고전압 혁신을 통한 전원 관리의 재정립

  • 글|크리스 섀어바움 디렉터, 아날로그 혁신&개발 담당 라마난 나타라잔 시스템 솔루션, 고전압 전원 솔루션 담당 텍사스 인스트루먼트
  • 2016-03-16 오전 10:22:53

오늘날 우리는 새로운 시스템에 맞춰 끊임없이 변화하는 전력 수요를 목도하고 있다. 그 중 대부분을 차지하는 모바일은 전 세계 삶의 기준을 높이고 있다. 동시에 환경 문제로 이어지기 때문에 훨씬 더 효율적으로 에너지를 사용해야만 한다.

이러한 문제를 효과적으로 해결하기 위한 여러 정치적, 경제적 해결책이 있겠지만, 한 가지 기술적 해결책에 점점 더 힘이 실리고 있다. 고전압 혁신은 전기를 더 효율적으로 전송 및 변환시켜 소스와 완제품 사이에서 소실되는 전력을 줄여준다.

이러한 혁신은 모터와 냉장 유닛과 같은 소비재에 재생 에너지원을 도입하거나 에너지 절전의 개선 등 전기 발전의 변화를 보완해준다. 그 결과 전력 효율이 꾸준히 상승해 자금 및 온실가스 배출을 줄일 수 있다. 

약간의 효율 개선만으로도 큰 효과를 낼 수 있다. 미국 에너지정보청(Energy Information Administration, EIA)은 2015년 중간 전망에서 미국의 전기 발전이 2040년까지 연간 약 1%씩 24% 증가할 것이라 예측했다. EIA는 미국에서 발전된 전기의 6% 가량이 공급과 처분으로 낭비된다고 추정했는데, 이는 최근 몇 년간 연간 1,400만 메가와트아워(MWh)에 달하는 규모이다. 이러한 낭비를 효율 개선으로 일부만이라도 줄인다면 발전해야 할 전체 규모를 줄일 수 있을 것이다. 

첨단 반도체는 가장 중요한 기술 중 하나로 이미 발전(power generation)과 송전, 소비에 쓰이며, 이를 효율화하기 위한 개발에 박차를 가하고 있다. 집적회로를 이용해 구현된 스마트 컨트롤과 새로운 전력 반도체 재료의 사용으로 최소한의 손실만으로 전원을 변환할 수 있게 됐다. 지능형 IC 하드웨어는 전력망, 공장, 가정, 자동차, 기타 시스템에서 전력 사용량을 효율적으로 통신, 제어하는 그 밖의 시스템들도 가능하게 한다.

또한 전원공급장치와 배터리 충전기의 중추인 전원 관리 회로는 휴대형 전자기기를 급격히 성장시켰고, 효율과 편의 모두 달성할 수 있게 됐다. 텍사스 인스트루먼트(TI)는 설계 및 제조 공정, 패키징 등의 전문성을 활용해 고전압 아날로그 및 혼합신호 솔루션을 선보임으로써 앞으로 몇 년 내에 전력 효율을 크게 향상시킬 수 있는 단계에 와 있다.

고전압에 주목하는 이유

전압은 발전소와 지역 보급 라인의 수 만 볼트(V)부터 임베디드 프로세서와 같은 고속 디지털 부품이 자체 사용하는 1 V의 몇 분의 몇까지 다양하다. 배전 경로는 대다수가 중간 전압 레벨이며, 110/120 및 220/240 V가 소비자에게 가장 익숙할 것이다. 주거용, 상업용, 산업용, 차량용에서 고전압은 전자 회로의 레벨을 넘어 교통 및 산업 장비의 레벨까지, 다시 말해 수 십 볼트부터 수 백 볼트까지 다양하게 존재한다.

모든 전압 레벨에서 동작하는 전원 관리 IC는 IC 공급업체에게 상당한 기회를 제공한다는 뜻과도 같다. HIS의 시장조사에 따르면, 이는 연간 300억 달러에 달하는 분야이다. 교류를 직류로 변환하는 컨버터(AC/DC), 인버터, 양방향 컨버터, DC/DC 컨버터와 같은 IC 제품들에 대한 새로운 시장이 계속 등장하고 있다. 집적 수준을 높이고 전력 밀도를 증가시키고 지능을 추가한 IC 솔루션은 전체 시스템 성능을 개선할 수 있다.

전력 변환은 가장 가능성이 높은 분야이다. 발전소에서 최종 애플리케이션까지 이어지는 모든 전압 변환 단계에는 전력 소실이 수반되기 때문이다. 또한 다른 조건은 동일하다고 가정했을 경우, 낮은 전압일수록 높은 전압보다 전송에서 더 많은 전력이 소실된다. 이 때문에 완제품에 가까운 또는 완제품 안까지 고전압을 가져온 후 전력 소실을 최소화하는 변환 방식을 통해 이를 스텝다운(Step down)하는 것이 가장 효율적이다. 장비 근처와 사용자 근처에 고전압이 존재하려면 기계와 사람을 보호하기 위해 추가 조치가 필요하다.

