[CCTV뉴스=이나리 기자] 수백 볼트에 이르는 DC 전원은 생각만큼 드물지 않다. 이런 애플리케이션으로 가장 먼저 떠올릴 수 있는 것이 전기차의 리튬이온 배터리 스택이다. 이 배터리 스택의 전압은 최대 400V까지 지원한다.

그 외에도 좀 덜 알려진 애플리케이션으로서 F-22 랩터(Raptor)와 F-35 라이트닝 II 같은 첨단 전투기를 들 수 있다. 이 전투기는 빠르고 정밀한 동작을 위해서 주로 270V DC를 사용하고, 대규모 태양광 어레이는 600V 이상을 출력할 수 있으며, 산업용 모터 드라이브로 AC 전압을 정류하면 170V~680V에 이르는 DC 전압을 제공할 수 있다. 

그리고 또 지난 수년에 걸쳐서 데이터센터 내에서의 전원 공급을 AC에서 고전압 DC(380V 또는 ±190V)로 전환하고자 많은 연구개발이 이뤄졌다. 이로써 전력 변환 단계를 줄이고, 설비 풋프린트를 줄이고, 운영비를 절감할 수 있으며, 또한 태양광 같은 재생 에너지와 통합을 수월하게 할 수 있다. 전력을 더 높은 전압으로 공급하면 전류 수준을 낮출 수 있고, 더불어 저항 손실을 줄일 수 있다(I2•R).

이를 활용하면 케이블 무게를 줄일 수도 있다. 단, 이런 모든 고전압 전원을 온 또는 오프로 스위칭하고 부하를 매끄럽게 소프트 스타트를 해야 한다. 또 에너지 모니터링과 최적화를 위해서는 고전압 버스로 흐르는 전압과 전류에 대한 디지털 모니터링이 필요하다. 또한 작업자 안전을 달성하고 저전압 장치들을 위험한 고전압으로부터 보호하기 위해서는 전원을 제어하는 회로를 갈바닉 절연해야 한다.

쇄도 전류 제어, 전력 모니터링

고전압 전원을 설계할 때 중요한 고려사항의 하나는 통상적인 브리지 정류기 다음에 오는 DC 버스 커패시터 같은 커패시티브 부하로 스타트업 쇄도 전류를 안전하게 제어하는 것이다. 쇄도 전류를 낮추기 위한 간단한 방법은 음의 온도 계수(NTC) 서미스터를 사용하는 것이고, 이것을 쇄도 전류 리미터(ICL)라고 부른다[그림 1a]. 

이런 서미스터는 전원 또는 부하를 턴온하기에 앞서 실온에서 높은 저항(수 옴)에서부터 시작하고, 높은 저항이 턴온 시의 쇄도 전류를 제한한다. 전류가 흐르면 서미스터가 뜨거워지고, 이로 인해 저항이 10배에서부터 100배까지 낮아진다. 이 서미스터는 전류와 저항 정격에 따라서 개당 0.13달러부터 7달러까지 이를 수 있다. 또 서미스터는 사용하기가 단순하기는 하나, 빠른 전력 사이클 시에(온-오프-온) 서미스터가 충분히 시간을 갖고 식어서 높은 저항 상태가 되지 못하면, 두 번째 파워업 시에 쇄도 전류를 제한하지 못할 수 있다는 것이 단점이다. 

NTC 서미스터는 넓은 허용오차(25%) 때문에 애를 먹을 수 있고, 쇄도 전류는 저항이 떨어지는 비율을 통해서 정상 상태(Steady State) 전류와 연관돼 있기 때문에 쇄도 전류를 임의의 낮은 수준으로 유연하게 조절하기가 어렵다. ICL은 진공 청소기, 형광등, 스위치드 모드 전원장치 같은 애플리케이션에 사용돼 브리지 정류기의 DC 버스 커패시터로의 쇄도 전류를 제한한다.