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1. 인버터란?
인버터(Inverter)는 쉽게 말해 직류(DC) 전압을 교류(AC) 전압으로 바꿔주는 회로입니다.
이를 통해 고 전압이 필요한 부하에 전력을 공급할 수 있게 됩니다.
이러한 인버터 회로 원리는 특히 CCFL(냉음극 형광램프)과 같은 조명을 점등할 때 활용됩니다.
※ 이 글에서는 인버터의 동작 원리를 설명하기 위해 예전에 TV에서 사용되던 CCFL 백라이트 방식을 예시로 들어 설명합니다.
참고하시면서 보시면 이해에 도움이 됩니다
CCFL은 램프 내부 전극에 높은 전압을 인가해야 빛을 발산할 수 있기 때문에, 인버터는 직류 전압을 교류로 바꾸고, Transformer를 이용해 수백에서 천 볼트 이상의 고전압으로 승압하는 구조를 가집니다.
이러한 방식은 CCFL이 안정적으로 점등되도록 돕는 핵심적인 인버터 회로 원리 중 하나입니다.
기본 구조는 아래와 같습니다.
2. 인버터의 필요성
냉음극 형광램프(CCFL)는 점등 시와 점등 후에 요구되는 전기적 조건이 크게 다르기 때문에, 이를 안정적으로 구동하기 위해서는 인버터 회로 원리에 대한 이해가 필수적입니다
CCFL은 처음 켤 때 내부의 가스를 이온화시켜 방전을 유도해야 하므로, 매우 높은 전압이 필요합니다.
이때 필요한 전압을 시동 전압(Start Voltage)이라고 하며, 일반적으로 약 800~1200V 수준입니다.
환경 온도가 낮거나 램프가 길고 굵을수록 더 높은 시동 전압이 요구될 수 있습니다.
즉, TV 인치나 용도에 따라 차이가 있을 수 있습니다.
램프가 점등되면 전류가 흐르기 시작하면서 램프 내부의 임피던스가 급격히 낮아지고, 전극 간 전압은 빠르게 감소합니다.
이후에는 약 300~600V 수준의 낮은 전압만으로도 안정적으로 빛을 낼 수 있게 되며, 이를 구동 전압(Operating Voltage) 또는 램프 전압이라고 합니다. 일반적으로 시동 전압의 절반 정도입니다.
예를 들어, 시동 전압이 1000V인 램프는 점등 후 약 500V로 유지됩니다.
이러한 특성을 고려해 설계된 인버터 회로 원리는
- DC 전원을 고주파 AC로 변환
→ TV 내부의 DC 전원을 고주파 교류로 바꾸어 트랜스포머에 전달합니다. - 트랜스포머를 통해 고전압 생성
→ 고주파 AC를 증폭하여 시동 전압을 만들어 CCFL에 공급합니다. - 램프 점등 후에는 전류를 안정적으로 제어
→ 램프가 안정적으로 빛을 내도록 일정한 전류를 유지하며 구동 전압을 공급합니다.
CCFL의 시동과 안정적인 동작을 위해 고전압을 생성하고 전류를 제어하는 방식을 말합니다.
이 원리를 이해하고 설계해야 CCFL이 안정적으로 작동하며, 수명도 길어집니다.
3. 인버터의 기본 회로 및 동작 원리
인버터 회로 원리를 이해하려면, 인버터가 어떤 블록들로 이루어져 있고 각각이 어떤 역할을 하는지부터 차근차근 살펴보는 것이 좋습니다.
인버터는 여러 기능이 한 몸처럼 연결되어 동작하기 때문에, 각 블록이 어떤 방식으로 구성하는지 중요합니다.
3-1) 입력 Regulation 회로
인버터 회로 원리를 이해하려면, 먼저 제어 IC가 어떤 방식으로 전원을 공급받는지 알아둘 필요가 있습니다.
