오늘날 전력 품질(Power Quality, PQ) 필터는 전력 변환 분야에 필수 부품이다. PQ 필터는 전통적인 모터 구동 및 재생에너지 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 이런 분야는 전력 수요를 조정하고 다른 에너지원을 변환하여 기존 그리드 라인에서 사용하기 위한 전력 변환이 수시로 필요하다.

글 | 자코 살로마키(Jarkko Salomaki), 제너럴 매니저
jarkko.salomaki@nidecon.com
니데콘 테크놀로지스(Nidecon Technologies)＊

PQ 필터를 사용하는 목적은 에너지를 저장하는 것뿐만 아니라, 그리드 라인의 고조파 함유기(harmonic content)를 증가시키지 않고 그리드 전압의 품질을 보장하기 위한 것이다. 변환기 성능은 기술적으로 앞선 PQ 필터를 사용함으로써 높일 수 있다.

PQ 필터에는 LC, LCL, dUdT 필터가 있다. LCL 필터는 주어진 그리드의 요건에 따라 그리드 측 변환기와 그리드 사이의 전류를 여과하기 위해 사용한다. dUdT 필터는 과전압과 공통 모드 전류를 줄이기 위해 발전기/모터와 변환기 사이에 사용한다. 니데콘 필터는 최대 2000 A의 전류를 여과하는 공냉식 혹은 액체 냉각식 LC, LCL, dUdT 필터이다.

전력 밀도 증가
모든 전자 영역에서 더 작은 크기로 더 나은 성능을 제공하는 게 추세다. 변환기도 예외가 아니다. 유도성 성분(Inductive component)은 에너지 저장장치이기 때문에, 컨버터 캐비닛에서 많은 부피를 차지한다. 변환기의 전력 밀도를 증가시키려면, PQ 필터의 크기는 감소해야 한다. 크기 축소는 시스템 패키징 밀도를 높이고, 필터 부품 폼팩터를 최적화하고, 보다 높은 스위칭 주파수를 사용함으로써 가능하며, 필터에서 유도 용량의 요구량을 감소시킨다. 유도 용량의 감소는 곧 더 작은 필터 크기를 의미한다.

니데콘 필터의 전력 밀도는 공냉식 권선 방식(winding)에서 보이지 않게 작동하는 열점 제거 및 코어 내부의 통합된 액체 냉각식 채널과 같은 통합 냉각 기술로 낮아진다. 니데콘의 새로운 권선 개념은 코어의 높이를 줄여준다. 더 작은 코어는 기존 필터에 비해 무게의 현저한 감소를 의미한다. 무게가 줄면, 소재 및 물류비용이 줄어들어 비용 절감이 가능하다. 니데콘의 공냉식 솔루션에서 혁신적인 권선 개념은 공기가 필터를 통해 흐르게 함으로써 효과적으로 열점을 제거하는 것이다(그림 1).

기존 부품의 표면이 공기 혹은 액체로 냉각된다고 해도 부품 내의 국지적 열점은 여전히 생기고 있다. 예를 들어 구조 내의 포일 권선은 숨은 열점을 가지고 있는데, 이는 애자 절연체의 고장을 유발한다. 코어 내의 공기 갭은 잘못된 방향에서 적층 코어에 타격을 주는 누설자계(fringing flux)로 인해 높은 국부 집적 손실(loss concentrations)을 가지고 있을 수 있는데, 이는 매우 높은 국부 온도 상승과 궁극적으로 적층 절연체의 고장을 일으킨다. 니데콘 솔루션에서는 이와 같은 문제가 발생하지 않는다.

통합 액체 냉각은 냉각 파이프가 코어 표면에 위치하는 대신에 코어를 관통하기 때문에, 필터 크기를 줄여준다(그림 2).
또한, 냉각장치의 효율성이 높아 추가 팬이 필요하지 않아 공간이 절약된다.  니데콘 필터가 기존 제품보다 작고 가볍다고 해도 출력은 동일하거나 더 세다. 다시 말해 출력은 상관없이 크기가 줄어든 것이다.

냉각액을 통한 열손실 제로
크기 축소 외에도 통합 액체 냉각방식의 또 다른 이점은 필터의 손실이 냉각액으로 전이된다는 점이다. 보통 열 형태의 에너지 손실은 컨버터에서 최소한으로 줄어야 한다. LC-필터와 LCL-필터의 손실은 전형적으로 각각 처리 전력의 0.2 - 0.65%와 0.5 - 0.8%에 달한다. 일반적으로 필터에서 발생하는 손실은 코어 손실과 권선 손실이다.

