초퍼 제어

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1. 개요
2. 특징
3. 종류 및 비교
- 3.1. 강압형 초퍼와 승압형 초퍼 비교
4. 제어 방식
5. 공식
6. 응용 분야
7. 초퍼 증폭기
8. 다른 명칭
9. 철도 차량에서의 초퍼 제어
참조

1. 개요

초퍼 제어는 저항 제어 방식에 비해 에너지 손실이 적고, 사이리스터 등을 이용하여 전동차의 회생 제동을 가능하게 하는 기술이다. ON-OFF 반복으로 인한 노이즈 발생을 억제하기 위해 노이즈 필터를 사용하며, 강압형, 승압형 초퍼 등의 종류가 있다. 제어 방식으로는 펄스 폭 변조, 주파수 변조 등이 있으며, 전압을 제어하여 모터 속도 제어, 배터리 충전 등에 활용된다. 초퍼 증폭기는 작은 직류 신호를 증폭하는 데 사용되며, 철도 차량에서는 가속 및 감속 제어를 위해 사용되었으나, 최근에는 VVVF 인버터 제어 방식의 등장으로 신차에서는 찾아보기 어렵다.

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초퍼 제어
회로 소자 정보
종류	전력 전자 회로
사용 분야	DC-DC 컨버터 인버터 전동기 제어
제어 방식	전압형 초퍼 전류형 초퍼
초퍼 제어 (チョッパ制御)
종류	전기차 제어 기술
사용 분야	전기차 전기 기관차 전철
장점	기존 저항 제어 방식에 비해 에너지 효율이 높음
단점	고조파 발생 가능성

2. 특징

저항 제어나 직렬 레귤레이터 방식과 비교했을 때, 초퍼 제어는 여분의 전력을 열로 버리지 않고 제어 소자를 이용해 전류를 고속으로 ON-OFF하여 필요한 전력만 추출하므로 열에 의한 에너지 손실이 적다.^[1]^[2] 제어 소자로는 주로 사이리스터나 파워 트랜지스터 등이 사용된다.^[1]^[2]

특히 전동차에 적용될 경우, 전기 제동 시 발생하는 에너지를 전력선으로 되돌려 보내는 회생 제동을 완벽하게 사용할 수 있다는 주요 장점이 있다.^[1]

하지만 전류를 고속으로 ON-OFF하는 과정에서 노이즈가 발생하는 단점이 있다. 이 때문에 안정화 전원 등에서는 2중 노이즈 필터를 사용하는 경우가 많다.^[1]^[2] 일반적인 초퍼 제어 회로는 출력 전압이나 전류 등의 변화에 따라 ON 시간과 OFF 시간의 비율(듀티 사이클)을 조절하여 부하가 변동해도 안정적인 출력을 유지하도록 설계된다.^[2]

전자 회로 분야에서는 회로가 다소 복잡하지만, 필요한 부품을 하나로 묶은 DC-DC 컨버터나, 스위칭 소자, 초크 코일 등 몇 가지 부품만 추가하면 초퍼 제어 회로를 쉽게 구현할 수 있는 IC가 개발되어 있다.^[2] 또한 상용 전원에서 직류 출력을 얻는 스위칭 AC 어댑터 등이 기존의 트랜스 방식 전원 회로를 대체하며 널리 사용되고 있다.^[2] 다만, 오디오나 비주얼 가전제품에서는 스위칭 과정에서 발생하는 노이즈를 피하기 위해 일부러 기존의 트랜스나 직렬 레귤레이터를 사용한 전원 회로를 채택하기도 한다.^[2]

대한민국의 전동차는 주 제어회로에 가변 전압 가변 주파수 제어(VVVF) 방식이 많이 사용되는 추세이다.^[1] 반면, 일본에서는 1990년대까지 저항제어 방식의 주 제어회로에 초퍼 제어를 추가하여 회생 제동이 가능하도록 만든 계자첨가 여자제어나 계자 초퍼 제어 기술이 통근형 전동차 등에 널리 사용되었다. 이는 사이리스터 초퍼 제어 방식보다 차량 및 유지보수 비용이 저렴하면서도 회생 제동의 장점을 활용할 수 있었기 때문이다.^[1]

