전력 전자공학
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1. 개요
전력 전자공학은 수은 아크 정류기의 발명과 함께 시작되어, 전력 변환을 위한 다양한 기술과 소자 개발을 거쳐 발전해왔다. 초창기에는 수은 아크 정류기, 사이리스터 등이 사용되었으며, 이후 트랜지스터와 MOSFET의 등장으로 스위칭 속도와 효율이 향상되었다. 전력 전자공학은 직류-직류, 직류-교류, 교류-직류, 교류-교류 변환 등 다양한 전력 변환 방식을 포함하며, 펄스열 제어와 위상 제어 방식을 통해 전력을 제어한다. 전력용 반도체 소자로는 다이오드, 트랜지스터, 사이리스터, MOSFET, IGBT 등이 있으며, 이들의 특성은 시스템 설계에 중요한 영향을 미친다. 전력 전자공학은 AC 어댑터, 배터리 충전기, 모터 드라이브, 고전압 직류 전력 전송 시스템 등 다양한 분야에 응용되며, 최근에는 스마트 그리드, 신재생 에너지, 전기 자동차 분야에서 그 중요성이 더욱 부각되고 있다. 전력 전자 회로는 시뮬레이션 프로그램을 통해 설계 및 테스트된다.
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- 전력 전자공학 - 사이리스터
사이리스터는 애노드, 캐소드, 게이트를 가진 4층 구조의 반도체 소자로, 작은 전압으로 큰 전류를 스위칭하며, SCR, 트라이액, GTO 등 다양한 종류가 있고 전력 제어 등 여러 산업 분야에 사용되지만 최근에는 IGBT에 의해 대체되는 추세이다. - 전력 전자공학 - 게이트 턴 오프 사이리스터
게이트 턴오프 사이리스터(GTO)는 게이트 신호로 턴온/오프 제어가 가능한 전력 반도체 소자이지만, 긴 턴오프 시간과 큰 게이트 구동 전류 때문에 IGBT에 의해 대체되고 있으며, 가변 속도 모터 드라이브 등에 사용되었으나 현재는 생산이 감소 추세이고, 안정적인 동작을 위해 스너버 회로가 필요하다.
| 전력 전자공학 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 분야 | 전기 공학, 전자 공학 |
| 하위 분야 | 전력 시스템, 제어 공학, 마이크로 전자 공학 |
| 관련 분야 | 반도체 소자, 전기 기기 |
| 정의 | |
| 정의 | 전력의 변환 및 제어를 다루는 전기 공학 및 전자 공학의 한 분야 |
| 응용 분야 | |
| 응용 분야 | 전기 자동차 전력 시스템 산업 자동화 전기 기기 |
| 주요 소자 | |
| 주요 소자 | 다이오드 트랜지스터 사이리스터 IGBT MOSFET |
| 주요 회로 | |
| 주요 회로 | 정류기 인버터 컨버터 (전기) 초퍼 |
2. 역사
전력 전자공학은 1897년 독일의 물리학자인 레오 그레츠가 고안한 정류기(그레츠 회로)에서 시작되었다. 이후 1957년 제너럴 일렉트릭이 개발한 사이리스터의 등장은, 회전기, 자기, 액체, 기체 등을 사용하던 방식에서 벗어나 고체 반도체 소자를 이용한 전력 변환 및 개폐 기술의 발전을 이끌었다.
1969년 제너럴 일렉트릭의 허버트 스톰은 IEEE의 잡지 『스펙트럼』의 기사에서 '고체 전력 전자공학'이라는 용어를 사용하여 그 정의를 설명했고, 1973년 웨스팅하우스 일렉트릭의 윌리엄 뉴웰은 "파워(전기·전력·전력 기기)와 전자 공학(전자·회로·반도체)과 컨트롤(제어)을 융합한 학제적 분야"라고 설명했다. 이후, 전력용 반도체 소자와 제어용 컴퓨터의 발전에 힘입어 더욱 발전했다.
대표적인 기술로는 교류에서 직류로 변환하는 순변환기(정류기), 직류를 교류로 변환하는 역변환기(인버터) 등의 반도체 전력 변환 장치가 있다. 전력 전자 공학은 발전, 송전, 산업, 통신, 전기 철도, 자동차, 가전제품 등 매우 광범위한 분야에 활용된다.
2. 1. 초기 역사 (수은 아크 정류기 ~ 사이리스터)
1902년 피터 쿠퍼 휴잇이 수은 아크 정류기를 발명하면서 교류(AC)를 직류(DC)로 변환할 수 있게 되었다. 1920년대부터는 사이래스터와 그리드 제어 수은 아크 밸브를 전력 전송에 활용하는 연구가 진행되었다. 우노 람은 고압 직류 전력 전송에 적합한 수은 밸브를 개발했다. 1933년에는 셀레늄 정류기가 발명되었다.[1]1957년 제너럴 일렉트릭(GE)은 사이리스터를 개발하여 고체 반도체 소자를 이용한 전력 변환 및 개폐 기술 발전에 기여했다.
