전력변환방식

정의

전력변환방식은 전기의 형태와 전압, 주파수를 바꾸는 방식이다.

정식으로는 전력변환장치가 전력용 반도체를 스위칭하여 입력 전력의 형태·전압·주파수를 바꾸어 출력하는 장치다.

핵심 키워드는 정류, 인버터, 초퍼, 사이클로컨버터다.

네 가지 변환

전력변환은 입력과 출력의 형태에 따라 네 가지로 나뉜다.

AC-DC는 정류, DC-DC는 직류 전압 변환, DC-AC는 인버터, AC-AC는 주파수 변환이다.

형태가 같으면 DC-DC와 AC-AC로 전압 크기만 바꾼다.

인버터는 직류를 교류로 바꾸는 역변환 장치로 쓰인다.

선형형과 스위칭형

전원 장치는 크게 선형형과 스위칭형으로 나뉜다.

선형형은 소자가 선형 영역에서 일하므로 전압 차이가 열로 바뀌어 손실된다.

스위칭형은 소자가 대부분의 시간을 차단이나 포화 상태에 있어 손실이 작다.

그래서 전력 변환기는 대부분 스위칭형이다. 다만 고속 스위칭은 고조파와 잡음을 만든다.

강압 컨버터 계산

직류 전압의 크기를 바꾸는 DC-DC 변환을 계산해 보자.

스위칭 소자가 켜져 있는 시간 비율을 듀티비 D라 한다. 이상적인 강압 컨버터는 Vo = D·Vin이다.

입력이 311V이고 D가 0.5이면 출력은 155.5V다.

출력이 입력의 절반이므로 상식 범위 안의 결과다.

정답과 승강압 방식

정답은 75V다. 듀티비 0.25에 입력 300V를 곱하면 된다.

승압과 강압을 함께 하는 buck-boost 방식은 Vo = D/(1−D)·Vin으로 쓴다.

그래서 출력이 입력보다 높을 수도 낮을 수도 있다는 점을 기억한다.

인버터 방식

인버터는 직류를 교류로 바꾸며 전압과 주파수를 함께 정한다.

직류 측이 전압원이면 전압형, 전류원이면 전류형 인버터다.

전압형은 제어가 쉽고 경제적이어서 최근 대부분 채용된다.

출력 펄스의 폭을 바꾸는 PWM이 주로 쓰이고, 진폭을 바꾸는 PAM은 효율과 시동 토크에 한계가 있다.

정리

마지막으로 시험에 자주 나오는 내용을 정리한다.

변환 방식은 입력과 출력이 교류인지 직류인지부터 구분한다.

선형형은 열 손실이 크고, 스위칭형은 효율이 높다.

승압과 강압을 함께 하는 방식은 출력이 입력보다 높을 수도 낮을 수도 있다.