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  • 220Vac SMPS 입력 평활콘덴서 용량 선정: 계산과 시뮬레이션 예제

    220Vac SMPS 입력 평활콘덴서 용량 선정: 계산과 시뮬레이션 예제

    평활콘덴서는 허용 리플에서 용량을 계산한 뒤, 공차와 최저 버스전압을 확인해야 한다. 220Vac를 브리지 정류하는 60W SMPS를 예로 들어 계산하고, 정류 파형으로 리플과 충전전류를 확인한다.

    앞선 글 ‘평활 커패시터의 선택 방법’에서 내압과 Schade 그래프를 이용한 선정 원리를 다뤘다. 여기서는 일정전력 부하의 에너지 식으로 초기 용량을 구한다. 수치는 설계 예제의 조건을 기준으로 한다.

    1. 설계 조건: 220Vac, 60W, 리플 40Vpp

    대상은 PFC가 없는 단상 브리지 정류기와 입력 벌크콘덴서다. 연결 순서는 AC 전원 → 소스저항 → 브리지 정류기 → 벌크콘덴서와 DC/DC 입력 부하다. 콘덴서의 ESR은 직렬로 넣고, 버스의 DC 리턴은 보호접지와 구분한다. 상용전원에 직접 연결되는 고압 비절연 구간을 다루는 계산 예제이므로 회로 동작 검증과 수치 해석을 위한 예제로 구성했다.

    항목 예제 조건
    정격 입력과 변동 220Vac ±10%, 즉 198~242Vac
    전원 주파수 50/60Hz, 용량 계산은 50Hz 기준
    DC/DC 출력전력 60W
    DC/DC 단 효율 85%로 가정
    허용 버스 리플 40Vpp
    콘덴서 초기 용량 공차 −20%
    계산용 브리지 전압강하 도통 다이오드 두 개의 합 2V

    220Vac 사례는 상용전원 SMPS의 동작을 설명하기에 적절한 기준이다. 다만 85~264Vac 유니버설 입력이나 PFC 버스는 동작 영역이 다르므로 별도 계산이 필요하다. 허용 리플 40Vpp는 이번 설계의 목표값이며, 후단 DC/DC가 리플 최저점에서도 안정적으로 동작할 수 있는지는 실제 컨버터의 입력 범위로 확인해야 한다.

    2. 일정전력 부하는 에너지 식으로 계산한다

    DC/DC가 출력전력을 유지한다고 보면 버스에서 가져가는 평균 전력은 다음과 같다. 여기서 85%는 브리지와 입력단 손실을 제외하고 DC/DC 단의 변환 전력을 평가하기 위해 둔 효율이다.

    \[ P_{\mathrm{bus}}=\frac{P_{\mathrm{out}}}{\eta_{\mathrm{DC/DC}}} =\frac{60}{0.85}\approx70.59\,\mathrm{W} \]

    버스전류는 \(I=P_{\mathrm{bus}}/V_{\mathrm{bus}}\)이므로 방전 중 전압이 떨어지면 증가한다. 따라서 일정전류를 가정한 \(C=I\Delta t/\Delta V\)에 한 전류값을 고정하기보다 콘덴서의 에너지 변화를 사용하는 편이 적절하다.

    \[ P_{\mathrm{bus}}\Delta t=\frac{1}{2}C_{\mathrm{eff}} \left(V_{\mathrm{hi}}^2-V_{\mathrm{lo}}^2\right),\qquad C_{\mathrm{eff}}=\frac{2P_{\mathrm{bus}}\Delta t}{V_{\mathrm{hi}}^2-V_{\mathrm{lo}}^2} \]

    전파정류의 리플 주파수는 전원 주파수의 두 배다. 먼저 충전시간을 생략하여 방전시간을 \(\Delta t\approx1/(2f_{\mathrm{line}})\)로 잡는다. 50Hz에서는 10ms다. 방전시간을 보수적으로 길게 잡아 초기 용량을 빠르게 가늠하기 위한 1차 근사다. Power Integrations AN-92의 Appendix A도 정류기 차단 중 일정전력 부하의 에너지 관계로 벌크콘덴서를 계산한다.

