전자공학을 전공하고 정보보안팀에서 인턴을 하고 있는 나는, 머릿속이 혼란스러울 때가 많다. 네트워크에 대해서도 어느 정도 배웠지만, 실무에서 쓰는 내용은 이론과 차이가 있었다. 학교에서 공부할 때는 정말 자세한 부분만 배웠던 파트도 있고, 수박 겉핥기로 배웠던 부분도 있는데, 실무에 오니 모든 것들을 종합한 지식이 내 머릿속에 있어야 한다...!
그중에서도 가끔씩 헷갈리는 용어들이 있다.
SoC란?
전자공학이나 반도체 공부를 조금 했던 사람은, 당연히 System on Chip 아니야?라고 생각했을 것이다. 여러 기능을 가진 수많은 소자(메모리 소자, CPU 등)들이 모여 하나의 칩을 완성하는 것.
그런데, 인턴을 하면서 SoC란 단어가 조금 어색하게 쓰이는 것을 발견했다. 왜 그것을 SoC라고 부를까? 싶었는데, 알고 보니... SoC의 뜻이 System on Chip이 아니었다.
2023 CES를 참관하기 전, 우연히 한 회사의 인턴 공고를 봤다. 그래서 경험삼아? 써봤다. 내가 왜 '경험삼아'라는 표현을 적었냐면, 내가 원하는 직무는 아니었고, 군대에서 내가 맡았던 일에 대한 직무여서 그렇다.
근데 이게 왠 걸? 자소서에 군대 이야기 밖에 없는데 합격 소식을 들은 나...
물론 1차, 2차 면접을 통과해야지 인턴이 되는 것. 면접 경험을 쌓기 위해서, 나는 귀국하자마자 판교로 달려갔다.
??? 와 정장이 잘 어울리시네요?
나 : 네, 대여했거든요 ㅋㅋ
급하게 준비한다고 정장도 없이 올라왔던.. 그래도 이 면접 날 이후로, 아빠가 정장 한 벌 사줬다. 나는야 불효자st...
면접은 30분간 다대다 형식으로 진행됐다. 면접관 3분, 면접자 4명이었다. 우선 면접자 4명이서 모이는 공간에서, 나는 긴장을 풀겸 다른 사람들에게 말을 걸었다. 사실 이게 맞는 행동인지..는 의문이 들어서, 일단 먼저 말 걸어보고 별로 대답하고 싶지 않은 내색을 보인다면 그만하려고 했다. 다행히도, 다들 자연스럽게 대화를 이어갔고, 그렇게 면접장에 들어서게 됐다.
면접은 생각보다 네거티브 했다. 무슨 말이냐면, 내 자소서 조차 안 읽었다고 느껴진 경험이다.
이게 면접이구나...! 하며 속으로 무릎을 탁! 쳤다.
그렇게 어영부영 면접을 끝내고, 같이 면접 봤던 분들의 번호를 받으며 2차 면접에서도 다같이 보자고 기약했다.
저번에는 Buck converter에 대한 내용을 봤는데, 오늘은 Boost converter에 대해서 알아보겠습니다.
(본 자료는 경북대학교 교수님의 자료를 바탕으로 만든 내용입니다)
Boost converter는 Buck converter와 다르게 Step-up 컨버터라고 불리며, 승압을 해주는 컨버터 입니다. 예를 들어 일본에서 110V의 콘센트를 쓸 때, 우리가 쓰는 220V로 변환해주기 위해 꽂는 돼지코가 승압기 역할을 해준다고 보면 됩니다.
그러면 부스트 컨버터를 강하게(?)만들면 좋지 않냐고 하는데, 보통 전압이 2배가 되면 인덕터에 많은 전류가 흘러서 스위치가 점점 뜨거워지기 때문에, 보통 Conversion Ratio가 2가 되는 경우 까지만 쓴다고 합니다. 이는 아래 내용을 통해 다시 한번 더 확인할 수 있습니다.
Boost Converter
부스트 컨버터에 대한 내용을 하기에 앞서, 커패시터가 정상상태 일 때 커패시터의 전압이 일정하여, 흐르는 전류가 0이라는 것을 인지하고 갑니다.
벅 컨버터와 마찬가지로, 부스트 컨버터 또한 스위치가 있기 때문에(MOSFET과 다이오드로 생각) 두 가지 케이스가 있는데, 이를 등가회로로 해석해봅니다.
위의 식대로 가도 되지만, 출력 전류를 io로 봤을 때 io = - ic가 되는 것을 볼 수 있습니다. 왜 복잡하게 출력전류를 추가하냐고 묻는다면, 그냥 회로 공부하다 보니 출력부분에 관심이 생겨서 그렇다고 말하고 싶습니다 헤헤
두 번째 케이스를 보면, Small ripple approximation에 의해 인덕터에 흐른 전류를 I로 보고, 키르히호프의 법칙을 통해 커패시터의 흐르는 전류값을 구할 수 있습니다.