2. 2. 트랜지스터와 MOSFET의 등장
줄리어스 에드거 릴리엔펠드는 1926년에 전계 효과 트랜지스터의 개념을 제안했지만, 당시에는 실제로 작동하는 장치를 제작하는 것이 불가능했다.[2] 1947년, 벨 연구소에서 윌리엄 쇼클리의 지휘하에 월터 브래튼과 존 바딘이 바이폴라 점 접촉 트랜지스터를 발명했다. 1948년 쇼클리의 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT) 발명은 트랜지스터의 안정성과 성능을 향상시키고 비용을 절감했다. 1950년대에는 더 높은 전력의 반도체 다이오드가 출시되어 진공관을 대체하기 시작했다. 1960년대에는 바이폴라 접합 트랜지스터의 향상된 스위칭 속도로 인해 고주파 DC/DC 컨버터가 가능해졌다.R. D. 미들브룩은 전력 전자공학에 중요한 기여를 했다. 1970년에 그는 칼텍에 전력 전자공학 그룹을 설립했다.[4] 그는 현대 전력 전자공학 설계에 중요한 상태 공간 평균화 방법과 기타 도구를 개발했다.[5]
1969년, 히타치(Hitachi)는 최초의 수직 전력 MOSFET를 출시했으며,[9] 이는 나중에 VMOS (V-groove MOSFET)로 알려지게 되었다.[10] 1974년부터 야마하(Yamaha Corporation), JVC, 파이오니아 주식회사(Pioneer Corporation), 소니(Sony) 및 도시바(Toshiba)는 전력 MOSFET을 사용한 오디오 증폭기를 제조하기 시작했다.[11] 인터내셔널 렉티파이어(International Rectifier)는 1978년에 25 A, 400 V 전력 MOSFET을 출시했다.[12]
1982년에는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)가 소개되었고, 1990년대에 널리 보급되었다.
3. 전력 변환
전력 변환은 입력과 출력의 관계에 따라 다음과 같이 나뉜다。
- 직류 입력 - 직류 출력: 직류 초퍼
- 직류 입력 - 교류 출력: 인버터 (역변환)
- 교류 입력 - 직류 출력: 정류 (순변환)
- 교류 입력 - 교류 출력: 주파수 변환 (사이클로컨버터), 교류 전력 조정 (AVR)
3. 1. 직류-직류 변환 (DC-DC 컨버터)
직류 초퍼는 입력된 직류 전압을 다른 레벨의 직류 전압으로 변환한다.[1]3. 2. 직류-교류 변환 (DC-AC 컨버터, 인버터)
DC-AC 컨버터는 직류(DC) 전원으로부터 교류(AC) 출력 파형을 생성하며, 가변 속도 구동(ASD), 무정전 전원 공급 장치(UPS), 유연 AC 송전 시스템(FACTS), 전압 보상기 및 태양광 발전 전력 인버터와 같은 다양한 분야에 활용된다. 이러한 컨버터는 크게 전압원 인버터(VSI)와 전류원 인버터(CSI)로 나뉜다. 전압원 인버터(VSI)는 출력 전압 파형을 독립적으로 제어하며, 전류원 인버터(CSI)는 제어된 AC 출력이 전류 파형이라는 점에서 구별된다.[17]DC-AC 전력 변환은 전력 스위칭 장치를 통해 이루어지며, 출력 파형은 이산 값으로 구성되어 빠른 전환을 보인다. 사인파에 가까운 파형이 필요한 경우, 스위칭 장치는 출력 주파수보다 훨씬 빠르게 작동하며, 변조 기술을 통해 평균 출력값이 사인파에 가깝도록 제어한다. 일반적인 변조 기술에는 펄스 폭 변조(PWM), 공간 벡터 변조(SVM), 선택적 고조파 제거(SHE) 등이 있다.[17]
전압원 인버터 (VSI)전압원 인버터는 단상 및 삼상 응용 분야에 모두 사용된다. 단상 VSI는 하프 브리지 및 풀 브리지 구성을 사용하며, 전원 공급 장치, 단상 UPS 등에 활용된다. 삼상 VSI는 ASD, UPS, STATCOM과 같이 사인파 전압 파형이 필요한 응용 분야에 사용된다.[17]
VSI의 주요 유형은 다음과 같다.
