데이터센터/AI 서버 전원: 주 전력은 왜 평면 변압기와 리츠 와이어로 가는가, 3중 절연전선은 어느 단에 쓰이는가

AI 서버와 데이터센터의 전원 공급 장치(PSU)는 출력이 계속 올라가고 있고, 설계 측은 흔히 "이 3중 절연전선(TIW)을 AI 서버에 쓸 수 있습니까"라는 형태로 질문을 받습니다. 이 질문 방식은 PSU 한 대를 통째로 뭉뚱그린 것이며, 답은 사실 단별로 갈립니다. 주 전력 경로(PFC, 메인 LLC, 공진 인덕터)가 가는 길은 평면 변압기(planar)와 리츠 와이어(litz)이지, 어떤 단선 TIW의 영역도 아닙니다. 3중 절연전선의 자리는 보조/대기/바이어스(aux/standby/bias)와 게이트 드라이브용 소형 절연변압기에 있습니다. 이 글은 PSU를 몇 개의 단으로 나누어, 어느 단에 어떤 자성 부품이 쓰이고 어느 단에 와서야 TIW 차례가 오는지를 단별로 설명하여, 전원/자성 부품/안전 규격/구매 엔지니어에게 정직한 대조선 한 줄을 제시합니다. 주 전력단 자체의 자성 부품 분담은 이 시리즈의 〈AI 서버 주 전원: 메인 LLC와 공진 인덕터의 영역〉을 참조하십시오.

1. 먼저 PSU 한 대를 몇 개의 단으로 나눈다

랙 급전의 큰 배경은 전압이 올라간다는 점입니다. NVIDIA 기술 블로그는 AI 팩토리가 현재 랙 내부를 54 VDC로 배전하고 있으며, 1 MW급 IT 랙을 지원하기 위해 2027년부터 800 VDC 고압 직류 아키텍처를 도입한다고 설명합니다. 이는 랙 수준의 급전 추세이지, 어느 변압기에 어떤 전선을 쓸지를 직접 정하는 것은 아닙니다. 전선의 자리를 실제로 정하는 것은 PSU 내부의 단 구분입니다.

서버 PSU는 크게 두 경로로 나눌 수 있고, 각각 자성 부품에 대한 요구가 다릅니다.

• 전단 AC-DC(PFC) — 기능：역률 보정, 중간 버스 전압 안정화；대표 자성 부품：PFC 인덕터/초크(권선형 자성 부품, 대부분 대전류 동선 또는 리츠 와이어)；단선 TIW 품목인가：아니오
• 후단 절연 DC-DC(메인 LLC) — 기능：1차/2차 절연과 전압 조정, 주 출력；대표 자성 부품：주 전력 변압기 + 공진/자화 인덕터；단선 TIW 품목인가：아니오(평면 변압기 + 리츠 와이어, §2 참조)
• 보조/대기/바이어스(aux/standby/bias) — 기능：제어 회로의 "하우스키핑 전원", 주 출력보다 먼저 기동；대표 자성 부품：소전력 절연변압기(권선형, 플라이백 flyback 등)；단선 TIW 품목인가：예, 흔한 사용 위치(§3 참조)
• 게이트 드라이브(gate-drive) — 기능：전력단 스위치의 구동과 바이어스를 절연 전달；대표 자성 부품：권선형 게이트 드라이브 변압기；단선 TIW 품목인가：예, 흔한 사용 위치(§4 참조)

핵심을 먼저 말하면, 주 전력 경로(PFC, 메인 LLC, 공진 인덕터)는 DAH JIN 단선 3중 절연전선의 품목이 아닙니다. TIW의 진짜 자리는 표 아래쪽 두 종류의 소형 절연변압기입니다. 아래에서 단별로 설명합니다.

2. 주 전력은 왜 평면 변압기와 리츠 와이어로 가는가

Infineon이 AI 데이터센터와 서버용으로 작성한 12 kW PSU 애플리케이션 노트를 예로 들겠습니다. 그 주 전력 경로는 2단 구성으로, 전단은 인터리브 3레벨 플라잉 커패시터 토템폴 PFC(역률 보정과 중간 DC 버스 안정화 담당), 후단은 절연형 DC-DC LLC 공진 컨버터(절연되고 조정된 약 50 VDC 출력)입니다. 이런 설계는 피크 효율 97.8%, 전력 밀도 113 W/in³ 이상에 이릅니다.

