전력 전자전력 전자로봇•자동화 공학부

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“전기회로기초”- 학습 내용

교류 전압 전류의 표현 방법

역 전력 및 역률

계측기 사용법계측기 사용법

전력용 반도체 소자 및 동작 원리전력용 반도체 소자 및 동작 원리

전기회로 기초-계측기 사용법 함수 발생기 함수 발생기

함수 발생기(function generator) 또는 신호 발생기(signal generator)는디지털 회로 또는 아날로그 전자 회로에 정현파, 구형파, 삼각파 등의신호를 공급하는 실험 장비신호를 공급하는 실험 장비

출력되는 신호원의 전압 크기 및 주파수를 조정

전기회로 기초 오실로스코프 오실로스코프

오실로스코프(oscilloscope)는 디지털 회로 또는 아날로그 전자 회로의 전압을 측정하기 위한 실험 장비

멀티미터를 사용하여 아날로그 회로의 전압을 측정하면 평균값 또는 멀티미터를 사용하여 아날로그 회로의 전압을 측정하면 평균값 또는실효값이 숫자로만 표시되므로, 교류 회로에서 실효값은 같지만, 파형이 다른 경우는 구별 불가

반면에 오실로스코프는 시간에 따라서 주기적으로 변화하는 전압 파형, 크기, 주파수 등을 측정할 수 있어 구별이 가능

전기회로 기초 오실로스코프 오실로스코프

전기회로 기초 오실로스코프 오실로스코프

전기회로 기초 오실로스코프로 파형 측정 오실로스코프로 파형 측정

오실로스코프와 함수 발생기에 전원을 공급한다. 함수 발생기의 출력을 오실로스코프 입력 CH1에 연결한다. 함수 발생기에서 전압 파형, 전압 크기, 주파수를 선택한다. 오실로스코프 화면에 파형이 나타나면 수직 및 수평 눈금을 조정한다.

전기회로 기초 직류 전원 장치 직류 전원 장치

SMPS 선형전원장치

전기회로 기초 직류 전원 장치 파형 측정 직류 전원 장치 파형 측정

오실로스코프와 직류 전원 장치에 전원을 공급한다. 직류 전원 장치의 출력을 오실로스코프 입력 CH1에 연결한다. 직류 전원 장치에서 직류 전압의 크기를 선택한다. 오실로스코프 화면에 파형이 나타나면 수직 및 수평 눈금을 조정한다.

전기회로 기초 디지털 멀티미터 디지털 멀티미터

디지털 멀티미터(digital multi-meter)는 디지털 회로 또는 아날로그 전자 회로에 저항, 전류, 전압 등을 측정할 수 있는 기초적인 실험 장비

전기회로 기초 디지털 멀티미터 디지털 멀티미터

전기회로 기초 디지털 멀티미터 디지털 멀티미터

전압 및 전류 측정 결선법

전기회로 기초 디지털 멀티미터로 직류 전압 측정 디지털 멀티미터로 직류 전압 측정

디지털 멀티미터와 직류 전원 장치에 전원을 공급한다. 전원 장치의 출력을 디지털 멀티미터의 전압 입력 단자에 연결한다. 디지털 멀티미터에서 전압 측정을 선택한다.

전기회로 기초 디지털 멀티미터로 저항 측정 디지털 멀티미터로 저항 측정

디지털 멀티미터에 전원을 공급한다. 저항을 직류 전원 장치의 출력 단자에 연결한다. 디지털 멀티미터에서 저항 측정을 선택한다.