    저입력 198Vac에서 계산용 충전 피크와 목표 최저전압은 다음과 같다.

    \[ V_{\mathrm{hi}}\approx198\sqrt{2}-2=278.01\,\mathrm{V},\qquad V_{\mathrm{lo}}=278.01-40=238.01\,\mathrm{V} \]

    \[ C_{\mathrm{eff,min}}\approx \frac{2\times70.59\times0.010}{278.01^2-238.01^2} \approx68.4\,\mu\mathrm{F} \]

    초기 공차 −20%를 적용하면 명목 용량은 \(C_{\mathrm{nom}}\ge68.4/0.8\approx85.5\,\mu\mathrm{F}\)가 필요하다. 따라서 100µF를 초기 후보로 잡는다. 여기서는 초기 공차를 반영해 1차 후보를 정한 상태이며, 실제 설계에서는 온도 특성과 수명에 따른 용량 변화까지 감안해 최종 마진을 확정한다.

    3. 후보 용량은 최소 실효값으로 비교한다

    리플은 아래 식으로 다시 계산해 비교할 수 있다. 비교표의 실효용량은 명목값의 80%이며, 근사 계산에는 동일한 저입력 피크 278.01V를 사용했다.

    \[ V_{\mathrm{lo}}\approx\sqrt{V_{\mathrm{hi}}^2- \frac{2P_{\mathrm{bus}}}{2f_{\mathrm{line}}C_{\mathrm{eff}}}},\qquad \Delta V_{\mathrm{pp}}=V_{\mathrm{hi}}-V_{\mathrm{lo}} \]

    명목 용량 −20% 실효용량 50Hz 근사 리플 60Hz 근사 리플 50Hz 해석 리플
    68µF 54.4µF 51.4Vpp 42.1Vpp 40.4Vpp
    82µF 65.6µF 41.9Vpp 34.4Vpp 33.7Vpp
    100µF 80µF 33.8Vpp 27.8Vpp 27.8Vpp
    120µF 96µF 27.8Vpp 23.0Vpp 23.2Vpp

    근사 기준에서 82µF는 50Hz·40Vpp 목표를 넘고, 100µF는 만족한다. 100µF 후보의 실효용량 80µF를 적용하면 50Hz 근사 리플은 약 33.8Vpp, 최저전압은 약 244.2V다. 60Hz에서는 재충전 간격이 짧아져 리플이 감소한다. 표의 해석값에는 다음 절의 회로 조건을 적용했다.

    4. 회로 파형과 계산값은 얼마나 다를까

    220Vac 브리지 정류기, 소스저항, ESR 직렬 평활콘덴서와 일정전력 DC/DC 입력 부하
    220Vac 입력의 브리지 정류·평활 회로. DC 리턴은 보호접지와 구분한다.

    아래 파형은 브리지 정류기 회로를 ngspice로 과도해석한 결과다. 입력 소스저항은 2Ω, 콘덴서 ESR은 0.5Ω으로 가정했다. 네 다이오드는 동일한 일반 모델을 사용했다. 모델 파라미터는 IS=5nA, N=1.8, RS=0.1Ω, BV=1000V, IBV=10µA다. 특정 부품에 국한하기보다 회로의 기본 거동을 확인하기 위한 모델링이다.

    부하는 \(I_{\mathrm{load}}=70.59/V_{\mathrm{bus}}\)인 평균화 일정전력 모델이다. 기동 계산의 안정을 위해 200V 이하에서는 분모를 제한하고 50~55ms에 부하를 서서히 인가했다. 결과는 0.5~0.6초의 정상상태에서 평가했다. 이 구간에서 버스가 200V보다 높고 부하전력이 설정값을 유지하는지 확인했다. 해석의 최대 시간간격은 20µs다. 행동소스와 과도해석 방법은 과도해석 매뉴얼을 참고할 수 있다.

