더 정교한 전기차, 개인 전자기기, 의료 기기 등을 위한 길, 절연의 혁신
모든 고전압 기술의 내막을 들여다보면 무대 뒤에서 주목받지 못한 절연의 혁신이 있다.
전기차(EV)부터 개인 전자기기와 자동화된 공장 장비에 이르기까지 모든 곳에 내장된 중요한 기반 기술이라 할 수 있는 절연은 거의 주목을 받지 못한다. 여기에는 의도적인 부분이 있다.
TI의 자동차 전력 설계팀을 이끄는 프라딥 셰노이 (Pradeep Shenoy) 매니저는 “우리는 사람들이 절연에 대한 소식을 듣는 것을 원치 않는다”면서 “절연이 뉴스에 나온다면 뭔가 문제가 있었음을 의미한다”고 설명했다.
회로의 절연 상태를 유지하는 것은 교류(AC) 및 직류(DC) 전원 둘 다 있는 장비에 중요한 설계 요소이다. 이는 특히 고전압에 의존하는 회로에 해당한다. 절연을 올바로 구현하지 못하면 전자기 간섭, 전기적 손상, 단락, 화재 또는 감전 사고가 발생할 수 있다.
“절연은 시스템의 다른 부분에 영향을 미쳐 전자기 간섭, 효율, 크기에도 영향을 주기 때문에 절연을 어떻게 구현하는지가 중요하다”면서 “그리고 이러한 잡음 방해 요인은 데이터 전송을 중단시키거나 모터를 중단시킬 수 있는데, 이것이 절연을 사용하는 이유를 보여주는 주된 사례이다”라고 설명했다.
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절연 문제 대응의 진화
사람들이 400V 또는 800V 배터리 팩으로 구성된 전기차와 같이 더 폭넓은 고전압 분야와 접함에 따라 절연이 이제는 점점 더 흔한 문제가 되고 있다. 이러한 배터리를 관리하고 차량의 나머지 부분과 통신하는 시스템은 절연 부품이 필요하며, 이 때문에 차량의 크기와 중량, 비용이 증가할 수 있다. 그리고 개인 전자기기가 더 정교해지고 소형화됨에 따라, 스위칭 전류 및 전압의 달갑지 않은 오류라 할 수 있는 전자기 간섭의 발생 위험도 상승하고 있다.
엔지니어들이 설계 시에 부품을 제거하고 솔루션 크기와 비용을 줄이는 데 도움이 되는 TI의 새로운 솔리드 스테이트 릴레이는 차세대 전기차, 그리드 인프라, 산업 로봇 등의 전력 요구 사항을 지원하기에 충분한 용량과 함께 전력 및 신호 전달 기술을 단일 칩에 통합한다. 이러한 칩의 통합은 기존 절연 부품에 필요한 공간의 10분의 1에 불과하다.
TI의 산업 전원 설계 서비스팀을 이끄는 로버트 테일러(Robert Taylor) 매니저는 “통합을 하지 않으면 절연을 처리할 외부 트랜스포머가 필요하며, 이러한 부품으로 인해 설계에 부피와 복잡성을 더할 수 있다”면서 “이렇게 모든 것이 완비되면 신뢰성이 증대된다”고 말했다.
일부 기존의 절연 설계는 극한의 온도 또는 진동과 같은 악조건에서 가동 부품이 고장에 취약한 물리적 릴레이를 사용한다. 전력 및 신호 절연이 통합된 솔리드 스테이트 릴레이는 시간이 흘러도 마모되는 가동 부품이 없으므로 릴레이의 예상 수명의 최대 10배에 달한다.
TI는 자기(magnetic) 절연을 솔리드 스테이트 디바이스에 통합하는 몇 안 되는 제조업체 중 하나이자 자기 절연과 용량성 절연에 지속적으로 투자하는 유일한 회사이도 하다. 용량성 및 자기 절연, 패키지 개발 및 공정 기술에서 TI가 발전을 이루면서 전기차, 그리드 인프라, 공장 자동화 및 모터 드라이브 등의 산업 및 자동차 시스템에서 절연 장벽을 넘어 전력 및 고속 신호를 안전하고 안정적으로 전달할 수 있게 되었다.
