고전압 전원 장치란?
고전압 전원 장치란 전원 장치 중 특히 고전압을 다루는 장치를 말합니다.
고전압은 일반적으로 수천 볼트 (볼트: 전압의 단위) 에서 수만 볼트이상의 전압을 말하며, 전력회사에서 송전하는 전압은 6.6kV 이상이지만, 전기설비기술기준의 정의는 교류 600V (직류 750V) 이상의 전압을 고전압으로 정의하고 있습니다.
우리가 일상생활에서 사용하는 가전제품은 AC100V 또는 200V로 전압이 낮습니다. 이는 전력회사의 발전설비에서 각 가정으로 송전되는 전원 전압이 AC100V 또는 200V를 표준으로 하고 있기 때문입니다.
일반적인 전원 장치는 AC100V나 200V이지만, 사용 조건에 따라 고전압을 발생시키고자 하는 기기도 있습니다. 구체적으로 전원 전압 이상의 고전압이 필요한 기기나 고전압에 대한 내전압 시험을 하기 위한 기기입니다. 이러한 요구를 충족시키기 위해서는 일반 사용자가 사용하는 전원 전압 이상의 고전압을 발생시키는 컨버터가 필요합니다. 이때 사용되는 것이 바로 고전압 전원장치입니다.
고전압 전원장치의 사용 용도
고전압 전원장치의 사용 용도는 주로 고전압이 필요한 제품의 동작이나 내압 시험 등에 사용됩니다.
고전압이 필요한 장비로는 자동차 차체나 건축자재 등의 도장용 장비, 금속, 플라스틱 등의 표면처리용 장비, 방사선 치료나 엑스레이에 사용되는 X-선 방사선 장치, 전자현미경 등을 들 수 있습니다.
내압시험은 전선 등 산업용 전기기기에 대해 실시합니다. 전기제품 등은 전기용품안전법 (통칭: 전안법) 이라는 일본 전기 관련 안전성을 담보하기 위한 법률에 의해 제품 출하 시 1500V를 1분 또는 1800V 1초라는 제품 내압시험과 절연 내압 실시가 의무화되어 있습니다. 따라서 고전압 전원장치 설비 도입은 필수입니다. 또한, 고전압 및 특고압 전기 취급자 자격 취득을 위한 실습 등에 활용되고 있습니다.
고압 전원장치의 원리
고압 전원장치는 말단에 송전되는 일반 교류전원을 입력받아 이를 고전압으로 출력하는 컨버터로 구성되어 있습니다. 컨버터는 전력회사에서 송전되는 교류전원 전압을 정류기라는 다이오드를 사용한 회로에서 직류전압으로 바꾸고, 전해 콘덴서로 전압을 평활화하는 장치 (유닛) 를 말합니다.
그러나 단순히 컨버터 유닛을 사용하는 것만으로는 100V나 200V이기 때문에 낮은 전압으로 평활화된 직류 전압이 출력될 뿐, 원래 원하는 10배나 100배 이상의 고전압을 얻을 수 없습니다. 단순히 승압 변압기의 권선비로 승압하는 것은 가능하지만, 이것은현실적으로 한계가 있습니다.
고전압을 얻기 위해 다이오드와 커패시터를 조합한 콕크로프트-월튼 회로를 사용합니다. 커패시터의 축전 능력과 다이오드의 정류 작용을 이용한 방법입니다. 교류의 한 방향의 입력에 대해 커패시터가 축전된 후, 역방향의 전류가 흐를 때 승압되는 구조입니다.
이 회로 방식은 앞서 설명한 정류기를 이용한 회로를 겹겹이 쌓아 전압을 올리는 방법으로 일반적으로 사용되고 있으며, 기술자들 사이에서는 배전압 회로 또는 고전압 발생 회로 등으로도 불리고 있습니다. 전압의 상승은 짝수 배로 증가하기 때문에 홀수 배의 승압은 불가능합니다. 적절한 고전압 다이오드와 세라믹 커패시터의 조합을 통해 1kV 이상의 고전압을 얻을 수 있습니다.
고전압 전원 공급 장치에 대한 추가 정보
1. 고압 전원 모듈
고전압 전원 모듈은 대체로 1kV 이상의 고전압을 공급할 수 있는 고전압 대응형 전원 장치입니다.
특히, 저소음과 신뢰성을 확보하면서 고효율화를 통한 다운사이징을 실현한 기술력으로 유명한전원장치 제조업체가 물량 및 사용 편의성 향상으로 저가를 실현하여 범용 제품으로 모듈화한 고전압 출력형 전원장치 모듈입니다.
고압 전원 모듈의 주요 제조사 및 제품으로는 베르닉스 OHV 시리즈 외, 아메리칸 하이볼티지 TCR 시리즈 외, 마츠다테츠 프레시전 GP 시리즈 외, 제너럴 물산 HitekPower, 다카사고제작소 TMK형 시리즈, 하마마츠 포토닉스 C14051 시리즈 등이 있습니다. 원래의 고전압에 더해 출력전류도 증가하면 할수록 그 모듈의 크기가 커지기 때문에 실제 사용하는 부하의 사용에 따라 그 여유도와 온도 상승 및 절연 내압 확보에 유의하여 선정해야 합니다.
2. 고전압 전원 공급 장치 기판
고전압 전원 공급 장치의 기판은 고전압이기 때문에 고전압 회로에 사용되는 기판에 대한 주의 사항이 있습니다. 전압이 높아질수록 기판의 절연 거리가 충분히 확보되는 것이 표준으로 요구되기 때문입니다. 고전압은 에너지가 크기 때문에 작업 중 심각한 감전사고가 발생할 가능성이 커지기 때문에 안전을 확보하기 위해 기판의 연면거리와 절연거리, 안전 접지 설치 등 내전압과 감전에 대한 안전조치를 취해야 합니다.
실제로 일본 내에서는 전기용품안전법 (통칭: 전안법), 국외에서는 IEC 표준을 대표로 하여 이에 준거하는 국가별 규격에 따라 기판 상에 있는 전도성 동박 패턴 간 절연 거리를 확보한 기판 패턴 설계가 절대적으로 필요합니다. 이를 준수하지 않을 경우 법 위반으로 벌금 등의 처벌 대상이 되며, 처벌을 받을 뿐만 아니라 사회적 신용 자체가 실추될 가능성도 있기 때문에 고압형 전원 기판에 관해서는 특히 그 기판 패턴의 절연 거리가 확실히 표준을 충족하고 있는지 여부가 매우 중요한 확인 포인트가 되며, 제조사측과 사용자측 모두 충분한 주의가 필요합니다.