PWM 인버터: 다양한 부하 요구사항에 최적화된 솔루션

PWM(펄스 폭 변조 인버터)은 구형 인버터를 대체하기 위해 등장했습니다. 이로 인해 실시간 응용 분야가 매우 넓습니다. 주로 전력 전자 회로 제작에 사용되며, MOSFET을 사용하는 경우가 많아 PWM MOSFET 인버터라고도 불립니다. 실제로 대부분의 인버터는 PWM 기술을 적용하여 다양한 주파수와 크기의 AC 출력 전압을 생성합니다. 이 글에서는 PWM 인버터의 동작 원리, 내부 회로, 그리고 PWM 인버터의 종류에 대해 설명하겠습니다.

PWM 인버터란?

간단히 말해, 펄스 폭 변조 기술을 이용해 동작하는 인버터입니다. 따라서 PWM 인버터는 연결된 부하에 관계없이 정격 AC 전압에서 출력 전압을 유지할 수 있습니다. 출력 전압 주파수의 폭을 조절하여 이를 달성합니다.

PWM 인버터의 동작 원리

그림 1: 산업용 인버터

기존 인버터에서는 부하 변화에 따라 출력 전압이 변합니다. PWM 전압 인버터는 출력단에 연결된 부하 값을 이용해 출력 위상 전압을 보정합니다.

출력 신호의 일부를 PWM 컨트롤러 IC로 피드백합니다. PWM 컨트롤러는 이 피드백 전압을 이용해 발진부에서 생성된 펄스 폭을 보정합니다.

펄스 폭 조정을 통해 출력단의 신호 변화를 제거하므로, 부하 변동에 관계없이 출력 전압 파형이 동일하게 유지됩니다.

PWM 인버터에 사용되는 회로들

그림 2: PWM 인버터 회로도

PWM 인버터 회로도를 보면 여러 회로가 사용됨을 알 수 있습니다. 주요 회로는 다음과 같습니다.

배터리 충전 전류 센서 회로

배터리 충전에 사용되는 전류 흐름을 정격 값으로 유지하고 변동을 방지하여 배터리 수명 단축을 막습니다.

배터리 전압 감지 회로

배터리가 방전된 경우 충전에 필요한 인버터 전압을 감지합니다. 완충 후 트리클 충전에도 활용됩니다.

AC 메인 전원 감지 회로

AC 메인 전원 존재 여부를 감지합니다. 전원이 있으면 충전 모드로, 없으면 배터리 모드로 전환합니다.

소프트 스타트 회로

전원 복구 후 8~10초간 충전을 지연시킵니다. MOSFET을 높은 AC 전력으로 보호합니다.

절환 회로

인버터의 동작 모드(충전 모드 또는 배터리 모드)를 메인 전원 가용성에 따라 전환합니다.

셧다운 회로

인버터 동작을 모니터링하다 이상 감지 시 셧다운합니다. 여러 센서 회로로부터 입력을 받습니다.

PWM 컨트롤러 회로

PWM 전압 인버터의 출력 전압을 제어합니다. 주로 LM494나 KA3535 같은 단일 IC를 사용하며, PWM 동작에 필요한 모든 회로가 이 IC들에 내장되어 있습니다.

배터리 충전 회로

인버터의 배터리 충전 과정을 제어합니다. 메인 감지 회로와 배터리 센서 회로로부터 입력을 받습니다.

발진 회로

스위칭 주파수를 생성합니다. 보통 PWM의 IC에 내장되어 있습니다.

드라이버 회로

인버터 스위칭 신호에 기반해 출력을 구동합니다. 프리앰프 회로와 유사합니다.

PWM 인버터의 종류

PWM 인버터는 기준 신호와 반송파 신호, 두 신호 하에서 동작합니다. 이 신호들을 비교해 인버터 모드 전환에 필요한 펄스를 생성합니다. 여러 PWM 기법이 있으며 주요 종류는 다음과 같습니다.

단일 펄스 폭 변조 (SPWM)

그림 3: SPWM 그래프

반주기마다 단일 펄스를 사용해 제어합니다. 삼각파를 반송파로, 사각파를 기준 신호로 사용합니다. 생성된 게이트 펄스는 이 두 신호 비교 결과입니다. 다만 고조파가 많이 발생합니다.

다중 펄스 폭 변조 (MPWM)

그림 4: DC 모터 PWM 속도 컨트롤러

SPWM의 문제를 해결하기 위해 개발되었습니다. 출력 전압의 반주기마다 단일 펄스 대신 다중 펄스를 사용합니다. 또한 조립 시 반송파 주파수를 제어해 출력 주파수를 조절합니다.

MPWM 기술은 가변 주파수로 모터 제어 시스템을 구동하는 인버터에 주로 사용됩니다. 이로 인해 다양한 출력 주파수와 전압 조정이 가능하며, 일반적으로 파형 품질을 향상시킵니다.

정현파 펄스 폭 변조 (SPWM - Sinusoidal PWM)

그림 5: 단순 정현파

기준 신호로 사각파 대신 정현파를 사용합니다. 반송파는 여전히 삼각파입니다. 따라서 출력이 정현파 형태가 됩니다. 변조 지수가 전압 RMS 값을 제어합니다.

하지만 정현파 PWM에는 두 가지 주요 단점이 있습니다. 첫째, 선로 전압만큼 높은 출력 전압을 낼 수 없습니다. 둘째, 완전한 정현파 PWM 출력이 필요하면 소펄스를 포함해야 하는데, 변조파 피크가 반송파 피크와 거의 같은 레벨일 때 필요합니다.

소펄스 추가는 디바이스 온/오프 전환 시간 때문에 사실상 불가능할 수 있어, 대부분의 산업 현장에서는 효율성을 위해 소펄스를 제거합니다.

변형 정현파 펄스 폭 변조

반주기의 초기와 마지막 60° 구간에서만 반송파 신호를 허용합니다. 이 변형으로 출력의 고조파 특성이 개선되고, 스위칭 손실이 줄어들며 기본파 성분이 증가합니다.

결론

펄스 폭 인버터는 PWM 기술을 이용해 부하에 관계없이 출력을 정격 값으로 조절합니다. 효율성이 높아 DC 모터 PWM 속도 컨트롤러 등 다양한 산업 분야에 적용됩니다. 여기서는 인가 전압의 주파수 변화로 구동 속도를 제어합니다.

이상으로 PWM 인버터 동작 원리 개요를 마칩니다.

궁금한 점이 있으시면 언제든 문의해 주세요.