1000V의 단상 교류를 전파 정류해서 150A의 직류를 얻는 정류기의 교류측 전류는 약 몇 A 인가?
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정답과 해설 보기
정답 ④ · 정류기를 통해 교류를 직류로 정류할 때, 교류측 전압(V_ac)과 직류측 전압(V_dc)의 관계, 그리고 전류 관계를 이해해야 합니다. 단상 전파 정류의 경우, 변압기가 이상적이라고 가정하면 전력 관계식 V_ac * I_ac * 효율 = V_dc * I_dc 가 성립합니다.
개념 한 쪽
전기공사산업기사 IGBT — 정류용 반도체 소자와 제어 단자
전력변환기에 쓰이는 반도체 소자는 제어 단자의 유무와 제어 방식으로 구분한다. 다이오드는 제어 단자가 없고, SCR은 게이트로 켜기만 하며, GTO와 IGBT는 게이트로 켜고 끌 수 있다. 소자마다 동작 원리와 계산(역전압·맥동율·온도상승)이 함께 묻인다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「IGBT」의 공개 문제 2개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| GTO 특징 판별 | 1 | GTO의 올바른 특징이 아닌 선지 가리기 |
| 첨두역전압 계산 | 1 | 중간탭 전파정류의 직류 전압에서 소자 역전압 산출 |
뜻
정류용 반도체 소자는 단자 수와 제어 단자 유무가 핵심이다. 다이오드는 양극(A)과 음극(K) 두 단자뿐이라 순방향이면 스스로 도통하고 역방향이면 차단할 뿐, 사람이 켜고 끄는 신호를 넣을 통로가 없다. 그래서 전압·전류를 마음대로 조절하지 못하는 소자가 바로 다이오드다.
SCR(실리콘제어정류기)은 게이트에 작은 전류를 흘려 턴온시킬 수 있다. 게이트 전류가 증가할수록 더 낮은 양극 전압에서 턴온되므로 순방향 차단(브레이크오버) 전압은 감소한다. GTO(게이트 턴 오프 사이리스터)는 +게이트 전류로 턴 온하고 큰 -게이트 전류로 스스로 턴 오프하므로 별도의 전환(소호)회로가 반드시 필요한 것은 아니며, 전압-전류 특성은 SCR과 거의 같다.
IGBT는 게이트 전압으로 자유롭게 스위칭하는 소자다. 소자에서 손실이 열로 바뀌면 온도가 오르는데, 정상상태 온도상승은 손실(전압강하 × 전류)에 열저항을 곱해 구한다. 열용량은 과도 상태 해석에 쓰는 값이라 정상상태 계산에는 필요 없다.
정류 회로 계산도 함께 잡는다. 소자 2개로 하는 중간탭 단상 전파정류에서 평균 직류 전압은 Vdc = 2Vm/π이고, 한 소자에 걸리는 최대 첨두역전압은 2Vm이다. 반면 소자 4개 브리지 정류의 첨두역전압은 Vm이므로 소자 개수에 따른 구분이 필요하다. 단상 전파정류 순저항 부하의 맥동율은 r = √((I_rms/I_dc)² − 1)에 I_rms = I_m/√2, I_dc = 2I_m/π를 대입해 약 48%가 된다.
전력변환 장치는 입력과 출력의 조합으로 이름이 정해진다. 교류→직류는 정류기, 직류→교류는 인버터, 직류→직류는 초퍼, 교류→교류는 사이클로변환기다.
예제
문제 1 — 중간탭 단상 전파정류로 90V 직류 전압을 얻을 때 필요한 최대 첨두역전압을 구한다.
Vdc = 2Vm/π 에서 Vm = 90 × π/2 ≈ 141[V] (반쪽 2차 권선 첨두 전압 기준). 중간탭 방식의 소자 역전압은 2Vm이므로 PIV = 2 × 141 ≈ 283[V].
문제 2 — 열용량 0.02J/℃, 열저항 0.625℃/W인 소자에 25A의 직류가 흐르고 전압강하가 3V일 때 온도상승을 구한다.
손실 P = 3V × 25A = 75[W]. 온도상승 ΔT = 손실 × 열저항 = 75 × 0.625 = 46.875 ≈ 47[℃]. 열용량은 과도 상태용 데이터라 정상상태 계산에서는 쓰지 않는다.
대표 기출 3문항
수은 정류기의 전압과 효율과의 관계는?
- 전압과 효율은 전혀 관계없다.
- 전압이 높아짐에 따라 효율이 감소한다.
- 전압이 높아짐에 따라 효율이 좋아진다.
- 어느 전압 이하에서는 전압에 관계없이 일정하다.
정답과 해설 보기
정답 ③ · 문제는 수은 정류기에서 전압과 효율의 관계를 묻는 것이다. 수은 정류기는 아크에 의한 전압강하가 거의 일정한 손실로 작용하므로 유효 출력 전압이 클수록 동일한 일정 손실의 비율이 작아져 효율이 좋아지는 경향이 있다.
아크 전압강하(손실)가 거의 일정하므로 직류 전압이 높을수록 수은 정류기의 효율은 좋아진다.
3상 반파정류회로에서 직류전압의 파형은 전원 전압의 주파수의 몇 배의 교류분을 포함하는가?
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정답과 해설 보기
정답 ③ · 문제는 3상 반파정류회로에서 직류 전압 파형이 포함하는 교류분의 기본 주파수를 묻고 있다. 3상 반파 정류는 펄스수가 3이므로 리플의 기본 주파수는 전원주파수의 3배가 된다.
3상 반파 정류는 3펄스라서 리플(교류분)의 기본파가 전원주파수의 3배다.
자주 묻는 물음
- 전압이나 전류를 제어할 수 없는 소자는 무엇인가요?
- 다이오드다. 제어 단자(게이트)가 없는 2단자 소자라 순방향이면 스스로 도통하므로 사람이 켜고 끌 수 없다. SCR·GTO·IGBT는 모두 게이트라는 제어 단자가 있다.
- SCR에서 게이트 전류를 증가시키면 어떻게 되나요?
- 게이트 전류가 증가할수록 더 낮은 전압에서 턴온되므로 순방향 차단(브레이크오버) 전압은 감소한다. 게이트 전류와 차단 전압은 반비례 관계다.
- GTO의 특징은 무엇인가요?
- 게이트 턴 오프 사이리스터로, +게이트 전류로 턴 온하고 큰 -게이트 전류로 스스로 턴 오프한다. 전압-전류 특성은 SCR과 거의 같고, 자체 턴 오프가 가능하므로 별도 전환회로가 반드시 필요한 것은 아니다.
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