월간전기



[해외] 전압 변동을 억제한 랙 콘덴서 개발

2011-08-08

라우터Router, 스위치 등 최근 ICT(Infor mation and Communication Technology : 정보 통신 기술) 장치 중에는 돌입 전류 방지 회로를 구비하지 않았거나 입력 측 콘덴서 용량이 작은 장치가 간혹 있다. 이러한 장치를 48V 직류 급전 시스템에 접속하면 다음과 같은 사고로 이어지기도 한다. 돌입 전류 방지 회로를 구비하지 않은 장치를 급전 시스템에 접속하면, 장치의 입력 콘덴서를 충전하는 돌입 전류가 흐른다. 이 전류로 급전 시스템의 급전 전압이 크게 변동해 시스템에 접속된 다른 장치가 운전을 정지한다. 입력 측 콘덴서 용량이 작은 장치를 접속하면, 급전 측과 장치 측 임피던스의 부정합으로 말미암아 급전 전압이 크게 변동하는 발진發振현상이 일어나서 시스템에 접속된 다른 장치가 운전을 정지한다. 두 경우 모두 정보 통신 서비스가 불가능한 큰 사고를 유발한다. 이를 방지하고자 ICT 장치 근방에 접속해 임피던스의 부정합과 급전 전압 변동을 억제하는, 19인치 랙에 탑재하는 콘덴서 수용 장치(랙 콘덴서)를 개발했다. 개발한 장치는 주로 콘덴서와 콘덴서를 충전하는 회로로 이뤄진 간편한 구성이다. * 위 이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다. 직류 급전계 구성과 등가 회로 <그림 1>은 통신 빌딩의 직류 급전 시스템을 나타낸 것이다. 직류 급전 시스템은 정류 장치, 축전지, 전류 분배 장치, 교환기, ICT 장치 등과 같은 통신장비와 이들을 접속하는 급전선으로 구성된다. 정류 장치는 교류인 수전 전력을 직류 전압으로 변환하고, 정전압을 제어하는 동시에 축전지를 충전한다. 축전지는 흔히 납축전지를 이용하며, 급전선에 병렬로 접속해 정전 시 축전지로부터 방전하고 백업을 한다. 전류 분배 장치는 퓨즈와 단자판으로 이뤄지며, 통신 장치의 설치 증감에 편리성을 높이는 한편, 통신 장치 쪽에서 일어난 단락 사고가 급전계 전체로 퍼지는 것을 막는다. 통신 장치는 DC/DC 컨버터를 이용해 급전 전압을 장치 내 회로가 필요로 하는 직류 전압으로 변환한다. DC/DC 컨버터는 입력 전압인 급전 전압이 변동되더라도 출력 전압을 일정하게 제어한다. 발진 대책과 돌입 전류 대책 DC/DC 컨버터의 효율이 입력 전압에 크게 좌우되지 않고 통신 장치의 소비 전력을 일정하게 하면, DC/DC 컨버터 이후의 소비 전력은 DC/DC 컨버터의 입력 전압, 즉 급전 전압에 관계없이 일정해진다. 그 결과 직류 급전계에서 보면 통신 장치는 정전력 부하로 취급된다. <그림 2>는 이 통신 장치의 입력 전압과 입력 전류의 관계를 나타낸 것이다. 정전력 부하는 Vin·Iin 반비례 쌍곡선이 되며, 동작점은 급전 전압에 의해 정해진다. 따라서 이 동작점에서 부하 저항 값은 쌍곡선 접선의 기울기로 나타나며, 음의 값이 된다. 정전력 부하가 음성 저항 특성을 나타내는 것은 이 때문이다. <그림 1>의 급전계 구성을 바탕으로 단순화한 계의 등가 회로가 <그림 3>이다. 전원 V는 정류 장치와 축전지를 합쳐 정전압원으로 표시했다. 계에 직렬 연결한 저항 R은 급전선의 도체 저항과 전류 분배 장치의 퓨즈 저항을 합한 것이다. 인덕터 L은 급전선 길이에 따른 인덕턴스를 나타낸다. 커패시터C는 통신 장치의 입력 필터 등을 포함한 콘덴서의 총합이다. C에 직렬 연결한 저항 RC는 C의 등가 직렬 저항(ESR)이다. 부하 저항 RL은 통신 장치의 소비 전력 P가 일정하도록 자신의 입력 전압 Vin으로 부하전류 Iin을 역동적으로 변화시키는 저항이다. 발진 대책｜음성 저항 부하에 급전하는 직류 급전 시스템에서는 일정 조건을 충족하지 않을 경우 발진하는 것으로 알려져 있다. <그림4>는 급전 전압이 진동한 발진 파형을 나타낸 것이다. <그림3>의 등가회로를 바탕으로 통신 빌딩의 직류 급전계의 안정 조건은 아래식으로나타난다. 즉, 직류 급전계에서는 입력 전압 Vin이 낮고, 부하전류 Iin이 크고, 도체 저항 R이 작고, 배선 인덕턴스L이 크고, 부하단 콘덴서 용량 C가 작을수록 쉽게 발진한다. 