력 전압은 조정된 출력 전압보다 높을 수도, 낮을 수도 있습니다. 이 특성은 방전 시 약 9V, 완전 충전 시 약 14V 범위에서 변하는 배터리 단자 전압으로부터 항상 일정한 전압을 얻어야 하는 응용 분야에 유용합니다. 벅-부스트 컨버터는 태양광(Photovoltaic) 전지의 출력 안정화에도 사용될 수 있습니다. 태양광 전지는 강한 햇빛에서는 높은 전압과 전류를 제공하지만, 햇빛이 가려지거나 약해지면 낮은 전압·전류 상태로 떨어집니다. 이처럼 전압/전류 관계가 변하는 상황에서, 입력/출력 전압 비율을 지속적으로 조정할 수 있는 벅-부스트 컨버터는 최대 전력점 추적(MPPT)에 매우 효과적입니다.
가장 큰 단점은 출력 전압이 반전된다는 점입니다. 배터리와 함께 사용하는 경우에는 배터리 공급을 플로팅 상태로 두고 -VOUT을 접지에 연결함으로써, 실제로는 양(+)의 출력 전압을 얻도록 구성할 수 있어 이 문제가 크게 부각되지 않을 수 있습니다. 또 다른 단점은 스위치 S1이 접지 기준 없이 동작한다는 점으로, PWM 출력 회로에 레벨 시프터(레벨 변환기)가 필요하게 되어 설계 비용과 복잡성이 증가합니다.
그림 3: 벅/부스트 레귤레이터의 단순화된 회로도 (참고 문헌 1에서 제공한 이미지)
벅-부스트 컨버터의 입력 전압은 조정된 출력 전압보다 높을 수도, 낮을 수도 있습니다. 이 특성은 방전 시 약 9V, 완전 충전 시 약 14V 범위에서 변하는 배터리 단자 전압으로부터 항상 일정한 전압을 얻어야 하는 응용 분야에 유용합니다. 벅-부스트 컨버터는 태양광(Photovoltaic) 전지의 출력 안정화에도 사용될 수 있습니다. 태양광 전지는 강한 햇빛에서는 높은 전압과 전류를 제공하지만, 햇빛이 가려지거나 약해지면 낮은 전압·전류 상태로 떨어집니다. 이처럼 전압/전류 관계가 변하는 상황에서, 입력/출력 전압 비율을 지속적으로 조정할 수 있는 벅-부스트 컨버터는 최대 전력점 추적(MPPT)에 매우 효과적입니다.
가장 큰 단점은 출력 전압이 반전된다는 점입니다. 배터리와 함께 사용하는 경우에는 배터리 공급을 플로팅 상태로 두고 -VOUT을 접지에 연결함으로써, 실제로는 양(+)의 출력 전압을 얻도록 구성할 수 있어 이 문제가 크게 부각되지 않을 수 있습니다. 또 다른 단점은 스위치 S1이 접지 기준 없이 동작한다는 점으로, PWM 출력 회로에 레벨 시프터(레벨 변환기)가 필요하게 되어 설계 비용과 복잡성이 증가합니다.
DC/DC 컨버터 응용 분야
DC/DC 컨버터는 전자 산업 전반에서 매우 다양한 용도로 사용됩니다. 아래에서는 대표적인 주요 응용 분야를 살펴보겠습니다.
자동화
일반적으로 자동화 애플리케이션에서 DC/DC 전원 공급 장치를 사용할 때 가장 중요한 요구 사항은 절연입니다. 충분한 절연은 전원 설계가 다른 장비의 동작에 간섭을 주지 않도록 보장합니다. 또한 DC/DC 컨버터는 자동 제어 시스템의 동작을 방해할 수 있는 접지 루프나 전위차가 발생하지 않도록 시스템에 적절히 배치·설계되어야 합니다.
예를 들어 자동화 시스템에서 절연형 DC/DC 컨버터는 접지 루프를 끊는 용도로 사용될 수 있습니다. 이를 통해 회로 내에서 노이즈에 민감한 부분을 노이즈 발생원으로부터 분리할 수 있습니다. 안정화되고 절연된 DC/DC 컨버터를 사용하면 이러한 절연 특성을 기반으로 전기적 노이즈를 최소화할 수 있습니다. 전압 변환에 절연형·조정형 DC/DC 컨버터를 선택하면 노이즈에 대한 내성을 높이고, 라인 서지나 전압 강하/딥에 대해서도 더 높은 견고성을 확보할 수 있습니다.
예를 들어 자동화 시스템에서 절연형 DC/DC 컨버터는 접지 루프를 끊는 용도로 사용될 수 있습니다. 이를 통해 회로 내에서 노이즈에 민감한 부분을 노이즈 발생원으로부터 분리할 수 있습니다. 안정화되고 절연된 DC/DC 컨버터를 사용하면 이러한 절연 특성을 기반으로 전기적 노이즈를 최소화할 수 있습니다. 전압 변환에 절연형·조정형 DC/DC 컨버터를 선택하면 노이즈에 대한 내성을 높이고, 라인 서지나 전압 강하/딥에 대해서도 더 높은 견고성을 확보할 수 있습니다.
사물 인터넷(IoT) 및 산업용 사물 인터넷(IIoT)
IoT 는 주로 소비자 중심 애플리케이션을, 그 하위 집합인 IIoT는 산업용 애플리케이션을 대상으로 합니다. IoT와 IIoT는 인터넷에 연결된 상호 연관된 객체들의 시스템으로, 거의 사람의 개입 없이 무선 네트워크를 통해 데이터를 수집·공유·전송할 수 있습니다. 이 두 시스템은 분산형 지능, 수많은 상호 연결된 센서·액추에이터, 분산형 제어 구조를 특징으로 합니다.
IIoT는 일반적인 소비자용 IoT 기기보다 훨씬 더 많은 데이터를 수집·처리하는 산업용 장치들로 구성됩니다. 예를 들어, 단일 터빈 압축기 블레이드만으로도 하루에 500Gb 이상의 데이터를 생성할 수 있습니다. IoT와 IIoT의 핵심은 단순한 연결성을 넘어, 이러한 장치들이 수집하는 방대한 정보를 분석해 강력한 인사이트를 얻는 데 있습니다. 이때 산업 기계 상태를 모니터링하는 IIoT 센서에는 견고한 절연형 DC/DC 컨버터가 필요합니다. 중장비의 기동·정지 시에는 큰 전력 서지가 발생할 수 있으므로, 센서를 보호하기 위해 3kV~4kV 수준의 절연 등급을 갖춘 DC/DC 컨버터가 요구됩니다.
