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1. 개요
파워 다이오드와 반파 정류 회로는 전기 회로에서 중요한 역할을 합니다.
이들은 주로 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 데 사용됩니다.
이전에 다이오드가 전류를 한 방향으로만 전달하는 전기적 단방향 밸브처럼 동동한다는 것을 알고 있습니다.(연관 참조)
이는 양극에서 음극으로 전방 편향될 때에만 전류를 전달하며 이러한 특성은 교류(AC)를 펄스형 직류(DC)로 변환하는 정류 작업에서 널리 사용됩니다.
작은 신호 다이오드는 저전력, 저전류(1A 미만) 정류 및 전원 공급 응용에 적합합니다.
그러나 큰 전방 편향 전류 또는 더 높은 역방향 차단 전압이 필요한 경우, 작은 신호 다이오드의 PN 접합은 과열되어 파괴될 수 있습니다.
그러면 고전력 응용에는 더 크고 견고한 파워 다이오드를 사용해야 합니다.
파워 반도체 다이오드인 파워 다이오드는 PN 접합 면적이 작은 신호 다이오드보다 훨씬 크며, 이로 인해 몇 백 암페어(KA)까지의 높은 전방 전류 용량과 몇 천 볼트(KV)까지의 역방향 차단 전압을 처리할 수 있습니다.
파워 다이오드는 주로 전력의 비제어된 정류에 사용되며, 배터리 충전 및 DC 전원 공급뿐만 아니라 AC 정류기 및 인버터와 같은 응용에서 사용됩니다.
그들의 높은 전류와 전압 특성 때문에 전력 변환 및 보호 회로에서 주로 사용되며, 전압과 전류의 안정화 및 보호에 중요한 역할을 합니다.
파워 다이오드의 전단 “ON” 저항은 일반적으로 Ω의 일부로 표현되는 반면, 그들의 역 방향 차단 저항은 ㏁ 범위에 있습니다.
더 큰 파워 다이오드는 열을 효과적으로 방출하기 위해 히트 싱크에 부착됩니다.
이러한 전단의 열 저항을 0.1에서 1°C/Watt 사이로 줄입니다.
파워 다이오드에 교류 전압이 가해지면, 양수 반주기 동안 다이오드가 전류를 이끌고, 음수 반주기 동안 다이오드가 전류 흐름을 차단합니다. 따라서 파워 다이오드를 통한 도전은 양수 반주기 동안에만 발생하며, 이는 DC 출력을 유발합니다.
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2. 파워 다이오드와 반파 정류 회로
2-1) 파워 다이오드란?
파워 다이오드는 전력을 정류하는데 사용되는 반도체 소자로, 전류가 한 방향으로만 흐르도록 제어됩니다.
이러한 특성은 교류 전원을 직류로 변환하는데 유용하게 활용됩니다.
파워 다이오드는 일반적으로 “반파 정류기,” “전파 정류기,” 또는 “브릿지 정류기”와 같은 다양한 정류기 회로를 형성하기 위해 함께 연결됩니다.
제어되지 않는 정류기 회로에서는 오직 파워 다이오드만 사용되며, 반면 완전 제어되는 회로에서는 사이리스터(SCR)와 같은 다른 소자도 사용됩니다.
반 제어되는 회로는 파워 다이오드와 사이리스터(SCR)를 혼합하여 구성될 수 있습니다.
파워 다이오드는 다양한 전압 및 전류 등급으로 제공되며, 각각의 등급은 특정 응용에 맞게 선택됩니다.
예를 들어, 1N400x 시리즈는 전압 등급이 50V에서 1000V까지이며, 연속 전류 등급은 약 1.0A 입니다.
이 중에서도 1N4007GP는 일반적인 주 전원 정류에 많이 사용됩니다.
2-2) 파워 다이오드 구조
파워 다이오드의 구조는 작은 신호 다이오드와 유사하지만, 주요한 차이점이 있습니다.
- 음극(n+) 영역: 다이오드의 음극을 형성합니다.
이 영역은 높은 수준의 도핑된 양이온으로 구성되어 있어 전류의 원활한 이동을 보장합니다. - Epitaxy(n-): n+ 영역 위에 위치한 약간 도핑된 영역입니다.
이 영역은 주로 전압이 정방향으로 가해질 때의 전류 이동을 향상시키는 역할을 합니다. - 양극(p+) 영역: 다이오드의 양극을 형성합니다.
Epitaxy에 p+ 영역이 확산되어 P-N 접합을 형성합니다. - Epitaxy 또는 드리프트층: P-N 접합 영역의 중요한 부분입니다.
Epitaxy는 전압이 정방향으로 가해질 때의 전류 이동을 지원하고, 전류가 정방향으로 흐를 때 전압 강하를 최소화합니다.
파워 다이오드의 동작 원리는 기본적으로 정방향 전압을 적용할 때 전류가 흐르고, 역방향 전압을 적용할 때는 전류가 차단됩니다.
이러한 특성은 전류가 한 방향으로만 흐르도록 보장하여 반복적인 AC 신호를 DC 신호로 변환하는 데 사용됩니다.
또한, 파워 다이오드는 과전압 및 과전류 상황에서도 안전하게 동작하도록 설계되어 있습니다.
2-3) 반파 정류기(Half Wave Rectification)
반파 정류 회로는 교류(AC) 입력 전원을 직류(DC) 출력 전원으로 변환하는 전자 장치로, 전자 기기의 핵심 구성 요소 중 하나입니다.
입력 전원 공급원은 단상(single-phase)이거나 다상(multi-phase) 공급원이 될 수 있으며, 그 중 가장 간단한 정류기 회로는 반파 정류기(Half Wave Rectifier)입니다.
