1.1 연구의 배경

반도체 제조사에서는 전압 강하 및 상승과 고조파로 인한 문제가 가장 흔히 발생하는 전력품질문제로 대두되고 있으며 최근 국내 반도체 제조회사 삼성전자 및 SK하이닉스도 피해를 본 것으로 보고되고 있다^[1]. 국내에서 1년간 순간전압강하(Sag) 발생 횟수는 40-60회로 보고되며, 전력품질저하 유형으로 Sag가 가장 전력품질에 치명적인 요인으로 꼽힌다. 반도체 칩 제조공정 종류에 따라 전력품질에 대한 민감도가 상이하지만 반도체칩 제조 시, DRAM인 경우 최소 3일에서 CPU인 경우 최대 7일이 걸리며 정밀제어 및 정밀 모니터링이 필요한 공정단계는 최소 10개 이상이고 불량률이 1%이상 미세공정 기준치에서 벗어나면 불량 취급되어 공정을 reset해야 한다. 그 결과 막대한 양의 경제적 손실을 가져올 수가 있다. 일반적으로 이러한 순간전압강하를 보상하는 장치로는 무정전전원장치(UPS)와 동적전압보상기(DVR)를 실례로 들 수 있다.

UPS와 DVR은 각각 선로에 병렬 또는 직렬로 삽입하여 순간전압발생시 보상하는 장치로써 요즘 들어와서 많은 연구가 수행되어지고 있다. UPS의 주목적은 전원의 이상으로 인하여 부하에 전력이 공급되지 않을 때 일정전압, 일정주파수를 갖는 전력을 부하에 공급하는 장치로서 일반적으로 세가지 정도로서 분류되어 질 수 있다. 첫 번째는 온라인방식으로서 정류기/인버터가 한페어로 구성되어 있다. 이 방식은 평상시에는 정류기에 의해 DC LINK가 충전되고 인버터에 의해 일정전압/주파수가 부하에 전력을 공급하는 방식이다. 비상시에는 절체 스위치에 의해 전원을 끊고 전력을 끊김 없이 공급하게 된다. 두 번째는 오프라인 방식으로서 평상시에는 전원과 부하가 직렬 연결되어 에너지를 공급하게 되어 비상시에는 절체 스위치에 이해 전원을 끊고 부하와 병렬로 연결되어 있는 UPS로부터 전원을 공급하게 된다^[2-5]. 마지막으로 라인인터액티브형태의 UPS로서 기존의 DC LINK를 충전하기 위한 별도의 정류기가 필요 없다. 평상에는 UPS가 컨버터로서 동작하거나 또는 능동전력필터로 동작하면서 DC LINK를 충전하는 장치로서 동작하다가 비상시에는 역시 절체 스위치에 의해 전원을 끊고 충전되어 있던 DC LINK를 이용하여 전력을 부하에 공급하게 되는 방식이다. 최근에는 위의 세 가지 형태의 장단점을 적절히 배합한 직병렬 혼합형태인 UPS롤 사용하려고 하는 연구가 논의되어 지고 있다^[6-8]. 국내에서는 SEMI 47 및 Samsung 전력품질 표준을 준수하는 대용량 오프라인 무정전전원장치가 없어 대부분 유럽 또는 일본의 대용량 제품을 수입에 의존하고 있어 병렬기반의 대용량 모듈 개발이 필요하다^[9].

본 논문에서는 전력품질 표준에 준수한 해외 대용량 제품을 대체할 반도체 제조장비에 적용한 1,500kVA급 고효율/단위 모듈 오프라인 무정전전원장치의 단위모듈 375kVA급의 설계 및 시험을 통하여 제안한 시스템을 검증하고자 한다.

2.1 시스템 구성도

제안한 시스템의 구성은 Fig. 1, Fig. 2와 같이 인공지능 PMS 랙(PMS(Power Management System) 및 SCR(Silicon Controlled Rectifier)소자, 전원저장 랙(슈퍼커패시터 모듈), 파워모듈 랙(인버터 및 제어모듈), 차단기 변압기 랙(차단기류 및 변압기), 데이터 서버 랙(데이터스토리지)로 구성된다. 제안한 시스템은 파워모듈 및 전원저장 rack은 용량에 따라 변동이 가능하며, 축전기(Super-Capacitor), 전원(Power Module), 서버(Server Module)의 용량증설 및 교체유지보수 용이성을 극대화한 구조적 특징을 가진다.