관건은 자성 부품을 어떻게 만드느냐입니다. 해당 노트에는 메인 LLC 변압기가 "hybrid planar" 구조를 채택한다고 명시되어 있습니다. 평면 자성 부품의 주 변압기(primary/secondary를 다층 PCB 권선으로 구현)로 구성되고, 1차와 2차 사이는 Kapton 절연 필름으로 분리하여 내전압과 낮은 기생 커패시턴스를 얻습니다. 반면 자화 인덕터와 공진 인덕터는 리츠 와이어로 감아 평면 변압기 구조 위에 적층합니다. 바꿔 말하면, 주 전력단이 1차/2차 절연을 달성하는 수단은 PCB 층간 절연 필름과 연면 거리/이격 거리 설계이지, 단선 3중 절연전선 한 가닥을 감아 넣는 것이 아닙니다. 고주파 공진/자화 인덕터는 리츠 와이어로 교류 저항을 낮추며, 이 역시 단선 TIW 품목에 속하지 않습니다.

이 설계 선택의 이유는 단순합니다. 주 전력단은 고주파, 높은 전력 밀도, 강한 방열, 소프트 스위칭(ZVS) 사이에서 균형을 잡아야 하는데, 평면 변압기의 낮은 높이와 예측 가능한 층간 파라미터, 방열성, 그리고 리츠 와이어 인덕터의 낮은 고주파 손실이 바로 이 요구에 들어맞습니다. 그래서 "AI 서버 주 전력에 3중 절연전선을 써야 하는가"에 대한 정직한 답은 쓰지 않는다입니다. 그 단의 절연과 권선은 다른 공법으로 이루어집니다. 학계와 업계의 데이터센터용 LLC 설계(평면 자성 부품을 통합한 고밀도 LLC 연구, 서버용 LLC AC-DC 레퍼런스 디자인 등)도 한결같이 평면 변압기 + 리츠 와이어 조합을 가리킵니다.

3. 3중 절연전선의 첫 번째 자리: 보조/대기/바이어스 전원

주 출력 외에도 모든 PSU에는 "하우스키핑 전원"(housekeeping) 한 세트가 있습니다. OCP의 반도체 변압기(SST) 설계 사양은 이를 독립 구성 요소(Auxiliary power)로 열거하고 그 역할을 정의합니다. 전원 투입 시 첫 단계이고, 최고 수준의 가용성으로 동작하며, 주 장비의 운전 상태와 독립적이라는 것입니다. 서버 PSU의 대기/바이어스 전원도 같은 부류로, 주 출력이 확립되기 전에 컨트롤러, 통신, 보호 회로에 먼저 전력을 공급합니다.

이 전원은 소전력이지만 역시 1차/2차를 가로질러 안전 절연을 달성해야 하며(흔한 토폴로지는 플라이백 flyback), 여기에 쓰이는 것은 권선형 소형 절연변압기입니다. 이런 소형 변압기에서 단일 권선 전선으로 강화 절연(Reinforced)을 달성하려면 3중 절연전선이 바로 흔한 수단입니다. 이것이야말로 DAH JIN의 4종 3중 절연전선(TLW-B, TLW-BB, TLW-B7S, TLW-F)이 실제로 대응하는 적용 단입니다.

이 단에 대해 DAH JIN이 제공할 수 있는 1차 근거는 "어떤 AI 서버에 이미 투입되었다"는 주장이 아니라 한 세트의 고정된 인증 조건입니다. 4종 모두 VDE 40008834 Anlage 200의 IEC 62368-1 Annex J 평가 범위에 등재되어 있고, 동작 전압/피크 전압/시험 주파수 등 구체적 수치는 일률적으로 승인원과 VDE 인증서에 따르며, 선경은 0.10–1.00 mm(TLW-B7S는 7가닥 연선으로 소선 0.10–0.30 mm), 열 등급은 130(B), TLW-F는 Class F(155°C)입니다. 설계 측의 방법은 자사 보조/대기 변압기의 실제 동작점을 꺼내어 승인원에 기재된 Annex J 조건에 대조하는 것입니다. 조건 안에 들면 선정 가능하고, 어느 한 항목이라도 벗어나면 별도 평가가 필요합니다. 이 글은 랙의 800 VDC 버스에서 변압기 동작 전압을 역산하지 않으며, DAH JIN 3중 절연전선이 특정 데이터센터 급전에 투입되었다고 주장하지도 않습니다. 전선 열 등급과 절연 계통 열 등급의 경계는 전선 열 등급과 절연 계통 열 등급을 참조하십시오.