정리하면, 왼쪽은 부스트 컨버터가 ON 되었을 때, 오른쪽은 OFF되었을 때인 것을 볼 수 있습니다.
근데 부스트의 OFF부분을 보면, 마치 벅 컨버터의 ON과 유사한 걸 볼 수 있습니다.
이를 통해서 알 수 있는 것은 무엇일까...한번 고민해보려고 합니다! (반도체 잘 모르는 공학도라서 죄송합니다 ㅠ)
부스트 컨버터의 인덕터 전압과 커패시터 전류를 그래프로 나타냈으며, 이를 통해 Conversion Ratio M(D)를 구할 수 있습니다. 승압 컨버터이기 때문에 M(D)가 위로 가는 거라고 예상할 수 있습니다.
위 그림을 보면 Conversion Ratio가 승압의 형태로 나타나는 것을 볼 수 있습니다.
커패시터에 흐르는 전류를 통해서도 Conversion Ratio를 구할 수 있습니다. 이때 신기한 사실은, 출력 전류와 입력 전류의 비로 M(D)를 구할 수 있다는 겁니다.
벅 컨버터와 부스터 컨버터는 유사한 특징을 지니고 있는데, 위에 나타난 것 처럼 부스트 컨버터는 Conversion Ratio를 전류로도 나타낼 수 있다는 차이점이 있습니다.
이번에는 인덕터에 흐르는 전류를 생각해봅니다. 인덕터 전압 공식을 이용하여 ON, OFF일 때를 생각하여 각각 구하고, 기울기를 통해서 iL값을 구할 수 있습니다. 즉, 리플의 크기를 조정하기 위해선 인덕턴스가 관여하는 것을 볼 수 있습니다.
Buck 컨버터는 위와 같이 스위치 하나, 인덕터 하나, 커패시터 하나, 저항 하나로 이루어진 컨버터 입니다. 여기서 컨버터란 교류 신호를 직류 신호로(AC -> DC)로 바꾸는 역할을 합니다. TMI 하나 더 하자면, 나중에 배울 인버터(직류 신호 -> 교류 신호)도 컨버터를 바탕으로한 회로입니다.
<이건 그냥 제 생각입니다..!>
벅 컨버터의 우측을 보면 LPF(Low-Pass-Filter)가 있는 걸 볼 수 있는데, 이 덕분에 Small Ripple Approximation을 가정할 수 있다고 생각합니다...(아닐 수 있어요 ㅠ)
벅 컨버터는 Step down 역할을 하는데, 즉 강압을 하는 컨버터 입니다. 여기서 강압이란 출력 전압을 낮춰주는 것을 의미합니다. 예를 들어 우리나라의 220v전력을 쓰는 콘센트를 일본에 110v콘센트에 꽂기 위해선 벅 컨버터를 써야한다고 생각하면 됩니다. 그 반대가 승압인데, 승압은 Boost Converter의 내용이므로, 뒤에 다뤄 보도록 하겠습니다.
그리고 우측에 그래프를 보면 M(D) = D라는 걸 볼 수 있는데, 여기서 D는 듀티사이클 비(신호 한 주기에서 ON되어 있는 비율)을 나타내며, 저는 D를 0이상 1이하로 나타냅니다.
또한 M(D)는 강압비로, 벅 컨버터에서는 듀티사이클과 같습니다. 그 이유는 밑에 가면 나옵니다..!(하하)
부스트 컨버터에 대한 내용은 배우지 않았지만, 위의 그림을 빌려서 하나만 설명해보겠습니다.
위쪽에 있는 벅 컨버터의 입력 부분은 스위치가 ON되면 전류가 흐르고, OFF되면 흐르지 않습니다. 그래서 리플성분이 크고, 출력 부분에는 이와 반대로 ON/OFF상태에서 전류가 비슷하게 흐르기 때문에 리플이 작다고 볼 수 있습니다.
또한 벅 컨버터를 이해하기 위해서 Small Ripple Approximation이라는 개념을 이용합니다. 요약하자면, 출력 전압은 출력 전압의 평균과 같다!라고 보면 됩니다. (물론 실제로 같은 건 아니고, 비슷하다!라고 봐야합니다)
벅 컨버터를 두 가지의 경우로 나눠서 보겠습니다
벅 컨버터가 ON인 경우에는 인덕터에 에너지를 저장하고, 그 인덕터를 통해 흐르는 전류가 부하에도 전달됩니다.
벅 컨버터가 OFF인 경우에는 인덕터에 저장되어있던 에너지가 방출되고, 그로 인해 전류가 흐릅니다.
