이 글은 무순단 절환 스위치, 2kW 유도 가열 AC-AC 회로 절환 시간 계산을 2편으로 나누어 정리한 시리즈의 1편입니다. 이번 편에서는 유도 가열 AC-AC 변환 회로와 무순단 절환 스위치 개요, 2kW 유도 가열 부하의 역병렬 사이리스터 소자 정격 계산을 다룹니다.
유도 가열 AC-AC 변환 회로와 무순단 절환 스위치 개요
유도 가열(Induction Heating) 공정은 전자기 유도 현상을 이용하여 금속과 같은 도전성 피가열물 내부에서 와전류 손실과 히스테리시스 손실을 유도하여 자체 발열을 일으키는 고효율 열처리 기술입니다. 이러한 유도 가열 시스템은 금속의 용해, 담금질, 어닐링 및 정밀 접합 등 다양한 산업 공정에 널리 활용되고 있으며, 피가열물의 균일한 품질을 확보하기 위해 연속적이고 안정적인 교류 전력 공급이 필수적입니다. 만약 생산 공정 도중에 상용 전원의 순간적인 정전이나 순시 전압 강하(Sag)가 발생하면 유도 가열 코일에 인가되는 자계가 급격히 소멸하여 가열 온도가 급격히 하강합니다. 이는 가열 대상물의 표면 결함과 미세 조직 불량을 초래하여 제품 전체의 품질 저하로 이어집니다.
이러한 전원 이상에 대응하기 위해 주전원과 예비 전원의 이중화 전원 공급 구조를 채택하고, 주전원 결함 발생 시 부하에 공급되는 전력의 단절 없이 예비 전원으로 전환하는 AC-AC 무순단 절환 스위치(STS, Static Transfer Switch)의 설계가 중요합니다. 본 글에서 다루는 2kW급 유도 가열 장치는 220V_rms 단상 상용 교류 전원을 입력받아 AC-AC 변환 회로를 통해 부하에 전력을 공급하는 구성을 가집니다. 일반적인 전력 제어와 달리 무순단 절환 스위치는 기계적 접점 방식의 지연 시간과 아크 발생을 배제하기 위해 한 쌍의 역병렬 사이리스터(SCR, Silicon Controlled Rectifier)를 전력 반도체 스위치로 사용합니다. 역병렬 사이리스터 구조는 교류의 정극성 반주기와 부극성 반주기를 나누어 도통시키는 양방향 스위치로 동작하며, 마이크로초 단위의 신속한 게이트 제어를 통해 무순단 절환의 물리적 토대를 제공합니다.
2kW 유도 가열 부하의 역병렬 사이리스터 소자 정격 계산
2kW 유도 가열 부하를 안정적으로 구동하기 위해서는 AC-AC 무순단 절환 스위치를 구성하는 역병렬 사이리스터 소자의 전압 및 전류 정격을 정확하게 산정해야 합니다. 시스템의 입력 교류 전압이 단상 220V_rms이고 부하 역률이 1.0에 근접하도록 보상된 정격 상태에서, 2kW 전력을 공급하기 위한 부하 실효 전류 I_load의 계산 관계식은 식 (1)과 같습니다.
식 (1)에서 정격 소비전력 P_in에 2000W, 입력 교류 전압 V_in에 220V를 대입하여 계산하면 부하 실효 전류 I_load는 약 9.09A_rms로 도출됩니다. 역병렬로 결선된 두 개의 사이리스터 중 개별 소자는 교류 1주기 360° 중 180°의 도통각 동안만 전류를 분담하여 도통하므로, 단일 사이리스터 소자에 흐르는 실효 전류 정격 I_RMS,device는 식 (2)와 같이 정의됩니다.
식 (2)에서 부하 전류 9.09A_rms를 대입하면 단일 사이리스터 소자가 담당하는 실효 전류는 약 6.43A_rms가 됩니다. 또한 단일 소자의 평균 도통 전류 I_AVG,device는 피크 전류 I_peak를 π로 나눈 값으로 계산되어 약 4.09A의 값을 가집니다.
전력 반도체 소자가 차단 상태에서 견뎌야 하는 첨두 전압 정격인 반복 피크 저지 전압(V_DRM) 및 반복 피크 역방향 저지 전압(V_RRM)은 전원 전압의 피크값과 계통 서지 전압을 고려하여 결정됩니다. 단상 220V_rms 교류 전원의 피크 전압 V_peak는 식 (3)과 같습니다.
식 (3)에서 220V를 대입하면 전원 전압의 피크값은 약 311.13V로 계산됩니다. 이중 전원 무순단 절환 시스템에서는 주전원과 예비 전원의 위상이 최대 180°까지 차이가 날 수 있으며, 이 경우 차단된 스위치 양단에는 전원 피크 전압의 2배에 달하는 전압이 인가될 수 있습니다. 따라서 실무 전력전자 설계에서는 전원 전압 변동률과 유도성 스위칭 서지를 방어하기 위해 통상 2.5배의 전압 안전율 k_safety를 적용합니다. 요구되는 사이리스터 최소 내압 정격 V_DRM은 식 (4)와 같이 계산합니다.
식 (4)에서 안전율 2.5와 피크 전압 311.13V를 적용하면 소자의 최소 내압은 약 777.83V 이상이어야 합니다. 따라서 2kW 유도 가열 AC-AC 절환 회로의 실무 소자로는 상용 800V 또는 여유도를 둔 1200V급 정격의 사이리스터 모듈을 선정하는 것이 적합합니다.
다음 편에서는 이어지는 내용을 계속 설명합니다.