전원 공급장치 효율 측정 방법과 효율 측정이 중요한 이유

2025. 3. 28

전원 공급장치의 효율은 성능과 비용 효율성에 모두 매우 중요하며 에너지 사용, 운영 안정성과 장기적인 절약에 큰 영향을 미칩니다. 일반적인 전원 공급장치의 작동 수명이 5년이라고 가정하면, 낮은 효율에 따른 에너지 낭비로 인한 손해 비용이 원래 전원 공급장치로 인해 발생하는 것보다 막대합니다.

통상적으로 "효율"이란 시간, 노력, 에너지나 리소스가 낭비되는 양을 최소화하여 주어진 업무를 완수하거나 목표를 실현하는 능력을 가리킵니다. 효율을 알아보려면 투입(시간, 인력 또는 자재 등)을 얼마나 효과적으로 출력(결과물 또는 제품)으로 변환할 수 있는지 측량합니다.

전원 공급장치 효율의 중요성

전원 공급장치 효율이 사용자에게 중요한 이유는 크게 세 가지로 나눌 수 있습니다.

1) 출력 전력과 입력 전력의 차이가 소멸된 전력(주로 열의 형태로 방출됨)입니다.

효율이 90%인 전원 공급장치는 10%를 열의 형태로 손실합니다.
효율이 95%인 전원 공급장치는 5%를 열의 형태로 손실합니다(즉, 첫 번째 예시보다 반만 뜨거워짐).
효율이 97.5%인 전원 공급장치는 2.5%를 열의 형태로 손실합니다(즉, 첫 번째 예시보다 1/4만 뜨거워짐).

다시 말해, 효율이 조금만 차이가 나도 작동할 때는 큰 차이를 초래할 수 있다는 뜻입니다.

2) 온도는 장치의 안정성에 영향을 미치는 가장 중요한 요인입니다.

이것은 아레니우스 관계 때문인데, 아레니우스 관계란 물리 화학에서 반응 속도가 온도에 얼마나 의존하는지 나타내는 수식입니다. 아레니우스 방정식에서는 온도가 10°C 상승할수록 화학 반응이 두 배로 늘어난다고 주장합니다.
화학 반응은 노화, 부식, 전기 응력 효과와 관련이 있기 때문에 온도가 높으면 곧 일찍 고장을 일으킨다는 결과와 직결됩니다.
작동 온도가 낮은 전원 공급장치는 수명이 깁니다. 따라서 긴 작동 수명을 보장할 세 가지 방법은 다음과 같습니다.

정격이 85°C밖에 안 되는 커패시터 대신 105°C 정격의 커패시터 등과 같은 고온 정격의 구성품을 사용합니다. 즉, 내부 온도가 60°C 안팎이라고 가정할 때, 정격이 높은 구성품일수록 헤드룸이 훨씬 많고 과도한 응력이 발생하지 않는다는 뜻입니다.
자유 대류 냉각이 가능한 레이아웃을 사용해 발생한 열이 장치에서 쉽게 빠져나갈 수 있어야 합니다. 예를 들어 RACPRO1 시리즈 제품은 세로형 통풍로를 두 개 포함하여 설계했기 때문에 굴뚝 효과를 통해 수동 냉각을 보완할 수 있습니다. 또한 열에 민감한 구성품(예: 커패시터)을 뜨거운 구성품(예: 변압기, 트랜지스터) 아래에 배치해 열 응력을 줄였습니다.
고효율을 위해 처음부터 여열이 발생하지 않도록 설계합니다.

3) 우수한 효율은 작동 원가를 낮추는 데 중요한 역할을 합니다.

효율이 94%인 1kW 전원 공급장치라면 1년에 365 × 24 × 6% = 526kWh의 에너지가 낭비됩니다.
효율이 96%인 1kW 전원 공급장치라면 1년에 365 × 24 × 4% = 350kWh의 에너지가 낭비됩니다.

효율이 96%인 전원 공급장치의 전기 소모량이 효율이 94%인 제품보다 30%나 적다는 뜻입니다. 효율 차이는 겨우 2%밖에 안 되는데도 말입니다. 게다가, 일반적인 전원 공급장치의 작동 수명이 5년이라고 가정하면 효율이 낮아서 발생하는 에너지 낭비가 전원 공급장치 자체의 비용을 쉽게 초과합니다.

전원 공급장치 효율 측정

DC/DC 컨버터와 AC/DC 컨버터의 효율을 측정할 때는 서로 다른 고려 사항을 염두에 둡니다. 아래는 효율을 계산할 때 사용하는 수식으로, 이러한 차이점을 요약하면 다음과 같습니다.

전원 공급장치 효율의 계산 수식

전원 공급장치를 거론할 때 효율이란 해당 공급장치가 전기 입력 전력(공급원에서 제공)을 출력 전력(부하 장치에서 도출)으로 얼마나 효과적으로 열이나 다른 폐기물 형태의 에너지 손실 없이 변환하는지 나타냅니다. 전원 공급장치 효율을 백분율 단위로 나타내는 계산 수식은 다음과 같습니다.

효율(%) = (출력/입력 전력) × 100%

예를 들어 어느 전원 공급장치가 전기 공급원에서 100W를 얻지만, 부하 장치에 제공하는 전력은 90W밖에 안 된다면 효율은 (90W/100W) x 100% = 90%입니다.

