직류를 교류로 변환하는 원리 - 파워인버터

파워인버터는 배터리 또는 태양광 패널의 직류(DC) 전기를 가전제품 및 기타 전자제품에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있는 교류(AC) 전기로 변환하는 장치입니다. 일반적으로 독립형 주택, 캠핑카, 보트에서 사용되며 전력망이 중단된 비상 상황에서도 사용할 수 있습니다. 이 글에서는 DC를 AC로 변환하는 원리와 대해 설명하겠습니다.

 

파워인버터의 일반적인 형태

 

우리가 사용하는 가전제품들은 대부분 가정용 콘센트에서 220V 교류 전기를 공급받아 작동 됩니다. 집에서 생활하는데 아무런 문제가 없죠. 하지만 여행이나 긴급한 상황에 처했을 때 교류 전기가 필요하다면 어떻게 해야 할까요. 태양광 발전기나 자동차, 캥핑카에서 생산되는 DC 전기를 AC 전기로 바꿔서 사용할 수 있습니다.

 

직류(DC) 전기

DC : Direct Current, 직류 전기는 태양전지판과 베터리에서 생산되고 전기가 한 방향으로만 흐릅니다. 전원에서 나가고 들어오는 접속점이 있고 이것을 전기가 나가는 쪽을 +(플러스), 전기가 들어오는 쪽을 -(마이너스) 라고 이름 붙혔습니다. 실제로는 - 전자가 + 쪽으로 이동하고 있습니다. 오래전에 전기 이론을 + 에서 - 로 흐른다고 정립해 놓아서 그냥 그렇게 사용하고 있습니다.

 

전기의 신호를 파형으로 보여주는 장치인 오실로스코프를 이용해 직류 전기를 측정해 보면 + 영역에서 전기 신호가 일정하게 흐르고 있음을 눈으로 확인할 수 있습니다. 여기서 전기를 끊어 주면 파형은 0으로 떨어져 아무 신호도 안나오게 되겠죠. 다시 전기를 흐르게 하면 + 영역으로 신호가 올라옵니다.

 

직류 전기가 흐를 때 파형

직류 전기를 ON/OFF 반복시 파형

 

 

 

교류(AC) 전기

AC : Alternating Current, 교류 전기는 우리가 가정에서 콘센트로 공급받고 있는 그 전기입니다. 교류 전기는 끊임없이 한쪽 방향에서 다른쪽 방향을 교대로 바꾸며 흐릅니다. 이것은 발전소의 발전기의 회전자가 돌면서 전기를 생산하기 때문인데요. 발전기 내부의 외측 고정자에 구리선을 감아 놓고 가운데 회전자인 자석을 돌리면 구리선에 전기가 흐릅니다.

 

이 때 회전하는 자석의 음극과 양극이 전기를 밀고 당기게 되어 전기의 흐르는 방향이 바뀌게 됩니다. 자석의 세기는 위치에 따라 달라지는데 극에 가까울 수록 자력이 세고 극과 극의 중간은 자석의 세기가 약합니다.

그래서 자석의 양쪽 극 부분이 구리선을 감아놓은 코일에 가장 가까울 때가 최고로 전압이 강하고 극 부분이 멀어질 수록 전압이 0 에 가까워 집니다. 자석의 양극과 음극이 교대로 바뀌면서 강하게 밀어낸 만큼 같은 강도로 당겨져서, 오실로스코프로 측정해 보면 S 자 모양의 파형이 그려집니다.

 

교류전기의 생산 방식

 

S 자 형태를 그리는 교류 전기의 파형

 

교류 전기의 파형이 0 에서 시작해 + 의 최고치에 찍고 내려와 0 을 지나 - 의 최저점을 찍고 올라와 0 에 이르면 1회전이 된것입니다. 주파수란 이 1회전이 반복하는 횟수를 말합니다. 주파수가 1초에 60번을 반복하면 60Hz(헤르쯔) 라고 하는데 미국, 캐나다,

 

중남미 일부 지역 그리고 대한민국과 일본의 관서 지방에서 사용합니다. 50Hz 를 사용하는 나라는 60Hz를 사용하는 나라를 제외한 대부분의 지역에서 휠씬 많이 사용합니다.

 

파워인버터 - 직류를 교류로 변환하는 원리

파워인버터의 내부에는 IGBT 라는 반도체 소자가 여러개 들어 있습니다. 이 IGBT 소자에 전원을 넣어다가 끊어다가 하는 제어기가 같이 있고요. IGBT 소자는 굉장히 빠른 반응속도로 개폐가 가능하여 60Hz의 신호도 만들수 있는 것이죠.

 

IGBT 소자

 

IGBT 스위칭 소자를 이용한 인버터 원리

 

위 그림에서 S1+S4 와 S2+S3 의 스위치 조합을 번갈아 온/오프 하면 부하에 걸리는 +, - 신호가 바뀌는 결과를 얻을 수 있고, 이것은 교류 전기의 원리와 같습니다.

 

이제 교류 전기가 되었으니 변압기를 추가해 주면 전압도 막 바꿀 수 있게 되었습니다. 하지만 위의 S 자를 그리는 교류 전기의 파형과 비교해 보면 파형이 ㄹ 자 모양입니다. 비슷하지만 파형을 부드럽게 S 자 모양으로 만들어 완벽한 교류 전기로 만들고 싶습니다.

 

IGBT 스위칭으로 직류를 교류 신호로 변환 시겼다

 

IGBT 소자는 굉장히 빠른 속도로 반응하기 때문에 전기신호를 아주 작게 쪼게어 줄 수가 있습니다. 예를 들어 S1+S4 스위치 조합을 0.1 초 ON 하고 0.9 초 OFF 하는 것과 0.9 초 ON 하고 0.1 초 OFF 하는 것은 전기의 흐르는 양이 다르겠죠. 이 원리를 이용해 스위치의 ON/OFF 간격을 조절해서 각진 파형의 부분을 부드럽게 만들어 줄 수가 있습니다.

 

스위치 ON/OFF 간격을 조절하여 교류 파형과 비슷하게 만들 수 있다

스위치가 ON/OFF 되는 시간을 조절하여 전압의 크기도 조절할 수 있고, 주파수도 조절할 수 있습니다. 더 많은 전력을 위해 더 많은 상을 만들 수 있습니다. 

 

교류가 직류로 바뀌는 원리