전력변환의 기본 원리
작성일 : 2023년 02월 08일 (Wednesday)
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전자제품은 동작하기 위해서는 필연적으로 전원이 필요하다. 이 때 제품마다 정격전력 및 정격전압이 보통 정해져 있다. 우리가 가정에서 사용하는 전기는 교류로 단상 3선식 220V인데, 전자제품의 정격은 220V가 아닌 경우도 존재한다. 이 경우, 우리는 이런 경우 별도의 충전기를 사용하게 되는데, 이 충전기 안에는 전압조정장치가 들어간다. 오늘 다룰 스위칭 레귤레이터가 그 전압조정장치 중 하나이다. 스위칭 레귤레이터는 우리가 사용하는 대부분의 전자제품 내부에도 들어가는 회로로 전자제품에 있어서 아주 기초적인 회로라고 할 수 있다.
전압조정장치
전압조정장치에 스위칭 레귤레이터만 존재하는 것은 아니다. 조금 더 고전적이지만 확실하게 전압을 조정할 수 있는 리니어 레귤레이터도 존재한다.
리니어 레귤레이터
리니어 레귤레이터는 저항 분압의 특성을 이용해서 특정 전압으로 제어하는 회로로 아래와 같은 구조로 되어 있다. 아래 회로를 천천히 뜯어보면, 전압원이 하나 존재하고, 노이즈 제거를 위해서 입력단과 출력단에 각각 하나씩 병렬로 연결되어 있다. 그리고 제어기가 존재해서 제어기가 특정 전압으로 제어될 수 있도록 가변저항의 크기를 제어한다. 회로는 아주 간단하지만, 사실 전원의 전력이 일정하다고 가정할 때, 분압을 위해 사용되는 가변저항에 필요없는 전력이 소모되므로 효율이 좋지 못하고 전류가 많이 흐를 경우 열 발생이 심하므로 대전력 장치에는 사용이 불가능하다는 한계가 존재한다. 그래서 일반적으로 사용되지는 않고, 선형성(신호의 안정성)이 필요한 분야인 정밀 측정 등의 회로에 사용된다.
스위칭 레귤레이터 (전력변환장치)
스위칭 레귤레이터는 인덕터와 커패시터를 원하는 방향으로 동작할 수 있도록 토폴로지를 구성하고, 핵심적인 위치에 스위치를 설치하여 스위치를 제어해서 전압을 제어하는데 스위치로 MOSFET 이 사용되기 때문에 스위칭/전도 손실 등에 의한 손실을 제외하면 손실이 거의 없기 때문에 리니어 레귤레이터에 비해 효율이 매우 높다. 인덕터와 커패시터는 모두 일시적으로 에너지를 저장하는데 쓰이는데, 에너지를 저장해서 입력을 상쇄시키면서 출력단에 에너지를 전달하면 강압, 입력에 더해져서 출력단에 에너지를 전달하면 승압이 된다.
전력변환장치는 입력과 출력에 따라 다음과 같이 분류한다 : DC > DC 변환(승압/강압), AC > AC 변환 (승압/강압)을 하는 전력변환장치는 컨버터라고 부르고, AC > DC 혹은 DC > AC 변환을 하는 전력변환장치는 인버터라고 부른다.
