전력 수요의 약 60%를 차지하는 것으로 일컬어지는 모터의 고효율화는 전 세계적으로 불고 있는 에너지 절약을 위해 중요한 과제이다. 모터 자체의 고효율화는 물론, 모터를 가변속 운전하는 데 따른 시스템에 대한 에너지 절약 요구는 앞으로 더욱 거세질 것으로 예상된다. 모터 구동의 이상적인 전원은 정현파이지만, 트랜지스터 등 반도체 소자(이하 소자로 표기)를 오디오앰프와 같이 리니어(Linear) 영역에서 구동시키면 출력전력 상당의 전력이 소자에서 소비되어 큰 에너지 손실을 발생시킨다. 소자 손실을 가능한 작게 하기 위해서 인버터는 일정 직류전압을 소자로 On/Off(스위칭) 한 구형파 전압을 출력한다. 이 구형파의 발생 및 소멸부의 전압 변화율 du/dt가 중요하며, 고속 소자인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 이용하게 된 이후로 높은 du/dt에 따른 문제가 표면화 했다. du/dt가 높아짐에 따라 부유용량을 통해 모터 권선에서 누설되는 전류가 증가했다. 누설전류는 모터 베어링의 전식(電食)이나, 고주파 노이즈를 발생시키고 주변 기기의 오동작을 일으키는 요인이 됐다. 고(高) du/dt화에 따른 큰 문제가 바로 인버터 서지로, 모터의 절연강화를 도모하는 동시에 절연에 관한 규격도 규정하게 됐다. 위에서 논한 것과 같이 출력전압의 고du/dt화에 따른 문제가 있음에도 불구하고 인버터 손실을 줄이기 위해 현재도 스위칭의 고속화가 진행되고 있다. IGBT가 적용되기 시작했을 무렵에는 인버터와 모터 사이의 케이블이 길 경우 인비터 서지가 문제가 됐지만, 현재는 10m 이하의 케이블에서도 서지가 관측되고 있다.
여기서는 모터를 구동하는 쪽에서 본 서지 저감 대책 기술과 서지 관련 파워일렉트로닉스 기술 개요를 소개한다.
인버터 출력전압과 스위칭 파형
⑴ 인버터 출력전압 파형
인버터에도 다양한 주회로 구성이 있지만 저압 3상 모터 구동용으로서 가장 일반적으로 사용되고 있는 IGBT 인버터 구성을 <그림 1>에 나타냈다. 예를 들어 상용 정현파 전압을 정류(整流)해서 얻을 수 있는 일정한 형태의 직류전압 VD를 입력하고 IGBT를 스위칭함으로써 가변 주파수의 교류전압을 출력한다. 직류회로 CF는 IGBT의 스위칭에 수반하는 맥류(Ripple) 전류를 흡수하기 위한 필터 콘덴서이며, 직류전압을 안정되게 한다. 전기 스위치인 IGBT가 각 상에 2개씩 직렬접속 되어, 2개 가운데 어느 것 하나를 On 한다. 정(위)쪽을 On 하면 VD/2, 부(아래)쪽을 On 하면 -VD/2가 교류 측에 출력된다. 정부(正負) 출력을 고속으로 반복해 On/Off 폭을 제어, 즉 펄스 폭을 변조하면 <그림 2>와 같이 평균적인 교류전압을 발생한다.
출력 상전압이 VD/2나 -VD/2 두 개의 전압 레벨이기 때문에 <그림 1>은 2레벨 인버터라고 불리며, 저압 인버터의 다수가 이 구성이다. 2레벨 인버터의 경우 스위칭 시 출력 상전압 변화 폭 △V는 직류회로전압 VD와 같아진다. 선간전압은 <그림 2>와 같이 3레벨이지만 스위칭 시 △V는 상전압 △V와 바뀌지 않는다. 일반적으로 선간전압이 상전압보다도 레벨 수는 많아지지만 △V는 같다. 인버터 서지는 이 △V에 비례하기 때문에, △V는 중요한 서지 평가 지표가 된다.
