1. 파워일렉트로닉스입문Ⅰ실험으로배우는파워제어의기 전자공학 2005/06/23 18:16

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1. 파워일렉트로닉스입문Ⅰ

스위칭 전원과 인버터 등의 큰 전력을 출력하는 회로를 제작하기 위해서는 높은 전압과 큰 전류를 다루는 기술이 필요하다. 그러나 0V/5V 정도 레벨의 신호밖에 다뤄본 적이 없다면 모터를 회전시키는 것도 쉽지 않을 것이다. 이번 기획특집Ⅱ에서는 PWM 회로에 의한 전력제어의 기초에서부터 파워 디바이스 선정 방법, 스위칭 출력회로의 설계법까지 두 달에 걸쳐 상세히 해설한다.

本記事는 日本CQ出版社가 發行하는「トランジスタ技術」誌(2004年3月號)와의 著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.

실험으로배우는파워제어의기초

파워일렉트로닉스입문

파워 일렉트로닉스란

먼저 파워 일렉트로닉스라는 용어의 의미에 관해 생각해보 자. 일렉트로닉스 분야에서‘파워’를 다루면 그 부분은 이미 파워 일렉트로닉스가 된다.단, 파워를 다룬다고 해도 다음과 같은 분야는 일반적으로 파워 일렉트로닉스라고 하지 않는다..화력 등의 발전, 변전, 송배전 등.고주파 송신기 등 분포상수에서 거론되는 세계 파워 일렉트로닉스의 전체 모습을 좀 더 파고들면 다음과 같이될 것이다..주파수는 대략 30MHz 정도 이하.전력은 대략 1W에서 50kW 정도.집중상수에서 거론되는 회로나 장치적어도 나는 이 범위가 파워 일렉트로닉스라 생각하고 있다.

파워란 전력이다

간단히‘파워’라 써보았지만, 도대체 파워란 무엇인가? 일 렉트로닉스 세계에서 파워는 전력을 말한다. 전력이란, 전압 과 전류의 곱이다. 즉,전력＝전압×전류이다.교류인 경우에는 3종류가 있다. 좀 까다롭지만 언급하도록 한다.실효전력＝전압×전류×cosθ피상전력＝전압×전류무효전력＝피상전력－실효전력단위는 실효전력이 와트[W], 피상전력이 V·A 또는 볼트 암페어[VA], 무효전력이 바[var]이다. 참고로 cosθ는역률이 라 부르며,cosθ＝ 실효전력/피상전력으로 얻어진다.

파워 일렉트로닉스의 무한 용도

1. 파워 일렉트로닉스는 넓고도 밀접하다우리 주변에는 파워 일렉트로닉스가 넘쳐흐르고 있다. 주 위를 살펴보자. 방에 설치된 인버터 에어컨, 눈이 부시지 않 은 인버터식 형광등, 음악이 흐르고 있는 오디오 앰프, 냉장 고 등 셀 수 없이 많다.파워 일렉트로닉스와 관계되지 않은 생활을 하기 위해서는 외딴 무인도에서 사는 수밖에 없다. 즉, 그만큼 파워 일렉트로닉스는 밀접한 존재이다. 응용면에서 본 파워 일렉트로닉 스 분야를 그림 1에 정리해 보았다.

2. 에어컨도 파워 일렉트로닉스에어컨이 가동되는 방에서 이 글을 읽고 있는 사람도 많을 것이다. 실은 이 에어컨에도 파워 일렉트로닉스가사용되고 있다. 사진 1은 에어컨 파워 제어기판의 예이다.

인간의 요구가 끝이 없는 것처럼 단지 시원하게, 또는 따뜻 하게 하는 것만으로는 이미 에어컨이라 할 수 없게되었다. 온도를 보다 정밀하게 컨트롤하거나 가능한 한 조용하게 동 작하도록 요구되고 있다. 그래서 파워 일렉트로닉스가 등장 했다. 그림 2는 에어컨의 파워 제어회로부의 블록도이다.

16비트 마이크로컴퓨터가 부하의 상황을 판단하고 모터 인버터 에 의해 모터의 회전속도를 자유롭게 가변한다. 그 결과, 정 숙성이나 정밀한 실온 컨트롤이 가능해졌다.