제프 모로니(Jeff Morroni) TI의 기업 R&D 그룹인 Kilby Lab의 전력 관리 담당 이사는 “고전압은 전력을 효율적이고 비용 효과적으로 이동하는 데 필수적이며, 절연은 고전압이 있는 곳 어디에서나 안전을 위해 필수적이다,”면서 “예를 들어 전기차의 배터리 관리 시스템 등에서는 고전압이 섀시에 도달하지 않도록 함으로써 감전을 예방해야 한다. 절연이 진화해야 함에 따라 우리도 고전압 시스템을 안전하게 지킬 수 있는 혁신적인 방안을 계속해서 찾고 있다”고 말했다.
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절연의 실제 적용 사례
절연의 중요성에 대한 이해도를 높이기 위해 오늘날의 주요 마켓에서 절연이 어떤 역할을 하는지 살펴보려고 한다.
전기차: 전기차는 추진력을 제공하는 용도로 보통 400V 또는 800V의 고전압 배터리를, 실내 편의 시스템 및 인포테인먼트 용도로 기존의 저전압 배터리를 탑재한다. 절연은 보호 장치 겸 성능 향상의 이중 역할을 한다.
프라딥 셰노이 매니저는 “전기차의 절연은 차의 전원을 끌 때 운전자를 보호하는 데 도움이 되지만 전기차 배터리를 최대한 오래 지속시키는 중요한 역할도 한다”면서 “절연 덕분에 배터리 셀을 감독, 모니터링 및 보호하는 시스템이 서로 다른 전압으로 작동하는 중앙 마이크로컨트롤러와 안전하고 정확하게 다시 통신할 수 있다”고 말했다.
산업 자동화: 절연 기술의 개선은 장비를 손상시키거나 사람에게 해를 끼칠 수 있는 고전압 서지를 차단할 수 있다. 또한 센서, 모터, 로봇 및 기타 장비와 같은 자동화된 장치가 안전하게 작동할 수 있도록 신호 간섭으로부터 보호할 수도 있다. 로버트 매니저는 “절연 기술은 전력, 통신 및 제어 기술을 보호한다. 작업 현장 전역에서 지능형 자동화가 가능하도록 지원하고 효율성, 생산성, 안전성을 개선하는 기능이라 할 수 있다” 며, “하지만 가장 중요한 기능은 안전과 최종 사용자를 보호하는 것."이라고 설명했다.
태양열과 스마트 그리드: 발전과 송전이 있는 곳이면 어디나 절연 기술이 필요하다. 태양 에너지를 그리드용 전기로 변환하는 가정용 태양 전지판도 이에 포함된다. 로버트 매니저는 “태양 전지판의 고전압은 절연한 다음 AC 전류로 변환해야 하며, 이 경우 전압이 그리드를 통과하는 동안 전압을 감압해야 한다”면서 “고전압에서 집 밖에 있는 변압기로 들어가는 중전압으로 감압할 때마다 안전하게 수행하려면 다른 절연층이 필요하다”고 설명했다.
의료 기기: 비용 절감은 언제나 의료 분야의 우선 순위이다. 솔리드 스테이트 절연 디바이스의 크기와 복잡성이 줄어들면 설계자가 안전이나 기술적인 부분을 희생하지 않고도 더 작은 회로를 개발할 수 있다. 최신 솔리드 스테이트 절연의 높아진 신뢰성이 의료 분야의 가동 시간 증가와 고장률 감소에 대한 요구 사항을 뒷받침하고 있다.
제프 모로니 매니저는 “TI는 20년 동안 고전압 시스템용 집적 회로의 절연 기술을 개발해 왔다”면서 “우리는 설계자들이 전원 공급 시스템의 복잡성을 줄이고 안전성을 유지할 수 있도록 절연을 개선할 새로운 방법을 계속해서 모색하고 있다”고 말했다.
