지난 10년 동안 세계 인구가 빠르게 늘어나 현재는 80억 명을 넘어섰고, 에너지에 대한 수요도 비슷한 성장세를 보이고 있습니다. 2040년까지 전 세계 에너지 수요는 약 19% 증가할 것으로 예상됩니다. 현재 에너지 수요의 40%는 전기 에너지 형태이며 2040년에는 60%에 달해 전체 에너지 수요의 절반을 넘을 것으로 보입니다.
현재 전 세계 전력 수요의 절반이 넘게 화석 연료를 사용하고 있으며, 자연 환경에 악영향을 미치고 있습니다. 화석 연료를 연소하면 온실 가스의 배출량이 늘어나 지구의 인간과 다른 종들의 생명에 엄청난 위험을 초래하는 지구 온난화가 심각해집니다.
지구 온난화의 영향으로 태양광, 풍력, 수력과 같이 친환경적인 신재생 에너지원을 채택하는 것에 대한 관심이 증가했습니다. 이러한 모든 에너지원은 자연에서 충분히 얻을 수 있으며, 물과 같은 부산물을 생산하는데 이는 무해하고 다른 용도로 재사용될 수 있습니다. 신재생 에너지원의 장점에도 불구하고, 시장 점유율 성장은 화석 연료에 비해 여전히 매우 느린 것으로 보입니다. 주로 에너지 수요의 불일치와 가스 발전소 또는 석탄 발전소를 완충재로 사용하여 이러한 차이를 충족하기 때문입니다.
에너지를 지속적으로 사용하고 에너지 낭비를 최대한 최소화하는 것이 최종 목표입니다. 신재생 에너지원에만 의존할 수 없기 때문에 에너지 절약을 위한 기술과 전략을 개발하여 이 문제를 해결하는 것이 중요합니다. 캐나다석유생산자협회(CAPP)에 따르면, 에너지 효율성을 지속적으로 개발하지 않았더라면 현재의 요구를 충족시키기 위해 두 배의 에너지가 필요했을 것입니다. 전력 전자 장치를 기반으로 한 에너지 효율적인 변환기를 사용하면 경우에 따라 전력 변환 효율이 최대 99%에 이를 수 있으며, 이에 대해 더 자세히 설명하도록 하겠습니다.
발전에서 활용까지 발생되는 에너지 손실입니다. (이미지 제공: reasearchgate.net)
가변 속도 드라이브(ASD)의 전력 전자 장치
물리적 움직임과 관련된 대부분의 애플리케이션에는 전체 기계 시스템에 전원을 공급하는 전기 모터가 있습니다. 40%가 넘는 전기 에너지가 전기 모터만으로 소비됩니다. 산업 분야에서 모터의 에너지 점유율은 변환기 벨트, 리프트, 모션 제어 시스템 등과 같은 응용 분야로 인해 약 65%로 훨씬 높습니다. 일부 응용 분야에서는 다양한 속도와 토크가 필요하고 여기서는 ASD가 가장 효율적인 반면, 부하 프로필이 일정한 다른 응용 분야에는 드라이브 유형이 다릅니다. 따라서 에너지 효율적인 모터 구동 시스템을 만들어 전 세계 에너지 소비량을 낮출 수 있습니다.
기존의 모터 드라이브에 비해 전력 전자 장치 기반의 드라이브는 열 손실 에너지가 최소화되기 때문에 매우 적은 에너지를 소비합니다. 저항기 뱅크에 기반을 둔 기존의 모터 기동기조차도 매우 비효율적이며 현재 표준에 따르면 성능이 좋지 않습니다. 시리스터, SCR, IGBT 및 MOSFET와 같은 고체의 전력 전자 장치 부품이 도입되면서 개조하기 쉬운 효율적인 모터 기동기가 개발되었습니다. Celduc Relais의 SMCV6080 유도 모터 감압 스타터는 소프트 스타트 및 소프트 스톱 기능을 갖춘 제품입니다. 여섯 개의 시리스터를 사용하여 모터를 원활하게 제어합니다. 마이크로컨트롤러가 통합된 이 스타터에는 진단 및 자체 테스트 기능도 있습니다.
