전기자동차 정류장치는 왜 고장이 나고, 어떻게 보호해야 할까?

<목차> 1. 전기자동차 정류장치의 종류 2. 전기자동차 정류장치의 고장 유형과 원인 3. 전기자동차 정류장치의 보호 방식

1. 전기자동차 정류장치의 종류

전기자동차 정류장치는 직류 전원 장치로써 비철금속의 정련, 식염수의 전해분야에 많이 사용되며 이러한 반도체 정류 소자를 사용한 전력 변환 장치에는 다음과 같은 종류로 구분된다.

① 순변환장치: 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 장치.  
② 역변환장치: 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 장치(Inverter).
③ 가역 변환장치: 전력의 흐름을 가역 변환하는 장치.

④ 주파수 변환장치: 다른 주파수의 전력 회로에 전력을 전달하는 장치.

    직류를 거치지 않고 직접 다른 주파수로 변환하는 장치를 사이클로 컨버터(Cycio Converter)라고 한다.

⑤ 직류 변환장치: 다른 전압의 직류회로에 전력을 전달하는 장치. 
    교류를 거치지 않고 직접 변환하는 장치를 직류 초퍼(Chopper)라 한다.
⑥ 전력 조절장치: 사이리스터에 의한 단순한 ON/OFF 스위칭 작용으로 부하에 공급되는 전력을 조절하는 장치. 

 

2. 전기자동차 정류장치의 고장 유형과 원인

아래 표는 전기자동차 정류장치에서 발생할 수 있는 고장 종류와 그 원인을 나타낸 것이다.

고장 종류	고장 위치	원인
단락	• DC출력회로 • 내부상간 • 내부 Arm간	• 절연 열화 • 이물 접촉 • 소자 파괴
지락	• DC부하측 • 내부	• 절연 열화 • 이물 접촉
과전류	• 반도체소자	• 전원 전압 상승 • 과부하 • 전류 불평등 • 병열기 정지
온도상승	• 반도체소자 • 냉각매체	• 과전류 • 주위온도상승 • 냉각불량 • 냉각매체온도상승
소자파손	• 반도체소자	• 온도상승 • 외부 Surge • 내부 Surge • 소자 열화

정류장치의 고장 특징은 이상전압이나 전류에 대한 반도체 소자의 내구성이 타 전력기기에 비하여 낮은 점과 1개 소자의 사고가 장치 전체의 사고로 확대될 위험성이 높은 것이라고 할 수 있다. 따라서 보호 방식이나 보호 장치를 선정하는데 있어 이러한 특수성을 충분히 고려할 필요가 있다.

 

3. 전기자동차 정류장치의 보호 방식

전기자동차 정류장치의 보호는 아래 두가지 사항을 고려하여야 한다.

① 반도체 소자 자신의 보호  
② 인접 소자의 고장에 따른 사고 확대 방지를 위한 보호

 

상기 사항을 바탕으로 아래의 7가지 보호 방식으로 구분할 수 있다.

과전류 보호(Over current Protection) 

① 고속 퓨즈에 의한 보호  
② 배선용차단기(MCCB) 또는 노퓨즈 브레이커(NFB) 에 의한 보호

③ 게이트(Gate) 차단에 의한 보호

 

정류장치의 반도체 소자 간의 전류 불평형 보호

정류장치 설계 시 아래의 전류 불평형 영향을 최소화 할 수 있도록 진행하여야 하며, 소자간 전류 불평형이 10~20% 정도는 운영상 허용되지만 그 이상에 대해서는 별도의 보호 방식을 적용하여야 한다.

① 소자 간 순방향 전압 강하의 불일치  
② Turn-on Time 의 불일치

③ 각 소자의 전원측으로 본 임피던스의 불평형

 

전원 측 과전압에 대한 보호

전원계통의 전압이 상승하면 정류기의 전류는 전압에 비례하여 증가한다. 이 경우 전류의 상승은 외부 고장 시에 비하여 느리며, 또 과전류 값도 크지 않아 통상 전류 제어로 보호가능 하지만 대용량 설비에는 특별히 과전류 계전기를 설치하는 경우가 있고 그 밖의 중,소용량에는 교류 및 직류 측의 과전류 계전기로 보호한다.

 

단락보호(Short Circuit Protection)

직류회로의 사고 전류는 교류에서와는 달리 극성이 변하지 않아 낮은 전압의 아크 (Arc) 단락에도 사고 전류가 지속되어 소호되는 경우가 적다. 따라서 사고점이 확대되지 않도록 가능한 한 신속한 차단이 필요하다. 직류 고속차단기를 사용하는 경우 직류 측에 설치된 직류 과전류 계전기(76)에 의하여 직류 측의 단락 및 과부하를 보호하며 이 계전 기의 동작값 정정은 교류의 한류 퓨즈가 용단되기 이전에 직류 측을 차단할 수 있도록 조정되어야 한다.

지락보호(Ground Fault Protection)

직류 회로는 보통 중성점 또는 1단을 직접 접지하여 사용한다. 또 용도에 따라서 저항 접지나 비접지 방식을 사용하는 경우도 있다. 직류 회로에는 사고점에 대지 충전 전류가 지속적으로 흐르지 않으므로 비접지 계통에는 지락 사고가 발생하여도 지락 전류가 없어 전류에 의하여 검출할 수 없다. 
직접접지 계통에서는 접지되지 않은 측이 지락되면 단락사고로 되어 단락 보호장치로 검출할 수 있다. 직접 접지나 저항 접지 계통에는 정류 장치 전체를 대지로부터 절연하고, 장치 외함의 접지회로에 전류 동작형 지락 과전류 계전기를 접속하여 지락을 검출하는 경우도 있다.

Surge 전압에 대한 보호

정류 장치에 침입한 외래 Surge는 뇌 Surge나 개폐 Surge 등이 있으며, 이러한 외래 Surge에 대하여는 전원 측에 피뢰기를 설치하여 대지로 방전시키고 그 외에도 변압기 2 차 측에는 콘덴서와 저항을 조합한 CR Absorber를 설치하여 콘덴서(C)로 Surge를 흡수하고 저항(R)은 고주파 진동을 방지하게 한다. 이 밖에도 비교적 소용량의 정류기에는 Avalanche 다이오드나 비직선 저항 등을 설치하는 경우도 많다.

냉각장치의 보호

반도체 소자를 사용한 정류장치에는 평소 운전 시 규정 이상으로 온도가 상승하면 소자의 성능 열화 및 결함이 발생하므로 냉각장치의 운전 상태가 항상 정상적이어야 한다. 냉각장치에는 풍냉식과 액체 냉각식이 많이 적용되며 소자를 직접 냉각하는 매체로는 열전달 효율이 좋은 순환수를 사용하며, 직류전압이 높아지면 절연유를 사용한다. 2차 냉각 매체는 공기를 적용한다.