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[IT뉴스]Vishay, 로컬 DC 전력 회로 확산을 위한 차세대 에너지 관리 해법 제시

온카뱅크관리자

2025-12-18 16:47:34

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 DC 전력 회로(DC power circuits)는 전 세계적으로 확산되고 있으며, 기술에 새로운 도전 과제를 제시하고 있다.
 현재 전력망의 상당 부분은 교류(AC)를 기반으로 하고 있지만, 점점 더 많은 애플리케이션에서 직류(DC) 또는 DC 링크(DC link)를 필요로 하고 있다.
 에너지 분야에서의 대표적인 DC 애플리케이션에는 태양광 발전 시스템, 배터리 에너지 저장 장치, 그리고 주로 가변 속도 모터 구동용 인버터(Inverters for variable-speed motor drives)가 포함된다. 전압 범위가 300 V에서 1000 V에 이르는 직류 전력 회로는 이미 산업 현장에서 사용되고 있다.
 배터리 전기차(Battery Electric Vehicles)의 경우 DC 배터리와 구동 인버터의 DC 링크(DC link) 사이에서 전력이 직류로 전달된다는 점은 자명하지만, 예를 들어 태양광 발전 설비에서는 이러한 구조가 명확하지 않다. 기존의 태양광 발전 설비와 고정형 전력 저장 시스템(Stationary power storage systems)의 대부분, 그리고 사실상 모든 발코니형 발전 설비(Balcony power plants)는 설치가 용이하다는 이유로 기존 AC 전력망에 AC 결합(AC coupled) 방식으로 연결되어 있다. 그러나 주요 소비자와 주요 생산자(예: 태양광 및 고정형 배터리 에너지 저장 장치) 간의 AC 결합 방식에 대한 타당성은 점점 더 면밀한 검토 대상이 되고 있다. 소수의 장치에 국한되고 비교적 합리적인 비용으로 사후 설치가 가능한 로컬 DC 전력 회로는 하나의 대안이 될 수 있다.
 예를 들어, 이는 PV 시스템, 배터리 에너지 저장 장치, 히트펌프, 그리고 이상적인 경우 전기차 또는 오븐, 인덕션 쿡탑과 같은 대형 소비자 사이에 연결될 수 있다. 이러한 구성은 불필요한 AC/DC 및 DC/AC 변환을 제거함으로써 고효율이면서도 매우 유연한 에너지 관리 시스템의 기반을 마련한다. AC 결합 시스템은 다수의 AC/DC 및 DC/AC 인버터를 필요로 하는 반면, DC 전력 회로를 사용할 경우 이러한 인버터는 거의 필요하지 않다. 태양광(PV) 시스템의 발전 에너지는 일반적으로 절연되지 않은 최대전력점 추종기(Maximum Power Point Tracker, MPPT)에 의해 로컬 DC 전력 회로의 전압 레벨로 변환되어 PV 발전량을 극대화한다. 배터리 에너지 저장 장치는 마찬가지로 절연되지 않은 DC/DC 컨버터를 통해 로컬 DC 전력 회로에 연결된다. 이 컨버터는 자가 소비(Self-consumption)를 극대화하도록 동적으로 제어될 수 있다. 전자 제어 모터 드라이버(Electronically controlled motor drivers)를 기반으로 한 소비자는 DC 링크를 통해 로컬 DC 전력 회로에서 직접 전력을 공급받을 수 있다. 또한 로컬 DC 전력 회로에 통합될 수 있는 또 다른 특수 DC/DC 컨버터로는 전기차용 고속 충전기가 있다.
 순수 DC 전력 회로를 독립 운전 모드(Island mode operation)로 설치하는 것은 극히 드문 경우에만 적합하고 실현 가능하므로, 또 다른 대안으로 로컬 DC 전력 회로를 기존의 가정용 AC 전력 회로 및 공공 AC 전력망과 연계하는 방식이 있다.
 AC 결합 태양광 시스템(AC-coupled photovoltaic systems)은 자가 소비가 PV 발전량을 초과하더라도 계통 운영자(Power system operator)에 의해 출력 제한(Throttling)이 이루어질 수 있다. 반면, 로컬 DC 전력 회로와 중앙 AC 네트워크 결합 지점(Central AC network coupling point)을 활용하면, 이용 가능한 PV 발전량을 계속해서 지역 내에서 사용할 수 있다. 이는 특히 여름철에 상당한 경제적 이점을 가져올 수 있다. 예를 들어, 전기차를 직접 DC 결합 방식으로 충전함으로써 지역에서 생산된 에너지를 완전히 지역 내에서 소비할 수 있는 시스템의 경우 이러한 효과는 더욱 두드러진다. 이를 통해 낮 시간대에 30 kW 수준으로 전기차를 충전하는 것과 같은 애플리케이션이 가능해지며, 이는 기존 순계량(Net metering) 제도 하에서는 PV 시스템의 가동 중단을 초래했을 상황이다. 이러한 AC 결합 활용 방식은 현행 법·제도적 환경에서는 구현이 매우 어렵거나 사실상 불가능한 경우가 많다.
 로컬 DC 전력 회로(Local DC power circuits)의 명확한 장점 외에도, 이러한 전력 회로에 수반되는 과제 역시 논의할 필요가 있다. 주요 문제점으로는 안전성과 신뢰성을 확보해야 한다는 것이다. 이를 충족하기 위해서는 적절한 전기·전자 부품과 함께, 필요한 장치의 신속한 개발 및 비용 효율적인 생산이 요구된다.