전력용 반도체 소자

트랜지스터트랜지스터 Bipolar Junction Transistor :세 개의 반도체를 연속 접합

단자의 명칭: 이미터(emitter), 컬렉터(collector), 베이스(base) NPN형 트랜지스터

C(컬렉터)C

N

NPB

(베이스)B

E(이미터) E

전력용 반도체 소자

트랜지스터트랜지스터 PNP형 트랜지스터

C(컬렉터)

C

P

PNB

(베이스) B

E(이미터) E

전력용 반도체 소자

트랜지스터트랜지스터 BJT 구조 : PN접합의 3차원 적층 구조

BEC금속(Al)

B

PN 접합부(결핍층)

이미터

베이스

산화막

(SiO2)

B

베이스

컬렉터

기판

P 영역N++ 영역 N+ 영역

E C

전력용 반도체 소자

트랜지스터트랜지스터 BJT 증폭 : 작은 베이스 전류로 큰 컬렉터 전류를 제어

IC=IE

I =(1 )I

C

N

IC

IB=(1-)IE

IE

B

E

NP

IB

IEE

도르래도르래

수문

컬렉터

베이스

판

컬렉터

베이스수문

판

이미터이미터

전력용 반도체 소자

트랜지스터트랜지스터 BJT 스위치 : On/Off 스위치로 사용

전력용 반도체 소자

트랜지스터 스위치 응용트랜지스터 스위치 응용

전력용 반도체 소자

FET(전계 효과 트랜지스터) FET(전계 효과 트랜지스터) 하나의 PN접합으로 구성된 단극성 트랜지스터

Gate Drain Source 의 3개의 전극으로 구성Gate Drain Source 의 3개의 전극으로 구성

드레인 드레인

D

(Drain)

D

(Drain)

널

P

C(컬렉터)

G

S

게이트

(Gate) P 채

널

N N G

S

게이트

(Gate) N채

널

P P

G D SPNB

(베이스)

S

소스

(Source)

S

소스

(Source)Depletion형(N채널 FET) Enhancement형(P채널 FET)

IRF520E(이미터)

전력용 반도체 소자

FET(전계 효과 트랜지스터) FET(전계 효과 트랜지스터) FET 증폭

• 바이어스 전압 VGG가 커지면 결핍층이 늘어 소스와 드레인 사이의 폭이 줄GG어서 전류가 적게 흐른다.

R게이트 (VGS)

R

RD

+

D ID

전도 채널

결핍층소스(ID) D

+

RD

ID+IG=0

RP

RG

VGG-+

+

-VDD

PG

S

IG=0전자

전자의흐름

드레인(ID) G

S

--+

VGG

VDD

+VDS

-VGS+

-

G RG

S

수

도르래

베이스

판

수문

컬렉터

이미터

전력용 반도체 소자

FET(전계 효과 트랜지스터) FET(전계 효과 트랜지스터) FET 증폭

• 바이어스 전압 VGG가 커지면 결핍층이 늘어 소스와 드레인 사이의 폭이 줄GG어서 전류가 적게 흐른다.

ID

IDSS(C)

V = 1V

VGS=0V

ID

IDSS

(B)

(D)

VGS=-4V

VGS=-3V

VGS=-2V

VGS=-1V

(A)

VGS0VGS(off)

핀치오프전압

GS

VGS=VGS(off)VDS0

전력용 반도체 소자

FET 특성 곡선 FET 특성 곡선

전력용 반도체 소자

트랜지스터 증폭회로트랜지스터 증폭회로

전력용 반도체 소자

트랜지스터 증폭회로트랜지스터 증폭회로

전력용 반도체 소자

트랜지스터 증폭회로트랜지스터 증폭회로

등가 변환

전력용 반도체 소자

트랜지스터 증폭회로트랜지스터 증폭회로

전력용 반도체 소자

트랜지스터 증폭회로트랜지스터 증폭회로

전력용 반도체 소자

트랜지스터 증폭회로트랜지스터 증폭회로

전력용 반도체 소자

트랜지스터 증폭회로트랜지스터 증폭회로

전력용 반도체 소자

트랜지스터 증폭회로트랜지스터 증폭회로

전력용 반도체 소자

SCR(Sillicon Controlled Rectifiers) SCR(Sillicon Controlled Rectifiers)

A애노드 (Anode)

P

N

A애노드 (Anode)

J1Vak

N

P

N

G

캐소오드

게이트 (Gate)

1

J2

J3 RL

ITVs

K캐소오드 (Cathode)

3 RL

SCR 회로

SCR 기호

전력용 반도체 소자

SCR(Sillicon Controlled Rectifiers) SCR(Sillicon Controlled Rectifiers) 트랜지스터 등가회로 모델

