제1장
전력전자 개요
전력전자이론및설계
건국대 최규하
전력전자 원리 및 응용
요소기술-1
전력전자를 구성하는 요소기술은 전력기술, 전자기술, 제어기술의 3가지 요소기술로 크게 대별할 수 있다.
전력기술 전자기술 제어기술
☞ 공급전원부와 정지형 또는 회전형 부하에 관련된 부분
☞ 회로 및 소자로 구성되는 부분
☞ 아날로그(analog) 및 디지털(digital)데이터로 처리되는 일련의 알고리즘, 즉 PI, 데드비트(deadbeat), PLL,슬라이딩모드(sliding-
mode), 퍼지(fuzzy) 및 최신 현대제어 등 모든 소프트웨어적 제어기 술영역부분
제어방식 응답성 강인성 정확성
PI제어 중 중 중
PLL제어 하 하 상
데드비트제어 상 하 하
슬라이딩모드제어 중 상 하
현대제어 상 상 상
전력전자이론및설계
건국대 최규하
요소기술-2
전력기술 전자기술 제어기술
☞ 3가지 요소기술을 토대로 한 전력전자의 사면체
전력의 규모와 다양성은 날로 커지게 될 것이며, 제어 및 전자의 기
술도 끊임없이 발전하면서 적용 가능한 전력전자의 기술영역이 점차
확대되어 나갈 것임
3가지 요소기술의 집합체 ; 전력전자 사면체 (tetrahedron)
전력
제어
전자
전력 + 제어
제어 + 전자
전자 + 전력 전력 + 전자 + 제어
요소기술-3
전력전자이론및설계
건국대 최규하
전력전자의 발전사
전력의 변환과 제어가 동시에 가능한 제어 정류 소자인 SCR (Silicon controlled rectifier)이 개발됨에 따라 전력을 제어하게 되는 소위 전력전자의 시대가 열림. “제 2차 전자공학변혁”의 시초
전력전자기술의시초.
반도체시대의 시작
열전자 방출현상(Edison effect)
전력전자이론및설계
건국대 최규하
Homework 1
- Edison effect(열전자 방출현상)에 대하여 조사할 것
<주의> full 2-page로 정리하여 제출할 것
Homework 1
열전자방출(熱電子放出)이라고도 한다. 열에 의해 에너지를 얻은 전자가 원자의 구속에서 벗어나 고체 표면에서 튀어나오는 것으로, 액체 표면에서 증기가 증발하는 것과 유사하다.
열전자방출효과는 1873년 영국의 과학자 프레더릭 구드리(Frederick Guthrie)에 의해 처음 알려졌다. 그는 발갛게 달아오른 (-)로 대전된 구가 진공에서 전하를 잃지만, (+)로 대전된 구는 전하를 잃지 않는다는 것을 발견했다. 이 효과는 1883년 Thomas Edison에 의해 재발 견되었다. 그는 백열전구 연구 중 필라멘트의 증발에 의해 유리구가 흑화(黑化)되는 것을 막 기 위한 방법으로 구 안에 금속판을 삽입하였다. 삽입한 금속판이 필라멘트에 대해 양전위이 면 전류가 흐르고, 음전위이면 전류가 흐르지 않는다는 것을 발견하였다. 이 방향성을 지니는 전류 효과를 좁은 의미의 에디슨효과라고 한다.
넓은 의미의 에디슨효과는 열전자방출을 뜻한다. 가열에 의해 금속표면을 이탈한 전자는 (-)전하를 띠므로 나머지 한 극에 (+)극을 연결하면 전기력에 의해 이동하게 된다. 그러나 (-) 극을 연결하면 같은 극이므로 척력이 작용해 전자가 이동하지 않고 전류가 흐르지 않게 된 다. 에디슨은 또 전압을 증가함에 따라 전류가 급하게 상승함을 발견했고, 이를 이용하여 정 전압장치를 만들었다. 이렇게 만든 진공관은 이후에 개발을 거듭하게 된다. 플레밍은 진공 관을 개발하여 다이오드를 만들어 무선전신의 검파에 이용했다. 1906년에는 미국의 드 포 리스트가 2극진공관에 다른 전극을 넣어 전류의 흐름을 제어하여 증폭작용을 하게 했으며, 이를 보완한 4극관 5극관 등이 만들어지게 된다. 오웬 윌란스 리차드슨(Owen Willans Richardson)은 열전자방출에 관한 연구로 1928년 노벨상을 받았다.
