전력 변환 소개 DC-DC 변환이란?

1) 직류(DC)와 교류(AC)에 대한 소개

전력 변환에 대해 소개하기 전에 직류(DC)와 교류(AC)에 대해 간단히 알아보겠습니다. 직류는 DC(Direct Current)라고 합니다.  시간에 따라 크기와 극성이 변하지 않는 전류를 의미합니다. 교류는 AC(Alternating Current)라고 합니다. 시간에 따라 크기와 극성이 변하는 전류를 의미합니다. 교류에는 전류가 얼마큼 빠르게 변하는지를 나타내는 지표가 있습니다. 1초당 극성이 변하는 횟수를 주파수(Frequency)라 하고 단위는 Hz입니다.

 

앞서 언급한 DC와 AC를 회로에서 그대로 사용하는 경우도 있습니다. 예를 들어 자동차의 Head Light LED를 켜기 위해 10V가 필요하다고 가정하겠습니다. 만약 10V의 배터리가 있다면 원하는 목적을 한 번에 달성할 수 있습니다. 하지만 그대로 사용하지 않고 이것을 변환하여 사용하는 경우 또한 있습니다. 그 예시로는 우리의 가정집 벽전원(Outlet)에서는 AC 전압이 출력됩니다. 이것을 가전제품에서 사용하기 위해서는 일정한 DC 전압으로 변환해야 합니다. 

2) 전력 변환 소개

 DC와 AC를 그대로 사용하는 것이 아닌, 이것을 변환하여 사용하는 경우에 대해 알아보겠습니다. 경우의 수에 따라 총 4가지의 경우를 생각할 수 있습니다.

 

1.DC를 DC로 변환하는 DC-DC 변환(Conversion) 

2.AC를 DC로 변환하는 AC-DC 변환(Rectification) 

3.DC를 AC로 변환하는 DC-AC 변환(Inversion) 

4.AC를 AC로 변환하는 AC-AC 변환(Cyclo-Inversion)

 

1번의 경우는 DC 전압의 크기를 변환하는 것이 목적입니다. 이때 DC 전압의 크기를 승압할 수도 있고 강압할 수도 있습니다. 또한 극성을 반전시킬 수도 있습니다.  2번의 경우는 DC 전압을 필요로 하는 회로에서는 꼭 있어야 하는 요소입니다. 벽전원(Outlet)에서 출력되는 AC 전압을 우선적으로 DC 전압으로 변환해야 하기 때문입니다. 3번의 경우는 모터와 같이 AC 전압이 요구되는 회로에서 사용됩니다. Conversion 한 DC 전압을 다시 AC 전압으로 Inversion 해야 합니다. 4번의 경우는 AC 전압의 크기를 바꿀 뿐만 아니라 주파수의 변화가 필요할 때 사용됩니다. 예를 들어 50kHz인 AC 전압을 25kHz인 AC 전압으로 변환할 수 있습니다. 우리는 4가지의 경우 중, 1번 Conversion에 대해 자세히 알아보겠습니다.

3) DC-DC 변환 방법

DC 전압을 다른 크기의 DC 전압으로 변환하는 방식을 DC-DC 변환(Conversion)이라고 합니다. 이것을 사용한 회로를 컨버터(Converter)라고 합니다. 즉 컨버터를 사용하여 DC의 크기를 변환하는 것이 목적입니다. DC-DC 변환을 설명하기 앞서 쉬운 예시로 접근해보겠습니다.

 

자동차의 배터리로 Head Light LED를 켠다고 생각하겠습니다. Head Light LED를 켜기 위해서는 10V의 전압이 필요합니다. 하지만 자동차의 배터리는 20V에서 30V로 주변 상황에 따라 변화하고 있습니다. LED의 수명을 오래 유지하기 위해서는 LED에 적절한 전압인 10V가 항상 인가되어야 합니다. 그렇다면 자동차의 배터리가 20V에서 30V로 변화하는 상황에서, 어떻게 LED에 일정한 10V를 공급할 수 있을까요?

 

우선 배터리 전압을 더 낮은 10V로 DC의 크기를 바꾸어야 합니다. 여기서 DC-DC 변환이 필요한 것을 이해할 수 있습니다. 그 방법에는 2가지가 있습니다. 첫 번째로는 리니어 레귤레이터(Linear Regulator)를 사용하는 방법입니다. 두 번째로는 스위칭 레귤레이터(Switching Regulator)를 사용하는 방법입니다. 이 2가지 방법 중 우리는 스위칭 레귤레이터를 선택할 것입니다.

 

다음 글에서는 리니어 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터의 특성에 대해 알아보겠습니다. 또한, 전력 변환에 있어 스위칭 레귤레이터를 사용해야 하는 이유에 대해서도 알아보겠습니다.