Fig. 1. Proposed system components

Fig. 2. Definition of modules of the proposed system

Fig. 3과 같이 파워모듈은 3-level T-type Neutral Point Clamped(TNPC) 토폴로지 기반 인버터 회로적용 및 PWM 제어기술을 활용한 저 전력화와 단위 모듈형 IGBT소자를 사용한 PI제어 알고리즘 최적화로 순시전압 이상을 검출하는 기능을 가진다.

Fig. 3. Power module of the proposed system

Fig. 4는 고밀도 고압축 Super-Capacitor 소자로 구성된 단위모듈로 파워모듈과 함께 용량증설 및 유지보수가 편리한 구조를 가지며 셀 밸런싱 및 모니터링이 가능하다. 선택사항으로 수요자의 요청에 따라 Super-Capacitor를 battery로 대체가능하다.

Fig. 4. Super-capacitor of the proposed system

Fig. 5는 전체 시스템구성을 나타낸다. 유지보수 및 용량증설이 편리한 Hot Swapping 기술개발로 정상 운전 중 개별모듈 교체가 가능하고 이를 통해 전력손실 저감과 추가적인 공사를 하지 않아도 되고 작업자의 안정성을 확보할 수 있다. Power Module당 375kVA 용량증설이 되어 375kVA, 750kVA, 1,125kVA, 1,500kVA로 모듈화 사용이 가능하다.

Fig. 5. Overall configuration of the proposed system

2.2 SEMI F47 대응 적용 기술

Fig. 6은 순간정전보상표준기술규격(Power Vaccine Standard)을 설명하는 그래프이다. 반도체와 관련된 자동화 장비 제작 설계 기술 시방에 1초 이내의 순간전압강하 발생 시 스스로 자체 내성을 보유하여 정상 가동을 유지 할 수 있는 규격을 만족한 detecting기술로 빠른 전압 강하 감지 3상 PLL(Phase Locked Loop)개발, 전압 불 평형 및 전압 왜곡 감지 가능한 PLL 기능개선, SCR(Silicon Controlled Rectifier) 전압 강하시 4 msec 이내 보상 알고리즘을 구현한다^[5].

Fig. 6. Power quality standard

Fig. 7은 순시 저전압 검출 기법으로 입력전압 이상을 빠르게 검출하며 인버터의 전류제어 모드와 전압제어 모드 간 고속 전화 및 고속기동 기술을 이용하여 운전모드 전환 시 무순단 절체가 가능하고 대기모드 시 인버터를 off시켜 대기 손실을 최소화 한다. 또한, 정전 시 무순 단으로 절체가 가능토록 하며 인버터가 off 상태에서도 고속 즉각 기동이 가능하므로 대기모드 시 인버터를 off시켜 고효율 운전이 가능하다.

Fig. 7. Technical concept of high-speed transfer

제안한 시스템은 Fig. 8 ～ 10에서 보는 바와 같이, 전력품질 관리플랫폼(PQMS : Power Quality Management System)을 운용하여 실시간 계통 전력품질 검출(Sag, Swel, Noise 등) 및 모니터링 할 수 있다. 계통의 불안정성 혹은 다양한 전력품질을 쉽게 관리하며 불안정한 전력품질에서 즉각 대응이 가능하다. 또한, 불안정한 전력품질상태를 동시다발적으로 전기실 담당자, 관련 반도체공정엔지니어, 사외 수리보수 협력사에게 상황을 즉각 알리는 긴급알림서비스로 선제적 대응이 가능하다.

Fig. 8. Power module of the proposed system

Fig. 9. Comparison of procedures between the existing response system and the power quality management platform.

Fig. 10. Power quality management platform expected response time

2.3 동작모드

Fig. 11과 같이 정상 운전 시 부하에는 사용 또는 예비전원을 공급하며, AC/DC 인버터는 사용 또는 예비 교류전원을 직류전원으로 변환시키고 DC/DC컨버터는 Super-Capacitor을 최적의 충전상태로 유지하는 모드다.

