전력처리

myblack·2025년 3월 18일

전력 전력변환 전력처리

SMPS

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전력처리시스템

: 전력 흐름 제어 및 형태 변환 하는 시스템

전기에너지 장점

쉽게 변환
수송,분배,제어 용이 (저장 어려움)
무공해

일반적 전력처리 시스템 : 변압기 한계

고정된 입력에 대해 전압이나 전류 주파수 변경 불가
직류전압 및 직류전류 동작 X
권선비는 전기적으로 조절 불가 (시불변소자)

사용소자

무손실 소자를 주로 사용
손실소자 : 저항, 선형영역에서 동작하는 반도체 소자
무손실소자 : 커패시터, 인덕터

보호 회로

OCP (Over-Current Protection, 과전류 보호)

정의
최대 출력 전류를 초과할 경우 회로 및 부하 보호를 위해 규정치 이상 흐르지 않도록 보호하는 기능, 과전류 상태가 해제되면 자동으로 복구되어 정상 동작
동작 원리
출력 전류가 설정값을 초과하면 샌스 저항(Current Sense Resistor)을 통해 전류를 감지하고 제어를 멈추거나 차단.
일부 회로는 내부적으로 디지털 신호처리기 또는 마이크로컨트롤러로 제어
구분
정적 OCP: 일정 시간 이상 지속될 때 차단.
동적 OCP: 순간 과전류에도 즉시 반응.

출력 단락 보호 SCP (Short-Circuit Protection, 단락 보호)

정의
출력단(혹은 부하단)의 +Vo와 -Vo 사이가 단락(short)되었을 경우 회로 및 부하 보호를 위해 전류를 차단하는 보호 기능
동작 원리
SCP는 OCP보다 훨씬 빠른 반응속도(수 µs ~ 수십 µs)를 요구합니다.
회로 단락 발생 시 매우 높은 전류가 흐르므로, 고속 차단 트리거 회로가 필수입니다.
일반적으로 회로 단락 = 출력 전압 급락 + 전류 급상승 패턴으로 감지.

OVP (Over-Voltage Protection, 과전압 보호)

정의
과전압이 공급되지 않도록 보호하는 기능, 보호 회로가 동작하면 출력전압은 차단되거나, 저전압을 유지. 자동으로 복구되지 않으며, 입력을 차단하고 수분동안 방치후 재입력
동작 원리
전원공급장치에는 출력 전압을 지속적으로 모니터링하는 감시 회로가 있으며, 설정값 이상이 감지되면 셔트다운 회로 (또는 릴레이 차단)가 작동하여 출력을 중지
일반적으로 전압 레귤레이터 IC 내부 혹은 외부의 감시 회로로 구현

UVP (Under-Voltage Protection, 저전압 보호)

동작 원리
전압이 특정 임계값 이하로 떨어지면 출력이 불안정해지므로, 이를 감지하여 출력을 차단
전압 감지기는 일반적으로 전압 분배기와 비교기(Comparator)로 구성되어 동작
상세 예시
+3.3V 레일의 UVP 설정값이 2.7V라면, 출력이 그 이하로 떨어질 경우 차단 발생.
설계 시 고려사항
UVP의 임계값은 시스템 부품들의 최소 동작 전압보다 살짝 높은 수준으로 설정되어야 안정성 확보 가능.

FUSE (퓨즈)

동작 원리
일반적으로 AC 입력단에 직렬로 삽입되며, 과도한 전류가 흐를 경우 내부 금속선이 녹아 회로를 영구 차단
일회성 보호장치로써, 동작 시 반드시 교체해야 함.
설계 주의
정격전류, 용단 특성 (slow-blow or fast-blow), 환경 온도 등을 고려한 선정 필요.

OLP (Over-Load Protection, 과부하 보호)

동작 원리
시스템이 출력 전류를 지속적으로 많이 요구하면 지속 과부하 상황이 되며, 이때 OCP와 동일 회로 또는 별도 회로에서 차단 동작을 수행합니다.
단일 레일이 아닌 시스템 전반의 전류 합산 기준이 되는 경우도 많습니다.
시스템 예시
저출력 PSU에 고성능 GPU를 장착하면, 전체 전력은 넘지 않지만 특정 레일(+12V)만 과부하되는 경우 발생.

OPP (Over-Power Protection, 과출력 보호)

동작 원리
전체 출력 전력 = 전압 × 전류의 곱의 총합이 PSU 스펙을 초과할 경우, 이를 계산한 디지털 제어기 or 아날로그 회로가 동작하여 차단.
시스템이 특정 전압레일을 고르게 사용하더라도, 총합이 넘을 경우에도 차단됨.
설계 방식
일부 PSU는 OCP보다 OPP 우선 적용으로 간소화된 보호 구조를 가지기도 함.