“장비”라는 말은 공장 현장을 연상시키는데, 사실 모터 및 로봇, 중앙제어 시스템과 같은 산업 애플리케이션에서 전력 혁신의 중요 분야이기도 하다. 현재 전 세계의 산업 현장은 지능형 자동화의 변화를 겪고 있다. 이것은 너무 빠르게 일어나고 있어 일부는 이것을 “제4차 산업 혁명”(1차부터 3차 증기력의 혁명 이후), 또는 인더스트리 4.0(Industry 4.0)이라는 별칭을 붙이기도 한다.

이른바 “스마트 공장”이라는 이러한 변화를 가능하게 하는 요소는 향상된 기계 지능형 및 시스템 통신을 이용할 수 있게 된 데에서 찾을 수 있다. 스마트 공장의 주된 목적은 적은 에너지로 최대한 많은 일을 함으로써 생산성을 높이고 원가를 낮추는 데 있다.

그러나 산업은 전력 효율의 개선 기술이 유일한 표적이 아니다. 그 혜택을 볼 수 있는 다른 분야들로는 태양광발전 인버터와 풍력발전 인버터, 데이터 센터, 통신 인프라 등이 있다. 배터리 전압이 약 400 V 정도 되는 전기차 역시 충전과 구동 모두에서 고전압 전자기기에 의존한다. 또한 급성장하고 있는 모든 종류별 모바일 기기 시장 역시 새로운 전력 기술의 주된 원동력이 되고 있다. 휴대전화 충전기와 같은 사소한 기기조차도 현재 수 십 억 개가 사용 중이라는 점을 감안하면, 더 효율적인 구동이 필요하다. 다시 말해 크든 작든 모든 전기/전자 시스템은 안전하고 효율적인 전력 변환의 혜택을 입게 된다는 뜻이다.


고전압 기술의 과제

미래 전력 효율의 향상 필요성에 부응하려면, 기술 개발자들은 IC 성능을 높이면서 크기는 줄이고 신뢰성을 유지하는 동시에 원가도 맞춰야만 한다. 이러한 요건이 요구되므로 제조 공정, 온칩 부품들, 회로 설계 및 패키징 등에서 혁신이 필요하다. 장비 개발자에게 새로운 제품으로 관심을 높이도록 강화된 전원 기술의 채택 속도를 높일 수 있는 또 다른 요소는 집적된 올인원 솔루션을 이용하면서 하드웨어 및 소프트웨어 설계를 심층 지원하는 것이다. TI는 고집적 저전력 솔루션 개발의 역사가 깊고, 이 모든 분야에서 혁신과 발전을 이어나가며 전문성을 활용하여 오늘날의 시장과 미래 시장이 요구하는 첨단 고전력 솔루션을 개발하고 있다.

최근에 스위치 모드 전원공급장치(Switched-Mode Power Supplies, SMPS)가 전력 변환에 성공을 거둔 바 있다. 기존 전원공급장치 설계보다 내재적으로 더 효율적이기 때문이다. 그러나 SMPS 설계를 완벽하게 하는 것은 계속 진행 중인 기술이다. 이 공급장치들은 높은 주파수에서 전류를 만드는데, 시스템 안까지 깊숙이 전파되어 소스로 다시 새어 들어가는 것을 막아야 한다.

또한 전원공급장치 내의 민감한 소자들은 내부의 임피던스와 주변 부품의 간섭에 취약하다. 이 때문에 가급적 많은 시스템을 집적하고 있는 SMPS 솔루션은 전원공급장치 설계의 복잡도를 낮출 수 있고, 제조원가도 절감할 수 있다. 이 솔루션에 전원 회로를 따라 소형 폼팩터 절연을 포함시킬 수 있다면, 시스템을 외부 간섭으로부터 효과적으로 차폐할 수 있고, 높은 주파수가 시스템 내부에서 라인을 타고 이동하는 것을 막을 수 있어 더 좋다.

프로세스 발전. 제조 공정 기술이 SMPS 및 기타 전원 설계에 사용되는 실리콘의 전압 및 주파수 성능을 끊임없이 발전시키고 있다. 예를 들어 TI의 다목적 고전력 LBC7HV BiCMOS 프로세스는 현재 정격 600 V까지 집적 게이트 드라이버-전원 스위치 솔루션에 사용되고 있다. 또한 제조업체들은 질화갈륨(GaN, 실리콘 기판 위)과 탄화규소(SiC)와 같은 신소재로 눈을 돌려 고전압에서 더 빠른 스위칭과 더 큰 효율을 도모하고 있다.

TI는 수많은 실리콘 기반 솔루션 외에도 GaN 스위치를 위한 몇 가지 게이트 드라이버를 개발했고, 게이트 드라이버와 GaN 전원 스위치가 포함된 첨단 멀티칩 모듈(MCM)의 도입을 준비하고 있다. 아래 설명할 혁신과 더불어, 제조 공정의 발전은 전력 밀도를 높이고 시스템 비용은 낮추면서 보다 효율적으로 전기를 공급하도록 해준다. 

