글/ 헌터 프레버그(Hunter Freberg), 온세미(onsemi)

AC 전원으로 작동하는 주요 애플리케이션에서 무정전 전원 장치(Uninterruptible Power Supply, UPS)는 정전 시 임시 전원을 공급하고 공급 전압이 사양 내에서 유지되도록 사용된다. 특히 부하가 주 전압의 하락이나 변동에 취약한 경우에는 더욱 중요하다.

UPS에는 온라인과 오프라인이라는 두 가지 유형이 있다. 온라인은 그리드 전원에서 배터리 전원으로 필요할 때마다 원활하게 전환할 수 있기 때문에 선호되는 방식이다. 이 유형의 UPS는 그리드에서 입력 전력을 공급받아 부하에 출력을 공급한다. 여기서 부하는 주로 데이터센터의 서버 또는 공장 생산 설비의 중요 장비를 말한다. 

그림 1. 온오프라인 UPS의 계통도 

UPS의 첫 번째 단계는 AC–DC 컨버터를 사용해 들어오는 AC 전압을 DC로 변환하는 것이다. 그런 다음, 이 전압을 UPS의 내부 배터리로 공급해 정전 시에도 최대 가동 시간을 사용할 수 있도록 지속적으로 충전한다. 이 배터리 전압은 DC-AC 컨버터를 사용해 다시 AC로 변환된다. 이는 그리드와 동일한 수준의 전압을 공급해 부하에 전력을 공급하기 위함이다. 배터리는 항상 연결돼 있거나 온라인 상태이기 때문에, 이러한 유형의 UPS를 온라인 UPS라고 한다.

정전이 발생하면 배터리가 인버터에 전원을 공급하고, 배터리에 충전이 남아 있으면 AC 전압이 유지되어 부하가 연속적으로 계속 작동하거나 종료될 수 있다. 또한 그리드의 스파이크, 전압/주파수 변동을 제거해 부하에 대한 전압이 사양 내에서 유지되도록 보장한다.

온라인 UPS의 가장 큰 장점은 배터리를 출력에 빠르게 연결할 수 있기 때문에 반응 시간이 빠르다는 점이다. 그러나 이러한 장점은 AC에서 DC로 변환하고 다시 AC로 이중 변환해야 하는 번거로움이 있다. 100%의 효율성을 가질 수는 없으므로, 온라인 UPS는 오프라인 UPS보다 조금 더 많은 에너지를 소비한다. 그러나 이는 사소한 문제이므로 온라인 UPS가 훨씬 더 널리 보급될 수 있었다. 

그림 2. 온라인 UPS의 계통도

설계와 부하의 요구 사항에 따라 UPS는 단상 또는 3상일 수 있다. 3상 설계에서 비엔나 정류기(Vienna Rectifier)로 알려진 토폴로지가 배터리에 DC를 공급하는 AC-DC 단계에 사용되는 경우가 많다. 입력 필터를 거친 후, 들어오는 전압의 각 위상은 인덕터를 거쳐 비엔나 정류기를 통과한다.

정류기의 출력은 일반적인 글로벌 3상 전압 레벨을 기준으로 약 800V의 DC 버스이다. 이는 각 DC 버스 커패시터에 약 400V를 제공한다.

DC 버스 커패시터에 저장된 에너지는 배터리를 충전할 뿐만 아니라 보통 NPC(Neutral-Point-Clamped) T형 컨버터인 출력 스테이지를 구동한다. 그리드 전압이 존재하면, 커패시터 에너지는 그리드 전압에서 직접 보충된다. 그리드에 장애가 발생하면, 이 에너지는 배터리에서 공급되어 T형 NPC가 계속해서 부하에 AC 전력을 공급할 수 있도록 한다.

그림 3. 대표적인 비엔나 정류기 회로도

일반적인 3상 비엔나 정류기는 전력 부품 12개, 다이오드 6개와 IGBT 6개로 구성된다. 실리콘 카바이드(SiC)는 다이오드와 IGBT의 정격 전압이 각각 1200V, 650V인 성능 이점을 위해 사용되는 경우가 많다. 낮은 V_CE를 위해 IGBT를 최적화하고 중간 속도 또는 고속을 선택할 경우, 이 토폴로지에서는 중앙 스위치에 대한 스위칭과 전도 손실이 모두 중요하기 때문에 중간 속도 옵션이 선호되는 경우가 많다. 온세미는 이러한 토폴로지를 기반으로 하는 다양한 전력 모듈을 제공해 개발을 간소화하고 개별 설계보다 성능을 개선할 수 있도록 한다.

그림 4. IGBT를 사용하는 T형 NPC 

3상 T형 NPC도 12개의 부품을 사용하지만, 이러한 경우도 모두 IGBT이다. 백투백(back-to-back) 디바이스의 정격은 650V이다. DC+와 DC-에 연결된 IGBT는 1200V IGBT이다. 총 12개의 부품이 있다.