벅 컨버터의 ON/OFF경우에 대해서, 인덕터 전압 식을 이용해서 각 경우의 인덕터 전류를 구할 수 있습니다.
그리고 마지막으로 인덕턴스 까지 구하면 뚝딱!!
그리고 인덕터의 Voltage second balance Low를 통해서, 시작 부분에서 왜 M(D) = D 인지 증명할 수 있습니다.
인덕터 전압의 그래프를 퓨리에 시리즈로 변환하고, Voltage second balance low를 통해 DVg = V라는 방정식을 얻을 수 있고, 이에 따라서 출력전압/입력전압의 비가 D(듀티사이클)이 되는 것을 확인할 수 있습니다.
빠밤~~ 즉, 출력 전압이 듀티사이클에 의해 변화시킬 수 있다는 결론이 나옵니다. 즉 220v 콘센트를 꽂은 후에 출력 전압이 110v가 나오도록 하려면, 듀티사이클을 1/2만큼만 만들어 주면(반 주기만 ON하면) 된다는 겁니다.
21세기에 들어서 전기, 수소차에 대한 수요가 점점 증가하고 있다. 또한 그 수요를 더욱 늘리기 위해 국가와 정부차원에서 지원금도 주고 있다. 전기차라고 하면 '전기로 돌아가는 차'라고 단적으로 생각해도 되는데, 그러면 전기를 제공하는 배터리가 있어야 한다. 우리는 평소에 배터리를 정말 많이 사용한다. 예를 들어 블루투스 마우스, 도어락 등등. 그러나 배터리는 무한한 전력을 가지고 있는 것이 아니기 때문에, 일정 시간이 지나면 배터리를 교체해줘야 한다. 그렇다면 전기차는 어떨까? 차는 배터리가 모두 닳지 않아도 바꿀 수 있고, 평생 쓸 수도 있는 것이다. 또한 배터리만 교체할 수 있지만, 차를 아예 바꿔버리는 경우도 있다. 그럼 이렇게 전기차에서 소모된 배터리를 재활용하는 방법이 없을까?
위의 뉴스를 읽어보면, 교체되는 전기차의 배터리의 잔존수명에 따라 재활용하는 용도가 다른 걸 알 수 있다.
배터리 잔존수명 70% 이하
에너지저장장치(ESS : Energy Storage System)을 사용하여 가전용, 상업용으로 사용
배터리 잔존수명 50% 이하
핵심 광물을 추출해 재사용
미국과 유럽은 배터리 재사용, 재활용 규제를 만들어 전기차 배터리 시장 선점에 박차를 가하는 중이다. 최근에 미국은 미국 인플레이션 감축법(IRA)를 통해 배터리 핵심 광물을 북미 지역과 미국 자유무역협정(FTA)체결 지역에서 채굴/가공해 40%이상 사용하도록 하며, 2027년에는 그 비율을 80%까지 늘렸다. 이것 때문에 현재 유럽과 우리나라는 골머리를 앓는 중이다. 현대자동차는 어쩔 수 없이 전기차 생산을 앞당기기도 했다.
여기서 내가 궁금한 건, 배터리 잔존수명이 10%이하가 되면 어떻게 사용할 수 있는지다. 사실 나는 배터리에 대해서 정말 무지하다. 지나가는 초등학생보다 더.. 그래서 안일하게만 생각해본다면, 음.. 수명이 10% 남았다면 대부분의 물질의 명이 다 한 것이니까, 그 물질들을 다른 배터리의 원료로 사용하는 것이 가능한지 궁금하다!(이게 50%랑 뭐가 다른 얘기일까...ㅋㅋ..) 여튼, 폐배터리 조차 재활용하여 환경을 지키도록 하는 기업들의 노력이 있어서 공학이 발전하는 게 아닌가 싶다.
국내에서도 폐배터리 리사이클링을 위해 많은 노력을 기울이고 있다. SK이노베이션, 삼성SDI, LG에너지솔루션, 현대차, OCI, 한화셀큐 등등 ESS를 개발하기 위해 협력을 강화하고 있다. 그리고 폐배터리 사업은 기업의 탄소중립 목표에도 기여한다. 리튬, 코발트, 니켈 등 배터리 핵심 소재를 추출해 재사용하면 그만큼 금속을 채굴할 때 발생하는 탄소 배출량을 줄일 수 있다. 그래서 RE100을 이루는 데에도 한 발짝 다가갈 수 있다는 것이다.
RE100 : 기업이 사용하는 전력 100%를 재생에너지로 충당하겠다는 캠페인으로, 2014년 영국 런던의 다국적 비영리기구 '더 클라이밋 그룹'에서 발족됐다.
