절연의 중요성(동작 전압 vs. 테스트 전압)

엔지니어는 의료, 전기 통신, 산업 등 모든 분야에서 전원 공급장치를 선택할 때 다양한 요인을 고려해야 합니다. 최우선 순위는 공급장치가 그 사례에 필요한 AC 및/또는 DC 입력 전압 범위를 감당하고, 필요한 출력 전력을 제공할 수 있어야 한다는 것입니다. 이 외에 중요한 고려 사항으로는 효율, 열 관리, 크기, 규제 준수, 전자기 적합성(EMC)과 환경적 견고성 등이 있습니다.

이때 흔히 간과하는 한 가지 측면은 적절한 절연입니다. 적절한 절연 특징을 갖춘 전원 공급장치를 선택해야 장기적인 시스템 안정성, 안전성과 표준 규정 준수를 보장할 수 있습니다. 미션 크리티컬 장비나 안전성이 중요한 장비, 예를 들어 산업, 의료, 자동화 분야의 경우 정보에 기반해 설계를 결정하려면 테스트 전압과 동작 전압의 차이점을 제대로 이해하고 있어야 합니다.

전원 공급장치에서 절연 장벽은 주전원에 연결된 입력(1차측)과 부하를 제공하는 출력(2차측)을 전기적으로 일부러 분리하는 것을 말합니다. 이 장벽을 통해 직접적인 전류가 양쪽 사이에서 흐르지 않도록 방지하면서도 전력과 데이터를 안전하고 효과적으로 전송할 수 있습니다. 이러한 절연은 대개 전력 전송을 위한 변압기를 사용해 구현하고, 여기에 제어 신호 피드백 용도로 옵토커플러 또는 디지털 아이솔레이터를 사용해 보완합니다.

절연 장벽에서 "동작 전압"("연속 전압"이라고도 함)이라는 용어는 정상 작동 중에 절연된 두 도메인 사이에 계속 존재할 수 있는 최대 전압 차이를 말합니다. 이 값은 절연 요구 사항을 결정하고 전원의 안전 등급을 정하는 데 매우 중요하며, 입력 전압뿐만 아니라 시스템 구성에도 크게 좌우됩니다.

"절연 내전압"("테스트 전압"이라고도 함)은 절연 소재("유전체")가 고장 나지 않고 감당할 수 있는 최고 전압을 가리킵니다. 즉, 절연 소재가 절연을 유지하면서 전류가 안전성을 저해하는 방식으로 통과하지 않도록 하는 임계값입니다. "내전압 테스트"("고전압 테스트" 또는 "하이팟 테스트"라고도 함)는 바로 이런 개념을 기반으로 합니다. 이 테스트에서는 절연 장벽에 높은(보통 동작 전압보다 훨씬 높은 수준) 전압을 적용합니다. 이 테스트의 목적은 고장이나 과도한 누출 없이, 절연이 온전하게 유지되는지 확인하는 데 있습니다. 즉, 제품이 안전하고, 과도 또는 고장 상태에서도 회복력이 우수한지 입증하고자 합니다.

내전압 테스트를 실시할 때는 지정된 시간 동안(보통 1초 또는 60초) 고전압을 적용하여 누출이나 고장이 없는지 확인합니다. 1초 테스트는 보통 부품 성능 저하를 방지하기 위해 생산 공정에서 사용되고, 60초 테스트는 좀 더 엄격한 방식을 취하며 형식 승인(type approval)이나 인증에 주로 사용됩니다. 동작 전압, 테스트 소요 시간의 다양한 승수를 정의하는 데 여러 가지 표준이 있고, 절연 무결성을 검증하기 위한 테스트 파형도 있습니다.

전원 공급장치의 안전성과 안정성을 파악하려면 공급장치의 전기적 특성과 물리적 설계에 주의를 기울여야 합니다. 다음과 같은 요구 사항은 표준에 따라 지정됩니다.

• 동작 전압(장벽 전체의 연속 전압)
• 절연 내전압(단기 고전압 테스트)
• 절연의 종류(기초, 부가, 강화 또는 이중)
• 공간 거리
• 연면 거리
• 오염도
• 과전압 카테고리(OVC)
• 고도
• AC vs. DC 입력(AC 설계의 경우, 피크 전압과 과도 현상이 더 심하므로 더 강력한 절연과 넓은 간격이 필요함)

공간 거리는 두 전도성 부품 사이의 공기를 통과하는 최단 거리를 말하며, 이 거리를 확보하면 "플래시오버"(공기를 통한 아크 발생)를 방지할 수 있습니다. 반대로 연면 거리는 두 전도성 부품 사이의 표면을 잇는 최단 거리를 말하며, 이는 "트래킹"(절연 소재 표면을 따른 전류 흐름)을 방지하기 위한 것입니다. 필수 거리는 여러 가지 요인에 따라 달라집니다.

• 동작 전압
• 과전압 카테고리
• 오염도
• 소재 그룹(절연 트래킹 내성)
• 고도

과전압 카테고리(OVC)는 전원 공급장치의 작동 장소에 따른 계층 구조를 나타낸 것입니다. 카테고리 수치가 클수록 과도 전압 피크가 높고, 따라서 안전성을 유지하는 데 필요한 공간이 더 커지고 테스트 전압이 더 높아집니다. 아래에 이러한 카테고리를 간략하게 정리해 놓았습니다.