3. 종류 및 비교

초퍼 제어는 저항 제어나 직렬 레귤레이터 방식과 달리, 제어 소자로 전류를 고속으로 ON/OFF하여 필요한 전력만 추출하므로 열에 의한 에너지 손실이 적다는 장점이 있다. 제어 소자로는 주로 사이리스터나 파워 트랜지스터 등이 사용된다. 특히 전동차의 경우, 전기 제동 시 발생하는 에너지를 전력선으로 되돌려 보내는 회생 제동의 사용이 완벽하게 가능하다는 것이 특징이다.

그러나 전류를 ON/OFF하는 과정에서 노이즈가 발생하기 때문에, 안정화 전원 등에서는 2중 노이즈 필터를 사용하는 경우가 많다. 오디오나 비주얼 가전 분야에서는 이러한 노이즈 문제 때문에 기존의 트랜스나 직렬 레귤레이터 방식의 전원 회로를 선호하기도 한다. 일반적인 초퍼 제어 회로는 출력 전압이나 전류에 따라 ON 시간과 OFF 시간의 비율(듀티 사이클)을 조절하여 부하 변동에도 안정적인 출력을 유지한다.

전자 회로 분야에서는 DC-DC 컨버터나 관련 IC의 발달로 초퍼 제어 회로 구현이 용이해졌으며, 스위칭 AC 어댑터 등에서 기존 트랜스 방식 전원 회로를 대체하고 있다.

철도 차량에서는 가속 및 감속 시 초퍼 제어를 통해 전압을 조절하며, 특히 감속 시에는 회생 제동을 통해 에너지를 회수하는 데 효과적으로 사용된다.^[7] 철도 차량용 초퍼 제어는 어떤 회로를 스위칭하는지에 따라 다양한 명칭으로 불린다. 모터의 전기자 회로를 직접 제어하는 전기자 초퍼 제어는 1968년 지요다선의 영단 6000계 전동차 시제차에서 처음 사용되었으나, 장치가 크고 비싸며 유도 장애 대책이 필요하여 널리 쓰이지는 못했다. 국철 201계 전동차가 대표적인 예시다. 일본에서는 저항제어 방식에 초퍼 제어를 부가하여 회생 제동을 가능하게 한 계자첨가 여자제어나 계자 초퍼 제어 방식이 1990년대까지 통근형 전동차 등에 널리 사용되었다. 이는 전기자 초퍼 제어보다 차량 및 보수 비용이 저렴하면서도 회생 제동이 가능하다는 장점 때문이었다.

하지만 초퍼 제어는 브러시가 있는 직류 모터를 사용하기 때문에 VVVF 인버터 제어 방식에 비해 유지 보수성이 떨어지는 단점이 있다. 이 때문에 최근 신규 제작되는 차량에는 거의 채택되지 않고 있다. 대한민국의 전동차 역시 현재는 주로 VVVF 제어 방식이 사용된다. VVVF 인버터 제어 차량 중에서도 열차 밀도가 낮은 구간에서 회생 제동 시 전력이 제대로 흡수되지 않는 '회생 실효' 문제를 방지하기 위해, 저항기를 이용한 발전 제동 회로에 초퍼 제어를 적용하는 브레이크 초퍼 시스템을 탑재하는 경우도 있다.

3. 1. 강압형 초퍼와 승압형 초퍼 비교

	강압형 초퍼	승압형 초퍼
출력 전압 범위	0 ~ V 볼트	V ~ +∞ 볼트
초퍼 스위치 위치	부하와 직렬 연결	부하와 병렬 연결
출력 전압 수식	VL dc = D × V 볼트	V_o = V/(1 – D) 볼트
외부 인덕턴스	불필요	출력 전압 승압에 필요
사용	전동기 작동, 전동기 부하	전동기 부하의 회생 제동
초퍼 유형	단일 사분면	단일 사분면
작동 사분면	제1 사분면	제1 사분면
응용	모터 속도 제어	배터리 충전/전압 부스터

