개념 한 쪽
전력용 반도체는 제어 단자가 있느냐로 갈린다. 다이오드는 단자 두 개뿐이라 스스로 순방향이면 도통하고, SCR·GTO·IGBT는 게이트 신호로 켜고 끈다. 정류 회로에서는 첨두값과 평균값의 비율이 계산의 열쇠가 된다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「다이오드」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 정류 회로 첨두·역전압 계산 | 1 | 반파정류에서 전압강하를 보상해 역전압 첨두치 구하기 |
| 권선비와 정류 계수 적용 | 1 | 변압기 권선비로 2차 전압을 구한 뒤 전파정류 평균 산출 |
| 게이트 신호의 제어 대상 | 1 | 다이리스터 게이트가 직접 바꾸는 양을 가리기 |
다이오드는 양극(A)과 음극(K) 두 단자만 가진 소자다. 순방향이면 저절로 전류가 흐르고 역방향이면 흐르지 않을 뿐, 사람이 켜고 끄는 신호를 넣을 통로가 없다. 그래서 전압이나 전류의 크기를 제어할 수 없다. 제어 단자가 없는 2단자 소자라는 점이 다른 전력용 소자와의 결정적 차이다.
SCR은 게이트에 신호를 주어 턴온만 제어한다. 한번 켜지면 게이트로 끌 수 없고 별도의 전환회로로 전류를 강제로 끊어야 한다. GTO는 큰 -게이트 전류를 흘려 스스로 끄므로 전환회로가 반드시 필요한 것은 아니다. 전압-전류 특성은 SCR과 거의 같고, +게이트 전류로 턴온하며 -게이트 전류로 턴오프한다.
MOSFET은 게이트-소스 전압으로 드레인 전류를 제어하는 전압제어형 다수 캐리어 소자다. 게이트가 산화막으로 절연되어 입력 임피던스가 매우 크고, 다수 캐리어만으로 동작해 스위칭이 빠르다. ON 상태에서는 닫힌 스위치처럼 낮은 저항으로 동작한다. IGBT도 게이트 전압으로 스위칭한다.
SCR의 게이트 전류가 증가하면 턴온에 필요한 전압이 낮아지므로 순방향 차단 전압이 감소한다. 게이트 신호는 켜지는 시점을 정하므로 직접 변화시키는 것은 도통 개시 위상각이다. 전압과 전류는 그 결과로 달라질 뿐이고 주파수는 변하지 않는다.
정류 회로는 첨두값과 평균값의 비율로 계산한다. 반파정류의 평균은 첨두를 π로 나눈 값이고, 전파정류의 평균은 실효값의 약 0.9배다. 정류기 내부 전압강하는 첨두값을 구하기 전에 먼저 보상한다.
반파정류에서 직류 100V를 얻고 정류기 전압강하가 15V이면, 100+15=115V를 기준으로 첨두전압 Vm=115×π≈361V를 구한다. 역전압 첨두치도 이 Vm과 같다. 722V는 첨두의 2배로 잘못 잡은 값이다.
권선비 1:3 변압기에 100V를 넣으면 2차 전압은 300V다. 이를 전파정류하면 0.9×300=270V가 평균 출력이 된다. 반파정류 계수 0.45를 쓰면 270V의 절반 수준으로 어긋난다.
IGBT에 25A가 흐르고 전압강하가 3V이면 손실은 75W다. 여기에 열저항 0.625℃/W를 곱하면 온도상승은 약 47℃다. 열용량 0.02/℃는 과도 상태용이라 정상상태 계산에서는 쓰지 않는 함정 데이터다.
반파정류회로에서 직류전압 100[V]를 얻는데 필요한 변압기의 역전압 첨두치는 약 몇 [V]인가? (단, 부하는 순저항으로 하고 변압기내의 전압강하는 무시하며, 정류기내의 전압강하를 15[V]로 한다.)
정답 ② · 문제는 반파정류회로에서 목표 직류평균전압을 얻기 위한 변압기 첨두전압을 묻는다. 반파정류의 평균전압 Vdc는 Vm/π 이므로 필요한 첨두 Vm = π·(Vdc + 정류기 전압강하) = π·(100+15) = 115π ≈ 361[V]이다.
반파정류 평균전압=첨두/π이므로 Vm=π(100+15)≈361V이고, 역전압 첨두치(PIV)=Vm이다.
다이리스터의 게이트 신호 제어는 무엇을 변화시키는 것인가?
정답 ④ · 문제는 다이리스터(사이리스터류)의 게이트 신호가 무엇을 제어하는지를 묻고 있다. 게이트는 소자의 턴온 시점을 결정하므로 실질적으로 도통을 시작하는 위상각을 제어하는 역할을 한다.
게이트 신호는 턴온 시점을 결정하므로 직접 변화시키는 것은 도통 개시 위상각이다.
2개의 사이리스터로 단상전파정류를 하여 90[V]의 직류 전압을 얻는데 필요한 최대 첨두역전압은 약 얼마인가?
정답 ② · 사이리스터 2개를 사용한 중간탭 단상 전파정류회로에서 직류 전압으로부터 최대 첨두역전압을 구하는 문제이다. 중간탭 전파정류에서는 Vdc = 2Vm/π가 성립하므로 Vm = 90π/2 ≈ 141V가 된다.
중간탭 단상 전파정류에서 직류 전압은 Vdc = 2Vm/π이므로 Vm = 90π/2 ≈ 141V이고, 이 회로의 최대 첨두역전압은 PIV = 2Vm ≈ 283V이다.
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