Fig. 11. Normal operation mode of the proposed system

Fig. 12와 같이 정전이 발생하면 SCR(Silicon Controlled Rectifier)회로는 사용 또는 예비 전원을 인버터 출력과 신속히 분리하고 Super-capacitor에서 MC1를 통하여 즉시 양방향 인버터로 직류전원이 공급되어 지정된 정전보상시간 동안 안정된 교류전원이 부하에 공급하는 모드다.

Fig. 12. Operation mode during power outage of the proposed system

Fig. 13과 같이 시스템 운전이 불가능한 상태일 때, 시스템 내부의 유지보수 바이패스 스위치를 통해 부하에 입력전원을 계속 공급하면서 시스템을 유지보수 할 수 있는 모드다.

Fig. 13. Bypass operation mode of the proposed system

2.4 시스템 성능/특성

제안한 시스템의 단위모듈 정격용량은 375kVA 380V 3P4W로 Table 1과 같이 설계 하였다. 정격전압은 선간전압 380V와 상전압 220V로 사용이 가능하며 전압 안정도 ±2%, 주파수 안정도 ±0.1%, 과부하내량 120%, 전압 고조파 왜율(THDv) 2.5%이하, 절체시간 4ms 이내로 운전효율(AC-AC) 99%이상(정격부하 시), 인버터효율(DC-AC) 97%이상(정격부하 시) 조건으로 설계하였다. 파워모듈은 시스템 전체 효율을 고려하여 TNPC(T-type Neutral Point Clamped) 토폴로지 기반 인버터로 설계하였으며 고밀도 고압출 Super-capacitor 소자로 구성된 단위모듈은 액티브 셀 밸런싱 제어와 셀 전압 및 온도를 모니터링 하는 구조를 가진다. 회로제어 부는 제어 부는 DSP(Digital Signal Processor)로 전체 시스템을 제어 및 모니터링 하였다.

2.5 시스템의 제어 및 시뮬레이션

계통과 연계되는 전원장치는 전원 위상추종기(PLL)가 반드시 필요하다. 계통전압 불 평형이 발생하면 동기좌표계 전압에 제2고조파 성분이 포함되기 때문에 정확한 각 추정이 힘들다. 불 평형 시에 전원 위상추종이 불안정해져 정전 오 인식으로 인한 보상 동작이 빈번하게 발생할 수 있으며, 보상 시 제어 성능 저하로 인하여 보상전압에 왜곡이 심해질 수 있다. 따라서 계통전압 불 평형 상황을 고려한 위상 고정 루프 설계가 요구된다. 전원계통을 위와 같이 모델링할 때 전원 각 추정을 위한 PLL(Phase Locked Loop)은 Fig. 14 블록도와 같다. Fig. 15는 동기좌표계 시뮬레이션 결과파형이다.

Fig. 14. Synchronous coordinate system-based PLL

Fig. 15. Waveform of a typical synchronous coordinate system-based PLL

계통 사고 또는 전압강하로 인하여 계통 전압 불 평형 및 고조파 성분이 발생하며, 이는 위에서 언급한 동기좌표계 기반 PLL의 성능저하를 초래한다. 이에 대처하기 위하여 정상분 전압 기반 위상추정 방법이 다양하게 제안되었다. 제안한 시스템에서는 일반화된 2차 적분기(Second Order Generalized Integrator)를 활용하는 PLL(Phase Locked Loop)를 적용한다. 제안한 정상분 기반 PLL(Phase Locked Loop)의 구조는 Fig. 16과 같다. Fig. 17은 SOGI(Second Order Generalized Integrator)를 사용한 QSG(Quadrature Signal Generator)의 시뮬레이션 파형이다.

Fig. 16. QSG using SOGI of the proposed system

Fig. 17. Waveform of QSG using SOGI

제안한 시스템은 DC link의 중성점을 사용하는 3상 4선식 구조이다. 3상 4선식 PWM 컨버터 제어는 전원 전압 불평형 시 중성점 전류로 인하여 3상 3선식 제어에 사용되는 3상 좌표변환과 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation) 기법을 적용하기 어렵다. 따라서 전원 전압 불 평형을 고려한 제어 기법이 요구된다.