⑵ 스위칭 파형
IGBT 스위칭은 상당히 고속으로 이루어지지만 스위칭 동작을 마칠 때까지 어느 정도 시간을 요하며, 최신 소자의 전압 발생 시간은 100㎱ 정도이다. <그림 3>은 IGBT에 인가되는 전압 VCE와 흐르는 전류 IC 및 양자의 적(積)인 IGBT의 손실 파워 PL의 파형 예를 나타낸 것이다. 손실 파워 PL의 시간적분이 손실 에너지가 되기 때문에 가능한 한 고속으로 스위칭 동작을 마치고, VCE 혹은 IC 어느 쪽인가를 0으로 하는 것이 저손실화를 위해 요구된다. 이러한 배경으로부터 스위칭 속도의 고속화가 진행되고 있으며 출력전압의 고du/dt화에 이르고 있다. 앞에서 논한 △V와 함께 이 출력전압 du/dt도 중요한 서지 평가 지표이다.
인버터 서지 저감 대책
스위칭 시 출력전압 변화 폭 △V, 또는 출력전압 du/dt를 작게 하는 것이 서지 저감에 도움이 된다. 이를 실현하기 위한 방법으로 인버터 자체에서의 대책 기술 및 인버터-모터 사이에 설치하는 필터 등에 의한 제어 기술을 소개한다.
1. 인버터 자체 대책 기술
⑴ 출력전압의 다(多)레벨화
인버터 출력전압의 레벨 수를 많이 하면 스위칭할 때 △V가 작아진다. 3레벨 이상의 상전압을 출력할 수 있는 인버터를 다레벨 인버터라고 하며, 몇 개의 주회로 방식이 실용화되고 있다. <그림 4>는 ±VD와 함께 3레벨 인버터의 예이다. 각 상Q1~Q4 4개의 IGBT를 직렬접속 해 직류전압의 중점에서 다이오드(Diode) DP 및 DN을 사이에 두고 0전압도 출력할 수 있도록 구성됐다. IGBT는 2개씩 On 해서 On 소자의 선택에 의해 3레벨의 상전압을 출력할 수 있다. <그림 4>의 ⒝는 인버터 출력 상전압 파형의 예이며, 스위칭 시 전압 변화 폭 △V는 VD/2이다. VD가 같은 경우의 △V는 2레벨 인버터의 절반이 되며, 서지도 1/2로 저감된다. <그림 4>의 ⒜의 구성을 전개해 다시금 다레벨 출력전압을 얻을 수 있는 인버터도 실현 가능하다. 레벨 수를 많이 한 만큼 정현파 전압에 가까울 수 있다. 그러나 IGBT의 개수가 많아지기 때문에 비용과 IGBT 손실이 증가한다. 따라서 저압용 다레벨 인버터를 제품화 하는 제조사는 적으며, 대부분은 고압용 인버터에 적용되고 있다. 단위 인버터 출력을 직렬접속 한, 셀 방식이라고 불리는 다레벨 인버터도 각 회사에서 제품화 되고 있으나 역시 고압 용도이다. 셀 방식이 레벨 수가 많은 인버터가 실용화 되고 있으며 출력 파형 예를 <그림 5>에 나타낸 것처럼 정현파에 가까운 전압이 얻어지고 있다.
