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포커스 // 파워 일렉트로닉스와 마그네틱스를 융합한 파워 마그네틱스

2024-10-23

파워 일렉트로닉스와 마그네틱스를 융합한 파워 마그네틱스 대용량 고주파로 해결할 과제 산적…연구 지속 필요 파워 일렉트로닉스 회로는 전기자동차의 구동 방식 및 정보기기의 전원에 많이 쓰인다. 파워 일렉트로닉스 자기를 회로 내 모터 구동으로 사용할 경우, 그곳을 흐르는 전류 및 인가되는 전압은 인덕터, 반도체, 모터에도 순식간에 퍼지므로 자기 특성과 회로, 모터 특성이 전자기적으로 동시에 일어난다. 특히 서지전압 같은 돌발성 대전압이 인가될 때에는 자기 특성과 회로 특성이 서로 밀접한 관련을 맺는다. 그렇기에 개발된 자기 디바이스는 회로 내에서 확실히 계측, 해석 평가되어야 한다. 동시에 평가된 데이터는 자기 재료, 자기 디바이스의 향후 개발 지침에 제대로 반영되어야지만 비로소 유용한 재료, 디바이스의 연구 개발이라고 할 수 있다. 정리 편집부 자료 JEEE 외 [그림 1] 모터 구동 시스템에 쓰이는 자성 재료 파워 일렉트로닉스 회로는 현재 전기자동차의 구동 방식 및 정보기기의 전원에 많이 쓰이고 있으며, 머지않아 전기에너지의 80%가 파워 일렉트로닉스를 통해 이용될 것이라는 말도 있다. [그림 1]은 파워 일렉트로닉스 회로의 일례로 전기자동차에 쓰이는 모터 구동 시스템을 나타낸 것이다. 모터에는 스테이터 코어(Stator Core) 등에 연자성 재료가, 로터(Rotor)의 계자에 경자성 재료가 쓰여 모터 자기를 형성하는 것으로 보인다. 모터의 전류를 제어하거나 차량 내 보조기기의 전원에 공급하기 위해 다양한 파워 일렉트로닉스 회로가 쓰인다. 여기에는 양방향 초퍼(Chopper)에 인덕터, 인버터 출력 측에 LC 필터의 인덕터, 배터리 출력부에 초크 코일, 보조기기 모터와 조명, 정보기기의 전원 공급을 위한 DC-DC 컨버터에 고주파 변압기 등 많은 자기 디바이스가 쓰여 파워 일렉트로닉스 자기를 형성한다. 이처럼 파워 일렉트로닉스 회로 안에는 많은 자기 디바이스가 쓰이며, 그 기술이 파워 일렉트로닉스 사회를 실현하려는 지금에 와서 큰 관심을 끌게 되었다. [그림 2] 압 초퍼 회로의 자성 재료와 고주파화 파워 마그네틱스의 기초 파워 일렉트로닉스 회로에서 차지하는 자기 디바이스의 비중을 [그림 2]의 승압 초퍼 회로를 예로 들어 설명한다. 스위칭 디바이스의 ON/OFF 동작에 의해 승압 리액터의 단자전압 VL이 [그림 2-(b)]와 같이 변하며, 배터리의 전기에너지에서 에너지를 흡수하고 부하로 에너지를 방출한다. 일시적으로 에너지를 축적하는 양에 거의 비례해 리액터의 크기가 결정되며, 축적 에너지양은 스위칭 주파수에 비례한다. 즉, 스위칭 주파수가 높으면 그에 비례해 리액터도 작아진다. 자기 디바이스는 파워 일렉트로닉스 회로의 외형, 중량에서 차지하는 비중이 높기 때문에 고주파화는 소형 경량화에 큰 도움이 된다. [그림 3] 고주파 자성 재료의 부족으로 인한 대형화 현상 그러나 고주파화를 하는 데 커다란 장벽은 바로 고주파 자성 재료이다. [그림 3]은 가로축에 주파수, 세로축에 기기의 단위 부피 용량을 나타낸 그래프다. 고주파화를 하면 외형은 작아지지만, 일정 주파수를 넘으면 자기 디바이스의 발열 때문에 소형화가 힘들어진다. 여기서 주파수를 더 높이면 수랭 등 냉각기가 더 필요해져 오히려 대형화가 되는 탓에, 일정 주파수를 넘으면 자성체를 쓰지 않는 인덕터를 사용해야 한다. 