산업 자동화를 위한 DC/DC 컨버터 사용

전력 전자는 전력을 변환하고 제어하는 ​​전자 회로를 다루는 전기 공학의 한 분야입니다. 거의 모든 최신 장치에 일종의 전력 전자 회로가 장착되어 있기 때문에 광범위한 응용 분야에서 매우 중요한 분야입니다. 전력 변환에 사용되는 가장 일반적인 전자 부품 중 일부는 다이오드, 정류기, 트랜지스터, 사이리스터, SCR(실리콘 제어 정류기) 및 MOSFET(금속 산화물 전계 효과 트랜지스터)입니다.

그림 1 <엠>. 전력 전자는 거의 모든 현대 전기 장비에 존재하는 중요한 요소입니다. 제공 이미지 사용 Skyfi 연구소

전력 변환기는 전류, 주파수 및 전압과 같은 전력의 주요 특성을 변경하도록 설계되었습니다. 당연히 기본 형태는 교류(AC) 또는 직류(DC) 여부에 관계 없이 입력에서 출력으로 수정할 수 있는 또 다른 핵심 매개변수입니다.

이러한 기능을 통해 전력 전자 시스템은 온도, 모터 속도 및 무선 주파수와 같은 광범위한 비전기적 변수를 조절할 수 있습니다. 이 기사는 전력 형태가 항상 DC라는 주요 차이점을 제외하고 앞에서 설명한 모든 기능을 갖춘 DC/DC 컨버터에 중점을 둡니다.

DC/DC 컨버터란 무엇입니까?

DC/DC 컨버터는 DC 형태의 전력을 받아 DC 형태를 유지하면서 수정된 전압 레벨을 출력합니다. 출력 전압은 입력보다 높거나 낮을 수 있습니다. 그들은 또한 일반적으로 전압 조정기로 알려져 있습니다. 이러한 장치는 배터리로 작동되는 시스템에서 볼 수 있는 것과 같이 안정적이지 않거나 일정하지 않을 수 있는 전원의 출력을 조절합니다.

DC/DC 컨버터는 일반적으로 입력 및 출력 전압과 전류를 기준으로 평가됩니다. 많은 컨버터가 고정 출력 정격을 갖고 있지만 일부 컨버터는 범위 내에서 출력을 조정할 수 있습니다. 대부분의 변환기는 단일 출력으로 계산되지만 이중 및 다중 출력 옵션도 있습니다. 주요 기능에 따라 인덕터, 다이오드, 정류기 및 필터로 구성될 수 있습니다.

그림 2. 고전력 DC/DC 컨버터는 대중 교통 시스템에 널리 사용됩니다. 제공 이미지 사용 앱소펄스

효율적인 프로세스를 위해 전압 조정기 회로는 전력 전자 장치를 사용하여 잡음을 줄이고 일정한 출력을 유지합니다. 잘 설계된 레귤레이터의 효율 등급은 90% 이상이며, 이는 전력 손실 및 열 손실을 줄이는 데 중요한 고려 사항입니다.

DC/DC 컨버터 토폴로지

DC/DC 컨버터는 선형 및 스위칭의 두 가지 주요 그룹으로 분류할 수 있습니다.

선형 레귤레이터 장치는 전압 분배기와 유사하게 작동하여 출력에서 ​​수정된 일정한 전압을 유지합니다. 이러한 조절기의 주요 단점은 입력과 조절된 출력 간의 거의 모든 차이가 폐열로 손실되기 때문에 비효율적이라는 것입니다. 반면에 스위칭 레귤레이터는 출력을 영구적으로 켜는 대신 필요에 따라 출력을 켜고 끄는 방식으로 더 효율적으로 작동합니다.

DC/DC 스위칭 컨버터에는 절연 및 비절연의 두 가지 주요 유형이 있습니다.

후자는 주로 입력과 출력 사이의 전압 변화가 상대적으로 작은 경우에 사용됩니다. 입력과 출력은 공통 접지를 공유하기 때문에 서로 절연되지 않습니다. 반대로, 절연 컨버터는 입력을 출력에서 ​​물리적으로 분리하도록 설계되어 간섭에 대한 더 높은 보호를 제공하고 더 안정적인 출력을 제공합니다. 다음은 각 카테고리에서 가장 일반적인 변환기 유형입니다.

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스텝업 변환기 :부스트 컨버터라고도 하는 이 장치의 전압 출력은 동일한 극성을 유지하면서 입력과 같거나 더 높습니다. 이 장치는 인덕터(L)에 에너지를 저장하여 작동하며, 이 에너지는 스위치(S)로 제어되는 다이오드(D)의 바이어싱에 따라 출력으로 흐를 수 있습니다.

그림 3. 부스트 컨버터 애니메이션. 제공 이미지 사용 마리노108LFS [ CC BY-SA ]

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강압 변환기: 벅 컨버터라고도 하는 전압 출력은 입력과 같거나 낮습니다. 이것과 부스트 컨버터의 주요 차이점은 다이오드와 인덕터의 배치입니다. 이 경우 스위치(S)가 꺼져 있을 때 다이오드(D)와 인덕터(L)로 구성된 등가 회로를 통해 저장된 에너지가 출력으로 흐를 수 있습니다.

벅-부스트 컨버터 :이 장치는 입력 전압보다 낮거나 같거나 클 수 있는 전압 출력을 생성합니다. 일반적으로 사용되는 극성을 반전시키는 기능을 제공합니다. 회로는 벅 및 부스트 컨버터의 조합입니다.

그림 4. 벅, 부스트 및 벅-부스트 컨버터 비교. 제공 이미지 사용 시릴 부테이

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플라이백 변환기 :벅-부스트 컨버터와 유사하게 작동하지만 변압기가 대신 에너지를 저장합니다. 변압기는 입력과 출력 사이에 절연을 제공합니다.

순방향 변환기 :플라이백 컨버터와 유사하지만 변환 단계가 먼저 배치되고 그 다음에 기존의 벅-부스트 변환이 수행됩니다.

산업 자동화 애플리케이션

언급한 바와 같이 DC/DC 컨버터는 산업 자동화를 포함하여 광범위한 애플리케이션을 가지고 있습니다. 많은 수의 필드 장치에는 24V 공급 전원이 필요합니다. 예를 들어, 전기 패널에는 주 전원 공급 장치의 전압을 낮추는 DC/DC 강압 변환기가 장착되어 있습니다. 일부 필드 장치는 이 전압 레벨이 필요할 뿐만 아니라 깨끗하고 안정적인 에너지 공급이 필요할 정도로 민감합니다. 이것이 컨버터를 통합하는 또 다른 이유입니다.

그림 5. 피닉스컨택트의 절연 DC/DC 컨버터. 제공 이미지 사용 피닉스 연락처

소형 장치에 일정한 전원 공급을 유지하기 위해 DC/DC 컨버터를 통합하는 것이 중요한 배터리 구동 자동화 애플리케이션이 많이 있습니다. 배터리가 방전됨에 따라 전압 레벨이 점차 떨어집니다. 배터리 전압은 또한 제어되는 장비에 대한 예상치 못한 높은 에너지 요구로 인해 갑자기 떨어질 수 있습니다. 자율 이동 로봇(AMR) 및 레이저 유도 차량(LGV)과 같은 이동 자동화 기계는 프로그래밍 가능한 논리 컨트롤러(PLC) 및 기타 장치에 안정적인 전원 공급을 보장하기 위해 DC/DC 컨버터가 필요한 배터리 구동 로봇의 예입니다. 제어 장치.