고전압 수동 소자 부품의 세부적인 특징 파악하기

많은 엔지니어들이 한 자릿수 레일의 저전압 시스템에 집중하고 있지만, 점차 더 관심을 끌고 있고 설계에서 중요한 부분을 차지하고 있는 분야가 바로 고전압 분야입니다. 물론 고전압은 예전부터 고출력 응용 제품에 효과적인 전력 공급을 해야 할 필요성으로 인해 꾸준히 사용되어 왔습니다. 그러나 이제는 다양한 유형의 전기 자동차(EV), 재생 가능 에너지 및 관련 에너지 저장 장치 그리고 에너지 효율 전체에 대해 많은 관심이 집중되면서 수백 볼트 또는 그 이상에서 작동하는 전력 레일 및 부품에 대한 필요성이 증가하고 있습니다.

회로 구성도에서 이러한 고전압 설계 중 많은 부분은 저전압 제품과 비슷한 계열로 보일 수 있습니다. 하지만 예를 들면 저전압과 저전류가 제공되는 충전식 배터리 서브 시스템을 구축하는 것과 킬로와트급 전류를 공급하고 메가줄급 전기 에너지를 저장하며 600볼트 ~ 800볼트에서 작동하는 EV의 전력 팩을 구축하는 것에는 큰 차이가 있습니다. MOSFET과 같은 능동소자는 이러한 높은 전압을 수용할 수 있는 정격을 가져야 할 뿐만 아니라, 관련된 수동소자(저항기, 커패시터, 접점, 커넥터 등)도 높은 전압에 견디는 정격을 가져야 합니다.

요약하자면 저전압 회로에서 통용되던 낮은 수준의 기본 지침은 고전압에서는 더 이상 통하지 않습니다. 저전압의 세계와는 달리, 고전압은 아크, 스파크, 절연 파괴, 접촉 단자의 마모와 재료 열화가 일어나는 실수를 허용하지 않는 세계입니다. 재료 선택, 부품 선택 및 물리적 배치에 있어서의 실수는 큰 비용을 치러야 하며 위험할 때가 많습니다. 반면, 재설계와 재가공은 언뜻 보기에는 사소해 보이지만 시간이 오래 걸리고, 힘들며, 심층적인 설계 재검토가 필요하기도 합니다.

고전압 설계의 의미

이는 실제로 무엇을 의미할까요? 현재 많은 표준이 고전압 체계에 대한 절연, 분리 및 다른 요구 사항을 정의하고 있으며 전압이 수백 볼트, 심지어 수천 볼트에 이르면서 이러한 표준은 점점 더 엄격해지고 까다로워지고 있습니다. 이러한 표준 중 일부는 정부와 연관된 규제 기관에서 공포하지만, 산업 협회가 지정하거나, 모범적인 엔지니어링 관행이 쌓여 정립되는 경우도 있습니다.

가장 구체적인 요구사항 중 하나는 최소 공간거리 및 연면거리와 관련된 요구사항입니다. 작동 전압이 교류 30볼트 또는 직류 60볼트를 초과할 경우, 이를 넘는 전압은 위험할 가능성이 높으므로 위의 요구 사항이 필요하게 됩니다. 공간거리는 두 도체가 공기를 사이에 두고 가로지르는 최단 거리이며, 연면 거리는 절연 재료의 표면을 따라 측정한 최단 거리입니다(그림 1).

그림 1: 고전압 레이아웃 고려 사항은 두 도체 사이의 공기를 사이에 두고 가로지르는 최단 거리인 공간거리와, 절연 재료 표면을 따라 측정한 최단 거리인 연면 거리로부터 시작됩니다. (이미지 출처: Altium Limited)

최소 공간거리 및 연면거리에 대한 인쇄 회로 기판(PC 기판) 레이아웃 요구 사항은 재료, 전압 및 환경 조건에 따라 달라집니다. IEC 60601 및 IPC 2221 표준은 서로 다른 전압 및 다양한 시나리오에서 컨덕터 간의 간격에 대한 기본 지침입니다. 하지만 응용 제품에 따라 다른 추가 표준이 더 많이 있습니다. 이러한 기본 요구 사항 외에도 절연 유형 및 두께와 같이 재료를 정의하는 표준이 있습니다. 'UL 등재'와 'UL 인증' 분류 간의 차이와 같은 세부 사항이 여기에도 존재합니다(관련 콘텐츠 참조).

관련 부품도 매우 다양합니다.

비록 고전압 분류에 상응하는 연면거리와 공간거리를 포함한 물리적 규제 표준을 충족하는 설계라 해도, 적합한 자재 명세서(BOM)를 작성하기 위해서는 해야 할 작업이 훨씬 더 많습니다. 수백 볼트를 견디며 작동하는 저항기는 평범하며 약한 10볼트 ~ 20볼트 정도에 맞는 저항기와 비교하면 매우 다릅니다. 디자인, 재료 선택, 생산 공정 및 전반적인 포장의 모든 측면이 평범한 것은 없습니다.

