원리로 이해하는 전력전자공학, 6장
커뮤테이션 현상 요약
- 핵심 한 문장: 출력 전류가 두 배로 흐르는데 출력 전압이 0V인 이유는, 전원 인덕턴스 때문에 다이오드가 동시에 도통하는 커뮤테이션 구간이 존재하기 때문입니다.
- 요지: 전원 쪽 인덕턴스 때문에 다이오드(또는 스위치) 전환이 순간적으로 겹치면 부하 전류는 끊기지 않고 두 경로로 분배되며, 그 결과 부하 양단 전압은 순간적으로 0V가 됩니다.
커뮤테이션 구간 동안은 두 다이오드 쌍이 동시에 도통합니다.
출력 전류가 두 배로 흐르는데 출력 전압이 0V인 이유는 정류기의 전원 인덕턴스 (L_S) 때문에 발생하는 전류의 중첩(Commutation Overlap) 현상 때문입니다.
동작 원리(단계별)
- 이상적 상황
- 다이오드가 순간적으로 교체되면 한 쌍이 꺼지고 다른 쌍이 바로 켜져서 전류와 전압이 즉시 전환됩니다.
- 실제 회로(인덕턴스 존재)
- 전원 인덕턴스 (L_S)가 있으면 전류가 즉시 끊기지 않고 일정 시간 겹쳐 흐릅니다(커뮤테이션 구간).
- 커뮤테이션 구간 효과
- 이전 경로와 새 경로가 동시에 도통 → 부하 양단이 입력의 양쪽에 동시에 연결되어 출력 전압 (V_o)가 0V가 됨.
- 그러나 부하 전류 (I_o)는 연속성을 유지하므로 두 경로에 분배되어 순간적으로 합이 커진 것처럼 보입니다.
왜 전류는 유지되고 전압은 0이 되는가
- 인덕터의 전류 연속성: 인덕터는 전류를 갑자기 바꾸지 못하므로, 스위칭 순간에도 전류는 흐름을 유지하려고 합니다.
- 두 경로의 병렬화: 전환 중 두 다이오드 쌍이 동시에 도통하면 부하의 양단이 서로 단락된 상태가 되어 전압이 0이 됩니다.
- 결과: 전류는 끊기지 않지만 전압은 순간적으로 0이 되는 현상이 발생합니다.
실무적 시사점
- 스위칭 손실과 과전류 위험: 커뮤테이션 구간이 길거나 인덕턴스가 크면 스위칭 소자에 과도한 스트레스가 가해질 수 있습니다.
- 설계 대책: 입력 인덕턴스 최소화, 스위칭 타이밍 최적화, 소프트 스위칭 기법 또는 커뮤테이션 보상 회로 적용을 고려해야 합니다.
- 측정 시 주의: 오실로스코프로 전압만 보면 0V 구간을 놓치기 쉬우므로 전류 파형도 함께 확인해야 정확한 동작 해석이 가능합니다.
간단한 그림으로 이해하기
- 시간축(위): 입력/출력 전압 — 스위칭 순간에 전압이 급변하다가 커뮤테이션 구간에서 0V 구간이 생김.
- 시간축(아래): 출력 전류 — 스위칭 순간에도 인덕터 때문에 연속적으로 흐르며, 커뮤테이션 구간에서 두 경로로 분배됨.
- 한눈 요약: 전압은 순간적으로 0, 전류는 연속 → 두 경로의 전류 합이 평상시보다 크게 보일 수 있음.
인버터, DC to AC
1. 단상 Half Bridge Inverter
첫 번째 이미지에서는 단상 Half Bridge Inverter를 2개의 Switch를 사용하는 구조로 정리한다.
+ Vdc/2
│
S1
│
├───────── R ─ L ───────┐
│ │
S2 │
│ │
- Vdc/2 │
│
◄────── i_o ────────────┘
부하는 R-L 형태로 그려져 있으며, 부하전류 io의 방향과 Switch 상태에 따라 동작 Mode를 구분한다.
2. Half Bridge의 출력전압
Half Bridge의 출력전압은 두 DC 전압의 중간점을 기준으로 ±Vdc/2 형태로 기록되어 있다.
3. Half Bridge의 4개 Mode
이미지에서는 부하전류의 방향을 기준으로 총 4개의 동작 Mode를 구분한다.
즉 Switch를 단순히 ON/OFF하는 것만이 아니라, R-L 부하의 전류 방향에 따라 Switch 또는 Diode를 통해 전류가 계속 흐르는 서로 다른 Mode가 나타난다.
4. Half Bridge — Mode 1
Mode 1에서는 S1을 통해 전원에서 R-L 부하 쪽으로 전류가 흐르는 회로가 그려져 있다.
+Vdc/2
│
S1
│
└────── R ─ L ──────┐
i_o → │
│
─────────────────────┘
5. Half Bridge — Mode 2
Mode 2에서는 S1이 꺼진 뒤에도 R-L 부하의 전류가 바로 0이 되지 않고 D2를 통하여 계속 흐르는 경로를 그려 놓았다.
R ─ L
┌────/\/─coil────┐
│ i_o │
│ ▼
└─────────────── D2
손글씨에는 io가 오른쪽에서 왼쪽으로 바로 바뀌는 것이 아니라 D2를 통해 전류가 유지되는 것으로 기록되어 있다.
6. R-L 부하와 전류 유지
두 번째 이미지의 핵심 메모는 Switch 상태가 바뀌어도 부하의 L 때문에 전류 방향이 즉시 바뀌지 않는다는 것이다.