- 단상 하프 브리지 인버터: 저전압 응용 분야에 적합하며, 전원 공급 장치에 주로 사용된다.[17] 인버터 작동으로 인해 저차 전류 고조파가 발생하므로, 두 개의 큰 커패시터를 사용하여 필터링한다.[17]
- 단상 풀 브리지 인버터: 하프 브리지 인버터와 유사하지만, 부하에 중성점을 연결하기 위한 추가 다리가 있다.[17] 이로 인해 출력 파형의 최대 진폭은 하프 브리지 구성의 두 배가 된다.[17]
- 삼상 전압원 인버터: 중전력 및 고전력대 응용 분야에 사용된다.[17]
전류원 인버터 (CSI)전류원 인버터는 DC 전류 공급 장치로부터 AC 출력 전류를 생성한다. 고품질 전압 파형이 필요한 삼상 응용 분야에 적합하며, AC 측에는 커패시터, DC 측에는 인덕터를 주로 사용한다.[17] 전압원 인버터(VSI)보다 신뢰성이 높은 경향이 있다.[18]
다단계 인버터다단계 인버터는 출력 단자에 두 개 이상의 전압 레벨을 사용하여 AC 출력을 사인파에 더 가깝게 근사한다.[17] 더 복잡하고 비용이 많이 들지만, 더 높은 성능을 제공한다.[18]
변조 기술인버터는 사용 목적에 따라 사각파 또는 펄스 폭 변조(PWM) 모드로 작동할 수 있다. 사각파 모드는 단순하지만, PWM은 더 높은 품질의 파형을 생성한다.[17]
VSI의 출력 파형 품질은 변조 기술에 따라 결정된다. 유도성 필터링이 없으면, 정전 용량 부하는 크고 빈번한 전류 스파이크가 있는 울퉁불퉁한 전류 파형을 받게 된다.[17]
3. 3. 교류-직류 변환 (AC-DC 컨버터, 정류기)
정류는 교류 입력을 직류 출력으로 변환하는 것이다.3. 4. 교류-교류 변환 (AC-AC 컨버터)
AC 전력을 AC 전력으로 변환하면 공급된 AC 시스템에서 부하에 적용되는 전압, 주파수 및 파형의 위상을 제어할 수 있다.[20] 컨버터 유형을 구분하는 데 사용할 수 있는 두 가지 주요 범주는 파형의 주파수가 변경되는지 여부이다.[21] 사용자가 주파수를 수정할 수 없는 AC/AC 컨버터는 AC 전압 컨트롤러 또는 AC 레귤레이터라고 한다. 사용자가 주파수를 변경할 수 있는 AC 컨버터는 AC-AC 변환을 위한 주파수 컨버터라고 하며, 여기에는 사이클로컨버터, 매트릭스 컨버터, DC 링크 컨버터(AC/DC/AC 컨버터)의 세 가지 유형이 있다.'''AC 전압 컨트롤러:''' AC 전압 컨트롤러(AC 레귤레이터)는 일정한 주파수에서 부하 전체의 RMS 전압을 변경한다.[20] 일반적으로 ON/OFF 제어, 위상각 제어, 펄스 폭 변조 AC 초퍼 제어(PWM AC 초퍼 제어)의 세 가지 제어 방법이 사용된다.[22] 이 방법들은 단상 및 삼상 회로 모두에 적용할 수 있다.
- ON/OFF 제어: 주로 가열 부하나 모터 속도 제어에 사용되며, n개의 정수 사이클 동안 스위치를 켜고 m개의 정수 사이클 동안 스위치를 끄는 방식이다. 스위칭 시 발생하는 고조파를 줄이기 위해 전압 및 전류가 0인 지점(영점 교차)에서 스위치를 켜고 끈다.[22]
- 위상각 제어: 반파 또는 전파 전압 제어 등 다양한 회로에 위상각 제어를 구현할 수 있다. 주로 다이오드, SCR, 트라이액 등의 전력 전자 부품이 사용된다. 이러한 부품을 통해 파형의 점화 각도를 지연시켜 출력되는 파형의 일부만 제어할 수 있다.[20]
- PWM AC 초퍼 제어: ON/OFF 제어나 위상각 제어는 고조파, 출력 전류 품질, 입력 역률 등의 문제가 있을 수 있다. 이를 개선하기 위해 PWM 방식을 사용할 수 있으며, PWM AC 초퍼는 입력 전압의 반주기 내에서 여러 번 스위치를 켜고 끈다.[22]
'''매트릭스 컨버터 및 사이클로컨버터:''' 사이클로컨버터는 고전력 애플리케이션에 사용되는 가변 주파수 직접 컨버터로, 공급선에 의해 동기화된다. 출력 전압 파형은 복잡한 고조파를 가지는데, 고차 고조파는 기계 인덕턴스에 의해 필터링된다. 이로 인해 기계 전류의 고조파는 줄어들지만, 나머지 고조파는 손실과 토크 맥동을 유발한다. 사이클로컨버터는 인덕터나 커패시터 같은 저장 장치가 없어 순간 입력 전력과 출력 전력이 동일하다.[23]
- 단상 대 단상 사이클로컨버터: 전력 전자 스위치의 크기와 가격 감소로 최근 더 많은 관심을 받고 있다. 단상 고주파 AC 전압은 정현파 또는 사다리꼴파 형태일 수 있으며, 제어 목적이나 영전압 정류를 위한 영전압 간격이 있을 수 있다.