    198Vac·50Hz·실효 80µF 항목 해석 결과
    버스 최고전압 약 277.1V
    버스 최저전압 약 249.3V
    버스 리플 약 27.8Vpp
    콘덴서 저주파 리플전류 약 0.654Arms
    브리지 출력 충전전류 피크 약 2.43A
    입력 AC 전압과 버스전압을 같은 전압축에 겹쳐 표시했다. 50Hz 입력 AC 기준 2주기(40ms), 실효용량 80µF.
    입력 AC 전압과 버스전압을 같은 전압축에 겹쳐 표시했다. 50Hz 입력 AC 기준 2주기(40ms), 실효용량 80µF.

    단순 계산값 33.8Vpp보다 회로 해석값 27.8Vpp가 작다. 실제 모델에서는 정류기가 일정 시간 도통하며 부하를 공급하고 콘덴서를 충전하므로, 반주기 전체를 방전한다고 가정한 계산보다 방전시간이 짧기 때문이다. 반대로 소스저항과 다이오드의 전압강하는 충전 가능한 최고전압을 낮춘다. ST AN1262에서도 입력 벌크콘덴서와 최소 버스전압을 검토할 때 정류기의 도통시간을 고려한다.

    회로 해석에서 82µF 후보가 40Vpp 이내로 나와도 곧바로 채택하기는 섣부르다. 여기의 저항과 다이오드는 가정한 값이다. 초기 후보는 보수적인 1차 계산으로 잡고, 실제 부품과 입력 조건을 반영한 모델 및 측정으로 좁혀가는 편이 안전하다.

    브리지 출력전류, 콘덴서 전류, 부하전류. 콘덴서 전류의 양수는 충전, 음수는 방전이며 고주파 스위칭 전류는 포함하지 않는다.
    브리지 출력전류, 콘덴서 전류, 부하전류. 콘덴서 전류의 양수는 충전, 음수는 방전이며 고주파 스위칭 전류는 포함하지 않는다.

    콘덴서 전류는 \(i_C=i_{\mathrm{bridge}}-i_{\mathrm{load}}\)다. 방전 중에는 부하로 전류를 내보내고, 충전 중에는 펄스전류를 받는다. 그래서 부하전류만으로 콘덴서의 허용 리플전류를 판단할 수는 없다. 위 RMS 값은 \(I_{C,\mathrm{rms}}=\sqrt{(1/T)\int i_C^2dt}\)로 계산한 저주파 성분이다. 평균화 부하 모델에는 DC/DC의 고주파 스위칭 전류가 포함되지 않은 상태다.

    5. 내압과 리플전류는 별도로 확인한다

    고입력 242Vac에서 무부하 피크를 다이오드 전압강하 없이 계산하면 \(V_{\mathrm{pk,max}}\approx242\sqrt{2}=342.2\,\mathrm{V}\)다. 이 정상상태 전압을 기준으로 400V와 450V 등급을 후보로 비교할 수 있다. 실제 정격 전압을 결정할 때는 정상상태 피크 외에도 서지 마진, 전압 디레이팅 규격, 동작 온도를 종합해 검토한다.

    리플전류 정격은 데이터시트의 주파수와 온도 조건까지 맞춰 비교한다. 이 모델의 저주파 ESR 손실만 단순 계산하면 \(P_{\mathrm{ESR}}\approx0.654^2\times0.5\approx0.214\,\mathrm{W}\)다. 실제 손실에는 주파수에 따른 ESR과 고주파 전류도 반영해야 한다. 온도·수명 검토는 평활콘덴서 수명과 배치에 관한 글에서 이어서 살펴볼 수 있다. 용량을 늘릴 때에는 기동 돌입전류와 정류기 스트레스도 함께 확인한다.