3. 형광등도 파워 일렉트로닉스형광등을 켠 상태에서 이 글을 읽고 있는 사람도 많을 것이 다. 이 형광등에도 파워 일렉트로닉스가 사용되고있다. 대부 분의 형광등은 50Hz 또는 60Hz의 상용 전원주파수로 깜빡 이고 있다. 시험삼아 일반 형광등을 손으로 가리고 손가락을 벌려 흔들어 보면 다수의 손가락 그림자를 볼 수 있을 것이 다. 이것은 형광등이 점멸하고 있기 때문에 그늘이 다수 보이 게 되는 것이다. 형광등의 플리커는 이것이 원인이다.이 형광등의 플리커를 해소하는 데에도 파워 일렉트로닉스 가 유용하다. 형광등 인버터라 불리는 회로에 의해형광등을 고주파 점등시키고 있다. 여기에서 말하는 고주파란 상용주 파수보다 높다는 의미이다. 그 결과, 플리커를 느끼기 어렵게 하는 것이다. 사진 2와 같은 인버터 제어기판이 나타난다.

4. 최근의 화제약간은 꿈과 같은 이야기도 기술해 보기로 한다. 파워 일렉 트로닉스에 관하여 최근 화제에서 얻은 것이다.(1) 코일에 축전최근 콘덴서를 사용하여 축전하는 시스템(그림 3)에 대한 연구(1)가 계속되고 있다.

그리고 획기적인 대용량 콘덴서의 발명(2), (3)에 따라 현실적으로 되었다. 이 새로운 시스템은 같 은 중량의 니켈 수소축전지를 사용한 축전장치와 비교하여,.같은 에너지를 축전할 수 있다.수 분 사이에 급속충전이 가능하다.10만회 이상의 반복충전이 가능하다.안전성이 높고 폐기처리도 간단하다.배터리의 잔량 예측이 정확하다.축전한 전기의 대부분을 사용할 수 있다라는 훌륭한 특징이 있다. 특히 마지막 항목은 충전한 후에 사용할 수 있는 에너지가 같은 무게의 리튬 이온 축전지를 사 용한 축전장치에 필적할 정도이며 큰 메리트를 산출하는 이 유로 되고 있다. 이 시스템은 파워 일렉트로닉스 기술에 의해 이러한 아이디어가 빛을 발한 예이다.(2) 태양전지나 연료전지청정한 에너지원으로 주목되고 있는 것은 태양전지나 연료 전지이지만 이러한 것도 파워 일렉트로닉스 없이는얘기할 수 없다. 전지 자체는 일렉트로닉스라기 보다는 화학 쪽의 세 계이다. 그러나 전지에서 발생한 전기를능숙하게 사용하려 면 파워 일렉트로닉스 기술이 반드시 필요하다. 전지에서 발 생한 직류전압은 인버터라 불리는 파워 일렉트로닉스 장치에 서 사용하기 편리한 교류전압으로 변환되고 있다.

기술면에서 본 파워 일렉트로닉스

1. 파워 회로와 제어회로로 구성된다그림 4와 같이 파워 일렉트로닉스 기술을 크게 나누면 파워 회로와 제어회로의 2가지로 분류된다.

파워 회로란 문자 그대로 파워를 다루는 회로이며 파워 MOSFET 등의 파워 디바이스와 인덕터, 콘덴서로 구성되어 있다. 제어회로는 파워 회로를 컨트롤하는 부분이다. 이것은 아날로그 방식, 디지털 방식에 따라 회로나 디바이스도 달라 진다.그림 5, 그림 6은 파워 일렉트로닉스 기술에 어떠한 것이 있는가를 정리해 놓은 것이다.

실로 다양한 기술요소에서 파워 일렉트로닉스 기술이 성립되고 있다는 것을 이해할 수 있 을 것이다. 안전하게동작시키기 위해서는 회로기술이나 프 로그래밍 기술뿐만 아니라 제어이론 지식도 필요하다.