권선 손실은 직류 손실과 권선에 있어서의 표면 효과 및 근접효과로 인한 추가적 고주파 손실로 이루어져있다. 추가적인 고주파 손실은 새로운 권선 개념과 주의 깊은 설계 최적화를 통해 최소화할 수 있다. 코어 손실은 일반적으로 부하(load) 손실과 코어 소재에서의 스위칭 주파수 부품 손실로 이루어지며, 이 또한 적절한 소재의 선택과 주의 깊은 설계 최적화를 통해 최소화할 수 있다. 니데콘 필터에는 앞서 설명한 적층 권선 시스템(Stacked Winding System)으로 인해 코어가 전통적인 필터보다 훨씬 작다.

전력 반도체가 개선됨에 따라, 고주파 스위칭 변환기의 적용이 점점 더 매력적이 되고 있다. 기존 필터에서는 스위칭 주파수가 높아짐에 따라 에너지 손실도 늘어난다. 반면, 새로운 필터는 고주파에서의 손실을 줄였다. 파워 컨버터에서 스위칭 주파수가 증가하는 경향은 기존 초크 기술의 보다 높은 스위칭 주파수 작동에 의해 발생하는 제한 때문에 억제돼 왔다.

기존 필터의 경우에는 높은 처리 전력과 손실 밀도로 인해 부품 내부 온도가 쉽게 상승했다. 세미크론은 이러한 손실을 액체로 줄일 수 있는 액체 냉각 방식의 필터를 이용하고자 한다. 그러나 문제는 전형적으로 손실의 60%만이 액체로 전이되는 반면, 나머지 40%는 캐비닛 공기로 전이된다는 점이다. 이런 이유로 캐비닛 공기를 냉각시킬 추가적인 냉각 수단이 필요하며, 파워 컨버터는 주변 온도가 높은 상황에서 출력을 내려 작동시켜야 한다. 새로운 통합 액체 냉각 개념을 이용함으로써 손실되는 열의 90~95%가 액체로 전이되는데, 이로 인해 캐비닛으로의 열대류가 최소한으로 제한된다. 결과적으로 일어나는 온도 저하는 필터의 수명을 연장시키고 신뢰성을 개선한다. 또한 낮은 온도는 절연 소재의 수명을 늘리고 절연 열점을 감소시킨다. 전형적으로 니데콘 필터는 F 클래스이다. 니데콘의 혁신적인 냉각 개념은 온도를 제어하고 저하시킬 필요가 있는 장소에서 필터 사용을 가능케 한다.

신형 니데콘 필터의 작은 부피는 부식 방지 측면에서도 유리한데, 그 이유는 부식될 수 있는 표면적이 작기 때문이다. 또한 니데콘 필터의 모듈은 각각의 모듈 자체가 부식 방지용으로 설계돼 있다. 따라서 표면이 약간 부식되더라도 필터 속으로 깊이 침투할 수 없다. 적층 코어를 특징으로 하는 기존의 필터는 절연층 사이의 판을 따라 침투해 들어올 수 있는 부식 문제를 안고 있다. 반면, 니데콘 필터의 혁신적 코어 소재는 부식을 막는다.

기계적 통합
통상적으로 기존의 LC 필터는 컨버터 캐비닛 안쪽에 자체 구획을 필요로 한다. 또 다른 공통적 상황은 LC의 L-부분이 하나의 스택으로 되어 있고, 콘덴서와 다른 L-부분이 가장 적합하게 들어맞는 캐비닛 내의 다른 위치에 고정된다는 점이다. 이러한 옵션은 액체 냉각용 구획과 접속판 사이의 피드스루(Feedthroughs)를 필요로 한다. 게다가 캐비닛이 커야 하므로 더 많은 바닥 면적을 필요로 한다.

니데콘 필터(LC, LCL 및 dUdT)는 작은 크기와 신축성 있는 치수로 인해 같은 스택에 설치할 수 있는데, 이는 접속판이 짧게 유지돼 공간 절약이 가능함을  의미한다. 필터의 부피가 작다는 것은 단일 컨버터 모듈/큐비클 안쪽에 조립이 가능하다는 뜻이기도 하다. 필터들은 컨버터 모듈과 같은 냉각액에 연결되어 있어 피드스루가 필요 없다. 그 결과 전반적으로 단순한 솔루션이 된다.

니데콘 필터의 부피는 자체 모듈 설계 개념으로 인해, 유연하게 결정될 수 있다. 필터는 컨버터 캐비닛 내의 적절한 공간에 설치할 수 있다. 필터에 할당된 공간에 따라, 필터는 수평적 혹은 수직적으로 설계할 수 있다. 이러한 기하학적 유연성으로 인해, 컨버터 캐비닛을 설계할 때 필터 설치를 위한 공간을 염려할 필요 없다. 니데콘 필터를 세미크론의 파워 어셈블리 표준으로 통합함으로써 필터 설치에 필요한 정확한 공간이 명시되고 캐비닛 크기가 최적화 되었다. 그 외에도 고객은 이제 필터와 캐비닛 모두가 아닌 캐비닛만을 위한 공간을 감안하면 된다.



