MagnaLOAD 동작 프로파일 및 범위
Magna-Power의 MagnaLOAD DC 전자 부하는 선형 및 능동 저항이라는 두 가지 에너지 소산 토폴로지를 사용합니다.
선형 토폴로지는 공냉식 ALx 시리즈에 사용되며, 시중에서 판매되는 대부분의 전자 부하와 동일한 방식입니다. 선형 동작 영역으로 구동되는 MOSFET를 주요 열 소산 소자로 사용합니다. MOSFET를 이용한 에너지 소산은 간단하고 잘 알려진 방식으로, 매우 넓은 전압 범위에서 최대 전력 동작이 가능합니다. 그러나 이 토폴로지의 단점은 와트당 비용이 높고 대용량 전력 애플리케이션에 많은 수의 능동 소자가 필요하여 선형 전자 부하의 가격이 상대적으로 높다는 것입니다.
특허 받은(미국 특허 9,429,629) 능동 저항 토폴로지는 공냉식 ARx 시리즈 및 수냉식 WRx 시리즈에 사용되며, 스위칭 방식의 수동 저항 매트릭스가 주요 전력 소산을 담당하고, 이에 상대적으로 적은 수의 능동 소자가 직렬로 결합됩니다. 새로운 프로그래밍 설정값이나 DC 입력 버스의 변동이 발생하면 저항이 회로에 투입 또는 분리되며, 동시에 능동 소자의 디지털 제어를 통해 전환이 원활하게 이루어집니다. 주요 열 소산 소자로 능동 소자 대신 수동 소자를 사용함으로써, 능동 저항 전자 부하는 기존 전자 부하보다 현저히 낮은 가격으로 제공되어 고전력 요구사항에 경제적인 전자 부하 적용이 가능합니다. 수동 저항은 고정 임피던스를 가지므로, 최대 전력을 달성할 수 있는 전압 범위는 선형 기술 부하보다 더 제한적입니다. 전자 부하의 동작 프로파일은 제품 선택 시 고려해야 할 중요한 사항입니다.
MagnaLOAD 동작 프로파일
MagnaLOAD 모델은 시리즈명과 세 가지 숫자(최대 전력, 최대 전압, 최대 전류 순서)로 지정됩니다. 예를 들어, 모델 ARx13.5-1000-28은 최대 전력 13.5 kW, 최대 전압 1000 Vdc, 최대 전류 28 Adc로 정격됩니다. MagnaLOAD의 넓은 최대 전력 동작 범위로 인해, 모델명만으로는 해당 정격이 어떤 범위에서 달성되는지 즉시 파악하기 어려울 수 있습니다. 최대 전력 동작 범위는 다음과 같이 쉽게 결정할 수 있습니다:
- 모델의 최대 전력 정격을 최대 전압 정격으로 나누어 제품의 최대 전압에서의 전류를 결정합니다.
- 모델의 최대 전력 정격을 최대 전류 정격으로 나누어 제품의 최대 전류에서의 전압을 결정합니다.
이 두 전압 및 전류 지점 사이에서 최대 전력 동작 범위가 결정됩니다. 예를 들어, 모델 ALx2.5-200-600의 경우:
모델 ALx2.5-200-600의 2.5 kW 정격 최대 전력 동작은 482 Vdc 및 56 Adc에서 1000 Vdc 및 27 Adc까지의 범위에서 달성됩니다. 아래 그래프에 전압 대비 전력 및 전류가 표시되어 있습니다:
또 다른 예로, MagnaLOAD DC 전자 부하 모델 ARx27-1000-56의 경우:
모델 ARx27-1000-56의 27 kW 정격 전력 운전은 482 Vdc 및 56 Adc에서 1000 Vdc 및 27 Adc 범위에서 달성됩니다. 아래 그래프에 전압 대비 전력 및 전류가 표시되어 있습니다:
능동 저항 방식인 ARx Series 및 WRx Series MagnaLOAD의 간단한 경험 법칙으로, 최대 전압의 48%에서 100% 범위에서 전력 정격을 달성할 수 있습니다. ALx Series의 경우 훨씬 넓은 전력 동작 범위를 가지므로, 위의 식 1-2의 계산을 사용하는 것이 가장 좋습니다.
물론 MagnaLOAD는 그림 1 및 그림 2의 동작 프로파일 외부에서도 감소된 전력으로 동작할 수 있으며, 이 경우 해당 제품의 데이터시트 또는 사용자 매뉴얼에 명시된 동작 프로파일을 검토해야 합니다. 다양한 모델과 전력 수준을 고려하여 Magna-Power는 해당 제품 시리즈의 정격 값을 기준으로 이러한 프로파일을 정규화합니다. 모델의 동작 프로파일을 도출하려면, 프로파일의 정규화된 값에 모델 번호의 정격 값을 곱하면 됩니다. 그림 3은 정규화된 ARx Series 고출력 범위 동작 프로파일을 보여주며, 그림 4는 모델 ARx40.5-100-840에 적용된 ARx Series 고출력 범위 동작 프로파일을 보여줍니다.