전력 전자 장치 기반의 에너지 효율적인 조명
전기 조명 시스템은 야간과 심지어 낮 동안에도(특히 햇빛이 덜 드는 곳) 지속적으로 사용되기 때문에 전기 에너지를 두 번째로 많이 소비합니다. 전기 조명은 전 세계 전기 에너지 사용량의 약 22%를 차지하며, 에너지를 절약할 수 있는 큰 잠재력을 지니고 있습니다. 전력 전자 장치 기반의 조명 드라이버를 사용하면 최소 20%의 에너지를 절약할 수 있으며, IoT 기반의 지능형 제어 솔루션을 사용하면 에너지 절감 효과를 더욱 높일 수 있습니다. 1879년에 최초의 백열 전구가 소개된 이후 광원을 만드는 기술이 많이 발전했으며, 현재는 LED 조명이 가장 효율적인 최신 기술입니다.
TRIACS와 같은 전력 전자 장치는 백열 전구와 LED 조명을 모두 제어할 수 있는 조도 조절식 드라이버를 개발하는 데 사용하여 비용을 절감할 수 있습니다. PWM(펄스 폭 변조) 기반의 LED 드라이버로 전류 출력을 미세하게 제어하여 빛을 어둡게 하는 기능을 제공합니다. 전력 전자 장치가 발전하면서 LED 드라이버 IC는 손끝보다 작아졌습니다. Infineon Technologies의 ILD6150XUMA1은 고출력 LED용 소형 LED 드라이버입니다. 아날로그, PWM 조광 제어 기능을 갖추고 있으며 고출력 LED가 많은 열을 발생시키기 때문에 조절식 과열 보호 기능도 있습니다.
Wide Band Gap 기반의 전력 전자 장치
전력 전자 장치는 전력이 관련된 거의 모든 곳에 활용될 수 있습니다. 따라서 반도체 장치에 적합한 재료를 선택하는 것도 중요합니다. 지난 수십 년 동안 실리콘(Si)은 저렴한 비용과 광범위한 전압 및 전류 처리 용량 덕분에 장치를 개발할 때 가장 선호하는 재료였습니다. 그러나 더 작은 크기와 더 높은 효율성을 추구하는 기술로 인해 Si 장치는 한계에 도달했습니다.
Si, GaN 및 SiC의 성능 비교. (이미지 제공: reasearchgate.net)
SiC(실리콘 카바이드)와 GaN(질화 갈륨)에는 많은 장점이 있으며 Si를 대체할 수 있는 유망 기술로 떠오르고 있습니다. GaN이 고주파 스위칭 기능 및 3.2eV의 밴드갭을 제공하는 반면, Si의 밴드갭은 1.1eV에 불과합니다. 반면에 SiC는 Si에 비해 밴드갭이 높고 고온 및 고전압 성능을 특징으로 합니다. 이러한 모든 특성은 SiC와 GaN을 반도체의 미래로 만들고 MOSFET와 같은 장치를 개발하는 데 사용됩니다. GaN Systems의 GS065011 GaN 트랜지스터는 특허 받은 Island Technology 셀 레이아웃의 이점을 갖춘 장치의 예입니다. 열저항이 150mΩ로 매우 낮기 때문에 LED 드라이버, 배터리 충전, 모터 드라이브 등의 응용 분야에서 고효율 전원 스위칭을 지원합니다.
전력 전자 장치의 미래 전망
인류가 이제 완전히 전기에 의존한다는 것은 분명한 사실입니다. 성능과 효율성이 뛰어난 전력 전자 장치에 대한 연구와 이상적인 조건에 가깝게 전자 장비가 작동되도록 하는 무한한 잠재력을 창출합니다. 반면, 실리콘 및 갈륨과 같은 재료가 환경에 제한되어 있기 때문에 지속 가능성은 고려해야 할 중요한 요소가 됩니다. 성능이 향상되면서 컨버터에 대한 수요도 늘어나 원자재의 개발로 이어지게 될 것입니다. 에너지 절약량을 늘리고 효율적인 에너지의 균형을 맞추는 것은 앞으로 살펴봐야 할 문제가 될 것입니다.