- 삼상 대 단상 사이클로컨버터: 3φ 대 1φ 반파 사이클로컨버터와 3φ 대 1φ 브리지 사이클로컨버터의 두 종류가 있다. 양의 컨버터와 음의 컨버터는 모두 어느 극성에서나 전압을 생성할 수 있지만, 양의 컨버터는 양의 전류만, 음의 컨버터는 음의 전류만 공급한다.
최근 매트릭스 컨버터와 같은 새로운 형태의 사이클로컨버터가 개발되고 있다. 매트릭스 컨버터는 양방향, 양극성 스위치를 사용하며, 단상 대 단상 매트릭스 컨버터는 9개의 스위치 매트릭스로 구성되어 세 개의 입력 위상을 세 개의 출력 위상에 연결한다. 동일 위상의 두 스위치를 동시에 연결하지 않는 한, 언제든지 모든 입력 위상과 출력 위상을 연결할 수 있다. 매트릭스 컨버터는 가볍고 작으며, 다용도로 활용 가능하다. 또한 높은 수준의 통합, 고온 작동, 광범위한 출력 주파수, 양방향 전력 흐름(유틸리티로 에너지 재생) 등의 장점을 가진다.
매트릭스 컨버터는 직접 컨버터와 간접 컨버터로 나뉜다. 직접 매트릭스 컨버터(삼상 입력, 삼상 출력)는 양방향 스위치를 사용하여 어느 극성의 전압이든 차단하고 어느 방향으로든 전류를 전달할 수 있다. 이 스위칭 전략은 가능한 가장 높은 출력 전압을 허용하고 반응성 선측 전류를 줄이며, 전력 흐름은 가역적이다. 그러나 정류 문제와 복잡한 제어로 인해 산업 현장에서 널리 사용되지는 않는다.
간접 매트릭스 컨버터는 직접 매트릭스 컨버터와 기능은 같지만, 저장 요소가 없는 DC 링크를 통해 연결된 별도의 입력 및 출력 섹션을 사용한다. 4사분면 전류원 정류기와 전압원 인버터로 구성되며, 입력 섹션은 양방향 양극성 스위치로 구성된다. 출력 섹션이 자유 순환 모드에 있을 때 입력 섹션의 스위칭 상태를 변경하는 정류 알고리즘은 기존 직접 매트릭스 컨버터보다 덜 복잡하고 신뢰성이 높다.[24]
'''DC 링크 컨버터:''' AC/DC/AC 컨버터라고도 하는 DC 링크 컨버터는 중간 DC 링크를 사용하여 AC 입력을 AC 출력으로 변환한다. 즉, 정류기를 통해 AC를 DC로 변환하고, 인버터를 통해 DC를 다시 AC로 변환한다. 최종적으로 전압이 낮고 가변 주파수를 갖는 출력을 얻는다.[22] AC/DC/AC 컨버터는 다양한 응용 분야에 적용 가능하며, 과부하 및 무부하 조건에서 안정적이고 부하에서 손상 없이 분리할 수 있다는 장점이 있다.[25]
'''하이브리드 매트릭스 컨버터:''' AC/AC 컨버터에 비교적 최근 도입되었으며, AC/DC/AC 설계와 매트릭스 컨버터 설계를 결합한 형태이다. DC 링크가 없는 단방향 스위치와 두 개의 컨버터 단계를 사용하는 컨버터 등 여러 유형의 하이브리드 컨버터가 개발되었다. DC 링크에 필요한 커패시터나 인덕터가 없어 컨버터의 무게와 크기를 줄일 수 있다. 하이브리드 직접 매트릭스 컨버터(HDMC)와 하이브리드 간접 매트릭스 컨버터(HIMC)로 나뉘며, HDMC는 전압과 전류를 한 단계에서 변환하는 반면, HIMC는 AC/DC/AC 컨버터처럼 별도 단계를 사용하지만 중간 저장 요소를 사용하지 않는다.[26][27]
'''응용 분야:'''
- AC 전압 컨트롤러: 조명 제어, 가정/산업용 난방, 팬/펌프/호이스트 드라이브 속도 제어, 유도 모터 소프트 스타트, 정적 AC 스위치(온도 제어, 변압기 탭 변경 등)[20]
- 사이클로컨버터: 고전력 저속 가역 AC 모터 드라이브, 가변 입력 주파수를 갖는 정주파 전원 공급 장치, 역률 보정을 위한 제어 가능한 VAR 발생기, 독립적인 두 전력 시스템 연결[20]
- 매트릭스 컨버터: 현재 고주파 작동 가능 양방향 모놀리식 스위치 부재, 복잡한 제어 법칙 구현, 정류 등의 문제로 응용 분야가 제한적이지만, 기술 개발을 통해 많은 분야에서 사이클로컨버터를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.[20]
- DC 링크: 기계 건설 및 건설 분야에서 개별 또는 다중 부하 응용에 사용 가능[25]
4. 전력 제어 방식
전력 제어 방식에는 펄스열 제어와 위상 제어가 있다.[1] 펄스열 제어는 펄스의 온-오프 시간 비율을 조절하여 평균 전력을 제어하는 방식이고, 위상 제어는 교류 전원에서 스위칭 소자의 점호 위상을 변화시키는 방식이다.