IoT와 IIoT는 통신 기능이 있는 센서를 다양한 환경과 객체에 배치하여 “스마트” 공간을 만듭니다. 예를 들어, 주변 조도나 공간 내 인원 수에 따라 밝기를 자동 조절하는 스마트 조명 시스템을 갖춘 오피스를 들 수 있습니다. IoT 환경에서는 기기가 자체 상태를 모니터링하거나 가정·사무실의 일상 패턴에 적응하면서, 사용자 편의성을 제공하는 동시에 에너지를 자동으로 절약합니다. 이때 전원 설계자는 비용 효율적이면서도 높은 전력 밀도를 달성하는 DC/DC 전원 모듈을 선택해야 합니다. 대표적인 애플리케이션으로는 다수의 지능형 센서 노드가 설치된 스마트 오피스와 에너지 하베스팅 솔루션 등이 있습니다.
IoT 및 IIoT용 전원 공급 장치는 저부하 및 전부하 레벨에서 높은 효율을 가져야 합니다. 빠른 IoT 및 IIoT용 전원 공급 장치는 저부하와 전부하 조건 모두에서 높은 효율을 유지해야 하며, 빠른 과도 응답과 동적 부하 전류에 대응할 수 있도록 설계되는 것이 바람직합니다. 또한 물리적으로 콤팩트하고, 높은 신뢰성과 비용 효율성을 동시에 갖추어야 합니다. 이러한 DC/DC 전원 공급 장치는 전력을 공급하는 센서, 프로세서, 무선 모듈, 액추에이터만큼이나 광범위하게 사용될 것입니다.
"사물 인터넷이란 무엇인가 (What is the Internet of Things"라는 제목의 영상을 참고하면 도움이 됩니다.
IIoT는 일반적인 소비자용 IoT 기기보다 훨씬 더 많은 데이터를 수집·처리하는 산업용 장치들로 구성됩니다. 예를 들어, 단일 터빈 압축기 블레이드만으로도 하루에 500Gb 이상의 데이터를 생성할 수 있습니다. IoT와 IIoT의 핵심은 단순한 연결성을 넘어, 이러한 장치들이 수집하는 방대한 정보를 분석해 강력한 인사이트를 얻는 데 있습니다. 이때 산업 기계 상태를 모니터링하는 IIoT 센서에는 견고한 절연형 DC/DC 컨버터가 필요합니다. 중장비의 기동·정지 시에는 큰 전력 서지가 발생할 수 있으므로, 센서를 보호하기 위해 3kV~4kV 수준의 절연 등급을 갖춘 DC/DC 컨버터가 요구됩니다.
IoT와 IIoT는 통신 기능이 있는 센서를 다양한 환경과 객체에 배치하여 “스마트” 공간을 만듭니다. 예를 들어, 주변 조도나 공간 내 인원 수에 따라 밝기를 자동 조절하는 스마트 조명 시스템을 갖춘 오피스를 들 수 있습니다. IoT 환경에서는 기기가 자체 상태를 모니터링하거나 가정·사무실의 일상 패턴에 적응하면서, 사용자 편의성을 제공하는 동시에 에너지를 자동으로 절약합니다. 이때 전원 설계자는 비용 효율적이면서도 높은 전력 밀도를 달성하는 DC/DC 전원 모듈을 선택해야 합니다. 대표적인 애플리케이션으로는 다수의 지능형 센서 노드가 설치된 스마트 오피스와 에너지 하베스팅 솔루션 등이 있습니다.
IoT 및 IIoT용 전원 공급 장치는 저부하 및 전부하 레벨에서 높은 효율을 가져야 합니다. 빠른 IoT 및 IIoT용 전원 공급 장치는 저부하와 전부하 조건 모두에서 높은 효율을 유지해야 하며, 빠른 과도 응답과 동적 부하 전류에 대응할 수 있도록 설계되는 것이 바람직합니다. 또한 물리적으로 콤팩트하고, 높은 신뢰성과 비용 효율성을 동시에 갖추어야 합니다. 이러한 DC/DC 전원 공급 장치는 전력을 공급하는 센서, 프로세서, 무선 모듈, 액추에이터만큼이나 광범위하게 사용될 것입니다.
"사물 인터넷이란 무엇인가 (What is the Internet of Things"라는 제목의 영상을 참고하면 도움이 됩니다.
산업용 전력
산업용 애플리케이션에서 지게차와 기타 물류 장비는 보통 320V~600V 범위의 정격을 갖는 추진용 배터리를 사용합니다. 장비 내부에는 이러한 고전압 배터리(예: 4kW급)로부터 높은 효율로 24V 또는 48V 출력을 생성하는 온보드 전원 공급 장치가 구성됩니다. 동일한 기능을 제공하는 19인치 랙 버전 제품은 베이스플레이트 냉각 또는 액체 냉각 방식으로 구현될 수 있습니다.
전기 차량(EV)
화석 연료의 가용성이 감소하면서, 전기차(EV)는 화석 연료 의존도를 낮추고 천연 자원을 보호하기 위한 대안으로 빠르게 확산되고 있습니다.
EV 개발 동향은 다음과 같은 특징을 가집니다.:
EV가 도로 위에 빠르게 보급되면서, 승용차뿐 아니라 버스·트럭 등 상용 차량까지 더 많은 충전 인프라를 필요로 하게 되었습니다. 이에 따라 주요 도로·고속도로는 물론 도심 및 지역 거점에도 충전소가 꾸준히 확충되고 있으며, 충전 전력 수준은 수 kW에서 수십 kW급까지 빠르게 증가하고 있습니다. 이러한 충전 인프라에서는 절연 성능과 높은 절연 강도를 갖춘 DC/DC 컨버터가 핵심 역할을 합니다. DC/DC 컨버터는 EV 충전기의 네트워크 인터페이스에 안정화된 전력을 공급하여, EV와 충전소 간의 안정적인 통신과 인터넷 연결을 보장합니다.
EV 개발 동향은 다음과 같은 특징을 가집니다.:
- 배터리 용량 증가
- 더 빠른 충전 속도
- 더 긴 수명
- 향상된 전력 밀도
EV가 도로 위에 빠르게 보급되면서, 승용차뿐 아니라 버스·트럭 등 상용 차량까지 더 많은 충전 인프라를 필요로 하게 되었습니다. 이에 따라 주요 도로·고속도로는 물론 도심 및 지역 거점에도 충전소가 꾸준히 확충되고 있으며, 충전 전력 수준은 수 kW에서 수십 kW급까지 빠르게 증가하고 있습니다. 이러한 충전 인프라에서는 절연 성능과 높은 절연 강도를 갖춘 DC/DC 컨버터가 핵심 역할을 합니다. DC/DC 컨버터는 EV 충전기의 네트워크 인터페이스에 안정화된 전력을 공급하여, EV와 충전소 간의 안정적인 통신과 인터넷 연결을 보장합니다.
