현대의 전기 시스템에는 여러 이유로 절연이 필요하다. 최근 절연 기술의 발전으로 새로운 솔루션이 가능해지고 시스템 비용이 절감됨에 따라 고객들은 장비의 성능 한계를 더욱 높일 수 있게 되었다. 이 글에서는 절연 기술의 최신 혁신을 주도함과 동시에 그 혜택을 입고 있는 주요 최종 애플리케이션들에 대해 논의한다.

절연은 시스템의 두 부분 간에 DC와 비제어 AC 전류를 방지하는 수단이자, 이 두 부분간의 신호 및 전력 전송을 허용하는 수단이다. 

절연에 사용되는 전자기기와 집적회로(IC)를 아이솔레이터(Isolators)라고 한다. 현대의 전기 시스템에는 여러 이유로 절연이 필요하다. 예컨대, 휴먼 오퍼레이터(human operators)를 보호하고 고전압 시스템의 값비싼 프로세스가 손상되는 것을 방지하며, 통신 네트워크의 그라운드 루프를 분리하는 등 모터 드라이브나 전원 컨버터 시스템의 하이사이드 디바이스까지 통신을 위한 이유들이 있을 수 있다(그림 1). 절연이 필요한 애플리케이션의 예로는 산업 자동화 시스템, 모터 드라이브, 의료장비, 태양광 인버터, 전원 공급 장치, 전기자동차(EV) 등이 있다.

 

▲ 그림 1. 전원 드라이브 시스템의 전형적인 절연 구조

최근 절연 기술의 발전으로 새로운 솔루션이 가능해지고 시스템 비용이 절감됨에 따라 고객들은 장비의 성능 한계를 더욱 높일 수 있게 되었다. 이 글에서는 절연 기술의 최신 혁신을 주도함과 동시에 그 혜택을 입고 있는 주요 최종 애플리케이션들에 대해 논의한다.

강화 절연

강화 아이솔레이터는 두 개의 기본 아이솔레이터를 직렬로 연결한 것과 동일한 절연 성능을 제공할 수 있는 디바이스이다. 그 자체만으로 강화 아이솔레이터는 고전압으로부터 전기 안전을 확보하기에 충분해 보인다. 하지만 점점 더 엄격해지는 성능 요건들을 충족해야 한다. 모터 드라이브 애플리케이션은 강화 절연에 대해 가장 엄격한 사양을 가지고 있다. 이 시스템들은 매우 높은 인커밍 공급 전압을 사용하고 있고, 휴먼 오퍼레이터가 접근할 수 있는 인터페이스가 수반되기 때문이다. 

모터 제어에서 절연 요건은 안전 표준으로 정의된다. 조절형 스피드 드라이브의 IEC 61800-5-1 전기, 열, 에너지 안전 표준을 예로 들어보자. 이 표준에 따르면 강화 절연에 관한 요건은 시스템 전압 상승에 맞춰 확대되는데, 이것은 인커밍 공급 라인과 어스(earth) 사이의 제곱평균(rms, root-mean-square)으로 정의된다. 

시스템 전압이 600VAC보다 큰 드라이브의 경우에 강화 절연을 보장하려면, 아이솔레이터가 적어도 4,400VRMS 이상의 임시 과전압을 5초간 견뎌야 한다. 또한 이 아이솔레이터는 반드시 12kVPK 이상의 서지 전압 성능과 14mm 이상의 연면거리, 이격거리, 공급 라인 전압 및 드라이브 아키텍처에 따라 달라지는 600VRMS~1,000VRMS 범위의 작동 전압을 가지고 있어야 한다. 

새로운 모터 드라이브 아키텍처는 더욱 도전적으로 로컬 FPGA(Field Programmable Gate Arrays)와 컨트롤러를 DC 버스를 참조한 전력 보드에 추가하고 있다(그림 2, 컨트롤러 2). 이것은 전력 보드의 로컬 절연 요건을 낮춰준다. 하지만 이는 어느 한 멀티채널 통합, 고속 강화 링크에서 데이터 속도 및 대역폭 요건을 증가시킨다(그림 2, 디지털 절연 링크). 최근까지 이러한 절연 요건과 타이밍 및 데이터 속도 요건을 충족하는 아이솔레이터는 시장에서 볼 수 없었으며, 그나마 유일한 대안이 광섬유 절연이었다. 

