전력변환 ( Power Converter )
: 전력 전체가 아닌 전류와 전압을 변경하여 P=IV 공식에 의해 전력을 변환한다.
AC 변환의 경우 크기와 주파수를 변환하며, DC 변환의 경우 크기만 변환한다.
전력처리시스템
: 전력의 흐름을 제어하고 형태를 변환하는 기능을 하는 시스템.
이론적으로는 권선지 조절을 통해 직류도 변환가능한 변압기이다.
하지만 실제로는 권선비가 일정하기 때문에 직류는 처리 불가능하며, 주파수 또한 변동 불가능하여 어디서든 60Hz이다.
신호처리 시스템의 경우 입력정도를 출력정보로 변환하는데 전력을 사용하는 시스템이다.
예시로 ADC, DAC 등이 있다.
DC성분의 경우 주파수가 0이기 때문에 LPF(Low Pass Filter)를 통해, AC성분의 경우 HPF(High Pass Filter)로 분리할 수 있다.
전력처리 시스템의 경우 제어정보를 통해 입력 전력을 원하는 출력전력으로 변환하는 시스템이다.
전력반도체로 구성되는 만큼 언제 ON/OFF 시킬지 결정하는 제어정보가 중요하다.
전달되는 E를 얼마나 효율적으로 잘 전달하는지가 중요하다.
효율
: 전력처리 시스템에서 가장 중요한 요소이다.
손실이 발생하면 발생할 수록 효율이 좋지 않기 때문에 저항은 출력전압의 부하를 위한 경우가 아니면 사용을 지양한다.
저항에 전압이 걸리면 E를 손실하며, 전압이 걸리지 않으면 쓸모가 없어 효율적이지 않고 회로의 복잡도만 높인다.
하지만 실제로는 회로의 안정화를 목적으로 사용하는 경우가 많다.
위 그림과 같은 전력변환 회로를 스위치 - 노드 전력변환 회로라고 한다.
이상적인 경우 손실이 발생하지 않지만 실제로는 인덕터의 코일, 커패시터의 내부저항, 스위치 쇼트시의 저항이 존재한다.
하지만 이조차 저항보다는 손실에 유리하다.
저항의 손실
: 목표 전압\(v_{o} = \frac{1}{2}V_{i}\) 일때의 상황이다.
저항을 통해 전력을 변환할 경우 손실 및 다양한 문제가 발생한다.
입력전압 \(V_{i} = 10V\), 부하저항 \(R_{L} = R_{V}\) 이다.
이 경우 추가적인 회로 없이는 \(v_{o}\) 변경이 불가하며 \(v_{o}\)를 변경하기 위해서는 \(R_{V}\) 교체가 필요하고, \(R_{L}\) 교체시 \(v_{o}\)를 유지하기 위해서는 \(R_{V}\)의 교체도 추가적으로 필요하다.
저항 \(R_{V}\)가 없는 상황에서 전력\(P_{in} = P_{L} = R_{L}i^{2}\) 이고, 저항 \(R_{v}\)가 있는 상황에서는
\(P_{in}=P_{L}+P_{V}=R_{L}i^{2}+R_{V}i^{2}=\frac{1}{2}P_{L}\)이므로 절반으로 줄게 된다.
결국 그만큼의 손실이 발생한다.
이러한 단점을 해결하기 위해 저항이 아닌 스위치를 껐다 켰다 하는 방식으로 전압을 조절한다.
PWM 방식과 유사하다고 생각하는데, 입력전압을 변경하지 않으면서 스위치가 켜져있는 시간을 조절해 평균 전압을 통해 조절된 전압을 출력함과 같은 효과를 내는 방식이다.
이경우 회로에 저항이 존재하지 않으니 손실이 없어 100%효율을 낼 수 있으며, 원하는 \(v_{o}\)를 얻는데 추가적인 회로가 필요하지 않다.
하지만 스위치를 통해 High - Low를 전환하는 과정에서 Ripple이 발생하는데 이는 LC를 이용해 DC와 같이 변환한다.
전력 반도체 소자 ( Switch )
: "스위치" 라고 하였을 때 생각나는 일반적인 물리 스위치가 아닌 전력변환에 이용되는 스위치이다.
기본적으로 전류의 흐름을 끊었다 이었다 하는 기능을 하고있다.
물리적으로 이격되어있지 않아 미세한 전류가 흐른다.
OFF 상태에서 누설전류가 작고, 저지전압이 클수록, ON 상태에서 허용전류가 크고, 도전저항이 작을수록 좋다.
* 누설전류 : OFF 시켰음에도 흐르는 전류.
* 허용전류 : ON 상태에서 스위치가 버틸 수 있는 전류량.
* 저지전압 : OFF 상태에서도 전류가 흐르도록 하는 고전압.
* 도전저항 : ON 상태에서 발생하는 저항.
스위치 구동을 위한 신고 입력 소자가 간단하면 회로가 간단하고 손실이 줄어드는 장점도 있다.
또한 스위칭 되는 시간 (= 상태 변화에 걸리는 시간)이 적을 수록 좋은데 이는 아래 그림을 통해 알 수 있다.
스위치를 ON - OFF 시키는 과정에서 ON인 경우 스위치 양단의 전압은 LOW, 전류는 HIGH, OFF인 경우는 그 반대인 것을 알 수 있다.
이는 상태가 갑자기 바뀌는 것처럼 보이지만 확대해 보면 그렇지 않음을 알 수 있다. 전압을 갑자기 올리고 내릴 수 없기 때문이다.
이 경우 \(P = IV\)에 의해 손실이 발생하게 된다.
그러므로 스위칭 하는 시간과 스위칭 하는 횟수가 적을수록 손실이 감소한다.
현재는 Si보다 스위칭 시간이 감소된 SiC 또는 GaN을 이용하는 추세이다.
* 사진은 노의철, 정규범, 최남섭 공저, 문운당 출판사의 전력전자공학(제4판)에서 발췌하였습니다.
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