철도
산업용 고전력 DC/DC 컨버터의 대표적인 응용 분야 중 하나는 철도입니다. 이 분야에는 철도 차량(rolling stock), 차량 내·선로 측(on-board/trackside) 장비, 고전압 배터리 구동 시스템, 분산 전원 아키텍처 등 다양한 애플리케이션이 포함됩니다. 일반적으로 철도 환경에서 DC/DC 컨버터는 고전압 DC 배터리 전압을 다양한 제어·에너지 시스템에 필요한 더 낮은 전압으로 변환하는 데 사용됩니다. 철도 차량 설계에는 발전기가 고장났을 때에도 전력 공급을 유지하기 위해 배터리를 활용하는 DC 전력 분배 시스템이 구성되어 있습니다.
이러한 용도에 사용되는 DC/DC 컨버터는 EN 50155 규격에 따라 설계·제조되어야 하며, 열, 서리, 진동, 기계적 충격 등 극도로 가혹한 환경에서도 성능이 저하되지 않아야 합니다. 이런 조건은 전자 부품에 심각한 손상을 줄 수 있기 때문에, 엔지니어는 이러한 잠재적으로 치명적인 환경을 견딜 수 있고 철도용으로 인증된 DC/DC 컨버터를 필요로 합니다.
이러한 용도에 사용되는 DC/DC 컨버터는 EN 50155 규격에 따라 설계·제조되어야 하며, 열, 서리, 진동, 기계적 충격 등 극도로 가혹한 환경에서도 성능이 저하되지 않아야 합니다. 이런 조건은 전자 부품에 심각한 손상을 줄 수 있기 때문에, 엔지니어는 이러한 잠재적으로 치명적인 환경을 견딜 수 있고 철도용으로 인증된 DC/DC 컨버터를 필요로 합니다.
고전력 밀도
DC/DC 컨버터의 전력 밀도는 컨버터의 출력 전력을 부피로 나눈 값으로 정의되며, 보통 입방센티미터(cm³)당 와트(W)로 표현합니다. 같은 부피에서 더 큰 전력을 낼 수 있다는 의미이므로, 전력 밀도 값이 높을수록 설계 측면에서 유리합니다.
작은 패키지의 큰 전력: 저전력 DC/DC 컨버터용 3D 전력 패키징
저전력, 비절연형 DC/DC 스위칭 레귤레이터는 전력 밀도를 높이면서 성능 향상에 대한 요구를 충족시키는 비용 효율적인 솔루션입니다. 이들 패키지는 이산 부품 기반 설계와 경쟁할 수 있을 만큼 충분히 작아야 합니다. 비절연형 DC/DC 설계는 작은 폼 팩터를 유지하면서도 높은 효율을 달성해야 한다는 과제를 안고 있습니다. 와이드 밴드갭 소자를 활용한 고속 스위칭 기술을 사용하면 효율을 유지하면서도 전체 크기를 줄이는 데 도움이 됩니다. RECOM은 오버몰딩된 ‘리드프레임 위 플립칩(flip-chip-on-leadframe)’ 구조를 통해 높은 전력 밀도를 구현하고 있으며, 더 작은 스위칭 전류 루프 덕분에 EMI도 감소시킬 수 있습니다.
3D 전력 패키징을 통해 전력 밀도를 높이는 방법에 대해서는 “작은 패키지의 큰 전력(Big power in small packages)” 영상을 참고할 수 있습니다.
3D 전력 패키징을 통해 전력 밀도를 높이는 방법에 대해서는 “작은 패키지의 큰 전력(Big power in small packages)” 영상을 참고할 수 있습니다.
산업 및 전기 모빌리티 응용 분야용 고전력 밀도 DC/DC 컨버터
RP 및 RPA 시리즈는 30W~240W 전력 정격과 최대 4.5W/cm³의 전력 밀도를 제공하는 보드 실장형 DC/DC 컨버터입니다. 이는 해당 클래스의 DC/DC 컨버터 가운데 가장 높은 전력 밀도 수준 중 하나입니다. 이러한 높은 전력 밀도는 설계에 평면(Planar) 변압기를 사용한 덕분으로, 효율이나 출력 전력 손실 없이 전체 패키지 크기를 줄일 수 있습니다.
이 제조 방식은 완전 자동화된 생산 공정을 지원하여 높은 신뢰성과 우수한 비용 효율성을 동시에 확보합니다. RP 및 RPA 시리즈는 4:1 입력 전압 범위는 물론, 최대 10:1까지의 넓은 입력 전압 범위를 요구하는 공간 제약이 큰 산업, 시험·계측, 운송, 철도 및 그 밖의 고신뢰 애플리케이션에 특히 적합합니다.
이 제조 방식은 완전 자동화된 생산 공정을 지원하여 높은 신뢰성과 우수한 비용 효율성을 동시에 확보합니다. RP 및 RPA 시리즈는 4:1 입력 전압 범위는 물론, 최대 10:1까지의 넓은 입력 전압 범위를 요구하는 공간 제약이 큰 산업, 시험·계측, 운송, 철도 및 그 밖의 고신뢰 애플리케이션에 특히 적합합니다.
의료
의료 애플리케이션은 본질적으로 안전 요구 수준이 매우 높은 분야입니다. 전력 전자 장치를 포함한 의료용 전자 장비는 극히 엄격한 안전성과 신뢰성 기준을 충족해야 하며, 의료용 전원 공급 장치는 병원 및 기타 의료 환경에서 요구되는 관련 표준을 만족해야 합니다.
의료 등급 DC/DC 컨버터는 환자 보호를 위한 두 가지 수단(2MOPP)을 제공하는 강화 절연 구조, 낮은 누설 전류, 8mm 이상 크리피지/클리어런스 거리를 갖추어야 합니다. 강화 절연은 일반 절연보다 한 단계 더 높은 안전 수준을 제공하여, ES/IEC/EN 60601-1 3판 등 의료 안전 표준을 충족하는 데 필요합니다. 의료용 DC/DC 컨버터에서는 높은 절연 내력과 낮은 노이즈 특성이 특히 중요하며, 장비에는 환자나 의료진이 항상 관여하므로, 고장 발생 시에도 이들을 안전하게 보호해야 합니다.
