습기와 결로가 전력전자 시스템에 미치는 영향

  • 2017년 11월호
  • 글 | Paul Drexhage, 애플리케이션 매니저, SEMIKRON


고 신뢰성 전력전자 시스템을 구현하기 위해 습기와 결로의 영향을 없앨 수 있는 설계 힌트를 제공한다.

물이 일반적인 상태(액체)에서는 전기전도성 및 부식성이 있기 때문에 전기 회로에 문제를 일으킨다는 사실은 잘 알려져 있으나, 물이 기체 상태(수증기)에 있을 때 전자 기기에 미치는 영향은 일반적으로 잘 알려져 있지 않다. 수증기는 주변 공기로 산란되어 주어진 부피 내에 있는 대기 온도와 압력에 따라 변한다. 공기 중에 수증기가 존재하는 것을 습기(습도)라 부르며 여러 다른 방식으로 정의된다.

절대 습도: 어떠한 부피 내의 공기에 존재하는 수증기의 질량으로서, 일반적으로 입방미터 당 그램[g/m³]으로 나타낸다. 이는 부피에 따라 변한다.



상대 습도: 포화 수증기 압력에서의 수증기 밀도(단위 부피 당 질량)에 대한 실제 압력에서의 수증기 밀도의 비율로서, 일반적으로 백분율로 표시된다[%]. 이는 (그림 1)과 같이 공기의 압력과 온도에 따라 변한다.

공기(건구) 온도: 일반적인 온도계를 사용해 측정된 공기 혼합물의 온도로서(기온), 습도계에서 사용되는 습구 온도와 구별된다.
이 글을 포함해 대부분의 목적에서는, 상대 습도(RH)만이 공기 중에 포함된 습기 함량을 정의하기 위해 사용된다.

결로

수증기가 기체에서 액체로 변할 때, 이로 인해 표면상에 결로가 발생한다(또는 낮은 온도에서는 서리). 결로가 발생하는 온도를 이슬점이라 하며 상대 습도에 따라 변한다.

 

(그림 2)는 상대 습도, 기온, 이슬점 사이의 관계를 마그누스(Magnus) 방정식 근사를 기반으로 하여 보여준다. 주어진 압력과 습도에 대해, 어떠한 부피 내에 있는 공기(또는 물체)의 온도가 이슬점 아래로 떨어지는 경우, 해당 영역에서 결로가 발생하게 된다.

예를 들어, 기온이 20℃이고 측정된 상대 습도가 60%인 방을 생각해보자. 액체가 담긴 차가운 병(예를 들어, 5℃)을 냉장고에서 꺼내어 이 방안으로 가져오면 병의 옆면에 물방울이 맺힐 것이다. 이 차가운 병이 바로 인접한 부근에 있는 공기를 차트 상의 이슬점(12 ℃) 아래로 냉각시킨 것이다. 사실상 어떠한 일부의 공기도 이 환경에서 12℃ 아래로 떨어지면 함유하고 있는 습기가 액체로 응결(응축)한다.

표준

대부분의 세미크론(SEMIKRON) 제품에 대해 허용 가능한 습도는 IEC 60721-3-3의 기후 클래스(climatic class) 3K3으로 주어져 있다. 온도 및 압력 범위와 더불어, 이 클래스는 결로가 형성되지 않는 5%에서 85%까지의 허용 가능한 상대 습도를 제공한다. 또한, 절대 습도는 25 g/m³ 이내로 제한된다. 이러한 환경적 클래스를 유지하기 위해서는 결로 발생이 허용되지 않도록 온도 조절이 필수이다.

IEC 표준은 “클리마토그램(climatogram)”(기상학에서 사용되는 영어 단어와는 다름)을 사용해 허용 가능한 온도 및 습도 범위를 정의한다. IEC 클리마토그램은 습공기 선도와 유사하게 기온, 절대 습도 및 상대 습도 사이의 관계를 보여주며 결로가 생성되는 점을 계산하기 위해서도 사용될 수 있다. 허용 가능한 기후 클래스는 클리마토그램 상에 굵은 외곽선으로 표시된다(그림 3).

