DC-AC 컨버터 종류와 동작방식

DC-AC 컨버터는 전력 전자 장치에서 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 이는 이러한 변환을 기반으로 하는 실제 응용 프로그램이 많이 있기 때문입니다. 직류(DC) 입력을 교류(AC) 출력으로 변환하는 전기 회로를 DC-AC 컨버터 또는 인버터라고 합니다. 특정 주파수의 AC 출력에 대한 전력 변환이 필요한 전원 입력이 순수 12V, 24V, 48V DC 전압인 전력 전자 애플리케이션에 사용됩니다.

 

이는 PV 시스템, 배터리 저장 시스템, 트랙션 드라이브, 가변 속도 드라이브 등을 포함한 수많은 응용 분야에서 사용됩니다. DC에서 AC로 변환하는 것은 회로에 필요한 주파수에서 전류 방향을 역전시키는 일종의 발진기가 필요하기 때문에 더 복잡합니다. 대부분의 인버터는 DC 전압을 AC 전압으로 변환하기 위해 저항기, 커패시터, 트랜지스터 및 기타 회로 장치에 의존합니다.

 

 

 

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1. 교류(AC) 및 직류(DC)의 개념

1) 교류

교류에서 전류는 방향을 바꾸고 앞뒤로 흐릅니다. 방향이 주기적으로 변하는 전류를 교류(AC)라고 하며  주파수가 0이 아닙니다. AC 발전기, 발전기 등에 의해 생산됩니다.

 

AC 회로

 

2) 직류

직류에서 전류는 크기와 극성을 변경하지 않습니다. 전류가 도체에서 항상 같은 방향으로 흐르면 직류라고 합니다. 주파수가 0입니다. 그것은 셀, 배터리, DC 발전기 등에 의해 생산됩니다.

 

DC 회로

 

 

 

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2. 인버터의 종류

인버터에는 3가지 주요 유형이 있습니다.:
1) 사인파(때로는 "진정" 또는 "순수" 사인파라고도 함)
2) 수정된 사인파(실제로는 수정된 구형파)
3) 구형파

 

 

1) 사인파

사인파 또는 순수 또는 진정한 사인파 인버터는 수력 발전 또는 발전기에서 얻은 파형을 제공합니다. 사인파 인버터의 가장 큰 장점은 시장에서 판매되는 모든 장비가 사인파용으로 설계되었다는 것입니다. 이렇게 하면 장비가 전체 사양으로 작동한다는 것을 보장합니다.

 

 

 

제빵기, 조광기 및 일부 배터리 충전기와 같은 일부 가전 제품은 작동하려면 사인파가 필요합니다. 순수 사인파 인버터는 더 복잡하고 비용이 더 많이 듭니다.

 

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2) 수정 사인파

수정된 사인파 인버터는 실제로 구형파와 더 비슷하지만 추가 단계 정도가 있습니다. 많은 장비가 모터, 가전 제품 및 기타 품목을 포함한 수정된 사인파 인버터에서 잘 작동합니다. 일부 유형의 부하는 문제가 될 수 있으며 순수 사인파 변환기가 필요합니다.

 

 

 

3) 구형파

구형파는 매우 간단하며 DC 공급은 양수와 음수 사이에서 전환됩니다. 매우 적지만 가장 저렴한 인버터는 구형파입니다. 구형파 인버터는 범용 모터가 있는 도구와 같은 간단한 작업을 문제 없이 실행하지만 그 외에는 많지 않습니다.

 

 

 

 

 

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3. DC-AC 변환 단계

블록 다이어그램은 DC-AC 컨버터 또는 인버터의 주요 구성 요소를 보여줍니다.

 

 

 

1. 입력 필터 – 입력 필터는 DC 전원의 리플 또는 주파수 방해를 제거하여 인버터 회로에 깨끗한 전압을 제공합니다.

2. 인버터 – 주 전원 회로입니다. 여기에서 DC가 다중 레벨 PWM 파형으로 변환됩니다.

3. 출력 필터 – 출력 필터는 PWM 파의 고주파 구성 요소를 제거하여 거의 정현파 출력을 생성합니다.

 

인버터는 복잡한 장치이지만 일반 전원 공급 장치용으로 DC-to-AC를 변환할 수 있습니다. 인버터를 사용하면 DC 시스템의 단순성을 활용하고 기존 AC 환경에서 작동하도록 설계된 장비를 활용할 수 있습니다.

 

 

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펄스 폭 변조

인버터에서 가장 일반적으로 사용되는 기술은 펄스 폭 변조(PWM)라고 합니다. PWM은 특정 펄스로 DC 전압을 켜고 끄는 데 사용됩니다. 각 펄스의 폭은 전체 전기적 결과가 사인파의 결과와 유사하도록 다양합니다.

 

 

이것은 표준 인버터의 PWM 파형입니다. 여기서 단일 DC 전압을 켜거나 끄고 원하는 출력을 생성합니다. 더 많은 입력 DC 전압 레벨은 사인파와 더 유사한 출력 파형을 생성하는 데 사용됩니다.