저출력 동작 범위
능동 저항 방식 MagnaLOAD인 ARx Series 및 WRx Series에는 전면 패널 또는 컴퓨터 명령으로 선택할 수 있는 두 번째 동작 범위인 저출력 범위가 있습니다. 이 동작 범위는 수동 저항기를 우회하고 MOSFET만을 사용하여 전력을 소산함으로써, 저전압에서 최대 정격 전류를 달성할 수 있게 합니다. MagnaLOAD는 이 저출력 범위에서 정격 전력의 약 20%만 소산할 수 있지만, 고출력 동작 프로파일로는 대응할 수 없는 저전압 애플리케이션에 유용합니다.
그림 5는 정규화된 ARx Series 저출력 동작 프로파일을, 그림 6은 모델 ARx40.5-100-840에 적용된 ARx Series 저출력 동작 프로파일을 보여줍니다.
MagnaLOAD 동작 프로파일 및 범위의 응용 사례 적용
MagnaLOAD DC 전자부하의 다양한 애플리케이션 중에서, 제품의 동작 프로파일과 범위를 가장 잘 보여주는 몇 가지 사례를 선정하였습니다.
12 Vdc 및 48 Vdc 자동차 시험
한 자동차 제조업체가 기존 12 Vdc 자동차 애플리케이션 시험뿐만 아니라, 48 Vdc 플러그인 하이브리드 전기 시스템 시험에도 MagnaLOAD를 사용하기 위해 Magna-Power에 문의하였습니다. MagnaLOAD는 12 Vdc 납축전지 및 48 Vdc 리튬이온 배터리의 방전 시험과 함께, 12 Vdc 교류발전기 부하 시험 및 하이브리드 차량의 48 Vdc 버스에서의 배터리 에너지 회수 시뮬레이션에도 사용됩니다. 제공된 최악의 경우 방전 사양은 다음과 같습니다:
- 스타터 모터 크랭킹 시뮬레이션을 위한 납축전지에서의 12 Vdc, 최대 방전 전류 350 Adc
- 가속 중 리튬이온 배터리에서의 48 Vdc, 최대 소산 전류 400 Adc
이 애플리케이션의 최대 전력 요구 사항인 48 Vdc에서 400 Adc의 리튬이온 조건은 ARx Series의 전력 범위(6.75 kW ~ 40.5 kW)에 해당합니다:
이 19.2 kW 전력 요구 사항과 Magna-Power의 제품 라인업을 기반으로, 가장 적합한 ARx Series 모델은 20.25 kW 이상의 범위가 됩니다. 이제 동작 지점이 제품의 동작 범위 내에 있는지 확인하는 것이 중요합니다.
그림 3의 빨간색 선을 참조하면, ARx Series MagnaLOAD DC 전자부하는 고출력 동작 범위에서 최대 정격 출력 전압의 48%에서 100% 사이에서 전력 정격을 달성할 수 있습니다. Magna-Power의 제품 라인업에서 48 Vdc에서 전력 정격을 달성할 수 있는 유일한 전압 범위는 최대 전압 100 Vdc 정격의 MagnaLOAD입니다. 48 Vdc는 100 Vdc MagnaLOAD 정격 전압의 48%에 해당하기 때문입니다. 따라서 48 Vdc는 100 Vdc MagnaLOAD의 전력 동작 범위 내에 포함됩니다.
그림 3의 진한 파란색 선을 참조하면, 12 Vdc에서 100 Vdc ARx Series MagnaLOAD의 고출력 범위 전류 능력은 최대 전류 정격의 22.5%에 불과합니다. 여기서 저출력 범위가 필요합니다.
저전압 애플리케이션의 경우, MagnaLOAD를 저출력 범위로 구성하면 그림 5의 동작 프로파일을 제공합니다. 이 범위에서 MagnaLOAD는 저전압에서도 정격 전류 능력에 가깝게 달성할 수 있습니다. 다시 그림 5를 참조하면, 12 Vdc—100 Vdc MagnaLOAD 정격 전압의 12%에 해당—에서 정격 전류의 95%를 달성할 수 있습니다.
19.2 kW를 초과하는 가장 가까운 전력 정격인 모델 ARx20.25-100-420의 동작 조건을 평가합니다:
식 6에서 알 수 있듯이, 48 Vdc에서 MagnaLOAD 모델 ARx20.25-100-420은 고출력 범위에서 421.8 Adc를 달성할 수 있으며, 리튬이온 배터리 시험 요구 사항을 충족합니다.