철도 차량에서는 가속 시에는 강압 초퍼로 동작시키고, 속도에 따라 ON 시간과 OFF 시간의 비율(듀티 비)을 증가시켜 평균 전압을 높여간다. 감속 시에는 주 회로를 전환한 후 승압 초퍼로 동작시켜 회로의 전압을 가선 전압보다 높임으로써 주 전동기가 발생시킨 전력을 가선에 흘려 회생 제동을 실현한다. 속도가 떨어지면 주 전동기에서 발생하는 전압도 낮아지므로, 역시 듀티 비를 올려 항상 가선 전압 이상의 전압을 확보한다.^[7]

4. 제어 방식

초퍼 제어는 고정된 직류 입력 전압을 사용하여, 사이리스터나 파워 트랜지스터 같은 제어 소자를 고속으로 ON/OFF 스위칭하여 부하에 공급되는 평균 전압을 조절하는 방식이다.^[1] 이 방식은 저항 제어나 직렬 레귤레이터와 달리 여분의 전력을 열로 소모하지 않고 필요한 전력만 추출하므로 에너지 손실이 적으며, 특히 전동차에서는 전기 제동 시 발생하는 에너지를 전력선으로 되돌리는 회생 제동을 효과적으로 사용할 수 있다는 장점이 있다.^[7]

하지만 스위칭 과정에서 노이즈가 발생하므로 안정화 전원 등에서는 2차 측에 노이즈 필터를 사용하는 경우가 많다. 이러한 스위칭 노이즈 문제 때문에 오디오나 비주얼 가전제품에서는 기존의 트랜스나 직렬 레귤레이터 방식의 전원 회로를 선호하기도 한다.

일반적인 초퍼 제어 회로는 출력 전압이나 전류 변동에 따라 ON/OFF 시간 비율, 즉 듀티 사이클을 조절하여 부하가 변해도 안정적인 출력을 유지한다. 전자 회로에서는 다소 복잡하지만, 필요한 부품을 통합한 DC-DC 컨버터나 몇 가지 부품만 추가하면 초퍼 제어 회로 구현이 가능한 IC가 개발되어 있다. 상용 전원을 사용하는 직류 출력 제품에서는 스위칭 AC 어댑터가 기존 트랜스 방식 전원 회로를 대체하고 있다.

평균 출력 전압 제어 기술에는 다음 방식들이 있다.^[1]

펄스 폭 변조 (PWM): 일정한 주파수로 스위칭하면서 ON 시간(펄스 폭)을 조절하여 평균 출력 전압을 제어한다. ON 시간과 총 시간 비율인 듀티 사이클 변경으로 전력을 조절하며, 모터 등 관성 부하 제어에 널리 쓰인다. 스위칭 주파수는 부하 특성에 따라 다르다.
주파수 변조: 펄스 폭과 진폭은 고정하고, 펄스 발생 빈도(주파수)를 변경하여 평균 출력 전압을 제어한다.
가변 주파수, 가변 펄스 폭: 펄스 폭과 주파수를 모두 변경하여 출력 전압을 제어한다.
전류 제한 제어 (CLC): 부하 전류가 설정된 최대/최소값 사이를 유지하도록 듀티 사이클을 조절한다.

철도 차량에서는 초퍼 제어가 다양하게 활용된다. 가속 시에는 강압 초퍼로 작동하며 속도 증가에 따라 듀티 사이클을 높여 평균 전압을 올린다. 감속 시에는 주 회로를 전환하여 승압 초퍼로 작동시키고, 회로 전압을 가선 전압보다 높여 주 전동기 발생 전력을 가선으로 되돌려 회생 제동을 구현한다. 속도 감소 시 주 전동기 발생 전압이 낮아지면 듀티 사이클을 높여 항상 가선 전압 이상을 확보한다. 이때 가선 전압 초과 방지를 위해 저항기나 브레이크 초퍼를 사용하기도 한다. 가속 중 바퀴 공전 발생 시 듀티 사이클을 일시적으로 낮춰 접착 성능을 확보하는 기능도 있다. 주 전동기 전류를 직류에 가깝게 하기 위해 리액터를 직렬 연결하고, 플라이휠 다이오드를 역병렬 접속하여 초퍼 OFF 시 순환 전류를 흘려 전류 파형을 평활화한다.^[7]

