 반도체 변압기 활용한 전기차 급속 충전기 개발 ‘올인원 시스템 구축’… 직류 변환, ESS 동시 연결까지 국내 연구진이 고전압 교류를 저전압 직류로 변환하고, 에너지저장장치까지 동시에 연결하는 기술을 개발했다. 4차 산업혁명시대 전기화 제품의 급증세에 전통적인 변압기를 대체할 새로운 형태의 전력변환 기기 전력과 전자 기술을 이용한 반도체 변압기는 주목 받으며 국내외 연구가 활발히 진행되고 있다. 고효율성, 전압과 전류의 조절 용이, 무게와 부피 측면과 단순한 시스템에서 기존 변압기보다 이점이 많다. 반도체 변압기 개발 이후 응용한 전기차 급속 충전까지 활용한다. ‘반도체 변압기’기술이 차세대 E-모빌리티의 급속 충전 인프라 확대에 크게 기여할 것으로 기대하고 있다.
정리 편집부 자료 한국전기연구원 * 출처 <직류배전을 위한 반도체 변압기 기술>, 2016, 건국대학교 전기공학과 조영훈
한국전기연구원 백주원 박사가 반도체 변압기를 활용한 전기차 급속 충전 시스템을 개발했다.
한국전기연구원, 반도체 변압기 기술개발 한국전기연구원(KERI) 전기추진연구센터 백주원 박사팀은 ㈜효성, ㈜중앙제어와 함께 ‘반도체 변압기(SST, Solid State Transformer)를 활용한 전기차 급속 충전기’를 개발했다고 밝혔다. 변압기는 전압을 원하는 값으로 바꾸어 주는 장치다. 흔히 도로에서 많이 발견되는 전봇대의 주상변압기는 22.9 kV(국내 배전 전압 기준)의 큰 교류 전압을 220 V 또는 380 V로 낮춰주는 역할을 한다. 그리고 대부분의 전자기기는 직류를 기반으로 작동하기 때문에 교류를 직류로 바꾸는 컨버터가 반드시 필요하다. 최근 4차 산업혁명 시대를 맞아 우리가 사용하는 많은 제품의 전기화(Electrification)가 이루어지고 있다. 이러한 제품에는 에디슨의 직류를 사용하는 것이 보다 효율적이므로, 반도체 변압기도 큰 주목을 받고 있다. 반도체 변압기는 전력·전자 기술을 이용해 전통적인 변압기를 대체하는 새로운 형태의 전력변환 기기다. 기존 변압기와 비교해 자유롭게 전압과 전류를 조절할 수 있고 무게와 부피, 시스템의 단순화 측면에서도 유리해 국내외에서 연구가 활발하게 진행되고 있다. 탄소중립의 신재생에너지, 스마트그리드 등 새로운 전력 시스템 환경이 구축되면서 기존 전통적인 변압기의 단점을 보완하고 다양한 장점을 가진 반도체 변압기의 기술력이 요구되고 있다.
반도체 변압기 연구개발 동향 교류 송배전 시스템의 환경을 구축하는데 핵심적인 역할을 해온 전통적인 변압기는 1800년대 말부터 본격적으로 사용되었다. 1886년 미국에서 개발한 보급형 변압기 이후 큰 변동 없이 사용되고 있어 반도체 변압기의 개발에 시초가 되었다. 반도체 변압기는 거의 배전용 변압기를 대체하는 전력전자 기반의 변압기로 인식되고 있지만 반도체 변압기에 관한 전자 기술에 의한 전력 계통에서의 전력변환장치로 범위를 넓히면, 역사는 20세기 초반까지 거슬러 올라간다.
1944년에 E. Alexanderson 등은 [그림 1]과 같은 3상 이중변환 형태의 전자식 전력 변환기를 이용한 송배전 시스템과 전동기 구동 시스템을 소개하였다. 그러나 이 방식은 절연부가 없기 때문에 기존의 전통적인 변압기를 대체한다고 보기에는 어려움이 있다. 1968년 W. McMurray 등은 고주파 변압기를 사용한 단일 스테이지 형태의 반도체 변압기에 관한 특허를 출원하였다. 이 회로는 부하 측 전류차단, 전류제어, 전압제어 등과 같은 기능을 가지는 것으로 현재의 반도체 변압기의 주요 기능을 상당부분 수행할 수 있다. 그 후 이러한 형태의 회로에 관한 특허가 1970년대에 지속적으로 출원되었다. 1980년대에 들어서는 현재 국제적으로 주로 통용되고 있는 반도체 변압기의 영문 표현인 Solid State Transformer가 Bowers 등에 의해 사용되기 시작했다.
