‘고전압 교류→저전압 직류’ 변환에 ESS까지 연결
국내 연구진이 고전압 교류 전기를 저전압 직류로 변환해주는 고성능 반도체 변압기를 전기차 급속 충전 인프라로 사용하는 기술을 선보였다.
13일 한국전기연구원(KERI)은 전기추진연구센터 백주원 박사팀이 효성, 중앙제어와 함께 ‘반도체 변압기를 활용한 전기차 급속 충전기’를 개발했다고 밝혔다.
변압기는 전압을 원하는 값으로 바꿔주는 장치다. 흔히 도로에서 많이 발견되는 전봇대의 주상변압기는 22.9kV(국내 배전 전압 기준)의 큰 교류 전압을 220V 또는 380V로 낮춰주는 역할을 한다. 대부분의 전자기기는 직류를 기반으로 작동하기 때문에 교류를 직류로 바꾸는 컨버터가 반드시 필요하다.
최근 많은 제품의 전기화(Electrification)가 이뤄지면서 직류 활용도가 커짐에 따라 반도체 변압기에 대한 관심이 높아지고 있다. 반도체 변압기는 전력·전자 기술을 이용해 전통적인 변압기를 대체하는 새로운 형태의 전력변환 기기다. 기존 변압기와 비교해 자유롭게 전압과 전류를 조절할 수 있고 무게와 부피, 시스템의 단순화 측면에서 장점이 많아 국내외에서 연구가 활발하게 진행되고 있다.
전기연구원 백주원 박사팀은 단순히 전기 에너지를 고전압 교류에서 저전압 직류로 바꾸는 고성능 반도체 변압기를 개발한 것을 넘어 이를 에너지저장장치(ESS)와 동시에 연결해 전기차 급속 충전까지 활용할 수 있는 올인원 시스템을 구축했다.
국내 배전 전압은 해외보다 높기 때문에 안전성 확보 및 각종 스위치 모듈의 직렬 구성 등 반도체 변압기 관련 기술 난이도가 매우 높다. 백 박사팀은 약 10년 이상의 연구개발을 거쳐 반도체 변압기에 필요한 제어·회로·설계·해석·절연 기술을 확보했고 직류 에너지의 활용도를 높이기 위해 다른 에너지원과 부하를 연결할 수 있는 구조도 개발했다.
반도체 변압기 활용 전기차 급속 충전기는 50kW에서 1000kW까지 다양하게 충전 포트 수와 용량을 구성할 수 있다. 백 박사팀은 그동안 부피와 무게 문제로 충전 설비를 구축하기 어려웠던 도심 내 협소 공간에도 충전기 설치가 가능하게 만드는 핵심 원천 기술 개발에도 성공했다. 향후 전기차 외에 E-모빌리티 초급속 충전기, 고속철도 및 전기선박의 추진 전원, 에너지저장장치(ESS) 및 신재생 연결 전력변환장치 등 다양한 직류 전원 분야에 응용될 것으로 기대된다.
전기연구원은 최근 기술료 2억 2000만원을 받는 조건으로 동우전기에 개발 기술을 이전했으며, 국내 특허 출원도 다수 완료했다. 앞으로 동우전기와 지속적인 협력을 통해 반도체 변압기의 조기 제품화·양산화를 추진할 계획이다.
백주원 전기연구원 박사는 “반도체 변압기는 기존에 활용되던 전력변환장치와 관련한 모든 응용 분야에 적용이 가능하고 앞으로 우리가 사용하는 직류 기기가 많아질수록 활용 분야는 더욱더 넓어질 것”이라며 “반도체 변압기의 절연 능력 향상 및 가격 경쟁력 확보, 활용성 제고를 위해 연구개발에 계속 힘쓰겠다”고 말했다.