 

 

 

PWM 파형은 정현파가 아니며 고조파가 생성됩니다. 따라서 더 많은 레벨이 사용될수록 출력이 사인파에 가까워지고 고조파 함량이 낮아집니다. PWM 파형을 필터링하고 고조파 함량을 줄이기 위해 인버터는 변압기, 커패시터 및 인덕터를 사용합니다.

 

 

 

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H 브리지 회로

대부분의 인버터는 간단한 H-Bridge 배열로 구성됩니다. 이 회로는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistors)를 사용하는 단상 H-Bridge 회로의 구현입니다.

 

 

 

IGBT는 위 회로에서 스위치 역할을 합니다. 게이트에 신호가 가해지면 게이트가 켜지고 신호가 제거되면 꺼집니다. Q1과 Q4를 닫으면 양극 DC 공급이 부하에 적용됩니다. Q2 및 Q3은 부하 전체에 걸쳐 음의 DC 공급을 초래합니다. 그런 다음 제어 회로를 사용하여 필요한 PWM 파형을 생성하는 데 필요한 게이트 신호를 생성합니다.

 

단락을 피할 필요가 있습니다. 이는 Q1과 Q2를 동시에 닫음으로써 발생합니다. 이를 방지하려면 다음 세트를 켜기 전에 한 세트의 IGBT를 꺼야 합니다. 다이오드는 전환 기간 동안 잠재적인 전압 축적을 제한하기 위해 유도 전류에 필요한 경로를 제공합니다. 커패시터는 DC 전원의 변동을 균일하게 하기 위해 스무딩을 제공합니다.

 

4. DC-AC 컨버터(인버터)의 한계

• 회로 효율은 트랜지스터의 사용에 의해 감소될 수 있습니다.
• o/p 신호 내의 크로스오버 왜곡은 스위칭 트랜지스터의 사용으로 인해 발생할 수 있습니다. 바이어싱 다이오드를 사용하여 이 한계를 어느 정도 줄일 수 있습니다.

 

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5. DC-AC 컨버터 응용

인버터라고도 하는 DC-AC 컨버터는 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 기능으로 인해 다양한 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 장치의 몇 가지 중요한 용도는 다음과 같습니다.

1. 태양 광 발전 시스템 : 태양 전지판의 태양광 전지는 DC 전기를 생성합니다. 인버터는 이 DC 전력을 AC 전원으로 변환하여 가정에서 직접 사용하거나 그리드에 다시 공급할 수 있습니다.
2. 무정전 전원 공급 장치(UPS): UPS 시스템에서 배터리는 전력을 DC로 저장합니다. 주 전원 공급 장치에 장애가 발생하면 UPS는 인버터를 사용하여 배터리의 DC 전원을 AC 전원으로 변환하여 컴퓨터, 데이터 센터 및 병원과 같은 중요한 장비에 지속적인 공급을 보장합니다.
3. 전기 자동차: 전기 자동차(EV)의 배터리는 DC 전원을 제공합니다. 인버터는 이를 AC 전원으로 변환하여 차량을 추진하는 AC 모터를 작동시키는 데 사용됩니다.
4. 발전 시스템: 연료 전지, 배터리 또는 DC 전력을 생산하는 기타 유형의 발전기를 사용하는 발전소에서는 이 DC 전력을 배전을 위해 AC 전원으로 변환하기 위해 인버터가 필요합니다.
5. 가전 제품: 노트북, 카메라, 스마트폰 등 많은 기기가 DC 전원을 사용하지만 벽면 콘센트의 전원은 AC입니다. 이 장치용 전원 어댑터에는 AC-DC 컨버터가 포함되어 있습니다. DC 소스(예: 배터리)로 구동되는 장치를 사용 중이고 벽면 콘센트에 연결하려면 DC-AC 인버터가 필요합니다.
6. 항공 여행: 항공기는 종종 DC 전원을 생성하지만 기내 전자 장치, 조명 및 기타 시스템은 일반적으로 AC 전원으로 작동합니다. 이 변환을 위해 인버터가 사용됩니다.
7. 가변 주파수 드라이브: 산업에서 인버터는 가변 주파수 드라이브(VFD)에 사용되어 AC 모터에 공급되는 주파수와 전압을 변경하여 정확한 속도 및 토크 제어를 가능하게 합니다.
8. HVDC 시스템: 고전압 직류(HVDC) 전송 시스템은 인버터를 사용하여 수신단에서 DC를 다시 AC로 변환합니다.
9. 휴대용 발전기 및 발전소: 휴대용 발전기와 발전소는 종종 배터리(DC)를 에너지원으로 사용합니다. 해당 DC 전력을 조명, 냉장고 또는 전동 공구와 같은 장치에 사용할 수 있는 AC 전원으로 변환하려면 인버터가 필요합니다.