• CAT I: 보호된 전자 회로(배터리 구동식, 에너지양에 한계가 있는 이차 회로)
• CAT II: 국소 가전(가정용, 휴대용 공구)
• CAT III: 건물 설비(분전반, 고정 설비)
• CAT IV: 설비 근원(서비스 드롭, 일차 배전)

오염도(PD)는 정상 작동 중에 전원 공급장치의 절연 측에 누적될 수 있는 전도성 오염물의 양을 나타냅니다. 오염도가 높으면 안전한 절연을 위해 확보해야 하는 연면 거리가 커집니다. 아래에 이러한 카테고리를 간략하게 정리해 보았습니다.

• PD 1 (0.1x): 깨끗하고 건조(예: 밀폐된 전자 제품, 공간)
• PD 2 (1.0x): 통상 비전도성, 가끔 결로 발생(일반적인 실내 공간)
• PD 3 (1.5x): 전도성 오염 또는 높은 습도(예: 주방, 공장)
• PD 4 (2.5x): 영속적인 전도성 오염(염수 분무가 심한 야외 환경, 화학 공장 등)

각각의 오염도에는 상응하는 승수가 있어 동작 전압 kV당 기본 연면에 적용됩니다. 예를 들어 기본 연면이 2mm/kV이고 전원 공급장치를 PD 4 환경에서 사용할 예정인 경우, 요구 사항은 2mm x 2.5 = 동작 전압 kV당 5mm가 됩니다. 게다가 고도의 효과도 고려해야 합니다. 고도가 높아질수록 공기의 밀도가 낮아지고, 그러면 절연 강도가 감소해 아크 발생 위험이 커집니다. IEC 60664-1과 같은 표준에서는 해발 고도 2,000m를 초과하면 연면에 저감 계수를 적용합니다. 예를 들어 고도가 5,000m인 경우 필수 연면을 해수면 대비 50% 이상 늘려야 합니다.

엔지니어링 업계에 오래된 농담이 하나 있습니다. "표준 좋지요... 아예 각자 하나씩 있으면 더 좋지 그래요." 문제는 실제로 수많은 조직에 자체 표준이 하나씩 있다는 사실입니다. 전원 공급장치 절연과 관련해서도 수많은 표준이 있고, 요구 사항이 서로 다릅니다. 전원 공급장치 절연 및 안전성과 관련된 비교적 보편적인 표준을 예로 들면 다음과 같습니다.

• IEC 60950-1: IT 및 전기 통신 장비(현재 IEC 62368-1로 대체됨)
• IEC 62368-1: A/V, IT 및 전기 통신(IEC 60950-1의 최신 대체 표준)
• IEC 60601-1: 의료용 장비(환자/사용자 보호 포함)
• IEC 61010-1: 연구소 및 산업 현장(검사 및 계측 장비 위주)
• IEC 60204-1: 산업용 기계 시스템(보통 IEC 61010과 함께 적용)
• IEC 62109-1/-2: 솔라 인버터 및 PV(고전압 태양열 장비용)

설상가상으로, 다양한 규제 기관과 인증 기관이 존재하는 데다 그런 기관에도 각자 일련의 요구 사항이 있어 문제는 더욱 복잡해집니다. 주요 기관으로는 UL(Underwriters Laboratories - 미국), CE(Conformité Européenne – 유럽 연합), CCC(China Compulsory Certificate – 중국), PSE(Product Safety Electrical Appliance & Material – 일본) 등이 있습니다. 예를 들어 CE에서는 특정 전압 수준에서 1초 검사를 해야 한다고 하는데 UL에서는 다른 수준에서 60초 검사를 요구할 수도 있습니다. 이로 인해 복잡한 "요구 사항 조각 모음" 같은 상황이 발생해 제조업체가 전 세계에서 규정을 준수하려면 이 난관을 해결해야 합니다.

RECOM은 광범위한 전원 공급장치 포트폴리오를 제공하여 임베디드, IoT 시스템에 사용되는 초소형 컨버터부터 산업용, 자동화 분야에 맞는 고강도 컨버터에 이르기까지 폭넓은 분야와 시장의 니즈를 아우릅니다. 주목할 만한 사실은, RECOM이 최근 자사 대표 상품인 산업용, 자동화용 전원 공급장치 RACPRO1 DIN 레일 시리즈로 2025 레드닷 어워드 제품 디자인 부문을 수상했다는 점입니다. 또한 RECOM은 의료, 전기 통신, 네트워킹, 레일, 운송 등 이 외에도 다양한 부문에 제품을 제공하고 있습니다.

RECOM 전원 공급장치는 각각 설계 시 의도한 응용 분야의 절연 및 동작 전압과 테스트 전압 요구 사항에 부합하도록 특수 제작되어 있습니다. 또한 절연 규제와 관련된 복잡한 상황을 함께 헤쳐나갈 수 있도록 RECOM 전문가가 지원해 드리고 있습니다.

효과적인 AC/DC 전원 공급장치 설계를 구현하는 데 필요한 광범위한 인사이트와 전문 지식은 RECOM AC/DC, DC/DC 및 EMC 기술 자료집을 참조하세요. RECOM의 AC/DC 전원 공급장치의 에너지 효율: 필수 요소 빠른 가이드 블로그에서도 Ecodesign 규정에 대한 유용한 개요를 확인할 수 있습니다. Ecodesign 규정은 정부 또는 규제 기관에서 시중의 제품이 전체 수명 주기 동안 환경에 미치는 영향을 최소화하도록 설계되었는지 확인하기 위해 정립한 일련의 표준과 지침입니다. 이러한 규정은 주로 폐기물, 배출 가스, 자원 소모량을 줄여 에너지 효율을 개선하고 지속 가능성을 촉구하는 데 중점을 둡니다.