모빌리티와 철도 부문의 ‘RTU(Ready to Use)’ DC/DC 찾기

전자 장비 가동 환경에도 여러 가지가 있지만, 그중에서도 모바일이 아마 가장 가혹한 조건일 것입니다. 그런데 모바일의 범위가 철도부터 소재 취급 장비, EV, 전자 스쿠터 등 온갖 부문을 섭렵하며 확대되고 있습니다. 특히 철도차량(rolling stock) 분야의 경우, 안전성과 효율성을 높여 비용을 절약하고, 데이터 연결성과 지능형 표지판과 같은 편의 기능도 도모하기 위해 자동화를 도입하는 사례가 늘어나고 있습니다. 이 모든 것이 오염, 충격, 진동이 심한 전형적인 철도 환경에서 안정적으로 작동해야 하는데, 일반적인 DC 철도의 경우 공칭 110VDC인 경우가 가장 많으며 몇몇 변형 버전의 경우 최저 24VDC인 경우도 있습니다. 보편적으로 적용하는 표준은 EN 50155(현재 2021년 7월 버전)인데, 이 표준은 전기와 물리적 환경만 규정하는 것이 아니라 기술적인 구성 기능, 안정성, 유지보수, 사용 수명, 문서 기록, 테스트에 관한 내용도 다룹니다.

철도 공급 전압은 천차만별

철도에 공급하는 DC 공급 전력을 민감한 전자 제품용으로 변환하는 전력 공급 모듈은 환경, 절연, EMC 사양을 만족해야 할 뿐만 아니라 극히 폭넓은 입력 전압도 감당해야 합니다. 입력 전압에는 중첩 서지, 급감, 드롭아웃 등도 포함됩니다. 그림 1에 EN 50155에서 정의한, 성능에 아무런 영향이 없는 레벨을 표시하였습니다.

철도 분야의 ‘RTU’ DC/DC 컨버터를 찾아서

이런 사양을 모두 만족하는 철도용 ‘RTU’ DC/DC 컨버터를 찾기란 좀처럼 쉽지 않다는 사실은 놀랄 일도 아닙니다. 입력 범위가 넓은 범용 DC/DC 컨버터로도 ‘일반적인’ 철도 입력 전압 변형을 감당할 수 있을지 몰라도, 실전에 투입했을 때 EN 50155의 요구 사항에 전부 부합하려면 상당량의 외부 회로가 필요할 가능성이 있습니다. 예를 들어 역방향 입력 극성 보호, 돌입 전류 제한 등이 필요할지도 모르고, 외부 커패시터가 공급 간섭 사양에 부합하려면 최소 10ms의 체류 시간이 필수적일 수도 있습니다. 전형적인 ‘표준형’ DC/DC 컨버터의 경우 내부 체류 에너지 보관량이 거의 또는 전혀 없기 때문에, 이를 외부에서 제공하는 경우 필요한 커패시터가 가능한 최고 수준의 입력 전압에 맞는 정격이어야 하고, 정격 출력 전력에서 최저 공칭 입력에 필요한 체류를 보장할 수 있어야 합니다. 이 때문에 부품 크기가 커지고 장착하기 불편한 데다, 통제하기 힘든 대량의 돌입 전류가 발생할 가능성도 생깁니다. 대부분의 DC/DC는 절연 전압 정격에도 한계가 있어서 ‘작동함(Functional)’이나 기껏해야 ‘기본(Basic)’ 수준인데, 철도 분야에서는 보통 시스템 설계자가 3kVAC 절연 전압의 ‘강화(Reinforced)’ 등급을 지정합니다.

어쩌다 범용 오픈 프레임 DC/DC가 전기 사양에 부합한다 하더라도, 높은 출력 전력에 비해 크기가 작을 수 있어서 이 용도에 맞추려면 강제로 공기를 주입해야 합니다. 철도 부문에서는 유지 보수, 소음, 수명 문제 때문에 팬(fan)을 선호하지 않는 편입니다. 따라서 이용할 수 있는 ‘냉각벽(cold wall)’을 무엇이든 활용하도록 베이스 플레이트를 사용하는 대류 냉각을 애용합니다. 베이스 플레이트로 냉각하는 벽돌 형태에서는 DC/DC가 모든 열을 냉각벽으로 내보내지만, 대신 앞서 언급한 광범위한 외부 회로와 상호 연결이 필요해집니다.

해결책

이 난관을 타개할 해법은 EN 50155의 요구 사항에 부합하되 다양한 공칭 전압, 서지, 급감, 10ms 드롭아웃까지 감당할 수 있는 광범위한 입력 범위를 겸비하도록 특별히 설계한 DC/DC입니다. 예를 들어 RECOM의 ‘RTU’ RMD 범위(그림 5)의 경우 정격 150W, 300W, 500W로 판매되며 팬리스 작동식, 오픈 프레임 베이스 플레이트 냉각 방식이라 OT4와 ST2 클래스까지 가능합니다(주변 온도 -40°C~+85°C). 나사 단자를 통해 연결하므로 설치도 편리합니다.

150W, 300W 모델의 입력 범위는 16.8VDC~137.5VDC입니다(100ms와 1초에 각각 14.4VDC~154VDC). 이와 같은 12:1 범위로 110VDC 공칭 입력에서 1.4 x Vnom, 24VDC 입력에서 0.6 x Vnom 등의 양극단을 감당할 수 있으며, 500W 모델의 경우 공칭 입력 72VDC와 110VDC에서 50.4VDC~137.5VDC(3초당 170VDC) 범위에서 작동합니다. 모든 기종이 O 링 다이오드를 포함한 단일 24VDC를 제공하므로 중복 병렬 작동, 입력 역극성 보호, 10ms의 체류 시간, 원격 제어 및 돌입 전류 제한이 보장됩니다. 또한 이들 제품은 철도 EMC 사양 EN 50121도 준수합니다.

장애인용 스쿠터, 골프 버기 등 다른 모바일 용도 또한 RMD 시리즈와 같은 당사 제품의 ‘플러그 앤 플레이’ 기능을 이용하면 유익합니다. 공급 전압이 다양할 수 있고 가혹한 환경에 직면할 수 있어도 이를 충분히 감당할 수 있기 때문입니다. 이러한 분야에서는 RMD 시리즈의 우수한 효율도 진가를 발휘합니다. 배터리 작동 시간을 늘리는 데 큰 도움이 된답니다.