 한편 2005년에는 버지니아 공대(Virginia Tech)의 Lai와 미국전력 연구소인 EPRI (Electric Power Research Institute)에 의하여 보다 현대적 기능이 강화된 반도체 변압기가 발표되었는데, IUT (Intelligent Universal Transformer)라고 한다. 이 반도체 변압기는 기존의 방식들과 달리 능동 정류기, DC-DC변환기, 그리고 부하 인버터가 개별적으로 구성되어 있다. 따라서 1차 측과 2차 측이 기능적으로 완전히 분리되어 기존의 변압기가 갖는 1, 2차 측의 기능적인 결합으로부터 발생되는 단점들을 완벽히 보상할 수 있으며, 현재 주로 개발되고 있는 3 스테이지 형태 반도체 변압기의 초기형태라고 할 수 있다. 2000년대 후반부터는 반도체 변압기에 관한 연구 수요가 미국내 연구소 및 대학을 중심으로 본격적으로 시작 되었으며, 그에 발맞추어 유럽과 중국, 그리고 우리나라에서도 관련 연구가 진행되고 있다. 교류 배전용 반도체 변압기 외에 직류 배전 및 전기자동차 직류 급속 충전을 위한 반도체 변압기도 개발되고 있다. 버지니아 공대에서 개발한 50 kW급 직류 배전 및 전기자동차 급속 충전을 위한 반도체 변압기를 보여준다. 최근에는 다양한 국가에서 전력 계통을 비롯한 다양한 응용 분야에서 반도체 변압기의 실용화를 위한 연구가 다수 진행 중이다.
교류 배전용 반도체 변압기
전통적으로 반도체 변압기는 교류 배전 시스템에 적용하는 것을 목적으로 하여 개발되어 왔으며, 직류 배전을 위한 반도체 변압기도 그 기본 구조가 교류 배전을 위한 반도체 변압기와 크게 다르지 않다. [그림 1]은 교류 배전 계통 적용을 위한 3스테이지 형태 반도체 변압기의 구조를 보여주고 있다.
반도체 변압기는 1차 측, 즉 전원단에는 AFE (active front end) 정류기를, 2차 측 부하단에는 부하 인버터를 가지고 있다. AFE정류기와 부하 인버터 사이에는 절연형 DC-DC 컨버터가 존재하여 1차 측의 높은 전압을 2차 측에서 이용할 수 있는 수준으로 낮춰줌과 동시에 절연을 담당한다. 이러한 구조로부터 반도체 변압기는 기존의 배전용 변압기와 달리 배전단 1차 측과 2차 측의 동작을 기능적으로 완전히 분리시킬 수 있다. 따라서 1차 측의 경미한 사고 또는 낮은 전원 품질이 2차 측의 전압 품질에 영향을 주지 않으며, 2차 측의 비선형 전류, 순환전류와 같은 비이상적인 부하가 1차 측 전원품질에 영향을 주지 않는다. 게다가 반도체 변압기는 직류링크에 저장된 에너지를 이용하여 1차 측 전원의 순간전압강하와 같은 상황에서도 2차 측의 전압 품질을 일정수준 유지할 수 있어 전력 품질 보상의 기능도 일부 가지고 있다. 표 1은 교류 배전 계통에서 반도체 변압기와 기존 변압기의 차이점을 각각 비교한 것이다.
직류 배전용 반도체 변압기 기존의 교류 배전 시스템에서 반도체 변압기가 큰 장점을 가지지 못하는 반면 최근 전 세계적으로 연구 개발이 진행 중인 직류 마이크로그리드 및 직류 배전 시스템에서의 반도체 변압기는 큰 역할이 기대된다. 이러한 직류 기반 계통 시스템에서는 기존 교류 시스템과 접속되기 위한 직교류 접속 시스템, 그리고 고압 직류에서 저압 직류로 변환하는 DC-DC컨버터 등이 필요하다. 기존의 배전용 변압기는 직류 전력의 변환이 불가능하므로 이러한 직류 계통에서 전력전자 기술에 기반한 반도체 변압기는 필수불가결한 요소이다.