의료 등급 DC/DC 컨버터는 환자 보호를 위한 두 가지 수단(2MOPP)을 제공하는 강화 절연 구조, 낮은 누설 전류, 8mm 이상 크리피지/클리어런스 거리를 갖추어야 합니다. 강화 절연은 일반 절연보다 한 단계 더 높은 안전 수준을 제공하여, ES/IEC/EN 60601-1 3판 등 의료 안전 표준을 충족하는 데 필요합니다. 의료용 DC/DC 컨버터에서는 높은 절연 내력과 낮은 노이즈 특성이 특히 중요하며, 장비에는 환자나 의료진이 항상 관여하므로, 고장 발생 시에도 이들을 안전하게 보호해야 합니다.
고급 의료용 DC/DC 컨버터
고급 의료용 DC/DC 컨버터는 사람에게 안전하도록 설계된 제품으로, 환자 접촉 수준에 따라 BF형(환자와 전기적으로 연결되지만 심장에는 직접 연결되지 않는 경우) 또는 CF형(환자의 심장과 전기적으로 연결되는 경우) 환경에서 사용될 수 있습니다. 대표적인 적용 예로는 인큐베이터, 초음파 진단 장비, 제세동기 등이 있습니다. 이들 전원 공급 장치는 높은 절연 등급과 견고한 절연 구조를 바탕으로 2MOPP(환자 보호 수단) 요구 사항을 충족합니다. 내부 변압기는 강화 절연 구조로 설계되어 환자에게 도달할 수 있는 누설 전류를 최소화하는 데 도움을 줍니다.
일부 의료용 DC/DC 컨버터는 조정형 출력 특성을 가지며, 250VAC 동작 전압을 지원합니다. 추가 사양으로는 5kVAC~10kVAC/1분 수준의 강화 절연과 2µA에 불과한 매우 낮은 누설 전류가 포함될 수 있습니다. 대기 전력을 밀리와트 수준으로 줄일 수 있는 옵션도 존재하며, 매우 콤팩트한 SIP-7 패키지의 1W 컨버터는 현재 시장에서 가장 작은 수준의 완전한 의료용 전원 공급 장치 중 하나입니다. 또한 중간 전력 범위(3.5W, 5W, 6W) 제품도 제공되며, SMD 또는 THT 패키지로 선택할 수 있습니다. 일반적으로 2:1 입력 전압 범위를 제공하며, 시리즈에 따라 3.3V, 5V, 9V, 12V, 15V 또는 24V 출력 전압 옵션을 사용할 수 있습니다.
일부 의료용 DC/DC 컨버터는 조정형 출력 특성을 가지며, 250VAC 동작 전압을 지원합니다. 추가 사양으로는 5kVAC~10kVAC/1분 수준의 강화 절연과 2µA에 불과한 매우 낮은 누설 전류가 포함될 수 있습니다. 대기 전력을 밀리와트 수준으로 줄일 수 있는 옵션도 존재하며, 매우 콤팩트한 SIP-7 패키지의 1W 컨버터는 현재 시장에서 가장 작은 수준의 완전한 의료용 전원 공급 장치 중 하나입니다. 또한 중간 전력 범위(3.5W, 5W, 6W) 제품도 제공되며, SMD 또는 THT 패키지로 선택할 수 있습니다. 일반적으로 2:1 입력 전압 범위를 제공하며, 시리즈에 따라 3.3V, 5V, 9V, 12V, 15V 또는 24V 출력 전압 옵션을 사용할 수 있습니다.
비용 효율적 의료용 DC/DC 컨버터
이 범주의 의료용 DC/DC 컨버터는 250VAC 연속 동작에 적합한 강화 절연 구조를 갖추고 있으며, 8mm 이상의 크리피지/클리어런스를 제공하면서 2MOPP 요구 사항을 충족합니다. 또한 최대 8kVDC의 확장된 강화 절연을 제공해 고전압 의료 애플리케이션에서도 사용할 수 있습니다. 임계 의료용 애플리케이션에 필요한 주요 기능을 모두 제공하면서도 비용 측면에서 경쟁력을 유지할 수 있도록 설계되었습니다. 해당 DC/DC 컨버터는 핀 타입과 표면실장형(SMD) 패키지 두 가지 형태로 제공됩니다.
DC/DC 컨버터 선택 고려 사항
절연형 DC/DC 컨버터는 다음과 같은 장점을 제공합니다:
비절연형 DC/DC 컨버터의 주요 특징은 다음과 같습니다.:
- 입력과 출력 간 접지를 분리할 수 있어, DC 소스 측 접지 방식과 부하 측 접지 방식을 독립적으로 설계할 수 있습니다.
- 설계자는 입력과 출력 사이에 다양한 DC 전압 레벨을 “매핑”하여 유연한 전원 아키텍처를 구성할 수 있습니다.
- 출력 커패시턴스가 매우 작은 설계를 사용할 경우, 동일한 DC 버스 위에 여러 개의 절연형 DC/DC 컨버터를 보다 안전하게 병렬 구성할 수 있습니다.
비절연형 DC/DC 컨버터의 주요 특징은 다음과 같습니다.:
- DC 입력과 출력이 동일한 전위에 연결됩니다. 대표적인 비절연 토폴로지는 벅(Buck), 부스트(Boost), 벅-부스트(Buck-Boost)입니다.
양방향 DC/DC 컨버터
양방향 DC/DC 컨버터는 자동차, 서버, 재생 가능 에너지 시스템 등 여러 신흥 애플리케이션에서 점점 더 중요해지고 있는 비교적 새로운 아키텍처입니다. 저전압 영역에서 사용되는 양방향 DC/DC 컨버터는 대개 비절연 구조를 채택하며, 대표적인 적용 분야로는 차량용 에너지 저장 시스템, 서버 전원 아키텍처, 재생 에너지 저장 및 재송전 시스템 등이 있습니다.
AC/DC 컨버터: 기본 개요
그림 4의 변압기는 115V 정격의 1차 권선 두 개를 가지고 있으며, 입력 전압 셀렉터 스위치를 통해 병렬 또는 직렬로 구성할 수 있습니다. 직렬로 연결된 두 개의 6V 2차 권선은 공칭 12VAC 출력 전압을 생성하고, 이는 브리지 정류기(BR)를 통해 정류된 뒤 출력 커패시터(C)에 의해 DC로 평활됩니다. 이 과정을 거치면 일반적으로 약 14VDC 정도의 출력 전압을 얻을 수 있습니다. 정류부는 네 개의 다이오드를 사용하는 전형적인 전파 브리지 구조입니다.