 

3K3 범위는 5℃에서 40℃까지의 허용 온도범위만을 정의하는 반면, 대부분의 세미크론 제품은 이보다 큰 허용 온도범위를 가지고 있다. 그 결과 그림 3에서 청색으로 표시된 것과 같이 확장된 동작 영역을 제공한다. 따라서, 세미크론 데이터시트에서 기후 클래스는 “수정된 3K3” 또는 “확장된 온도 범위를 가지는 3K3”으로 기술될 수 있다. 정확한 기후 클래스에 대해서는 각각의 제품 데이트시트 또는 제품군의 기술설명서를 참조하기 바란다.

이러한 기후 클래스에서는 높은 상대 습도가 높은 온도에서는 발생할 수 없도록 구성되었다는 것을 이해하는 것이 중요하다. 반도체 칩은 고온/고습 환경에서도 동작이 보증되지만, 이러한 환경은 이들 기기들에 큰 스트레스를 준다. 다행히 절대 습도가 고정된 폐쇄된 환경에서는 기온이 증가함에 따라 상대 습도가 낮아지게 된다.

측정

상대 습도는 습도계(hygrometer)를 사용해 직접적으로 측정할 수 있다. 오늘날 전자식 산업용 습도계는 정전식 또는 저항식 센서로 구성돼 있다. 이들 센서는 ±2%의 상대 습도(RH)에 이르는 정확도로 측정될 수 있으나, 보정되지 않거나 값싼 상용품의 경우에는 ±10%를 초과할 수 있다. 따라서 결과를 해석할 때 주의해야 한다. 휴대용 데이터 기록용 습도계는 일반적으로 온도 센서와 결합돼 있으며 “온도/습도 데이터 기록기” 또는 “열-습도계”로 시중에 판매된다.

산업용 캐비닛의 내부 습도는 보통 외부 날씨의 영향을 받기 때문에, 날씨와 운전 조건이 어떠한 역할을 하는지 이해하기 위해서는 수 일 또는 수 주에 걸쳐 내부와 외부의 상대 습도를 모두 측정하는 것이 권고된다.

전력전자 기기에 대한 영향

습도

대부분의 산업용 반도체 모듈은 내부에 칩이 있는 플라스틱 하우징으로 구성된다. 칩은 도체들 사이의 전기적 절연을 제공하는 경화된 실리콘 기반 젤(“연성 금형”, “실리콘 젤(sil-gel)”)로 감싸져 있다. 그러나, 이러한 모듈은 완전히 밀폐된 것이 아니기 때문에(기체가 통과하지 않는 밀폐가 아님) 대기의 기체가 단자의 구멍을 통해 모듈로 침투할 수 있다.

이러한 실리콘 젤은 또한 확산된 공기를 포함한다. 따라서 물 분자는 비록 낮은 비율이기는 하지만 공기와 섞이는 것과 같은 방식으로 실리콘 젤을 통해 침수할 수 있다. 이들이 일단 실리콘 젤 내부로 들어가면, 물 분자는 다음과 같은 영향을 미치게 된다.

차단 전압의 감소: 방열판의 온도가 감소하면 실리콘 내에 퍼져 있는 공기의 습기가 감소하게 된다. 따라서 물 분자가 방열판과 열적으로 결합해 기판, 단자, 칩 표면과 같은 보다 차가운 표면상에 축적된다. 더욱이 물 분자가 이들의 쌍극자 특성으로 인해 대전된 칩 표면으로 이끌리게 되어 전기장 내에서 정렬된다. 이로 인해 칩 모서리 부분에서 전기장이 붕괴돼 차단 전압이 감소하는 결과가 초래된다.

