08 - 한빛미디어

✻ Introduction to Modern Power Electronics2nd Ed. Andrzej M. Trzynadlowski

Introduction to Modern Power Electronics 2nd Ed.

✔ IT COOKBOOK1 3

34 1 12 PSpice PSIM 1. 2. 3. 4. PWM 5. 6.

7. 8. DCDC DCDC DCDC 9. 9 20

11 kV kAMVA PWMpulse width modulation 1 1 2 3 ACDCACACDCDCDCAC 4 7 4 7 8 DC 9

48 PSpice PSpice Reno University of Nevada Dorota Bart Nicole

http : //www.hanb.co.kr CD

04 05 07 09 10 11Chapter01 1.1 191.2 221.3 271.4 371.5 441.6 511.6.1 51 1.6.2 571.6.3 601.7 65 66 74 78 82Chapter02 2.1 852.2 882.3 942.3.1 SCR94 2.3.2 982.4 1002.4.1 GTO100 2.4.2 IGCT1012.4.3 BJT102 2.4.4 MOSFET1062.4.5 IGBT108

✔ IT COOKBOOK 2.5 1112.6 1142.7 118 120Chapter03 3.1 1233.2 1243.2.1 SCR BCT 1243.2.2 GTO IGCT 1273.2.3 BJT 1283.2.4 MOSFET IGBT 1313.3 1343.4 1363.4.1 SCR 1403.4.2 GTO IGCT 1413.4.3 1423.4.4 1443.5 1473.6 1503.7 1523.8 155 156Chapter04ACDC 4.1 1594.1.1 3 159 4.1.2 6 1624.2 1764.2.1 6 176 4.2.2 189

4.3 1964.3.1 196 4.3.2 1974.3.3 PWM 206 4.3.4 PWM 2144.4 2244.5 2254.6 230 232 239 242 246Chapter05ACAC 5.1 2495.1.1 ac 2495.1.2 3 ac 2575.1.3 PWM ac 2675.2 2725.3 2775.4 2875.5 2895.6 291 292 298 300 302Chapter06DCDC 6.1 3056.2 3096.2.1 1 311 6.2.2 2 3166.2.3 12 318 6.2.4 14 3216.2.5 4 3236.3 326

8.3 4638.3.1 DCDC 4648.3.2 DCDC 4678.3.3 DCDC 4718.4 4738.4.1 4748.4.2 4798.4.3 DCDC 4868.5 488 490 493 496 498Chapter09 9.1 5019.2 5039.2.1 503 9.2.2 5089.3 5149.4 5179.5 5239.6 525 526Appendix 527Appendix 533Appendix 539 545

이 장에서는 전력전자의 범위, 해석도구와 응용에 대한 개요를 설명하였으며, 만능 전력 컨버터(converter, 변환기)의 개념을 도입하여 전력전자 컨버터의 동작원리 및 수행되는 전력 컨버터의 형태들을 실례를 들어 설명하였다. 그리고 전압과 전류 파형의 구성요소와 이와 관련된 성능지수를정의하고, 기본적인 두 가지 양적인 제어 방법, 즉 위상제어와 펄스 폭 변조를 제시하였다. 이와 아울러출력전류 파형의 계산법에 대해 설명하고, 단상 다이오드 정류기를 실제적인 전력 컨버터의 간단한 예로서 설명하였다.

출력전압을 제어하였다. 반대로 ac 전압이 필요하고, 공급에너지가 배터리 팩일 경우에는속도가 조절되는 dc 전동기와 ac 동기 발전기를 사용하였다. 하지만 이러한 시스템의 편의성, 효율과 신뢰성은 회전기를 사용하지 않고 에너지를 직접 변환하는, 현대의 정지형 전력전자 컨버터보다 떨어진다.현대의 전력전자는 1958년에 사이리스터라고도 불리는 제너럴 일렉트릭 사(General ElectricCompany)의 SCR(silicon-controlled rectifier)의 발전과 더불어 시작되었다. SCR은 단방향 전력용 반도체 소자로, 제어전극인 게이트에 저전력의 전기적 신호를 가함으로써 턴-온(닫힘)된다.SCR의 전압 및 전류 정격은 모든 전력용 반도체 스위치 중에서 가장 높다. 그러나 SCR은dc-입력의 전력전자 컨버터에서 사용하기에는 불편하다. 왜냐하면 전류가 흐르고 있을 때게이트를 제어하여 턴-오프(개방)될 수 없기 때문이다. 따라서 SCR은 반제어(semicontrolled)스위치이다. 지난 30년 동안 전기적 신호에 의해 켜지거나 꺼지는, 즉 완전제어 전력용 반도체스위치의 여러 소자들이 시장에 출시되었다. SCR을 비롯한 이 스위치들은 2장에서 자세하게설명할 것이다.전기에너지를 배전하거나 사용하는 대부분의 분야에서 전력전자 컨버터를 광범위하게 도입하는 것은 모든 선진국에서 발생하는 매우 흔한 일에 속한다. 컨버터는 전동기 구동,UPS(uninterruptible power supply), 난방장치 및 조명, 전기기계 및 전열 공정, 전기 용접,고전압 dc 전송, 전력계통에서의 능동전력필터와 무효전력보상기, 컴퓨터 및 다른 전자 장비를 위한 고품질의 전원공급장치 등과 같은 다양한 적용을 위해 전력을 조절한다.적어도 미국에서 발전되는 전력의 반은 전력 컨버터를 거쳐 전달된다고 추정하고 있다. 그리고 향후 몇십 년 안에 거의 100%까지 증가할 것으로 추정된다. 특히 기존 미국 전력시스템의완전한 개편이 EPRI(Electric Power Research Institute, 미국 전력연구센터)에서 주도하고있는 FACTS 프로그램 내에서 계획되고 있다는 사실은 이와 같은 예측을 뒷받침해 준다.전력생산, 송전 및 배전의 모든 단계에서 전력전자 컨버터의 도입은 발전소와 송전선의 새로운 투자 없이 시스템의 성능을 증가시키는 데 기여한다.또한 신재생에너지 시스템과 전기 자동차 및 하이브리드 자동차에서 전력전자의 중요성과역할은 강조할 만하다. 따라서 향후 모든 전기공학자는 어떠한 분야에서든 전력전자 컨버터를 어렵지 않게 접하게 될 것이다.020 현대 전력전자공학