지능형 연결망
니데콘 필터는 컨버터 모듈에 직접 장착할 수 있도록 설계되어 구리 레일의 길이를 줄여 비용절감 효과를 기대할 수 있다. 또한 복잡한 수평 레일이 필요 없으며 연결의 수가 낮게 유지되고 레일의 기계적 조립이 더욱 단순해진다. 레일이 짧아지고 피드스루가 사용되지 않으므로 레일의 절연이 보다 용이해진다. 레일이 보다 짧아지므로 진동이 줄어들고 필터에 기계적 응력이 덜 가해진다. 이러한 결과는 높은 필터 신뢰성으로 나타난다.

긴 레일에서 발생하는 전형적인 문제점은 열이 발생해 그 열이 캐비닛으로 전달된다는 것이다. 레일이 짧아지면 열전달이 줄어든다. 짧은 레일의 또 다른 이점은 고조파가 퍼져 열손실이 발생하고 열이 캐비닛으로 전이될 여지가 줄어든다는 점이다. 구동 애플리케이션에서 고조파 발생을 막을 수 없지만 피해를 최소화 할 수는 있다. 레일이 길면 기생 성분들이 EMC 잡음 및 고속 스위칭 전류로 인한 과전압 스파이크와 같은 문제점을 야기할 가능성이 있다. 전력 밀도가 증가하면, 작은 기생 파라미터가 중대한 영향을 미친다. 더 나아가 긴 레일은 냉각 팬을 필요로 하는데, 이는 더 큰 공간을 필요로 함을 의미한다. 니데콘 필터의 콤팩트한 크기와 짧은 접속판으로 인해 열 발생이 줄고 전체 시스템의 에너지 손실을 낮추며 EMC 문제가 줄어든다.

통합으로 인해 신뢰성 증가
여기서 언급한 사항들은 필터의 신뢰성에 영향을 미친다. 신뢰할 만한 각각의 부품들을 함께 사용한다고 해서 반드시 신뢰성이 있는 것은 아니다. 그러나 세미크론과 니데콘은 필터를 파워 스택에 통합시킴으로써 이 문제를 해결했다. 전체 패키지의 신뢰성이 개선되는 이유는 필터와 컨버터가 함께 사용되도록 특별히 설계됐기 때문이다. 이것은 고객이 한 공급자로부터 전체 패키지를 보다 용이하게 구매할 수 있도록 함으로써 고객의 책임을 경감시키고 고객의 입장에서 전체적인 프로젝트 기간을 단축시킬 수 있다. 필터가 파워 스택으로 통합되고 고객에게 인도되기 전에 패키지 성능을 테스트하기 때문에, 고객은 패키지를 바로 현장에 투입할 수 있다. 필터는 이미 파워 스택에 연결되어 있고 캐비닛은 최종 애플리케이션 단계에서 쉽게 설치할 수 있으므로 고객은 입력과 출력을 연결하기만 하면 된다. 니데콘 필터를 세미크론 파워 어셈블리 모듈에 통합하는 일은 논리적 발전의 다음 단계이다.

통합은 지식의 전달에 관해서도 중요한데, 컨버터 설계자들은 필터가 사용되는 방법에 대해 더 나은 지식을 습득하고, 필터 설계자들은 필터가 사용되는 조건에 대해 더 많은 것을 배운다. IGBT 모듈은 보통 특정 스위칭 주파수를 위해 설계된다. 지식 이전 덕분에 전력 소모량이 보다 용이하게 최적화 되는데, 이는 특정 구성 부품이 최대의 소요량에 도달하기 전에 얼마의 전력이 더 발전되어야 하는가에 관한 지식이 더욱 많이 축적되어 있기 때문이다. 이것은 고객에게 주어진 부하 상황에서 열손실과 온도상승이 최적화된 패키지를 의미한다.

협업은 전체 패키지의 성능에 관한 지식을 확장시키며 고객은 최적의 패키지 성능을 위한 구체적 파라미터를 제공받을 수 있다. 유도분 하나만의 손실은 측정하기 어렵지만 패키지의 열손실은 쉽게 확인된다. 그 결과 고객은 좀 넓게 보다 정밀한 데이터를 받을 수 있으며 세미크론은 정비 수요를 예측하고 궁극적으로 패키지 수명을 개선할 수 있다.

통합의 이점은 고객이 원스톱 공급자로부터 전체 패키지를 구입한다는 것인데, 그 패키지의 구성 부품들은 정확하게 일괄 작동되도록 설계됐다. 끝으로 통합 필터가 장착된 파워 스택으로 구성된 표준 패키지는 대량생산에 기인한 효율성의 이점을 제공한다. ES