4. 1. 펄스열 제어
펄스 열의 온(on) 시간과 오프(off) 시간의 비율을 변화시켜 평균 전력을 제어하는 방식으로, 다음과 같은 종류가 있다.[1]- 펄스 폭 변조(PWM): 일정 주기의 펄스 열에서 펄스 폭을 변화시키는 방식이다.
- 펄스 주파수 변조(PFM): 펄스 폭을 일정하게 하고 펄스의 반복 주파수를 변화시키는 방식이다.
4. 2. 위상 제어
교류 전원의 경우, 전원 위상에 대해 스위칭 소자의 점호 위상을 변화시키는 방식으로 전력을 제어한다.[1]5. 전력용 반도체 소자
전력 전자 시스템의 성능은 사용 가능한 능동 소자에 의해 좌우되며, 이러한 소자의 특성과 제한 사항은 전력 전자 시스템 설계의 핵심 요소이다. 과거에는 수은 아크 밸브, 고진공 및 가스 충전 다이오드 열전자 정류기, 사이리스터 및 이그나이트론과 같은 트리거 소자가 주로 사용되었으나, 고체 소자(Solid-state device)의 발전으로 대부분 대체되었다.[16]
전력 전자 소자는 스위치 또는 증폭기로 사용될 수 있다. 이상적인 스위치는 전력을 소비하지 않지만, 실제 반도체 소자는 스위칭 과정에서 약간의 전력 손실이 발생한다. 대부분의 전력 전자 응용 분야는 스위칭 소자를 켜고 끄는 방식으로 효율성을 높인다. 증폭기의 경우 소자를 통과하는 전류가 지속적으로 변하며, 소자 내부의 전력 손실이 부하에 전달되는 전력보다 크다.[16]
소자의 사용 방식은 여러 속성에 의해 결정된다. 다이오드는 순방향 전압이 가해질 때 전도되며, 외부에서 제어할 수 없다. 실리콘 제어 정류기 및 사이리스터는 전도 시작을 제어할 수 있지만, 전류 흐름의 주기적인 반전에 의존하여 꺼진다. 게이트 턴오프 사이리스터, BJT, MOSFET 트랜지스터와 같은 소자는 완전한 스위칭 제어가 가능하다.[16]
소자의 스위칭 속도는 다양하다. 일부 다이오드 및 사이리스터는 전원 주파수 스위칭 및 제어에 유용하며, 특정 사이리스터는 수 킬로헤르츠에서 사용 가능하다. MOSFET 및 BJT는 수십 킬로헤르츠에서 수 메가헤르츠까지 스위칭할 수 있지만, 전력 수준은 감소한다.
전력 전자 변환기의 효율성은 매우 중요하며, 소자의 손실은 가능한 한 낮아야 한다. 실제 소자는 켜져 있을 때 0이 아닌 전압 강하를 가지며, "켜짐" 또는 "꺼짐" 상태에 도달하는 데 시간이 걸려 전력 손실이 발생한다.
전력 처리 및 소산은 설계의 중요한 요소이다. 전력 전자 소자는 스위칭 과정에서 발생하는 폐열을 소산해야 하며, 이를 위해 방열판 또는 능동 냉각 시스템이 필요하다. 실리콘 카바이드와 같은 반도체는 실리콘보다 유리하며, 게르마늄은 고온 특성이 좋지 않아 현재는 거의 사용되지 않는다.
반도체 소자는 단일 소자에서 수 킬로볼트의 정격을 가질 수 있다. 매우 높은 전압을 제어해야 하는 경우, 여러 소자를 직렬로 사용하며, 스위칭 속도는 중요한 요소이다.
반도체 소자의 전류 정격은 다이 내부에서 생성되는 열과 상호 연결 리드의 저항에서 발생하는 열에 의해 제한된다. "핫 스폿"이 발생하면 소자가 빠르게 파괴될 수 있으므로, 전류가 균등하게 분산되도록 설계해야 한다. 특정 SCR은 단일 장치에서 최대 3000암페어의 전류 정격으로 사용할 수 있다.