    리플 목표와 홀드업 시간도 구분해야 한다. 이번 50Hz 계산의 10ms는 정류 피크 사이의 주기적 간격이다. 전원 차단 후 20ms 동안 출력을 유지하는 조건과는 다르다. 홀드업은 \(t_{\mathrm{hold}}\approx C_{\mathrm{eff}}(V_{\mathrm{start}}^2-V_{\mathrm{stop}}^2)/(2P_{\mathrm{bus}})\)로 별도 검토하며, 최악조건의 리플 골에서 전원이 끊기는 경우와 후단의 실제 최소 동작전압을 사용해야 한다.

    6. 이 예제의 선정 결과

    220Vac ±10%, 60W, DC/DC 효율 85%, 50/60Hz, 허용 리플 40Vpp 조건에서는 100µF를 초기 용량 후보로 정할 수 있다. −20% 공차를 반영한 80µF에서 50Hz 근사 리플은 약 33.8Vpp이고, 회로 해석값은 약 27.8Vpp다.

    계산으로 1차 용량 후보를 정한 뒤 실제 부품을 최종 선정할 때 점검할 기준은 다음과 같다.

    • 저입력(198Vac)에서 리플 최저점이 후단 DC/DC의 최소 입력전압 이상을 유지하는지 확인한다.
    • 고입력(242Vac) 무부하 피크 전압(342.2V)을 기준으로 서지 마진과 디레이팅 규격을 만족하는 내압 등급(400V 또는 450V)을 결정한다.
    • 저주파 리플과 고주파 스위칭 성분에 의한 발열, 그리고 기동 시 돌입전류를 감당할 수 있는지 점검한다.
  • 평활 커패시터의 선택 방법

    평활 커패시터의 선택 방법

    정류 회로에서 가장 주의해야 하는 것은 평활 커패시터의 선택이다. 여기에는 크기당 용량을 가장 크게 할 수 있는 알루미늄 전해 커패시터를 주로 사용한다. 전해 커패시터는 간단한 구조의 부품이지만, 제대로 사용하지 않으면 직류 전원의 특성이 나오지 않거나, 커패시터가 파손 될 수 있기 때문에 주의 해야 한다.

    또 급격하게 파손되지는 않아도 짧은 시간에 정전용량이 감소되어 수명이 짧아지는 경우도 있다. 전원 장치의 신뢰성은 전해 콘덴서에 의해 결정된다고 해도 과언이 아니므로, 사용방법을 충분히 숙지해 두어야 한다.


    커패시터의 전압 정격

    커패시터의 내압은 정류, 평활 후 리플 전압의 피크값 이상이어야 하기 때문에, 트랜스의 권선 전압을 \( \sqrt{2} \)로 한 전압을 선정한다. 물론 이때는 입력 전압의 변동값을 고려해야 해야 한다.

    Maximum VA ratingRegulation(%)
    1035
    1525
    3017
    5015
    7012
    1009.5
    2007
    3006
    5003.8
    10002.5
    Transformer Regulation per Maximum VA Rating

    또한 트랜스에 표시되어있는 단자 전압은 정격 전류를 흐르게 했을 때의 것으로, 전류가 감소하면 전압값이 상승하기 때문에 주의가 필요하다. 이것은 트랜스 권선의 저항에 따른 전압 강하가 있기 때문이며, 그 비율을 변동률이라 하고 \( \varepsilon\)로 표시하고 있다.

    트랜스의 정격 전압을 \( \varepsilon\), 입력 전압의 변동을 \(\pm \alpha %\)로 하면 커패시터의 내압 \(V_{C}\)는 \(V_{C}\geq \varepsilon \times \frac{100+\alpha }{100}\times \sqrt{2}\varepsilon\)이어야 한다. 전해 커패시터에 연속하여 인가되는 내압을 Working Volt(WV)라고하며, WV의 약 1.3배를 서지 전압에 대한 상한값으로 고려하여 선정한다.