반도체 부식: 반도체 칩 패시베이션(passivation)에서의 부식에 대한 영향은 잘 알려져 있다. 습도가 있는 상태에서 전압이 인가되면 칩의 모서리 패시베이션은 부식이 발생하며, 이는 반도체가 소손될 때까지 지속된다. 반도체 부식은 장기간 에이징 영향으로서 전력 모듈의 신뢰성 시험을 통해 검사된다. 이 시험은 “고온 고습 역바이어스(Reverse Bias) (H³TRB)” 시험으로 알려져 있다.

불행히도, 이러한 영향으로 인해 야기되는 고장은 보통 심각한 결과를 초래하며 파괴된 모듈만을 조사해서는 습도를 근본적인 원인이라고 결론짓기는 매우 어렵다.

실리콘 젤이 액체 상태의 물에는 매우 다르게 반응하는 것을 알아야 한다. 실리콘 젤 제작 업체의 실험에 따르면, 물에 잠긴 젤은 아주 적은 양(< 0.5%)의 물을 흡수한다.


결로

수증기가 액체로 응축되고 나면 전자 기기에 미치는 영향이 더 뚜렷해진다. 방열판 위에 형성된 물방울이 전력 모듈의 하우징 내부로 스며들 수 있다(그림 4).

 

적층된 DC 링크 버스플레이트와 같이 전기가 흐르는 도체의 경우, 액체로 인해 절연전압 내력이 저하될 수 있다. 과거의 결로 증거는 특히 더러운 표면에서의 물 자국으로 알 수 있다(그림 5). 하지만, 물이 완전히 증발해 버린 경우에는 결로가 있었는지를 아는 것이 불가능한 경우가 종종 있다.

원인

습도는 자연적으로 발생하는 현상이며 거시적 수준에서는 위치와 날씨에 따라 변한다. 미시적 환경(예를들어, 전기 캐비닛)에서는 내부 상대 습도가 온도와 압력의 함수가 될 것이며, 이들 모두는 전기 캐비닛 설계에 따라 영향을 받을 수 있다.

기후

지구상의 특정 지역이 다른 지역에 비해 높은 습도 조건을 가지기 쉽다는 사실은 일반적으로 잘 알려져 있다(예를 들어, 사막 대 열대 지방). 하지만, 상대적으로 온화한 기후에서도 고도, 수역과의 인접성 및 계절적 영향으로 높은 습도가 발생할 수 있다. 가장 중요한 것은 전기 캐비닛 내부의 미시적 기후와 캐비닛 외부의 기후이다.

상대적인 공기 압력의 변화

다시 그림 1을 살펴보면, 밀폐된 시스템 내의 압력 증가가 상대 습도를 상승시키는 것을 알 수 있다. 외부 공기 흐름에 대해 밀폐된 전기 캐비닛에서는, (자연적으로 발생하는) 대기의 압력(거시 환경 내)의 영향으로 캐비닛 내에 높은 상대 습도가 발생할 수 있다. 이는 다음 사항과 관련된 문제이다.

▲ 캐비닛 내의 수증기가 최소화되었는지 또는 함유되었는지의 여부
▲ 캐비닛 내의 구성품이 이슬점 미만의 온도로 떨어져 결로를 유발하는 지의 여부

밀폐된 캐비닛에서 이러한 공기 압력의 차이는 환기구를 사용해 감소시킬 수 있다.

상대적인 공기 온도의 변화


(1) 동작점
한 유닛 내 온도 편차의 원인 중 하나는 시스템 동작이다. 시스템의 전기적 동작이 구성품 및 내부 캐비닛의 공기 온도를 상승시킨다. 동작의 급격한 변화는 캐비닛 내부의 공기 온도보다 방열판을 더 빨리 냉각시킬 수 있다(그림 6). 이로 인해 방열판의 온도가 이슬점 아래로 떨어지는 조건이 발생할 수 있다. 따라서 정격출력 동작에서 다음과 같은 다른 모드로 전환될 때의 변화에 대해 아는 것이 중요하다.