⑵ 전류형 인버터
<그림 1> 및 <그림 4>의 인버터는 직류회로의 직류전원 및 필터 콘덴서를 전압원(源)으로 해 이 전압원을 교류로 변환하기 때문에 전압형 인버터라고 한다. 인버터 스위칭에 따라 인버터 출력전압이 일의적으로 정해지고, 모터에 흐르는 전류는 모터 상태에 의존한다. 즉, 모터에 대해 인버터는 전압원으로서 작용한다. 이와 함께 인버터 스위칭에 따라 인버터 출력전류가 정해지고 인버터 출력전압은 모터 상태로 정해지는 전류형 인버터라 불리는 타입이 있다. <그림 6>은 전류형 인버터의 주회로 구성을 나타낸 것이다. 직류회로에는 콘덴서가 아닌 필터 리액터 LF가 접속되고, 교류 쪽에는 필터 콘덴서 CF가 접속된다. LF에 흐르는 전류를 스위칭 함으로써 직류전류를 교류로 변환한다. 인버터가 스위칭 했을 때에 출력교류전류는 CF를 사이에 두고 변화하기 때문에 CF가 필터 역할을 해 모터 전류의 스위칭 시 변화율을 저감한다. 스위칭 시 서지전압이 발생하는 데 그 크기는 모터의 누설 인덕턴스와 전류 변화율로 정해진다. CF에 의존하지만, 서지전압의 크기 및 du/dt를 저감할 수 있는 인버터이다.
서지 문제가 있음에도 전압형 인버터가 현재 주류이며, 모터 구동용으로서 전류형 인버터를 발매하고 있는 제조사는 적다. 그 이유 중 하나는 최근 20년 정도 인버터용 소자 개발이 전압형에 맞춘 특성 실현에 주력해 왔기 때문이다. 전류형은 전압형과 다른 특성의 소자가 필요하며, 현재의 소자를 이용해 전류형을 구성하면 회로가 복잡해진다. 그러나 최근에는 전류형에도 적용할 수 있는 새로운 소자도 개발되고 있어 머지않아 전류형이 보다 보급될 가능성이 있을 것으로 보인다.
⑶ 소프트 스위칭
<그림 3>에 나타난 VCE 및 IC 파형은 소자에 흐르고 있는 전류의 소자 능력에서 억지로 On 하는 스위칭 방식으로, 이러한 방식을 하드(Hard) 스위칭이라고 한다. 이에 반해 인버터 주회로에 보조 공진회로를 첨가해 공진회로에서 VCE 또는 IC를 변화시킴으로써 스위칭 시 출력전류나 전압 변화율을 저감하는 소프트(Soft) 스위칭 방식이 연구개발 되고 있다. 스위칭 할 때는 먼저 공진회로에서 VCE 또는 IC 어느 것을 변화시켜 VCE 또는 IC가 0이 된 타이밍에 소자를 On/Off 한다. 스위칭 손실을 0에 가깝도록 하는 것이 목적인 방식이지만, du/dt를 저감하는 효과도 있다. 보조회로 구성 및 타이밍 제어 방식이 종종 검토되고 있으며, 고주파 출력이 필요한 곳 등에 적용되고 있다. 모터 구동용으로도 검토는 되고 있지만, 회로 구성 부품이 증가하고 정확한 타이밍 제어가 필요하기 때문에 보급까지는 이르지 못하고 있다. 그러나 보조회로 및 타이밍 제어의 간단화가 가까운 시일 내에 실현될 가능성도 있어 기대되는 기술이다.
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2. 필터 등에 의한 서지 제어 기술 인버터-모터 사이에 설치하는 대표적인 필터 종류를 <표 1>에 나타냈다. 필터 종류에는 IGBT 등 능동 부품과 수동 부품을 함께 구성한 것도 제안되고 있지만, 능동 부품용 전원공급이 필요하기 때문에 많이 사용되고 있지는 않다.
⑴출력리액터
리액터 L과 모터의 부유용량 C에 의해 필터 효과를 얻을 수 있으며, 모터 단자전압 du/dt가 저하하고 서지도 저감한다.
⑵ LCR 필터
잘 알려져 있는 구성인 LCR 필터이다. ⑴의 출력리액터보다도 모터 파라미터 의존성을 저감할 수 있다. LC가 커질수록 필터 효과도 커지지만, 비용 및 사이즈도 함께 커지기 때문에 서지 저감 목적의 경우에는 최저한의 LC 값으로 구성한다. 다만 정현파 전원으로 구동한 전동기를 인버터 구동화 할 경우에는 모터의 절연내력 관점에서 정현파 필터라 불리는 큰 LC 값으로 구성해 적용하는 경우도 있다.
