철도차량용 반도체 변압기 개발 현황

초록

기존 철도 차량은 25 kVrms 의 전차선 전압을 1 kV 이하로 낮춰주는 주변압기와, 주변압기의 교류 출력을 DC로 변환해 주는 승압형 컨버터를 이용해 차량의 추진 및 보조기기를 위한 전력으로 사용하고 있다. 이 중 주변압기는 동작 주파수가 60 Hz로 낮아 차량에 안정적인 전력 공급을 위해서는 큰 인덕턴스 값을 필요로 하며, 따라서 다량의 권선을 감거나 대량의 철심으로 구성되어 승압형 컨버터와 함께 철도차량의 부품 가운데 가장 큰 무게와 부피를 차지하고 있으며, 이로 인하여 주변압기 + 승압형 컨버터의 전력 밀도는 약 0.1 ~ 0.5 MVA/ton 으로 낮다. 또한 기존 주변압기는 높은 입력 전압의 절연을 위해 오일을 사용하기 때문에, 정기적인 유지보수에 따른 유지보수 비용의 발생 및 절연유의 오염에 따른 변압기 수명 저하, 전력 품질 저하, 전력 효율 감소, 환경 문제 및 사고 발생 시 차량의 운행 중단 등 문제가 있었다. 이러한 저주파 주변압기 + 승압형 컨버터를 대신할 수 있는 기술로 주목 받는 것이 바로 반도체 변압기 (Solid state transformer or power electronic transformer) 이다. 반도체 변압기는 전력용 스위치를 이용해 25 kVrms 의 고전압을 DC 로 변환 후 다시 수 kHz 이상의 전압/전류를 가지는 isolated DC/DC 컨버터를 이용해 차량에 DC 전력을 공급해 준다. 기존 시스템과는 다르게 저주파 전력을 일단 정류한 후 수 kHz 정도의 Medium frequency의 전압, 전류로 변환해 전력을 전달하기 때문에, 변압기의 부피 및 무게가 획기적으로 절감될 수 있다. 본 특집에서는 철도차량용 반도체 변압기의 국내외 연구 개발 현황에 대해 소개하고자 한다."