그림 4: 비조정형 기본 AC/DC 컨버터 전원 공급 장치 예시 (참고 문헌 2에서 인용한 이미지)
그림 4: 비조정형 기본 AC/DC 컨버터 전원 공급 장치 예시 (참고 문헌 2에서 인용한 이미지)
AC/DC 컨버터 응용 분야
AC/DC 컨버터의 많은 응용 분야 중 주요 응용 분야를 살펴보겠습니다.
의료
전자 기기가 환자와 직접 접촉하지 않고 숙련된 운영자만 사용하는 경우, 해당 장비는 MOOP(Means of Operator Protection, 운영자 보호 수단) 등급으로 분류됩니다. 이 경우 보통 실험실 환경 적합성을 위해 60950-1 및 62368-1 ITE 표준을 충족해야 합니다. 의료용 전자 설계에는 전 세계 표준화 기구(미국 ANSI, 캐나다 CSA, IEC60601-1을 채택한 유럽 위원회 등)가 사용하는 MOPP(Means of Patient Protection, 환자 보호 수단) 전기 안전 개념이 적용됩니다. MOPP 관련 안전 표준은 의료용 전기 장비에 요구되는 기본 요건을 정의합니다.
AC/DC 전원 공급 장치를 사용하는 의료 애플리케이션에서 최고 수준의 안전을 달성하려면 2MOPP 등급을 만족하는 제품이 요구됩니다. 일부 전원 공급 장치 제조사는 장치가 1MOPP인지 2MOPP인지에 관계없이 ‘의료 승인’이 되었다고 홍보하기도 하지만, 실제 적용 시에는 보호 수준 차이를 정확히 구분해야 합니다. 컴팩트한 의료용 AC/DC 전원 공급 장치는 범용 AC 입력 전압 범위, 4kVAC 절연, 낮은 대기 전력, 능동형 PFC(Power Factor Correction, >0.95), 무부하 조건에서도 동작 가능한 설계를 특징으로 합니다.
자세한 내용은 “Medical-Grade AC/DC converters – RACM series” 팟캐스트를 참고할 수 있습니다.
AC/DC 전원 공급 장치를 사용하는 의료 애플리케이션에서 최고 수준의 안전을 달성하려면 2MOPP 등급을 만족하는 제품이 요구됩니다. 일부 전원 공급 장치 제조사는 장치가 1MOPP인지 2MOPP인지에 관계없이 ‘의료 승인’이 되었다고 홍보하기도 하지만, 실제 적용 시에는 보호 수준 차이를 정확히 구분해야 합니다. 컴팩트한 의료용 AC/DC 전원 공급 장치는 범용 AC 입력 전압 범위, 4kVAC 절연, 낮은 대기 전력, 능동형 PFC(Power Factor Correction, >0.95), 무부하 조건에서도 동작 가능한 설계를 특징으로 합니다.
자세한 내용은 “Medical-Grade AC/DC converters – RACM series” 팟캐스트를 참고할 수 있습니다.
자동화
자동화는 센서, 액추에이터, 피드백 기술을 활용해 사람이 지속적으로 제어하지 않아도 시스템이 스스로 동작하도록 하는 기술을 의미합니다. 이때 절연형 로컬 전원 공급 장치는 센서·피드백·액추에이터 제어 시스템에 전력을 공급하는 전원 아키텍처의 핵심 요소입니다. 자동화용 전원 공급 장치는 센서, 평가·제어 유닛, 액추에이터에 AC/DC 전력을 안정적으로 공급하는 장치 및 모듈을 포함하며, 상용 전원망의 전압을 센서·액추에이터에 적합한 수준으로 변환해 시스템이 신뢰성 있게 동작하도록 합니다. 이러한 전원 공급 장치는 일반적으로 절연 구조를 갖추어 상호 간섭, 접지 루프, 전위차로 인해 자동 제어 시스템이 오동작하는 것을 방지합니다.
사물 인터넷(IoT) 및 산업용 사물 인터넷(IIoT)
IIoT는 IoT의 하위 범주로, 센서, 통신, 클라우드 플랫폼, 분석 등 동일한 핵심 기술을 공유하지만 보다 산업 환경에 초점을 맞춥니다. IoT는 분산 지능을 기반으로 다수의 상호 연결된 센서·액추에이터, 분산 제어 구조를 특징으로 하며, 특정 공간·환경·사물에 센서를 내장해 통신 기능을 갖춘 “스마트” 시스템을 구현합니다. IoT에 전력을 공급하기 위해 전원 설계자는 낮은 대기 전력과 높은 효율을 동시에 만족하는 AC/DC 전원 공급 장치를 선택해야 합니다. 대표적인 애플리케이션으로는 다수의 지능형 센서 노드가 설치된 스마트 오피스, 에너지 하베스팅 시스템 등이 있습니다.
IoT 애플리케이션용 AC/DC 상용 전원 공급 장치에는 다음과 같은 요구 사항이 있습니다.
일반적인 장치가 몇 와트 수준의 전력만 필요하므로, 전원 자체는 저전력 설계여야 합니다. IoT 센서는 설치 공간이 매우 제한적이기 때문에, 전원 모듈도 가능한 한 소형이어야 합니다. IoT 노드가 활성 모드와 슬립 모드 사이를 주기적으로 오가는 특성상, 부하 전류가 크게 변화해도 안정적으로 동작해야 합니다. AC/DC 컨버터는 매우 낮은 무부하 전력 소비 특성을 갖추어야 합니다. 국내외 상업·산업 환경의 다양한 전력 시스템과 호환되도록, 전 세계 인증 요구 사항을 충족해야 합니다. IoT 구현 시 전원 공급 장치가 대량으로 사용되므로, 비용 효율성 역시 중요합니다.
“사물 인터넷이란 무엇인가(What is the Internet of Things)”라는 제목의 영상을 참고하면 보다 자세한 내용을 확인할 수 있습니다.
IoT 애플리케이션용 AC/DC 상용 전원 공급 장치에는 다음과 같은 요구 사항이 있습니다.
일반적인 장치가 몇 와트 수준의 전력만 필요하므로, 전원 자체는 저전력 설계여야 합니다. IoT 센서는 설치 공간이 매우 제한적이기 때문에, 전원 모듈도 가능한 한 소형이어야 합니다. IoT 노드가 활성 모드와 슬립 모드 사이를 주기적으로 오가는 특성상, 부하 전류가 크게 변화해도 안정적으로 동작해야 합니다. AC/DC 컨버터는 매우 낮은 무부하 전력 소비 특성을 갖추어야 합니다. 국내외 상업·산업 환경의 다양한 전력 시스템과 호환되도록, 전 세계 인증 요구 사항을 충족해야 합니다. IoT 구현 시 전원 공급 장치가 대량으로 사용되므로, 비용 효율성 역시 중요합니다.
