절연이 무엇인지는 다들 잘 알고 있지만, 절연의 다양한 유형에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 본고에서는 4가지 절연 유형에 대해서 살펴보고, TI의 고도로 통합된 트랜스포머 기술이 여타의 강화 절연 솔루션에 비해서 어떤 장점이 있는지에 대해 설명하고자 한다.

간단히 말해서 절연(Isolation)이란 시스템 내의 분리된 부품 사이에 원하는 신호와 혹은 전력은 전달하면서 원치 않는 DC와 AC 전류는 차단하는 것이다. 따라서, 많은 애플리케이션에 절연이 사용된다. 절연 기능을 통해서 ▲전원 또는 모터 드라이브 회로의 상측 게이트 드라이버를 구동하고, ▲고전압 시스템 상에서 저전압 회로를 보호하고(전기자동차 시스템의 프로세서 등과 같은 경우), ▲ 전압 전위가 서로 다른 시스템 사이의 통신을 분리하고, ▲고전압 장비를 사용하는 최종 소비자에게 전기 충격이 가해지지 않도록 방지할 수 있다. 그러기 위해서 기능 절연, 기본 절연, 이중 절연, 강화 절연과 같은 다양한 수준의 절연이 사용된다.

기능 절연(Functional isolation)은 용어에서 알 수 있듯이, 단순히 절연 기능만 제공하는 것이다. 전압 전위가 다른 시스템들 사이에 신호나 전력을 전달하며, 전기적 충격에 대한 보호는 제공하지 않는다.

기본 절연(Basic isolation)은 그 다음 단계의 절연이다. 기능 절연에 전기 충격에 대한 보호 기능을 더한 것이다. Class I 디바이스는 기능 절연에 어스 접지 연결을 사용해서 사용자를 보호한다. 그림 1은 통상적인 Class I 디바이스를 보여준다.

이중 절연(Double isolation)은 전기 충격에 대한 기본적인 수준의 보호 기능을 제공하는 기본 절연을 사용한 시스템에 기본 절연이 실패했을 때 발생할지도 모르는 전기 충격의 가능성을 낮추기 위해서 전기적 부분과 최종 소비자 사이에 보조적인 절연 레이어를 추가한 것이다. Class II 제품은 이중 절연을 필요로 한다. 이러한 제품은 어스 접지 프롱이 없는 AC 플러그를 사용해서 제조된다. 사용자 안전을 위해서 외부적 배선을 사용하지 않기 때문에 사용자 안전성을 향상시킨다. 이중 절연을 사용한 최종 장비의 예로는 전력망 자산 모니터링 시스템, IV 펌프 같은 휴대용 의료기기, 블렌더 같은 가전제품, 휴대폰 전원 충전기 등을 들 수 있다.

이차 레이어를 사용해 외부 케이스로부터 내부의 금속 부분을 물리적으로 차단하거나, 또는 외부의 케이스를 플라스틱 같은 비전도성 소재를 사용할 수 있다. Class II 디바이스는 이중의 보호 기능을 위해서 외부에서의 배선을 사용하지 않기 때문에 Class I 디바이스에 비해서 상당한 안전성을 제공한다. 그림 2는 Class II 디바이스의 개략도를 보여준다.
강화 절연(Reinforced isolation)은 단일 레이어를 사용해서 이중 절연과 같은 결과를 달성한다. 강화 절연을 사용한 디바이스는 기본 절연 기능을 제공하는 것을 비롯해 PCB 트레이스, 코어, 권선, 핀 사이에 물리적 간격을 확보하면서 안전을 위한 연면 거리 및 간격(2개의 전압 시스템 사이에 물리적 거리)를 충족하도록 설계된다. 강화 디바이스는 이중 절연을 사용해서 설계되지만 단일 피스로서만 테스트될 수 있다.

안전 표준은 인증을 받기 위해서 달성해야 할 요건들을 규정하고 있다. IEC 60950-1 표준에서는 기본 절연으로 3.2mm, 강화 절연 및 이중 절연으로 6.4mm의 연면 거리 및 간격을 요구한다. 전압 정격 요구는 기본 절연으로 1분에 2,500VRMS 및 1초에 3,000VRMS이고, 강화 절연 및 이중 절연으로는 1분에 5,000VRMS 및 1초에 6,000 VRMS이다. 강화/이중 절연이 정확히 기본 절연의 두 배라는 것을 알 수 있다. 이중 절연 디바이스는 그림 3에서 보는 것과 같은 이중 상자 표시가 라벨 상에 표기된다.

만약 Class II 디바이스를 설계하고자 한다면 이중 절연이나 강화 절연이 필요하다. 이 중에서 어떤 절연을 선택할 지는 해당 솔루션의 크기와 비용에 달렸다. 두 가지 일을 다할 수 있는 단일 디바이스를 사용하면, 당연히 물리적으로 솔루션 크기를 줄일 수 있다. 통합된 단일 디바이스를 사용함으로써 비용을 절감할 뿐만 아니라, 절연 안전성 표준을 충족하는 데 소요되는 엔지니어링도 줄일 수 있다.

소형 패키지에 고도로 통합된 강화 절연 솔루션이 출시되어 있으며, 이러한 솔루션을 사용해서 편리하게 구현할 수 있다. 텍사스 인스트루먼트의 UCC12050은 제어, 드라이버, 전계 효과 트랜지스터, 자기 소자를 비롯한 모든 것을 단일 패키지로 통합하고 있다. 몇 개의 바이패스 커패시터만 있으면 적절한 보드 레이아웃 지침에 따라서 보드 상에 디바이스를 탑재하고, 지극히 소형화된 풋프린트로 바이어스 전원 공급 애플리케이션을 위한 강화 절연 솔루션을 설계할 수 있다. 모든 엔지니어링 작업이 이미 이루어져 있어 자기 소자를 사용한 설계나 전원 컨트롤러를 선택할 필요가 없다.

VDE 0884-10과 IEC 60747-17 같은 표준에서는 강화 절연 디바이스 인증을 위한 최소 요건을 정의하고 있다. U CC12050은 7kVPK(1초, 생산 테스트)의 최소 보호와 5k VRMS(1분) 절연으로 강화 절연에 대한 모든 요건을 충족한다.

요컨대, 기능 절연과 기본 절연은 하나의 전압 레일을 다른 레일로부터 전기적으로 절연하는 것이고, 이중 절연과 강화 절연은 설계만 다를 뿐이지 플러그로부터 어스 접지 핀을 제거하는 같은 목표를 위해 호환 가능한 솔루션이다.

이중 절연에 비해 강화 절연의 장점은 2개의 절연 디바이스를 하나로 줄일 수 있다는 점이다. 이 절연을 사용함으로써 다른 절연형 바이어스 전원 솔루션에 비해서 시간, 노력, 비용을 절약할 수 있다.

   <추가 정보>
•기술 백서 “절연 장벽을 통해서 전력 전달  절연형 DC/DC 바이어스 전원 솔루션”
•UCC12050 데이터 시트
•애플리케이션 노트 “공간 제약적 애플리케이션용의 강화 절연 아날로그 입력 체인”