단상 풀브리지 인버터
이 과정의 이번 회차에서는 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 데 사용되는 전자 장치인 단상 풀브리지 인버터의 작동을 살펴보겠습니다. 이 변환을 수행하기 위해 다른 유형의 인버터보다 더 높은 효율을 제공하는 다이오드 브리지 회로를 사용합니다. 단상 인버터는 3상 인버터보다 덜 복잡합니다. 일반적으로 단상 브리지 인버터는 태양 에너지를 사용 가능한 전기로 변환하는 데 안정적이고 비용 효율적인 솔루션입니다. 깨끗한 에너지원에 대한 수요가 증가함에 따라 앞으로도 인기가 계속 증가할 것으로 예상됩니다.
작동 원리
단상 풀브리지 인버터는 이미 언급했듯이 직류를 교류로 변환하는 데 사용됩니다. 이 회로에서 전자 스위치는 쌍으로 작동하며, 한 반파에서는 S1과 S2만 닫히고 다른 반파에서는 S3과 S4가 닫힙니다. 인버터의 출력은 가변 주파수의 교류 전압이며 장치를 구동하는 파형의 주파수에 따라 달라집니다. 그림 1은 이 인버터의 일반적인 작동 다이어그램을 보여줍니다. 실제로 회로의 "a" 부분에 있는 전자 스위치는 "b" 부분에 있는 전자 스위치에 보완적으로 제어됩니다. 이 경우 스위치는 이상적인 장치입니다. 두 신호는 동일하고 반대되는 기준 전압으로 변조됩니다. 일반적으로 두 구동 신호에 동일한 전기 캐리어가 사용됩니다.
단상 풀브리지 전압 생성기 인버터는 그림 2에 표시된 것처럼 4개의 초퍼 회로로 구성됩니다. 여기에는 4개의 트랜지스터 또는 MOSFET(Q1, Q2, Q3 및 Q4)이 있습니다. 이들은 개별적으로 독립적으로 구동될 수 있으므로 최종 작동은 시퀀싱과 전자 스위치가 켜지고 꺼지는 방식에 따라 다릅니다. 이 장치는 전자 부품이 형성하는 독특한 그래픽 모양 때문에 "H-브리지"라고도 합니다. 최종 결과는 동일한 공급 전압을 사용하는 2개의 단상 2레벨 인버터의 조합입니다. 아래에서 다양한 활성화 시퀀스를 살펴보겠습니다.
- 스위칭 소자 Q1과 Q2가 모두 닫혀 있으면 부하(노드 “a”와 “b” 사이에 존재)는 Vs와 동일한 전압을 받게 되고 정확히 노드 “a”에는 약 Vs의 전압 값이 있고 노드 “b”에는 약 GND의 전압 값이 있습니다.
- 스위칭 소자 Q3 및 Q4가 모두 닫혀 있으면 부하(노드 "a"와 "b" 사이에 있음)는 Vs와 동일한 전압을 받지만 이번에는 극성이 반전되어 정확히 노드 "a"에서 약 GND의 전압 값이 있고 노드 "b"에서 약 Vs의 전압 값이 있습니다.
부하를 흐르는 전류는 이상적이지 않지만 전자 스위치의 저항 값에 영향을 받는데, 우리가 알다시피 이 값도 실제가 아닙니다. 반대로, 순서대로 연결된 두 개의 트랜지스터를 통과하는 전류는 모든 의도와 목적을 위해 매우 낮지만 여전히 중요한 값을 갖는 두 개의 저항 선을 교차해야 합니다. 그림 3은 전자 스위치의 다양한 논리적 상태에 따른 전류 경로를 보여줍니다.
출력 전압의 이론적인 유효 값은 다음 방정식을 사용하여 결정할 수 있습니다.
사각파 제어를 사용하면 브리지 스위치를 구동하여 각 부하 단자가 반주기 동안 DC 전원의 양단자에 연결되고 반주기 동안 음단자에 연결되도록 할 수 있습니다. 이런 방식으로 브리지의 두 분기가 교차 쌍으로 구동됩니다. 이제 4개의 전자 스위치(트랜지스터 또는 MOSFET)의 4가지 스위칭 작동 상태를 살펴보겠습니다. 다음 표는 다양한 작동 모드에서 노드 "a"와 "b"에 존재하는 다양한 전압을 보여줍니다. 단상 브리지 인버터의 작동은 다음 표에서 입증되며, 여기에는 다양한 스위치의 논리 조건과 전도 전압 및 구성 요소에 대한 기타 정보가 나열되어 있습니다.
