급속 충전기(GaN/USB-PD) 변압기 2차측 세선 구간은 어떻게 구성하나

GaN과 USB-PD는 AC-DC 변압기를 '더 높은 주파수, 더 작은 부피, 더 높은 전력 밀도'의 영역으로 밀어 올렸고, 2차측 권선의 규칙도 그에 따라 바뀌었습니다. 이 글은 급속 충전기용 변압기의 설계·구매 엔지니어를 위해 씁니다. 왜 2차측이 세선과 다중 가닥으로 가는지, 언제 강화 절연을 갖춘 TIW를 써야 하는지, 그리고 선정 시 어떤 값을 '승인원에 따름'으로 두는 것이 맞는지를 다룹니다.

왜 GaN/USB-PD는 변압기를 고주파와 세선으로 밀어 올리나

GaN 소자는 스위칭 손실이 낮아, 급속 충전기에 흔히 쓰이는 플라이백 토폴로지(대부분 QR 준공진 플라이백 또는 액티브 클램프 플라이백)에서 스위칭 주파수를 끌어올릴 수 있습니다. 주파수가 높아지면 같은 전력에 필요한 인덕턴스와 자심(코어) 부피를 모두 줄일 수 있으며, 이것이 바로 GaN/USB-PD 급속 충전기가 높은 전력 밀도를 추구하는 주된 수단입니다. 실무에서 주파수는 수백 kHz에서 1 MHz 급에 이릅니다.

그러나 주파수가 높아지면 권선 쪽에서 대가가 드러납니다. 고주파에서의 교류 동손(skin effect 표피 효과, proximity effect 근접 효과)이 주요 손실 중 하나가 됩니다. 표피 효과는 전류를 도체 바깥 가장자리로 집중시켜 유효 단면적이 줄고 고주파 저항이 올라갑니다. 구리의 표피 깊이(skin depth)는 주파수가 높아질수록 작아져, 100 kHz에서 약 0.21 mm, 1 MHz에서 약 66 µm 수준입니다. 즉 급속 충전기의 동작 주파수에서는 굵은 단선 한 가닥의 단면 상당 부분이 사실상 '전류를 흘리지 않는' 셈입니다.

2차측은 왜 세선과 다중 가닥으로 가나

급속 충전기의 2차측은 저전압·대전류이면서 고주파로 동작합니다. 굵은 단선을 쓰면 표피 효과와 근접 효과로 고주파 저항이 직류 저항보다 훨씬 커져 발열과 효율 모두 손해를 봅니다. 업계의 일반적인 방법은 가는 선 여러 가닥을 병렬로 감거나 연선(리츠선 개념 포함)으로 바꾸어, 각 가닥의 지름을 표피 깊이 하나보다 작게 하고 전류를 더 많은 가닥에 분담시켜 고주파 교류 동손을 눌러 내리는 것입니다. 흔히 쓰는 경험칙은 단일 가닥 지름을 표피 깊이의 약 2배 미만으로 두는 것입니다.

유의할 점은, 근접 효과는 선경을 줄이는 것만으로는 해결되지 않으며 권선의 층 구성과 감는 방식을 함께 조정해야 한다는 것입니다. 이 부분은 구현 노하우에 속하므로 여기서는 언급에 그칩니다. 자재 선정 측 입장에서 핵심은 '2차측에는 가는 선경으로 제조할 수 있고, 다중 가닥/연선 형태로 공급할 수 있는' 도체가 필요하다는 것입니다.

강화 절연과 높은 전력 밀도: TIW의 마진 불필요 이점

급속 충전기의 1차—2차 사이에는 강화 절연(reinforced insulation)이 필요합니다. 전통적인 방법은 샌드위치 권선에 양쪽 마진 테이프(margin tape)를 더해 연면 거리와 이격 거리를 확보하는 것이지만, 마진은 권선 창을 잠식하여 '소형화, 높은 전력 밀도'라는 목표와 서로 충돌합니다.

