전력전자란 무엇인가

들어가며

이 블로그를 시작하는 이유는 단순하다. 전력전자를 공부하면서, 그리고 실제 컨버터를 설계하고 구동하면서 느꼈던 것들을 정리하고 공유하고 싶었다.

필자는 소프트웨어 엔지니어로서 전력전자 분야에 입문했다. 펌웨어와 제어 알고리즘 개발로 시작해서, 지금은 하드웨어 설계까지 영역을 넓혀 왔다. 6-스위치 100kW급 PFC, 50kW/100kW급 비엔나 정류기, 100kW급 DAB(Dual Active Bridge), 30kW급 LLC 컨버터 등을 설계하고 구동해 본 경험이 있다.

이 과정에서 깨달은 것이 있다. 전력전자는 소프트웨어와 하드웨어가 긴밀하게 맞물리는 분야다. 제어 코드 한 줄이 수십 킬로와트의 전력 흐름을 바꾸고, 마이크로초 단위의 타이밍이 시스템의 효율과 안정성을 결정한다.

이 블로그는 입문자부터 실무 개발자까지 다양한 독자를 대상으로 한다. 각 포스팅은 하나의 주제에 대해 완결된 내용을 담되, 관련 개념은 해당 포스팅으로 링크를 연결하는 방식으로 구성한다.

첫 글에서는 전력전자가 무엇인지, 그리고 이 분야를 관통하는 핵심 원리에 대해 이야기한다.

전력전자의 정의

전력전자(Power Electronics)는 전력용 반도체 소자를 이용하여 전기 에너지의 형태를 변환하고 제어하는 기술이다.

이 정의의 각 요소를 명확히 해보자.

전력용 반도체 소자는 높은 전압과 대전류를 스위칭할 수 있도록 설계된 반도체다. 신호용 반도체가 수 볼트, 수 밀리암페어 영역에서 동작한다면, 전력용 반도체는 수백~수천 볼트, 수십~수천 암페어를 다룬다. MOSFET, IGBT, 다이오드, 사이리스터가 대표적이며, 최근에는 SiC, GaN 등 와이드 밴드갭 소자가 영역을 확장하고 있다.

전기 에너지의 형태는 다음을 포함한다:

전압 크기: 800V를 400V로, 48V를 12V로
AC/DC 변환: 교류를 직류로, 직류를 교류로
주파수: 60Hz 고정 주파수를 0~수백 Hz 가변 주파수로
위상: 위상각 제어, 단상-3상 변환

변환하고 제어한다는 것은 형태를 바꾸는 것에 더해, 출력을 원하는 값으로 정밀하게 조절할 수 있음을 의미한다. 부하가 변해도 출력 전압을 일정하게 유지하고, 지령에 따라 전류를 조절하고, 계통 주파수에 동기화하는 것이 모두 '제어'의 영역이다.

정리하면, 전력전자 시스템은 입력 전력을 받아 원하는 형태와 크기의 출력 전력을 만들어내는 장치다.

핵심 원리: 스위칭

전력전자를 이해하려면 왜 스위칭을 사용하는가를 먼저 이해해야 한다.

전압을 변환하는 가장 직관적인 방법은 저항 분압이다. 100V를 50V로 낮추려면 저항에서 50V를 드롭시키면 된다. 10A가 흐르면 저항에서 500W가 소모된다. 입력 1000W 중 절반이 열로 사라지는 것이다. 효율 50%. 이 방식은 저전력 신호 회로에서는 허용되지만, 전력 회로에서는 사용할 수 없다.

전력전자는 다른 접근을 한다. 스위치를 빠르게 켜고 끄면서 시간 평균으로 원하는 출력을 만든다.

스위치를 주기적으로 ON/OFF 한다고 하자. 전체 주기 중 스위치가 ON인 시간의 비율을 듀티비(Duty Cycle)라 한다. 듀티비가 50%면, 입력 전압이 인가되는 시간이 절반이므로 평균 출력 전압도 입력의 절반이 된다.

