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[인버터 서지가 절연 시스템에 미치는 영향] 인버터 서지와 국제규격
2010-01-04

인버터 서지와 국제규격


개요

하이브리드차는 친환경 자동차로서 세계적인 주목을 끌고 있으며, 구동은 기존 엔진과 인버터 제어 모터가 맡고 있다. 가까운 시일에 실용화가 기대되는 전기자동차(EV)에는 연료전지, 신(新) 2차 전지, 전기 이중층 커패시터 등 다양한 직류전원이 연구 개발되고 있다. 그러나 어느 전원이든 모터 구동에는 인버터가 불가결하다. 지금까지 인버터는 산업 · 전차 분야에서 넓게 적용되어 왔으며, 앞으로 자동차 구동용으로서도 상당한 수량 증가가 예상된다.
인버터는 직류전압 · 전류를 고속으로 개폐해 파형을 제어하기 때문에 본질적으로 전자 노이즈나 서지가 존재한다. 인버터나 모터로부터 전자 노이즈가 외부로 유출되면 전자 부품에 여러 장해를 발생시키기 때문에 하이브리드차에서는 모터 · 하네스 · 인버터 주위를 철저하게 전자 보호해 노이즈를 완벽 차단한다. 이를 소홀히 하면 차 내의 라디오에 잡음이 실릴 뿐 아니라 제어용 전자기기가 오작동을 일으킬 우려가 있다.


한편 서지는 파워 디바이스(Power Device) 스위칭을 동반하는 과도한 과전압이며, 모터 절연에 장해를 줄 가능성이 있다. 모터 제어에 인버터 전원이 채용되기 시작한 약 20년 전부터 적은 확률이기는 하지만 원인 불명의 모터 절연사고가 발생했다. 조사 결과 인버터에 기인한 서지가 원인으로 판명됐다. 서지(Surge)란‘갑자기 밀어닥친 대파(大波)’가 원인이지만, 이것이 변하여 전기공학에서는 과도한 과전압이나 과전류를 의미한다. 뇌(걳)가 그 대표적인 예로, 뇌 서지는 전력계통을 전반해 애자나 전력기기에 과도한 고전압을 발생시키기 때문에 그 움직임이나 평가법이 연구되어 왔다. 또한 차단기나 단로기가 개폐되는 경우에 발생하는 서지에 관해서도 연구가 이루어져 왔다. 파워 디바이스 스위칭을 동반하는 인버터 서지는 원리적으로 이 개폐서지와 동일하다.
최근 특히 서지가 문제시되는 이유 중 하나가 파워 디바이스의 고전압화이다. 인버터의 직류전압이 고전압화 할수록 서지의 최대치도 비례해 증대한다. <그림 1>은 파워 디바이스의 제품 동향을 나타낸 것이다. 특히 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)의 고내압화에 의해 최신 인텔리전트 파워 모듈(IPM)에서는 용량 수 ㎹A, 전압 수 ㎸까지 등장하고 있다. 또한 손실 저감을 위해 동작 주파수가 수십 ㎑, 전압 발생 시간이 50㎱ 이하로 짧아졌다. 이러한 경향은 서지 전압치의 증대와 불평등 분배를 초래해 전기절연적으로 한층 엄격한 조건이 됐다.

서지 발생 원인

서지 발생 원인을 <그림 2>의 2레벨 3상 인버터 구동 모터로 설명한다. 일정 길이의 무손실 케이블로 인버터와 모터를 접속해 발생 시간 제로(Zero)에서 단계적으로 인버터가 전압을 상승시킨 경우를 생각한다.


인버터 내의 파워 디바이스를 닫으면 단계 전압의 파두가 케이블을 일정 속도로 진행한다. 모터단자에 이르면 케이블과 모터 코일의 서지 저항(특성 임피던스)이 많이 달라 반사가 발생하며, 최대 2배의 전압이 역방향으로 진행한다. 인버터 쪽에서는 부반사가 발생하고 2왕복으로 1주기의 진동이 발생한다. 이 현상은 전압 발생 시간이 짧고 케이블이 긴 경우에 생기기 쉬우며, 실제로는 도체손실에 의한 감쇠 진동이 되기 때문에 특히 제1피크가 문제가 된다. <그림 3>은 펄스 폭 제어(PWM)에서의 상간전압 파형이다. A가 교과서에 나오는 PWM 파형이지만, 서지가 발생하면 B와 같이 날카로운 수염상의 과전압이 각 직사각형파 전압의 양단에 나타난다. PWM 제어에서는 교류 1사이클에 수십 발 이상 정부(正負)서지가 발생하게 된다.