집적(Integration). 새로운 고전압 전원공급장치에서 중요한 요건 중 하나가 완제품 내부의 보드에 맞게 크기를 고치는 것이다. TI는 이 요건을 지키기 위해 비용 및 성능 차원에서 가급적 많은 전원공급장치 부품을 집적하고 있는 단일칩 솔루션을 제공하고 있다. 사용된 프로세스가 서로 달라 시스템 전체를 집적하는 것이 경제적이지 않거나 불가능할 때마다 그 해결책으로 MCM에 2개 이상의 디바이스를 집적하는 것이다.

공간 절약은 물론 시스템 레벨의 단일칩 및 MCM 솔루션은 전력 밀도를 높이고, 와인딩과 히트싱크와 같은 패시브 소재에 대한 필요성도 줄여준다. 또한 이러한 솔루션은 전원공급장치 설계를 어렵게 하는 복잡한 내부 임피던스를 제거하거나 최소화하기 때문에 설계를 간소하게 해준다.

절연(Isolation). 단일 칩 및 MCM 집적의 큰 문제점은 절연을 어떻게 포함시키느냐에 있다. 전통적으로 전원공급장치는 트랜스포머를 이용해 절연하는데, 이것은 집적회로 바깥에 위치한 크기가 큰 부품이다. 현재 새로운 절연 방식이 개발 중에 있으며, 이것이 외부 트랜스포머를 없애고 시스템을 칩 내부나 MCM으로부터 절연시키게 될 것이다. 사용자 안전과 장비 보호를 위해 이 새로운 기술은 강화된 절연을 제공해야 한다. 이것은 시스템이 기능하는데 필요한 기본 절연보다 2배 이상이어야 할 것이다. 이러한 절연 집적 방식이 시장에 등장한다면, 이는 공간 절약 전원공급장치 솔루션에서 없어서는 안 될 필수사항임이 입증될 것이다.

 

고주파수 프로그래머블 컨트롤러. 최고의 게이트 드라이버와 전원 스위치라도 정밀한 제어 없이는 SMPS에서 무용지물이다. 또한 약간의 타이밍 차이가 시스템의 효율을 망치는 큰 차이로 빠르게 확대되기도 한다. 최소한 새로운 SMPS 설계의 고주파수는 고성능 상태기계의 디지털 제어를 필요로 한다. 혁신적인 소프트웨어 툴은 C2000 MCU 또는 UCD3138 디지털 컨트롤러를 이용해 기존 아날로그 컨트롤 방식의 전환을 간소화함으로써, 디지털 제어 SMPS 시스템의 폐회로 제어를 어떻게 개발할 것인지 전원 설계자가 쉽게 파악할 수 있도록 도와준다.

첨단 패키징. 집적 전원 솔루션에는 혁신적인 단일칩 및 MCM 패키징이 필요하다. 이것은 전기 집적 요건과 고전압 구동에 따른 열 스트레스 요건을 처리할 수 있다. 무엇보다 패키징 전문가들은 소재의 종류와 본딩 기술, 저하 방지 방법을 파악해야 한다. 패키지는 고전압 영역에서 저전압 영역으로의 전하 확산, 고전류 밀도로 인한 전자의 이동, 패키지에서 반드시 제거해야 하는 과도한 열 등으로 인해 저하될 수 있다.

또한 소자의 수명주기 동안 열-기계적 스트레스로 인한 크래킹이나 그 밖의 원인들로 인해서도 저하가 일어날 수 있다. 이러한 문제들은 높은 전력 레벨에서 크게 확대된다. 특히 공장이나 자동차, 그 밖의 가혹한 환경에서 IC를 사용하는 경우에 더욱 그렇다. TI는 폭넓은 소재 평가와 종합적인 테스트, 소재 공급업체와의 선행 계약 등으로 이러한 문제를 해결하고 있다.

미래를 위한 고전압 효율

보다 효율적인 전원 관리의 필요성이 커지면서 혁신적인 기술 솔루션에 대한 수요도 늘고 있다. 다른 에너지원을 찾거나 적은 전력으로도 구동되는 장비를 만들거나 전원 송전 및 변환을 개선하는 방법들로 효율을 도모하고 있다. 

혁신적인 IC 기술은 이러한 모든 분야에서 핵심 역할을 한다. 특히 절전 가능성이 높은 애플리케이션들 중 고전압 전력 변환에서 더욱 그렇다. 전원 관리 반도체 기술은 제조 공정 및 회로, 아이솔레이터와 단일 칩 및 MCM 집적, 패키징과 같은 부품 등의 지속적인 발전을 통해 앞으로도 계속 발전할 것이다.

설계 또한 역시 SMPS와 그 밖의 전원 시스템의 설계에 필요한 수고를 덜어주는 올인원 솔루션의 혜택을 얻게 될 것이다. 업계를 선도하는 아날로그 IC 제조업체인 TI는 집적 저전압 전원 제품에 관한 오랜 역사를 가지고 있다. TI는 광범위하고 심도 깊은 전문지식과 지속적인 기술 혁신 노력으로 고객의 요구에 부응하며, 보다 나은 미래를 위해 에너지를 절약할 수 있는 고전압 솔루션 개발에 박차를 가하고 있다. 

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