대한민국의 전동차는 주로 가변 전압 가변 주파수 제어 (VVVF) 방식을 사용하지만, 일본 등에서는 1990년대까지 저항제어 회로에 초퍼 제어를 부가하여 회생 제동을 가능하게 한 계자첨가 여자제어나 계자 초퍼 제어 기술이 통근형 전동차 등에 많이 사용되었다. 이는 사이리스터 초퍼 제어보다 차량 및 유지보수 비용이 저렴하면서 회생 제동이 가능하다는 장점 때문이었다. 그러나 직류전동기를 사용하는 초퍼 제어는 교류전동기를 사용하는 VVVF 방식보다 유지보수성이 떨어져 최근 신규 차량에는 거의 채택되지 않는다.

5. 공식

초퍼 제어 회로의 평균 출력 전압 ( $V_{ave}$ )은 스위칭 소자의 듀티 사이클 ( $\alpha$ )을 조절하여 제어한다. 주요 초퍼 회로 유형별 출력 전압 공식은 다음과 같다.^[6]

승압형 초퍼: 입력 전압( $V_s$ )보다 높은 출력 전압을 얻는다.

V_{ave}=\frac{V_s}{1-\alpha}

강압형 초퍼: 입력 전압( $V_s$ )보다 낮은 출력 전압을 얻는다.

V_{ave}=\alpha V_s

벅-부스트 초퍼: 입력 전압( $V_s$ )보다 높거나 낮은 출력 전압을 얻을 수 있다. (하위 섹션에 제시된 공식 기준)

V_{ave}=\frac{\alpha V_s}{1-\alpha V_s}

각 공식에서

V_{ave}

는 평균 출력 전압,

V_s

는 입력 소스 전압,

\alpha

는 듀티 사이클 (

0 \le \alpha \le 1

)을 나타낸다. 자세한 유도 과정과 회로 설명은 각 하위 섹션에서 다룬다.

5. 1. 승압형 초퍼

일반적인 승압형 초퍼 회로는 전압원

V_s

, 인덕터

L

, 다이오드, 그리고 평균 전압

V_{ave}

를 갖는 부하로 구성된다. 초퍼 스위치는 다이오드 및 부하와 병렬로 연결된다.

스위치가 켜져 있는 시간(

T_{ON}

) 동안에는 출력단이 단락되고, 키르히호프의 전압 법칙에 따라 인덕터 양단 전압은 다음과 같다.

L\frac{di}{dt}=V_s

이 시간 동안 인덕터 전류의 평균 변화율은 다음과 같이 계산된다.

\frac{\Delta i}{T_{ON}}=\frac{V_s}{L}

여기서

\Delta i

는

T_{ON}

동안의 전류 변화량이다.

스위치가 꺼져 있는 시간(

T_{OFF}

) 동안에는 전압원과 인덕터가 부하에 연결된다. 키르히호프의 전압 법칙을 적용하면 인덕터 양단 전압은 다음과 같다.

L\frac{di}{dt}=V_{ave}-V_s

이 시간 동안 인덕터 전류의 평균 변화율은 다음과 같다.

\frac{\Delta i}{T_{OFF}}=\frac{V_{ave}-V_s}{L}

정상 상태에서는 한 주기 동안 인덕터 전류의 총 변화량이 0이어야 하므로, 스위치가 켜져 있을 때의 전류 증가량(

\Delta i

)과 꺼져 있을 때의 전류 감소량(

\Delta i

)은 크기가 같아야 한다. 따라서 두 평균 전류 변화율 식으로부터 얻은 전류 변화량(

\Delta i

)을 같다고 놓으면 다음 관계를 얻는다.

