전력 전자 시스템은 산업용 애플리케이션에 있어서 에너지 효율, 동작 온도, 소형화, 신뢰성, 비용 절감의 다섯 가지 측면에서 지속적으로 기술 발전을 이루어 왔으며, 이 요인들은 어느 정도 서로 영향을 미치고 있다. 이러한 경향은 지난 30년에 걸쳐 전력 반도체의 진화를 이루어왔으며, 이러한 진화는 앞으로도 멈추지 않고 계속될 것으로 예상된다.
전력 모듈은 전력 전자 시스템이 에너지 절약, 제어 역학, 소음 감소, 무게 및 부피 감소 측면에서 빠르게 발전할 수 있는 원동력이 되어 왔다. 전력 반도체는 에너지 생산과 소비 사이의 에너지 흐름 제어에 널리 이용되고 있다.
초기에는 전력 밀도 수치가 30kW/cm2였던 것이, 오늘날에는 혁신적인 어셈블리 기법과 인터커넥션 기법을 적용함으로써 110kW/cm2에 이르렀다.
반도체 업계는 앞으로도 계속 기술 발전을 거듭함으로써 IGBT 모듈로 이보다 훨씬 더 높은 수치를 달성할 것으로 기대된다. 그렇지만 전력을 더 향상시키기 위해서는 새로운 하우징이 필요하다.
이와 동시에 컨버터 디자인 또한 계속해서 발전되어 왔다. 이는 칩 기술과 하우징 디자인이 발전하면서 가능해졌다. 이와 관련, 여러 전압 등급에 걸쳐 공통된 소자를 이용할 수 있도록 하는 것과 같은 새로운 디자인 콘셉트을 위해서는, 첨단 에너지 효율 전력 전자 시스템의 변화 요구를 충족시킬 수 있는 혁신적인 솔루션이 필요하다.
고전력 IGBT 모듈은 산업용 드라이브, 교통, 풍력 터빈 등의 다양한 애플리케이션 분야에 이용되고 있다. 이들 애플리케이션에서는 콤팩트한 디자인, 에너지 효율, 신뢰성이 중요하게 요구되는데, 까다로운 환경에서 동작하는 다양한 분야의 애플리케이션들을 위해서는 컨버터와 모듈 기술에 대해 견고성과 탄력성 부분에서 해당 분야의 각각 다른 엄격한 요구에 대응해야 한다. 여기서는 이와 같이 다양한 요구를 충족시키기 위해 미래의 솔루션이 어떠한 형태로 발전해야 하는지 생각해 본다.
그림 1. 지난 30년 동안의 전력 밀도 발전 추이. 이러한 진화는 결코 멈추지 않을 것이다
새로운 자원을 활용할 수 있도록 하는 산업용 드라이브
재생 에너지를 이용한 전력 발전과 더불어, 화석 연료 사용은 여전히 전력 공급에서 가장 큰 몫을 차지하고 있다. 세계 인구는 2005년 65억 명에서 25년 동안 17억 명이 증가해 2030년에는 82억 명에 이를 것으로 전망된다.[1] 또한 도시화도 계속되고 있다. 그러므로 개발을 위해서는 석유와 가스 같은 에너지 자원 추출 및 분배에 대대적인 투자가 이루어져야 한다.
새로운 발전 기법을 이용하면 새로운 형태의 자원을 활용할 수 있는데, 이때 필요한 것이 고효율 펌프 드라이브이고 그 핵심을 이루는 것이 바로 IGBT 모듈이다.
산업용 드라이브에서는 에너지 효율을 높이기 위해 비 규제(Unregulated) 드라이브를 가변 속도 드라이브로 교체하고 있는 추세이다.
철강 산업, 석유 가스 산업, 광산업 등의 산업용 애플리케이션에 이용되는 컨버터는 상당히 혹독한 환경에 노출된다. 끓어오르는 쇳물, 유독성 가스, 가변적인 동작 모드, 주기적 과부하는 높은 전기적 및 기계적 스트레스를 의미하며, 이를 처리하기 위해서는 지극히 안정적인 구조로 되어 있어야 한다.
신규 건설이나 기존 플랜트를 첨단화하고 개조하는 데에는 낮은 전압대 및 중간 전압대 애플리케이션으로 수백kW에서 수십MW 대에 이르는 압연 장비 드라이브가 이용된다. 이러한 요구를 충족시키려면 견고성과 내구성이 뛰어난 전력 전자 솔루션이 필요하다.
소형, 경량 장치로 철도 시장의 니즈 충족
철도 시장은 주로 국가나 지방 자치단체, 도시 등의 인프라 프로젝트에 의존한다. 열차 교통은 최근 들어 전 세계적으로 대규모 합병을 통해 다수의 새로운 교통 기업들이 등장하는 등 르네상스 시기를 맞이하고 있는데, 이것은 예상 교통량을 관리할 수 있는 유일한 방법이기 때문이다.
많은 도시에서 열차 기반의 지방 교통 시스템을 구축하고 있으며, 이 중 일부는 신규로 건설된다. 화물 운송이나 고속 승객 서비스 측면에서 경제 발전이 이루어지고 있는 신흥 국가에서는 새로운 철도 건설 프로젝트들이 야심차게 추진되고 있다.[2]
철도 시장을 견인하는 두 가지 성장 동력은 바로 도시화와 이동의 증가이다. 어떤 프로젝트를 몇 년 전에 계획하고 자금을 조성했다고 해도 기술만은 첨단의 것이 요구된다. 여기서 비용과 시간 절약에 대한 요구에 대응할 수 있다. 드라이브 컨버터와 마찬가지로, 이 분야에 이용하기 위한 열차 장치들 역시도 콤팩트한 디자인과 무게 감소가 중요한 요구사항이다.
