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전기에너지는 직류(DC:Direct Current)와 교류(AC:Alternating Current)로 구분합니다. 직류는 전류회로에서 전압과 저항이 일정할 때, 전자의 이동량과 이동방향이 일정한 전류를 말합니다. 반면, 교류는 전자의 이동량과 이동방향이 시간경과에 따라 주기적으로 변하는 전류를 뜻하지요.

교류는 전기에너지를 만들기 쉽고 멀리까지 전송이 가능하기 때문에 발전소에서 만들어진 전기를 공장이나 사무실, 아파트까지 손쉽게 전기를 끌어올 수 있는 것이 장점입니다. 우리가 흔히 쓰는 가정용 전기는 220V의 전압의 교류전기를 사용하고 있는데요, 발전소에서 생성된 전기에너지가 공장이나 가정까지 직접 전달되기까지 수 차례의 송전과 배전, 변전과정이 이뤄지게 됩니다.

발전소에서 만들어지는 2만 2000V의 전기를 멀리 보내기 위해 15만 4000V 이상의 고압전기로 각 지역에 있는 배전소로 보내게 되고, 배전소에서 다시 변전소를 거쳐 2만 2900V(또는 1만 3200V)로 전압을 낮춘 후 공장이나 아파트의 변전실 또는 전봇대에 설치된 변압기로 공급됩니다. 

변전실이나 변압기에서 다시 220V(공장의 경우 360V)로 전압을 낮춰 최종적으로 우리가 전기를 사용할 수 있는 것이지요. 그런데 우리가 사용하는 가전제품들은 전기콘센트에 전원을 연결하면 교류(AC)전원이 공급되지만 실제로는 가전제품 내에 내장되어 있는 각종 전기회로와 반도체 등은 직류(DC)로만 작동합니다.

직류는 사용전압이 낮을 뿐 아니라 전압이 일정하기 때문에 정밀한 제어가 가능하기 때문에 대부분 5V 또는 3.3V의 직류(DC) 전압으로 작동합니다. 스마트폰 충전기는 물론 냉장고와 세탁기, TV, 청소기 등 대부분의 가전제품에는 이처럼 교류전압을 직류전압으로 변환시켜 주는 변환장치(AC/DC 컨버터)를 내장하고 있습니다. 

또한 전자기기는 각각 동작이 가능한 전압범위가 다르므로, 사용기기마다 적합한 전압을 공급해 주어야 합니다. 자동차도 다르지 않습니다. 주행중에 엔진과 벨트로 연결된 알터네이터(Alternator)라 불리는 교류발전기에서 교류전기가 만들어지는데 다이오드(Diode)라는 반도체 소자가 교류를 직류로 변환해 12V 배터리를 충전하고, 주행중 필요한 전원을 공급하는 역할을 하고 있지요.

이처럼 발전소에서 가정으로 전기를 공급해 주는 과정에서의 변압은 물론 교류를 직류(또는 직류를 교류)로 바꿔주는 것을 전력변환장치라고 부르는데, 컨버터(Convertor)와 인버터(Invertor)가 대표적이라 할 수 있습니다. 전기차나 하이브리드차와 같은 고전압시스템을 탑재한 전동화차량(xEV)의 경우 이러한 컨버터와 인버터를 동시에 탑재하고 있는 것이 특징입니다. 

일반적으로 컨버터는 교류를 직류로 변화해 주거나(AC/DC 컨버터), 직류 전압을 높여주거나 반대로 낮춰주는(DC/DC 컨버터) 장치를 말합니다. 이와는 반대로 직류를 교류로 역변환시켜 주는 장치를 인버터라고 하지요. 조금 다른 의미로는 전기모터에 공급된 전원을 전압과 주파수를 가변해 모터의 속도를 효율적으로 이용할 수 있게 제어하는 장치라고도 합니다.

사실 컨버터와 인버터는 비슷한 역할을 하고 있어 넓은 의미에서는 컨버터가 인버터를 포함하고 있지만 자동차의 고전압시스템에서는 컨버터와 인버터의 역할을 한정적으로 정의하는 경향이 있습니다. 전기차 고전압시스템에서는 교류를 직류로 또는 직류가 교류로 위상이 바뀌는 것을 인버터라고 부르며, 직류전원의 전압을 변화시켜 주는 장치를 컨버터라고 정의하고 있습니다.

리튬이온배터리와 같이 전기차에 사용되고 있는 고전압 배터리는 380V 이상의 고전압 직류를 사용합니다. 또한 2차전지의 특성상 전기를 충전하기 위해서는 직류를 사용해야만 합니다.

전기차의 경우 고전압배터리에 충전된 직류 전원으로 전기모터를 구동시키는데 전기차에 사용되고 있는 전기구동모터는 3상 교류전원을 사용하고 있습니다. 이 때문에 직류를 교류로 변환해 주는 인버터가 필요하지요. 인버터는 회생제동으로 발생하는 교류전기를 반대로 직류로 전환해 고전압배터리를 충전하는 역할도 하고 있습니다. 

가전제품에 사용되고 있는 AC/DC 컨버터의 역할을 대신하는 것이지요. 이 외에도 가정용 전원 또는 완속충전기를 사용해 완속충전할 경우 온보드 충전기(On Board Charger)가 차량내부에서 교류를 직류로 변환해 주는데도 인버터가 관여하고 있습니다.

한편 전기회로에 사용되고 있는 반도체 등은 각각 고유의 작동전압 범위를 가지고 있을 뿐 아니라 요구되는 전압 정밀도도 다를 수 밖에 없습니다. 전압이 일정하게 유지되지 않으면 오동작 및 특성 열화 등의 트러블이 발생하게 됩니다. 따라서, 필요한 전압으로 변환하거나, 안정화하기 위해 컨버터(DC/DC 컨버터)가 필용합니다.

전기차는 컨버터가 380V 이상의 고전압배터리 전원을 12V로 전압을 낮춰 12V 보조배터리를 충전하거나 각종 인포테인먼트와 전장시스템에 전원을 공급하는 역할을 하고 있습니다. 흔히 110V 전원을 사용하는 일부 수입 가전제품을 사용하기 위해 220V 전기를 110V로 전압을 낮춰주는 트랜시스(‘도란스’라고도 불리지요)와 같은 역할을 한다고 할 수 있지요.

김아롱 칼럼니스트/[email protected]