개념 한 쪽
전력을 바꾸는 회로에는 켜고 끌 수 있는 반도체 소자가 들어간다. SCR은 게이트로 켜고, GTO는 게이트로 켜고 끌 수 있으며, MOSFET과 IGBT는 게이트 전압으로 스위칭한다. 반면 다이오드는 제어 단자가 없어 전압·전류를 임의로 조절할 길이 없다. 소자별 제어 방식과 정류회로의 평균값 계산이 이 개념의 핵심이다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「파워트랜지스터」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| GTO 특징 판별 | 1 | GTO의 특징이 아닌 것을 가려내기 |
| 수은 정류기 고장 구분 | 1 | 이상 현상·고장과 정상 동작을 가리기 |
| 반파정류 평균 전류 계산 | 1 | 전원 전압과 부하 저항으로 평균 전류 구하기 |
파워트랜지스터 계열의 전력용 반도체 소자는 제어 단자의 유무로 나눌 수 있다. 다이오드는 양극(A)과 음극(K) 두 단자만 있어 순방향이면 스스로 도통하고 역방향이면 차단할 뿐, 사람이 개입해 켜고 끄는 통로가 없다. 그래서 인가 전압이나 흐르는 전류를 임의로 조절하지 못하는 소자는 다이오드다.
SCR(실리콘제어정류기)은 게이트 전류로 턴온을 제어한다. 게이트 전류가 증가하면 더 낮은 양극 전압에서도 턴온되므로 순방향 차단(브레이크오버) 전압은 감소한다. 한번 켜진 SCR은 게이트로 끌 수 없어 별도의 전환(소호)회로가 필요하다. GTO(게이트 턴 오프 사이리스터)는 이름 그대로 게이트 신호로 켜고 끌 수 있다. +게이트 전류로 턴온하고 큰 -게이트 전류로 턴오프하므로 강제 전환회로가 반드시 필요한 것은 아니며, 전압-전류 특성은 SCR과 거의 같다.
MOSFET은 게이트-소스 전압으로 드레인 전류를 제어하는 전압제어형 다수 캐리어 소자다. 게이트가 산화막으로 절연되어 전류가 거의 흐르지 않으므로 입력 임피던스가 매우 크고, 다수 캐리어만으로 동작해 BJT보다 스위칭이 빠르다. IGBT도 게이트 전압으로 스위칭을 제어하는 소자다.
정류용 소자를 쓰는 정류회로는 파형을 어디까지 통과시키느냐에 따라 평균 출력이 달라진다. 단상 반파정류회로는 교류 파형의 절반만 출력으로 내보내며, 부하 전류의 평균값은 최대 전압을 Vm, 부하 저항을 R로 할 때 I = Vm/(πR)로 구한다. 전파정류는 파형 전체를 쓰므로 평균이 반파의 정확히 2배인 2Vm/(πR)이 된다. 전원 전압(실효값) 기준으로 보면 반파정류의 평균 출력 전압은 √2/π ≈ 0.45, 즉 약 45%이고 전파는 약 90%다. 반파와 전파는 평균값 기준으로 정확히 2배 관계다.
정류기 외의 전력변환 장치도 입출력 형태로 구분한다. 초퍼는 직류를 다른 크기의 직류로 바꾸고(DC→DC), 인버터는 직류를 교류로 바꾸며(DC→AC), 정류기는 교류를 직류로 바꾸고(AC→DC), 사이클로컨버터는 교류 주파수를 변환해 다른 교류를 만든다(AC→AC). 소자의 발열 계산은 손실(전압강하 × 전류)에 열저항을 곱해 정상상태 온도상승을 구한다. 열용량은 스위칭 직후 같은 과도 상태 해석에 쓰는 값이므로 정상상태 계산에는 쓰지 않는다.
전원 200V, 부하 20Ω인 단상 반파정류회로의 부하전류를 구해 본다. 전압 최대값은 Vm = √2 × 200 ≈ 282.8V이고, 반파정류 평균 전류는 I = Vm/(πR) = 282.8/(3.14 × 20) = 282.8/62.8 ≈ 4.5A가 된다. 9.4A 같은 보기는 전파정류 계수(2Vm/πR)를 쓴 함정이다.
또 하나, 정류회로의 평균 출력 전압이 전원 전압의 몇 %인지 묻는 경우를 보자. 반파정류 평균값은 Vm/π, 전원 실효값은 Vm/√2이므로 비율은 (Vm/π)/(Vm/√2) = √2/π ≈ 0.45로 약 45%다. Vm이 약분되므로 전압 수치를 몰라도 답이 나온다.
권수비가 1:3인 변압기(이상적인 변압기)를 사용하여 교류 100[V]의 입력을 가했을 때 전파정류하면 출력전압[V]의 평균치는 얼마인가?
정답 ④ · 권수비가 1:3인 이상 변압기에 입력 100V를 가하면 2차 유기 기전력의 실효치는 300V입니다. 이를 전파 정류하면 출력의 평균치는 실효치에 를 곱한 값이 됩니다.
2차 실효치 300V를 전파정류하면 평균치는 2√2/π배, 즉 600√2/π[V]이다.
단상 전파정류회에서 순저항부하시의 맥동율은?
정답 ④ · 문제는 단상 전파정류에서 순저항부하시의 맥동율을 묻고 있다. 맥동율은 r=√((I_rms/I_dc)²−1)이고 전파정류에서는 I_rms/I_dc = π/(2√2)이므로 r=√(π²/8−1)≈0.48, 즉 48%가 된다.
전파정류 순저항 맥동율 r=√((π/2√2)²-1)≈0.48, 즉 48%다.
다음 중 GTO의 특징이 아닌 것은?
정답 ① · 문제는 GTO의 특성 중 맞지 않는 것을 고르는 문제이다. GTO는 게이트에 양(+)전류로 턴온하고 큰 음(-)게이트 전류로 턴오프할 수 있는 소자로서 SCR과 유사한 V-I 특성을 가지며 -게이트로 자체 턴오프가 가능하므로 별도의 전류 강제 전환회로가 반드시 필요하지 않다.
GTO는 -게이트 전류로 자체 턴 오프하므로 별도 전환(전류)회로가 반드시 필요한 것이 아니다.
전기공사산업기사 풀이 세트에서 이 개념의 문제 10개를 바로 풀어 보세요.