2. 파워 일렉트로닉스 ≒ 일렉트로닉스일렉트로닉스 세계의 기술과 관계없는 분야는 고주파 기술 뿐일지도 모른다. 그래서 노이즈 대책 등에서는 고주파 지식 이 필요한 경우도 나오고 있다. 조금은 아전인수격일지도 모 르지만, 파워 일렉트로닉스 기술은 일렉트로닉스 기술 그 자체라 할 수 있을 것이다.예를 들면 전형적인 내장형 CPU의 H8 마이크로컴퓨터를 사용해도 파워 일렉트로닉스는 가능하다. 32비트의H8S/2245는 파워 회로를 구성하기 위해 필요한 A-D 컨버 터나 PWM 회로를 내장하고 있다. 다음에는 전압과전류를 입력하는 회로나 파워 MOSFET 등을 구동할 수 있는 회로 를 부가할 뿐이다. 물론 이 CPU의 설계자는

파워 일렉트로 닉스에의 응용을 염두에 두고 설계했을 것이다.

파워 제어의 기초

디지털 회로 설계는 나름대로 가능하지만 막상 파워 회로 설계로 되면‘경험도 없으려니와 가르쳐 주는 사람도없다’고 망설이는 사람도 많을 것이다. 마이크로컴퓨터나 PIC를 다루 는 사람은 증가하고 있지만 포트 끝에 연결되는 회로까지 포 함하여 설계하는 사람은 적은 것이 현실이다. 먼저 간단한 실 험에서 파워 제어를 체험해보기로 한다.

1. 파워 제어의 첫걸음…5V/0V에서 100W의 전구를 ON/OFF 제어한다파워 제어에 대해 물으면‘아날로그인가…’하며 자신 없는 태도가 된다.그러나 실은 마이크로컴퓨터 출력포트의“H”와“L”을 전 환하는 것만으로 파워를 컨트롤할 수 있다. 파워 일렉트로닉 스는 그렇게 심플한 부분에서 시작할 수 있다.(1) 릴레이를 사용해 본다“H”와“L”의 신호를 사용하면 ON과 OFF라는 2가지 상 태로 전환할 수 있다. 5V의“H”신호(ON)와 0V의“L”신호(OFF)의 2가지 신호로 100W의 전구를 점등 및 소등시켜 본다. 그림 7과 같이 이 신호로 릴레이(사진 3)를 구동하여 AC100V 라인을 접속하거나 떨어뜨린다.

마이크로컴퓨터의 출력포트 대부분은 구동전류가 부족하 므로 릴레이를 직접 구동할 수는 없다. 릴레이와 마이크로컴 퓨터 사이에 트랜지스터를 삽입하여 전류를 증폭해 줄 필요 가 있다.릴레이를 ON/OFF시키면 릴레이가 ON되어 있는 동안 릴 레이의 접점을 통하여 100VRMS의 전압이 AC100V전원에서 전구에 공급되는 것이다.사진 4와 같이 입력신호가 5V(“H”)인 기간은 전구에 AC100VRMS가 인가되어 1ARMS의 전류가 흐른다.

입력신호가 0V(“L”)인 기간에는 전구에 전압, 전류 모두 인가되어 있지 않다.사진 4의 전류값을 보면 정확히 1ARMS의 전류가 흐르고 있 다. 전력은 전압과 전류의 곱이기 때문에,100V×1A＝100W의 파워인 ON/OFF 제어가 정확하게 실행되고 있다. 이 실험에서 마이크로컴퓨터 등을 사용하여 100W라는 큰

전력을 간단히 컨트롤할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 수V의 작은 신호에 의해 그보다도 큰 전압이나전류를 부하로 부여하거나 정지시키는 것이 파워 제어의 첫 걸음이다.(2) 반도체 스위치 사용이번에는 교류부하를 제어하는 데 자주 이용되는 반도체의 스위치 소자‘트라이액’을 내장한 모듈PGM152A1(사진 5)

을 사용하여 같은 100W의 백열전구를 컨트롤해 보았다. 사진 6에 실험결과를,

그림 8에 실험회로를 나타낸다.

사진 4와 같은 결과가 얻어졌다.여기서 트라이액은 릴레이와 같은 동작을 하고 있다는 것 을 알 수 있다. 이와 같이 반도체 소자에 전술한 릴레이와 같 이 동작시키는 것을 스위치와 같은 동작이라는 뜻에서 스위 칭이라 부른다.

(3) 릴레이 스위치는 ON/OFF 동작이 느리다표 1에 릴레이와 같이 접점을 갖는 기계식 스위치와 반도체 스위치의 특징을 정리했다.