    커패시터는 인가 전압에 따라 수명이 줄어든다. 이것은 커패시터 자체의 누설 전류에 의해 자체 발열이 됮기 때문인데, 인가 전압이 커패시터의 내압 정격을 넘지 않더라도 정격 저감(derating)하여 신뢰성 수명을 고려하여 선정한다. 최근의 전해 커패시터는 누설전류가 무시할 수 있을 정도로 작은 것이 많이 사용되고 있으므로, 누설전류가 작은 제품을 선정하는 것도 방법이다.

    Examples of Capacitor characteristics : Samwha HC Series Capacitor

    커패시터의 정전 용량

    가능한 소형의 커패시터를 사용하는 것이 비용 측면에서 좋지만, 너무 작은 용량의 커패시터는 정류 출력의 리플전압이 증가하게 된다. 평활 커패시터의 용량을 구하는 가장 일반적인 방법은 O.H. Schade의 그래프를 이용하는 것이다.

    Relation of Applied Alternating Peak Voltage to Direct Output Voltage in Full wave capacitor Input Circuits

    먼저 정류 후의 등가 부하 저항 \(R_{L}\)을 구한다. 이때의 정류 전압 \(V_{O}\)는 전압 파형의 왜곡, 정류 다이오드의 순방향 전압 강하, 리플 전압을 고려하여 그 평균값을 구하기 위한 계수를 0.9로 하여 곱한다.

    즉 \(V_{O}=\tilde{e}\times \sqrt{2}\times 0.9\)가 된다.

    직류 전류 \(I_{O}\)는 일반적인 레귤레이터에서는 출력 전류 \(I_{O}\)이기 때문에 \( R_{L}=\frac{V_{O}}{I_{O}} \)가 된다.

    다음에 \(\frac{R_{S}}{R_{L}}\)을 구한다. \(R_{S}\)는 정류 회로의 라인 임피던스로, 대부분이 트랜스의 권선저항 정도이다. 트랜스는 변동률 (\\varepsilon\)이 정격으로부터 대략적으로 알려져 있기 때문에 무부하시의 정류 전압 \({V_{O}}’ \)는 \(V_{O}’=\left [ 1+\frac{\varepsilon }{100} \right ]\times V_{O}\)로 구할 수 있다.

    따라서 트랜스의 권선 저항 \(R_{S}\)에 따른 전압 강하는 \({V_{O}}’ – V_{O}=I_{O}R_{S}\)가 되기 때문에 \(R_{S}=\frac{\varepsilon}{100}\frac{V_{O}}{I_{O}}\)로 구할 수 있다

    예를 들어 O.H. Schade의 표에서 세로축 전압변동률이 90(-10%)일 때, 가로축 \(\omega CR_{L}=10\)이상이다. 전원주파수 60Hz, 출력전압 \(V_{O}=15V\), 출력전류 \(I_{C}=3A\)일 경우 커패시터의 용량 \(C=\frac{10}{2\pi\times 60 \times 5}=5,300uF\)이상이 되어야한다.


    전해 커패시터의 허용 리플 전류

    전해 커패시터의 리플 전류 값 \(I_{r}\)의 허용값은 커패시터의 순저항에 의해 발생하는 손실로, 온도가 10℃상승 할 때 마다 수명이 반감된다.

    전해 커패시터는 일반적으로 85℃, 고온용 105℃를 사용온도 한계로 가지며, 통상 최대 2000시간 정도의 동작 밖에 보증되어 있지 않다. 따라서 85℃의 것을 55℃로 사용하면 수명 \(T=2000\times 2^{(85-55)/10}=16000\)시간으로, 연속하여 사용하면 2년 정도 밖에 사용할 수 없다. 따라서 커패시터의 신뢰성 수명이 중요한 경우에는 가능한 리플 전류 허용치가 높은 고온의 제품을 사용하며, 자체 발열 및 주위의 열로부터 방열 할 수 있도록 하는 것이 중요하다.