이상적인 스위치는 ON 상태에서 저항이 0(전압 강하 없음)이고, OFF 상태에서 전류가 0이다. 두 상태 모두 전력 손실(P = V × I)이 0이다. 현실의 스위치는 ON 저항에 의한 도통 손실과 상태 전이 시 스위칭 손실이 존재하지만, 저항 방식과는 비교할 수 없이 효율적이다. 잘 설계된 전력변환장치는 95~99%의 효율을 달성한다.

효율이 스위칭을 사용하는 이유다.

1kW에서 효율 1% 차이는 10W다. 100kW에서는 1kW다. 1MW에서는 10kW다. 전력 레벨이 올라갈수록 효율의 중요성은 기하급수적으로 커진다. 열 관리 비용, 냉각 시스템 크기, 운영 비용 모두가 효율에 연동된다.

전력 변환의 네 가지 유형

입력과 출력의 형태(AC/DC)에 따라 모든 전력 변환은 네 가지로 분류된다. 이 분류가 전력전자의 기본 프레임워크다.

AC → DC: 정류 (Rectification)

교류를 직류로 변환한다.

가장 단순한 형태는 다이오드 브릿지 정류다. 그러나 단순 정류는 입력 전류 파형을 왜곡시켜 역률 저하와 고조파 문제를 야기한다. 이를 개선하기 위해 PFC(Power Factor Correction) 회로를 사용한다. 부스트 PFC가 가장 보편적이며, 중대용량에서는 비엔나 정류기, 6-스위치 PFC 등이 적용된다.

DC → DC: 직류 변환 (DC-DC Conversion)

직류의 전압 레벨을 변환한다.

입출력이 전기적으로 연결된 비절연형(벅, 부스트, 벅-부스트)과 트랜스포머로 절연된 절연형(플라이백, 풀브릿지, LLC, DAB)으로 나뉜다. 절연형은 안전 요구사항, 큰 전압비, 다중 출력이 필요할 때 선택한다.

DC → AC: 인버터 (Inversion)

직류를 교류로 변환한다.

태양광 발전의 계통 연계, 배터리 기반 모터 구동, UPS가 대표적 응용이다. 2레벨 인버터가 기본 구조이며, 전압 스트레스 분산과 출력 품질 향상을 위해 3레벨 NPC, 멀티레벨 인버터가 사용된다.

AC → AC: 교류 변환

교류의 전압이나 주파수를 변환한다.

직접 변환 방식(매트릭스 컨버터, 사이클로컨버터)도 존재하나, 실무에서는 AC → DC → AC 간접 변환이 압도적으로 많이 쓰인다. 제어가 단순하고 입출력이 DC 링크로 디커플링되기 때문이다. 대부분의 모터 드라이브가 이 구조다.

블로그의 구성

이 블로그는 각 포스팅이 하나의 주제에 대해 완결된 내용을 담는 구조로 운영된다. 관련 개념은 해당 포스팅으로 링크를 연결한다. 예를 들어 "비엔나 정류기"를 설명할 때, 사이리스터나 MOSFET에 대한 기본 설명은 해당 소자 포스팅을 참조하도록 한다.

카테고리는 다음과 같다.

기초 (Fundamentals) 스위칭과 PWM | 듀티비와 평균값 | 기본 컨버터 토폴로지 | CCM과 DCM | 역률과 고조파

DC-DC 컨버터 벅 | 부스트 | 플라이백 | 풀브릿지 | LLC | DAB

DC-AC 컨버터 2레벨 인버터 | SPWM과 SVPWM | 3레벨 NPC | 멀티레벨 | 계통 연계 제어

자성 부품 (Magnetics) 자성 재료 | 인덕터 설계 | 트랜스포머 설계

제어 (Control) 제어 이론 기초 | 전압/전류 모드 제어 | 디지털 제어 구현 | 상태 머신 설계

마치며

전력전자는 회로, 제어, 전자기학, 열역학이 교차하는 분야다. 하나의 토폴로지를 제대로 이해하려면 이 모든 관점에서 바라볼 수 있어야 한다.

이 블로그가 개념이 막힐 때 참고할 수 있는 자료, 설계 판단이 필요할 때 근거가 되는 정보로 활용되기를 바란다.