MOSFET 전력전자 실습 장비 결과보고서

본 내용은 " 부산대학교 응용전기전자실험2 결과보고서(4. 전력전자 실습 장비(MOSFET) 결과보고서) " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.10.19

문서 내 토픽

• 1. MOSFET Buck Chopper

  MOSFET buck chopper는 입력 전압을 감소시키는 DC-DC 컨버터이다. 실험에서 duty cycle을 0~90%까지 30%씩 증가시키며 측정한 결과, 입력 전압 약 50V에서 duty cycle 0%, 30%, 60%, 90%일 때 출력 전압이 각각 0V, 14.62V, 29.58V, 44.10V로 측정되었다. 출력/입력 전압비(Vout/Vin)는 duty cycle과 동일한 비율을 따르며, 이는 이론식 Vout/Vin = D(duty cycle)를 실험으로 확인한 결과이다.

• 2. MOSFET Boost Chopper

  MOSFET boost chopper는 입력 전압을 증가시키는 DC-DC 컨버터이다. 실험에서 duty cycle을 0~60%까지 20%씩 증가시키며 측정한 결과, 입력 전압 약 100V에서 duty cycle 0%, 20%, 40%, 60%일 때 출력 전압이 각각 99.29V, 123.05V, 161.42V, 230.64V로 측정되었다. 출력/입력 전압비는 1/(1-duty cycle) 이론식을 따르며, 실험값이 이론값과 일치함을 확인하였다.

• 3. Duty Cycle 제어

  Duty cycle은 MOSFET 스위칭 신호의 온(ON) 시간 비율을 나타내며, 전력전자 컨버터의 출력 전압을 제어하는 핵심 파라미터이다. Buck chopper에서는 duty cycle이 증가할수록 출력 전압이 선형적으로 증가하고, boost chopper에서는 duty cycle이 증가할수록 출력 전압이 비선형적으로 증가한다. 이를 통해 duty cycle 변화에 따른 출력 특성을 실험적으로 검증할 수 있다.

• 4. DC-DC 컨버터 특성

  DC-DC 컨버터는 직류 전압을 다른 직류 전압으로 변환하는 전력전자 장치이다. Buck chopper는 강압형으로 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 생성하며, boost chopper는 승압형으로 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성한다. 두 컨버터 모두 MOSFET 스위칭 소자를 사용하여 duty cycle 제어로 출력 전압을 조절하며, 이론식과 실험값의 일치를 통해 전력전자 기본 원리를 확인할 수 있다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. MOSFET Buck Chopper

  MOSFET Buck Chopper는 입력 전압을 낮추는 DC-DC 컨버터로서 전력 전자 시스템에서 매우 중요한 역할을 합니다. MOSFET을 스위칭 소자로 사용함으로써 높은 효율과 빠른 응답 속도를 달성할 수 있습니다. 특히 낮은 온-저항(RDS,on)을 가진 현대의 MOSFET들은 전력 손실을 최소화하여 전체 시스템 효율을 크게 향상시킵니다. 다만 스위칭 주파수가 높아질수록 스위칭 손실이 증가하므로 최적의 주파수 선택이 필수적입니다. 또한 기생 인덕턴스와 캐패시턴스로 인한 전자기 간섭(EMI) 문제를 고려한 설계가 필요합니다.

• 2. MOSFET Boost Chopper

  MOSFET Boost Chopper는 입력 전압을 높이는 DC-DC 컨버터로서 재생 에너지 시스템, 전기자동차, 그리고 고전압 응용에서 필수적입니다. Buck Chopper와 달리 에너지 저장 소자인 인덕터가 입력 전원과 직렬로 연결되어 있어 입력 전류가 더 부드럽고 안정적입니다. MOSFET의 빠른 스위칭 특성으로 인해 높은 승압비를 효율적으로 달성할 수 있습니다. 그러나 높은 전압 스트레스와 역회복 시간(reverse recovery time)으로 인한 손실을 관리해야 하며, 적절한 프리휠 다이오드 선택이 중요합니다.

• 3. Duty Cycle 제어

  Duty Cycle 제어는 DC-DC 컨버터의 출력 전압을 조절하는 가장 기본적이고 효과적인 방법입니다. MOSFET의 온-오프 시간 비율을 조정함으로써 선형적으로 출력 전압을 제어할 수 있으며, 이는 간단한 제어 회로로도 구현 가능합니다. PWM(Pulse Width Modulation) 기반의 Duty Cycle 제어는 높은 효율을 유지하면서도 정밀한 전압 조절을 가능하게 합니다. 다만 Duty Cycle이 극단값(0% 또는 100%)에 가까워질수록 제어 범위가 제한되고, 동적 응답 특성이 저하될 수 있습니다.

• 4. DC-DC 컨버터 특성

  DC-DC 컨버터의 특성은 입출력 전압 관계, 효율, 응답 속도, 그리고 안정성 등 여러 측면을 포함합니다. 이상적인 DC-DC 컨버터는 높은 효율, 낮은 출력 리플, 빠른 동적 응답, 그리고 넓은 입력 전압 범위를 가져야 합니다. 실제 컨버터는 MOSFET의 온-저항, 다이오드의 순방향 강하, 그리고 기생 소자들로 인해 손실이 발생합니다. 또한 부하 변화에 대한 안정성과 열 관리가 중요한 설계 고려사항입니다. 현대의 집적 컨버터들은 이러한 특성들을 최적화하여 높은 전력 밀도와 신뢰성을 제공합니다.