• PNPN 4층의 접합구조로 PNP트랜지스터와 NPN 트랜지스터가 연결된 것으로 등가회로 표현

A A A

P

N

A

P

A

PNP Tr

Q1IB1=IC2

IT

N

P

N

G P P

N N

N

G

GNPN

Q2

IB1 IC2

IC1 IB2

IG

K KK

TrG

IT

전력용 반도체 소자

SCR(Sillicon Controlled Rectifiers) SCR(Sillicon Controlled Rectifiers) SCR의 동작

초기 상태 동작 전류 흐르는 상태

36

전력용 반도체 소자

AIT

1. 게이트를 통하여 게이트 전류를 인가한다.

A

Q1

2. 게이트 전류 Ig는 Q2에 베이스전류 IB2로 공급된다.따라서 Q2는 도통된다.

Q2

IB1=IC2

IC1 IB2

I

3. Q2가 도통되면 Q1의 베이스에베이스 전류 IB1이 공급될 수 있는

(2)

K

QIG

IT

Rg

Vg

Vs 회로가 구성된다. 따라서 IB1이 흐른다.

RL

4. Q1의 베이스에 베이스 전류 IB1이 공급되어 Q1이 도통된다. Q1의 컬렉터 전류 IC1이 Q2의 베이스 전류 로 작용하여 게이트 전류

(1) (3)

스 전류 IB2로 작용하여 게이트 전류가 제거되어도 도통이 유지된다. (4)

전력용 반도체 소자

SCR(Sillicon Controlled Rectifiers) SCR(Sillicon Controlled Rectifiers)IT

Vak

Gate 전류 인가시역방향 항복전압

Vak

순방향 항복전압

Gate 전류 인가시Gate 전류 인가시

사이리스터 특성곡선

전력용 반도체 소자

SCR(Sillicon Controlled Rectifiers) SCR(Sillicon Controlled Rectifiers)SCR를 도통(ON)시키는 방법

(1) 적절한 게이트 신호를 인가하는 방법 ------- 정상적인 방법(2) SCR의 dV/dt 특성보다 높은 전압변화를 주는 방법 사용시 주의해야 함

I 1<I 2<I 3

(2) SCR의 dV/dt 특성보다 높은 전압변화를 주는 방법 ------ 사용시 주의해야 함(3) 항복전압을 초과하는 방법 -------- 사용시 주의해야 함

IT

Ig1<Ig2<Ig3

Vak

순방향 항복전압

전력용 반도체 소자

SCR(Sillicon Controlled Rectifiers) SCR(Sillicon Controlled Rectifiers)

SCR를 차단(OFF)시키는 방법(1) SCR에 흐르는 전류를 홀딩전류 이하로 떨어지게 함(1) SCR에 흐르는 전류를 홀딩전류 이하로 떨어지게 함.(2) SCR에 걸리는 전압을 역방향으로 가함.

전력용 반도체 소자

SCR(Sillicon Controlled Rectifiers) SCR(Sillicon Controlled Rectifiers) 래칭 전류(Latching Current)

• SCR이 오프(Off)상태에서 온(On)상태로 스위칭할 때 온 상태를 유지하는데필요한 최소한의 애노드 전류

홀딩 전류 (Holding Current)• SCR이 온(On)상태를 유지하는데 필요한 최소한의 애노드 전류SC 이 온(O )상태를 유지하는데 필 한 최 한의 애 전류

일반적으로 래칭전류는 홀딩전류보다 큰 값을 가진다.