▲ 경부하
▲ 대기 모드
▲ 예상치 못한 (고장으로 인한) 동작 중단

이러한 위험은 낮밤이 바뀌는 중에 기온이 떨어지는 경우에도 존재할 수 있다는 사실에 유의해야한다. 저녁에 공냉식 방열판 입구의 (바깥 대기로부터 공급되는) 기온이 떨어지면 방열판이 이슬점 아래로 냉각될 수 있다.

▲ 유닛의 부동작/대기 상태: 캐비닛 내의 공기 온도와 같거나 이보다 높은 온도의 유닛에 냉각재(coolant)가 적용된다.
▲ 유닛의 작동: 캐비닛 내의 기온보다 빠른 속도로 방열판에 열이 상승하나, 기온 또한 결국 같은 온도로 상승한다(모듈, 방열판, 축전기, 인덕터 등으로 인해)
▲ 유닛의 정지/경부하: 냉각재의 빠른 흐름으로 인해(방열판에 국부적으로 적용), 방열판의 온도가 기온보다 빠르게 내려간다. 방열판에 결로의 위험이 있게 된다.

(2) 캐비닛 내 온도 차이(“찬 부분”)

시스템 동작의 결과 또는 단순히 캐비닛의 설계로 인해, 캐비닛 내 특정 영역 상에서 결로가 발생할 수 있다. 경험에 따르면, 다음과 같은 영역들이 가장 높은 위험을 가지고 있는 것으로 나타났다.

▲ 신선한 공기가 유입되는 입구
▲ 냉각재 유입 매니폴드(manifolds) 및 배관
▲ 캐비닛 외부 (금속)벽
▲ 방열판 및 방열판에 열적으로 연결돼 있는 모든 부품
▲ 공기흐름이 캐비닛의 다른 부분에 비해 상대적으로 느린 영역
▲ 긴 열적 시정수를 가지는 대형의 (조밀한) 금속 부품

캐비닛 천장과 벽의 결로가 전력 모듈, 전자부품 또는 버스바(busbar)로 떨어져서 회로의 합선을 유발할 수 있다.

수송/보관

이전에 언급한 습도의 원인이 최종 위치에 제품이 설치되기 이전에 발생할 수 있다. 먼 거리로부터 배송되거나 오랜 기간에 걸쳐 보관된 전력전자 기기는 포장 내에 습기가 축적돼 있을 수 있으며, 전압이 가해질 때 이는 잠재적으로 심각한 고장을 일으킬 수 있다. 이러한 이유로 선적용 포장은 환기구 또는 건조제를 포함할 수 있다. 또한, 전력을 가하기 이전에 시스템 내에 존재하는 수증기를 제거하기 위해 건조 절차가 채택될 수 있다.

완화 기술

외부의 거시적 환경(및 이와 관련된 오염, 온도, 습도 수준)이 전기 캐비닛이 밀폐되는지 개방되는지를 결정하는 데 있어 주요 인자가 된다.

이러한 논의를 위한 목적으로 밀폐된 캐비닛은 IEC의 IP(Ingress Protection) 등급 65 이상의 등급을 가지는 것으로 정의된다. 이는 캐비닛이 먼지 및 모든 방향으로부터의 낮은 압력으로 분사되는 물에 보호된다는 것을 의미한다. 하지만, 이는 또한 캐비닛의 내부와 외부 환경 사이의 공기 흐름이 제한되며, 따라서 온도와 압력에서의 차이가 발생할 수 있다는 것을 의미하기도 한다. 반대로 개방된 캐비닛은 외부 공기가 캐비닛 내부로 자유롭게 흐를 수 있는 것으로 정의된다. 온도, 습도 및 압력이 평형을 이룰 수 있다.