보통 TV용 인버터는 공급되는 24V 같은 비교적 높은 전압을 바로 사용하지 않고, 이를 제어 IC가 다룰 수 있는 안정된 전압으로 변환하는 과정이 포함됩니다.
이 변환 과정을 담당하는 곳이 바로 레귤레이터 회로의 입력부이며, 전체 흐름을 지탱하는 중요한 요소입니다.
① 24V 전압이 인버터 회로에 입력됨
인버터 회로 원리의 출발점은 시스템에서 공급되는 24V 전압입니다.
이 전압이 인버터 회로 전체로 들어오면서 각 블록이 원하는 전력을 공급받게 됩니다.
하지만 인버터 제어 IC는 보통 10~12V 정도에서 동작하므로, 이에 따라 이 전압을 먼저 낮추고 안정화해야 합니다.
② 입력 저항을 통해 전압이 약간 낮아짐 (24V → 약 23V)
입력된 전압은 먼저 저항을 지나면서 아주 작은 전압 강하가 생깁니다.
실제로는 24V에서 23V로 거의 변화가 없지만, 이 저항이 전압을 낮추기보다 전류를 제한하는 중요한 역할을 합니다.
Q1 트랜지스터로 갑자기 큰 전류가 몰리면 회로가 불안정해지기 때문에, 입력 저항을 이용해 베이스 전류를 알맞게 조절하여 안정적인 구동을 유도합니다.
③ Q1 트랜지스터 베이스에 약 12V가 인가되어 Q1 On
입력부 동작은 저항을 거친 전압 중 일부가 Q1 트랜지스터의 베이스 쪽으로 공급되면서 약 12V 수준이 됩니다.
트랜지스터는 전기 스위치 역할을 하기 때문에, 베이스에 12V가 걸리면 Q1이 ON 상태로 전환됩니다.
인버터 회로 원리 기준으로 보면, 이 단계에서 비로소 제어 IC로 공급할 수 있는 전압 생성 경로가 열리는 셈입니다.
④ 12V가 C12 콘덴서에 충전되고 제어 IC 전원으로 사용됨 (약 11.3V)
Q1이 켜지면 12V가 C12라는 콘덴서로 전달되고 충전됩니다. 측정값은 약 11.3V 정도이며, 이 전압이 그대로 제어 IC(Vin)에 공급되게 됩니다.
콘덴서는 단순히 전압을 저장하는 장치가 아니라, 전압을 안정적으로 유지하는 역할까지 수행합니다.
덕분에 제어 IC는 흐름대로 안정된 전원에서 구동될 수 있으며, 스위칭 동작과 보호 기능 등이 정상적으로 이루어집니다.
3-2) ENA/UVP 회로
인버터 회로 원리에서 ENA(Enable) 회로와 UVP(Under Voltage Protection) 회로는 제어 IC가 언제 정상 동작해야 하고, 언제 안전하게 차단되어야 하는지를 판단하는 핵심 보호 메커니즘입니다.
이 회로가 제대로 작동하지 않으면, 입력 전압이 불안정할 때 IC가 오동작할 수 있고, 그 결과 MOSFET 스위칭 이상·트랜스 과전압·램프 오동작 같은 문제가 이어질 수 있습니다.
아래 그림은 ENA/UVP 회로로, U1(BA2903F comparator)과 주변 저항 및 다이오드로 구성되어 있으며, 비교기(comparator)의 두 입력 단자 전압을 통해 IC Enable 여부를 판단하는 구조입니다.
① 24V 입력 전압이 회로에 공급되고, U1의 2번 단자에 약 1.47V가 형성됨
인버터 회로 원리에서는 24V가 전체 동작의 기준 전압이 됩니다.
이 24V는 바로 비교기 입력으로 들어가는 것이 아니라, 분압 저항을 지나면서 약 1.47V 정도로 낮아진 뒤 U1의 2번 단자(– 입력)에 공급됩니다.
이 전압은 비교기의 기준 신호 역할을 하며, 이후 UVP 조건을 판단할 때 중요한 기준선이 됩니다.