\frac{V_s}{L} T_{ON} = \frac{V_{ave}-V_s}{L} T_{OFF}

양변에

L

을 곱하고 정리하면,

V_s T_{ON} = (V_{ave}-V_s) T_{OFF}

V_s T_{ON} = V_{ave} T_{OFF} - V_s T_{OFF}

V_s (T_{ON} + T_{OFF}) = V_{ave} T_{OFF}

따라서 평균 출력 전압

V_{ave}

는 다음과 같다.

V_{ave} = V_s \frac{T_{ON}+T_{OFF}}{T_{OFF}}

듀티 사이클

\alpha

를

\alpha=\frac{T_{ON}}{T_{ON}+T_{OFF}}

로 정의하면, 스위치가 꺼져 있는 시간의 비율은

1-\alpha = \frac{T_{OFF}}{T_{ON}+T_{OFF}}

이다. 이를 위 식에 대입하면 다음과 같이 정리된다.^[6]

V_{ave}=\frac{V_s}{1-\alpha}

여기서

V_{ave}

는 평균 출력 전압이다. 이 식은 승압형 초퍼의 출력 전압이 항상 입력 전압

V_s

보다 높거나 같으며 (듀티 사이클

\alpha

는 0과 1 사이의 값을 가지므로

1-\alpha \le 1

), 듀티 사이클

\alpha

를 조절하여 출력 전압을 제어할 수 있음을 보여준다.

5. 2. 강압형 초퍼

일반적인 강압형 초퍼(스텝다운 초퍼)는 전압원

V_s

, 초퍼 스위치, 인덕터, 그리고 전압

V_o

를 갖는 부하가 직렬로 연결된 구조이다. 다이오드는 인덕터 및 부하와 병렬로 연결된다. 스위치가 켜지고 꺼지는 동안 평균 인덕터 전류를 같게 유지함으로써 평균 출력 전압

V_{ave}

를 구할 수 있다.^[6]

V_{ave}=\alpha V_s

여기서

\alpha

는 듀티 사이클이고,

V_s

는 소스 전압이다.

초퍼 제어는 저항 제어나 직렬 레귤레이터 방식과 달리, 제어 소자를 고속으로 ON-OFF하여 필요한 전력만 추출한다. 이 방식은 여분의 전력을 열로 소모하지 않기 때문에 에너지 손실이 적다는 장점이 있다. 제어 소자로는 주로 사이리스터나 파워 트랜지스터 등이 사용된다.

하지만 ON-OFF를 반복하는 과정에서 노이즈가 발생하는 단점이 있다. 이 때문에 안정화 전원 등에서는 출력단에 노이즈 필터를 사용하는 경우가 많다.

일반적인 초퍼 제어 회로는 출력 전압이나 전류 등의 변화에 따라 ON 시간과 OFF 시간의 비율, 즉 듀티 사이클을 조절하여 부하가 변동하더라도 안정적인 출력을 유지하도록 설계된다.

전자 회로에서는 다소 복잡할 수 있지만, 직류 출력 제품의 경우 필요한 부품을 거의 하나로 통합한 DC-DC 컨버터나, 스위칭 소자, 초크 코일 등 몇 가지 부품만 추가하면 초퍼 제어 회로를 구현할 수 있는 IC(집적 회로)가 널리 사용된다. 상용 전원을 직류로 변환하는 제품에서는 스위칭 AC 어댑터 등이 기존의 트랜스 방식 전원 회로를 대체하고 있다.

다만, 오디오나 영상 관련 가전제품에서는 스위칭 과정에서 발생하는 노이즈를 피하기 위해, 전통적인 트랜스나 직렬 레귤레이터를 사용한 전원 회로를 선호하는 경우도 있다.