캐비닛 히터

앞서 설명한 바와 같이, 고정된 절대 습도에 대해 공기(건구) 온도를 올리면 상대 습도가 감소한다. 산업용 캐비닛 히터를 이럴 때 사용할 수 있다. 저항식 가열 부품, 온도 조절 장치, 때로는 공기 순환을 위한 팬으로 구성된 이들 히터 유닛은 다음과 같은 작용을 한다.

▲ 초기 시운전 이후에 캐비닛을 건조시킨다.
▲ 단방향 투과막을 사용한 경우 폐쇄된 시스템의 습도를 배출시킨다.
▲ 캐비닛 내부의 벽/천장에 결로가 발생하는 것을 방지한다.
▲ 외부 주변 온도가 올라갈 때 내부 금속 부분에 결로가 발생하는 것을 방지한다.
▲ 전기 캐비닛을 동작 전에 예열하고(최소 동작 온도가 충족되지 않는 경우) 낮은 주변 온도에서 동작하는 전자부품을 보호한다.
▲ 대기 모드에서 동작 중인 부품을 주변 온도보다 높게 유지한다.

온도 설정을 통해 히터를 간단하게 끄고 켜는 동작이 가능한 반면(예를 들어, 온도조절 장치에 의해), 또한 습도조절기에 의해 히터가 조절되어 캐비닛 내 공기 온도가 이슬점 아래로 떨어지지 않도록 할 수 있다. 히터는 캐비닛 바닥에 위치하도록 해야 하며 낮은 외부 주변 온도에서 내부 공기를 정의된 수준으로 가열하기에 충분한 전력이어야 한다.


수냉식 시스템의 냉각수 온도 조절

냉각수 온도는 방열판 표면 온도가 이슬점 아래로 떨어지지 않을 정도로 충분히 따뜻해야한다. 이상적으로 냉각수 온도는 캐비닛 내부의 공기 온도보다 높아야 한다. 두 종류의 냉각수 온도 제어 방법이 제안된다(그림 8).

▲ 3방향 온도 조절 밸브의 사용
낮은 온도(통상적인 설정값은 25℃와 30℃ 사이다)에서 냉각수는 열교환기를 통하지 않고 바이패스 루프를 통해 흐르게 될 것이다. 설정값에 도달하게 되면 밸브가 개방되기 시작해 온도를 일정하게 유지하려한다. 높은 출력에서는 냉각수가 모두 열교환기를 통해 흐르게 된다.

▲ 냉각수 히터의 사용
다음을 위해 냉각수를 가열하는 것이 필요하다:
a. 시운전 이후 및 오랜 기간의 유휴 운전 이후 재시작 시에 캐비닛을 건조시킨다.
b. 캐비닛 내부의 공기 온도가 방열판의 온도보다 높을 때는 방열판 위의 결로를 방지하도록 한다.

효율적인 열교환기의 사용 또는 정격출력 하에서의 운전 시 입구 온도가 주위 온도보다 보통 몇 도 정도 높게 유지된다. 경부하 고습 환경에서 캐비닛 내부의 온도가 높을 때는 결로를 방지하기 위해 냉각수 온도를 더 높일 필요가 있을 수 있다.

공냉식 시스템의 팬 제어

강제 공냉 시스템의 경우, 방열판 온도는 유입되는 공기의 속도를 변화시킴으로써 조절한다. 방열판 온도가 모니터링되며 최소 온도 이하의 공기가 방열판의 핀으로 지나지 않도록 팬 속도가 조절된다. 이러한 방법을 구현하기 위해 모듈에 가까운 방열판의 온도가(또는 보다 바람직하게는, 전력 모듈 내에 있는 센서) 모니터링되고 설정값이 선택된다.

이러한 설정값 미만에서는 팬이 완전히 꺼지게 된다. 설정값에 도달한 이후에 팬이 작동하기 시작해 온도가 증가함에 따라 속도가 높아지게 된다. 중부하에서는 팬이 정격 속도로 작동한다. 이러한 조절 방법은 비용이 많이 들지만 반도체 및 팬에 대한 스트레스가 낮아지는 장점이 있다. 또한, 경부하 시에는 팬이 소비하는 전력을 줄임으로써 전반적인 시스템 효율이 증가할 수 있다.

