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파워 일렉트로닉스 회로

단상과 3상의 정류 회로, 전파 정류의 평균값, 평활 커패시터와 리플, 사이리스터의 위상 제어와 점호각, 전원 전류(line commutation), 왜형파의 역률, 강압·승압·승강압 초퍼의 변환비, 전압과 시간의 곱의 평형, 인덕터 전류의 리플, 전류 연속 모드와 전류 불연속 모드, 출력 전압의 리플, 동기 정류와 데드 타임, 스위칭 손실, 경부하 효율, 플라이백 컨버터와 포워드 컨버터, 하프 브리지 인버터와 풀 브리지 인버터, 정현파 PWM과 변조율, 3상 인버터의 선간 전압, 과변조, 반송파 주파수, 부트스트랩 회로, 역률 개선 회로, 유도 전동기의 동기 속도와 슬립, V/f 제어, 직류 전동기의 역기전력, 브러시리스 DC 모터, 회생, 변압기의 권수비를 계산 문제를 섞은 객관식 문제로 학습합니다.

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파워 일렉트로닉스 회로: 핵심 정리

전력 반도체 소자는 그것만으로는 전력을 변환할 수 없습니다. 다이오드와 사이리스터, MOSFET, IGBT를 인덕터, 커패시터, 변압기와 조합하여 회로를 구성하고 정해진 타이밍에 스위칭함으로써, 교류를 직류로, 직류를 다른 전압의 직류로, 직류를 교류로 바꿀 수 있습니다. 여기서는 그러한 전력 변환 회로와, 그것으로 구동하는 전동기의 기본을 학습합니다.

먼저 단상과 3상의 정류 회로, 전파 정류의 평균값, 평활 커패시터의 리플 어림, 사이리스터의 위상 제어와 점호각, 전원 전류, 왜곡된 전류의 역률을 다룹니다. 이어서 강압·승압·승강압 초퍼의 변환비를 인덕터의 전압과 시간의 곱의 평형으로부터 확인하고, 인덕터 전류의 리플, 전류 연속 모드와 전류 불연속 모드의 경계, 출력 전압의 리플, 동기 정류와 데드 타임 동안의 전류, 스위칭 손실, 경부하 효율을 계산과 함께 학습합니다. 절연형 컨버터는 플라이백과 포워드의 동작만 입문 수준으로 다룹니다. 후반에서는 하프 브리지와 풀 브리지 인버터, 정현파 PWM과 변조율, 3상 인버터의 선간 전압, 과변조, 반송파 주파수의 선택, 데드 타임에 의한 전압 오차, 부트스트랩 회로의 커패시터, 승압형 역률 개선 회로를 다루고, 마지막으로 유도 전동기의 동기 속도와 슬립, V/f 제어, 직류 전동기의 역기전력과 토크, 브러시리스 DC 모터, 감속 시의 회생, 이상 변압기의 전류비를 확인합니다. 일본의 제3종 전기주임기술자 시험(덴켄 3종) '기계' 과목의 파워 일렉트로닉스와 전동기, 일본 전기공사사 필기시험의 전기 이론, 한국 전기기사 시험의 '전기기기' 과목을 학습하는 입문으로도 활용할 수 있습니다. 계산 문제의 값은 오답 선택지의 값도 포함하여 Python(NumPy)으로 계산해 확인했습니다. MOSFET·IGBT·SiC·GaN 등 소자의 구조와 특성, 게이트 드라이버, 스너버 회로, 소프트 스위칭은 '전력 반도체', LDO와 스위칭 레귤레이터의 비교는 '아날로그·전자 회로', 교류 회로와 3상 교류, 변압기의 전압비와 임피던스 변환은 '전기 회로·전자기학의 기초', DC-DC 컨버터의 제어 루프와 모터의 캐스케이드 제어는 '제어 공학의 기초', PWM과 듀티비는 '임베디드 시스템과 펌웨어', 전기 자동차의 인버터는 '차량용 반도체와 기능 안전' 분야에서 다룹니다.

