연구에서 배포까지: 영국의 고체 변압기 개발에서의 혁신적 도약

I. 고체 변압기(SST) 개요

고체 변압기(SST)는 전력 반도체, 고주파 변압기, 제어 회로를 통합한 고급 전력 변환 장치입니다.

전통적인 변압기와 비교하여 SST는 AC/AC, AC/DC, DC/DC 변환을 지원하며, 양방향 전력 흐름, 지능형 제어, 컴팩트한 설계 등의 장점을 가지고 있습니다. 주요 구조에는 단일 단계, 두 단계(LVDC 또는 HVDC 링크), 세 단계 구조가 있으며, 각각 특정 응용 분야에 적합합니다.

II. SST의 장점

• 작은 크기와 가벼운 무게: 고주파 작동으로 부피가 최대 80%까지 줄어듭니다.

• 높은 효율성: 변환 단계가 적고 직류 연결을 지원합니다.

• 스마트 그리드 호환성: 실시간 모니터링, 전압 조절, 반응 전력 보상, 고장 격리를 가능하게 합니다.

• 재생 에너지 및 에너지 저장 시스템과의 통합: 태양광, 풍력, 배터리 시스템과 직접 연결됩니다.

• 고성장 시장에 적합: 예를 들어 EV 빠른 충전, 데이터 센터, 철도 교통 등입니다.

III. 응용 분야

• 전력망: 그리드 유연성을 향상시키며, 양방향 전력 흐름을 지원하고 분산 에너지 자원을 통합합니다.

• 전기차(EV) 충전: 초고속 충전(350kW+), 차량-그리드(V2G) 기능, 재생 에너지와의 직접 통합을 가능하게 합니다.

• 철도 교통: 전통적인 견인 변압기를 대체하여 무게를 줄이고 효율성을 향상시킵니다.

• 데이터 센터: 에너지 효율성을 향상시키고 냉각 요구 사항을 줄이며, 재생 에너지 통합을 지원합니다.

• 해양 및 항공: 전기화 전환을 촉진하고 탄소 배출을 줄입니다.

IV. 기술적 도전 과제

• 높은 비용: SST의 비용은 전통적인 변압기의 5~10배입니다.

• 신뢰성 문제: 짧은 회로 내구성이 약하고, 반도체 장치는 전압 스트레스에 취약합니다.

• EMI 간섭: 고주파 스위칭이 전자기 간섭을 일으키므로 복잡한 필터 설계가 필요합니다.

• 절연 및 열 관리: 고주파에서 절연 재료의 성능이 완전히 이해되지 않았습니다.

• 게이트 드라이빙 및 보호: 설계가 복잡하여 격리와 고정밀 제어가 필요합니다.

V. 영국의 시장 기회

• 그리드 현대화: 영국에는 약 585,000개의 변전소가 있으며, 그 중 230,000개의 배전 변전소가 SST로 혜택을 받을 수 있습니다.

• 재생 에너지 목표: 2030년 목표는 해상 풍력 50GW, 태양광 47GW입니다.

• EV 충전 인프라: 2030년까지 300,000개의 공용 충전기가 필요하며, 초고속 충전 시장이 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

• 철도 전기화: 약 2,880대의 디젤 기관차를 대체할 예정이며, SST 시장 잠재력은 £30백만을 초과합니다.

• 데이터 센터 성장: 전력 수요가 계속 증가하고 있으며, SST는 에너지 효율성과 유연성을 향상시킬 수 있습니다.

VII. CSA Catapult의 역할

• SST에 대한 전체 체인 기술 지원을 제공하며, 설계, 시뮬레이션, 프로토타입 검증을 포함합니다.

• ASSIST와 같은 프로젝트를 이끌어 영국의 국내 고전압 Si 장치 공급 체인 발전을 촉진합니다.

• 다목적 최적화, 고급 패키징, 열 관리와 같은 핵심 역량을 보유하고 있습니다.