전력용 반도체 소자

SCR(Sillicon Controlled Rectifiers) SCR(Sillicon Controlled Rectifiers)

G 펄스

I g

Gate 펄스

I g

Gate 펄스

시간

I

Latching 전류 시간

I t Z i

I t

Zero

Holding 전류

Latching전

시간

I t Zero crossing point

시간

crossing point

류

Anode전류

시간

SCR의 래칭 특성 SCR의 홀딩전류 및 래칭 전류

전력용 반도체 소자

SCR(Sillicon Controlled Rectifiers) SCR(Sillicon Controlled Rectifiers) SCR 응용 회로

전력용 반도체 소자

GTO(Gate turn off Thyristor) GTO(Gate turn-off Thyristor) 제어시스템은 GTO 사이리스터를 사용한 가변전압 가변주파수

제어 방식을 사용

전력용 반도체 소자

GTO(Gate turn off Thyristor) GTO(Gate turn-off Thyristor) SCR과 같이 작은 양(+)의 게이트 전류펄스에 의해 턴-온 턴-오프 할 때에는 SCR과는 달리 음(-)의게이트 전류펄스 사용턴 오프 할 때에는 SCR과는 달리 음( )의게이트 전류펄스 사용

게이트만으로 trigger-off 기능이 있기 때문에 게이트 회로를 구성하는데 SCR 보다는 간단하며 스위칭 시간(switching time)이짧게 되어 스위칭 주파수가 높은 제어용 사용짧게 되어 스위칭 주파수가 높은 제어용 사용

전력용 반도체 소자

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) TR의 경우는 고압,대전류라도 쉽게 저렴하게 만들수 있는 반면 고속스위칭이

힘들고, BASE 전류가 높기 때문에 드라이브단의 구성이 어려움

FET의 경우는 입력임피던스가 높기 때문에 드라이브가 쉽고 간단하며 또한 소 FET의 경우는 입력임피던스가 높기 때문에 드라이브가 쉽고,간단하며 또한 소수캐리어 축척이 없기 때문에 고속으로 동작

입력(GATE)는 FET처럼 만들고, 출력은 TR처럼 만들어 고압,대전류에서는 높은 효율과 빠른 속도로 동작 간단하게 드라이브로 제작은 효율과 빠른 속도로 동작, 간단하게 드라이브로 제작

전력용 반도체 소자

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)

전력용 반도체 소자

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 전력용 반도체 소자로서 주로 300V 이상의 전압 영역에서 널리 사용되

고 있으며, 고효율, 고속의 전력 시스템에 특히 많이 사용

1970년대에 전력용 MOS FET가 개발된 이후 전력용 스위치로 중전압이하, 고속의 스위칭이 요구되는 범위에서는 MOS FET 사용

중~고압에서 대량의 전류 도통이 요구되는 범위에서는 바이폴러 트랜지스터나 SCR, GTO등이 사용

1980년대 초에 개발된 IGBT는 출력 특성면에서는 바이폴러 트랜지스터 이상의 전류 능력을 지니고 있고, 입력 특성면에서는 MOS FET와터 이상의 류 능력 지니 있 , 력 특성 에서 와같이 게이트 구동 특성을 가지고 있어, IGBT는 MOS FET와 바이폴러트랜지스터의 대체 소자로서 뿐만 아니라 새로운 분야로 점차 사용이확대

가정용 및 업무용 에어컨, 냉장고의 컴프레서 구동부터, 대용량으로는전철의 모터 구동장치에 사용

전력용 반도체 소자

TRIAC(Triode AC Controller) TRIAC(Triode AC Controller) 병렬로 접속된 2개의 SCR과 거의 같은 특성을 갖는 3단자 교류스위치

로 3극(Triode)으로 교류전력을 제어한다는 데서 이름이 유래되었다

전력용 반도체 소자

TRIAC(Triode AC Controller) TRIAC(Triode AC Controller)

전력용 반도체 소자

TRIAC(Triode AC Controller) TRIAC(Triode AC Controller)

전력용 반도체 소자

전력변환 기본 회로

DC DC 변환 DC DC 변환

전력변환 기본 회로

AC DC 변환 AC DC 변환

전력변환 기본 회로

DC AC 변환 (단상) DC AC 변환 (단상)

ab

전력변환 기본 회로

DC AC 변환 (3상) DC AC 변환 (3상)

전력변환 기본 회로

ACDC 변환 및 DC AC 변환 ACDC 변환 및 DC AC 변환

전력변환 기본 회로

AC AC 변환 AC AC 변환