초보자를 위한 H-브리지 전파 정류기 설계 가이드

전력 변환은 현대 생활에서 필수적인 부분이며, 전자 분야에서 실용적인 목적으로 가장 중요한 것은 아마도 AC에서 DC로의 변환이 될 것입니다. 정류기는 AC를 DC로 변환하는 데 사용되는 필수 회로이며, 다음과 같은 몇 가지 범주에 속할 수 있습니다:

• 하프웨이브 정류기
• 센터탭 풀웨이브 정류기
• 브리지 정류기

이 정류기들의 기능은 동일하며, 즉 AC에서 DC로의 변환이지만, 각각 다른 입력 구성을 사용하며 출력도 다릅니다. 센터탭 정류기와 브리지 정류기는 모두 풀웨이브 정류기(후자는 때때로 "풀 브리지 정류기"라고 불림)이며, 하프웨이브 정류기보다 높은 전력 변환 효율을 제공합니다. 센터탭 정류기와 브리지 정류기는 거의 동일한 목적을 제공하지만, 전자에 사용된 센터탭 변압기는 비싸기 때문에 특별한 이유가 없는 한 브리지 정류기가 일반적으로 선호됩니다.

이 가이드에서는 단상 및 삼상 전력 변환을 위한 풀웨이브 H-브리지 정류기의 설계 및 시뮬레이션을 살펴볼 것입니다. 둘 다 산업 환경에서 사용될 수 있으며, 내 회사가 고객 프로젝트를 위해 개발한 작은 제어 모듈을 포함하여 다른 전자 장치에서도 흔히 사용됩니다. 이들을 사용한 시뮬레이션 구축은 하류 회로에 고효율로 전력을 전달할 수 있는 방법을 보는 데 중요합니다.

풀 브리지 정류기 회로의 유형

기본 풀 브리지 정류기 회로는 아래와 같습니다. 이 회로는 일반적으로 네 개의 다이오드(D1-D4)를 직렬 쌍으로 배열하고 AC 입력의 각 하프 사이클 동안 두 개의 다이오드만 순방향 바이어스됩니다. 이 정류기의 네 다이오드는 닫힌 루프, 브리지와 같은 구조에 연결되어 있으며 이 조립체가 그 이름을 제공합니다. 이것은 때때로 비제어 정류기라고 불리며, 그 이유는 이 글의 뒷부분에서 설명될 것입니다.

단상 대 삼상 정류기

위의 정류기는 때때로 아래에 표시된 H-브리지 구성으로 그려집니다. 이 구성은 위의 구성과 동일합니다. 아래에는 비교를 위해 삼상 정류기도 표시되어 있는데, 이는 단순히 4개 대신 6개의 다이오드를 사용하며, 삼상 AC 연결의 각 위상에 대한 전류 흐름을 제어하기 위해 2개의 직렬 다이오드를 사용합니다. 두 유형의 정류기 사이의 차이점은 그들의 파형에서 명백해야 합니다; 삼상 정류기는 단상 정류기의 1.5배 주파수에서 훨씬 낮은 리플을 제공합니다.

일반적인 다이오드는 단방향이며 제어할 수 없기 때문에 전류는 한 방향으로만 흐를 수 있으며 순방향 전압을 제어할 방법이 없습니다. 이러한 이유로, 이러한 정류기를 "비제어"라고 하며, 의도한 작동 환경에서 정류기가 완전히 순방향으로 바이어스될 수 있도록 이러한 회로에 사용되는 다이오드를 적절히 선택해야 합니다. 교류 전원에 연결하는 경우, 이 회로의 다이오드가 항상 순방향으로 바이어스될 수 있도록 충분한 여유가 있지만, 먼저 낮은 수준으로 내려간 후 정류를 적용하는 경우에는 더욱 주의해야 합니다. 이러한 이유로, 종종 변압기를 사용하여 먼저 적당한 수준(12V 또는 24V 명목 교류 전압)으로 내린 다음, 신호를 정류기를 통과시킵니다. 일부 DC 값으로 평활화한 후, 최종 조절 단계가 적용되어 출력 전압을 필요한 값으로 설정합니다.

제어 정류기

이 유형의 전교정 브리지 정류기는 일반 다이오드 대신 MOSFET, IGBT, SCR 등과 같은 제어 가능한 고체 상태 구성 요소를 사용합니다. SCR은 외부 DC 전압의 직접 적용으로 쉽게 전압을 변화시킬 수 있기 때문에 일반적으로 사용됩니다. 따라서, 시스템은 필요에 따라 다른 전압에 대한 전력 출력을 조정할 수 있습니다. 아래 이미지는 다이오드를 SCR로 교체하는 것을 포함하는 단상 제어 브리지 정류기를 보여줍니다.

일반 단상 정류기와 마찬가지로, 이 제어 정류기는 H-브리지로 그려질 수 있으며, 결과 기능은 완전히 동일합니다. 우리는 또한 6개의 SCR(각 위상에 2개)을 사용하여 회로를 3상 입력으로 확장할 수 있습니다.

다이오드 선택

위에서 언급했듯이, 두 유형의 정류기에서 모두 부하를 통한 전류는 한 방향으로만 흐르므로, 어떤 주어진 순간에도 순방향으로 바이어스된 다이오드는 두 개뿐입니다. 각 반주기 동안 순방향 바이어스된 브리지 섹션의 각 다이오드에는 전압 강하가 있습니다. 실리콘 다이오드의 경우, 순방향으로 바이어스된 두 다이오드 때문에 전체 전압 강하는 2*0.7 = 1.4V가 되어야 합니다. 변압기 결합 교류 전압이 낮은 경우에는 순방향 바이어스 시 전압 강하가 낮은 게르마늄 또는 쇼트키 다이오드를 사용하고 싶을 수 있습니다.

출력 파형

일반적으로 정류기를 설정하고 나면, 출력에 평활 캐파시터를 추가함으로써 DC 전압이 설정됩니다. 부하와 병렬로 연결된 평활 캐파시터는 출력 DC 파형에 중첩된 리플의 수준을 결정합니다. 입력 전압이 한 주기 동안 떨어지기 시작하는 순간, 출력에 걸쳐 있는 캐파시터는 저항과 병렬로 방전하기 시작하므로, 두 부품은 RC 회로를 형성합니다. 캐파시터는 반주기 사이에 특정 RC 시간 상수로 반복적으로 충전 및 방전합니다. 캐파시터가 완전히 방전되기 전에 충전 주기가 시작되므로, 입력 전력이 차단되지 않는 한 캐파시터가 완전히 방전되는 일은 없습니다.

여기서, 부하를 통한 이 방전 속도를 결정하기 위해 RC 시간 상수를 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 10 kOhm의 부하 저항과 50 uF 캐파시터를 사용한다면, RC 시간 상수는 500 ms입니다. 이는 출력 DC 전압의 리플을 줄이고 싶다면, 평활 캐파시터의 값을 증가시키거나 부하 저항(또는 둘 다)을 증가시켜야 함을 의미합니다. 출력 파형이 순수한 DC는 아니지만, 부하 저항을 증가시키고 평활 캐파시터를 충분히 높게 하면 출력 리플이 거의 눈에 띄지 않을 정도로 작아집니다. 최종 조절 단계는 보통 LDO (저전압용) 또는 스위칭 레귤레이터(고전압용)가 됩니다.

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