히타치가 개발한 모듈러형 전력 변환 유닛
히타치가 개발한 모듈러형 전력 변환 유닛

일본에서 이번에 냉각 성능이 뛰어난 양면 냉각 파워 모듈을 이용하여 다양한 전력 변환기에 적용 가능한 모듈러형 전력 변환 유닛을 주식회사 히타치(Hitachi, 日立) 제작소(이하, 히타치)가 개발하였다. 본 개발품은 지존 단면(斷面) 냉각 모듈에 비해 방열성이 뛰어나 체적이 작은 양면 냉각 파워 모듈을 이용하는 것으로, 전력 변환에 필요한 주요 부품을 탑재하면서도 기존 체적으로부터 55% 삭감하여 소형화를 실현하고 있다. 향후 최초로 본 개발품을 탑재하는 UPS 장치(UPS(주 1)에 이어 다른 전력 변환기에서의 적용도 추진할 예정이라고 한다.

최근 전력 변환기의 시장에서는 공간절약화나 보수 간이화라고 하는 요구가 높아지고 있다. 기존 전력 변환기는 용량이나 용도에 따라 기종마다 개발되고 있었기 때문에 소형화와 동시에 부품을 공통화하는 것이 곤란하였다. 이번에 소형의 모듈러형 전력 변환 유닛을 개발하는 것으로 전력 변환기의 체적을 삭감하여 공간절약화에 대응하는 것과 동시에 주요 부품의 공통화가 가능하게 되어 보수의 간이화, 또한 폭넓은 사업 카테고리의 제품에도 적용하는 것이 가능하게 되었다.

소형 모듈러형 전력 변환 유닛을 실현하기 위해서는 전력 변환기의 주요 부품인 파워 반도체가 내장된 파워 모듈(주 2)의 소형화와 고효율인 냉각 시스템이 필요하다. 히타치는 2011년에 개발한 양면 냉각 파워 모듈을 이용하는 것으로 전력 변환 유닛의 소형화와 공통화를 가능하게 하였다.

이번 개발한 기술의 특징은 두 가지로, 첫 번째는 양면 냉각 파워 모듈에 최적인 공랭 시스템 기술로 기존 단면 냉각 파워 모듈에서는 아래쪽 면의 베이스 플레이트 만으로부터 방열하는데 대해 양면 냉각 파워 모듈에서는 양측 면으로부터 방열하기 때문에 기존 다른 냉각 시스템을 새롭게 개발할 필요가 있었다. 개발한 모듈러형 전력 변환 유닛에서는 양면 냉각 파워 모듈의 양 방열 면에 열전달성이 뛰어난 히트 파이프를 배치하는 독자적인 공랭 시스템을 채용하였다. 히트 파이프의 실장 위치나 공랭 핀의 형상, 두께를 열 해석에 의해 최적화하는 것으로 냉각 효율을 기존 대비 20% 높이면서 공랭 핀의 체적을 기존에 비해 50% 삭감하였다.

두 번째 기술의 특징은 박형(薄型) 전력 변환 유닛을 실현하는 전류 균등화 배선 실장 기술로, 전력 변환 유닛의 소형화와 보수를 간단하고 쉽게 하기 위한 유닛 자체의 폭을 축소하는 것과 동시에 유닛 자체를 슬라이드시켜 전력 변환기의 전면에서 빼고 꽂기 하는 것이 가능한 박형이 필요하였다. 이를 위해 복수의 양면 냉각 파워 모듈과 콘덴서를 직선 상에 배치했지만 그 배치에 의해 열에 약한 콘덴서가 파워 모듈로부터의 열의 영향을 받는 점, 또한 콘덴서로부터 거리의 가까운 파워 모듈에 전류가 치우쳐 흐르기 쉬워지는 것이 문제점이였다. 이번에 개발한 모듈러형 전력 변환 유닛은 아래쪽 면으로부터의 바람으로 냉각되지만 콘덴서를 유닛 저부에 배치하는 것으로 냉각 효율을 높이는 것과 동시에 전자계 해석(주 3)에 의해 배선 폭과 형상을 최적화하는 것으로 복수의 파워 모듈에서의 전류를 균등하게 하는 배선 실장 기술을 개발하였다. 이러한 개발 기술에 의해 폭이 5 cm, 체적이 기존보다 55% 삭감한 소형의 모듈러형 전력 변환 유닛을 실현하였다고 한다(<그림 1> 참조).

이번에 개발한 모듈러형 전력 변환 유닛은 기존 기종보다 소형이고 보수성이 뛰어난 차세대 UPS에 도입된다. UPS는 인버터와 컨버터에 이어 축전지로부터의 전력을 변환하는 초퍼(chopper) 회로로 구성된다. 각각 가지고 있는 기능은 동일한 모듈러형 전력 변환 유닛을 복수 접속하는 것으로 실현될 수 있다. 그리고 용량 업이 필요한 경우는 필요한 수의 모듈러형 전력 변환 유닛을 병렬 접속하는 것으로 대응이 가능하다고 한다.

히타치는 향후 빌딩 내에 설치되는 데이터 센터나 은행, 병원 등 공공성이 높은 시스템 전용으로 용량 100 kVA~300 kVA의 차세대 UPS의 시리즈를 전개할 예정이라고 한다.
(주 1) UPS
Uninterruptible Power Systems, UPS 장치
(주 2) 파워 모듈
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 파워 반도체소자가 내장된 모듈
(주 3) 전자계 해석
대상물과 전자장의 상호작용을 해석하는 수법으로 전기 배선에 전류가 흐르면 전자장을 발생하여 서로 영향을 주어 전류가 흐르기 쉬움에 영향을 준다. 전기 배선에 접속된 각 부품에 균등하게 전기를 흘리려면 해석에 의해 전자장의 영향을 고려한 배선 실장이 필요하다.

 

[출처. KISTI 미리안 글로벌동향브리핑]

 




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