파워 일렉트로닉스 회로 전체 문제 (40)
  1. 다이오드 4개로 구성한 단상 브리지 정류 회로에 교류를 가했을 때, 어느 반주기에 전류가 흐르는 경로로 올바른 것은?
  2. 3상 교류를 다이오드 6개의 브리지로 정류하는 3상 전파 정류 회로의 출력 특징으로 올바른 것은?
  3. 실효값 100 V의 정현파 교류를 이상적인 다이오드 브리지로 전파 정류했다. 평활 커패시터가 없을 때 출력 전압의 평균값에 가장 가까운 것은?
  4. 커패시터가 리플의 1주기 동안 부하 전류를 모두 공급한다고 보고 어림한다. 50 Hz의 교류를 전파 정류하고 10,000 µF의 평활 커패시터로 평활하여 일정한 2 A의 전류를 부하에 흘릴 때, 출력 전압의 리플(피크 투 피크)의 대략적인 값은?
  5. 교류 전원과 사이리스터를 사용한 위상 제어에서 점호각(제어각) α를 크게 했을 때 출력 전압 평균값의 변화로 올바른 것은?
  6. 실효값 200 V의 단상 교류를 사이리스터를 사용한 단상 전파 정류 회로로 위상 제어하여 저항 부하에 전력을 공급한다. 점호각 60°일 때 출력 전압의 평균값에 가장 가까운 것은?
  7. 교류 전원에 연결한 사이리스터 위상 제어 회로에서, 게이트로 오프시키는 조작을 하지 않아도 사이리스터가 오프되는 이유로 올바른 것은?
  8. 입력 전류가 정현파가 아니고 고조파를 많이 포함하는 전원 장치에서, 전류의 기본파가 전압과 동상이더라도 역률이 1이 되지 않는 이유로 올바른 것은?
  9. 강압 초퍼(벅 컨버터)에서 스위치가 오프인 동안 인덕터 전류가 흐르는 경로로 올바른 것은?
  10. 이상적인 승압 초퍼(부스트 컨버터)에서 입력 전압 5 V, 스위치의 듀티비 0.6일 때, 전류 연속 모드에서의 출력 전압으로 올바른 것은?
  11. 이상적인 승강압 초퍼(반전형 벅-부스트 컨버터)에서 입력 전압 12 V, 듀티비 0.6일 때, 전류 연속 모드에서의 출력 전압의 크기로 올바른 것은?
  12. 강압 초퍼의 이상적인 출력 전압 Vout = D × Vin을 유도할 때의 근거로 올바른 것은?
  13. 이상적인 강압 초퍼에서 입력 전압 12 V, 출력 전압 3 V, 인덕턴스 15 µH, 스위칭 주파수 300 kHz일 때, 전류 연속 모드에서의 인덕터 전류 리플(피크 투 피크)로 올바른 것은?
  14. DC-DC 컨버터의 전류 연속 모드(CCM)에 대한 설명으로 올바른 것은?
  15. 입력 전압 12 V, 출력 전압 3 V, 인덕턴스 15 µH, 스위칭 주파수 300 kHz인 이상적인 강압 초퍼(다이오드로 환류하는 것)에서 부하 전류를 줄여 간다. 전류 연속 모드를 유지할 수 있는 최소 출력 전류(전류 불연속 모드와의 경계)는?
  16. 강압 초퍼의 출력 커패시터에 인덕터 전류 리플(피크 투 피크 0.6 A)의 교류분이 모두 흐른다고 한다. 스위칭 주파수 300 kHz, 출력 커패시터 25 µF(ESR은 무시)일 때, 출력 전압의 리플(피크 투 피크)은?
  17. 낮은 출력 전압의 DC-DC 컨버터에서 환류용 다이오드 대신 MOSFET을 사용하는 동기 정류의 주된 목적은?
  18. 동기 정류 강압 초퍼에서 상하 MOSFET이 모두 오프되어 있는 데드 타임 동안 인덕터 전류가 흐르는 경로로 올바른 것은?
