개념 한 쪽
전력용 반도체는 제어 방식(전류·전압), 방향성(단방향·쌍방향), 용량으로 소자를 갈라 익힌다. 문항은 MOSFET와 BJT 비교, 조광기에 맞는 소자, SCR 설명의 옳고 그름, 사이클로컨버터 정의 꼴로 나온다.
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출제기준 단원 「전력용반도체 소자 등」의 공개 문제 5개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| MOSFET·BJT 비교 | 2 | 제어 방식·스위칭 속도·용량에서 틀린 설명 가려내기 |
| SCR·트라이액 특성 | 2 | SCR 옳지 않은 설명(쌍방향)·조광기용 소자 고르기 |
| 사이클로컨버터 정의 | 1 | 제어 정류기 주파수 변환기 고르기 |
MOSFET와 BJT는 제어 방식과 손실이 서로 바뀌어 있다. BJT는 베이스 전류로 다루는 전류제어형이라 켜진 상태를 유지하려면 베이스 전류를 계속 흘려야 한다 — 턴온 상태의 전압강하가 작아 도통손실은 유리하다. MOSFET는 게이트 전압으로 켜고 끄는 전압제어형이라 유지에 드는 전류가 거의 없고 스위칭이 빨라 높은 주파수에 올릴 수 있지만, 온상태 전압강하가 커 대전류·고전압에는 불리해 주로 저전력용에 쓰인다. IGBT는 MOSFET의 빠른 스위칭과 BJT의 대전류 처리를 절충한 중~대용량 소자다.
사이리스터 계열은 방향성으로 갈린다. SCR은 P-N-P-N 4층 구조의 스위칭 소자로 게이트 신호로 턴온되면 한쪽 방향으로만 전류가 흐르는 단방향 소자다 — 직류·교류 전력제어에 두루 쓰이지만 "쌍방향성"이라는 설명은 SCR이 아니라 트라이액의 특징이라 옳지 않다. 트라이액(TRIAC)은 양·음 반주기 모두 점호각 제어가 되는 쌍방향 소자라, 교류 실효전압을 위상제어로 연속 가변하는 조광기·교류 전압제어기에 가장 적합하다.
사이클로컨버터는 소자가 아니라 소자로 엮은 변환장치다 — 제어 정류기(SCR 등)로 상용 교류를 원하는 주파수의 교류로 직접 바꾸는 주파수 변환기로, 직류단을 거치지 않는 교류-교류 직접 변환이 특징이며 저속 대용량 전동기의 속도제어(가변전압 가변주파수)에 쓰인다.
학습목표: AC-AC 변환기의 목적과 사이클로 컨버터의 동작 특성 및 저속 대형 전동기 구동 적용을 설명할 수 있다.
(4) 교류-교류 변환기(AC-AC converter) 주파수 변환은 교류 전력을 주파수가 다른 교류 전력으로 변환하는 것을 의미하며 이 러한 기능을 수행하는 전력 변환기를 사이클로 컨버터(cyclo converter)라고 한다.
NCS 학습모듈 1901050105 전력변환기 설계 · 1-1. 전력변환기 회로 확인
① BJT = 전류제어형 · 도통손실 유리 · 유지에 베이스 전류 필요. ② MOSFET = 전압제어형 · 스위칭 빠름 · 저전력용. ③ IGBT = 두 소자의 절충(중~대용량). ④ SCR = P-N-P-N 단방향 · TRIAC = 쌍방향(조광기용). ⑤ 사이클로컨버터 = 제어 정류기로 AC-AC 직접 주파수 변환(저속 대형 전동기).
전력용 MOSFET와 전력용 BJT에 대한 설명 중 틀린 것은?
정답 ① · 전력용 BJT는 베이스 전류로 제어하는 전류제어형 소자이며, 온(on) 상태를 유지하려면 지속적인 베이스 전류 공급이 필요하다("거의 무시할 만큼 전류가 필요없다"는 설명은 전압제어형인 MOSFET/IGBT에 해당). MOSFET는 스위칭 속도가 빠르고 게이트 전압으로 온오프 제어가 가능하며, 다만 온상태 전압강하는 BJT보다 커서 도통손실이 상대적으로 크다.
BJT는 전류제어소자로 온 유지에 베이스 전류가 계속 필요하고, MOSFET는 전압제어소자이다.
교류 전압제어기를 전원과 부하회로에 연결된 조광기에 교류 실효 전압을 변화시켜서 사용할 수 있는 소자 중 가장 적합한 것은 ?
정답 ② · 교류 실효전압을 위상제어로 연속 가변시켜 조광 등에 사용하는 소자는 트라이액(TRIAC)이다. 트라이액은 양방향 소자로 교류 양(+),음(-) 반주기 모두에서 점호각 제어가 가능해 조광기·AC 위상제어기에 최적이다.
교류 양·음 반주기 모두 점호각(위상) 제어가 가능한 양방향 소자인 트라이액(TRIAC)이 조광기에 최적이다.
사이클로 컨버터(Sycloconverter) 란?
정답 ④ · 사이클로컨버터(cycloconverter)는 상용 교류전원을 정류소자(SCR 등)로 직접 제어하여 원하는 주파수의 교류로 변환하는 장치로, 직류단을 거치지 않고 교류-교류 직접 변환을 수행하는 주파수 변환기이다. 주로 저속 대용량 전동기의 속도제어(가변전압 가변주파수, VVVF)에 사용된다.
사이클로컨버터는 제어정류기(SCR)로 교류를 직류단 없이 저주파 교류로 직접 바꾸는 AC-AC 주파수 변환기이다.
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