전력 전자공학에 사용되는 주요 반도체 소자는 다음과 같다.
| 소자 종류 | 설명 |
|---|---|
| 다이오드 | 전압이 가해질 때 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 소자. |
| 전력 트랜지스터 | 전류 흐름과 관계없이 켜거나 끌 수 있는 완전한 스위칭 제어를 제공하는 소자. |
| 사이리스터 | 전도 시작을 제어할 수 있지만, 끄려면 전류 흐름의 주기적인 반전에 의존하는 소자. |
| 게이트 턴오프 사이리스터 | 전류 흐름과 관계없이 켜거나 끌 수 있는 완전한 스위칭 제어를 제공하는 소자. |
| 전력 MOSFET | 낮은 게이트 구동 전력, 빠른 스위칭 속도, 쉬운 고급 병렬화 기능을 가지는 소자. |
| 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 | BJT의 전력 처리 능력과 전력 MOSFET의 절연 게이트 구동의 장점을 결합한 소자. |
| 파워 모듈 | 여러 개의 전력 반도체 소자를 하나의 패키지로 결합하여 크기 감소, 설계 단순화, 성능 향상, 신뢰성 증가 등의 장점을 제공하는 소자. |
5. 1. 다이오드
전력 전자 시스템에서 사용되는 다이오드는 전압이 가해질 때 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 소자이다. 다이오드의 전도 시작은 외부에서 제어할 수 없다.[16]전력용 다이오드는 일반적인 저전력 다이오드와 유사한 특성을 가지지만, 더 높은 전압과 전류를 처리할 수 있도록 설계되었다. 전력용 다이오드의 주요 기능은 전류의 흐름을 제어하고, 회로를 보호하는 것이다.
전력 다이오드는 스위칭 속도가 다양하다. 일부 다이오드는 비교적 느린 속도에 적합하며 전원 주파수 스위칭 및 제어에 유용하다.
5. 2. 트랜지스터
1957년, 벨 연구소의 프로쉬(Frosch)와 데릭(Derick)은 최초의 이산화 규소 전계 효과 트랜지스터를 제조하였다.[6] 이후, 1960년 다원 캉은 벨 연구소 팀과 함께 작동하는 MOSFET를 시연하는 논문을 발표했다.[7][8]1969년, 히타치는 최초의 수직 전력 MOSFET를 출시했으며,[9] 이는 나중에 VMOS(V-groove MOSFET)로 알려지게 되었다.[10] 1974년부터 야마하, JVC, 파이오니아 주식회사, 소니 및 도시바는 전력 MOSFET을 사용한 오디오 증폭기를 제조하기 시작했다.[11] 인터내셔널 렉티파이어는 1978년에 25A, 400V 전력 MOSFET을 출시했다.[12] 이 장치는 BJT보다 높은 주파수에서 작동할 수 있지만, 저전압 응용 분야로 제한된다.
전력 MOSFET은 낮은 게이트 구동 전력, 빠른 스위칭 속도,[13] 쉬운 고급 병렬화 기능,[13][14] 넓은 대역폭, 견고성, 쉬운 구동, 간단한 바이어스, 응용 및 수리의 용이성으로 인해 세계에서 가장 일반적인 전력 장치이다.[14]
1982년에는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)가 소개되었고, 1990년대에 널리 보급되었다. 이 구성 요소는 BJT의 전력 처리 능력과 전력 MOSFET의 절연 게이트 구동의 장점을 가지고 있다.
전력 전자 시스템의 성능과 경제성은 사용 가능한 능동 소자에 의해 결정된다. 전력 전자 소자는 스위치 또는 증폭기로 사용될 수 있다.[16] 이상적인 스위치는 열리거나 닫히거나 둘 중 하나이며 전력을 소비하지 않는다.
여러 속성이 소자의 사용 방식을 결정한다. 게이트 턴오프 사이리스터, BJT 및 MOSFET 트랜지스터와 같은 소자는 완전한 스위칭 제어를 제공하며, 전류 흐름과 관계없이 켜거나 끌 수 있다. 트랜지스터 소자는 비례 증폭을 허용하지만, 이는 몇 백 와트 이상으로 정격된 시스템에는 거의 사용되지 않는다.
소자는 스위칭 속도가 다양하다. MOSFET 및 BJT와 같은 소자는 전력 응용 분야에서 수십 킬로헤르츠에서 수 메가헤르츠까지 스위칭할 수 있지만, 전력 수준은 감소한다.
전력 전자 변환기에서 효율성은 매우 중요하므로 전력 전자 소자에 의해 생성되는 손실은 가능한 한 낮아야 한다. 실제 소자는 0이 아닌 전압 강하를 가지며 켜져 있을 때 전력을 소비하고 "켜짐" 또는 "꺼짐" 상태에 도달할 때까지 활성 영역을 통과하는 데 시간이 걸린다. 이러한 손실은 변환기에서 총 손실 전력의 상당 부분을 차지한다.
전력 전자공학에 사용되는 반도체 소자에는 다음과 같은 것들이 있다.