▲ 그림 2. 새로운 모터 드라이브 아키텍처

지금은 커패시티브 강화 절연 솔루션이 상기 요건을 충족함으로써 높은 절연과 넓은 패키지, 높은 데이터 속도를 달성하고 있다. 이러한 솔루션은 시스템 전압이 600VAC를 넘는 모터 드라이브 애플리케이션에 적합하다. 일부 옵토커플러는 높은 절연 요건은 충족하지만 데이터 속도나 멀티채널 통합 요건은 충족하지 못한다. 또한 주요 마그네틱 절연 솔루션들은 작동 전압/장기 신뢰성 요건을 만족하지 못한다. 연면거리와 이격거리의 예시를 그림 3에 나타냈다. 

▲ 그림 3. 그림으로 보는 이격거리와 연면거리

높은 작동 전압

네트워크 통신 채널의 경로와 같은 태양광 에너지 및 풍력 에너지 애플리케이션은 추가 절연 배리어를 사용하여 강화 절연을 달성하는 경우가 많다. 그러므로 강화 절연에 관한 요건은 모터 드라이브 애플리케이션만큼 높지는 않다. 하지만 높은 작동 전압 요건이 모터 드라이브에서 보이는 값들을 초과할 수 있다. 

발전소 중앙 태양광 인버터와 풍력에너지 인버터는 더 높은 DC 버스 전압에서 작동하는 추세이고, 1,500V 이상까지 확대되고 있다. 더 높은 DC 버스 전압은 전류 레벨을 증가시키지 않고도 보다 높은 전력 등급을 가능하게 해주는데, 그러면 구리 비용을 그대로 유지할 수 있다. 발생 에너지의 단위 당 비용을 낮춰주는 것이다. 높아진 전압의 또 다른 장점은 효율이 증가한다는 것이다. 전압이 높아질수록 총 전력 출력도 증가하는데, 이때 전류는 변하지 않고서 전도 손실은 그대로 유지된다. 

높아진 DC 버스 전압은 인버터의 스위칭 전력 트랜지스터에 사용되는 아이솔레이터가 더 높은 작동 전압에서 사용될 수 있게 해준다. 그림 4에서 절연된 게이트 드라이버 또는 개별 게이트 드라이버와 쌍을 이루고 있는 모든 디지털 아이솔레이터는 지속적으로 사다리꼴 전압을 보인다. 이러한 전압은 인버터 출력에 연결된 한쪽 사이드와 어스 레퍼런스에 연결된 다른 쪽 사이드 사이에서 나타난다. 이 전압 파형의 피크투피크 값이 DC 링크 전압이다. 어떤 아이솔레이터이든, 그 수명은 배리어에서의 전압 스트레스에 비례하여 기하급수적으로 하락한다.

▲ 그림 4. 중앙 태영광 인버터의 블록 다이어그램

태양광 및 풍력 인버터 시스템은 25년 이상의 수명을 목표로 하고 있다. 상당히 여유롭게 작동 전압 요건을 충족하는 아이솔레이터를 선택하는 것이 무엇보다 중요하다. 전체 시스템의 수명이 아이솔레이터에 의해 제한을 받게 되는 일이 없도록 하기 위해서이다. 

새로운 커패시티브 아이솔레이터는 1,500VRMS (2,121VPK)의 작동 전압을 달성하고 있다. 이 전압은 흔히 사용되는 디바이스보다 50% 증가한 것으로 더 낮은 비용에서도 더 높은 전압과 더 효율적인 인버터 시스템을 가능하게 해준다. 옵토커플러는 제법 괜찮은 절연 성능과 작동 전압 성능을 보여준다. 하지만 옵토커플러가 사용하는 LED는 전기 성능 관점에서 수명이 제한된다. 앞서 언급했듯이, 주요 폴리마이드 기반 마그네틱 절연 기술은 작동 전압 정격이 낮고, 장기적 절연 신뢰성도 낮기 때문에 고전압 태양광 인버터 애플리케이션에서의 쓰임새가 제한적이다.  