일부 사용자들은 방열판 위에 바이메탈 스위치를 사용해 단순한 온/오프 팬 제어(“bang-bang” 또는 hysteretic)를 구현하기도 한다. 이는 특히 모터 기동용 커패시터가 달린 AC 팬의 경우 스위칭에 의해 팬이 빠르게 노후화되는 단점이 있다. 보다 중요한 것은 정밀한 제어 루프가 형성되지 않음으로써 “완전히 켜진” 상태와 “완전히 꺼진” 상태 사이의 스위칭이 빠르게 일어나 결과적으로 큰 온도 차이가 생기게 되며, 이로 인해 반도체 모듈이 더 빠르게 노후화된다. 예를 들어, 10℃ 정도의 추가적인 접합 온도 변동은 모듈의 파워 사이클링 능력을 4~5배 정도 감소시킨다. 따라서 이러한 제어 방법은 권장하지 않는다.


기동 이전의 예열 과정

상대 습도가 85%인 환경에서 전력용 모듈을 사용한 실험에 따르면, 실내 온도보다 5℃ 이상 높은 냉각재를 사용하면 모듈 내의 상대 습도가 감소한다. (그림 9)는 따뜻한 냉각재(40℃)가 적용된 고습 환경 내 주위 온도에 따른 모듈 내 실리콘 젤 아래의 습도 측정 테스트 결과를 설명하고 있다.

상대 습도의 정상상태 값이 24시간 이내에 도달하며, 그 특성이 거의 역 지수 곡선을 따름을 알 수 있다. 상기 테스트의 경과와 실리콘 젤의 특성을 기반으로 다음 사항이 권장된다.

▲ 전력전자 모듈이 초기 동작(시운전) 이전의 수송 또는 보관 중에 높은 습도에 노출될 위험이 있는 시스템에 대해서는, 높은 전압(? 50VDC)이 가해지기 이전에 최소 온도가 25℃이고 주위 온도보다 적어도 5℃ 높은 냉각재가 24시간 적용되어야 한다.
▲ 시운전이 되고 8시간 넘게 작동하지 않은 시스템(실외 또는 높은 습도의 환경에 설치된 시스템)에 대해서는 높은 전압(>50VDC)이 가해지기 이전에 주위 온도보다 적어도 5℃ 높은 냉각재가 1시간 적용돼야 한다.

제습기

습도를 감소시키는 가장 직접적인 방법은 제습기를 사용해 공기로부터 습기를 제거하는 것이다. 제습기는 냉각된 코일 위에 습기를 품은 공기가 강제로 인가된다. 공기 내의 습기가 코일 위에 응축돼 시스템 밖으로 배수되거나 펌프 작용에 의해 배출된다. 사용 가능한 산업용 캐비닛 제습기는 다음과 같은 방식으로 상용의 대응 제품과는 차이가 있다.

▲ 사전 정의된 부피를 건조시키기 위한 콤팩트한 크기
▲ 습기를 캐비닛 외부로 직접 배출시키기 위한 응축수 배수 호스 또는 펌프
▲ 제어 또는 캐비닛 온도/습도 제어기와의 인터페이스를 위한 내부 온도 조절기/습도 조절기
▲ 제어 전력(예를 들어, 24VDC)을 이용한 저전압 운전
▲ 유지보수 없이 보다 높은 순환 비율로 연속 동작하기 위한 견고한 구성
▲ 장착용 장치 제공(예를 들어, DIN 레일, 브래킷).

제습기는 일반적으로 캐비닛의 바닥 및 측면에 위치하며 응축 호스가 벽 또는 바닥을 통해 외부배출을 위해 설치돼 있다. 내부 캐비닛 팬이나 내부 제습기 팬을 설치해 공기가 제습기를 통해 확실히 순환하도록 고려해야 한다.