“사물 인터넷이란 무엇인가(What is the Internet of Things)”라는 제목의 영상을 참고하면 보다 자세한 내용을 확인할 수 있습니다.
홈 자동화, 스마트 홈 및 스마트 오피스
지능형 네트워크로 연결된 스마트 홈·스마트 오피스는 일반적으로 “항상 켜져 있는(always-on)” 상태로 동작하는 다수의 저전력 노드, 액추에이터, 센서를 포함한 제어 시스템을 필요로 합니다. 홈 자동화용 비용 효율적인 AC/DC 전원 공급 장치는 수십 mW 수준의 매우 낮은 대기 전력으로 스마트 빌딩 인프라에 지속적으로 전력을 공급할 수 있어야 합니다. 또한 초광대역 입력 전압 범위를 지원하고, 가정용(IEC/EN 60335-1), CE(LVD+EMC+RoHS2), 산업용 안전(IEC/EN/UL 60950 등) 인증 요구 사항을 충족해야 합니다.
스마트 홈·스마트 오피스용 AC/DC 전원 공급 장치는 전력 보드 위·아래에 설치하기 용이하도록 콤팩트한 설계가 필요합니다. 이들 전원은 스마트 홈 자동화 애플리케이션을 위해 강화 절연 구조와 함께 조정형 DC 출력을 제공해야 하며, 단락 보호와 과부하 보호 기능도 갖추어야 합니다. 설계자는 다양한 설치 환경에 맞추어 1W~20W 범위의 컨버터를 선택하거나, 표준 매립형 벽 박스에 들어갈 수 있는 3W~30W급 컨버터를 선택할 수 있습니다.
또한 유럽연합 ErP 에코디자인 지침 한도(예: 35mW 이하)를 만족하는 낮은 대기 전력 소비 특성도 요구됩니다.
스마트 홈·스마트 오피스용 AC/DC 전원 공급 장치는 전력 보드 위·아래에 설치하기 용이하도록 콤팩트한 설계가 필요합니다. 이들 전원은 스마트 홈 자동화 애플리케이션을 위해 강화 절연 구조와 함께 조정형 DC 출력을 제공해야 하며, 단락 보호와 과부하 보호 기능도 갖추어야 합니다. 설계자는 다양한 설치 환경에 맞추어 1W~20W 범위의 컨버터를 선택하거나, 표준 매립형 벽 박스에 들어갈 수 있는 3W~30W급 컨버터를 선택할 수 있습니다.
또한 유럽연합 ErP 에코디자인 지침 한도(예: 35mW 이하)를 만족하는 낮은 대기 전력 소비 특성도 요구됩니다.
산업용 자동화
산업용 AC/DC 전력 컨버터는 배터리 충전 용도로 널리 사용됩니다. 3상 AC 입력 배터리 충전기는 일반적으로 3.2kW(RMOC3200 시리즈, DC 입력 최대 800V) 및 5kW(RMOC5000 시리즈) 정격을 제공하며, 최대 20kW까지 직렬 또는 병렬 구성이 가능해야 합니다. 두 시리즈 모두 24/36/48/72/96/110V 공칭 출력 전압 옵션을 제공합니다. SD2800 시리즈는 공칭 44V 또는 24V의 3상 AC 입력에서 동작하며, 각각 28V/2.8kW, 14V/1.4kW 출력을 제공합니다. SAB10000 시리즈는 3상 AC(20VDC 출력) 또는 600VDC 공칭 입력(24VDC 출력)으로부터 최대 10kW의 배터리 충전 용량을 제공하며, 양방향 동작을 지원해 배터리 에너지를 다시 AC 측으로 되돌릴 수도 있습니다. 모듈형 독립형 역률 보정(PFC) 프론트 엔드는 단상 AC 입력 기준 800W, 1600W, 3200W, 3상 AC 입력 기준 4kW 정격으로 제공되며, 19인치 랙, 오픈 프레임, 샤시 타입 또는 고객 맞춤형 구성으로도 공급 가능합니다.
고전력 밀도
전력 밀도는 단위 부피당 출력 전력을 나타내는 지표로, 특히 설치 공간이 제한된 환경에서 전원 공급 장치 설계 시 매우 중요합니다. 전력 전자 분야에서 효율을 높이면 곧바로 전력 밀도 향상으로 이어지며, 전력 밀도를 증가시키는 가장 확실한 방법 중 하나는 사용 부품의 크기를 줄이는 것입니다. 따라서 설계자는 요구 사양을 충족하는 범위 내에서 가능한 한 작은 커패시터, 인덕터, 변압기, 방열기를 선택해야 합니다. 약 99%에 달하는 최고 수준의 효율과 73W/in³급 고전력 밀도가 요구되는 대표적인 애플리케이션은 하이엔드 서버 및 통신 장비입니다. 이 분야에서도 AC/DC 컨버터는 필수적인 역할을 수행합니다.
산업
현대 산업 환경에서는 더 작은 크기와 풋프린트, 그리고 높은 전력 밀도가 요구됩니다. 스위칭 컨트롤러, 토폴로지, 반도체 소자 등의 발전으로 인해 최신 AC/DC 전원 공급 장치는 이전 세대 컨버터 대비 두 배 수준의 전력 밀도를 달성할 수 있게 되었습니다. 경쟁력 있는 설계를 위해서는 안전성, 신뢰성, 효율, 성능을 모두 향상시키는 것이 중요하며, 설계자는 선택한 AC/DC 컨버터가 실제 시스템에서 어느 정도의 AC 입력 전압 스윙을 처리해야 하는지 명확히 이해해야 합니다.
대부분의 산업용 애플리케이션에서 상용 AC 입력 전압은 전 세계 사용을 고려해 공칭 100VAC에서 277VAC 범위에 걸쳐 있습니다. AC/DC 컨버터는 전부하에서 저부하, 그리고 무부하 조건에 이르기까지 전체 부하 범위에 걸쳐 효율적으로 동작해야 합니다. 대부분의 AC/DC 컨버터는 CB 리포트와 함께 UL/IEC/EN 안전 표준에 대한 국제 인증을 획득하고 있습니다. 에너지 절감은 최종 고객에게도 중요한 요소이기 때문에, 많은 시스템이 전력 소비를 줄이기 위해 자동으로 대기 모드로 전환되는 기능을 포함하고 있습니다.