② 24V 입력이 그대로 U1의 Vcc로 공급되어 비교기 자체가 동작할 준비를 함
U1(BA2903F)은 비교기 IC이므로, 내부 회로가 동작하려면 일정한 전원 공급이 필요합니다.
인버터 회로 원리에 따라 24V는 비교기에 직접 Vcc 전원으로 들어가며, 이를 통해 비교기가 정상적으로 기준 전압을 감지하고, ENA 출력 신호를 만들 준비를 하게 됩니다.
③ 다른 분압 경로를 통해 U1의 3번 단자에 약 1.87V가 입력됨
24V는 또 다른 저항 분압망을 통해 1.87V 정도로 조정된 뒤 U1의 3번 단자(+ 입력)에 공급됩니다.
여기서 중요한 인버터 회로 원리의 핵심은 아래와 같습니다.
- 3번 단자 전압(1.87V)
- 2번 단자 전압(1.47V)
비교기의 동작 특성상, 3번 단자(+가) 2번 단자(–)보다 높으면 출력은 High 상태가 됩니다.
즉, 입력 전압이 정상 구간에 있을 때 “IC를 켜도 된다”는 의미의 신호를 내보낼 준비가 갖춰지는 것입니다.
이 과정은 슬라이드에서 분압 저항 위치가 정확히 표시되어 있으며, 분압비에 따라 실제 측정값이 약 1.87V로 설정되도록 설계되어 있습니다.
④ U1의 1번 단자에서 약 5.6V가 출력됨 – ENA 로직을 위한 기준 전압 생성
비교기의 출력 핀(1번 단자)에서는 약 5.6V의 High 출력을 생성합니다.
이 신호는 곧 IC Enable 신호(ENA 입력)와 연결되어 있으며, 인버터 회로 원리상 제어 IC가 정상적으로 기동될 수 있도록 전압 신호를 제공합니다.
5.6V는 단순 High 신호가 아니라, 분압과 내부 레퍼런스를 고려해 안정적인 Enable 조건을 만들기 위해 설계된 값입니다.
⑤ 외부에서 약 5V 제어 신호가 들어오면 ENA 단자에는 약 3.98V가 형성됨
제어보드 또는 시스템 MCU에서 ENA 제어 전압(일반적으로 3.3V~5V)이 입력되면, 분압 회로를 통해 약 3.98V가 인버터 IC의 ENA 핀에 전달됩니다.
제어 IC 데이터시트를 보면 ENA 입력이 2V 이상이면 활성(Enable) 되는 구조이므로, 3.98V는 충분히 안정적인 동작 영역입니다.
즉, 시스템이 “인버터를 켜라”라고 지시하면 ENA 핀이 논리적으로 High가 되어, 인버터 회로 원리에 따라 제어 IC가 기동을 시작합니다.
⑥ UVP(Under Voltage Protection) – 입력전압이 정상 이하로 떨어지면 IC를 강제로 OFF
UVP는 인버터 회로 원리에서 가장 중요한 보호 기능 중 하나입니다.
만약 입력 24V가 갑자기 낮아지면, 다음과 같은 변화가 발생합니다.
- 분압된 2번·3번 단자 전압이 함께 낮아짐
- 일정 수준 이하가 되면
3번 단자(+ 입력)가
2번 단자(– 입력)보다 더 낮아짐 - 이 경우 비교기 출력(1번 단자)이 High → Low(GND) 로 떨어짐
- 그 순간 ENA 전압도 함께 0V로 떨어지면서 제어 IC가 즉시 정지
이 기능이 없다면, 전압이 부족한 상황에서도 MOSFET이 제대로 스위칭되지 못하고 발열·파손이 발생할 수 있습니다.
UVP는 바로 이런 위험을 미리 차단하는 역할을 하며, 인버터 회로 원리에서 필수적으로 포함되는 안정성 요소입니다.
3-3) PWM Dimming 회로
인버터 회로 원리에서 밝기(밝기 제어, Dimming)는 반드시 PWM 방식으로 처리됩니다.