이 회로에서 파워 다이오드는 교류 공급의 완전한 사인파 중 하나의 절반만을 통과시켜 직류 공급으로 변환합니다.
따라서 이 회로는 입력 교류 전원의 절반만을 이용하므로 “반파(half-wave) 정류기”로 불립니다.
2-4) 반파 정류 회로(Half Wave Rectifier Circuit)
전류가 흐르는 방향은 반복적으로 변화하는 교류(AC) 전원을 직류(DC) 출력 전원으로 변환하는 회로를 다이오드로 구성한 반파 정류 회로(half wave rectifier)에서의 동작 원리를 자세히 설명하겠습니다.
먼저, AC 입력 전원이 각 반 주기 동안 양의 반파에서는 다이오드가 전류를 허용하는 정방향 바이어스로 작동합니다.
이때, 다이오드를 통해 전류가 흐르게 되고, 부하에 연결된 저항(R)을 통해 전류가 흐를 때 저항에 걸리는 전압은 오옴의 법칙에 따라 공급 전압(Vs)과 같아집니다.
따라서 이 과정에서 부하에 걸리는 전압은 입력 전원의 첫 번째 반 주기 동안에만 변하는 사인파 모양의 전압이 됩니다.
그러나 AC 입력 파형의 음의 반 주기 동안에는 다이오드가 역방향 바이어스로 작동하여 전류가 차단됩니다.
이때 다이오드나 회로를 통해 전류가 흐르지 않으므로 부하 저항에 걸리는 전압은 0이 됩니다.
따라서 음의 반 주기 동안에는 부하에 전류가 흐르지 않습니다.
결과적으로, 반파 정류 회로를 통해 부하에 걸리는 전압은 입력 AC 전원의 양의 반 주기 동안만 존재하며, 이는 입력 전원의 반 주기당 절반만 전압이 존재하게 됩니다.
이러한 형태의 출력은 DC 전원으로 취급될 수 있습니다.
반파 정류 회로에서 출력 부하에 걸리는 등가 직류 전압(VDC)을 계산하는 공식은 입력 사인파 파형의 최대 값 또는 유사한 값의 0.318배입니다. 따라서 공식은 다음과 같이 표현됩니다.
VDC=0.318×Vmax = 0.45×Vrms
여기서 VMAX는 AC 정현파 공급 장치의 최대 또는 피크 전압 값이고 VRMS는 공급 전압의 RMS 값입니다.
3. 파워 다이오드 예제
100Ω 저항으로 연결된 240 Vrms 단상 반파 정류 회로를 통해 흐르는 전압 강하 VDC 및 전류 IDC를 계산해 보겠습니다.
또한, 부하에 의해 소비되는 평균 DC 전력을 계산해 보겠습니다.
먼저, 최대 전압 Vmax는 다음과 같이 계산
Vmax = √2×Vrms = √2×240V = 339.4V
VDC를 계산
VDC=0.318×Vmax= 0.318×339.4V = 107.92V
따라서 부하 저항에 걸리는 전압 VDC은 약 107.92 V입니다.
이제 IDC를 계산
IDC = VDC / R = 107.92V / 100Ω = 1.0792A
따라서 저항을 통해 흐르는 전류 IDC는 약 1.0792 A입니다.
마지막으로, 평균 DC 전력을 계산
Pavg=VDC×IDC = 107.92V × 1.0792A = 116.49W
따라서 부하가 소비하는 평균 DC 전력은 약 116.49 W입니다.
4. 평활 커패시터가 있는 반파 정류 회로
교류 전압을 정류하여 직류 전원을 제공할 때 종종 전압의 변동이나 리플이 없는 “안정적”이고 연속적인 직류 전압을 원합니다.
이를 위한 한 가지 방법은 아래 그림에서 보는 것처럼 출력 전압 단자와 부하 저항 사이에 큰 용량의 커패시터를 병렬로 연결하는 것입니다.
이러한 종류의 커패시터를 평활 커패시터라고 합니다.
교류(AC) 원본을 직류(DC)로 변환하기 위해 정류기가 사용될 때, 원본 신호의 양극성을 유지하고 원하는 전압을 생성하는 데 중요한 역할을 합니다.
하지만 반파 정류기는 일부 제한과 단점을 가지고 있습니다.
먼저, 반파 정류 회로의 출력 진폭은 입력 진폭보다 작습니다.
이는 입력 신호의 양극성만을 활용하기 때문에 발생합니다.
그러므로 출력 전압의 최대치는 입력 전압의 절반에 불과합니다.
또한, 반파 정류 회로는 입력 신호의 음수 반주기에서 출력을 생성하지 않습니다.
이는 전류가 한 방향으로만 흐르기 때문에 해당 반주기 동안 전원이 차단되기 때문입니다.
이러한 결과로 인해 반파 정류 회로에서는 전체 전압의 절반이 시간과 에너지의 낭비로 인해 사용되지 않게 됩니다.
마지막으로, 반파 정류 회로의 출력은 펄스 DC 형태로 나오며, 이로 인해 리플(파형의 변동)이 발생합니다.
리플은 신호의 안정성과 정확성을 저하시키는데, 특히 고전력 응용에서는 문제가 될 수 있습니다.
이러한 단점을 극복하기 위해 전파 정류기가 개발되었습니다.
전파 정류 회로는 입력 신호의 모든 반주기를 활용하여 출력을 생성하므로 출력 진폭이 더 크고, 음수 반주기에도 출력이 발생합니다.
결과적으로 전원 효율이 향상되고, 안정된 DC 출력이 생성됩니다.