AC/DC 컨버터의 효율 측정

AC-DC 컨버터는 효율을 측정하기 어렵습니다. 전력 분석기가 있어야 컨버터에 제공되는 실제(유효) AC 전력을 정확하게 측정하면서 전압과 전류 사이의 위상각(Cos Phi)을 감안할 수 있기 때문입니다. 또한 역률 개선(PFC)이 없는 AC-DC 컨버터에는 항상 고조파가 측정치에 영향을 미치게 됩니다. 대부분의 전력 분석기는 고조파를 최대 39차까지 측정합니다(IEC EN 61000-3-2 표준의 정의 참조). 하지만 확실히 정확한 측정치를 얻으려면 99차 고조파까지 가야 하고, 몇 분에 걸쳐 평균을 내야 합니다. 특히 펄스 스키핑(Pulse Skipping)과 같은 저전력 대기 모드 기법을 사용하는 최신 컨트롤러 IC의 경우 이런 측정 방법이 필수적입니다.

효율 측정은 다양한 작동 조건(저압선부터 고압선, 저부하에서 최대 부하)에서 수행해야 합니다. 부하가 없으면 효율은 항상 0%입니다. 그 이유는 컨버터가 작동하면 소량의 "일반관리(housekeeping)" 전력을 사용해 스위칭 회로를 작동하지만, 출력 전력은 제공하지 않기 때문입니다(부하 전류가 0임). 다시 말해, 부하가 없으면 전원 공급장치의 일반적인 효율 곡선은 효율이 0인 것으로 표시됩니다.

훌륭한 전원 공급장치 설계 는 효율 곡선이 부하 약 10%부터 최대 부하까지 편평한 형태로 표시됩니다. 또한 대개 부하가 높을 때 최대 효율이 발생하지만, 우수한 설계는 부하가 50% 이하라도 감소하는 양이 적습니다. 그리고 효율 곡선은 공급 전압에 많이 의존하지 않는 것이 좋습니다. 다만 AC 전압이 떨어지면 입력 전류가 상승하고 이로 인해 다소간의 I²R 추가 손실이 발생하게 됩니다. RACPRO1 시리즈의 효율 곡선은 탁월하게 우수합니다. 모든 부하 조건에서 효율이 공급 전압과 무관할 뿐만 아니라, 피크 효율인 96%를 부하 30%에서 달성하여 100% 부하까지 일정한 수준을 유지하므로 일반적인 산업용 부하 조건에 모두 해당합니다.

마지막으로, 대기 모드 전력 소모량도 중요합니다. 첫째로는 장치가 대기 모드로 보내는 시간이 많은 경우 전기 비용을 아껴야 하고, 둘째로는 EU와 미국의 전력 소모량 친환경 목표에 부합하고 법률을 준수하기 위해서입니다. RACPRO1-T960/24는 대기 모드에서 끌어오는 전력이 약 2W에 불과합니다. 그러면서도 부하에 갑자기 전력이 필요한 경우 1,150W를 넘는 전력을 제공할 수 있습니다.

고성능 RACPRO1 DIN 레일 전원 공급장치

RECOM에서는 조건이 까다로운 산업 응용 분야 대부분에서 활용할 수 있도록 최근에 RACPRO1 DIN 레일 전원 공급장치 제품군을 출시했습니다. RACPRO1-T240, -T480, -T960의 제공 전력은 각각 240W, 480W, 960W입니다(그림 1 참조).

RACPRO1 제품군: T240(왼쪽), T480(가운데), T960(오른쪽)

그림 2. RACPRO1 제품군 소개: T240(왼쪽), T480(가운데), T960(오른쪽)

이 제품군을 구성하는 제품은 동급 전원 공급장치 중 업계 최고의 효율을 제공하며, 역률(PFC)이 0.9를 넘고, 전력 효율은 각각 94.1%(RACPRO1-T240), 95.3%(RACPRO1-T480), 97.1%(RACPRO1-T960)입니다.

기타 리소스

성공적인 AC/DC 전원 공급장치 설계를 구현하는 데 필요한 광범위한 경험담과 학습 자료는 RECOM AC/DC, DC/DC 및 EMC 기술 자료집을 참조하세요. 챕터 12에서는 일반관리 전력 소모량을 줄이는 방법과 몇 가지 측정 기법을 다루었습니다.

또한 RECOM의 AC/DC 전원 공급장치의 에너지 효율: 필수 요소 빠른 가이드 블로그에서도 Ecodesign 규정에 관한 유용한 개요를 제공합니다. Ecodesign 규정은 정부 또는 규제 기관에서 시중의 제품이 전체 수명 주기 동안 환경에 미치는 영향을 최소화하도록 설계되었는지 확인하기 위해 정립한 일련의 표준과 지침입니다. 이러한 규정에서는 주로 폐기물, 배출 가스, 자원 소모량을 줄여 에너지 효율을 개선하고 지속 가능성을 촉구하는 데 중점을 둡니다.

이 흥미로운 새 DIN 레일 장착형 전원 공급장치 제품군에 관한 자세한 정보는 RACPRO1 웹페이지에서 확인할 수 있습니다.

용도

	Series
1	RACPRO1-T240 Focus 신규	Slim Design (43mm) with 25° Push-In connectors Fast tool-less mounting and demounting	Active Inrush Current Limitation 2-phase AC operation 2x350V to 2x575V	Datasheet	New Order now
2	RACPRO1-T480 Focus 신규	Slim Design (52mm) with 25° Push-In connectors Fast tool-less mounting and demounting	PFC >0.9 and Active Inrush Current Limitation DC-Input Range 430V to 815V/850V 10s	Datasheet	New Order now
3	RACPRO1-T960 Focus 신규	Slim Design (80mm) with 25° Push-In connectors Fast tool-less mounting and demounting	PFC >0.9 and Active Inrush Current Limitation DC-Input Range 430V to 815V/850V 10s	Datasheet	New Order now