    허용 리플 전류는 온도 및 주파수에 의해서도 변화한다. 일반적으로 datasheet에는 최고 온도 및 전파 정류의 120Hz에서의 값이 표시되어 있고, 아래와 같은 경감 계수를 적용 할 수 있다.

    Temp85706040
    Constant1.01.71.92.8
    Temperature Derating of Ripple Current

    Freq60120100010000
    Constant0.81.01.31.5
    Frequency Derating of Ripple Current in Capacitor

    예를들어 Samwha의 450WV, 220uF, 35㎜ ,수명 3000시간의 HC 커패시터를 60℃, 120Hz에서 사용 할 경우,리플 전류 값 \(I_{r}=1.14\times 1.9 \times 1.0=2.1A\) 까지 흐르는 것이 가능 하다.

    Examples of Capacitor characteristics : Samwha HC Series Capacitor

    전원 장치에 사용하는 전해 커패시터는 이 허용 리플 전류의 조건에 따라 부품을 선정해야 하는 것이 중요하다.

  • 브릿지 다이오드의 선정 방법

    브릿지 다이오드의 선정 방법


    다이오드의 특성

    다이오드는 그림에서 나타내듯이 ▶의 방향으로만 전류를 흐르게 할 수 있는 부품이다. 이것은 순방향 전압 \( V_{F} \) 이상으로 다이오드 양단에 전압이 인가되면 순방향 전류 \( I_{F} \)가 급격히 증가하는 비선형 관계이다. 또 순방향의 전류 \( I_{F} \)가 흐르면 반드시 순방향 전압 강하 \( V_{F} \)가 발생 한다.

    이때 전력 손실이 발생 하기 때문에 대전류의 정류 회로에서는 부품 발열에 유의해야한다. 다이오드가 발열 되면 누설 전류가 증가하고, 열 폭주로 인한 화재의 위험성이 있다. 때문에 대부분의 다이오드 플라스틱 몰드는 UL94V-0 이상의 난연 규격을 만족 하고 있다.

    Diode Forward Voltage(\( V_{F} \)) – Forward Current(\( I_{F} \))Characteristic

    브릿지 다이오드의 내압 \(V_{RM}\)선정

    브릿지 정류회로에서는 다이오드가 도통하고 있는 동안에 각각의 다이오드 양단 전압 \(V_{D}\)의 인가 전압 \( e\)의 \(\sqrt{2}\times e_{rms}\)가 된다. 실제로는 AC의 입력 전압이 변동하면 그것에 비례 하여 \( e_{rms}\)도 변화하기 때문에 최대 입력 전압 시에도 \(V_{D}\)가 다이오드의 내압 \(V_{RM}\)을 초과하지 않도록 해야 한다.

    또 실제 정류회로에서는 서지와 같은 외부 노이즈의 영향이 있기 때문에 \(V_{RM}\)을 충분히 여유가 있게 선정하여야 한다. 일반적으로 정류 전압의 2배의 내압을 선정하며, 인가 전압이 불안정하다면 더 높은 내압 선정이 필요하다.


    브릿지 다이오드의 순방향 전류 \(I_{F}\)선정

    일반적인 정류 회로에서는 다이오드를 흐르는 전류 \(i_{c}\)는 정현파가 아닌 펄스 파형으로 흐른다. 이 펄스 전류는 여러가지 조건으로 최대값이 변화한다.

    우선 다이오드를 흐르는 \(i_{c}\)의 평균값 \(I_{ave}\)는 정류 후의 직류 전류 \(I_{O}\)와 같아야 하기 때문에 반사이클의 주기를 \(T\)로 하고, 전류가 흐르고 있는 기간을 \(t_{1}\)으로 하면 \(\frac{1}{T}\int_{0}^{t_{1}}i_{c}dt=I_{0}\)가 된다.

