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컨버터와 인버터의 차이: 변환 방향·회로·출력 식·용도 비교

파워 일렉트로닉스에서는 전력의 형태를 바꾸는 회로를 변환 방향에 따라 구별해 부릅니다. 교류를 직류로 바꾸는 순변환이 정류 회로(AC-DC 컨버터), 직류를 다른 전압의 직류로 바꾸는 것이 DC-DC 컨버터(초퍼), 직류를 교류로 바꾸는 역변환이 인버터입니다. 넓은 의미에서는 이것들을 통틀어 전력 변환기(컨버터)라고 부르기도 합니다. 에어컨이나 공장의 모터 구동에서는 교류를 정류 회로로 일단 직류로 만들고, 인버터로 주파수와 전압을 바꾼 교류로 되돌리는 조합이 자주 쓰입니다.

비교 항목정류 회로(AC → DC)DC-DC 컨버터(DC → DC)인버터(DC → AC)
변환 방향교류 → 직류(순변환)직류 → 다른 전압의 직류직류 → 주파수와 전압을 바꿀 수 있는 교류(역변환)
주요 스위치다이오드. 출력을 조정하려면 사이리스터MOSFET 등의 스위치와 다이오드(동기 정류에서는 다이오드 대신 MOSFET)IGBT나 MOSFET. 각 스위치에 역병렬 다이오드
기본 회로다이오드 4개의 단상 브리지, 6개의 3상 브리지. 뒤에 평활 커패시터스위치·코일·다이오드·커패시터로 만드는 강압·승압·승강압 초퍼. 절연이 필요하면 트랜스를 쓰는 방식(플라이백 등)하프 브리지(스위치 2개), 풀 브리지(4개), 3상 브리지(6개)
출력의 크기를 정하는 것입력 교류의 전압(사이리스터라면 점호각 α로 조정)스위치의 듀티비 DPWM의 변조율 m(전압의 크기)과 변조파의 주파수(출력 주파수)
이상적인 출력 식단상 전파 정류의 평균은 약 0.9 × 실효값(100 V에서 약 90 V). 평활 커패시터를 달면 최댓값인 약 141 V에 가까워진다전류 연속 모드에서 강압 Vout = D·Vin, 승압 Vout = Vin/(1 − D)정현파 PWM에서 레그 출력의 기본파 진폭은 m·E/2(E는 직류 전압). 3상 선간 전압의 실효값은 약 0.61·m·E
출력에 남는 성분전원 주파수의 2배(전파 정류)의 맥동. 평활 커패시터로 줄인다스위칭 주파수의 리플. 코일과 커패시터로 줄인다반송파 주파수 부근의 고조파. 모터 권선의 인덕턴스나 LC 필터로 줄인다
입력 측의 과제커패시터의 충전 전류가 전압의 피크 부근에 집중하고, 고조파를 포함한 전류로 역률이 떨어진다. 역률 개선 회로(PFC)로 개선한다강압에서는 입력 전류가 펄스 모양이 되므로 입력 커패시터가 중요하다직류 측에 큰 리플 전류가 흐른다. 모터를 급히 감속하면 되돌아오는 전력으로 직류 전압이 올라간다
주요 용도AC 어댑터와 가전 전원의 입구, 모터 드라이브의 앞단CPU와 SoC의 코어 전원, 전지나 12 V 등으로부터의 각 전압, LED 구동모터의 속도 제어(인버터 에어컨, 전철, 전기 자동차), 태양광 발전의 파워 컨디셔너, 무정전 전원 장치(UPS)

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

정류 회로(AC → DC)
콘센트의 교류로부터 전자 기기나 전지가 쓰는 직류를 만들 때. 어느 정도 이상의 전력을 쓰는 기기에서는 뒤에 역률 개선 회로를 두어 입력 전류를 정현파에 가깝게 하는 경우가 많습니다.
DC-DC 컨버터(DC → DC)
직류 전압을 다른 전압으로 효율 좋게 바꾸고 싶을 때. 전지나 12 V, 48 V 등의 전원으로부터 IC가 쓰는 낮은 전압을 만드는 것이 대표적인 예입니다.
인버터(DC → AC)
직류로부터 교류를 만들 때. 특히 주파수를 바꾸어 모터의 속도를 제어하고 싶을 때나, 태양 전지와 축전지의 전력을 교류 계통에 연결할 때 씁니다.

자주 묻는 질문

컨버터와 인버터는 어떻게 구별해 부르나요?

좁은 의미에서는 교류를 직류로 바꾸는 순변환 장치를 컨버터, 직류를 교류로 바꾸는 역변환 장치를 인버터라고 구별해 부릅니다. 모터 드라이브의 '컨버터부'와 '인버터부'가 이 의미입니다. 한편 DC-DC 컨버터처럼 전력의 형태를 바꾸는 회로를 통틀어 컨버터(전력 변환기)라고 부르는 경우도 많아, 어느 의미인지는 문맥으로 판단합니다.