3상 4선식 시스템을 위하여 동기 좌표계 기반 각상 개별 제어 알고리즘을 제안한다. 제안한 각상 개별 제어 알고리즘의 구조는 Fig. 18과 같다. 각 단상 시스템에 대하여 동기 좌표계로 표현하기 위해서 90도 위상차가 나는 가상의 전압/전류 신호를 필요로 하며, 90도 위상차 나는 신호는 APF(All Pass Filter)를 사용하여 얻는다.

Fig. 18. Block diagram of the individual control method for each phase of the PWM converter

Fig. 19는 제안한 시스템의 PSIM 시뮬레이션 회로도이다. 시뮬레이션은 3상 계통전압이 불평형인 경우에 대하여 수행하였다

Fig. 19. Simulation circuit diagram of the PWM converter mode of the proposed system

Fig. 20은 계통전압이 3상 불평형인 경우에 대한 시뮬레이션 결과 파형이다. Vdc는 760V로 제어되고 있으며, q-축 전류는 기준치를 잘 추종하고 있다. Fig 20에서 보듯이 입력 전압 과 전류의 위상이 동상으로 역률 “1”제어가 되고 있음을 알 수 있다.

Fig. 20. Simulation waveform of the PWM converter mode of the proposed system

인버터 모드 시뮬레이션은 Fig. 21의 회로도로 수행하였다. 시뮬레이션 조건은 정전 시 인버터 기동을 확인하고, 부하 조건은 3상 불평형 부하인 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다.

Fig. 21. Simulation circuit diagram of the PWM inverter mode of the proposed system

Fig. 22는 375kW 불평형부하를 인가한 경우에 대한 시뮬레이션 결과이다. 첫 번째 파형은 전원 전압 정전으로 인하여 인버터 모드로 절체되는 것을 보여주고 있다. 두 번째 파형은 입력 전원의 정전에도 불구하고 출력전압은 인버터에 의하여 보상되어 사인파가 출력됨을 보여준다. 세 번째 파형은 인버터 출력전류이며 정전 시 인버터가 부하에 전류를 공급하고 있음을 보여준다. 네 번째 파형은 부하 전류이다. Fig 22에서 보듯이 a상에 50% 부하를 인가하고 b상, c상에 정격 부하를 인가한 불평형 부하 시 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션 결과에 의하면 부하 전류의 불평형에도 불구하고 출력 전압은 3상 평형이 유지되고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 22. Simulation waveform of the proposed PWM inverter mode.

2.6 실험결과

Fig. 23은 제안한 시스템의 시험환경 구성을 나타낸다. 1,500kVA급 고효율/모듈형 오프라인 무정전전원장치의 단위모듈 375kVA급 시작품과 에너지저장장치인 Super-capacitor 그리고 시험을 위한 노트북, 오실로스코프, UI 인터페이스로 구성하였다. 시험 전 Super-capacitor를 충전하고 시험을 진행하였다.

Fig. 23. Configuration of the test environment

Fig. 24는 제안한 시스템의 정전운전과 정전운전 시 출력전압 및 인버터 전류 파형을 나타낸다. a지점에서 b지점까지는 정상운전 모드 구간이다. 시험을 위해 입력전원을 b시점에 차단한다. b시점부터 입력전원의 정전을 감지하여 입력전원을 시스템에서 차단하고Super-capacitor에 저장된 에너지를 부하에 공급한다. c시점에는 정격 입력전원을 재 인가한다. c시점부터 정격 입력전압을 감지하여 출력전압을 입력전압 위상에 동기화시켜 입력전원을 부하에 다시 공급한다.

Fig. 24. Waveform of output voltage and inverter current during normal and power outage operation

Fig. 25는 Fig. 24의 b지점을 확대한 파형이다. B시점부터 입력전원이 정전되어도 부하에 안정적인 정격 출력전압과 전류를 공급하는 것을 알 수 있다.

Fig. 25. Enlarged waveform of output voltage and inverter current during power outage operation