OTP (Over-Temperature Protection, 과온도 보호)
사용 환경등에 의해 과열 현상을 방지하는 기능, 보호 회로가 동작하면 출력전압은 차단

동작 원리
PSU 내부의 온도 센서(NTC, PTC, 서미스터) 또는 마이크로컨트롤러의 온도 ADC가 내부 발열을 감지하여 특정 온도(예: 90~105°C)를 넘으면 차단.
주요 원인
냉각팬 고장
환기 불량 (케이스 밀폐 등)
주변 온도 상승
연계 문제
과열 → 전압 불안정 → UVP/OVP 동시 유발 → 부품 손상.

컨버터

스위칭 컨버터

스위칭 컨버터는 전원 입력, 제어 입력, 전원 출력으로 구성

컨버터 전력 효율

Ploss (전력손실) = Pin - Pout = Pout(1/η - 1)

손실 전력은 냉각시스템을 필요로 함

전력변환

Inverter란 : 직류를 교류로 바꾸는 장치 (전력변환)
VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)라고 불리는 가변전압 가변주파수 제어 장치로 주파수와 전압을 조정

Converter란 : 전류의 특성 조절하는 장치
Converter는 레벨, 압력, 유량, 속도, 진동, 온도 등 여러가지 측정값들을 전기적인 신호로 바꾸어주는 장치를 의미

Duty Cycle

Switch on 되는 시간 : Ton
Switch 한 주기 : Ts

D = Ton / Ts (0 ≤ D ≤ 1)

기타 용어

부하 변동

정적 부하 변동 (Load Regulation)

출력 전류 범위 내 출력 전류를 서서히 변화시킬 때 출력전압의 변동율을 의미하며, 단위는 %를 사용합니다.

동적 부하 변동 (Dynamic Load Regulation)

출력 전류 범위 내 출력 전류를 급격히 변화시킬 때 출력전압의 변동율을 의미하며, 단위는 ±%를 사용합니다.

전력

피상 전력 (Apparent Power)

전압과 전류의 곱을 피상전력이라 하며, 기호는 Pa, 단위는 VA를 사용합니다.

유효 전력 (Effective Power)

실제 소비되는 전력을 유효전력이라 하며, 일반적으로 P로 표시합니다.

무효 전력 (Reactive Power)

실제 사용되지 않고 공급원으로 되돌아가는 전력을 무효전력이라 하며, Pr로 표시

역률 (Power Factor)

역률은 전압과 전류의 위상차로 표시하는 것이 일반적, SMPS의 경우는 피상전력과 유효전력의 비로 표시
이상적으로 역률 '1'은 피상전력과 유효전력이 같음을 의미합니다. 역률개선회로(PFC)가 적용된 제품은 '0.95 < 역률 < 1' 입니다.

정격

내전압 (High Pot or Withstand Voltage)

입력-출력, 입력-FG, 출력-FG 단자 사이에 규정된 교류전압을 인가 후 spark 방전이 없어야 하며, SMPS가 파손되지 않는 전압을 내전압이라 한다.

절연 저항 (Isolation Resistance)

입력-출력, 입력-FG, 출력-FG 단자 사이에 규정된 직류전압(DC500V)을 인가했을 때의 저항값

Trim (TRM)

정격 출력전압 이외의 전압이 필요한 경우 출력전압을 소폭 조정할 수 있는 기능
Trim 기능 사용시 DC-DC 컨버터는 외부에 고정저항 2점과 가변저항 1점을 추가로 사용해야 하며, AC-DC 컨버터는 컨버터 내의 가변저항을 조정

돌입 전류 (Inrush Current)

AC-DC 컨버터의 경우 Condenser Input 정류 회로를 적용하였으며, 초기 기동시 Condenser를 충전하기 위해 짧은시간 동안 대전류가 흐르는 것

누설 전류 (Leakage Current)

AC-DC 컨버터의 입력(L or N)에서 대지(FG)로 흐르는 전류를 누설 전류
누설 전류는 1차측의 부품, Trans, 접지 Cap 등을 통해 흐르게 되며, 제품 내에 내장된 노이즈필터의 접지 Cap을 통해 흐르는 전류량이 대부분을 차지
접지 Cap를 조정하여 누설전류를 감소 시킬 수 있지만, EMC 측면에서 불리할 수 있음