    Relation of RMS and Peak to Average Diode Current in Capacitor-input Circuits
    From O.H Schade, Proc. IRE, Vol. 31, 1943, p. 356

    일반적으로 정류 다이오드의 순방향 전류 \(I_{F}\)는 이 \(i_{c}\)의 평균값에서 최대 정격이 정해져 있다. 그러나 이것은 전류가 직류로 흐른 경우의 값이고 펄스 전류는 정격값을 낮게 생각해야 한다. 이 펄스 전류의 최대값 \(i_{CP}\)는 O.H. Schade의 그래프로부터 구할 수 있다. 가로축의 \(n\omega CR_{L}\)의 \(n\)은 배전압 정류에서는 0.5, 반파정류에서는 1, 전파정류에서는 2의 계수를 가진다. \(C\)는 커패시터의 용량, \(R_{L}\)은 부하 저항 값이다.

    다음에 세로축의 \(R_{S}/\left ( nR_{L} \right )\)은 부하 저항과 라인 임피던스의 비율을 의미한다. 라인 임피던스 \(R_{S}\)는 배선의 저항 값은 물론 전원 트랜스의 권선 저항도 포함하여 생각해야한다.

    이러한 조건에서 아래 그래프에서 왼쪽 세로축의 수치를 읽는다. 이 수치에 출력 전류 \(I_{O}\)를 곱한 것이 전류의 최대값 \(i_{CP}\)이다.


    서지 전류를 고려한 다이오드 선정

    다이오드의 또 하나의 전류 조건은 서지 전류 \(I_{FSM}\)이다. 정류 회로에서는 처음에 전원 스위치를 동작하는 시점에 커패시터의 충전 전압은 0V로 되어 있다. 따라서 스위치를 동작한 순간에는 커패시터로 큰 충전 전류가 흐른다. 이것을 돌입 전류라고 하며 이 큰 충전 전류에 의하여 커패시터의 단자전압이 상승되고 그에 따라 서서히 충전의 전류값이 정상 상태로 된다.

    일반적으로 정류 다이오드의 서지 전류 \(I_{FSM}\)는 순방향 전류 \(I_{F}\)의 10배 정도의 값을 가지고 있다. 그러나 이것은 1사이클의 보증값이고 다이오드의 온도가 높은 상태에는 값이 저하된다.


    다이오드의 전력 손실

    다이오드는 순방향 전압 강하 \(V_{F}\)와 순방향 전류 \(I_{F}\)에 의해 전력 손실이 발생 한다. 그리고 이것에 의하여 발열하여 온도가 상승한다. 현재 일반적으로 사용되고 있는 실리콘 다이오드는 최대 정션온도 \(T_{j(max)}\)가 150℃이기 때문에 이것을 넘지 않도록 해야한다. 다이오드의 전류 정격은 정션온도에 도달하는 조건으로 정해져 있기 때문에 온도가 높은 경우에는 방열기를 설치하여 온도를 낮게하는 조치가 필요하다.

    다이오드의 전력 손실을 엄밀하게 계산하는 것은 쉽지 않다. 간단하게 계산하는 방법으로는 순방향 전압 강하 \(V_{F}\)에서 정류 후 출력 전류 \(I_{O}\)와의 곱을 손실로 하여 계산한다. 또 브릿지 다이오드에서는 항상 2개의 다이오드에 전류가 흐르기 때문에 합계 손실은 2배로 하여야 한다.

  • 다이오드 개수에 따른 정류 회로의 종류

    다이오드 개수에 따른 정류 회로의 종류


    다이오드 1개를 사용한 반파 정류 회로

    상용 전원은 50/60Hz의 정현파로, 주파수의 절반 마다 플러스 전압과 마이너스 전압의 대칭 파형이다. 이를 1개의 다이오드로 플러스 전압만 정류 하는 것을 반파 정류 회로라고 한다.

    이때 다이오드는 플러스 전압으로 전하를 커패시터에 충전 시키고 마이너스 전압 사이클 에서는 다이오드에 역전압이 인가되어 커패시터에 충전된 전하가 반대 방향으로 방전되는 것을 방지하는 역할을 한다. 이때 직류 출력 전류 \( I_{O} \)는 커패시터 충전 전류 \( i_{C} \)의 평균값으로 \( I_{O}=\frac{1}{T}\int_{0}^{t}i_{C}dt \)이다.