상태 0. 스위치 S1부터 S4는 열려 있고 S5는 닫혀 있다. 출력단자는 단락이며, 만일 부하전류가 있다면 흐를 수 있는 폐회로를 구성한다. 출력전압은 0이다. 입력단자는 출력단자와 함께 차단되어 입력전류 또한 0이다.상태 1. 스위치 S1과 S2는 닫혀 있고, 나머지 스위치들은 열려 있다. 출력전압은 입력전압과 같으며, 출력전류는 입력전류와 같다.상태 2. 스위치 S3와 S4는 닫혀 있고, 나머지 스위치들은 열려 있다. 출력전압 및 전류는대응되는 입력과 반대이다.전압과 전류 파형을 설명하기 위해 만능 전력 컨버터의 입력전압과 RL 부하의 특정한 값을사용한다. 입력전압의 크기는 ac와 dc 전압 모두 100V로 한다. 부하저항과 인덕턴스는 각각1.3Ω과 2.4mH로 한다. 이들 데이터는 뒤의 그림을 그릴 때와 다음 절의 예제 계산에서 필요하다. 그러나 일반적으로 파형은 크기, 척도 없이 표시한다.만능 전력 컨버터가 AC-DC 변환을 수행한다고 가정해 보자. [그림 1-3]의 파형인 정현파입력전압 는 다음과 같다.(1.1)여기서 는 전압의 피크값이고, ω는 입력 각 주파수이다. 0 [그림 1-3] 입력 ac 전압 파형컨버터의 출력전압 는 가능한 한 큰 dc 성분을 포함해야 한다. 출력전압은 이상적인 dc특성을 기대할 수 없다. 왜냐하면 이상적인 전압과 전류는 실제적인 전력전자 컨버터뿐만chapter 01 ▶ 전력 변환의 원리와 방법023

에서 요구하는 특정한 형식과 순차에 따라 연결, 교차연결, 그리고 분리된다. 보통, 소개된만능 정류기와 인버터처럼 부하 인덕턴스는 출력전류 중 스위칭과 관련된 바람직하지 않은고주파 성분을 억제한다.비록 만능 전력 컨버터에서 전압원을 고려하였지만 어떤 전력전자 컨버터는 전류원으로부터공급된다. 이 컨버터에서는 큰 인덕터가 입력전류의 급작스러운 변화를 막기 위해 입력단자와 직렬로 연결된다. 이와 마찬가지로 전압원 컨버터에서는 입력전압을 안정화하기 위해 입력단자와 병렬로 연결된 큰 커패시터를 갖는다. 인덕터와 커패시터는 출력전류 또는 전압을각각 평활화하기 위해 어떤 컨버터에서는 출력 측에 사용되기도 한다.회로이론의 원리에 따라 두 개의 이상적인 전류원은 직렬로 연결되어서는 안 되며, 두 개의이상적인 전압원은 병렬로 연결되어서는 안 된다. 결론적으로 전류원 컨버터의 부하는 전류원으로서 나타날 수 없고, 전압원 컨버터의 부하는 전압원으로서 나타날 수 없다. [그림 1-6]에 나타낸 것처럼, 이는 전류원 전력전자 컨버터에서 커패시터는 부하에 병렬로 연결되어야한다는 것을 의미한다. 출력전압을 평활화하는 것 외에 커패시터는 어떤 전류가 흐르는 입력인덕턴스가 다른 전류가 도통하고 있는 부하 인덕턴스와 연결되는 잠재적인 위험을 방지하는역할을 한다. 반대로 전압원 컨버터에서는 어떠한 커패시터도 출력단자에 병렬로 연결되지않으며, 출력전류를 평활화하는 것은 바로 부하 인덕턴스(또는 컨버터와 부하 사이에 여분의다른 인덕터)이다.(a) 전류원[그림 1-6] 전력전자 컨버터의 기본적인 구성(b) 전압원026 현대 전력전자공학

(1.9)평균값 또는 성분인 Ψ 는 다음과 같은 식으로 된다.(1.10)dc 성분을 그 파형에서 제거할 때 남는 파형 는 성분 또는 리플(ripple)이라 한다. 즉, 다음과 같다.(1.11)ac 성분은 0의 평균값과 의 기본 주파수를 갖는다. 의 실효값 Ψ 는 다음으로 정의되고,(1.12)다음 관계를 쉽게 보일 수 있다.(1.13)정류기의 부하 전류와 같이 이상적으로 바람직한 품질의 dc 파형에서 리플률(RF:ripplefactor)이라고 하는 성능지수는 다음과 같이 정의할 수 있다.(1.14)적은 값의 리플률은 높은 품질의 파형임을 나타낸다.다른 파형과 성능지수를 논의하기에 앞서 이제까지 언급된 용어와 식들은 [그림 1-4]에 나타낸 것과 같이 만능 정류기의 출력전압 를 사용한다. 파형의 형태는 매 라디안마다 반복028 현대 전력전자공학