만약 고주파역에서 발열을 억제할 수 있는 자성체가 있다면 한 자릿수 이상의 소형화를 기대할 수 있다. [그림 4]는 20kVA UPS 시스템의 핵심기기에서 각 부품의 비용을 분석한 것으로, 자기 디바이스인 인덕터가 다른 부품을 압도하고 가장 높은 비율을 차지하고 있다. 이렇듯 GaN-FET나 SiC 디바이스의 개발 실용화 상황을 감안할 때 파워 일렉트로닉스 기기의 소형 경량화를 저해하는 요인은 ‘고주파 자기 디바이스’라고 할 수 있다. [그림 4] 파워 일렉트로닉스 회로에서 고주파 자성 재료의 비용 분석 한편, 1990년대까지의 과거 연구 개발 상황을 보면 파워 일렉트로닉스와 파워 마그네틱스의 관계가 지금과는 많이 다르다는 것을 알 수 있다. 당시에는 GaN, SiC 재료도 없고 MOS-FET도 충분히 실용화되지 않은 반면, 고주파 자기 쪽은 5MHz 정도까지 자기 특성이 연구되고 있었다. 즉 파워 일렉트로닉스보다 파워 마그네틱스의 기술이 크게 앞서 나간 시기였다. [그림 5] 전기·기계와 물리·재료의 보이지 않는 벽 둘의 관계를 [그림 5]를 통해 다시 살펴보면, 위쪽은 자성체 흐름, 아래쪽은 반도체 흐름을 제조 프로세스부터 재료, 기기, 응용까지 나타낸 것이다. 여기에는 이른바 전기·기계 쪽과 물리·재료 쪽 사이에 보이지 않는 커다란 벽이 있는 것처럼 보인다. 둘의 차이는 사고방식의 차이라 판단하고 정리한 것이 [표 1]이다. 대상물, 물성값의 취급 전제가 다르며, 재료 쪽은 실험을 통한 데이터베이스를 바탕으로 논의하는 ‘귀납법’인 반면, 전기 쪽은 맥스웰 방정식에서 도출하는 ‘연역법’이라고 할 수 있다. 이러한 방법의 차이가 보이지 않는 커다란 벽의 정체라고도 할 수 있다. 파워 마그네틱스의 현재와 과제 ▷ 전기-자기의 일관된 개발 체제 파워 일렉트로닉스 자기를 회로 내 모터 구동으로 사용할 경우, 그곳을 흐르는 전류 및 인가되는 전압은 인덕터, 반도체, 모터에도 순식간에 퍼지므로 자기 특성과 회로, 모터 특성이 전자기적으로 동시에 일어난다. 이를 ‘전자기적 동시성’이라고 한다. 특히 서지전압 같은 돌발성 대전압이 인가될 때에는 자기 특성과 회로 특성이 서로 밀접한 관련을 맺는다. 그렇기에 개발된 자기 디바이스는 회로 내에서 확실히 계측, 해석 평가되어야 한다. 동시에 평가된 데이터는 자기 재료, 자기 디바이스의 향후 개발 지침에 제대로 반영되어야지만 비로소 유용한 재료, 디바이스의 연구 개발이라고 할 수 있다. 따라서 [그림 6]과 같이 재료-회로의 일관된 연구 개발 체제가 바람직하다. 여기서는 사물의 흐름 및 그에 뒤따르는 계측 데이터뿐 아니라 각 단계의 현상을 자세히, 몇몇 가정 사항은 있겠지만 수치 해석도 함께 하는 것이 좋다. [그림 6] 재료-파워 일렉트로닉스 회로의 일관된 개발 체제 ▷ 파워 일렉트로닉스의 멀티 타임 모터 구동을 상용 주파수에서 할 때와 비교해 전력용 반도체의 스위칭 동작을 하는 파워 일렉트로닉스 구동에서는 토크를 내는 50Hz 정도의 기본 주파수 성분 이외에 고조파 성분을 줄이고자 5kHz 정도의 캐리어 주파수를 쓴다. GaN 디바이스 같은 고응답 반도체로 스위칭시키면 5MHz 정도의 부하 공진으로 인한 링잉(ringing) 현상이 발현 새 조건에 따라서는 모터 코어손을 증대시킨다. 스위칭 시 상승 시간은 1ns, 즉 1GHz 정도의 고조파 성분을 가지며, 이 상승 시간 파형을 정확히 표현하려면 10배, 즉 10GS/s의 샘플링 주기가 필요하다. [그림 7] 파워 일렉트로닉스의 멀티 타임 다시 말해 파워 일렉트로닉스 여자에서는 GaN 디바이스로 50Hz 정도의 모터를 구동할 경우 [그림 7]과 같이 GHz 정도까지의 주파수 영역까지도 고려하게 된다. MHz대 링잉 현상을 전자계 수치 해석으로 표현하려면 가령 50Hz 정도의 모터 구동이라도 변위 전류까지 고려해야 한다는 발표도 있다. 