높은 공통모드 과도현상 내성

CMTI(Common-mode Transient Immunity)는 통과 신호를 변조시키지 않고도 두 그라운드 사이에서 높은 슬루율 전압 과도응답을 아이솔레이터가 감내할 수 있는 능력을 말한다. 전기차 모터 드라이브와 태양광 및 풍력 에너지 인버터 애플리케이션에서 절연 게이트 드라이버나 게이트 컨트롤을 전력 트랜지스터로 전달하는 아이솔레이터는 상당히 큰 그라운드 과도현상을 겪게 된다. 이는 한 그라운드가 빠르게 전환하는 인버터 출력에 연결되어 있기 때문이다. 그림 5는 이러한 게이트 드라이버들이 경험하는 그라운드 포텐셜 차이를 보여주고 있다. 이 시스템에서 CMTI가 매우 중요한 파리미터인 이유는 과도현상이 유발한 비트 오류로 인해 위험한 단락 이벤트가 일어날 수 있기 때문이다.  

▲ 그림 5. 인버터 출력 스위칭 프로파일을 아이솔레이터에 필요한 높은

CMTI로 변환

최근 애플리케이션 요건들은 더 높은 CMTI를 갖는 아이솔레이터의 필요성을 강조하고 있다. 그 중 하나가 DC 버스 전압을 높이도록 한 요건이며, 두 번째는 과도 시간을 줄이면서 전력 트랜지스터의 전환 속도를 빠르게 하여 인버터 효율을 개선하는 것이다. 또한 세 번째는 스위칭 주파수를 증가시켜 인덕터, 트랜스포머, 모터 같은 마그네틱의 비용을 낮추고 부피를 줄이는 것이다.

실리콘카바이드 또는 SiC 기반 전력 트랜지스터는 기존 IGBT보다 더 빠르게 전환할 수 있고, 더 높은 전압을 견딜 수 있는데, 이는 더 빠르고 더 효율적으로 전환하는 인버터의 유행에 힘입은 것이다. 

2014년에 출시된 커패시티브 아이솔레이터는 100kV/μs CMTI의 장벽을 허물었다. 커패시티브 아이솔레이터 및 게이트 드라이버는 가장 높은 최소 보장 CMTI로써 지속하여 업계를 선도하고 있으며, 더 빠르고 더 효율적이고 더 저렴한 인버터 설계가 가능하다.  

고고도 작동

고고도에서 작동하는 장비와 오염 환경이나 다습 환경에서 작동하는 장비의 아이솔레이터에는 고급 패키징 기술이 필요하다. 패키지를 개선하고 넓히면 패키지 표면 전체의 하락이 방지되고, 핀 사이 공기의 통호가 방지되어 절연 품질이 보장된다. 태양광, 풍력에너지, e-미터링 애플리케이션에 사용되는 아이솔레이터가 바로 이런 카테고리에 속한다. 

지속적으로 상당한 오염 속에 작동해야하는 아이솔레이터 전압들은 패키지 표면을 하락시켜 아이솔레이터 전체에서 전도 경로를 만들어낼 수 있다. 이 현상을 ‘트랙킹(tracking)’이라고 한다.

낮은 물질 그룹에 속해 있으면서 CTI (Comparative Tracking Index)는 높은 패키징 몰드 컴파운드를 선택하면, 특정 패키지 연면거리와 작동전압에서 이러한 효과를 최소화할 수 있다. 또 다른 방법은 연면거리를 증가시킨 더 넓은 패키지를 선택해 트랙킹의 위험을 줄이는 것이다.