직류 급전계의 발진 방지 대책은 위의 식을 만족하는 값을 선택하는 것이다. 그러나 전압 Vin, 부하 전류 Iin, 도체 저항 R, 배선 인덕턴스 L은 계의 안정성에 한해서만 결정할 수가 없어 선택의 여지가 적다. 또한, DC/DC 컨버터는 소형이라서 입력 필터용 콘덴서의 용량을 작게 설정하는 경우가 많다. 이 때문에 통신 장치에 안정용 콘덴서 C를 별도로 덧붙여 안정성을 확보하는것이바람직하다. 돌입 전류 대책｜라우터, 스위치 등 최근 ICT 장치에는 돌입 전류 방지 회로를 구비하지 않은 것이 간혹 있다. 이 장치를 48V 직류 급전 시스템에 접속하면 통신장치의 전원이 ON일 때 통신 장치의 입력 콘덴서를 충전하는 돌입 전류가 흐르고, 이로써 급전시스템의 급전전압이 크게 변동하는 경우가 있다. 돌입전류방지회로는 통신 장치의 입력부에 위치하며, 전원이 ON일 때 입력 콘덴서로 급격한 전류가 흐르지 않게 저항 등으로 돌입 전류를 억제하는 회로다. 이 돌입전류방지 회로를 구비하지 않은 장치가 다른 장치와 분기판을 끼고 접속할 경우, 돌입전류방지 회로를 구비하지 않은 장치의 전원이 ON일 때 급전 전압의 전압 변동이 일어난다. 또한 분기판에 접속한 다른 장치의 입력 전압이 변동해 다른 장치가 운전을 정지하는 경우가 있다. <그림 5>는 돌입 전류로 말미암은 영향을 나타낸 것이다. 따라서 돌입전류방지 회로를 구비하지 않은 장치에 미리 충전한 콘덴서를 별도 부가함으로써, 돌입 전류에 필요한 에너지를 이 충전 콘덴서에서 공급 받아 급전 전압의 전압 변동을 억제하는 것이 바람직하다. 랙 콘덴서 발진과 돌입 전류를 방지하고자 통신 장치 근방에 접속해 임피던스의 부정합과 급전 전압 변동을 억제하는, 19인치 랙에 탑재하는 콘덴서 수용 장치(랙 콘덴서)를 개발했다. 개발한 장치는 주로 콘덴서와 콘덴서를 충전하는 회로로 이뤄진 간편한 구성이다. 개발 포인트는 사고를 발생시키지 않는 필요 최소한의 콘덴서 용량을 정하는 것으로, 아래의 사항을 검토해 최적 용량을 결정했다. ① 급전 전압 변동 억제 : 직류 급전 시스템에서 통신 장치의 전원을 모의한 모의 부하 장치(DC/DC 컨버터)를 이용해 돌입 전류를 시험했다. 시험은 배선의 길이, 선의 지름을 변경해 검증을 실시했으며, 통신 장치의 허용 입력 전압 범위(-40.5V ~ -57.0V)에 들어가는 콘덴서의 필요 용량을 검증했다. ② 임피던스 부정합 해소 : 발진 현상의 억제를 검토하고자 해석과 시뮬레이션을 통해 평가를 실시했다. 동시에 통신 장치의 전원을 모의한 모의 부하 장치를 이용한 검증 시험을 반복 실시해 콘덴서의 필요 용량을 구했다. <그림 6>은 랙 콘덴서의 외관이다. 크기는 차단기 유무, 출력 분기 수 등에 따라 2~4U까지 여러 개를 준비했다. 19인치 랙에 탑재하며, 콘덴서를 수납하는 콘덴서 패키지의 증감에 따라 콘덴서 용량을 변경할 수 있다. 또한, 향후 교환에도 대비해 필요용량을 분할한 구성으로 돼 있다. 주된 회로 양식은 초기 충전을 위한 무료 충전용 저항, 회로 보호용 퓨즈와 콘덴서로 이뤄져 복잡하지 않다. 실험 결과<그림 7>은 직류 급전 시스템에 랙 콘덴서를 접속한 구성이다. 개발한 랙 콘덴서를 접속함으로써 급전 전압은 안정되고, 발진 현상은 일어나지 않는다. 또한 직류 급전 시스템에 돌입 전류 방지 회로를 구비하지 않은 모의 부하 장치를 접속하고, 개발한 랙 콘덴서를 접속하지 않은 경우와 접속한 경우의 급전 전압·전류는 <그림 8>과 같다. 랙 콘덴서를 탑재하지 않은 경우 급전 전압이 크게 변동하는 데 반해, 랙 콘덴서를 탑재한 경우에는 급전 전압의 변동이 억제돼 안정적인 급전 전압을 확인할 수 있다. * 소개한 랙 콘덴서는 이미 통신 기계실, 서버룸 등에 많이 도입됐다. 발진 현상, 돌입 전류 사고로부터 통신 장치를 안심하고 운용할 수 있는 직류 급전 시스템을 제공하는 동시에, 돌입 전류나 발진으로 인한 사고를 없애 정보 통신 네트워크의 신뢰성 향상에도 기여했다. 정리 전화영 기자 < Energy News >