5. 3. 사이리스터
실리콘 제어 정류기 및 사이리스터는 전도 시작을 제어할 수 있지만, 끄려면 전류 흐름의 주기적인 반전에 의존한다. 게이트 턴오프 사이리스터, BJT, MOSFET 트랜지스터와 같은 소자는 완전한 스위칭 제어를 제공하며, 이들을 통과하는 전류 흐름과 관계없이 켜거나 끌 수 있다.[16] 특정 사이리스터는 수 킬로헤르츠에서 유용하다.5. 4. 전력 모듈
전력 반도체 소자를 통합한 전력 모듈은 전력 전자 시스템의 효율을 높이는 데 중요한 역할을 한다. 전력 모듈은 여러 개의 전력 반도체 소자를 하나의 패키지로 결합하여 다음과 같은 장점을 제공한다.- 크기 감소: 여러 소자를 하나로 통합하여 시스템의 전체 크기를 줄일 수 있다.
- 설계 단순화: 모듈 형태로 제공되어 시스템 설계를 간편하게 만든다.
- 성능 향상: 소자 간 연결 거리가 짧아져 스위칭 속도가 빨라지고, 전력 손실이 감소한다.
- 신뢰성 증가: 모듈 내부의 최적화된 연결로 인해 신뢰성이 향상된다.
전력 모듈은 다음과 같은 다양한 분야에서 활용된다.
- 전력 변환 장치: 인버터, 컨버터 등 전력을 변환하는 장치에 사용된다.
- 모터 제어: 전기 자동차, 산업용 로봇 등 모터의 속도와 토크를 정밀하게 제어하는 데 사용된다.
- 무정전 전원 공급 장치(UPS): 정전 시 안정적인 전력 공급을 위해 사용된다.
- 신재생 에너지 시스템: 태양광, 풍력 발전 시스템에서 전력을 변환하고 제어하는 데 사용된다.
6. 응용 분야
전력 전자공학 기술은 매우 다양한 분야에 응용된다. AC 어댑터의 스위치 모드 전원 공급 장치, 배터리 충전기, 오디오 앰프, 형광등 안정기부터 시작하여, 펌프, 팬, 제조 기계를 작동시키는 가변 주파수 드라이브 및 DC 모터 드라이브, 그리고 전기 그리드를 상호 연결하는 기가와트 규모의 고전압 직류 전력 전송 시스템에 이르기까지 광범위하게 활용된다.[29]
전력 전자 시스템은 거의 모든 전자 장치에서 찾아볼 수 있다. 몇 가지 예를 들면 다음과 같다.
- DC-DC 컨버터: 대부분의 모바일 장치(휴대폰, PDA 등)에서 배터리 전압에 관계없이 전압을 일정하게 유지하는 데 사용된다. 전기적 절연 및 역률 보정에도 사용된다. 전력 최적화기는 태양광 발전 또는 풍력 터빈 시스템에서 에너지 수확을 최대화하기 위해 개발된 DC/DC 컨버터의 일종이다.
- AC/DC 컨버터(정류기): 전자 장치가 주 전원(컴퓨터, 텔레비전 등)에 연결될 때마다 사용된다. AC를 DC로 변환하거나, 작동 과정에서 전압 레벨을 변경하기도 한다.
- AC/AC 컨버터: 전압 레벨 또는 주파수를 변경하는 데 사용된다(국제 전원 어댑터, 조광기). 전력 분배 네트워크에서 AC/AC 컨버터는 전력 주파수 50 Hz 및 60 Hz 전력 그리드 간에 전력을 교환하는 데 사용될 수 있다.
- DC/AC 컨버터(전력 인버터): 주로 UPS, 신재생 에너지 시스템, 비상등 시스템에 사용된다. 주 전원은 DC 배터리를 충전하고, 주 전원이 고장 나면 인버터가 DC 배터리에서 주 전압으로 AC 전기를 생성한다. 태양광 인버터 (소형 스트링 인버터, 대형 중앙 인버터, 태양광 마이크로 인버터)는 광전지를 사용하는 PV 시스템의 구성 요소이다.
모터 드라이브는 펌프, 송풍기, 섬유, 종이, 시멘트 공장 등에서 사용되며, 전력 변환 및 모션 제어에 활용된다.[30] AC 모터의 경우 가변 주파수 드라이브, 모터 소프트 스타터, 여자 시스템 등이 있다.[31]
6. 1. 전력 계통
전력 전자공학은 전력 계통에서 다양한 방식으로 활용된다.- 직류 송전 (HVDC): 고전압 직류 전력 전송 시스템은 기가와트 규모의 전력을 전기 그리드 간에 상호 연결하는 데 사용된다.[29] 풍력 터빈 및 수력 발전 터빈에서 유도 발전기를 사용하여 생성된 교류 전압을 HVDC로 변환하여 전력망에 효율적으로 통합할 수 있다.[35]
- 무효 전력 보상: 전압형 인버터(VSI)는 능동 전력 필터로 사용되어 선 전류의 고조파 성분을 제거하고, 역률을 1로 만들거나 개선하는 데 기여한다.[17][18]
- 신재생 에너지 연계:
- 태양광 발전: 태양광 인버터는 광전지에서 생성된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하나 전력망에 연결한다.[17] 전력 최적화기는 태양광 발전 시스템에서 에너지 수확을 최대화하는 DC/DC 컨버터의 일종이다.[29] 스마트 인버터는 DC를 가정용 AC로 변환하는 동시에 전력 품질에도 도움을 주어 유틸리티 장비 업그레이드 비용을 절감할 수 있다.[36]
- 풍력 발전: 인버터는 풍력 터빈의 속도 변화로 인한 전압 주파수 및 크기 변화를 안정화시켜 전력망에 연결할 수 있도록 한다.[17]
- 연료 전지: 연료 전지에서 생산된 전력을 전력망에 통합하기 위해 전력 전자 기술이 활용된다.