인버터로 모터의 속도를 바꿀 수 있는 이유는 무엇인가요?

유도 전동기 같은 교류 모터는 가하는 교류의 주파수에 따른 속도로 돌기 때문입니다. 4극 유도 전동기의 동기 속도는 50 Hz에서 1500 min⁻¹, 60 Hz에서 1800 min⁻¹(120f/극수)이며, 인버터로 주파수를 낮추면 느리게, 올리면 빠르게 돌릴 수 있습니다. 주파수를 바꿀 때는 전압과 주파수의 비(V/f)를 거의 일정하게 유지해 모터의 자속을 일정하게 합니다.

정류 회로의 출력은 왜 그대로는 직류로 쓰기 어렵나요?

다이오드 브리지로 방향만 맞춘 출력은 전원 주파수의 2배로 0과 최댓값 사이를 맥동하기 때문입니다. 평활 커패시터로 전압의 골을 메우면 직류에 가까워집니다. 맥동 크기의 기준은 부하 전류 ÷ (맥동 주파수 × 용량)이며, 50 Hz 전파 정류, 2 A, 10,000 µF라면 2 ÷ (100 × 0.01) = 2 V입니다.

인버터의 출력은 정현파인가요?

출력 전압 자체는 직류 전압을 온과 오프로 전환한 펄스열입니다. 정현파 PWM에서는 정현파의 신호파와 삼각파의 반송파를 비교해 펄스 폭을 바꾸므로, 펄스를 평균한 기본파가 정현파가 됩니다. 모터에서는 권선의 인덕턴스가 전류를 매끄럽게 하며, 정현파 전압이 필요한 경우에는 LC 필터를 넣습니다.

이해도 확인

실효값 100 V의 정현파 교류를 이상적인 다이오드 브리지로 전파 정류했다. 평활 커패시터가 없을 때 출력 전압의 평균값에 가장 가까운 것은?

  1. A약 90 V
  2. B100 V
  3. C약 141 V
정답과 해설 보기

정답: A. 약 90 V

정현파의 최댓값은 Vm = √2 × 100 ≈ 141 V입니다. 전파 정류한 파형의 평균값은 (2/π) × Vm = (2√2/π) × V ≈ 0.90 × 100 ≈ 90 V가 됩니다. 100 V는 전파 정류한 파형의 실효값으로, 입력의 실효값과 같은 값입니다. 반파 정류라면 음의 반주기가 빠지므로 평균값은 그 절반인 약 45 V입니다.

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?

  1. A약 1 V
  2. B약 2 V
  3. C약 4 V
정답과 해설 보기

정답: B. 약 2 V

전파 정류에서는 리플의 주기가 전원의 반주기인 1/(2 × 50 Hz) = 10 ms입니다. 그동안 커패시터가 2 A를 공급하면 방출하는 전하는 2 A × 10 ms = 20 mC이고, 전압 저하는 ΔV ≈ I/(2fC) = 20 mC ÷ 10,000 µF = 2 V입니다. 실제로는 피크보다 조금 앞에서 다음 충전이 시작되므로, 리플은 이 어림값보다 조금 작아집니다. 반파 정류에서는 리플의 주기가 20 ms가 되어, 같은 조건에서 약 4 V가 됩니다.

강압 초퍼의 이상적인 출력 전압 Vout = D × Vin을 유도할 때의 근거로 올바른 것은?

  1. A정상 상태에서는 인덕터 전류가 1주기 후 원래 값으로 돌아오므로, 인덕터에 걸리는 전압의 1주기 평균이 0이 된다
  2. B정상 상태에서는 출력 커패시터의 전류가 항상 0이므로, 커패시터 전압은 스위치의 온·오프 상태와 관계없이 일정해진다
  3. C스위치가 온인 동안은 인덕터에 전압이 걸리지 않으므로, 출력 전압이 입력 전압과 같아진다
정답과 해설 보기

정답: A. 정상 상태에서는 인덕터 전류가 1주기 후 원래 값으로 돌아오므로, 인덕터에 걸리는 전압의 1주기 평균이 0이 된다

인덕터 전류의 변화는 걸리는 전압을 시간으로 적분한 값으로 결정됩니다(V = L di/dt). 정상 상태에서는 전류가 1주기 후 원래 값으로 돌아오므로, 인덕터에 걸리는 전압을 1주기로 평균하면 0이 됩니다(전압과 시간의 곱의 평형). 강압 초퍼에서는 온인 동안 (Vin − Vout), 오프인 동안 −Vout이 걸리므로, (Vin − Vout) × D = Vout × (1 − D)에서 Vout = D × Vin을 얻습니다. 승압 초퍼나 승강압 초퍼의 변환비도 같은 사고방식으로 구할 수 있습니다.