서지의 모터 진입과 모터 간 전압

엄밀히 말해 서지는 모터 내부까지 진입하는 것이 문제를 다소 복잡하게 하고 있다. 앞에서 간단히 모터 단자에서 전반사한다고 했지만 실제로 서지 저항(특수 임피던스)은 모터 코일 입구에 침입한 후 급속하게 커지기 때문에 그 부분에서 반사가 생긴다. 서지가 침입하면 코일의 제1회전에 서지 전압의 대부분이 늘어난다. 이 부분이 분담하는 전압은 서지 전압의 발생 시간이 짧을수록 현저하다. 이것을 <그림 4>의 일러스트로 나타냈다. 이 현상은 전력계통에서의 개폐서지가 변압기 코일 내부에 침입하는 현상과 유사하며 코일의 공간적 배치를 고려한 회로정수를 이용해 정량적 해석이 이루어지고 있다.


이처럼 인버터 서지의 위험은 상간전압에 과전압이 생기는 것보다도 오히려 모터의 제1회전 간에 교류 구동 시 천 배 가까운 고전압이 발생하는 것에 있다. 이 국소적인 과전압에 의해 에나멜 전선의 절연열화가 진행되어 절연파괴에 이를 위험성이 있다. 이 때문에 회전 간 절연을 모의한 모델 시료에 각종 서지전압을 가한 절연 연구가 세계적으로 이루어져 왔다. 일본 전기학회에서는 이 분야에서 공표된 연구 성과를 조사해 1999년 처음으로 기술 보고를 발행했다.
회전 간 서지 파형은 엄밀하게는 복잡한 파형이지만, 위상이 짧고 감쇠가 큰 진동파로 간주할 수 있다. 평가 시험의 단순화를 위해 정부(正負)에 반복된 임펄스 파형이 최적으로 여겨진다. 임펄스 파형의 파라미터에 대해서도 견해가 다양하지만 <표 1>에 과전수명 시험 규격으로 인용된 예를 나타냈다.

서지와 모터 절연

반복 임펄스 전압을 이용한 과전 시험 결과는 많이 보고됐으며, 임펄스 파형으로 삼각파를 이용한 일례를 <그림 5>에 나타냈다. 이 그림은 이른바 VN특성으로, 세로축의 피크 전압 V 임펄스에 대해 절연수명에 달한 총 펄스 수 N(시간에 상당)을 가로축에 표시했다. 임펄스 전압이 단극성인 경우와 양극성인 경우에 거의 2배의 전압 차가 있으며 절연
적으로는 임펄스의 피크 2피크 수치가 중요함을 알 수 있다. 또한 그림에서의 파선은 부분방전 개시전압을 나타내며 이보다 낮은 전압 수치에서는 절연수명이 상당히 긴 사실도 알 수 있다.
이와 같이 에나멜 전선의 절연수명은 부분방전과 밀접한 관계가 있다. 부분방전(PD, 코로나)이란 전로방전에 이르지 않은 국소적인 기체방전이다. 고전압 기기 등에서 방전전계 강도(공기는 약 3㎸/㎜를 넘는 부분이 있으면 계속해서 발생하고 유기계 절연재료를 열화시킨다. 인버터 서지를 모의한 반복 임펄스 전압에 대해서도 절연수명은 부분방전에 크게 지배된다. 이 때문에 부분방전 발생 조건, 발광, 표면전하 등에 대해 많은 연구가 이루어지고 있다. 한편 모터 내부에서 부분방전이 발생한 경우, 외래 서지전압보다도 고주파 영역을 더욱 포함하기 때문에 검출부까지의 신호 전파 특성이 중요하다.