스마트 그리드는 정보 통신 기술을 사용하여 전력 생산 및 분배의 효율성, 신뢰성, 경제성 및 지속 가능성을 개선하는 현대화된 전력망이다.[33][34] 전력 전자 장치는 스마트 그리드에서 분산 제어 인프라를 구축하고, 전압을 조정하며, 그리드 오류로 인한 태양광 발전기의 즉시 종료 및 전력 수요 급증 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 한다.[36]
6. 2. 전원 장치
무정전 전원 장치(UPS), 대전류 직류 전원, 고주파 전원, 펄스 전원 등에 사용된다.[29] 특히, 한국의 IT 산업 발전에 따라 고품질 전원 공급의 중요성이 커지고 있으며, 전력 전자 기술은 안정적인 전력 공급에 핵심적인 역할을 한다.6. 3. 산업 응용
전동기 구동 분야에서는 철도, 팬, 펌프, 선형 전동기, 전기 자동차 등에 전력 전자공학이 활용된다.[32] 특히, 하이브리드 자동차 (HEV)와 전기 자동차에서 전력 전자 장치는 배터리 충전 및 추진 모터 구동에 핵심적인 역할을 한다.[31] 전동차는 전력선에서 전력을 얻기 위해 전력 전자 장치를 사용하며, 펄스 폭 변조 (PWM) 정류기를 통해 벡터 제어를 구현한다.[32]AC 모터를 사용하는 가변 속도 드라이브(ASD)는 펌프, 송풍기, 섬유, 종이, 시멘트 공장 등에서 전력 변환 및 모션 제어에 활용된다.[30]
6. 4. 가전 기기
에어컨, 브러시리스 모터와 같은 가정용 기기에 전력 전자공학이 응용된다.[32]6. 5. 스마트 그리드
스마트 그리드는 정보 통신 기술을 사용하여 공급업체와 소비자의 행동 정보를 자동화된 방식으로 수집하고 대응하여 전력 생산 및 분배의 효율성, 신뢰성, 경제성 및 지속 가능성을 개선하는 현대화된 전력망이다.[33][34]전력 전자 기술은 유틸리티가 분산된 주거/상업용 태양광 발전의 급증에 적응하는 데 도움을 줄 수 있다. 독일, 하와이, 캘리포니아, 뉴저지의 일부 지역에서는 새로운 태양광 발전 설비 승인 전에 비용이 많이 드는 연구를 수행해야 한다. 비교적 소규모의 지상 또는 전주 장치는 전력 흐름을 모니터링하고 관리하기 위한 분산 제어 인프라를 구축할 가능성을 만든다. 전력용 콘덴서 뱅크 또는 전압 조정기와 같은 기존의 전기 기계 시스템은 변전소에서 전압을 조정하는 데 몇 분이 걸릴 수 있으며, 문제가 발생하는 태양광 발전 설비와 멀리 떨어져 있을 수 있다. 인근 회로의 전압이 너무 높아지면 유틸리티 작업자에게 위험을 초래하고 유틸리티 및 고객 장비 모두에 손상을 줄 수 있다. 또한 그리드 오류로 인해 태양광 발전기가 즉시 종료되어 그리드 전력 수요가 급증한다. 스마트 그리드 기반 조정기는 훨씬 더 많은 소비자 장치보다 더 제어 가능하다.[36]
다른 접근 방식에서, 16개의 서부 유틸리티 그룹인 서부 전기 산업 리더는 "스마트 인버터"의 의무적 사용을 요구했다. 이러한 장치는 직류(DC)를 가정용 교류(AC)로 변환할 수 있으며 전력 품질에도 도움이 될 수 있다. 이러한 장치는 훨씬 낮은 총 비용으로 값비싼 유틸리티 장비 업그레이드의 필요성을 없앨 수 있다.[36]
7. 시뮬레이션
전력 전자 회로는 SIMBA, PLECS, PSIM, SPICE, MATLAB/시뮬링크 및 OpenModelica와 같은 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 시뮬레이션된다. 회로는 특정 조건에서 어떻게 반응하는지 테스트하기 위해 제작 전에 시뮬레이션된다. 또한, 시뮬레이션을 만드는 것은 테스트용 프로토타입을 만드는 것보다 저렴하고 빠르다.[28]
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