초퍼(Chopper) 완벽 가이드: 종류, 동작 원리, 응용 분야 총정리

초퍼의 종류에 대하여: 대부분의 전력 전자 응용은 스위칭 소자가 완전 오프 또는 완전 온 상태입니다. 이로 인해 손실이 낮아 회로 효율이 높습니다. 하지만 부하에 공급되는 전류가 불연속적일 수 있습니다. 그러면 더 나은 결과를 위해 높은 스위칭 주파수나 평활 회로가 필요합니다. 이때 초퍼를 사용하여 회로 시스템을 안정화합니다.

오늘은 정류 과정 등 여러 특성을 기준으로 초퍼를 분류해 보겠습니다.

1. 초퍼 회로란?

초퍼(또는 AC 트랜스포머의 DC 등가)는 반도체 전기 소자입니다. 고정 DC 입력 전압(V_s)을 가변 DC 전력 또는 출력 전압(V_o)으로 변환하는 기능을 합니다. DC 출력값은 소스 전압보다 낮거나 높을 수 있습니다.

2. 초퍼는 어떻게 작동하는가?

일반적으로 초퍼 회로는 아래 회로도처럼 부하, 저항, 반도체 다이오드로 구성됩니다.

초퍼 회로도

고속으로 소스를 부하에 연결했다가 부하를 소스에서 분리하는 방식으로 동작합니다. 회로도를 통해 동작 원리를 다음과 같이 정리할 수 있습니다:

• 스위치 SW가 초퍼이며, 고속으로 온/오프 스위치 역할을 합니다. 따라서 부하를 Vs(공급원)에서 분리하거나 연결할 수 있습니다. 회로의 주기적 개폐로 출력 전압을 제어합니다.
• 온 스위치 시 소스 전압이 부하 전압과 같아집니다. 반대로 오프 스위치 시 부하 전압은 0이 됩니다.

3. 초퍼의 종류

특징에 따라 초퍼를 다음과 같이 분류합니다:

동작 원리 기준

동작 원리는 초퍼를 분류하는 가장 좋은 기준입니다. 두 가지 타입이 있습니다:

AC 링크 초퍼

인버터가 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 전압 반전이 일어납니다. AC를 승압 또는 강압 트랜스포머에 통과시킵니다. 마지막으로 정류기가 트랜스포머 출력을 DC로 변환합니다.

DC 초퍼

DC 초퍼는 DC 전압에 대한 승압/강압 트랜스포머 역할을 합니다. 일정한 DC 전압을 타입에 따라 더 낮거나 높은 값으로 변경할 수 있습니다.

정류 과정 기준

자연 정류 초퍼

자연 정류 초퍼는 AC 회로에서 작동하며 공급 전압이 AC 소스에서 옵니다. SCR 또는 사이리스터에 역방향 전압이 걸리면 턴오프됩니다.

강제 정류 초퍼

강제 정류 초퍼는 DC 회로에서 동작합니다. SCR 전류를 홀딩 전류 이하로 낮추거나 SCR 소자를 역바이어스하여 정류를 달성합니다. 예: 모건 초퍼, 존스 초퍼.

스위칭 시 전력 손실 기준

하드 스위칭 초퍼

하드 스위칭 초퍼 회로는 자체 동작 능력을 사용합니다.

소프트 스위칭 초퍼

소프트 스위칭 초퍼는 LC 공진 회로를 사용하여 제로 전압 또는 제로 전류에서 소자를 켜고 끕니다.

출력 전압값 기준

여기서는 출력 전압을 기준으로 초퍼 회로를 분류합니다.

스텝업(부스트) 초퍼

소스 전압이 평균 DC 출력 전압보다 낮습니다(V_o ˃ V_s). 전력이 부하에서 소스로 흐릅니다. 부하 전류는 기전력 소스를 가지며 유도성입니다.

스텝다운(벅) 초퍼

소스 전압이 평균 DC 출력 전압보다 높습니다(V_s ˃ V_o). 전력 흐름은 소스에서 부하로 향합니다.

사분면 동작 기준 분류

초퍼 회로는 반도체 정적 소자이므로 전류 흐름 방향을 제한합니다. 하지만 4개 사분면으로 동작을 수정하면 5가지 초퍼 타입이 나옵니다.

4개의 초퍼 사분면

클래스 A 초퍼 / 타입 A 초퍼

클래스 A 초퍼는 제1사분면에서만 동작합니다. 따라서 부하 전압(V_O)과 부하 전류(i_O)는 항상 양수입니다. 전력 전달은 소스에서 부하로 이루어지며, 스텝다운 초퍼가 예시입니다.

클래스 B 초퍼 / 타입 B 초퍼

제2사분면에서 동작합니다. 부하 전류는 음수이고 초퍼 출력 전압은 양수입니다. 음수 부하 전류(i_o)로 전력 전달은 부하에서 소스로 이루어집니다. 스텝업 초퍼 회로가 예시입니다.

클래스 C 초퍼 / 2사분면 클래스 A 초퍼 / 타입 C 초퍼

클래스 B와 클래스 A 초퍼를 병렬 연결하면 클래스 C 초퍼가 되어 제1, 2사분면에서 동작합니다. 제1사분면에서는 스텝다운, 제2사분면에서는 스텝업 초퍼로 작동합니다.

클래스 D 초퍼 / 2사분면 클래스 B 초퍼 / 타입 D 초퍼

제1, 4사분면에서 동작하며 부하→소스, 소스→부하 양방향 전력 전달이 가능합니다. 클래스 D 초퍼로 평균 DC 출력 전압 극성을 반전시킬 수 있으나 부하 전류 방향은 반전시킬 수 없습니다.

클래스 E 초퍼 / 타입 E 초퍼

모든 사분면에서 동작하는 범용 초퍼입니다. 4개의 다이오드와 4개의 초퍼/반도체 스위치가 필요합니다. 유도성 부하가 필요하며, 제3, 4사분면에서 부하 기전력의 역극성이 있어야 합니다.

초퍼의 응용 분야

초퍼 회로는 다음과 같은 다양한 분야에 활용됩니다:

• 배터리 충전기
• DC 전압 부스팅
• 스위치드 커패시터 필터
• 조명 및 램프 제어
• 액추에이터의 브러시리스 토크/스테퍼 모터 구동

스테퍼 모터

• 가변 주파수 드라이브
• 신호 처리 시스템
• 항공기 및 우주선
• DC 모터 속도 제어기
• 철도 견인 시스템
• 태양광 에너지 변환
• 배터리 구동 전기차
• 스위칭 모드 전원 공급 시스템(DC-DC 컨버터 등)
• 클래스 D 전자 증폭기

결론

요약하자면, 여러 기술 산업에서 초퍼를 급속 교통 시스템에 도입하고 있습니다. 초퍼 회로는 고효율, 빠른 응답, 회생 제동 능력, 부드러운 제어가 특징입니다. 때로는 IGBT나 강제 정류 사이리스터 같은 전력 반도체 소자를 초퍼에 사용하기도 합니다.

오늘은 여기까지입니다. 초퍼에 대해 많은 것을 얻으셨길 바랍니다. 궁금한 점이나 문의사항이 있으면 연락 주세요. 함께 해결해 드리겠습니다.