현대 배전 시스템에는 일반적으로 절연 및 비절연 AC/DC 및 DC/DC 전력 변환기의 복잡한 조합이 필요합니다. 절연 변환기는 주로 단일 또는 다중 오류가 발생할 경우 시스템과 사용자를 보호하는 데 사용됩니다. 또한 신호 무결성을 유지하려면 격리된 하위 기능에 전원을 공급해야 합니다.
원칙적으로 고급 IC를 사용하면 약 1000와트의 전력을 사용하는 저전력 및 중전력 컨버터를 쉽게 설계할 수 있으며, 다양한 아키텍처를 통해 다양한 성능 절충을 달성할 수 있습니다. 그러나 실제로 변환기의 개발과 검증은 결코 간단하지 않습니다. 정격 출력 전압 및 전류, 효율성, 과도 응답, 물리적 크기, 회로, 부하 및 전원 공급 장치에 대한 결함 보호를 포함하여 최소한 하나의 기본 기능적 성능 요구 사항을 충족해야 합니다.
디자인 과제는 기본 지식에만 국한되지 않습니다. 현재 안전 성능, 다양한 부하 수준에서의 효율성, 차단 성능, 열 성능, 전자기 간섭(EMI) 방출 및 내성을 다루는 일련의 필수 규제 요구 사항을 준수해야 합니다. 이러한 속성은 인증된 테스트 실험실에서 검증되어야 하며, 이로 인해 설계 시간이 크게 늘어납니다. 단순한 독립적인 연구 및 개발 계획은 매우 높은 위험으로 이어질 수 있으며, 독립적인 연구 및 개발과 아웃소싱 중 하나를 선택할 때 빠르게 후자 쪽으로 기울게 될 것입니다.
여전히 의심스러우면 컨버터에 전기 절연 기능도 있어야 한다고 생각할 수 있습니다. 이는 거의 모든 AC/DC 변환기의 공통 요구 사항이지만 일부 DC/DC 변환기에는 전기 절연도 필요합니다. 이 요구 사항은 새로운 규정, 필수 안전 및 인증 표준을 도입하여 자체 개발 및 아웃소싱 결정을 전원 공급 장치 사양에 관계없이 구매 쪽으로 더욱 기울게 만듭니다.
좋은 소식은 회로 기판에 장착된 절연 및 비절연 전력 변환기에는 선택할 수 있는 다양한 정격 전압과 전류가 있다는 것입니다. 이러한 제품은 국방, 통신, 테스트 및 측정(격리), 모바일 로봇(비격리)과 같은 응용 분야에서 제품 설계 및 배포를 크게 단순화하고 결합하여 전력 분배 기능을 달성할 수 있습니다.
이러한 유형의 변환기는 플러그 앤 플레이를 실현하고 주 인쇄 회로 기판(PC 보드)에 꽂을 수 있으며 특정 위치는 분배 레일에 최적화되어 있습니다. 또한 이러한 유형의 변환기에는 독립적인 지지대나 브래킷이 필요하지 않습니다. 간단히 말해서, 이러한 유형의 제품은 전원 기능을 직접 달성하는 폐쇄형의 완전한 플러그 앤 플레이 솔루션 역할을 할 수 있습니다.
전기 절연에 대한 기본 지식
전기 절연은 신호 또는 전원 경로의 두 끝 사이에 전도성("저항") 경로가 형성되는 것을 방지하는 데 사용되는 전기 장벽입니다. 그러나 이 장벽은 여전히 에너지와 전기가 다른 전송 수단을 통해 전송되도록 허용해야 합니다. 신호, 전원 공급 장치 또는 둘 다를 절연해야 하지만 이는 설계에 따라 다릅니다. 사용되는 절연 기술은 절연 전류의 특정 사양에 따라 달라집니다.
전기 절연이 필요한 데에는 여러 가지 이유가 있습니다. 신호의 경우 전기 절연을 통해 센서의 무결성을 향상하고, 접지 루프를 제거하거나, 오류 발생 시 사용자와 회로를 보호하여 전류가 신호 경로로 흐르는 것을 방지할 수 있습니다.
전원 공급의 주요 목적은 사용자의 안전을 보장하고 AC 전선이나 고전압 DC 전원과의 우연한 접촉으로 인한 감전을 방지하는 것입니다. 전기 절연은 또한 비전원 신호에 사용되는, 즉 회로 접지에 연결되지 않은 "부동" 회로에 대한 요구 사항을 충족합니다.
일반적으로 전기적 절연이란 키르히호프 전류법칙(KCL)을 바탕으로 전류 흐름의 방향을 결정하는 방법이다. 모든 전류 흐름에는 소스로 돌아가는 경로가 있어야 하며 전기 절연 기능은 이 경로를 차단하는 것입니다. 감전이 발생할 수 있는 경우 전원 공급 장치의 절연 변압기(그림 1, 오른쪽)가 사용자를 통과하는 전체 오류 전류 경로를 차단하고 접지로 돌아갑니다(그림 1, 왼쪽).
그림 1: 감전을 방지하기 위해 전원 공급 장치의 절연 변압기(오른쪽)는 사용자를 통과하고 접지로 돌아가는 오류 전류 경로(왼쪽)를 차단합니다. (이미지 출처: 루멘러닝)
일반적인 감전 시나리오에서 절연층이 마모되면 활성/가열 전원 코드가 장비의 금속 케이스와 직접 접촉하게 됩니다. 기기가 정상적으로 작동하더라도 접지 연결이 끊어지면(일반적인 상황) 사고 전류가 접지선을 안전하게 통과하지 못하고 사용자를 통해 접지로 흘러 이때 사용자가 감전될 수 있습니다.