  19. 전이 동안 잃는 전력을 평균적으로 전압 × 전류의 절반으로 본다. 전압 400 V, 전류 10 A를 스위칭하는 파워 디바이스에서 턴온과 턴오프의 전이 시간이 각각 50 ns, 스위칭 주파수가 100 kHz일 때, 스위칭 손실에 가장 가까운 것은?
  20. DC-DC 컨버터에서 부하 전류가 매우 작을 때 효율이 크게 떨어지는 주된 이유와 그 대책의 조합으로 올바른 것은?
  21. 상용 교류에서 직류를 만드는 전원에서, 변압기(트랜스)로 입력과 출력을 절연하는 절연형 컨버터가 사용되는 주된 이유는?
  22. 플라이백 컨버터의 동작 설명으로 올바른 것은?
  23. 포워드 컨버터에서 변압기의 리셋 권선(또는 클램프 회로)이 필요한 이유로 올바른 것은?
  24. 인버터의 정현파 PWM에서 스위치의 온·오프를 결정하는 방법으로 올바른 것은?
  25. 직류 전압 E로부터 단상 교류를 만드는 인버터에서, 하프 브리지(스위치 2개)와 풀 브리지(스위치 4개)의 출력 전압을 비교한 설명으로 올바른 것은?
  26. 직류 전압 600 V인 인버터의 레그를 정현파 PWM으로 동작시키고 변조율을 0.8로 했다. 직류 전원의 중점에 대한 레그 출력 전압의 기본파 진폭(최댓값)으로 올바른 것은?
  27. 직류 전압 400 V의 3상 인버터를 정현파 PWM으로 동작시키고 변조율을 1로 했다. 출력 선간 전압의 기본파 실효값에 가장 가까운 것은?
  28. 정현파 PWM 인버터에서 변조율을 1보다 크게 했을(과변조로 했을) 때 일어나는 일로 올바른 것은?
  29. 모터를 구동하는 PWM 인버터에서 반송파 주파수를 높였을 때의 영향으로 올바른 것은?
  30. 전압형 PWM 인버터에서 데드 타임이 출력 전압에 주는 영향으로 올바른 것은?
  31. 게이트 구동 전압은 10 V이며, 게이트 전하 이외의 전류는 무시한다. 부트스트랩 회로로 하이 사이드 MOSFET을 구동할 때, 게이트 전하 100 nC인 MOSFET을 1회 온으로 했을 때 부트스트랩 커패시터의 전압 저하를 0.5 V 이하로 하는 데 필요한 용량의 최솟값은?
  32. 교류 100~240 V에서 사용할 수 있는 전원의 승압형 역률 개선 회로(PFC 회로)에서, 출력 직류 전압을 380~400 V 정도로 설정하는 경우가 많은 이유로 올바른 것은?
  33. 주파수 50 Hz의 3상 교류로 운전하는 4극 유도 전동기의 동기 속도로 올바른 것은?
  34. 주파수 60 Hz로 운전하는 4극 유도 전동기가 슬립 0.05로 회전하고 있다. 회전자의 회전 속도로 올바른 것은?
  35. 유도 전동기가 전동기로 운전하는 동안에는 동기 속도와 정확히 같은 속도로 회전할 수 없는 이유로 올바른 것은?
  36. 인버터로 유도 전동기의 속도를 바꿀 때, 전압과 주파수의 비(V/f)를 거의 일정하게 유지하는 주된 이유로 올바른 것은?
  37. 전기자 저항 0.5 Ω, 역기전력 상수 0.1 V/(rad/s)인 직류 전동기에 24 V를 가했더니 전기자 전류가 8 A가 되었다. 이때의 회전 각속도로 올바른 것은?
  38. 브러시리스 DC 모터에 대한 설명으로 올바른 것은?
  39. 인버터로 구동하고 있는 유도 전동기를 주파수를 낮춰 급히 감속시켰을 때 일어날 수 있는 일과 그 대책의 조합으로 올바른 것은?
  40. 이상 변압기에서 1차측 전압을 2차측에서 낮은 전압으로 변환했을 때, 1차측과 2차측 전류의 관계로 올바른 것은?

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