백라이트나 CCFL을 사용하는 인버터는 단순히 전압을 낮추는 방식으로 밝기를 조절하지 않고, 삼각파(또는 톱니파)와 Dimming 전압을 비교해 PWM을 만들어내는 구조를 사용합니다.
아래 그림은 DIM 회로로 비교기(Comparator) 기반 PWM 생성부입니다.
① VREF 참조전압 생성 → U3의 기준전압으로 사용됨
PWM을 만들기 위해서는 기준이 되는 고정 전압(VREF) 이 필요합니다.
U3(Comparator)의 내부 또는 외부 회로에서 안정된 참조 전압이 먼저 생성되고, 이 전압이 U3의 출력 및 내부 판단 기준으로 사용됩니다.
회로에서 VREF는 매우 중요한데, DIM 전압(외부 밝기명령)과 삼각파 전압(스위칭 기준파)
이 두 신호를 비교할 때 기준을 잡아주는 역할을 합니다.
② DIM 전압 입력 (0V ~ 3.3V 범위)
별도의 시스템 MCU나 외부 제어보드에서 0~3.3V 범위의 Dimming 전압이 입력됩니다.
이 DIM 전압이 높을수록 밝기가 증가하고, 낮을수록 밝기가 감소하는 구조입니다.
DIM 전압은 “사용자가 원하는 밝기 명령”을 담고 있으며, PWM 듀티비를 결정하는 핵심 신호입니다.
예를 들어
- 0.5V → 어둡게
- 1.7V → 중간 밝기
- 3.3V → 최대 밝기
이런 식으로 아날로그 전압이 PWM 신호의 듀티비로 직접 변환됩니다.
③ 삼각파(또는 톱니파)가 U3의 2번 핀에 입력됨 (최대 약 3.2V)
DIM 회로에서 2번 핀에는 제어 IC에서 발생한 삼각파(최대 약 3.2V) 가 들어옵니다.
삼각파는 PWM 변조를 위한 기준 파형으로, 인버터 회로 원리에서 PWM 생성의 핵심 요소입니다.
이 삼각파는 보통 스위칭 주파수(예: 50kHz~100kHz)의 리듬을 유지하며, DIM 전압과 교차 비교됩니다.
- 삼각파가 DIM보다 낮을 때 → 출력 High
- 삼각파가 DIM보다 높을 때 → 출력 Low
이 구조가 바로 인버터 회로 원리에서 PWM을 만들어내는 기본 구조입니다.
④ U3의 1번 단자에서 PWM 형태의 출력 발생
삼각파와 DIM 전압이 비교되면, U3의 1번 단자에서 PWM 신호가 만들어져 출력됩니다.
DIM 전압이 변하면, PWM 듀티비가 바로 변하기 때문에 밝기가 부드럽게 조절됩니다.
예를 들어
- DIM 전압 ↑ → PWM 듀티 ↑ → 밝기 ↑
- DIM 전압 ↓ → PWM 듀티 ↓ → 밝기 ↓
이 PWM은 다시 MOSFET 드라이버 또는 제어 IC 내부로 전달되어 백라이트 밝기를 조절하는 최종 제어 신호가 됩니다.
인버터 회로 원리에서는 이 PWM 신호가 직접 스위칭 동작의 폭을 결정하므로, 실제 램프 밝기를 가장 정확하고 효과적으로 조절할 수 있습니다.
3-4) MOSFET Driver 회로
인버터 회로 원리에서 MOSFET 드라이버 회로는 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 핵심 단계를 담당합니다.
MOSFET이 얼마나 빠르고 정확하게 스위칭하느냐에 따라 인버터 출력 품질(전압, 주파수 안정성, 발열, 효율)이 결정되기 때문에,
MOSFET 드라이버 회로는 인버터 전체 성능을 좌우하는 ‘심장부’라고 할 수 있습니다.
