전기기사/4. 회로이론 및 제어공학

점호각

elsstory 2025. 3. 26. 14:59
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1. 점호각의 정의

  • 점호각 (( \alpha )): 교류 전압의 주기에서 사이리스터에 게이트 신호(Gate Pulse)를 인가하여 도통(ON)이 시작되는 시점을 전압 파형의 영점(Zero Crossing)을 기준으로 한 위상 각도입니다.
  • 단위: 도(°), 0°에서 180° 사이.
  • 목적: 점호각은 사이리스터의 도통 시점을 제어하여 출력 전압과 전류를 조절합니다.

2. 사이리스터(Thyristor)란?

정의

  • 사이리스터: 반도체 소자로, 전력 제어를 위해 설계된 4층(P-N-P-N) 구조의 스위칭 장치입니다. 대표적으로 SCR(Silicon Controlled Rectifier)이 있으며, 이를 일반적으로 "사이리스터"라 부릅니다.
  • 구성: 양극(Anode), 음극(Cathode), 게이트(Gate)의 3개 단자를 가짐.

구조와 작동 원리

  • 층 구조: P-N-P-N의 4층으로, 3개의 PN 접합(J1, J2, J3)을 형성합니다.
  • 스위칭 특성:
    • 꺼짐(OFF) 상태: 양극에서 음극으로 전류가 흐르지 않음(역방향 차단 및 순방향 차단).
    • 켜짐(ON) 상태: 게이트에 신호가 인가되면 도통이 시작되고, 전류가 0이 될 때까지 유지(래칭, Latching).
  • 도통 조건:
    1. 양극-음극 간 전압이 순방향(( V_A > V_C )).
    2. 게이트에 펄스 신호(전류 또는 전압) 인가.
  • 꺼짐 조건: 전류가 유지 전류(Holding Current) 이하로 떨어지거나, 역방향 전압이 인가되면 차단.

비유: 사이리스터는 "전자적 래치 스위치"로, 한 번 켜지면 외부 신호 없이도 도통을 유지합니다.

주요 특성

  • 전압/전류 정격: 수백 V에서 수천 V, 수십 A에서 수천 A까지 처리 가능.
  • 스위칭 속도: 느림(마이크로초 단위), 고속 스위칭에는 부적합.
  • 효율성: 낮은 도통 손실로 전력 변환에 유리.

3. 점호각과 사이리스터의 관계

  • 사이리스터의 역할: 점호각은 사이리스터의 게이트 신호 타이밍을 결정하며, 이를 통해 교류 전압의 특정 구간만 직류로 변환하거나 전력을 조절합니다.
  • 작동 과정:
    1. 교류 전압 ( V = V_m \sin(\omega t) )가 인가됨.
    2. ( \alpha )에 해당하는 시점에서 게이트에 펄스 신호를 보냄(예: ( \omega t = 60° )).
    3. 사이리스터가 도통되며, 해당 반주기의 나머지 부분만 출력으로 전달.
    4. 전류가 0에 도달(반주기 종료)하면 자동으로 꺼짐.

예시:

  • 단상 반파 정류기, ( V_{in} = 220 \sin(2\pi 60 t) ) (60Hz):
    • ( \alpha = 0° ): 반파 전체 출력 (( V_{DC} = \frac{V_m}{\pi} )).
    • ( \alpha = 90° ): 반파의 절반만 출력 (( V_{DC} = \frac{V_m}{2\pi} )).

4. 점호각과 출력 전압의 관계 (사이리스터 기반)

사이리스터의 도통 시점을 ( \alpha )로 조절하면 출력 전압이 변합니다:

  • 단상 반파 정류:

    • ( V_{DC} = \frac{V_m}{2\pi} (1 + \cos \alpha) ).
    • ( \alpha = 0° ): 최대 출력.
    • ( \alpha = 180° ): 출력 0V.

  • 단상 전파 정류 (브리지 회로, 2개 또는 4개 사이리스터):

    • ( V_{DC} = \frac{V_m}{\pi} (1 + \cos \alpha) ).
    • ( \alpha = 0° ): ( V_{DC} = \frac{2V_m}{\pi} ).
    • ( \alpha = 90° ): ( V_{DC} = \frac{V_m}{\pi} ).

  • 3상 전파 정류 (6개 사이리스터):

    • ( V_{DC} = \frac{3\sqrt{2} V_{LL}}{\pi} \cos \alpha ) (( V_{LL} )는 선간 전압 RMS).
    • ( \alpha = 0° ): 최대 출력.
    • ( \alpha = 90° ): 출력 0V.

특징: ( \alpha ) 증가 시 출력 전압 감소, ( \cos \alpha )에 비례.

5. 사이리스터와 점호각의 실무적 중요성

  • 전압 조절: ( \alpha )를 조절해 직류 전압을 가변, 유도전동기 속도 제어나 배터리 충전.
  • 역률: ( \alpha )가 커질수록 입력 역률 감소(무효 전력 증가).
  • 고조파: 비연속적 도통으로 맥동과 고조파 발생, 필터 필요.
  • 응용:
    • 소프트 스타터: 점호각을 점진적으로 줄여 전동기 전압 증가.
    • HVDC: 점호각으로 전력 흐름 방향과 크기 제어.
    • 조광기: 조명 밝기 조절.

6. 사이리스터의 한계와 주의점

  • 단방향성: 전류는 한 방향으로만 흐르며, 양방향 제어에는 GTO나 TRIAC 필요.
  • 꺼짐 제어 불가: 게이트로 ON만 가능, OFF는 전류 0 또는 외부 회로로 처리.
  • 부하 특성: 유도성 부하에서 전류 지연으로 ( \alpha ) 조정이 복잡.

결론

점호각은 사이리스터의 도통 시점을 결정하는 위상 각도로, 교류를 직류로 변환하거나 전력을 조절하는 데 사용됩니다. 사이리스터는 P-N-P-N 구조의 반도체 소자로, 게이트 신호에 의해 도통을 시작하며 전류가 0이 될 때까지 유지하는 특성을 가집니다. 점호각 ( \alpha )를 통해 출력 전압을 정밀하게 제어할 수 있으며, 이는 전동기 기동, 전력 변환 등에 핵심적인 역할을 합니다.

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