대부분의 산업용 애플리케이션에서 상용 AC 입력 전압은 전 세계 사용을 고려해 공칭 100VAC에서 277VAC 범위에 걸쳐 있습니다. AC/DC 컨버터는 전부하에서 저부하, 그리고 무부하 조건에 이르기까지 전체 부하 범위에 걸쳐 효율적으로 동작해야 합니다. 대부분의 AC/DC 컨버터는 CB 리포트와 함께 UL/IEC/EN 안전 표준에 대한 국제 인증을 획득하고 있습니다. 에너지 절감은 최종 고객에게도 중요한 요소이기 때문에, 많은 시스템이 전력 소비를 줄이기 위해 자동으로 대기 모드로 전환되는 기능을 포함하고 있습니다.
시험·계측
시험·계측(Test & Measurement) 분야의 장비는 데스크톱급 소형 장비부터 서버 랙에 장착되는 대형 시스템까지 매우 다양합니다. 이러한 시스템은 일반적으로 공칭 90VAC~277VAC 범위의 AC 입력 전압을 사용하며, 일부 산업용 응용에서는 이보다 더 높은 입력 전압이 요구되기도 합니다. 3W~20W 범위의 저전력 PCB 실장형 AC/DC 컨버터는 이러한 시스템에 자주 적용되며, 40W~550W와 같이 더 높은 출력을 요구하는 경우에는 샤시 장착형 옵션을 선택할 수 있습니다. 시험·계측 환경에서는 팬을 사용하지 않고 동작하는 것이 일반적이므로, 선택된 모든 AC/DC 컨버터 솔루션은 강제 공냉 없이도 높은 주변 온도에서 유용한 출력을 제공할 수 있어야 합니다.
230W 및 550W급 제품의 경우 베이스플레이트 냉각 옵션이 제공됩니다. 최종 사용 환경에 따라 IEC/EN 61010, IEC/EN 62368, IEC/EN 60601, EN 60335 등의 요구 사항에 부합하는 안전 인증이 필요하며, AC/DC 컨버터는 추가 부품 없이도 전자기 적합성(EMC) 기준을 충족해야 합니다. 모든 AC/DC 장치는 특히 시험·계측 및 의료 환경에서 중요한 요소인 낮은 상용 누설 전류 특성을 갖추어야 합니다. 또한 민감한 측정을 수행하는 애플리케이션에서는 낮은 출력 노이즈 특성을 가진 AC/DC 전원 공급 장치가 필수적이며, 이는 다양한 시험·계측 시스템에서 설계자에게 큰 이점을 제공합니다.
230W 및 550W급 제품의 경우 베이스플레이트 냉각 옵션이 제공됩니다. 최종 사용 환경에 따라 IEC/EN 61010, IEC/EN 62368, IEC/EN 60601, EN 60335 등의 요구 사항에 부합하는 안전 인증이 필요하며, AC/DC 컨버터는 추가 부품 없이도 전자기 적합성(EMC) 기준을 충족해야 합니다. 모든 AC/DC 장치는 특히 시험·계측 및 의료 환경에서 중요한 요소인 낮은 상용 누설 전류 특성을 갖추어야 합니다. 또한 민감한 측정을 수행하는 애플리케이션에서는 낮은 출력 노이즈 특성을 가진 AC/DC 전원 공급 장치가 필수적이며, 이는 다양한 시험·계측 시스템에서 설계자에게 큰 이점을 제공합니다.
모빌리티 및 전기 모빌리티
AC/DC 컨버터는 AC 전원을 DC 전원으로 변환해야 하는 각종 전자 장치에 전력을 공급하는 핵심 부품입니다. 이 섹션에서는 모빌리티와 e-모빌리티 환경에서 AC/DC 컨버터가 어떻게 활용되는지 살펴봅니다.
모바일과 모빌리티의 차이를 간단히 정리하면, ‘모바일’은 스마트폰·태블릿 등 개별 모바일 기기와 기술을 의미하는 반면, ‘모빌리티’는 이러한 기기와 인프라가 유기적으로 연계되어 언제 어디서나 연결·이동성을 제공하는 전체 개념을 아우르는 용어입니다.
모바일과 모빌리티의 차이를 간단히 정리하면, ‘모바일’은 스마트폰·태블릿 등 개별 모바일 기기와 기술을 의미하는 반면, ‘모빌리티’는 이러한 기기와 인프라가 유기적으로 연계되어 언제 어디서나 연결·이동성을 제공하는 전체 개념을 아우르는 용어입니다.
전기 모빌리티
e-모빌리티의 전형적인 애플리케이션에는 전기차(EV), 각종 전동 스쿠터, 기타 소형 전기 차량 등이 포함됩니다. 이러한 장치는 구동 모터와 각종 보조 장비에 전력을 공급하기 위한 배터리 충전기와 온보드 전력 변환기가 필요합니다. 내연기관 차량을 전기 구동으로 대체하기 위해서는 더 촘촘한 충전 인프라가 필요하며, 이미 미국에서는 도로 주변에 약 113,600개 이상의 플러그인 EV 충전 포인트가 구축되어 있고, 이 가운데 약 36%가 캘리포니아에 위치해 있습니다. 또한 기존 충전 시간을 20분 이내로 줄이기 위해 더 고출력의 급속 충전기를 구축하려는 전방위적인 노력이 진행 중입니다.
보다 복잡한 시스템에서는 배터리 컨디셔닝과 에너지 밸런싱을 위한 양방향 컨버터 등 추가 기능이 요구됩니다. 이 같은 애플리케이션에는 넓은 동작 범위와 높은 신뢰성을 제공하는 AC/DC 컨버터 라인업이 필요합니다. 납축 배터리의 충전·유지·설페이션 방지를 위해 사용되는 배터리 컨디셔너와 역률 보정(PFC) 프론트 엔드를 함께 사용하면, 예를 들어 총 고조파 왜곡(THD)을 45%에서 5% 수준으로 줄이고 시스템 역률을 크게 개선할 수 있습니다. 역률은 공급된 전력이 실제 유용한 일을 얼마나 효율적으로 수행하는지를 나타내는 지표입니다.
e-모빌리티용 AC/DC 솔루션은 견고한 구조와 긴 수명, 넓은 환경 조건(방수·방진 하우징 포함), 역률 보정(PFC), 배터리 충전/컨디셔닝 기능, 20kW 이상까지 가능한 전력 정격 등을 요구합니다. 고전력 AC/DC 컨버터는 특수 애플리케이션에도 사용될 수 있으며, 예를 들어 공칭 44V 또는 24V 3상 AC 입력에서 동작하면서 2.8kW 또는 1.4kW로 각각 28V 또는 14V를 출력하는 제품이 있습니다. 또 다른 AC/DC 장치로는 e-모빌리티 시장을 위해 24V 미만, 24V, 36V, 48V, 48V 초과 등 다양한 배터리 전압 세그먼트에 맞춰 설계된 배터리 충전기/컨디셔너가 있습니다. 이 중 24V 세그먼트는 전체 e-모빌리티 매출의 25% 이상을 차지하는 경우가 많습니다. 해당 AC/DC 컨버터는 2kW 및 1kW 정격으로 제공되며, 넓은 출력 전압 동작 범위를 통해 설계자에게 높은 유연성을 제공합니다.