그림 2. 인피니언은 매 시기마다 혁신적인 모듈을 이용, 실질적인 산업 표준을 제시하고 있다
풍력 에너지 … 콤팩트하고 강력한 컨버터 솔루션 필요
그림 3. 다양한 분야의 각각 다른 요구를 충족시키는 데에는 새로운 모듈 표준이 요구된다
그림 4. 산업용 분야의 새로운 표준을 제시하는 고전력 플랫폼 ‘The Answer’ (400A 4.5kV와 275A 6.5kV를 비롯,
1200V부터 6.5kV까지 다수의 전압 용량대를 제공한다. 크기는 100mm×140mm×40mm)
전력 발전에 있어서 재생 에너지 비중이 지속적으로 늘어나고 있으며, 이것은 전력 반도체의 수요 증가로 이어지고 있다. 내륙의 풍력 발전 터빈은 현재 가장 경제성이 뛰어난 재생 에너지 중 하나로 자리잡고 있다.
복잡한 주파수 컨버터 시스템은 현지에서 생산된 전기를 전력망과 호환하여 공급할 수 있게 하므로, 이와 같은 플랜트의 중요한 장치로 이용된다. 첨단 해양 풍력 발전 터빈은 현재 최대 7MW에 이르는 출력 전력을 공급할 수 있다. 이러한 애플리케이션은 발전기의 전력이 갈수록 높아지고 공간적인 제약도 따르므로, 콤팩트하면서도 강력한 컨버터 솔루션을 필요로 한다. 이러한 프로젝트의 경제성을 높이는 데에는 낮은 유지보수 및 수명주기 비용이 중요하다. 그러므로 컨버터 디자인의 플랫폼 기반 기법과 디자인의 전반적인 효율을 고려해야 한다.
풍력 발전뿐만 아니라 열차 구동 시스템, 중간 전압대 산업용 드라이브, 고전압 DC 전송 시스템과 같은 애플리케이션의 까다로운 요구를 충족시키기 위해서는 견고성과 내구성이 뛰어난 전력 반도체 솔루션이 필요하다. 고전압 DC 전송 기술을 이용하면 긴 거리에 걸쳐서 전기 에너지를 경제적으로 전송할 수 있다. 해양 풍력 발전 지역을 내륙의 전력 공급망으로 연결하는 것이 이러한 애플리케이션이다.
‘The Answer’ 플랫폼
애플리케이션의 전력 요구가 높아짐에 따라 IGBT 기술은 갈수록 새로운 과제들에 직면하고 있다. 지난 몇 년 사이에 전력 반도체가 어떻게 발전해 왔는지 살펴보면, 칩 기술이 이러한 발전의 토대가 되어 왔다는 것을 알 수 있다. 패키지 기술은 그대로 두고 최신 세대의 칩 기술을 이용하여 발전하는 데 중점을 두어 왔다.
지금까지는 새로운 IGBT 칩을 기존 패키지에 하우징하는 방법이 사용됐지만, 이 방법은 어느 시점에 이르면서 점차 한계에 다다르고 있다. 시스템의 요구는 계속해서 더 높아지고 있으며 새로운 칩 세대가 등장함에 따라 이를 수용할 수 있는 새로운 패키지에 대한 요구가 대두되었다. 이러한 요구를 충족시키는 것이 바로 ‘The Answer’라고 하는 인피니언의 새로운 플랫폼이다.
인피니언은 지금까지 그래 왔던 것처럼, 또 다시 고전력 IGBT의 새로운 모듈 표준을 제시하고 있다. 이 새로운 고전력 플랫폼은 ‘PCIM 2014’ 전시회에서 ‘The Answer’라는 이름으로 소개됐다. 인피니언이 새로운 기술을 탐구하고 구현하고자 할 때 바탕이 되는 것은, 고객의 요구와 해당 시스템 분야를 철저하게 이해하는 것이다. ‘The Answer’라는 새로운 모듈 플랫폼을 개발할 때에도 높은 전력 밀도, 효율, 긴 수명, 견고성과 같이 각각 다른 애플리케이션 분야와 애플리케이션 시나리오에 따른 세부적인 기술적 요구들을 철저하게 이해하고자 했다.
고전력 IGBT 모듈에 이용하기 위한 인피니언의 새로운 하우징 표준은 1200V∼6.5kV에 이르는 다양한 전압 용량대를 지원한다. 또한 견고한 아키텍처는 혹독한 환경 조건에 노출되는 애플리케이션에서 장기적으로 신뢰할 수 있다.
첨단 컨버터 디자인의 경우 설계, 구현 시 높은 에너지 효율과 유연성을 필요로 한다. 이 포괄적인 고전력 플랫폼은 드라이브의 전력 요구에 따라 적합한 컨버터의 크기를 선택할 수 있다. 이 패키지는 기존에 개발된 컨버터를 모듈로 추가하여 편리하게 확장할 수 있다.
그뿐 아니라, 이 패키지는 오늘날 일반적으로 이용되는 전압대로 제공되기 때문에, 공통적인 컨버터 디자인을 기반으로 하여 원하는 다른 전압대로 손쉽게 이전할 수 있다. 이 플랫폼은 뛰어난 유연성에 의해 모듈을 병렬적으로 연결할 수 있으므로, DC 링크 단자와 커패시터 접속에 간소화된 구조를 이용할 수 있다. 그뿐 아니라 단 하나의 버스바(Busbar)만 이용하여 AC 단자들을 병렬로 접속할 수 있다. 따라서 개발 시간 단축, 시스템 비용 저감이 가능해진다.
Hubert Kerstin, Björn Rentemeister, Thomas Risse / Infineon Technologies AG