접점식 스위치와 반도체 스위치의 가장 큰 차이는 스위칭 속도이다. 릴레이는 코일에 전류를 흘리고 거기서 발생된 자 력으로 기계식 접점을 동작시키고 있으므로 빠른 동작이 장 점이라고는 할 수 없다.내가 평소에 사용하고 있는 릴레이는 1시간 당 ON/OFF 되는 횟수가 1,800회로 1초 당 0.5회이다. 마이크로컴퓨터는 충분히 수백kHz의 제어신호를 낼 수 있지만 릴레이는 이 속 도를 따라갈 수 없다.

효율적이면서 매끄럽게 파워 제어하려면

1. 조광기로 보는 원활한 제어어쨌든 램프를 ON/OFF시킬 수는 있었지만 이 파워 제어 회로는 ON과 OFF라는 2가지 상태를 오고갈 뿐인 불연속 제 어밖에 할 수 없다. 실내 조명의 광량을 조정하고 싶은 경우, 이처럼 스트로보와 같은 ON과 OFF의 반복으로는 눈이 피 로해져버린다. 좀 더 부드럽게 램프의 광량을 조절하고 싶다.

2. 조광기가 제어된 전압과 전류의 파형여러분은 가정에서 전구의 명도를 연속적으로 조절할 수 있는 조광기를 본 적이 있을 것이다. 전구는 주어진전력에 비례하는 명도를 방치해두므로 전력이 작으면 명도가 흐려지 고 전력이 커지면 명도도 높아진다. 이 매끄러운 제어는 어떻 게 해서 실현되는 것일까?실제로 조광기(사진 7)를 움직여 전압과 전류가 어떻게 제어되고 있는가를 조사해 보기로 한다.

그림 9에 실험 접속 모습을, 사진 8에 실험결과를 나타낸다.

3. 조광기는 전류가 흐르는 기간을 제어하여 광량을 조절한다사진 8(a)는 조광기의 볼륨을 20%로 하여 측정한 전구에 흐르는 전류이다. 전류가 흐르는 기간이 매우 짧아 전구는 어 둡게 점등하고 있다.사진 8(b)는 볼륨을 50%로 했을 때의, 사진 8(c)는 80% 로 설정했을 때의 전류 모습이다. 볼륨을 높여 가면 전류가 흐르는 기간이 커져 정현파에 근접해 간다는 것을 알 수 있 다. 이 때, 전구는 밝게 점등한다.이 실험결과에서 알 수 있는 것은‘조광기는 전구에 흐르는 전류 위상 폭을 제어하여 광량을 원하는 조도로 조절하고 있 다’는 것이다.

4. 단속적인 전류에서도 평균화하면 된다그림 9의 실험은 그림 8의 실험과 마찬가지로 조광기 내부의 트라이액을 ON/OFF시키고 있다. 다른 점은 원하는 광량이 되도록 볼륨에 따라 전류의 위상폭을 바꾸어 상용 전원주 파수 50Hz에서 반복하여ON/OFF시키고 있다는 점이다.이 정도 차이에서는 실제로 전구의 빛에 플리커가 느껴지 지 않는다. 왜 그럴까? 첫 번째 답은, 광량이 급격히변화되 지 않는다는 것, 두 번째는 인간의 눈이 급격한 광량의 변화 에 둔감하다는 점이다.좀 더 일렉트로닉스적인 관점에서 설명한다. 원하는 위상폭을 가지고 50Hz에서 반복하여 ON/OFF하는 전류로 점등 하고 있는 전구도 전구와 인간의 눈의 특성에 따라 광량이 평 균화되어 보인다.‘원하는 신호에 맞추고 위상폭을 바꾸며 반복하여 단속한 신호를 평균화하면 원하는 신호로 복귀한다’라는 점

은 매우 중요하므로 기억해 두기 바란다.

5. 무엇을 위한 스위칭인가(1) 전력 낭비 없이 부하에 전달한다그러나 무엇 때문에, 반도체 스위치로 특별히 원하는 위상 폭을 만들어 전류를 단속시킨 것인가에 대해 검토해본다. 광량을 감소시키기 위해 그림 10(a)와 같이 전구와 직렬로 저항 R을 넣고 전류를 감소시켜 보자.

