Electrical Engineering

Introduction to Power Electronics

by D. W. Hart

Chapter 1. Introduction

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Electrical Engineering

3

2

Converter Classification(분류)

1 Introduction

Concept of power electronics

Contents

Electrical Engineering

What is “power electronics” ?

전자 소자를 이용하여 전력을 한 형태에서 다른 형태로

변환하는 것을 의미한다.

반도체의 스위칭 기능을 이용하여 부하가 요구하는 최적화된

형태의 전기 에너지를 부하로 전송하기 위해 전기 에너지의

흐름을 제어한다.

Converter

Controller

Source Load

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Electrical Engineering

What is “switching” ?

- 스위칭이란?

**스위치의 온/오프 동작을 나타내는 용어.

**스위치는 온/오프 상태 즉, 이상적으로 단락 또는 개방

회로의 두가지 특성을 나타낸다.

**이상적인 스위치는 전압 또는 전류중 하나가 영이 되어

소자의 소비전력은 영이 된다.

Switch

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Electrical Engineering

Diode & IGBT

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Electrical Engineering

Future Power System

Control Center

Micro-Turbine

Hospital

Commercial

Building

Fuel Cell

House

Performance

Building

Combined Heat and

Power Plant (CHP)

Factory

Commercial Building

House

Apartment Building

Wind Power Plants

Village

Commercial

Building

Central Power

Station Solar Power Plants

분산 전원화 및 재생 에너지의

사용.

송전 용량의 증가.

전력 흐름의 효율적인 제어에

대한 요구.

고품질 전력에 대한 강력한 요구

미래 전력시스템의 특징

전력 시스템에서 전력전자

장비의 사용 증가.

대전력 반도체 스위치의 사용.

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Electrical Engineering

Power Converter Classification

Rectifier

AC/AC Converter

DC/DC Converter

Inverter

DCAC

AC DC

AC-DC Rectifier: Desktop Computer Power Supply & HVDC Transmission

DC-DC Converter: Cellular Phone, Notebook & PDA

DC-AC Inverter: AC Motor Drive, UPS & DVR (Uninterruptible Power Supply) (Dynamic Voltage Restorer)

AC-AC Converter: Cycloconverter, Matrix Converter & AC Motor Drive

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Electrical Engineering

A BASIC (AND INEFFICIENT) DC-DC CONVERTER: A VOLTAGE DIVIDER

A DC-DC SWITCHED CONVERTER

T T/3 T

x x x

0 0 T/3

1 1 1avg v = V v (t)dt = 9dt + 0dt = 3 V.

T T T

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Electrical Engineering

Insert a low-pass filter to remove all but the dc (average) voltage. The output is then purely dc for an ideal filter.

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Electrical Engineering

Two Methods to Control DC Power

E

VR

t

ELoad VR

E

on off offont

Linear Regulator (ex: 7815, 7805): 저효율, 회로가 간단함

Switching Mode Regulator: 고효율, 회로가 복잡

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Electrical Engineering

Roles of Power Electronic System 5

1.5V, 80 A, 50A/usec

In 2000

Socket

for P

Motherboard for Pentium 4

Voltage Regulation Module

on Motherboard

1V, 120 A, 400A/usec

In 2005

The room for VRM on the motherboard is limited!

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Electrical Engineering

Groups of Electronic Switch

Switch

1. Diode: 온/오프 조건이 회로의 전압, 전류에 의해서 결정되는 비제어용 수동

스위치. (Standard PN Diode & Schottky diode)

2. Thyristor: 저전력 제어 신호에 의해 turn-on 되며, 일단 turn-on되면 순방향

바이어스가 유지되는 한 계속 turn-on 상태를 유지한다(Latched-on). Turn-

off 가 회로의 역바이어스에 의해 수행되어야 하는 종류도 있고 (SCR), 제어

신호에 의해 turn-off 할 수 있는 종류도 있다. (GTO, TRIAC, MCT)

3. Transistor: 저전력 제어 신호에 의해 turn-on 및 turn-off 될 수 있는 제어용

능동 스위치. (BJT, MOSFET, IGBT)

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Electrical Engineering

Diode

1. 순방향 전압강하 (Forward voltage drop): Standard PN Diode (0.7V),

Schottky Diode (0.3V).

2. 역회복 시간 (Reverse recovery time): Standard PN Diode (several

hundred nano seconds), Schottky Diode (several nano seconds).

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Electrical Engineering

1. 특징

- 비제어 스위치

- 단방향 전력 제어

2. 기호 및 그림

[그림 2-2] 전력용 다이오드

[그림 2-3] 전력용 다이오드의 전압-전류 특성

3. 동작

- ON : VAK > 0 (Forward drop 발생)

- OFF: VAK < 0 (누설전류 1[uA] ~ 1[mA])

5. 응용 분야

- 정류 회로

- Free wheeling 회로

4. V-I 특성

Diode

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Electrical Engineering

Thyristor

(SCR: Silicon-controlled Rectifier)

1. Anode, Cathod & Gate로

이루어진 3단자 소자.

2. SCR, Triac, GTO, MCT

3. 주로 대 전력용.

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Electrical Engineering

Thyristor (Cont.)

4. 스위칭 주파수: 10-20 [kHz].

5. 게이트 전류를 이용하여 한번 도통되어

홀딩레벨 이상의 전류가 유지되면 게이트

신호와 관계없이 계속 온 상태를 유지한다.

6. 도통시 전압강하는 1~2 [V].

7. Turn-off time: 2-150 [uS].

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Electrical Engineering

Thyristor (Cont.)

GTO

(Gate Turn-Off Thyristor)

Triac

MCT

(Mos Controlled Thyristor)

GTO + 2 MOSFETs

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Electrical Engineering

Thyristor (Cont.)

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Electrical Engineering

2.3.1 SCR(silicon-controlled rectifier)

1. 특징

- 반제어 스위치

- 단방향 전력 제어

- 전류 구동형 스위치

2. 기호

3. 동작

- ON : VAK > 0 일 때, 게이트 트리거

(턴-온 후 유지 전류(IH)가 있어야 온상태 유지)

- OFF : VAK < 0

4. 응용 분야

- 위상 제어 정류기

- AC 전압제어

- 모터 제어

(a) 반도체 구조 (b) 회로 기호 (c) 실제 소자

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Electrical Engineering

Power Transistor (BJT)

1. Collector, Emitter & Base로

이루어진 3단자 소자.

2. 제어신호를 이용하여 소자의

온/오프가 가능.

3. Collector-Emitter 포화전압

1~2 [V]

4. 전류 구동형

5. Darlington 접속

부하선

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Electrical Engineering

MOSFET

(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)

1. Drain, Source & Gate로 이루어진 3단자 소자.

2. 저전력용.

3. 전압 구동형.

4. 구동 회로가 간단함.

5. 수백 kHz의 동작 주파수.

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Electrical Engineering

IGBT

(Insulated-Gate Bipolar Transistor)

1. MOSFET, BJT, GTO 사이리스터의 장점을 결합한

일종의 하이브리드(hybrid) 소자.

2. 전압구동형.

3. On-drop이 전류에 관계없이 낮고 거의 일정하여

MOSFET 보다 훨씬 큰 전류를 흘릴 수 있음.

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