이 세그먼트에서 일부 AC/DC 컨버터는 단상 AC 입력 기준 800W, 1600W, 3200W, 3상 AC 입력 기준 4kW 정격의 모듈형 독립형 PFC 프론트 엔드를 포함합니다. 이들 솔루션은 19인치 랙, 오픈 프레임, 샤시 타입 등 다양한 형식으로 시스템 설계에 통합될 수 있습니다. e-모빌리티 영역에서 이러한 AC/DC 컨버터의 주요 응용 분야로는 EV 및 EV 충전 시스템뿐 아니라 철도 및 운송 분야도 포함됩니다.
보다 복잡한 시스템에서는 배터리 컨디셔닝과 에너지 밸런싱을 위한 양방향 컨버터 등 추가 기능이 요구됩니다. 이 같은 애플리케이션에는 넓은 동작 범위와 높은 신뢰성을 제공하는 AC/DC 컨버터 라인업이 필요합니다. 납축 배터리의 충전·유지·설페이션 방지를 위해 사용되는 배터리 컨디셔너와 역률 보정(PFC) 프론트 엔드를 함께 사용하면, 예를 들어 총 고조파 왜곡(THD)을 45%에서 5% 수준으로 줄이고 시스템 역률을 크게 개선할 수 있습니다. 역률은 공급된 전력이 실제 유용한 일을 얼마나 효율적으로 수행하는지를 나타내는 지표입니다.
e-모빌리티용 AC/DC 솔루션은 견고한 구조와 긴 수명, 넓은 환경 조건(방수·방진 하우징 포함), 역률 보정(PFC), 배터리 충전/컨디셔닝 기능, 20kW 이상까지 가능한 전력 정격 등을 요구합니다. 고전력 AC/DC 컨버터는 특수 애플리케이션에도 사용될 수 있으며, 예를 들어 공칭 44V 또는 24V 3상 AC 입력에서 동작하면서 2.8kW 또는 1.4kW로 각각 28V 또는 14V를 출력하는 제품이 있습니다. 또 다른 AC/DC 장치로는 e-모빌리티 시장을 위해 24V 미만, 24V, 36V, 48V, 48V 초과 등 다양한 배터리 전압 세그먼트에 맞춰 설계된 배터리 충전기/컨디셔너가 있습니다. 이 중 24V 세그먼트는 전체 e-모빌리티 매출의 25% 이상을 차지하는 경우가 많습니다. 해당 AC/DC 컨버터는 2kW 및 1kW 정격으로 제공되며, 넓은 출력 전압 동작 범위를 통해 설계자에게 높은 유연성을 제공합니다.
이 세그먼트에서 일부 AC/DC 컨버터는 단상 AC 입력 기준 800W, 1600W, 3200W, 3상 AC 입력 기준 4kW 정격의 모듈형 독립형 PFC 프론트 엔드를 포함합니다. 이들 솔루션은 19인치 랙, 오픈 프레임, 샤시 타입 등 다양한 형식으로 시스템 설계에 통합될 수 있습니다. e-모빌리티 영역에서 이러한 AC/DC 컨버터의 주요 응용 분야로는 EV 및 EV 충전 시스템뿐 아니라 철도 및 운송 분야도 포함됩니다.
모빌리티
모빌리티라는 용어는 EV, 장애인용 스쿠터, 기타 소형 전동 차량 등 다양한 이동 수단을 포괄합니다. 이러한 차량은 구동 모터와 각종 보조 장비를 위한 배터리 충전기와 온보드 전력 관리 솔루션이 필요합니다. 이 분야에서 사용되는 AC/DC 컨버터의 핵심 특성은 견고한 구조, 긴 수명, 높은 신뢰성, 극한 환경 조건에 대한 대응력, 방수·밀봉 구조, 역률 보정(PFC), 그리고 최대 20kW 이상까지 확장 가능한 전력 정격입니다. 배터리 컨디셔닝 및 에너지 관리 측면에서는 양방향 전력 컨버터가 에너지 밸런싱에 사용되며, 역률 보정 프론트 엔드 역시 모빌리티 전원 아키텍처의 중요한 구성 요소입니다. 이 밖에도 고객의 새로운 맞춤형 요구사항에 맞게 조정할 수 있는 작업 플랫폼용 전력 설계 솔루션도 제공될 수 있습니다.
위조 부품 vs 정품 부품
위조 전원 공급 장치 부품은 전자 설계 전반에 심각한 문제를 야기할 수 있습니다. 이러한 부품은 오동작하거나 아예 동작하지 않을 수 있으며, 설령 동작하더라도 사람에게 상해를 입히거나 화재를 유발할 위험이 있습니다. 이와 같은 사고는 최종 제품의 안전성을 크게 떨어뜨릴 뿐만 아니라, 공급업체·제조사의 신뢰와 브랜드 평판에 치명적인 타격을 줄 수 있습니다.
올바른 파트너의 중요성
구매자는 신뢰할 수 있는 글로벌 유통망을 갖춘 검증된 제조업체의 정품을 구매하는 것이 강력히 권장됩니다. 경험 많은 설계 엔지니어와 구매 담당자는 전자 부품과 전원 공급 장치를 신뢰할 수 있는 유통사와 제조사로부터 조달하는 것이, 완전히 기능적이고 신뢰성이 높으며 안전한 최종 제품을 확보하는 가장 확실한 방법이라는 점을 잘 알고 있습니다.
참고 문헌
(1) 제1장 「벅, 부스트 및 벅/부스트 컨버터 소개」, RECOM DC/DC Book of Knowledge
(2) 제2장 「선형 AC/DC 전원 공급 장치」, RECOM AC/DC Book of Knowledge
(2) 제2장 「선형 AC/DC 전원 공급 장치」, RECOM AC/DC Book of Knowledge