인버터 서지에 의해 전선의 절연수명이 저하하는 것을 막기 위해 두 가지 방법이 고려된다. 하나는 부분방전이 발생해도 절연열화 진전을 늦춰 수명을 늘이는 방법이다. 기존 유기재료에만 있었던 에나멜 절연층에 열화에 강한 무기재료를 도입하려고 하는 것이다. 이는 옛날부터 있었던 것이지만 최근 나노컴포지트(Nano-composite) 재료의 연구 성과를 살려 많은 내코로나 전선이 개발 · 시판되고 있다.
다른 하나는 일정 전압까지 부분방전이 전혀 발생하지 않는(PD 프리) 절연구조로 하는 것이다. 이 때문에 코일의 에나멜 전선 간의 공기부를 없앨 필요가 있다. 이전까지 절연 바니시 처리나 몰드 방식 이 이루어져 왔으나 작업 환경 문제 및 비용 면에서 범용 모터로는 이러한 보강 절연은 생략하려는 요구가 크다. 또한 전선 단체(單體)에서 부분방전 개시전압을 향상시키기 위해서는 절연후를 증가시켜 유전율을 저하시키면 되며, 정량적인 연구가 보고 되고 있다. 그러나 절연후를 늘이면 도체 점유율이나 가공성 등의 문제도 발생한다.

서지에 의한 부분방전 평가

부분방전이 발생하지 않는 것을 증명하기 위해서는 부분방전을 정확하게 평가하는 기술이 중요하다. 직류에서 400㎐까지의 교류전압에서의 부분방전 계측은 IEC에서 규정되어 있으나 서지전압은 그렇지 않다. 현재 모터에 대한 반복 임펄스 전압은 물론이고, 임펄스 전압에서의 부분방전 시험 방법이 규격으로 확립되어 있지 않은 연구 단계에 있다. 그러나 한편으로는 인버터 구동 모터 시스템의 양 산 · 고전압화가 진행되고 있는 현실을 직시하면 신뢰성 확보를 위해 잠정적이더라도 평가 방법을 하루라도 빨리 확립하는 것이 필요하다. 인버터 서지전압 파형은 굉장히 가파른 양상을 띠기 때문에 충전전류가 미세한 부분방전 측정의 장해가 된다. 때문에 연구기관에서는 각종 검출 방법이 검토되고
있다. 광전자 증배관에 의한 방전발광 측정, 광대역안테나에 의한 전자파 검출, 필터링 방법, 병렬 커패시터에서 차분(差分) 방전전류 검출, 직렬 커패시터의 방전전하 측정 등의 방법이 보고되고 있다.

국제규격의 대처

인버터 서지는 인버터 전류와 모터의 결합에서 발생하는 새로운 현상이기 때문에 국제적인 가이드나 규격이 필요하다고 이전부터 지적됐다. 간단한 가이드는 이미 얼마간 발행됐지만 정식 국제규격인 IEC(국제전기표준회의)에 있어서는 2006년 복수전문위원회(TC) 산하 작업부회(WG)에서 규격원안 작성이 진행됐다. 여기서는 그 동향을 간단하게 소개한다.

1. IEC 규격화 경위
먼저 TC98(전기절연 시스템)에서 인버터 서지연구 문헌 조사가 시작되어 기술보고(TR)가 발행됐다. 다음으로 서지를 모의한 반복 임펄스 전압을 절연파괴 할 때까지 과전하는 과전수명 시험법이 발행됐다. 여기서 현재의 파워 디바이스 성능을 고려해 <표 1>의 임펄스 파형 파라미터 수치가 처음으로 공식 문서에서 기재됐다.
이어 반복 임펄스 전압에서의 부분방전 측정법 원안이 작성됐으며, 부분방전 계측 담당인 고전압 시험법(TC42) 전문가도 이 작업에 함께 했다.
IEC 제조 규격으로서 인버터 서지 영향을 받는 모터 쪽의 TC2(회전기)에서는 인버터 전류 측 위원회(SC22G)와 공동으로 인버터 구동 모터에서의 주의점을 기술한 문서를 발행했다. 여기서는 인버터구동 모터에 특유의 기계적 손상 · 축받이 베어링 손상 · 코일 절연파괴 등이 해설돼 있다.


