PWM 및 PAM 변환방식

왜 배우는가: PWM과 PAM은 인버터가 전압과 주파수를 어떻게 만드는지를 결정하는 기본 변조 방식이다. 실무에서 인버터 설계와 전동기 저소음·효율 문제를 판단하는 출발점이고, 기술사 시험에서는 두 방식을 비교 설명하는 형태로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제126회 1교시 11번, 제122회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

PWM은 펄스의 폭을 변조해 평균 출력 전압을 조절하고, PAM은 펄스의 진폭을 변조해 출력 전압을 조절하는 전력 변환 방식이다.

• 펄스폭 변조(PWM)
• 펄스진폭 변조(PAM)
• 전압형 인버터
• 스위칭 주파수
• 듀티비
• 반송파·변조파
• 고조파 저감
• 직류 전압 제어

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 일정한 높이의 펄스를 얼마나 길게 켜 두느냐로 출력의 크기를 정하는 것이 PWM이다. 같은 전력이라도 켜지는 시간 비율(듀티비)을 바꾸면 평균 전압이 달라진다. 반대로 PAM은 펄스의 폭은 두고 높이를 바꾸어 출력 크기를 정한다.

정식으로 PWM(Pulse Width Modulation)은 스위칭 주기 안에서 펄스의 폭(on 시간)을 변조하는 방식이다. 기준이 되는 정현파 변조파와 삼각파 반송파를 비교해 스위치의 ON·OFF 신호를 만든다. 출력 주파수는 변조파의 주파수로 정해지고, 출력 전압의 크기는 변조파와 반송파 진폭의 비(변조율)로 정해진다. 중간에 나오는 펄스 폭이 다양하므로 필터를 거치면 정현파에 가까운 전압이 얻어진다.

정식으로 PAM(Pulse Amplitude Modulation)은 펄스열의 진폭으로 정보를 싣는 변조 방식이다. 인버터에서는 직류 측 전압을 가변시켜 출력 펄스의 진폭을 바꾸고, 스위치는 그 전압을 주파수에 맞춰 턴온·턴오프하여 출력 주파수를 정한다. 따라서 PAM 방식은 전압 제어와 주파수 제어가 서로 다른 소자에서 이루어진다.

전압형 인버터에서 두 방식의 차이는 전압을 어디서 조절하느냐이다. PWM은 직류 전압을 일정하게 두고 스위치의 도통 시간으로 조절한다. PAM은 순변환부에서 직류 전압을 가변시켜 조절한다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 인버터는 사이리스터를 사용했고, 스위칭 소자의 한계로 출력 주파수를 낮게 쓸 수밖에 없었다. 이 시기에는 직류 전압을 가변시키는 PAM 방식이 전압과 주파수를 함께 조절하는 방법으로 쓰였다. PAM 방식은 고주파(400~3000Hz) 인버터에 활용되는 필수 방식으로 자리 잡았으며, 최근에는 모터 저소음화를 목적으로 쓰인다. 다만 모터 효율과 시동 토크에서 문제가 있다는 지적이 있다.

이후 IGBT 등 고속 자기소호형 소자가 보급되면서 스위칭 주파수를 높일 수 있게 되었다. 스위칭 주파수가 높아지면 출력 파형의 고조파가 줄고 필터가 작아진다. 이 조건에서 직류 전압을 일정하게 두고 펄스 폭만 바꾸는 PWM 방식이 등장하여 범용 인버터의 표준이 되었다. 콘덴서로 직류 전압을 일정하게 유지하므로 회로가 단순하고 경제적이다.

정리하면, PAM은 전압 제어 회로가 별도로 필요해 구성이 복잡하지만 저소음 목적에 쓰이고, PWM은 소자 한계가 낮아진 현재 범용 인버터의 주류 방식이다.

4. 구성요소·원리·절차

PWM 인버터는 직류 입력을 스위칭 소자(IGBT 등)의 온·오프 시간 비율로 잘게 나눠 교류를 만든다. 출력 전압의 크기는 한 주기 안에서 펄스가 켜져 있는 폭으로 정해지고, 출력 주파수는 기준 정현파의 주파수로 정해진다. 구성요소는 다음과 같다.

각 구성요소의 기능을 설명하면, 정류부는 전원 측 전류를 직류로 바꾸고 평활부는 맥동을 줄인다. 인버터부는 게이트 신호에 따라 직류를 펄스열로 바꾸고, 제어부는 그 펄스의 폭을 정한다.

원리는 정현파 기준신호를 삼각파 반송신호와 비교하는 것이다. 기준파가 반송파보다 크면 상(相) 스위치를 켜고, 작으면 끈다. 이때 기준파의 진폭에 비례해 펄스 폭이 변하므로 기본파 출력 전압이 조절된다.

PWM 인버터는 기준파와 반송파의 비교로 펄스 폭을 정해 출력 전압과 주파수를 함께 제어한다

변조율(진폭 변조율)과 주파수 변조비는 다음과 같이 정의한다.

$m_a = \frac{V_{m}}{V_{c}}, \qquad m_f = \frac{f_{c}}{f_{s}}$

V_m은 기준(정현파) 신호의 최대값(V), V_c는 반송파의 최대값(V), f_c는 반송파 주파수(Hz), f_s는 출력 기본파 주파수(Hz)이다. m_a는 0~1 범위에서 출력 기본파 전압을 선형으로 변화시킨다.

PWM 인버터의 제어 절차는 다음과 같다.

• 목표 출력 전압과 주파수를 정해 기준 정현파를 만든다.
• 반송파 주파수를 정해 삼각파 반송신호를 만든다.
• 기준파와 반송파를 비교해 각 상의 스위치 신호를 얻는다.
• 데드타임을 넣어 같은 레그의 상·하 소자가 동시에 켜지지 않게 한다.
• 게이트 구동 회로로 IGBT 를 구동해 출력 전압을 만든다.

출력 파형은 펄스가 많을수록 정현파에 가까워진다. 반송파 주파수를 높이면 고조파가 고주파 쪽으로 밀려 필터가 작아지지만 스위칭 손실이 커진다.

5. 관련 법령·기준·표준

PWM 방식 자체를 규정한 법령이나 고시는 없다. 전력변환장치의 성능과 고조파 한도는 제품 규격과 설치 기준에 따른다. 다음은 PWM 인버터 설계에서 함께 확인하는 기준 값이다.

변조율 0~1

표의 값은 설계 절차를 보이기 위한 범위다. 제품별 정격은 제조사 사양과 설치 규정을 따른다. 반송파 주파수를 높이면 THD는 줄고 스위칭 손실은 늘어난다는 점이 설계의 핵심 균형이다.

PWM 인버터의 출력 전압 파형은 펄스 폭 조합으로 결정되므로, 기준 정현파 대비 고조파 저감 목표를 정해 두고 반송 주파수를 고른다. 이 때 기준 정현파의 주파수와 크기는 목표 출력과 같아야 한다.

6. 유형과 비교

PWM과 PAM은 모두 전압형 인버터에서 출력 전압을 조정하는 방식이지만, 조정하는 대상이 다르다. PAM(Pulse-Amplitude Modulation)은 직류 링크 전압의 크기를 가변하여 출력 펄스의 진폭을 바꾸고, PWM(Pulse-Width Modulation)은 직류 전압을 일정하게 두고 스위칭 소자의 도통폭을 바꾼다. 구현 방식이 달라 특성도 달라진다.