[그림 2]는 기존의 변압기를 사용하는 환경에서의 직교류 배전 접속시스템의 개념도를 보여준다. 이 시스템은 기존의 전통적인 변압기로부터 출력되는 교류 전력을 정류기를 이용하여 직류로 바꿔서 직류 부하에 전력을 공급한다. 이러한 조합은 특히 직류 배전 용량이 커질수록 전체 시스템의 효율이 저하된다. 한편 이러한 시스템을 반도체 변압기를 이용하여 구현할 때에는 [그림 3]과 같이 반도체 변압기의 단독적용으로 구현이 가능하다. 교류 배전 시스템의 경우와 달리 반도체 변압기를 적용한 직류 계통이 무게, 부피, 가격, 손실 등 모든 면에서 기존 배전용 변압기와 정류기 조합 대비 유리한 것으로 나타난다. 그 이유는 반도체 변압기가 정류 기능과 동시에 직류 전압 제어 기능까지 담당하여 전체 시스템의 구성이 단순해지고 효율이 상승되기 때문이다.
반도체 변압기의 현황 반도체 변압기는 전력용 반도체, 전력변환회로, 전원장치, 제어기법, 절연기술, 그리고 시스템 운용 기술까지 다양한 분야의 기술들이 융합된 시스템이다. 가장 중요한 기술은 전력용 반도체 기술이다. 다음으로 중요하고도 어려운 기술 중 하나가 바로 절연기술이다. 특히 절연형 dc-dc 스테이지의 고주파 변압기 설계가 매우 중요한데, 이는 전력전자 기술뿐 아니라 전자기 해석과 재료 기술이 필요한 부분이다. 또한 게이트 구동을 위한 전원장치 기술, 그리고 고절연 신호 전달기술도 까다롭지만 매우 중요한 기술이다. 그러나 이 분야 또한 국내의 연구 인프라가 부족하다. 그 외 제어기 설계, 그리고 시스템 운용 기술 등은 국내에서도 경험 있는 기술자들이 많이 있고, 비교적 쉽게 접근할 수 있는 부분이다.
반도체 변압기 외, 응용분야 기술 확보… 10여 년 이상 투자 전기 에너지를 고전압 교류에서 저전압 직류로 바꾸는 고성능 반도체 변압기를 개발하는 것을 넘어 이를 에너지 저장장치와 동시에 연결하여 전기차 급속 충전까지 활용할 수 있는 ‘올인원 시스템’을 구축한 것이다. 국내 배전 전압은 해외보다 높기 때문에 안전성 확보 및 각종 스위치 모듈의 직렬 구성 등 반도체 변압기 관련 기술 난이도가 매우 높다. 백주원 박사팀은 약 10년 이상의 연구개발을 거쳐 반도체 변압기에 필요한 제어, 회로, 설계, 해석, 절연 기술을 확보해 왔고, 직류 에너지의 활용도를 높이기 위해 다른 에너지원과 부하를 연결할 수 있는 구조도 개발했다.
KERI의 ‘반도체 변압기 활용 전기차 급속 충전기(1,000 kW급)’는 50 kW에서 1,000 kW까지 다양하게 충전 포트 수와 용량을 구성할 수 있다. 연구팀은 또한 그동안 부피와 무게 문제로 충전 설비를 구축하기 어려웠던 도심의 협소 공간에도 충전기 설치가 가능하도록 만드는 핵심 원천기술 개발에도 성공했다. 이번 성과는 전기차 외에도 E-모빌리티 초급속 충전기, 고속철도 및 전기선박의 추진 전원, 에너지저장장치(ESS) 및 신재생 연결 전력변환장치 등 다양한 직류 전원 분야에 응용될 수 있다.
KERI 백주원 박사는 “반도체 변압기는 기존에 활용되던 전력변환장치와 관련한 모든 응용 분야에 적용이 가능하며, 앞으로 우리가 사용하는 직류 기기가 많아질수록 활용 분야는 더욱더 넓어질 것이다”라고 전하며 “반도체 변압기의 절연 능력 향상 및 가격 경쟁력 확보, 활용성 제고를 위해 연구개발에 계속 힘쓰겠다”라고 밝혔다. 연구팀은 개발 기술의 높은 수준을 인정받아 지난해 전력전자학회 우수 논문상을 받았고, 최근에는 변압기 제조업체인 동우전기㈜에 기술이전까지 성공했다. 이번 성과와 관련한 국내 특허 출원도 다수 완료한 KERI는 기술이전 업체와의 지속적인 협력을 통해 반도체 변압기의 조기 제품화·양산화를 추진한다는 목표다.
<Energy News>
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