최신 전력 공급 솔루션에서 전력 밀도가 갖는 중요성과 가치는 아무리 강조해도 지나치지 않다.

고전력 밀도 설계의 기초 기술에 대한 이해도를 높이기 위해 고전력 밀도 솔루션의 가장 중요한 다음 네 가지 측면을 이 글에서 다루려고 한다.

  • 손실 발생 감소
  • 최적의 토폴로지 및 제어 방법 선정
  • 효율적인 열 방출
  • 기계 및 전기 부품 통합을 통한 시스템 부피 축소

또한 TI와의 제휴를 통해 상기의 네 가지 이점을 가지고 있는 첨단 기술 역량 및 제품을 사용하는 것이 고전력 밀도 수치를 달성을 얼마나 도울 수 있는지에 대해서도 다루겠다.

전력 밀도란 무엇인가?

전력 관리 분야에서 전력 밀도(power density)는 그림 1과 같이 컨버터의 정격(또는 공칭) 출력 전력을 컨버터가 차지하는 부피로 나눈 값으로 간단하게 정의할 수 있다.

그림 1: 전력 밀도를 계산하기는 쉽지만 공칭 출력과 부피를 정의하는 방식 때문에 종종 모호한 결과를 초래할 수도 있다.

하지만 이 간단한 정의조차도 전력 밀도를 기준으로 전력 장치를 비교하려 하면 많은 설명이 요구된다.

출력 전력은 최악의 환경 조건에서 컨버터가 전달할 수 있는 연속 출력 전력에 해당한다. 이러한 전력 성능에는 주변 온도, 최대 허용 온도, 방향, 고도, 예상 수명이 복합적으로 작용하며 영향을 미칠 수 있다.

이와 마찬가지로, 전원 장치의 부피도 컨버터의 용도와 구조에 따라 여러 방식으로 정의할 수 있다. 부피에 크게 영향을 미칠 수 있는 변수를 꼽자면, 전원 공급장치의 보고된 전력 밀도, 전자파 장해 필터, 팬, 하우징 요구조건, 입력/출력 에너지 저장 커패시터의 포함 변수 또는 제외 변수가 될 수 있다. 따라서 참고 문헌에 명시되어 있는 전력 밀도 데이터를 비교할 때는 이러한 변수에 대해서도 고려해야 한다. 더 자세한 내용은 기술백서 “전력 밀도의 장단점과 기술 이해”에서 확인할 수 있다.

전력 밀도의 역사

먼저 간단한 역사적 개요를 통해 전력 밀도에 대한 관심이 어디로부터 비롯되었고 이와 관련된 오늘날의 트렌드가 어떻게 시작되었는지를 살펴보자.

효율성은 스위치 모드 전력 변환 초창기부터 전력 기술 혁신의 원동력이었다. 스위치 모드 전력 컨버터가 등장하면서 입/출력 전압비와 몇 안 되는 가용 토폴로지에 주로 의존하던 선형 전원 장치의 결정적 효율성이 깨질 수 있었다.

1990년대 초부터 개인 컴퓨팅과 전자기기, 이동통신, 반도체 기술 발전에 힘입어 효율성을 개선하자는 요구에 가속도가 붙었다. 그림 2에서 설명한 바와 같이 전력 솔루션의 효율성 증가는 전력 밀도의 지속적인 발전도 촉진시켰다.


그림 2: 효율성과 전력 밀도는 전력 공급 분야에서 밀접한 관계에 있다

여러 번 파동을 일으킨 에너지 위기와 그에 따른 규제 요건의 등장으로 효율성은 전력 시스템, 특히 에너지 절약과 총 소유 비용 측면에서 훨씬 더 중요한 속성이 되었다.

지난 10년 동안 고전력 밀도는 전력 시스템 공학의 최 정점으로 인정받고 있다.

고전력 밀도를 달성하는 방법

전력 밀도 중심에 대한 이해도를 높이기 위해 고전력 밀도를 달성하는 데 무엇이 필요한지 살펴보자. 효율성, 크기, 전력 밀도 간의 특별한 관계는 이 분야에 대해 전문적 배경 지식이 없는 사람이 보기에도 아주 명확하다.