제습기는 시스템에 대한 값비싼 추가 장치로 여겨지지만, 이에 대한 비용은 높은 습도 환경의 고출력(500 kW+) 시스템에 대한 전체 투자와 비교하면 적은 부분에 불과하며 습도로 인해 발생하는 고장(폭발) 비용은 훨씬 높다.


환기구

압력의 평형을 맞출 필요가 있는 작은 밀폐된 캐비닛에서는 특별하게 제작된 스냅인(snap-in) 또는 스크류인(screw-in) 환기구를 사용할 수 있다. 이러한 환기구는 물방울이나 다른 오염물을 막아주면서도 공기가 통과하는 것을 허용하는 반투과의 소수성(hydrophobic) 멤버레인을 포함한다(그림 10). 이러한 환기구는 수증기가 통과할 수 있도록 하여 절대 습도를 낮출 필요가 없다는 사실을 이해하는 것이 중요하다. 하지만, 결과적으로 이러한 환기구는 압력 불일치가 발생하지 않도록 하여 캐비닛 내의 상대 습도를 높이지 않는다.

건조제

건조제(desiccant)는 공기로부터 습기를 흡수해 저장하는 흡습성 물질이다. 이것은 보통 투과성 멤버레인으로 포장된 실리카 겔(또는 점토와 같은 다른 천연물질)로 구성되며, 이 멤버레인을 통해 습한 공기가 통과할 수 있다. 이들은 수증기를 가두어 두기 때문에, 용량은 제한되며 결국은 포화된다.

따라서 건조제는 보통 잔류 수증기를 가둬두기 위해 밀폐된 용기의 수송 중에만 사용된다. 개방된 시스템에서는 이들은 빠르게 포화돼 효과를 상실한다. 대부분의 실리카 겔 건조제는 자신이 포함하는 습기의 양을 시각적으로 나타낼 수 있는 기능을 가지고 있다(예를 들어, 건조된 경우에는 청색, 습기를 흡수하고 있을 때는 주홍색). 건조제는 가열해 흡수된 습기를 배출시킨 후 재사용할 수 있다.

사례
이상적으로 밀폐된 캐비닛
                                                                                                                                       1. 공기에서 물(또는 공기)로의 열교환기: 내부 공기와 외부 공기를 교환하지 않고 내부 공기를 냉각시킨다. 또한 캐비닛 내의 순환을 제공해 고온 또는 저온의 국지적인 지점이 생기는 것을 방지한다.
2. 히터: 상대 습도를 낮게 유지하고 최소의 동작 온도를 유지시킨다.
3. 환기구: 내부의 공기 압력이 외부의 대기 압력 이상으로 높아지는 것을 방지한다.
4. 온도 제어: 내부의 습도, 공기/방열판 온도를 모니터하고 필요한 경우 히터/팬을 조절하기 위한 제어 시스템(예를 들어, PLC 또는 시스템 컨트롤러의 일부)
5. 제습기: 캐비닛 내부의 공기 내에 있는 습기를 응축시켜 외부로 배출시킨다.