확실히 광량이 감소되었다. 그렇지만 저항 R을 만져보면 매우 뜨거워지고 있다. 여 기서 계산해 보자. 저항 R에서 소비되는 전력 PR은,PR＝i2 R＝0.82×25＝16W로 된다.이 예에서는 조광하기 위해 전력이 16W나 소비되고 있다.즉, 저항을 넣어 제어하는 방법은 전력 소비가 크고 높은 효 율로 파워를 제어할 수 없다는 것이다.그렇다면 트라이액을 사용한 조광기인 경우[그림 10(b)] 에는 어떻게 된 것일까. 실은 1시간 정도 전구를 점등시켜 두 어도 조광기는 약간 따뜻해졌을 뿐이다.반도체는 스위치처럼 동작하고 있어 ON(저항값 0Ω)과 OFF(저항값 ∞Ω)의 2가지 상태를 왔다갔다(스위치)한다. 반도체에 인가되는 전압/전류는 ON일 때 0V/0.8A, OFF일 때 100V/0A로 된다. 원리적으로 어떠한 상태에서도 반도체 에는 손실 발생하지 않는다. 이것이 반도체를 스위칭시키는 큰 이점이다.

지시신호의 전압값을 펄스 폭으로 바꾸는 기술 ‘PWM’

이번에는 원하는 신호를 위상폭으로 바꾸고 다시 복귀시키 는 방법에 관해 살펴본다. 원하는 신호를 위상폭으로 바꾸는 이유는 반도체를 스위칭시켜 전력 손실을 작게 감소시키기 위한 것이었다.지금까지는 친밀감을 얻기 위해 상용의 교류전원을 사용,전구를 점등시키는 실험을 실행하며 설명했다. 지금부터는 교류전원을 스위칭하는 것이 아니라 널리 사용되고 있는 일 반적인 직류를 스위칭하는 방법을 설명한다. 때문에 위상폭 도 펄스폭이라 바꾸어 말하도록 한다.

1. 신호를 펄스 폭으로 바꾼다…이것이 PWM이다!주파수 fsw의 톱니파와 콤퍼레이터를 준비한다. 여기에 원 하는 신호를 그림 11과 같이 접속한다.

원하는 신호란, 부하에 전달하고 싶은 에너지량의 정보를 가진 신호를 말한다. 여 기에서는 지시신호라 부르기로 한다.콤퍼레이터는 톱니파에서 원하는 신호의 전압이 높은 구간 만“H”로 된다. 그림 12와 같이 지시신호의 전압 레벨을 바꾸면 거기에 따르도록 콤퍼레이터에서 출력되는 펄스 폭도 변한다.

이와 같이 연속적인 신호를 단속한 펄스의 폭으로 변환하 는 것을 PWM(Pulse Width Modulation)이라 부른다.Modulation(변조)이라 부르는 이유는 톱니파의 주파수 fsw에 서 지시신호를 변조한다는 이미지이기 때문이다.

2. PWM 신호에서 변조 전의 신호를 재생하려면이번에는 PWM 신호를 복조해 보기로 한다. 그림 13에 PWM 회로의 복조회로를 나타낸다.

‘일반적인 PWM(Low Pass Filter)이 아닌가’라며 화를 낼지도 모르지만, 여기에 PWM 신호를 입력하면 그림 14와 같이 원래의 신호(그림 11의 지시신호)가 재생(복조)된다.

앞서 조광기의 실험에서‘원하는 신호에 맞춘다는 것을, 위상 폭을 바꾸어 평균화하면 원하는 신호로 복귀한다’라 썼지만 이 LPF는 평균화 역할을 해내고 있다.파워를 다루는 회로에서, 그림 13(a)에 나타난 저항 R은 전력 손실을 발생시키므로 좋지 않다. 당연히 파워 일렉트로 닉스 세계에서는 그림 13(b)의 회로를 복조하여 사용한다.