4. 두 번째 자리: 게이트 드라이브 변압기

SiC/GaN 전력단의 스위치는 절연된 상태로 구동되어야 하며, 구동 신호와 바이어스는 흔히 권선형 게이트 드라이브 변압기로 1차/2차를 가로질러 전달됩니다. 업계의 게이트 드라이브 변압기 제품 자료에 따르면, 이런 변압기를 강화 절연 등급에 이르게 하기 위해 해당 버전은 권선에 3중 절연전선을 감아 IEC 61558, IEC 60601 등 규격의 강화 절연 요구를 충족합니다. 텍사스 인스트루먼트(TI)의 애플리케이션 문서도 "절연 게이트 드라이버용 절연 바이어스 전원"을 독립된 설계 과제로 다룹니다. 이는 제3자의 적용 사실로, "게이트 드라이브 변압기는 TIW의 합리적인 자리"라는 점이 성립함을 보이기 위해 인용한 것이며, 거기에 적힌 내전압 수치는 각 업체 카탈로그에 속하는 것으로 DAH JIN의 조건과 같지 않습니다.

DAH JIN 자신으로 돌아오면, 게이트 드라이브/바이어스 같은 소형 절연변압기에 3중 절연전선을 선정할 때 인용할 수 있는 1차 조건은 §3과 같은 한 세트입니다. 4종은 Annex J(IEC 62368-1) 평가 범위에 등재되어 있고, 동작 전압/피크 전압/시험 주파수는 승인원에 따르며, 선경 ≤1.00 mm(TLW-B7S는 소선 ≤0.30 mm), 130(B)입니다. Anlage 200에 기재된 것은 시험 주파수이며, 이 글은 그것을 SiC/GaN의 실제 스위칭 주파수로 외삽하지 않습니다.

5. 공학적 판단 기준: 먼저 단을 정하고, 그다음 전선을 말한다

전원/자성 부품 엔지니어를 위한 한 페이지 결론의 순서는 "먼저 부품을 어느 단에 둘지 정하고, 그다음 TIW가 필요한지 논한다"입니다.

1. 주 전력 경로(PFC, 메인 LLC, 공진/자화 인덕터): 평면 변압기와 리츠 와이어로 가며, 1차/2차 절연은 PCB 층간 절연과 간격 설계로 달성합니다. 이 단은 단선 3중 절연전선의 품목이 아니므로 TIW를 생각할 필요도, 생각해서도 안 됩니다.
2. 보조/대기/바이어스와 게이트 드라이브의 소형 절연변압기: 이것이 권선형 절연변압기이자 3중 절연전선의 자리입니다. TIW를 선정하려면 해당 변압기의 실제 동작 전압, 피크 전압, 시험 주파수를 꺼내어 승인원에 기재된 Annex J 인증 조건에 대조하십시오(그리고 선경이 0.10–1.00 mm, TLW-B7S 소선이 0.10–0.30 mm 범위 안에 있어야 합니다). 조건 안에 들면 선정 가능하고, 어느 한 항목이라도 벗어나면 별도 평가가 필요합니다.
3. 역산하지 않고, 외삽하지 않는다: 랙 버스 전압(54/800 VDC)에서 변압기 동작점을 역산하지 마십시오. 의료용 Annex L(2 MOOP/2 MOPP)은 별도의 조건 세트를 가지며, TLW-BB와 TLW-B7S에만 묶여 있고, 수치는 마찬가지로 승인원에 따릅니다. 선정의 첫 번째 분기(B 130°C vs F 155°C)는 3중 절연전선 선정 가이드를 참조하십시오.