  1. 인버터의 정현파 PWM에서 스위치의 온·오프를 결정하는 방법으로 올바른 것은?
  2. 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?
  3. 주파수 50 Hz의 3상 교류로 운전하는 4극 유도 전동기의 동기 속도로 올바른 것은?

파워 일렉트로닉스 회로 문제 풀기

주요 용어 설명

정류 회로(Rectifier Circuit)
교류를 한 방향으로 흐르는 전류(직류)로 변환하는 회로. 다이오드로 음의 반주기를 제거하는 반파 정류 회로, 다이오드 4개의 브리지로 양쪽 반주기를 같은 방향으로 맞추는 전파 정류 회로, 3상 교류를 다이오드 6개로 정류하는 3상 전파 정류 회로 등이 있다. 출력은 리플을 포함하므로 평활 커패시터나 인덕터로 직류에 가깝게 만든다. 다이오드 대신 사이리스터를 사용하면 점호각으로 출력 전압을 조정할 수 있다.
DC-DC 컨버터
직류 전압을 다른 크기의 직류 전압으로 변환하는 회로. 스위치, 코일, 커패시터를 사용하며, 입력보다 낮은 전압으로 만드는 강압형과 높은 전압으로 만드는 승압형이 있다.
인버터(Inverter)
직류 전력을 임의의 주파수와 크기의 교류 전력으로 변환하는 장치. 전력용 스위치(IGBT나 MOSFET)를 브리지 형태로 연결하고, PWM으로 온·오프를 전환하여 교류 전압을 만든다. 모터의 속도 제어, 전기 자동차의 구동, 태양광 발전의 파워 컨디셔너, 무정전 전원 장치(UPS) 등에 사용된다. 논리 회로에서 0과 1을 반전하는 인버터(NOT 게이트)와는 다른 것이다.
평활 커패시터(Smoothing Capacitor)
정류 회로의 출력 등에 병렬로 넣어 전압의 리플을 작게 하고 직류에 가깝게 만드는 커패시터. 전압이 높을 때 충전되고, 낮을 때 부하로 전류를 공급한다. 상용 주파수의 정류 회로에서는 대용량 알루미늄 전해 커패시터가, 스위칭 전원의 출력에서는 세라믹 커패시터 등도 사용된다. 전파 정류의 경우 리플의 크기(피크 투 피크)는 대략 부하 전류 ÷ (2 × 전원 주파수 × 용량)으로 어림할 수 있다.
정현파 PWM
인버터에서 정현파에 가까운 교류를 만드는 PWM 방식. 출력하려는 주파수의 정현파(신호파)와 그보다 충분히 높은 주파수의 삼각파(반송파)를 비교하여, 신호파가 큰 동안은 상측, 작은 동안은 하측 스위치를 온으로 한다. 신호파와 반송파의 진폭비를 변조율이라고 하며, 변조율이 1 이하이면 출력 전압의 기본파는 변조율에 비례한다. 1을 넘는 과변조에서는 저차 고조파가 늘어난다.
강압 초퍼(벅 컨버터)
스위치, 다이오드(또는 두 번째 스위치), 인덕터, 커패시터로 입력보다 낮은 직류 전압을 만드는 DC-DC 컨버터. 스위치가 온인 시간의 비율(듀티비) D를 바꾸어 출력을 조정하며, 전류 연속 모드의 이상적인 출력 전압은 D × 입력 전압이 된다. CPU나 SoC 코어의 전원, 12 V나 5 V로부터의 각종 전압 생성 등에 쓰이며, 가장 널리 사용되는 비절연형 컨버터이다.
역률 개선 회로(PFC 회로)
교류 전원에서 전력을 받는 기기에서, 입력 전류를 전압과 같은 형태·같은 위상의 정현파에 가깝게 하여 역률을 1에 가깝게 하는 회로(PFC 회로). 정류한 뒤에 승압 초퍼를 두고, 입력 전류가 정류한 전압에 비례하도록 스위치를 제어하는 방식이 일반적이며, 출력은 입력 전압의 최댓값보다 높은 380~400 V 정도의 직류가 된다. 커패시터로 평활하기만 하는 정류 회로에서 생기는 고조파 전류를 줄이기 위해 사용되며, 후단의 절연형 DC-DC 컨버터가 이 직류로부터 필요한 전압을 만든다.
유도 전동기(Induction Motor)
고정자의 3상 권선으로 회전 자계를 만들고, 회전자 도체에 유도되는 전류와 자계 사이의 힘으로 회전하는 교류 전동기. 회전자는 회전 자계의 속도(동기 속도)보다 약간 느리게 회전하며, 그 늦음의 비율을 슬립이라고 한다. 구조가 간단하고 튼튼하여 펌프, 팬, 공작 기계, 철도 차량 등에 널리 사용된다. 인버터로 주파수를 바꾸면 속도를 넓은 범위에서 조정할 수 있다.

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