전압 수준을 높이는 것이 어려운 이유는 무엇인가요?

고체변압기(SST) 또는 전력전자변압기(PET)는 기술적 성숙도와 적용 시나리오의 주요 지표로 전압 수준을 사용합니다. 현재 SST는 중전압 배전 측에서 10kV와 35kV의 전압 수준에 도달하였으며, 고전압 송전 측에서는 여전히 연구실 연구 및 프로토타입 검증 단계에 머물러 있습니다. 아래 표는 다양한 적용 시나리오별 현재의 전압 수준 상태를 명확하게 보여줍니다:

1. 왜 전압 수준을 높이는 것이 어려운가?
고체변압기(SST)의 전압 수준은 단순히 구성 요소를 쌓아 올리는 것으로 쉽게 증가할 수 없습니다. 일련의 기본적인 기술적 도전과제에 의해 제약받습니다:

1.1 전력 반도체 장치의 내전압 한계

• 이것은 핵심 병목 현상입니다. 현재 주류 SST는 실리콘 기반 IGBT 또는 더 진보된 탄화규소(SiC) MOSFET를 사용합니다.

• 단일 SiC 장치의 전압 등급은 일반적으로 10 kV에서 15 kV 정도입니다. 더 높은 시스템 전압(예: 35 kV)을 처리하려면 여러 장치를 직렬로 연결해야 합니다. 그러나 직렬 연결은 복잡한 "전압 균형 문제"를 초래하며, 장치 간의 미세한 차이조차 전압 불균형을 유발하여 모듈 실패로 이어질 수 있습니다.

1.2 고주파 변압기 절연 기술의 도전과제

SST의 핵심 장점은 고주파 작동을 통해 크기를 줄이는 것입니다. 그러나 고주파에서는 절연 재료와 전기장 분포의 성능이 매우 복잡해집니다. 전압 수준이 높을수록 절연 설계, 제조 공정, 고주파 변압기의 열 관리에 대한 요구사항이 더욱 엄격해집니다. 제한된 공간 내에서 수십 kV 수준의 고주파 절연을 달성하는 것은 재료와 설계 측면에서 중요한 도전 과제입니다.

1.3 시스템 위상 및 제어의 복잡성

높은 전압을 처리하기 위해 SST는 일반적으로 캐스케이드 모듈형 위상(MMC—Modular Multilevel Converter)을 채택합니다. 전압 수준이 높을수록 필요한 하위 모듈의 수가 증가하여 시스템 구조가 매우 복잡해집니다. 제어 난이도는 기하급수적으로 증가하며, 비용과 고장률도 함께 증가합니다.

2. 미래 전망
상당한 도전과제에도 불구하고 기술적 돌파구가 계속되고 있습니다:

• 장치 발전: 더 높은 전압 등급의 SiC 및 질화갈륨(GaN) 장치가 개발 중이며, 이는 높은 전압의 SST를 달성하기 위한 기반이 됩니다.

• 위상 혁신: 새로운 회로 위상, 예를 들어 하이브리드 접근법(전통적인 변압기와 전력 전자 변환기를 결합)은 고전압 적용에서 빠른 돌파구를 위한 가능한 경로로 고려되고 있습니다.

• 표준화: IEEE 같은 조직들이 SST 관련 표준을 제정하면서, 이는 표준화된 설계와 테스트를 촉진하고 기술적 성숙도를 가속화할 것입니다.

3. 결론
현재 10 kV SST는 상업적 적용에 들어갔으며, 35 kV 수준은 시범 프로젝트에서 달성한 최고 수준입니다. 110 kV 이상의 전압 수준은 아직 앞으로의 기술 연구 영역에 머물러 있습니다. 고체변압기의 전압 수준 향상은 전력 반도체, 재료 과학, 제어 이론, 열 관리 기술 등의 조화로운 발전에 의존하는 점진적인 과정입니다.