<예시>
- Edison effect (열전자 방출현상)
전력전자이론및설계
건국대 최규하
Homework 1
<예시>Homework 1
<예시>전력전자이론및설계
건국대 최규하
전력변환 및 제어소자의 발전사
☞ 각종 전력변환 및 제어용 스위치소자들의 연도대조
기본이론
Ø PN접합 다이오드
다수캐리어의 이동
: 정방향
: 역방향
열평형상태
=
전력전자이론및설계
건국대 최규하
Homework 2
- Diode의 정류작용에 대하여 조사할 것
<주의> full 2-page로 정리하여 제출할 것
다이오드-1
Ø 다이오드의 기본구조
1. P형 쪽을 양극(anode), N형 쪽을 음극(cathode) 2. 전류 : “ P형 ☞ N형 ”
오프상태로 될 때에 완전히 차단하지 못하고 수 [
㎂
] 정도의 역방향 누설전류 IO 가 흐르게 된다.
온상태가 될 때 약간의 전압이 다이오드에 걸 리며 대략 1[V]이내의 전압강하가 발생
Ø 다이오드의 V-I 특성
) 1
(
/-
= I e
qvD kTi
전력전자이론및설계
건국대 최규하
다이오드-2
Ø Ge-다이오드와 Si-다이오드의 비교
☞ 다이오드는 전압극성-종속(Voltage polarity-dependent) 소자로서
Ge 및 Si의 두 종류가 있음.
이상적인 스위치-1
Ø 이상적인 스위치의 V-I특성
Ø 이상적인 스위치의 5대 조건
① 온상태에서의 전압강하가 없다.
② 오프상태에서의 누설전류가 없다.
③ 스위치의 작동시간은 영이다.
④ 항복전압의 크기는 무한대이다.
스위치는 항상 2개의 상태 (on & off)
전력전자이론및설계
건국대 최규하
이상적인 스위치-2
Ø 이상적인 스위치회로의 동작특성곡선
L L T
S
v R i
V = +
T L L
s
T
v
R R
i V 1
-
=
☞ 부하선(load line) (b)이상적인 스위치의 V-I특성과 부하선 L (동작점 A,B)
1.동작점 A : 이고 전류 로 온상태의 동작점.
2.동작점 B : 이고 전류 로 온상태의 동작점.
= 0 v
TS
T
V
v =
L S
T
V R
i = /
= 0 i
T-> L 에서 전압을 크게하면 부하선이 평행 이동하여 L1 : 동작점 A ☞ A1
-> 부하저항의 크기가 커지면 기울기 저하로 새로운 부하선 L2 : 동작점 A ☞A2
전력용 반도체 소자의 특징-1
Ø 기호 및 V-I특성
전력전자이론및설계
건국대 최규하
전력용 반도체 소자의 특징-2
Ø 주요 전력용 반도체 소자 특성의 상대적 비교
• BJT : 300~500 [kVA]
• MOSFET : 저용량 (고주파용)
• GTO : 500 [kVA] 이상
• IGBT : 100 [kVA] 정도
전력용 반도체 소자의 특징-3
Ø 안전동작영역
전력용 반도체 소자의 전압 및 전류정격은,
P
MAXV
MAX(소자인가전압 Χ 1.5배) I
MAX(소자인가전류 Χ 2배) 를 고려해서 결정해야하고 - 접합부의 허용온도 및 소모 전력까지 고려해야 한다.
그림내 점선부분과 같이 반도체 소자가 손상받지 않고 안전하게 동작되는 범위
가 있는데 이를 소자의 “안전동작영역(SOA: safe operating area)”이라 한다.
전력전자이론및설계
건국대 최규하
전력용 반도체 소자의 특징-4
Ø 양방향 회로 구조
전력용 소자들은 항상 한 쪽 방향으로만 전류를 흘리는 단방향성(Uni-direction)을 갖 고있다.
실제 교류나 인버터회로에서
는 양, 음의 양 반파를 각각
제어해야 하고 따라서 이와
같은 3가지의 유형의 예를
들 수 있다.
전력전자의 응용분야
전력전자이론및설계
건국대 최규하
전력전자의 정격과 응용분야
☞ 전력과 전자가 결합되는 모든 분야에 응용가능
Ø 응용분야
• 전압 제어 및 조정
• 전동기 구동
• 조명 및 전열 제어
• 반도체 릴레이 제어
• 정지형 무효전력 및 고조파보상
• 직류고압전송
• 태양광/연료전지 전력변환
• 전기자동차 및 운송시스템
• 로봇제어 및 공장자동화(FA)
• 가전 및 가정자동화(HA)
주요 전력전자설비의 종류와 용량
전력전자이론및설계
건국대 최규하
응용분야별 시스템의 용량과 동작주파수
☞ 응용분야별 시스템의 용량과 동작주파수의 관계
고속 스위치들의 개발과 그 정격 및 가격이 계속 개선되고 있어서 각 컨버터의 분야별로 PWM 기법들이 많이 연구 개발되고 있으며 점차 고속 스위칭화, 즉 고조파(HF)의 추세이다.
