이 글은 무순단 절환 스위치, 20kVA 무정전 전원 장치 절환 시간과 조건 계산을 2편으로 나누어 정리한 시리즈의 1편입니다. 이번 편에서는 20kVA 무정전 전원 장치와 무순단 절환 스위치 회로 구성, 역병렬 사이리스터의 자연 소호와 전호 차단 원리를 다룹니다.
20kVA 무정전 전원 장치와 무순단 절환 스위치 회로 구성
무정전 전원 장치(UPS)는 상용 전원의 정전이나 전압 이상이 발생할 때 부하 장비에 연속적으로 전력을 공급하는 핵심 전력 변환 설비입니다. 무정전 전원 장치 시스템에서 인버터 출력 경로와 바이패스 상용 전원 경로 사이의 전환을 담당하는 장치가 바로 정적 무순단 절환 스위치(STS, Static Transfer Switch)입니다. 일반적인 기계식 절환 스위치는 접점 개폐 시 수십 밀리초(ms) 수준의 전력 공급 중단 시간이 발생하여 정밀 전자기기나 서버 장비의 전원 차단을 유발합니다. 반면에 무순단 절환 스위치는 반도체 소자를 활용하여 전력 공급의 끊김 없이 마이크로초 단위의 신속한 전원 절환을 수행합니다.
본 글에서는 단상 220V 계통에서 운전되는 20kVA 정격 무정전 전원 장치를 기준으로 AC-AC 무순단 절환 스위치 회로를 설계하고 해석합니다. 무순단 절환 스위치는 주전원인 인버터 측과 예비전원인 바이패스 측에 각각 한 쌍의 역병렬 사이리스터(SCR, Silicon Controlled Rectifier)를 배치한 AC-AC 양방향 스위치 구조를 형성합니다. 단상 교류 회로에서 20kVA 용량을 담당하기 위한 정격 실효 전류(I_rms)는 피상 전력(S)과 정격 전압(V_rms)의 관계식을 통해 산출할 수 있습니다.
식 (1)에서 피상 전력 20kVA(20000VA)와 정격 전압 220V를 대입하여 계산하면 정격 실효 전류는 약 90.91A로 도출할 수 있습니다. 정상 상태에서 스위치 소자가 견뎌야 하는 정격 첨두 전류(I_peak)는 실효 전류에 파고율인 sqrt(2)를 곱하여 계산합니다.
식 (2)에서 정격 실효 전류 90.91A를 대입하면 정격 첨두 전류는 약 128.57A로 계산할 수 있습니다. 따라서 역병렬 사이리스터 소자는 정상 통전 상태에서 최소 128.57A 이상의 첨두 전류를 연속적으로 흘릴 수 있어야 하며, 단락 및 과부하 상태를 대비하여 충분한 정격 여유를 확보하도록 선정해야 합니다. 이러한 AC-AC 스위치 회로는 두 전원 사이를 고속으로 절환하면서도 부하에 인가되는 전압 왜곡을 최소화하는 구조적 기반을 형성합니다.
역병렬 사이리스터의 자연 소호와 전호 차단 원리
AC-AC 무순단 절환 스위치에서 역병렬 사이리스터 소자는 턴온 게이트 신호가 인가되면 순방향 도통을 시작합니다. 사이리스터는 게이트 신호를 차단하더라도 소자에 흐르는 전류가 유지 전류(Holding Current) 이하로 떨어지지 않으면 도통 상태를 지속하는 래칭 특성을 갖습니다. 교류 회로에서는 전압과 전류가 주기적으로 극성을 바꾸므로, 전류가 0점을 통과하는 순간 사이리스터 내부의 전호가 자연스럽게 소멸하는 자연 전호 소호(Natural Commutation)가 발생합니다.
무정전 전원 장치의 전원 절환 과정에서 가장 경계해야 하는 현상은 인버터 전원 측 사이리스터와 바이패스 전원 측 사이리스터가 동시에 도통하는 단락 사고입니다. 두 전원의 스위치가 동시에 도통 상태가 되면 두 교류 전원 사이에 폐회로가 형성되어 막대한 크기의 선간 순환 전류 및 단락 전류가 흐를 수 있습니다. 이는 사이리스터 소자의 열적 파손을 유발하고 무정전 전원 장치 전체 시스템의 정지를 초래합니다.
따라서 제어기는 주전원 측 사이리스터의 게이트 신호를 즉시 차단한 후, 부하 전류가 0점을 통과하여 소자가 완전히 턴오프될 때까지 대기하는 소호 지연 시간(t_off)을 반드시 확보해야 합니다. 상용 주파수가 60Hz인 계통에서 1주기 시간은 약 16.67ms이며, 반주기 시간은 약 8.33ms입니다. 사이리스터는 최악의 경우에도 반주기 이내인 8.33ms 안에 전류 영점을 만나 소호 상태에 도달할 수 있습니다. 실제 유도성 부하가 연결된 상태에서는 전압과 전류 간의 위상차가 존재하므로, 전압 영점이 아닌 전류 센서로 감지한 실제 전류 영점을 기준으로 소호 완료 상태를 판정하는 데드타임 제어 시퀀스를 적용해야 합니다.
다음 편에서는 이어지는 내용을 계속 설명합니다.