48V 로보틱스 활용: 산업 자동화에서 효율성과 전력 증대

전기 시스템에서 효율성과 비용 효율성에 대한 수요가 산업 전반에 걸쳐 48V 시스템 채택을 주도하고 있습니다. 이 고전압 시스템은 특히 높은 전력 공급이 필수적인 곳에서 기존 12V 또는 24V 아키텍처보다 더 최적의 대안을 제공합니다. 산업 자동화와 통신 분야는 48V를 이용해 모터, 액추에이터 및 기타 고전력 장비를 구동합니다.

48V 시스템 사용의 이점:

• 더 큰 부하 구동: 현대 전력 요구사항을 충족하기 어려운 12V 시스템과 달리

• 낮은 전류: 높은 전압으로 전류 요구사항을 4분의 1로 감소

• 전력 손실 감소: 낮은 전류는 전력 손실 감소, 발열 감소, 효율성 향상 의미; 높은 전압에서 작동

• 높은 전력 밀도: 통합 48V 솔루션은 더 높은 전력 밀도 공간을 가능하게 하여 청정 에너지 시스템에서 주행 거리 연장과 에너지 손실 감소로 이어짐

• 경량 케이블링: 더 얇은 케이블로 비용 절감, 무게 및 공간 감소

전력 분배 시스템의 역사

6V 전력 분배 시스템은 당시 배터리의 광범위한 사용에 힘입어 초기 자동차의 점화 및 조명을 위한 실용적 표준이 되었습니다. 단순성과 사용 편의성으로 대부분의 자동차 전기 기능에서 지배적인 선택이 되었습니다. 24V 시스템이 처음 시도되었지만(예: 전기 스타터가 장착된 1912년 캐딜락), 6V 시스템이 빠르게 대부분의 자동차 전기 기능 표준으로 자리 잡았습니다.

자동차 기술이 발전하면서 라디오, 히터, 이후 파워 윈도우 같은 전기 액세서리 수요가 증가했습니다. 이는 전기 시스템에 더 큰 부담을 주어 6V 설정의 한계를 드러냈습니다. 12V 시스템은 동일한 전력 출력에 절반의 전류만 필요로 하여 과열 위험을 줄이고 더 가볍고 관리하기 쉬운 배선 사용을 가능하게 하는 핵심 이점을 제공했습니다.

신뢰할 수 있는 12V 납축전지와 알터네이터의 개발이 전환을 더욱 뒷받침했습니다. 이러한 부품이 수년간 더 쉽게 생산되고 비용 효율적이게 되면서 12V 시스템이 새로운 표준이 되었습니다. 이는 더 높은 전압에서 더 효율적으로 작동하는 조명과 모터를 포함한 호환 전기 부품의 설계와 광범위한 채택으로 이어졌습니다.

전통적 시스템의 고충

AMT49100 3상 BLDC 게이트 드라이버. (이미지: Allegro)

현대 전력 수요는 현재 전력 공급의 주류인 전통적 12V 시스템으로 충족될 수 없습니다. 12V 시스템의 한계는 전력 손실과 케이블 두께 같은 요소를 고려할 때 명확해집니다.

전력 수요가 증가함에 따라 12V 시스템 내 전류도 선형적으로 증가합니다(P = V × I). 이는 전원에서 부하까지 모든 배선에서 더 높은 전력 손실(Ploss = I² × R)을 초래합니다.

이러한 전력 손실은 원치 않는 열과 시스템 효율성 저하로 나타납니다. 또한 더 높은 전류 관리는 더 두껍고 무거운 케이블을 필요로 하여 시스템 설계에 무게와 비용을 더합니다.

산업 자동화 장비

이 48V 시스템은 산업 자동화와 로보틱스에서 점점 더 사용되며, 저전압 시스템보다 더 높은 전력과 향상된 안전성을 제공합니다. 여기에는 산업 응용의 더 높은 전압과 전력 수요를 처리하도록 설계된 모터, 센서, 게이트 드라이버 같은 구성요소가 포함됩니다.

이 시스템들에 존재하는 낮은 전류는 발열과 잠재적 화재 위험을 줄입니다. 더 높은 전압 시스템과 비교해 48V 시스템은 더 적은 절연을 필요로 하며, 이는 콤팩트한 설계에서 요인이 될 수 있습니다. 60V 안전 한계 이하로 떨어지기 때문에 종종 SELV(안전 초저전압)로 간주되어 차폐되지 않은 장비와의 직접 접촉에 안전하도록 설계됩니다.

이 시스템들은 에너지 손실 감소, 더 빠른 제어 가능, 더 작고 가벼운 장비, 향상된 민첩성, 개선된 열 관리로 향상된 효율성과 정밀도를 제공합니다.

고효율 48V 솔루션

ACS37220 저저항 전류 센서. (이미지: Allegro)

Allegro는 다양한 로봇 응용 분야에서 48V 시스템 설계에 사용할 수 있는 광범위한 센서 및 전력 IC 제품을 제공합니다. Allegro의 48V 솔루션으로 인한 전력 손실 감소는 마일드 하이브리드의 연비 향상, 모든 전동화 차량의 주행 거리 대폭 연장, 태양광 인버터의 에너지 변환 효율 개선으로 이어집니다.

