개념 한 쪽
전력용 반도체 소자는 제어 단자의 유무와 제어 방식으로 구별한다. 다이오드는 제어 단자가 없고, SCR은 게이트로 켜기만 하며, GTO와 IGBT·MOSFET은 게이트 신호로 자유롭게 스위칭한다. 소자가 어떻게 켜지고 꺼지는지가 곧 출제의 뼈대다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「트라이액」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 게이트 제어의 대상 판별 | 1 | 다이리스터 게이트 신호가 직접 변화시키는 양을 가리기 |
| 전파정류 전류 환산 계산 | 1 | 형률 1.11로 교류측 전류를 구하기 |
| 아크 전압강하와 효율 관계 | 1 | 수은 정류기에서 직류 전압과 효율의 관계를 판단 |
전력용 반도체 소자는 제어 단자(게이트)가 있는지부터 가린다. 다이오드는 양극과 음극 두 단자뿐이라 순방향이면 저절로 도통하고 역방향이면 차단할 뿐, 사람이 신호를 넣을 통로가 없다. 그래서 전압이나 전류의 크기를 제어할 수 없는 소자가 된다.
SCR(실리콘제어정류기)은 게이트에 작은 전류를 흘려주면 양극 전압이 낮아도 턴온된다. 게이트 전류가 증가할수록 턴온에 필요한 양극-음극 간 전압이 낮아지므로 순방향 차단(브레이크오버) 전압은 감소한다. 반대로 게이트 전류를 줄이면 차단 전압은 높아지는 반비례 관계다.
GTO(게이트 턴 오프 사이리스터)는 +게이트 전류로 턴 온하고 큰 −게이트 전류로 스스로 턴 오프한다. V-I 특성은 SCR과 거의 같지만, 게이트 하나로 켜고 끌 수 있어 별도의 전환(소호)회로가 반드시 필요한 것은 아니다. MOSFET은 게이트-소스 전압으로 드레인 전류를 제어하는 전압제어형 다수 캐리어 소자로, 게이트가 절연되어 입력 임피던스가 매우 크고 BJT보다 스위칭이 빠르다.
사이리스터(다이리스터)의 게이트 신호 제어는 턴온 시점을 결정한다. 교류 반주기 중 도통이 시작되는 지점, 곧 도통 개시 위상각이 직접 변하는 양이며, 부하 전압·전류의 크기는 그 결과로 달라진다. 주파수는 변하지 않는다.
정류 회로의 출력에는 물결(리플, 교류분)이 남는다. 리플의 기본 주파수는 펄스 수에 전원 주파수를 곱한 값으로, 3상 반파 정류는 3펄스라 3배가 된다. 수은 정류기처럼 아크 전압강하가 거의 일정한 기기는 손실이 일정하므로 직류 전압이 높을수록 효율이 좋아진다.
단상 교류 1000V를 양방향으로 정류(전파 정류)하여 150A의 직류를 얻는 대표 계산을 풀어본다. 전파 정류된 정현파의 실효값과 평균값의 비(형률)는 I_ac/I_d = (I_m/√2)/(2I_m/π) = π/(2√2) ≈ 1.11 이다. 따라서 교류측 전류 = 1.11 × 150A ≈ 166A가 된다.
반도체 소자의 열 계산도 둔다. IGBT에 직류 25A가 흐르고 전압강하가 3V이며 열저항이 0.625℃/W인 경우, 손실 P = 3V × 25A = 75W, 온도상승 ΔT = P × 열저항 = 75 × 0.625 = 46.875 ≈ 47℃다. 열용량은 과도 상태 해석용 데이터라 정상상태 계산에는 쓰지 않는다.
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.
권선비가 1:3인 전원 변압기를 통하여 100V의 교류입력이 전파 정류되었을 때 출력 전압의 평균값 [V]?
정답 ② · 권선비가 1:3인 변압기에 100V를 입력하면 2차측 전압은 300V입니다. 전파 정류 회역의 출력 평균 전압 Vdc는 최대값(Vm)의 2/π배입니다.
전파정류 평균값은 Vdc=2√2V/π≈0.9V이고, 2차 전압은 권선비 3을 곱한 300V이다.
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.
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