수식 7은 MagnaLOAD 모델 ARx20.25-100-420이 저전력 범위에서 12 Vdc에서 정격 전류의 95%로 제한되지만, 399 Adc는 납축전지 테스트 요구 사항을 충족하기에 충분한 전류를 제공한다는 것을 보여줍니다.
따라서 모델 ARx20.25-100-420은 고전력 범위(그림 3)와 저전력 범위(그림 5)를 활용하여 두 가지 요구 사항을 모두 충족합니다.
확장 기능을 갖춘 500 Vdc 전기자동차 테스트
Magna-Power는 한 전기자동차(EV) 제조업체로부터 전기자동차용 500 Vdc DC 버스 테스트에 대한 문의를 받았습니다. MagnaLOAD는 배터리 팩 대신 사용되어 역방향 에너지를 소산하는 데 활용됩니다. 또한 MagnaLOAD는 차량 탑재 배터리 충전기에 대한 부하도 제공합니다.
탑재 충전기로 인해 전력 요구 사항은 12 kW였습니다. 사용자는 공랭식 솔루션을 선호했으며, 이는 ARx 시리즈(공랭식, 6.75 kW~40.5 kW)에 적합했습니다. 사용자는 먼저 최대 정격 13.5 kW, 500 Vdc, 56 Adc인 ARx13.5-500-56을 선택했습니다. 이 선택은 500 Vdc 전압 요구 사항에서 최대 27 Adc를 제공하여 전체 전력 수요를 충분히 충족할 수 있으므로 가장 논리적인 선택으로 보였습니다.
사용자가 선택한 모델이 현재 수요를 충족하지만, 차세대 차량은 DC 버스 전압을 800 Vdc로 높일 예정이었으며, ARx13.5-500-56은 이 신세대의 테스트 수요를 충족할 수 없었습니다. 그 결과, 당장은 500 Vdc만 필요했지만, 고객은 ARx13.5-1000-28을 선택했습니다. 그림 3을 다시 참조하면, 이 새 모델은 500 Vdc 전압(최대 정격 전압의 50%) 요구 사항에서 여전히 27 Adc를 제공할 수 있으면서도, 1000 Vdc에서 최대 13.5 Adc까지 지원하여 차세대 제품에도 사용할 수 있게 되었습니다.
12 Vdc ASIC 마이닝 전원공급장치 테스트
암호화폐 마이닝 전원공급장치는 고전력을 소비하는 ASIC 마이너를 위해 고전력 +12V 버스를 제공합니다. 생산 검증 과정에서 이러한 마이닝 전원공급장치는 DC 전자부하를 사용하여 사이클 테스트 및 번인 테스트를 수행합니다. 이 특정 애플리케이션에서는 맞춤형 전원공급장치 테스터에서 5개의 전원공급장치를 동시에 테스트합니다. 전원공급장치의 정격은 1200W이며, +12V 레일에서 최대 100 Adc를 출력할 수 있습니다. 따라서 번인 중인 5개의 마이너 전원공급장치에 대한 최대 전력 요구 사항은 6 kW였습니다.
6 kW 요구 사항의 경우, 6.75 kW~40.5 kW 범위의 모델을 보유한 ARx 시리즈가 처음에는 가장 적합해 보입니다. 그러나 요구 사항이 12 Vdc이므로, 저전력 모드에서 ARx 시리즈는 정격 전력의 25% 미만으로 제한되어(그림 5), 12 Vdc, 6 kW 요구 사항을 수용하려면 제품의 용량이 크게 과대 설계되어야 합니다. 대신 ALx 시리즈의 작동 프로파일을 보면, 매우 넓은 범위에 걸쳐 최대 전력을 제공할 수 있어 고전력, 저전압 애플리케이션에 이상적입니다. MagnaLOAD 모델 ALx2.5-200-600의 작동 프로파일에서 발췌한 그림 1을 참조하면, 12 Vdc에서 최대 전력 정격을 달성할 수 있음을 확인할 수 있습니다.
ALx2.5-200-600의 최대 전력 정격은 2.5 kW에 불과하지만, 제품에 포함된 MagnaLINK™ 인터페이스를 사용하여 여러 대를 디지털 마스터-슬레이브 병렬 구성으로 연결할 수 있습니다. MagnaLINK™ 마스터-슬레이브 구성에서는 성능 저하 없이 측정값 통합이 이루어져 단일 제품처럼 작동합니다. ALx2.5-200-600 3대를 마스터-슬레이브로 구성하면 최대 7.5 kW의 전력 용량과 최대 1800 Adc의 전류 용량을 확보할 수 있습니다. 12 Vdc에서 작동 시, 이 마스터-슬레이브 시스템은 ASIC 마이닝 전원공급장치 테스터의 6 kW, 600 Adc 요구 사항을 충분히 충족했습니다.