표 1은 강화 절연과 관련한 IEC 60664-1에 따른 작동전압, 오염 정도, 아이솔레이터 패키지 몰드 컴파운드의 물질 그룹 등에 따른 연면거리 요건을 보여주고 있다. 작동전압 및 오염 정도에 비례해 연면거리 증가가 필요하지만, 낮은 물질 그룹과 높은 CTI를 선택하면 연면거리 요건을 낮출 수 있다.  

▲ 표 1. 작동전압과 패키지 물질 그룹에 따른 연면거리 요건

해발 2,000~5,000 미터의 높은 고도에서는 기압이 낮아진다. 따라서 서지나 임시 과전압 같은 피크 과전압이 아이솔레이터 핀들 사이에서 아크를 보다 쉽게 발생시킬 수 있다. 높은 고도에서 작동하는 장비는 핀들간 거리가 더 커야 한다. 즉, 이격이 더 커야 한다는 것이다.

표 2는 IEC 60664-1에 따라 아크 발생을 방지하려면 고도가 높아질수록 이격거리를 어느 정도 증가시켜야 하는지 증배율을 보여주고 있다. 

▲ 표 2. 고도가 높아질 때 이격거리 증배율

전통적으로 아이솔레이터 주변의 오염 정도를 낮추기 위해 절연 폴리머나 다른 물질을 인쇄회로기판(PCB)에 침전시키는 등각 코팅 기법이나 포팅 기법이 사용되어 왔다. 이것은 연면거리 및 이격거리 요건을 낮춰준다. 하지만 이러한 방식은 비용을 증가시키고 신뢰도를 떨어뜨리며, PCB 제조 시 추가 검사 단계를 필요하게 만든다. 고품질 몰딩 컴파운드로 제조된 몸체가 넓은 아이솔레이터는 등각 코팅이나 포팅의 필요성을 없애주어 PCB 설계를 간소하게 해주고 제조 신뢰도를 높여준다. 

새로운 아이솔레이터는 최고 품질의 몰드 컴파운드(CTI 물질 그룹 I)을 사용하며, 넓은 패키지(14.5mm 연면거리/이격거리)에서도 가능하다. 이러한 아이솔레이터는 고고도 설계를 가능하게 해주며, PCB 제조 시 추가 단계 없이도 보다 높은 오염에 견딜 수 있다.  

커패시티브 디지털 아이솔레이터

커패시티브 디지털 아이솔레이터에서의 최근 발전들은 기술의 선봉 역할을 하고 있다. 이 새로운 아이솔레이터는 더 높은 절연 성능과 장기 신뢰성, 채널 통합 증가, 더 높은 데이터 속도 및 정밀도, 타이밍 성능, 개선된 고품질 패키지 몰드 컴파운드, 넓어진 패키지(14.5mm 연면거리/이격거리), 100kV/μs를 초과하는 CMTI를 제공한다. 이러한 기능들은 새로운 애플리케이션을 가능하게 해주며 시스템 비용을 낮춰주어 완제품 제조업체들에게 솔루션의 최대 성능 한계를 초월할 수 있게 해준다.

TI는 ISO78xx 제품군의 강화 디지털 아이솔레이터와 ISO585x 및 ISO545x 제품군의 강화 절연 IGBT 게이트 드라이버를 제공하고 있다. 이러한 아이솔레이터들은 까다로운 절연 문제를 해결할 수 있는 기능과 성능을 제공해주고 있다. 이 아이솔레이터들은 작동 전압이 최대 1,500VRMS이고, 40년 등급이며, 서지 전압이 12.8kV이고, 5,700VRMS의 임시 과전압을 견딘다. 또한 최대 100Mbps의 높은 데이터 속도를 제공하고 스큐(skews) 및 파트투파트 변동이 낮으며 CMTI가 100kV/us를 넘는다. 또한 물질 그룹 I 몰드 컴파운드를 사용하고 있고, 업계를 선도하는 와이드 패키지에서 이용 가능하다.

아난트 카맛 (Anant Kamath) _ 텍사스 인스트루먼트