3중 절연전선(TIW)은 강화 절연을 도체 자체에 만들어 넣습니다. IEC 62368-1 Annex J의 부품 수준 평가에 따라 TIW를 채택하면 권선 대 권선의 연면 거리와 이격 거리가 크게 단순해져 더 이상 권선 창의 병목이 아니며, 마진을 생략하고 창을 가득 감을 수 있습니다. 이는 급속 충전기 같은 소형 고전력 밀도 설계에 특히 유리합니다. 다만 유의할 점은, 자심은 도전부로 간주되므로 권선 대 자심, 권선 대 단자의 연면 거리와 이격 거리는 여전히 안전 규격에 따라 확보해야 하며 전부 0이 되는 것은 아닙니다. 각 모델의 실제 평가 조건과 선경 범위는 일률적으로 승인원을 기준으로 하며, 표준의 세부 내용은 여기서 깊이 다루지 않습니다.

TIW와 일반 에나멜선·FIW의 차이, 그리고 열 등급과 전체 절연 계통의 관계는 /news/tiw-vs-fiw-vs-enamelled-wire 와 /news/wire-vs-system-thermal-class 를 참조하십시오.

DAH JIN TLW 시리즈는 급속 충전기 2차측 세선에 어떻게 대응하나

DAH JIN은 3중 절연전선 제조사(무역상이 아님)로, 대만 타이난 구이런에 자사 공장을 두고 대만에서 제조합니다. 급속 충전기 2차측의 '세선＋다중 가닥＋강화 절연' 요구에 대해 TLW 시리즈의 다음 특성이 바로 대응합니다.

• TLW 시리즈(TLW-B/TLW-BB)의 선경은 가는 선에서 굵은 선까지 연속 범위를 포괄하며, 급속 충전기에 필요한 세선 구간을 포함합니다.
• TLW-B7S는 7가닥 연선 형태로, 고주파에서 다중 가닥/연선으로 전류를 분담해 교류 동손을 낮추는 방식에 그대로 대응합니다. DJ-130 절연 계통(System Class 130(B))의 구성 부품입니다.
• TLW-F는 Class F(155 °C) 열 등급으로, VDE 40008834(IEC 62368-1 Annex J)에 따라 Reinforced로 평가되었으며, 열 여유가 빠듯한 소형 고전력 밀도 설계에 적합합니다.
• TLW-BB와 TLW-B7S는 TIW로 강화 절연을 제공하여, 마진 없이 창을 가득 감는 콤팩트한 권선을 지원합니다.

아래 표는 급속 충전기 2차측의 일반적인 요구와 DAH JIN이 대응할 수 있는 모델의 대조표입니다. 구체적인 수치는 일률적으로 승인원을 기준으로 합니다.

• 고주파 다중 가닥/연선 분류 — 대응 방법：7가닥 연선；DAH JIN 선택 가능 모델：TLW-B7S；사양：단일 가닥 선경·가닥 수는 승인원에 따름
• 강화 절연, 마진 없이 창 가득 권선 — 대응 방법：TIW 강화 절연；DAH JIN 선택 가능 모델：TLW-BB/TLW-B7S/TLW-F；사양：평가 조건은 승인원에 따름
• 빠듯한 열 여유 — 대응 방법：Class F(155 °C)；DAH JIN 선택 가능 모델：TLW-F；사양：열 등급·선경은 승인원에 따름
• 세선 구간 — 대응 방법：가는 선경；DAH JIN 선택 가능 모델：TLW 시리즈；사양：선경은 승인원에 따름

선정 절차(선경·가닥 수·열 등급·절연 계통을 어떻게 함께 결정하는지)는 /news/tiw-selection-guide 를, 열 등급과 계통 절연의 대응은 /news/wire-vs-system-thermal-class 를 참조하십시오. 급속 충전기 2차측의 실제 선경·가닥 수·절연 등급은 승인원을 기준으로 하거나 영업 담당에 문의하십시오.