예를 들어 330kΩ TNPV1206330KBYEA와 같은 Vishay Dale TNPV 계열 자동차 인증(AEC-Q200) 박막 고전압 저항기는 1000V까지 작동하도록 설계되었습니다. 이는 정확한 고전압 측정을 주된 목적으로 하기 때문에, 정교한 재료와 구조 및 레이저 트리밍을 통하여 상당히 엄격한 사양을 산출합니다. 그중에는 전압당 1ppm(ppm/V) 미만의 저전압 계수, ±0.1%의 허용 오차 범위, ±10ppm/µC 미만의 온도 저항 계수(TCR) 등이 있습니다(그림 2).

그림 2: TNPV 계열의 저항기는 필요한 고전압 작동 및 허용 오차를 달성하기 위해 특수 재료, 설계 및 제조를 조합하여 사용합니다. (이미지 출처: Vishay Dale)

미세 트리밍은 저항 소자의 세그먼트를 따라 전압 구배를 감소시켜 고전압에서 안정성을 향상하는 데 도움이 된다고 Vishay는 지적합니다. 이러한 고급 설계 및 구조는 평범해 보일 수도 있는 표준 3216(메트릭) 패키지에 들어 있는 칩 저항기의 사용 안정성과 정밀도를 보장합니다.

이는 커패시터에서도 비슷합니다. 전기 및 하이브리드 전기 자동차의 전력 반도체를 보호하는 Kyocera AVX FHC 계열의 300µF 필름 커패시터인 FHC16I0307K를 고려해 보세요. 이는 DC 필터링을 통해 리플 전류가 전원으로 다시 도달하는 것을 방지하고 DC 버스 전압의 변동성을 줄이게 됩니다.

AEC-Q200 및 IEC 61071-1/IEC 61071-2(전력 전자 커패시터의 경우)를 충족하는 FHC16I0307K는 최대 115°C의 작동 조건에서 매우 높은 유전 강도를 갖도록 특수 처리되었으며 237mm × 72mm × 50mm 크기의 직사각형의 수지로 채워진 금속화된 플라스틱 케이스(그림 3)에 하우징되어 있습니다. 저전압 300µF 필터링 커패시터는 매우 흔하지만, 이러한 커패시터는 450V DC 작동을 위해 정격되어 있습니다. 이는 건식 권선(오일 충전식이 아닌)이며 분할된 금속화 폴리프로필렌 구조를 사용함으로써 제어 가능한 자체 교정 공정을 제공합니다.

그림 3: FHC16I0307K 대용량 캐패시터는 자동차용으로 설계되었습니다. 이 제품은 450볼트 DC로 정격되어 있으며, 금속화 폴리프로필렌 구조를 사용하며 금속화된 플라스틱 케이스에 하우징되어 있습니다. (이미지 출처: Kyocera AVX)

또한, 커패시터가 수명이 다했을 때 어떻게 작동하는지는 분할 금속화 기술의 고유한 특징입니다. 단락 시 동작이 끊기는 전해 커패시터와 달리, 이러한 필름 커패시터는 단락 시 갑작스럽게 끊기지 않고 정전 용량의 매개변수 손실만 일어납니다. 그 대신 필름 커패시터는 남은 수명 기간 동안 점진적이고 부드럽게 정전 용량이 줄어들며 마지막에는 개방 회로가 됩니다.

결론

고전압 회로도는 저전압 회로와 외견은 유사해 보일 수 있습니다. 하지만 수백 볼트 또는 그 이상의 고전압 시스템과 관련된 설계자는 레이아웃, 구조적인 재료, 부품 선택 및 최종 자재 명세서뿐만 아니라 규정과 관련된 여러 가지 흥미로운 과제를 다루어야 한다는 점을 충분히 인식해야 합니다. 지금까지 살펴본 바와 같이, 설계자는 적절한 능동 소자 및 수동 소자 부품을 선택할 때 규격서, 공급업체 분석 및 부품 매개변수에 대해 세심한 주의를 기울여야 합니다. 또한 제조업체와 설계의 세부 사항에 대해 직접 대화하여 확인할 것을 제안합니다.

관련 내용

Triad Magnetics, 'UL 등재 vs UL 인증: 이들의 차이점이 무엇인가요?'

https://info.triadmagnetics.com/blog/ul-listed-vs-ul-recognized

Vishay Intertechnology, 'Vishay Dale의 고전압 저항기 개요'

https://www.vishay.com/docs/49601/_high_voltage_resistors_vmn-sg2087-1612.pdf

Vishay Intertechnology, '박막 고전압 저항기 제품 개요'

https://www.vishay.com/docs/48637/_tnpv_ppt_product_overview_nov2018.pdf