5. 3. 벅-부스트 초퍼

일반적인 벅-부스트 초퍼는 스텝업(승압) 및 스텝다운(강압) 초퍼로 모두 작동할 수 있다. 회로는 전압 소스

V_s

, 초퍼 스위치, 역 바이어스 다이오드, 그리고 전압

V_o

를 갖는 부하가 직렬로 연결된 형태로 구성된다. 인덕터는 직렬 다이오드 및 부하와 병렬로 연결된다. 턴온 시간과 턴오프 시간 동안의 평균 인덕터 전류를 같다고 가정하면, 평균 출력 전압은 다음과 같이 구할 수 있다:^[6]

V_{ave}=\frac{\alpha V_s}{1-\alpha V_s}

여기서

V_{ave}

는 평균 출력 전압이고,

\alpha

는 듀티 사이클,

V_s

는 소스 전압이다.

6. 응용 분야

초퍼 제어는 저항 제어나 직렬 레귤레이터 방식과 비교했을 때, 제어 소자를 고속으로 ON-OFF하여 필요한 전력만 추출하므로 열에 의한 에너지 손실이 적다는 장점이 있다.^[7] 제어 소자로는 주로 사이리스터나 파워 트랜지스터 등이 사용된다.^[7] 그러나 ON-OFF를 반복하는 과정에서 노이즈가 발생할 수 있어, 안정화 전원 등에서는 2차 측에 노이즈 필터를 사용하는 경우가 많다.^[7]

초퍼 회로는 다양한 분야에서 활용되며, 주요 응용 분야는 다음과 같다.

스위치 모드 전원 공급 장치 (DC-DC 컨버터 포함)
DC 모터 속도 제어기
액추에이터에서 브러시리스 DC 토크 모터 또는 스테핑 모터 구동
D급 전자 증폭기
스위치드 커패시터 필터
가변 주파수 드라이브
DC 전압 부스트
배터리 구동 전기 자동차
배터리 충전기
철도 전기 추진
조명 및 램프 제어

특히 전동차와 같은 철도 차량 분야에서 사용되었다. 철도 차량에서 초퍼 제어는 다음과 같은 방식으로 작동한다.^[7]

가속 시: 강압 초퍼로 작동하며, 전압이 인가되는 시간(ON 시간)과 차단되는 시간(OFF 시간)의 비율인 듀티 비를 속도에 따라 증가시켜 평균 전압을 높인다. 주 전동기에 흐르는 전류를 가능한 직류에 가깝게 만들기 위해 리액터와 플라이휠 다이오드를 사용하기도 한다.
감속 시: 승압 초퍼로 작동하여 주 전동기에서 발생한 전압을 가선 전압보다 높여 전력을 다시 가선으로 되돌려 보내는 회생 제동을 가능하게 한다. 속도가 감소함에 따라 발생하는 전압이 낮아지면, 듀티 비를 높여 항상 가선 전압 이상의 전압을 유지한다. 때로는 전압이 과도하게 높아지는 것을 방지하기 위해 저항기나 브레이크 초퍼를 사용하기도 한다.

철도 차량용 초퍼 제어 기술은 1968년 일본의 지요다선 영단 6000계 전동차에서 전기자 초퍼 제어 방식으로 처음 도입되었다.^[7] 전기자 초퍼 제어는 국철 201계 전동차 등에도 채용되었으나, 장치가 크고 비싸며 유도 장애 문제가 있어 널리 사용되지 않았다.^[7] 이후 VVVF 인버터 제어 방식이 등장하면서 신규 차량에는 거의 채택되지 않고 있다. 다만, 일본 등지에서는 1990년대까지 기존의 저항제어 방식에 초퍼 제어를 추가하여 회생 제동을 가능하게 한 계자첨가 여자제어나 계자 초퍼 제어 방식이 비용 효율성 때문에 통근형 전동차에 사용되기도 했다. 현재는 VVVF 인버터 제어 차량에서 회생 제동 시 전력 흡수처가 없어 제동력을 잃는 회생 실효를 방지하기 위해 저항기를 이용한 발전 제동 회로에 초퍼 제어를 사용하는 브레이크 초퍼 시스템 형태로 일부 활용되고 있다.^[7]

대한민국의 전동차에서는 주 제어회로로 가변 전압 가변 주파수 제어 방식이 주로 사용된다.

