전력 전자 분야에 관심 있다면 한 번쯤 들어봤을 단상 전압원 정류기(Single-phase Voltage Source Rectifier, 이하 VSR). 그리고 요즘 효율 향상 기술로 주목받는 불연속 펄스 폭 변조 알고리즘(Discontinuous Pulse Width Modulation, 이하 DPWM). 이 두 기술이 만나면 어떤 시너지가 날까요?
단상 전압원 정류기는 AC 전력을 DC로 변환하는 핵심 장비입니다. 그런데 여기엔 항상 고민거리가 하나 있죠. 바로 전력 손실. 스위칭 손실, 도통 손실, EMI(전자파 간섭)… 이 모든 게 성능 저하의 원인이에요.
그래서 이번 포스트에서는 ‘단상 전압원 정류기’의 성능을 극대화할 수 있는 불연속 펄스 폭 변조 알고리즘의 원리, 구현 방법, 시뮬레이션 결과를 아주 디테일하게 풀어보려고 해요. 이해하기 쉬운 구조와 예시도 함께 소개할게요.
1. 단상 전압원 정류기, 기본 구조부터 이해하자
기본 개념과 구성 요소
단상 VSR은 일반적으로 다음과 같은 부품으로 구성돼요:
- 스위칭 소자 (IGBT 또는 MOSFET) : 전력의 흐름을 제어
- 프리휠링 다이오드 : 전류의 연속성을 유지
- 인덕터, 캐패시터 : 필터링 및 에너지 저장
- 제어 회로 : 원하는 전압과 전류를 만들기 위해 스위칭을 제어
기본 구조는 양쪽에 두 개의 스위칭 그룹(예: S1/S4, S3/S6)을 배치해 브리지 형태로 동작시켜요. 여기서 전류가 흐르면서 전력을 DC 형태로 변환하는 거죠.
2. 기존 방식(SPWM)의 한계점
연속 PWM(SPWM)이란?
SPWM은 우리가 가장 흔히 쓰는 변조 방식이에요. 사인파와 삼각파를 비교해서 스위칭 타이밍을 결정하죠. 이 방식은 구현이 간단하고 제어가 쉬운 편이에요.
하지만! 문제는 스위칭 손실이 많다는 거예요. 왜냐하면 계속해서 스위치가 켜졌다 꺼졌다 반복되기 때문이에요. 이러면 열이 많이 나고, 전력 소자 수명도 줄어들 수 있어요.
3. 불연속 펄스 폭 변조 알고리즘, 기존 방식을 어떻게 뛰어넘을까?
개념 정리: 불연속 펄스 폭 변조란?
DPWM은 특정 구간에서는 스위칭을 아예 하지 않는 방식이에요. 이 ‘비활성 구간’을 전류가 가장 클 때 맞춰주면, 스위칭 손실을 최소화할 수 있어요.
간단히 말해,
“꼭 필요한 순간에만 스위칭하자! 나머지는 쉬어가자!
”
어떻게 이런 게 가능할까?
비결은 바로 제로 시퀀스(Zero-sequence) 신호 삽입이에요. 사인파 타겟 파형에 적절한 DC 성분을 더해줘서, 특정 구간에서는 PWM 신호가 0 또는 1로 고정되도록 만들어주는 거죠.
이게 바로 DPWM의 핵심 아이디어예요.
4. abc → dq 변환 : 제어의 마법
왜 좌표 변환이 필요할까?
3상 시스템은 자연스럽게 직교 성분(d, q)을 만들 수 있지만, 단상은 그렇지 않아요. 그래서 논문에서는 1차 올패스 필터를 써서 인위적으로 90도 위상차가 나는 신호를 생성하고, 이걸로 dq 좌표로 변환해요.
dq 변환을 쓰면 좋은 점?
- PI 제어기를 사용할 수 있음
- 무효전력/유효전력을 따로 제어 가능
- 더 정확하고 빠른 동작 가능
이렇게 dq로 옮기면 제어가 한층 더 정밀해지고 효율적이에요.
5. 다양한 PWM 방식 비교
SPWM vs 기존 DPWM vs 제안된 DPWM
| 항목 | SPWM | 기존 DPWM | 제안된 DPWM |
| 스위칭 손실 | 높음 | 중간 | 낮음 |
| 도통 손실 | 비슷 | 비슷 | 비슷 |
| 손실 균형 | 균일 | 불균형 | 균형 |
| 효율 | 보통 | 좋음 | 최고 |
기존 방식보다도 더 손실을 줄이고, IGBT 간 손실 분산도 잘 되도록 설계된 게 제안된 DPWM이에요.
6. 시뮬레이션으로 확인한 성능 개선
실험 조건 요약
- 입력 전압 : 120V / 50Hz
- 출력 전압 : 385V
- 부하 저항 : 74.11Ω
- 출력 전력 : 2.0kW
- 사용 소자 : IGBT + FWD
주요 결과 요약
| 항목 | SPWM | 제안된 DPWM |
| 스위칭 손실 | 기준 | -40% |
| 도통 손실 | 유사 | 유사 |
| 전체 효율 | 94.54% | 95.25% |
이 결과는 시뮬레이션뿐 아니라 실제 시스템 설계에도 큰 영향을 줄 수 있어요. 전력 효율 1% 차이는 생각보다 어마어마하거든요!
7. DPWM의 설계 팁과 고려사항
키포인트 정리
- 제로 시퀀스 삽입이 핵심!
- 스위칭 비활성 구간은 전류 피크 근처로 배치
- 스위치 그룹 분할에 따라 적용 가능한 PWM 방식이 달라짐
- dq 변환 + PI 제어기로 정밀 제어 구현
주의할 점
- 제안된 DPWM은 대칭성이 부족해서 EMI 특성이 변할 수 있음
- 스위칭 구간 전환 시 전류 왜곡 가능성 있음
- 설계 시 반드시 시뮬레이션을 통해 손실과 파형 확인 필수!
8. 실제 적용 예시: IPM 모듈 기반 구현
논문에서는 MITSUBISHI의 PM25CS1D120, PM50CS1D060 모듈을 사용해 손실 계산을 했어요. 이 모듈들은 IGBT와 FWD를 내장하고 있어서 실장도 간편해요.
계산 결과 요약
| 모듈 | SPWM 손실 | 제안된 DPWM 손실 |
| PM25CS1D120 | 기준 | -18.4% |
| PM50CS1D060 | 기준 | -22.5% |
즉, 모듈 선택 + 변조 방식만 잘 바꿔도 손실이 확 줄어든다는 거죠!
9. 정리하며: 단상 VSR에 딱 맞는 스마트한 해결책
DPWM은 기존의 SPWM 방식보다 효율이 뛰어나고, 전력 소자 간 손실 균형도 잘 맞춰줘요. 특히나 단상 전압원 정류기처럼 불균형한 구조에서는 더더욱 그 진가를 발휘하죠.
만약 지금 단상 전력 변환 시스템을 설계하거나 개선하고 있다면?
DPWM 알고리즘을 꼭 도입해보는 걸 추천해요!