    이와 같이 반파 정류 회로에서는 커패시터의 충전 전류 \( i_{C} \)는 전원 주파수의 1주기에 1회 밖에 충전되지 않으므로, 전류 최대값 \( i_{C,peak} \)는 그만큼 커진다. 그러므로 반파 정류 회로는 출력 전류가 크면 출력 리플을 저감하기 위해 커패시터의 용량이 커진다. 그 때문에 작은 출력 전류의 회로에서만 사용해야 한다.

    Half wave rectifier

    다이오드 2개를 사용한 전파 정류 회로

    전파 정류회로는 다이오드 2개를 사용하여 정현파의 플러스 전압과 마이너스 전압을 모두 정류 하는 방식이다. 다이오드 2개를 사용하는 전파 정류 회로는 2차측에 트랜스의 중간 탭을 중심으로 하여 2개의 권선이 필요하다. 트랜스 각각의 권선은 플러스 반주기에서는 다이오드 \( D_{1} \)이 도통하고, 마이너스 반주기에서는 다이오드 \( D_{2} \)가 도통한다. 따라서 정류 파형은 정현파의 마이너스 반주기가 반전된 펄스 파형이다.

    Full wave rectifier

    다이오드 4개를 사용한 전파 정류 회로

    가장 많이 사용되는 것은 다이오드 4개를 사용한 전파 정류 회로로, 브릿지 정류 회로라고도 한다. 트랜스 권선을 1개로 하는 대신에 다이오드를 4개 사용해야 하지만, 다이오드 4개가 패키징된 브릿지 다이오드가 많이 시판되고 있기 때문에 큰 단점은 아니다.

    플러스 반주기와 마이너스 반주기 때의 전류가 교대로 커패시터에 전하를 충전하므로 전파 정류되지만, 전류가 흐르는 경로에 2개의 다이오드가 직렬로 삽입되기 때문에 다이오드의 순방향 전압 강하 \( V_{F} \)가 2배가 되고 그만큼 손실이 증가하게 된다.

    예를 들어 정류 전압이 12V 이고 출력전류가 1A인 12W 회로의 효율을 계산해 보자. 다이오드의 순방향 전압 강하 \( V_{F} \)를 1V로 두면 중간 탭을 사용한 전파 정류의 경우

    $$\eta = \frac{12W}{\left ( 12V + 1V_{F} \right )\times 1A}=92\%$$

    인것에 비해, 브릿지 다이오드를 사용한 전파 정류의 경우

    $$\eta = \frac{12W}{\left ( 12V + 2V_{F} \right )\times 1A}=86\%$$

    로 효율의 차이가 크다.

    이러한 단점에도 불구하고 트랜스의 중간 탭을 제거하고 시판되는 브릿지 다이오드를 사용하여 회로를 단순하게 만들 수 있기 때문에 브릿지 정류 회로는 많이 사용되고 있다.

    Bridge rectifier

    회로의 목적에 맞는 정류 회로를 사용한다

    위와 같이 각각의 정류 회로는 단점과 장점이 명확하다. 다이오드 1개를 사용하면 회로는 단순하나, 커패시터의 충전 전류가 크기 때문에 작은 출력에 사용하여야 하고, 다이오드를 2개를 사용하면 효율이 높으나 트랜스의 센터탭을 설계 해야하는 부담이 있다. 브릿지 다이오드를 사용하면 설계가 단순 하지만 다이오드의 순방향 전압 강하를 고려한 효율을 고민하여야 한다.

    최근에는 높은 효율을 위하여 다이오드 대신 FET를 사용하여 정류하는 방법인 동기 정류 회로가 사용되고 있으나, 이것에 대한 설명은 다음에 하도록 하겠다.