3-5) Feedback(Vsen, Isen)회로
3-6) Open Lamp Protection 회로
인버터 회로 원리에서 피드백 회로(Feedback Circuit) 는 출력 전압과 전류를 실시간으로 감시하여 스위칭 동작을 안정적으로 유지하고, 과전압 또는 과전류 상태에서 회로를 보호하는 핵심 기능을 담당합니다.
아래 회로를 보면, OLP(전압 감시), ISEN(전류 감시), VSEN(출력 전압 감시) 세 가지 라인이 함께 구성되어 전체 출력 상태를 제어 IC로 전달하는 구조입니다.
① OLP 전압 ― 트랜스포머 동작 시 생성되는 고전압 신호
트랜스포머 2차측에서는 인버터 회로 원리 특성상 고주파 고전압이 생성됩니다.
이 전압 중 일부가 OLP(Over Lamp Protection) 회로로 전달되는데,이는 백라이트가 끊어졌거나(Open Lamp), 비정상적으로 높은 전압이 걸릴 때 이를 감지하기 위한 신호입니다.
위 회로 기준으로 OLP는 트랜스포머의 보조 권선에서 얻어지는 전압으로,회로 상단의 분압 및 정류라인으로 들어가는 구조입니다.
② OLP 전압 분압(전압 강하) — 전체 전압의 절반 수준으로 조정
트랜스포머에서 가져온 OLP 전압은 그대로 제어 IC에 전달되면 너무 높기 때문에,저항 분압망을 통해 약 절반(1/2) 수준으로 낮춰집니다.
분압을 통해 제어 IC가 감당할 수 있는 전압으로 조정
분압 저항을 사용하는 이유는 과도 전압으로 인한 IC 손상 방지, 보호 기준 전압 설정의 목적으로 사용됩니다.
이 분압된 전압이 이후 정류단으로 전달됩니다.
③ 다이오드를 통한 정류 — OLP 신호를 DC 형태로 안정화
분압된 AC 성분의 OLP 전압은 다이오드를 통과하면서 정류(AC → DC) 됩니다.
정류하는 이유는 단순합니다.
- 제어 IC가 AC 신호를 직접 비교할 수 없기 때문
- 피크 전압을 기준으로 보호 로직을 구성해야 하기 때문
정류된 OLP 전압은 제어 IC가 “램프가 오픈되었는지” 판단하는 데 사용됩니다.
④ ISEN 전압 — 전류 감지, 1.5V 기준 유지
다이오드를 통해 정류된 전압은 다시 ISEN 라인으로 전달되며, 여기서는 저항을 추가로 통과하며 전류 감지용 전압으로 조정됩니다.
ISEN은 인버터 회로에서 전류 피드백의 중심 역할을 하며, 제어 IC는 ISEN 단자 전압이 약 1.5V 수준을 유지하도록 동작합니다.
왜 1.5V인가?
이는 제어 IC 내부에서 설정한 기준점(reference)으로,
- 전류가 과도하게 증가하면
→ ISEN 전압 ↑
→ 보호 동작(스위칭 제한 또는 차단) 실행
따라서 ISEN은 절연 트랜스의 2차 전류를 제어하는 역할을 합니다.
⑤ VSEN 전압 — 출력 전압 감지, 약 2V 유지
VSEN은 트랜스포머 출력 전압을 감지하는 또 하나의 피드백 라인입니다.
출력 전압이 적절한 범위에 있을 때 약 2V 근처에서 유지되며, 이 값이 흐트러지면 제어 IC가 바로 보정 동작을 수행합니다.
VSEN은 기능은
- 출력 전압 유지
- 과전압(OCP/OVP) 감지
- 부하 변화에 따른 스위칭 듀티 자동 조절
- 밝기 조절 시 안정성 확보
VSEN과 ISEN은 서로 다른 기준(전류/전압)을 가지고 있지만, 두 신호가 함께 제어 IC로 들어가면서 인버터 전체 안정성을 확보하는 구조입니다.