7. 초퍼 증폭기

초퍼 회로의 고전적인 용도 중 하나이며 이 용어가 여전히 사용되는 분야는 초퍼 증폭기이다. 이는 직류 증폭기의 한 종류이다. 증폭이 필요한 일부 신호 유형은 매우 작아서 엄청나게 높은 이득이 필요할 수 있다. 하지만 매우 높은 이득의 직류 증폭기는 낮은 오프셋 및 $1/f$ 잡음, 합리적인 안정성 및 대역폭을 갖도록 제작하기가 훨씬 더 어렵다. 대신 교류 증폭기를 만드는 것이 비교적 쉽다.

초퍼 회로는 이러한 문제를 해결하기 위해 사용된다. 입력된 직류 신호를 잘게 쪼개어 마치 교류 신호인 것처럼 처리한 다음, 출력단에서 다시 직류 신호로 합치는 방식으로 작동한다. 이러한 방식을 통해 매우 작은 직류 신호를 효과적으로 증폭할 수 있다. 이 방식은 안정성과 정확성이 중요하게 요구되는 전자 계측 분야에서 자주 사용된다. 예를 들어, 이러한 기술을 사용하여 피코-볼트미터나 홀 센서 등을 만들 수 있다.

매우 높은 이득으로 작은 신호를 증폭하려고 할 때는 증폭기의 입력 오프셋 전압이 중요한 요소가 된다. 초퍼 증폭기 기술은 매우 낮은 입력 오프셋 전압을 가진 증폭기를 만들 수 있게 해준다. 또한, 이 입력 오프셋 전압은 시간이나 온도 변화에 따라 크게 변하지 않기 때문에, 이러한 기술을 적용한 증폭기를 "제로 드리프트" 증폭기라고 부르기도 한다. 이는 시간과 온도에 따른 입력 오프셋 전압의 변화(드리프트)가 거의 없다는 의미이다.

이러한 제로 드리프트 이점을 제공하는 관련 기술로는 자동 영점 조정 증폭기와 초퍼 안정화 증폭기가 있다. 자동 영점 조정 증폭기는 보조 증폭기를 사용하여 주 증폭기의 입력 오프셋 전압을 보정하는 방식이다. 초퍼 안정화 증폭기는 자동 영점 조정 기술과 초퍼 기술을 결합하여 더욱 우수한 직류 정밀도를 제공한다.^[2]

몇 가지 초퍼 및 자동 영점 조정 증폭기의 예시로는 LTC2050,^[3] MAX4238/MAX4239^[4] 및 OPA333^[5] 등이 있다.

8. 다른 명칭

스위칭: 직류 입력 직류 출력의 경우
정류기 (컨버터·순서 변환기): 교류 입력 직류 출력의 경우
교류 초퍼: 교류 입력 교류 출력의 경우

9. 철도 차량에서의 초퍼 제어

저항제어 방식과 비교했을 때, 초퍼 제어는 열로 인한 에너지 손실이 적다는 장점이 있다. 제어 소자로는 주로 사이리스터 등이 이용된다. 특히 전동차에서는 전기 제동 시 발생하는 에너지를 전력선으로 되돌려 보내는 회생 제동을 완벽하게 사용할 수 있다는 점이 큰 특징이다. 다만, ON-OFF를 반복하는 과정에서 노이즈가 발생할 수 있어, 안정화 전원 등에서는 2중 노이즈 필터를 사용하는 경우가 많다.