SiC로 손실 감소

앞서 언급했듯이, 온라인 UPS는 이중 변환을 통해 온라인 토폴로지가 작동할 수 있지만 추가 손실이 발생한다. 손실로 인해 열이 발생하고 실내 온도를 유지하기 위해 더욱 강력한 HVAC 시스템이 필요할 수 있기 때문에, 문제는 다소 복잡해진다. 이렇게 되면 HVAC 시스템 구매에 따른 자본 비용, 추가 공간과 더 큰 HVAC 가동에 따른 운영 비용, 그리고 UPS에서 손실되는 에너지 비용이 발생한다.

UPS 크기를 줄일 수 있다면, 이 공간이 수익 창출 서버에 사용될 수 있기 때문에 데이터센터 운영자에게는 이득이다.

손실을 줄이면 운영 비용도 줄어들고, 일반적으로 손실이 적으면 전력 밀도가 높아져서 더 작은 솔루션으로 이어진다. SiC와 같은 와이드 밴드갭(WBG) 소재는 일반적으로 성능이 우수하고 손실이 적기 때문에, 이 기술을 채택하면 UPS 효율이 향상된다. 또한 직렬 저항이 낮고 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)처럼 역 평행 다이오드가 없고, 고정 전압 강하도 없기 때문에 경부하에서 더 나은 효율을 제공한다.

IT 시스템에서 사용하기 위한 UPS를 비롯한 IT 시스템의 크기를 조정할 때 어려운 점 중 하나는 부하의 동적 특성이다. 컴퓨터는 웹을 검색하거나 문서를 작성할 때, 머신 러닝을 수행하거나 상세한 시뮬레이션을 실행할 때보다 훨씬 적은 에너지를 사용한다. SiC는 부하 수준과 관계없이 향상된 효율성을 제공하기 때문에, 이러한 동적 부하는 SiC가 주목받는 기술이 된 또 다른 이유이다.

부분적으로 낮은 수준의 게이트 전하(Q_g) 덕분에, SiC 디바이스는 더 높은 주파수에서 스위칭하면서 효율성을 유지할 수 있다. 이로 인한 효과 중 하나는 자기 부품의 크기를 줄여, UPS의 전체 크기를 줄이는 데 크게 기여할 수 있다는 점이다.

그림 5. 위상당 하프 브리지는 SiC 디바이스가 있는 UPS에서 사용된다.

그림 6. SiC 6-스위치 토폴로지 컨버터

SiC 사용의 또 다른 이점은 입출력(AC-DC와 DC-AC) 단계에서 비엔나 정류기/T형 NPC의 '6-스위치' 컨버터로 전환해 토폴로지를 복제할 수 있고, 설계 시간을 절약할 수 있다는 점이다. 6-스위치 토폴로지는 3개의 하프 브리지로 구성돼 있으며, 설계에 사용되는 반도체 수가 절반으로 줄고, 공간과 비용을 절약할 수 있으며, 더 작은 자기소자를 그대로 유지한다.

이러한 예시로, 그리드 전압으로 인해 엘리트 실리콘 카바이드(EliteSiC) MOSFET의 정격은 1200V이다. 온세미는 6-스위치 컨버터에 사용하기에 적합한 여러 가지 SiC MOSFET을 제공한다. 한 가지 예로 고속 M3S NTH4L022N120M3S 또는 최신 NTH4L040N120M3S가 있다. 성능 향상을 위해 M3S SiC 기술을 기반으로 하는 온세미의 최신 NXH003P120M3F2 1200V 하프 브리지 모듈과 같은 모듈을 설계에 사용하는 것도 고려할 수 있다.

AC–DC 프론트 엔드는 양방향으로 사용할 수 있다. 따라서 무효 전력의 피드백을 통해 역률을 개선하고 피상 전력을 줄이며 운영 비용을 절감할 수 있다.

실리콘(Si) 솔루션에서 SiC로 전환하려면 스위치에 사용되는 드라이버를 변경해야 한다. 선택한 SiC MOSFET이 최적의 성능으로 작동하려면 이중 5kV 절연과 빠른 작동(dv/dt, 전파 지연)이 필요하다.

적합한 드라이버는 온세미의 NCP51561이다. dv/dt 용량은 210V/ns 이상이고, 전파 지연이 39ns에 불과하며, 채널 간 5ns와 일치한다. 또한 이 디바이스는 외부 데드 타임 제어와 입력 인에이블 핀(enable pin)을 갖추고 있어 시스템 안정성을 향상시킨다.

요약하면 서버와 중요 기계의 지속적인 작동을 위해서는 단일 온라인 UPS가 필수적이다. 성공적인 설계를 위해서는 엔지니어가 작고 효율적인 설계를 개발할 수 있어야 한다. 이를 위한 가장 좋은 방법은 6-스위치 변환과 같은 최신 토폴로지인 개별 SiC 기술을 채택하고, 이를 고성능 SiC 드라이버와 함께 사용하는 것이다.