이러한 위험을 제어하기 위해 전원 공급 장치의 절연 기능은 원래 전압 소스와 장비 사이의 전류 경로를 차단합니다. 이를 통해 이들 사이에 회로가 형성되는 것을 방지할 수 있으며, 선로 결함이 발생하더라도 감전의 위험을 없앨 수 있습니다.
위험 전압에는 AC 라인 전압과 멀티 코어 배터리 팩의 전압과 같은 등가의 DC 전압이 포함됩니다. 대부분의 규제 표준에서는 실제 상황과 전압 유형에 따라 위험 전압을 60V 이상의 전압으로 정의합니다.
전력 절연은 거의 항상 변압기의 자기 결합을 통해 달성됩니다. 자기 결합은 뛰어난 전기 효율성, 강력한 기술적 실용성, 유연한 적용, 높은 신뢰성, 쉬운 맞춤화 기능을 갖추고 있으며 규제 및 회로 요구 사항을 동시에 충족할 수 있습니다.
수많은 고품질 솔루션을 선택하는 이유
현대 시스템에서는 다중 전력 레일을 사용하기 때문에 배전 계획에 있어 아키텍처 선택의 폭이 넓습니다. 그러나 회로의 특정 부분은 절연되어야 하고 다른 부분은 절연이 필요하지 않거나 금지되는 경우 적절한 전력 변환기를 선택하는 것이 매우 어렵습니다.
어떤 경우에는 고전압 AC/DC 또는 DC/DC 전력 레일에 절연이 필요하지 않지만 배전 링크에서 추가 다운스트림으로 절연을 달성해야 합니다. 설계자가 내려야 하는 결정에는 다음이 포함됩니다. 단일 대용량 절연 전원 공급 장치를 사용할지 아니면 여러 개의 소용량 절연 전원 공급 장치를 사용할지; 그리고 필요한 위치에만 절연 전원을 사용하고 다른 위치에는 비절연 전원을 사용할지 여부를 결정합니다(그림 2).
그림 2: 완전한 시스템 수준 분배 아키텍처에는 일반적으로 분리형 및 비분리형 AC/DC 및 DC/DC 전력 변환기의 조합이 필요합니다. (이미지 출처: TDK Lambda)
이러한 요구 사항을 충족하기 위해 TDK Lambda는 다양한 온보드 벅/부스트(벅/부스트) 절연 및 비절연 AC/DC 및 DC/DC 전력 변환기를 제공하여 여러 입력/출력 정격 전압 및 정격 전류 옵션을 제공합니다. 구체적으로 다음이 포함됩니다.
절연형 AC/DC: PFE500F-28/T는 85~265V 교류(VAC) 입력에 사용되는 단일 출력, 28V/18A 변환기입니다. 이 컨버터는 3000V VAC 입력 및 출력 절연 기능을 갖춘 122 × 70 × 12.7mm 완전 밀폐형 브릭 모듈을 채택하여 대류 또는 강제 공기 냉각이 불가능한 환경에 적합합니다.
비절연형 AC/DC: PF1500B-360 밀폐형 모듈도 전체 브릭 크기이며 AC 입력을 360VDC 조정 출력으로 변환할 수 있습니다. 절연형 고전압 DC/DC 컨버터가 장착된 분산형 전원 시스템이나 고전압 전원 공급이 필요한 부하에 적합합니다. 170~265VAC의 입력 전압에서 정격 전력은 1512W입니다. 85~265VAC의 입력 전압에서 정격 전력은 1008W입니다. 이 모듈의 역률은 0.98이며 효율은 최대 96.5%입니다.
절연형 DC/DC: GQA2W024A050V-007-R 절연형 DC/DC 컨버터는 크기가 작고 쿼터 브릭 패키지로 제공되며 성능이 뛰어납니다. 120와트의 전력을 출력할 수 있으며 최대 3000VDC의 입력 및 출력 절연 전압을 갖습니다. 이 컨버터의 작동 입력 전압 범위는 9V ~ 36V이며 24A에서 5V 전류를 출력할 수 있습니다. 기계적 패키징은 외부 냉각판 또는 방열판을 통한 대류 및 전도에 의해 냉각될 수 있는 바닥판, 밀봉 및 캡슐화(그림 3 참조)와 같은 다양한 구조 구성을 제공합니다.
그림 3: GQA2W024A050V-007-R 컨버터는 다양한 패키징 구성 옵션을 제공하여 설계자에게 전체 패키징 설계 및 컨버터 냉각에 있어 높은 유연성을 제공합니다. (이미지 출처: TDK Lambda)
비절연형 DC/DC: I6A24014A033V-003-R 비절연형 PoL(Point of Load) DC/DC 컨버터는 12VDC 또는 24VDC 전원에서 고전류 출력 전압 레일을 생성하는 데 이상적입니다. 이 컨버터의 입력 전압 범위는 9V ~ 40V이고 출력 전류는 최대 14A이고 출력 조정 범위는 3.3V ~ 24V입니다. 이 컨버터는 소형 1/16 브릭 설계로 패키지됩니다.