게다가 1ns 정도의 전압 상승은 수GHz의 고조파 성분을 가지며, 자동 운전 같은 전파 통신에서는 큰 노이즈원이 될 수 있다. 그동안 전기공학에서는 에너지 쪽과 통신 쪽을 [그림 8]과 같이 분류했다. 즉 ‘자기 포화와 이방성, 응력의 영향 등은 고려하지만 변위전류는 무시해 온’ 에너지 쪽과 ‘변위전류는 고려하지만 자기 포화와 이방성, 응력의 영향 등은 무시해 온’ 통신 쪽이다. 그런데 여기에 SiC/GaN이라는 고주파 대전력에 응용 가능한 반도체 디바이스의 출현 및 EV 사회, 분산전원 같은 사회적 요구로 고주파 및 대전력 파워 일렉트로닉스 응용이 본격화될 듯하다. [그림 8] 파워 일렉트로닉스 자기의 고주파화 그렇게 되면 ㎛ 수준의 논의가 필요하며, 변위전류를 고려하는 동시에 자기 포화와 이방성, 응력의 영향도 고려해야 하는 전자기학이 요구된다. 게다가 GHz대 마이크로파 응용이 되면 여기에 양자성도 추가될 것으로 보인다. ▷ 고주파 자성 재료의 개발 [표 2]는 현재 고려되는 파워 일렉트로닉스용 고주파 자성 재료의 특성을 정리한 것이다. 현재 고주파 자성 재료로 주로 쓰이는 것이 페라이트 재료이다. 산화철을 주성분으로 하는 세라믹의 벌크재로, 저항이 높고 연자성의 특성을 가지고 있어 회로 내 고주파 자성 재료로 많이 쓰였다. 그러나 포화 자화가 작고 열 폭주의 우려가 있는 데다 충격에도 약하다. 이 때문에 포화 자화가 높고 열 폭주의 우려가 없는 금속 입자가 쓰이고 있다. 다만 반자계로 인해 투자율이 낮다. 반면에 두께가 대단히 얇은 극박 강판은 포화 자화가 높고 반자계가 없어 투자율이 높으며 열 폭주, 충격의 우려가 없다. 스퍼터링(sputtering)법은 양산성에는 맞지 않지만 극소 인덕터에는 적합하다. 스퍼터링법으로 두께 1㎛의 자기 특성을 계측하면 1MHz 정도까지 철손은 주파수에 비례하고 BH 곡선의 형상에 큰 변화는 없었다. 단롤(single roll) 같은 급랭 응고법에서는 두께 5㎛의 Co 어모퍼스 등의 시험 제작, 자기 특성의 연구가 30년도 더 전에 이루어졌다. 당시에는 SiC, GaN 디바이스는 물론이고 MOS-FET가 겨우 실용화되던 시기여서, 반도체보다 자기 연구가 더 앞서 있었다고 할 수 있다. 양산성을 겨냥한 프로세스로 [그림 9]와 같이 단롤-압연법을 사용한 극박 강판을 시험 제작했다. 단롤로 두께 20㎛의 철을 응고시켜 두께 2.7㎛까지 극박화하는 데 성공했다. [그림 9] 고주파용 극박 강판의 사례 게다가 제조 프로세스-전기 재료-인덕턴스의 자기 디바이스-인버터 회로의 평가를 일관하는 연구도 [그림 10]과 같이 동시에 하고 있다. GaN 디바이스 여자에서 링잉 철손을 저감하는 데 성공했다. [그림 10] 프로세스-재료-디바이스-회로를 일관하는 개발 지금까지 파워 일렉트로닉스 기술의 진보, 보급에 따라 회로 내에 필요한 파워 마그네틱스에 대해 설명했다. 전기에너지의 이용에서는 자기에너지에 잠깐 1차 지연으로 축적하거나, 전기적으로 절연하거나, 자기에너지를 얻을 때 자기가 쓰이며, 대용량 고주파로 해결해야 할 과제가 많아 향후 연구 개발이 필요하다. 게다가 높은 포화 자화나 고주파 자기 같은 양자성을 고려한 물리학적 연구도 필요하며 단기, 중기, 장기를 고려한 통합적인 연구 개발이 요구된다. < Energy News >