 Vishay는 이 기술의 신속한 도입에 두 가지 방식으로 기여하고자 한다. 첫째, Vishay는 전통적인 부품 제조업체로서 SiC 반도체(SiC semiconductors), 과전압 보호 다이오드(Overvoltage protection diodes), 커패시터(Capacitors), 인덕터(Inductors) 등 수요가 높은 내구성 있는 표준 부품으로 포트폴리오를 지속적으로 확장하고 있다. 또한 절연 전원 모듈(Isolated power modules), 장기 안정성이 우수하고 열 드리프트(Thermal drift)가 낮은 저항식 전류 센서(Resistive current sensors), 필름 커패시터(Film capacitors), 코일(Coils), 그리고 요구되는 전압 내성(Voltage immunity)과 절연 구간(Insulation sections)을 충족하는 변압기 등 사용자 맞춤형 부품도 제공하고 있다. 둘째, Vishay는 Vishay eMobilityLAB에서 산업 지향적 연구개발을 적극적으로 수행하고 있으며, 이러한 활동은 산업계와 학계 간 협력을 통해 새로운 부품과 회로의 개발을 크게 촉진하고 있다.
 eMobilityLAB에서 개발된 접근 방식과 회로 모듈은 평가 키트(Evaluation kits) 및 레퍼런스 디자인(Reference designs)과 함께 Vishay.com을 통해 자유롭게 제공된다. 이러한 자료는 전기 모빌리티(E-mobility) 분야 및 본 문서에서 논의된 DC 전력 회로와 같은 관련 영역에서 Vishay 부품이 어떻게 활용되는지를 보여주며, 전기차를 포함한 시스템에서 고장 발생 시 전류 흐름을 신속하고 신뢰성 있게 차단할 수 있는 방법을 제시한다.
 AC 전력 회로를 보호하는 방식으로는 열 퓨즈(Thermal fuses)나 전자기계식 스위치(Electromechanical switches, 예: 고장 전류 차단기 Fault-current circuit breakers) 등 다양한 선택지가 존재한다. 그러나 DC 전력 회로를 보호하는 것은 훨씬 더 큰 기술적 도전 과제로 입증되고 있다. 기계식 스위치를 사용해 고전류·고전압을 차단할 경우 일반적으로 스파크 갭(Spark gap)이 발생하며, 이를 신속히 억제하지 못하면 기계식 스위치가 파손될 수 있다. AC 전력 회로의 특성상 전류는 주기적으로 0으로 떨어지기 때문에 스파크 갭이 자연스럽게 소멸된다. 그러나 이러한 현상은 DC 전력 회로에서는 발생하지 않는다. 이로 인해 기존의 기계식 절연 스위치(Mechanical isolation switches)는 추가 비용 부담 없이 DC 시스템에 적용하기 어렵다.
 이러한 이유로, 기계식 스위치 대신 전자 스위치를 기반으로 한 보호 시스템, 즉 전자 퓨즈(Electronic fuses, eFuses) 또는 솔리드 스테이트 회로 차단기(Solid-state circuit breakers)가 DC 네트워크 보호를 위한 하나의 대안으로 부상하고 있다.
 eFuse 또는 솔리드 스테이트 회로 차단기는 세 가지 핵심 구성 요소로 이루어진다. 즉, 반도체 스위치(Semiconductor switch), 전류 센서(Current sensor), 그리고 제어 유닛(Control unit)이다. 800 V 자동차 시스템과 본 문서에서 논의된 산업 및 민간 건물용 고정형 DC 네트워크(Stationary DC networks)에서 사용되는 eFuse용 반도체 회로는 일반적으로 저저항의 1200 V SiC MOSFET이다. 전류 센서로는 션트 기반 전류 측정(Shunt-based current measurement)이 널리 사용되고 있으며, 이는 저저항 저항기(Low-resistance resistor)가 전류에 비례하는 전압을 생성하는 방식이다. 로직 유닛(Logic unit)은 이 전압을 평가하고, 전류 및 전압 측정값과 사용자 입력(User inputs)을 종합하여 퓨즈 및 프리차징 회로(Pre-charging circuit)의 스위칭 상태를 결정한다.
 쾰른 공과대학교(Technische Universitat Koln) 및 알테라(Altera)와의 협력을 통해 eMobilityLAB에서 개발된 5채널 eFuse는 본 접근 방식의 성능을 입증하기 위해 시그마-델타(Sigma Delta) 기반 및 FPGA 기반 로직 유닛(FPGA-based logic unit)을 탑재하였다. 도식에 나타난 전력 분배 유닛(Power Distribution Unit, PDU)은 약 1 μs 이내에 과전류(Overcurrent)에 반응하며, 약 8 ENOB의 분해능(Resolution)을 제공하는 동시에, 연결된 장치와 배선을 12~14 ENOB의 분해능으로 열 보호(Thermal protection)한다. 
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 다음은 고전압 에너지 관리 시스템(High-voltage energy management system)을 위한 실험 플랫폼으로 Vishay eMobilityLAB에서 개발한 전력 분배 유닛(Power Distribution Unit, PDU)의 분해도이다. 본 설계는 효율적인 전류 전도(Efficient current conduction)와 전부하 조건(Full load conditions)에서도 견고한 차단(Rugged shutdown)을 제공하는 Vishay의 MAXSiC 고출력 SiC MOSFET, 과전류를 정밀하고 신속하게 감지하기 위한 저 TCR 션트 저항(Shunt resistors with low TCR), 그리고 필요한 회로 보호를 위한 TVS 다이오드(Transient Voltage Suppression diode, TVS diode)를 기반으로 하고 있다.
 임민지 기자 minzi56@etnews.com
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