다이오드 D1과 D2가 전도될 때 순환 전류가 양의 피드백으로 전압 생성기로 돌아온다는 점은 매우 흥미롭습니다. 순수 저항 부하의 경우 순간 전력의 값은 순간 전압과 순간 전류의 곱과 같습니다. 반면에 부하가 유도성인 경우 전류와 전압은 사인파입니다. 모든 고조파는 전압 생성기로 돌아가고 전압 생성기와 병렬로 큰 커패시턴스를 연결하여 취소하거나 줄여야 하며, 불행히도 이러한 유형의 인버터의 무게, 부피 및 비용에 기여합니다. 반대 스위치의 동시 전도를 방지하기 위해 두 전원 명령 사이에 작은 데드 타임이 구현됩니다. 이러한 유형의 배선 방식에서 장점은 단일 공급 전압을 사용한다는 것입니다. 스위치는 쌍으로 작동하고 한 반파에서는 Q1과 Q2만 닫히고 다른 반파에서는 Q3과 Q4가 닫힙니다. 폐기된 SCR의 경우 일반적인 작동 주파수는 50Hz 또는 300Hz였으며, 이는 가청 오디오 스펙트럼에 속하는 값이므로 오래된 장치는 불쾌한 휘파람과 음향 음을 생성했습니다. 새로운 전자 부품의 경우 이 주파수를 높일 수 있습니다. 강한 유도성 부하가 가정되면 전류는 대칭 삼각형 패턴을 취합니다(그림 4의 해당 그래프 참조). 그래프는 부하의 전압과 전류를 보여주며, 각 주기에는 명확한 회로가 대응하는 4개의 뚜렷한 전도 간격이 있습니다. 스위칭 후 유도성 부하의 전류는 갑자기 변경될 수 없으므로 방향이 즉시 반전되므로 완전히 취소될 때까지 동일한 방향으로 계속 순환합니다(전자 스위치와 병렬로 배치된 재순환 다이오드를 통해). 그런 다음 순환 방향이 반전됩니다. 각 주기에서 인버터는 VI 평면의 4개 사분면에서 작동하여 인버터와 정류기로 작동합니다. 분명히 사각파는 진폭이 더 높은 첫 번째 고조파와 약 48%의 고조파 왜곡률을 가진 다른 홀수 고조파를 나타냅니다. 이러한 고조파는 특수 필터를 사용하여 크게 줄일 수 있습니다.
결론
결론적으로, 단상 풀브리지 인버터는 직류를 단상 교류로 변환하는 전자 장치입니다. 더 높은 효율, 더 작은 크기, 더 가벼운 무게를 포함하여 기존의 변압기 인버터에 비해 많은 장점이 있습니다. 또한, 이 유형의 인버터는 소규모 재생 에너지원에서 대규모 발전소에 이르기까지 광범위한 응용 분야에 사용하기에 적합합니다. 그러나 제대로 작동하고 오래 지속되도록 하려면 양질의 인버터를 선택하는 것이 중요합니다. 오늘날 기술은 높은 전류와 전압을 견딜 수 있는 매우 빠른 스위칭 구성 요소를 사용할 수 있게 해줍니다. 이를 통해 매우 안정적이고 작고 가벼운 장치를 만들 수 있습니다. 또한, 실리콘 카바이드(SiC) 및 갈륨 비소화물( GaN ) 구성 요소는 전자 장치를 더 효율적으로 만드는 데 도움이 될 수 있습니다. 이들은 더 높은 온도 허용 오차와 더 낮은 내부 저항과 같은 기존 실리콘에 비해 우수한 전기적 특성을 가진 반도체 재료입니다. 즉, SiC 및 GaN 기반 전자 장치는 더 빠르고 에너지 손실이 적어 전반적인 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 가변적인 DC 입력 전압을 처리하고 매우 안정적인 AC 출력 전압을 생성할 수 있기 때문에 태양광 시스템에서 대량으로 사용하도록 설계할 수 있습니다. 게다가 유도성, 용량성 및 혼합 부하와 같은 비선형 부하를 처리할 수 있어 주거 및 산업용 애플리케이션에 사용하기에 이상적입니다.