3. LPF의 차단 주파수 설정그림 14(b)에 나타난 PWM 신호를 복조한 신호는 전압이 다소 평탄하지 못한 것이다. 이 평탄치 못한 것을 전압 리플 이라 부른다.리플(ripple)이란 잔물결이라는 의미이다. 복조회로를 설 계할 때 주의해야 할 점은 LPF의 차단주파수 fC를PWM일 때 준비한 톱니파의 주파수 fsw보다 대폭 낮게 해야한다는 것 이다.fC/fsw의 값이 작을수록 리플 전압은 작아진다. 그러나 너무 작아지면 지시신호가 펄스폭 변조(PWM)된 신호를 복조할 수 없다. fC의 현실적인 설계 기준은 톱니파의 주파수 fsw의 1/10 이하 정도이다.

PWM파에서 부하 구동 신호를 재생하는 기술

1. PWM 신호를 복조하는 실험그림 15의 회로에서 PWM 신호를 복조해 보기로 한다.

PWM 신호의 복조회로로서 저항 R과 콘덴서 C를 사용한 LPF를 사용해 보았다.펄스의 반복 주파수 fsw는 20kHz, LPF의 차단주파수는 1kHz로 설정하고 있다.입력신호는 0~10V의 단극성 펄스와 ±5V의 양극성 펄스 이다. 그림 15(a)와 같이 0~10V의 PWM 신호를 이LPF에 통과시켜 보자. 사진 9에 실험결과를 나타낸다.

사진 9(a)에서 ON과 OFF의 시간비율은 2：8이다. 즉, 신호의 1주기 가운데 20%가 ON, 나머지 80%가 OFF이다.이 시간비율을 듀티(duty)라 부르며 일반적으로는 1주기 에 대한“H”기간을 시간비율 또는 %로 표현한다. 이 경우, 듀티는 0.2 또는 20%이다.실험결과를 살펴보기로 한다. 출력으로 얻어지는 전압은 사진 9(a)에서와 같이 2V이다. 사진 9(b)는 듀티 D＝50%인 경우이다. 출력은 10V의 반 정도인 5V로 되어 있다. 사진 9(c)는 D＝70%인 경우이다. 출력은 7V이다.이 실험은 제3 장에서 설명하고 있는 합차식 풀 브리지 회로 동작을 이해하 는데 도움이 될 것이다.

2. 단극성 PWM 신호와 출력전압의 관계알아차린 사람도 있겠지만 듀티 D와 출력전압 Vout[V] 사 이에는 다음과 같은 관계가 있다.

여기서, ton：ON 시간[s], toff：OFF 시간[s], VPWM：PWM 신호의 피크 투 피크 전압[V]그림 15(a)의 실험조건에서,D＝20%일 때, Vout＝0.2VPWMD＝50%일 때, Vout＝0.5VPWMD＝70%일 때, Vout＝0.7VPWM으로 된다. VPWM＝10V로 할 경우, 실험결과와 완전히 합 치된다는 것을 확인하기 바란다.

3. 양극성 PWM 신호를 복조한다사진 10은 －5V~＋5V 크기의 양극성 PWM 신호를 LPF 에서 복조한 실험결과이다.

정(＋)극 PWM 신호의 듀티를 D라고 하면 출력전압 Vout은,D＝20%일 때, Vout＝－3VD＝50%일 때, Vout＝0VD＝70%일 때, Vout＝2V로 되어 있다는 것을 알 수 있을 것이다.PWM 신호와 출력전압의 관계는 양극성에서도 어렵게 생 각할 필요가 없다. 단극성인 경우에 대해 정(＋) 측의듀티를 D로 하면 부(－)측의 듀티는 (1－D)가 된다. 부(－) 측의 PWM 신호는 출력전압을 내리는 방향으로 된다는 것은 단번 에 알 수 있을 것이다.때문에 D와 Vout[V] 사이에는 다음과 같은 관계가 성립된다.

Vout＝DVPWM＋＋(1－D)VPWM---------------------------(2)

여기서, VPWM＋：정 측 PWM 전압의 제로 투 피크 전압 [V0-P],VPWM－：부 측 PWM 전압의 제로 투 피크 전압[V0-P]사진 10의 실험에서는 VPWM＋＝5V, VPWM－＝－5V이다. 실 제로 계산하면 실험과 정확하게 맞는다는 것을 확인할 수 있 을 것이다.이 실험은 제3장에서 설명하고 있는 극성반전식 풀 브리지 회 로의 동작을 이해하는데 도움이 될 것이다.