알기쉽게 풀어쓴 전력전자 공학(1)

전력전자 공학.. 왜 나는 이해가 어렵노. 

 

전력전자:전력변환이 필요한 이론과 기술을 연구하는 학문

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• DC-DC 컨버터 

자동차의 전기시스템-일반적으로 자동차의 충전된 배터리 전기에너지 이용-3상 교류 발전기 출력인 3상 출력 전압 정류

 

ECU(Electronic Control Unit) 자동차의 엔진 제어.

 

-자동차 배터리: 정격전압12v

-배터리에 연결된 부하는 배터리 전압을 입력으로 사용, 각각의 부하가 필요로 하는 전압의 크기가 다름. >전력 변환기를 내장하여 배터리 전압을 변환하여 사용함. 

 

DC-DC 컨버터

직류인 입력전원을 사용하여, 출력을 부하가 요구하는 형태의 직류 전원으로 변환시키는 전력 변환기이다. 

-5V 메인전원. 

-슈퍼 커패시터 Cs: 메인전원과 병렬로 연결 블랙박스 전원인 배터리가 차단되어도 일정기간 전원 공급(마지막 저장)

-각가의 부하에 맞는 추가 dc-dc 컨버터로 전원 공급함

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3.1 필요로 하는 직류 전원을 어떻게 얻을 것인가. 

 

제어저항을 이용하기 

단점:제어저항에서 전력 손실이 발생하여 효율이 감소한다.

 

전력효율 η=RL/(RC+RL)

50%의 효율로 전력변환 장치가 갖는 효율 85-95%에 비하면 낮은 값임을 알 수 있다. 

 

높은 효율로 출력전압을 제어할 수 있을까

-컨버터의 기본회로 

-스위치 S의 주기는 20usec

-평균 전압은 10v

-반도체 스위치를 사용하면 높은 효율의 컨버터 회로를 구현할 수 있음 

 

>출력전압 Vo가 사각파의 리플성분을 포함함으로 제거하는 dc-dc컨버터가 필요함

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Buck 컨버터

입력전압보다 낮은 출력전압이 필요한 경우 이용한다. 

 

-전력용 모스펫+다이오드+인덕터+커패시터로 구성 

-Vi 입력전압, R 부하 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dc-dc-컨버터의 에너지 저장 소자 (energy storage device)

인덕터&커패시터 

-컨버터의 스위칭에 의해서 발생하는 리플 성분을 제거하는 필터 역할

-스위칭주기 중 일정기간 동안 입력으로 에너지 받아 저장, 출력으로 에너지 전달

 

(1)인덕터 

di/dt=vl/L 

전류의 변동률은 Vl이 양이면 증가, 음이면 감소.

 

일정한 주파수와 일정한 온오프의 비율로 스위칭되는 dc-dc컨버터에서

정상상태에 도달한 인덕터 전류는 한주기 동안 상승 혹은 하강할 수 있다. >한 주기 동안 평균 전류는 일정한 값을 유지.

*인덕터 전압 VL의 한 주기 평균값은 0 = volt sec balance condition *

 

전류 상승> 전압 증가, 전류 하강>전압 하강

평균 전류 constant > 평균 전압 =0

 

(2) 커패시터 

dv/dt=ic/C

ic(+)이면 전압이 증가 

ic(-)이면 전압이 하강

 

정상상태에 도달한 커패시터 전압은 한 주기 동안 상승 혹은 하강 > 한주기 동안의 평균 전류는 일정한 값 유지

*커패시터 전류 ic의 한 주기 평균값은 0 = Amp-sec balance condition *

 

전력용 MOSFET power mosfet

-전력용 mosfet와 내부 다이오드로 구성된 등가회로

-3단자로 이루어진 반도체 스위칭 소자로 vGS를 조절하여 iD흐름을 온 오프 제어 

 

특징

(1)전압 제어 스위칭 소자

vGS로 on/off

(2) 모스펫 on 동작 

vGS>vth 인가시 드레인과 소스 사이 단락되어 on 상태가 된다. 

드레인과 소스 사이의 저항은 최소인 Rds가 된다. 

*on상태에서 양쪽 방향으로 흐를 수 있다. 

(3)모스펫 off 동작

vGS<vth인가시 

내부 다이오드에 의해 소스에서 드레인으로 전류가 흘러 id가 (-)이 될 수 있다. 

(4)정격 전압

드레인 소스 간 견딜 수 있는 최대 전압. 

(5) 정격 전류 

25도에서 드레인 소스 간 흐를 수 있는 최대 연속 전류 

(6) 온저항RDS:on resistance

모스펫 on 상태일 때 드레인-소스 간의 저항. 

dc-dc- 컨버터에서 사용하는 전력용 모스펫 내부 다이오드는 항상 역전압이 걸리도록 회로가 구성

 

전력용 mosfet on상태인 경우 >드레인 소스 간의 저항 Rds는 0 (전류 흐름)

전력용 mosfet이 off상태인 경우 >드레인 소스 간의 저항 Rds는 무한대의 값을 갖는다 (전류 막힘)

 

모스펫의 스위칭 속도 수십 nsec에서 수백nsec

스위칭주파수도 수백 kHz에서 수MHz에 이름.