이상적인 개방 캐비닛
1. 공기 입구 및 출구: 크로스 플로(cross flow)를 제공하기 위해 위치하며, 입구 또는 출구에 팬(필터 장착)을 장착할 수 있다.
2. 순환 팬: 공기의 움직임을 제공해 고온 또는 저온의 국지적인 지점이 생기는 것을 최소화한다.
3. 히터: 상대 습도를 낮게 유지하고 최소의 동작 온도를 유지시킨다. 일부 구성품(예를 들어, 방열판)들이 많은 열용량을 가지고 있어 평형에 이르기까지 보다 많은 시간이 소요되므로 모든 구성품들은 외부의 차가운 공기가 들어오기 이전에 최소 온도로 가열될 수 있도록 주의해야 한다.
4. 온도 제어: 내부의 습도, 공기/방열판 온도를 모니터하고 필요한 경우 히터/팬을 조절하기 위한 제어 시스템(예를 들어, PLC 또는 시스템 컨트롤러의 일부)
5. 중요 영역(!): 외각 캐비닛 벽, 공기 입구 및 방열판과 같은 영역들은 특히 캐비닛 내의 공기가 외부 공기보다 훨씬 따뜻한 때에는 결로의 위험이 높아질 수 있다. 심각한 경우에는 응축수가 전기가 흐르는 부품 위로 떨어지는 것을 방지하기 위해 물방울 낙하 방지 장치를 제공하는 것이 필요할 수도 있다. 수냉 시스템의 경우에 (차가운) 입구가 이미 (따뜻한) 출구보다 낮게 되어서 방열판 내부에 공기가 존재하는 것을 막을 수 있다. 이로 인해 생기는 추가적인 이점은 결로되기 쉬운 입구가 전력 모듈 위로 직접 물방울을 떨어뜨리지 않는다는 것이다.

 

권장되는 두 가지 공냉 캐비닛 설계 모두에 있어서 방열판에 대한 공기 채널이 캐비닛의 나머지 부분으로부터 분리된다는 것에 유의해야 한다(그림 11b 및 그림 12b). 그림 13에 도시된 구성이 사용되는 경우가 매우 많으며, 이는 모든 공냉 조립체가 캐비닛 내부에 있게 되고 모든 구성품들이 방열판을 냉각하기 위해 사용되는 것과 동일한 공기에 노출된다. 이는 다음과 같은 단점이 있다.

 

▲ 큰 부피의 공기는 입자성 오염물(흙먼지, 먼지)을 들여오게 되어 이들이 회로기판과 전기 연결부에 쌓이게 됨으로써 절연 전압 확보를 위한 공간거리 및 연면거리가 줄어들게 된다. 환기구 입구에 필터를 추가함으로써 도움이 될 수 있으나, 이는 공기의 유효 흐름 속도를 감소시켜 쉽게 더러워질 수 있다(또한 종종 서비스되지 않는 경우가 생기거나 유지보수 요원에 의해 완전히 제거될 수 있다).
▲ 방열판과 환기구 입구/출구 상에 발생할 수 있는 결로는 방열판과 동일한 구획에 있는 수분에 민감한 구성품(회로판, 도체)과 직접적으로 반응할 위험이 있다.
▲ 그림 12b와 비교하면, 공기의 양이 많을수록 캐비닛 내부 습기도 비례하여 커지므로, 입구/출구에서 결로가 발생할 위험이 커진다. 또한, 더 큰 속도의 공기 흐름은 더 큰 온도 차를 만들어, 어떤 부분은 이슬점 아래로 내려갈 수 있다.
▲ 히터와 같은 온도 조절 장치는 높은 공기 흐름 속도로 인해 공기의 부피가 훨씬 더 동적으로 변하기 때문에 효율성이 떨어진다.


IEC 클리마토그램의 해석

IEC 클리마토그램은 결로가 언제 발생하는지를 계산하기 위한 대안을 제공한다. 온도와 상대 습도가 알려져 있다면, 절대 습도 값이 고정될 수 있으며 100%의 상대 습도가 발생하는 온도(이슬점)을 알아낼 수 있다.

 

(그림 14)를 참조하면, 폐쇄된 시스템에서 대기 온도가 50℃이고 상대 습도가 23%라면, 이 두 점의 교차부가 20 g/m³ 절대 습도 선(굵은 청색선)에 이르게 된다. 온도가 내려감에 따라, 이 절대 습도의 선이 그래프에서 상대 습도가 100%(결로 발생)인 상단까지 따라 올라가게 된다. 이 점에 해당하는 x축 상의 온도가 이슬점(22℃)이 된다.


※ 이 글은 세미크론에서 발행하는 뉴스레터 “SEMINEWS(2016 Winter Vol. 40)”에 게재된 것을 전재한 것임을 밝힙니다.

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