[그림 6] 국제규격 원안 심의 중 사진


이후 모터 절연에 한층 특화한 작업부회 WG27이 TC2 산하에 발족해 절연 시험 방법을 심의했다. <그림 6>은 WG27 회의에서 각국 대학 교수 및 기업기술자가 원안 작성을 위해 활발히 의견을 교환하는 모습이다. 모터 절연 시스템은 타입 1, 2로 나누 어 심의됐다. 타입 1은 에나멜 전선의 난권(亂卷, Random Wound Coil) 코일 모터로, 인버터 전압에 대해 부분방전은 허용하지 않는다(PD 프리). 타입 2는 마이카 절연 등의 형권(型卷, Formed Coil) 코일로, 부분방전을 허용하지만 일정 과전압 시험 실시를 요구한다.

2. 인버터 서지 특유의 기술 과제
2006년 4월 시점에서 타입 1에 관한 기술방법서(TS)는 각국 투표로 찬성다수가 되어 연내 발행될 전망이었다. 일부 국가에서 끈질긴 비판이 있었던 한편, 발전 중인 기술(Emerging Technology)의 경우 먼저 조속히 잠정적 공식 문서를 내고 바로 다음 개정 작업에 들어가는 것이 현실적으로 유용하다는 의견도 많았다. 한층 심의해야 할 과제로 다음과 같은 것이 있었다.

⑴ 스트레스 범주
인버터 · 케이블 길이에 의해 모터에 진입해 오는 서지 파형은 다르다. 따라서 모터 쪽에서 본 서지 정도를 A(낮음)~C(심함) 등으로 분류하고, 대응하는 모터의 절연을 분류하는 일이 제안됐다.

⑵ 부분방전 단위
기존 교류 부분방전 시험 규격에서 시험 대상은 용량성이며 피코쿨롬(pico Coulomb, pC) 교정이 명기되어 있어 그 단위로 부분방전 양이 정의됐다.
그러나 고주파역(域)을 주로 하는 광대역 검출에서는 이 단위계의

⑶가속열화후의 PD 프리
자격인정 시험(Qualification Test)에서는 일정한 복합 가속 열화 시험 후에도 부분방전이 없도록 요구되고 있다. 현실적으로 이는 꽤 어려운 요구여서 모터 제조 측에서 강한 반발이 일고 있다.

⑷ 임펄스 전원 설비
<표 1>의 방법을 만족시키는 모터용 임펄스 전원은 일반에 시판되고 있지 않기 때문에 반복 주파수의 작은 표준 임펄스 전원을 상정해 시험 방법이 정 해져 있다. 이것은 인버터 서지와 같은 가치로 보고
있지 않는 것이 아니냐는 의견도 많다.

마무리

이상 인버터 서지의 발생 원리에서부터 국제규격동향에 이르는 개요를 설명했다. 각 분야의 상세 내용은 다음에 이어지는 특집 내용을 참고하면 될 듯하다. 방전 · 절연은 역사가 있는 기술 분야이지만 파워 일렉트로닉스의 발전과 함께 새로운 기술 과제가 출현했다. 이후 관계자의 노력으로 이 문제가 극복되어 신뢰성 높은 인버터 구동 모터 시스템에 넓게 보급되길 기대해 본다.

사이리스터(Thyristor)
3개 또는 그 이상의 PN 접합부로 구성되어 있으며, 주전압-전류 특성 중 적어도 하나의 상한에 있어서 ON/OFF의 두 가지 안전 상태를 가지고 있는, OFF로부터 ON으로 바꾸거나 또는 그 반대로 전환시킬 수 있는 반도체 소자이다. PNPN 접합의 4층 구조 반도체 소자의 총칭으로, 일반적으로는 SCR이라고 불리는 역저지 3단자 사이리스터를 뜻하며 실리콘 제어 정류 소자를 말한다. 애노드가 캐소드에 대해 플러스인 경우, 게이트에 적당한 전류를 흘리면 도통하고, 일단 도통하면 애노드 전압을 0으로 하지 않으면 OFF로 되지않는다. 소전력용부터 대전력용까지 각종 제어 정류 소자로 널리 사용되고 있다.

트라이액(Triac)
게이트 단자에 주는 신호에 의해 어떤 방향으로도 전류를 통전시킬 수 있는 사이리스터이며, 2방향성 제어 스위치로서 교류회로에 사용한다. 규소의 5층 PN 접합으로 구성되며, 2개의 주전극과 1개의 게이트(제어전극)가 있으며, 게이트 신호가 없으면 어느 방향으로도 OFF이지만 게이트 신호만 있으면 주전극의 극성에 관계없이 Turn-on 할 수 있다.

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