효율성은 기기의 발열량을 줄이는 데 반드시 필요하기 때문에 고전력 밀도의 핵심이라 불린다. 더 향상된 효율성의 이점을 얻으려면 솔루션의 부피, 즉 크기를 줄여야 한다. 높은 효율성과 크기 축소 두 가지를 동시에 달성하려면 높은 동작 주파수에서 효율적으로 작동하는 솔루션이 필요하다. 특히 이러한 솔루션은 하기 사항들을 포함한다.

  • 스위칭 손실 감소 낮은 전도와 낮은 스위칭 손실을 제공할 수 있는 스위칭 요소
  • 토폴로지, 제어 및 회로 설계 높은 스위칭 주파수에서 작동하려면 올바른 토폴로지가 필요하다. 대부분의 컨버터 토폴로지가 적용된 제어 기법을 기반으로 기존의 사각파 펄스 폭 변조, 무전압 또는 영전류 천이형, 완전 공명 모드 등 다양한 모드에서 작동할 수 있다는 점을 고려하면 제어 방법과 혁신적인 회로 구현 역시 중요하다.
  • 통합 더 높은 동작 주파수가 수동 부품에 미치는 스케일링 효과는 전력 컨버터의 크기를 줄여줄 수 있다. 하지만 전력 밀도라는 퍼즐의 또 하나 매우 중요한 조각,  '통합'이 실리콘 기술 자체에서 전력 요소와 제어 요소의 모놀리식 결합을 통해 실현되고 있다. 반도체 디바이스 분야에서는 설계자들이 멀티칩 모듈 기술을 이용해 여러 반도체 다이를 통합하고 있으며 대부분의 경우 수동 디바이스, 커패시터, 자성 부품도 통합하고 있다. 컨버터와 인클로저의 기계 및 인쇄 회로 기판 설계는 의심할 여지없이 고전력 밀도를 달성하는 데 중요한 요소이다.
  • 향상된 열 성능 TI의 강화된 패키징 기술과 첨단 리드프레임 기술은 외부 냉각면과 실제 실리콘 온도 간의 온도 기울기를 최소화하는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 기술은 그에 동반되는 모델링 및 최적화 역량과 더불어 고전력 밀도 설계는 물론 TI의 반도체 디바이스가 장기적, 안정적으로 작동할 수 있도록 향상된 열 성능을 제공한다.

이상 네 가지 기본 기술이 함께 적용하는 것은 고전력 밀도 설계의 성공적인 실현을 위한 초석이 된다. 따라서 설계자가 가장 적절한 반도체 기술을 얼마나 잘 적용했는지, 설계자가 올바른 토폴로지와 제어 방법, 기계 설계, 열 관리, 통합적인 전략을 선정했는지 각 항목의 평가를 통해 달성한 전력 밀도를 확인할 수 있다.

결론

전력 밀도가 전력 공학의 기술적 가치를 평가하기 위한 단순한 보편적 지수로서의 역할을 수행하는 것을 넘어 전력 밀도가 중요한 이유를 제대로 이해하고 싶다면 한 걸음 물러나 업계와 사회 전체가 고전력 밀도 달성을 통해 어떤 혜택을 얻고 있는지 살펴보아야 한다.

예를 들어 물리적 치수가 작아지면 보통 원재료 사용량이 줄어들며 이는 곧 재료 비용 절감으로 이어질 수 있다. 이와 같이, 크기 축소와 재료 절감은 경량화로 이어진다. 경량화는 운송 부문의 전력 시스템에서 연료 절감이나 장거리 운송을 실현할 수 있는 아주 중요한 특성이다. 그리고 마지막으로, 전력 밀도가 높아지면 소형화의 가능성도 커진다. 이러한 측면을 최대한 밀어붙이면 전력 변환 업계에서 이전에는 상상도 못한 새로운 시장을 창출할 수 있다.

이러한 예시가 보여주듯이 전력 밀도는 시스템 수준의 제조업체, 사용자 또는 운영업체에 총 소유비용 절감 등의 뚜렷한 경제적 이점을 가져온다는 점에서 중요하다.

이 글의 정보는 물론 이와 관련된 당사의 5부로 구성된 교육 동영상 시리즈를 통해 5V 미만의 전력 레일 전압부터 첨단 실리콘 기술과 고전압 질화 갈륨(GaN) 전력 디바이스를 이용해서 600V 이상에 이르기까지 업계 최고의 전력 밀도를 달성할 수 있는 TI의 기술을 비롯해 TI에 대해 더 많은 것을 배울 수 있기를 희망한다.

 

라즐로 발로(Laszlo balogh), TI DMTS 선임 기술자

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