Allegro의 모터 및 게이트 드라이버는 자동차 및 산업 자동화에 사용되는 48V 모터와 액추에이터에 정밀하고 효율적인 제어를 제공하여 생산성과 신뢰성을 향상시킵니다. 통합 전류 센서 IC는 고전압 응용을 지원하며, 디지털 위치 센서는 모터 드라이버를 보완하는 견고성과 신뢰성을 제공합니다.

자율 이동 로봇(AMR)은 물류와 검사를 위해 동적 환경을 탐색하며, 정밀한 모션, 견고한 배터리 관리, 신뢰할 수 있는 장애물 감지를 요구합니다. Allegro의 통합 모터 드라이버, 포지셔닝 및 하중 감지용 자기 센서, 효율적인 전력 관리 IC는 AMR 성능을 향상시키고 에너지 사용을 최적화하며 다양한 환경에서 운영 안전을 보장합니다.

협동 로봇(코봇)은 인간과 안전하게 협업하며, 정밀한 모션, 고급 안전 기능(SIL-2/3), 관절 구동을 위한 효율적 전력을 요구합니다. Allegro의 48V 게이트 드라이버, 고해상도 위치 센서, 정밀 전류 센서는 견고한 관절 성능, 신뢰할 수 있는 제동, 신뢰할 수 있는 인간-로봇 협업을 위한 최적화된 전력 관리를 가능하게 합니다.

휴머노이드 로봇은 인간 같은 모션과 상호작용을 목표로 하며, 정교한 구동, 동적 균형, 복잡한 인식을 요구합니다. Allegro의 고급 서보 모터 제어, 다용도 다축 위치 감지, 효율적인 전력 관리 기술은 휴머노이드 로봇의 수많은 관절에 요구되는 복잡한 역학과 까다로운 성능에 필수적입니다.

왜 48V에서 멈추는가?

ACSEVB-EZ7-37220-100B3 ACS37220 전류 센서 평가보드(좌). APEK85111KNH-02-T-MH AHV85111 절연 게이트 드라이버 평가보드(우). (이미지: Allegro)

이 한계의 주된 요인은 충족해야 했던 안전 표준이었습니다. UL과 NFPA 같은 기관은 60V 미만 전압을 SELV로 분류하여 차폐되지 않은 장비와의 인체 접촉에 안전하다고 봅니다. 48V 이상 시스템은 적절한 절연과 분리를 보장하기 위해 더 견고한 구성요소와 엔지니어링을 필요로 하여 전체 비용과 복잡성을 증가시켰습니다.

48V 시스템이 비용 효율적일 수 있지만, 더 높은 전압 시스템은 전문 구성요소와 배선 필요성으로 인해 초기 비용이 더 많이 드는 경우가 많습니다. 설계가 더 복잡해지는 경향이 있고, 구현 비용도 더 들 수 있는데, 전문 부품이 더 비싸거나 더 복잡한 제조 공정을 요구하기 때문입니다.

인공지능 혁명 구동

낮은 지연시간 AI 응답 제공에는 상당한 컴퓨팅 파워가 필요하며, 이는 데이터 센터 에너지 수요를 크게 증가시킵니다. 효율성을 개선하고 냉각 요구사항을 줄이기 위해 데이터 센터는 12V에서 48V 전력 시스템으로 전환하고 있습니다.

전력 공급 설계의 혁신이 이 전환을 지원하며, 향후 개발은 전력 공급 성능과 밀도 향상을 목표로 합니다. 결과적으로 데이터 센터는 고성능 서버, 고급 냉각 시스템, 견고한 전력 인프라를 갖춰 워크로드를 효과적으로 관리해야 합니다.

데이터 센터 운영자들은 액체 냉각, 재생에너지, 서버 가상화 같은 에너지 효율 기술을 점점 더 채택하여 탄소 발자국을 줄이고 운영 비용을 낮추고 있습니다.

결론

12V에서 48V 시스템으로의 전환은 효율성 개선과 냉각 요구사항 감소 필요성에 의해 주도됩니다. 산업 자동화에서 이 시스템들은 저전압 옵션보다 더 높은 전력과 향상된 안전성을 제공합니다.

모터, 센서, 게이트 드라이버 같은 구성요소들은 48V 시스템 전용으로 설계되며, 안전성, 전력 출력, 이동성, 비용 절감에 중점을 둡니다. 광범위한 48V 제품군으로 Allegro는 더 높은 통합과 공간 및 에너지 절감을 가능하게 하는 솔루션을 제공하여 여러분이 응용 분야에 집중할 수 있게 합니다.

Rich Miron은 DigiKey(미네소타주 시프리버폴스)의 선임 기술 콘텐츠 개발자입니다. 자세한 정보는 여기를 방문하세요.