⑶ LR 병렬회로
케이블과 직렬로 어느 정도의 고저항 R만을 설치해도 모터의 부유용량 C에 의해 CR 필터로 작용해 단자전압 du/dt 및 서지가 저감한다. 그러나 R만으로는 전압강하와 손실이 커지기 때문에 R과 병렬로 L을 접속해 고주파 성분만을 R로 감쇠시키는 구성이다.
⑷ 터미네이터(Terminator)
단순한 CR 직렬회로이며 모터 쪽에 병렬 설치한다. 모터 쪽 임피던스를 배선 케이블의 서지 임피던스와 같은 정도 이하로 저감하고 전압 반사를 제어하는 원리이다. 단순한 R만으로라도 반사 제어가 가능하지만, 전체 전압이 인가된 R 손실이 커져 대용량 R이 필요하다. 따라서 R에 C를 직렬접속 해 R로의 전압 인가 평균값을 낮춰 소용량 R로 실현 가능하도록 한다. 다만 CR의 시정수(時定數)가 작아지는 만큼 서지 제어 효과가 저하하기 때문에 시정수를 확보하기 위해 어느 정도 용량이 큰 C로 할 필요가 있다. 위의 ⑴~⑶은 설치 위치가 인버터 쪽이든 모터쪽이든 서지 제어 효과를 얻을 수 있다. 그러나 케이블이 길 경우에는 케이블의 임피던스가 영향을 미치기 때문에 설치 위치에 따라 효과가 변화한다. 일반적으로는 환경이 좋은 인버터 쪽에 설치하고 있다. 또한 이들 3종류는 전체 모터 전류를 흐르게 하는 임피던스 L이 필요하며, 모터 용량이 커질수록 L의 사이즈가 커진다. 터미네이터는 주회로로 병렬 설치하는 기기이기 때문에 모터 전류가 흐르도록 하는 부품이 없고, 모터 임피던스가 크면 모터 용량 의존성이 작다.
마무리
고효율화를 위해 스위칭 고속화는 앞으로도 진행되고, 인버터 출력전압 du/dt는 점점 더 높아질 것으로 보인다. 이러한 상황 속에서 인버터 자체에서의 서지 제어 기술을 낮은 비용으로 실현하지 못하는 것이 지금의 현실이다. 그러나 소자 특성의 개선과 함께 제어 · 보호회로의 일체 패키지화 등 반도체 기술은 나날이 진화하고 있다. 앞으로는 다레벨 인버터나 소프트 스위칭을 저비용으로 실현하고, 주위 환경에 도움이 되는 인버터가 탄생하길 기대해 본다. 한편 현지에 시스템을 설치하기 전 서지전압의 크기를 파악 · 평가하는 것에 대해 강한 요구가 있었다. 서지전압의 크기는 모터에 따라 다르며, 직류전압 VD의 2배 가까이에 달하는 것이 있는가 하면 1.5배 이하의 모터도 있다. 사전에 서지 크기를 알 수 있으면 필터 등의 설치 가부(可否) 판단이 가능하다. 그러나 서지에 관계하는 모터 임피던스는 누설회로가 지배적이며, 무엇을 어떻게 측정하면 사전평가가 가능한지 명확히 되어 있지 않다. 중요한 파라미터에 관한 데이터베이스도 없는 것이 현실인 지금, 중요 파라미터의 측정 방법 확립과 데이터 축적이 앞으로의 과제라고 여겨진다.
파워일렉트로닉스(Power Electronics) 사이리스터나 파워 트랜지스터 등의 전력용 반도체 소자를 사용하여 전력회로 기기의 개폐 · 제어, 주파수 변환(정류 포함), 전동기의 운전 등 주로 파워 분야를 대상으로 한 일렉트로닉스 장치나 기술의 응용을 의미하는 용어이다.
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