철도 차량에서 초퍼 제어는 가속 시에는 강압 초퍼로 작동하며, 속도에 따라 ON 시간과 OFF 시간의 비율(듀티 비)을 높여 평균 전압을 증가시킨다. 감속 시에는 주 회로를 전환한 뒤 승압 초퍼로 작동시켜 회로 전압을 가선 전압보다 높인다. 이를 통해 주 전동기에서 발생한 전력을 가선으로 흘려보내 회생 제동을 구현한다. 속도가 감소하면 주 전동기의 발생 전압도 낮아지므로, 듀티 비를 높여 항상 가선 전압 이상의 전압을 유지한다. 이때, 가선 전압을 크게 초과하지 않도록 저항기나 전용 강압 초퍼(브레이크 초퍼)를 삽입하여 전력을 되돌리는 경우도 있다. 일부 장치에는 비 등으로 인해 가속 중 바퀴가 헛도는 공전이 발생하면 이를 감지하여 듀티 비를 일시적으로 낮춰 점착 성능을 확보하는 기능도 탑재되어 있다. 또한, 전압을 단속적으로 변화시켜 전류를 직류 전동기에 흘리기 때문에, 주 전동기 성능을 위해 가능한 한 직류에 가까운 전류를 공급하는 것이 좋다. 이를 위해 리액터라는 코일을 주 전동기와 직렬로 연결하고, 주 전동기에 플라이휠 다이오드를 역병렬로 접속한다. 이를 통해 무가압 시(초퍼의 OFF 시간)에 순환 전류가 리액터를 통해 주 전동기 사이로 흘러 직류에 가까운 전류를 만들 수 있다.^[7]

대한민국의 전동차에는 주로 주 제어회로에 가변 전압 가변 주파수 제어(VVVF) 방식이 널리 사용되고 있다. 반면, 일본 등에서는 1990년대까지 저항제어의 주 제어회로에 초퍼 제어를 부가적으로 사용하여 회생제동이 가능하도록 하는 계자첨가 여자제어나 계자 초퍼 제어 기술 등이 사용되었다. 이는 사이리스터 초퍼 제어보다 차량 및 유지보수 비용이 저렴하면서도 회생제동 사용이 가능하다는 장점 때문에 각 운영회사의 통근형 전동차 등에 많이 채택되었다.

철도 차량용 초퍼 제어는 1968년, 지요다선의 영단 6000계 전동차 (1차 시제차)에서 전기자 초퍼 제어 방식으로 처음 사용되었다. 국철 201계 전동차에 채용된 전기자 초퍼 제어는 가장 전류가 큰 주 회로에서 사용되어 장치가 크고 비싸며, 유도 장애 대책이 필요하다는 단점이 있어 양산 채용된 경우는 드물다. 특히 영단 01계 전동차에 채용된 4상한 초퍼 장치는 파워 블록이 2조나 필요하여 VVVF 인버터 제어와 기기 구성 면에서 큰 차이가 없었다. 이 때문에 많은 차량이 증차 과정에서 VVVF 방식으로 설계 변경되었으나, 교토 시 교통국 10계 전동차나 도쿄도 교통국 10-000형 전동차처럼 그대로 증차된 사례도 있다.

초퍼 제어는 브러시가 있는 직류 전동기를 사용하기 때문에, VVVF 방식에서 사용하는 각종 교류 전동기에 비해 유지보수성이 떨어진다. 이러한 이유로 최근 신규 제작되는 차량 중 초퍼 제어를 채택한 경우는 거의 없다. 한편, VVVF 인버터 제어 차량이라도 열차 밀도가 낮은 노선에서는 회생 제동 시 발생한 전력이 가선으로 충분히 흡수되지 못해 회생 제동 효과가 사라지는 '회생 실효' 현상이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 저항기를 통한 발전 제동 회로를 구성하고 초퍼 제어를 수행하는 브레이크 초퍼 시스템을 탑재한 차량도 있다.

철도 차량용 초퍼 제어 장치는 어떤 회로를 스위칭하는지에 따라 명칭이 달라진다.

참조

_[1] 웹사이트 Voltage Control of Chopper - Time Ratio & Current Limit Control https://www.electron[...] 2022-02-25
_[2] 특허 Chopper chopper-stabilized instrumentation and operational amplifiers US Patent
_[3] 웹사이트 LTC2050 http://www.linear.co[...]
_[4] 웹사이트 MAX4238/MAX4239 http://www.maxim-ic.[...]
_[5] 웹사이트 OPA333 http://focus.ti.com/[...]
_[6] 서적 Power Electronics https://books.google[...] Tata McGraw-Hill Education 2008-07-07
_[7] 서적 鉄道メカニズム図鑑

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