이때 Diode가 전류가 흐를 수 있는 경로를 제공하는 형태로 그려져 있다.
7. Half Bridge — Mode 3
Mode 3에서는 S2가 연결된 상태에서 부하전류의 방향이 반대가 된 회로가 그려져 있다.
R ─ L
┌────/\/─coil────┐
│ ← i_o │
│ │
└─────────────── S2
8. Half Bridge — Mode 4
Mode 4에서는 Switch 상태가 바뀐 뒤에도 L에 저장된 에너지 때문에 전류가 계속 흐르는 경로가 그려져 있다.
손글씨에는 Switch의 전압극성은 바뀌지만 전류는 부하의 L 성분 때문에 바로 바뀌지 않는다고 기록한다.
9. Half Bridge Mode 관계
| Mode | Vo | io | 이미지의 전류 경로 |
|---|---|---|---|
| 1 | +Vdc/2 | > 0 | S1 측을 통한 부하 전류 |
| 2 | -Vdc/2 | > 0 방향 유지 | D2를 통한 전류 유지 |
| 3 | -Vdc/2 | < 0 | S2 측 전류 경로 |
| 4 | +Vdc/2 | < 0 방향 유지 | 반대편 Diode 경로 |
10. Half Bridge 핵심 흐름
Half Bridge
│
Switch 2개
│
┌──────────┴──────────┐
▼ ▼
+Vdc/2 출력 -Vdc/2 출력
│ │
└──────────┬──────────┘
▼
R-L 부하
│
▼
전류는 즉시 반전 X
│
▼
Switch / Diode 경로 변경
│
▼
4개 Mode
11. 단상 Full Bridge Inverter
세 번째 이미지에서는 단상 Full Bridge Inverter를 4개의 Switch를 사용하는 회로로 그린다.
+Vdc
│
┌──────┴──────┐
│ │
S1 S2
D1│ │D2
│ │
├─── R ─ L ───┤
│ V_o │
S3 S4
D3│ │D4
│ │
└──────┬──────┘
│
0V
각 Switch에는 Diode가 병렬로 그려져 있다.
12. Full Bridge의 출력전압
Full Bridge에서는 부하 양단을 DC Link의 양 끝에 직접 연결할 수 있기 때문에 출력전압을 ±Vdc로 기록한다.
Full Bridge : ±Vdc
13. Full Bridge의 대각선 Switch
Full Bridge에서는 대각선 방향의 Switch를 조합하여 부하전압의 극성을 결정한다.
14. Full Bridge — Mode 1
Mode 1에서는 S1과 S4를 통하여 부하에 전압을 인가하는 경로가 그려져 있다.
15. Full Bridge — Mode 2
Mode 2에서는 Switch 전환 후에도 R-L 부하전류가 기존 방향으로 흐르며 Diode를 통하는 경로가 그려져 있다.
즉 전압 극성은 바뀌어도 부하전류는 L 때문에 바로 반전되지 않는다.
16. Full Bridge — Mode 3
Mode 3에서는 반대 대각선 Switch 조합을 통해 부하전류가 반대 방향으로 흐르는 상태를 그린다.
17. Full Bridge — Mode 4
Mode 4에서도 Switch 전환 직후 부하의 L 성분 때문에 전류가 기존 방향을 유지하는 회로가 그려져 있다.
18. Full Bridge Mode 관계
| Mode | 출력전압 Vo | 부하전류 io | 주요 경로 |
|---|---|---|---|
| 1 | +Vdc | > 0 | S1 · S4 측 |
| 2 | -Vdc | > 0 | Diode 경로 |
| 3 | -Vdc | < 0 | S2 · S3 측 |
| 4 | +Vdc | < 0 | Diode 경로 |
19. Half Bridge와 Full Bridge 비교
| 구분 | Half Bridge | Full Bridge |
|---|---|---|
| Switch 수 | 2개 | 4개 |
| 부하 | R-L | R-L |
| 출력전압 | ±Vdc/2 | ±Vdc |
| 동작 Mode | 4 Mode | 4 Mode |
| 전류 특성 | Switch 전환 시에도 L 때문에 io가 즉시 반전되지 않음 | |
| Diode 역할 | Switch 전환 중 기존 방향의 부하전류가 흐르는 경로 제공 | |
20. 이미지의 핵심 동작 원리
DC Source
│
▼
Inverter
│
┌───────────┴───────────┐
▼ ▼
Half Bridge Full Bridge
Switch 2개 Switch 4개
│ │
▼ ▼
±Vdc/2 ±Vdc
│ │
└───────────┬───────────┘
▼
R-L 부하
│
▼
Switch 상태 변경
│
▼
출력전압 극성은 변경
│
▼
L 때문에 전류는 유지
│
▼
Diode 경로로 전류
│
▼
4개 Mode
21. 이미지 핵심 정리
| 항목 | 이미지 내용 |
|---|---|
| Half Bridge | Switch 2개 사용 |
| Half Bridge 출력 | ±Vdc/2 |
| Full Bridge | Switch 4개 사용 |
| Full Bridge 출력 | ±Vdc |
| 부하 | R-L |
| 동작 구분 | 부하전류 방향과 Switch/Diode 전류경로에 따라 4 Mode |
| io > 0 | Mode 1 · Mode 2 |
| io < 0 | Mode 3 · Mode 4 |
| Inductor | Switch 전환 시에도 전류 방향을 바로 바꾸지 않음 |
| Diode | 기존 부하전류가 계속 흐를 수 있는 경로를 형성 |
| Full Bridge Switch | S1·S4 / S2·S3 대각선 조합 |