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[전원 측정 가이드 2/5] 전원 품질과 효율 분석 테스트 — 전력 품질·변환 효율·리플 Leave a comment
이 글의 목차
문서 정보 — RIGOL 응용 가이드/기술 설명서 「전원 품질과 효율 분석 테스트」(문서 버전 01, 2020.11)를 한국어로 옮기고 읽기 쉽게 정리한 글입니다. 원문의 구성(소개, 원리, 환경 구성과 조작 순서, 조작 요점, 정리)을 그대로 따랐습니다. 전체를 읽는 데는 약 10분이 걸립니다.
이 가이드에서 다루는 내용
- 전원 전력 품질, 전원 변환 효율, 전원 출력 전압 리플의 개념
- 오실로스코프 기반 전원 분석 기능으로 전력 품질, 변환 효율, 출력 리플을 시험하는 방법
- 위 시험을 수행할 수 있는 장비 모델
소개
스마트폰 급속 충전 기술이 많이 적용되면서 GaN, SiC로 대표되는 급속 충전기에 대한 관심이 높아졌습니다. GaN, SiC 같은 새로운 반도체는 넓은 밴드갭 특성이 있어서, 이를 핵심으로 하는 전원은 더 빠른 스위칭 속도, 더 낮은 스위칭 손실, 더 높은 변환 효율을 가집니다. 덕분에 충전기를 더 작게 만들 수 있고 에너지도 절약할 수 있어서 전기차와 휴대용 전자 기기 등에 점점 더 널리 쓰이고 있습니다.
스위칭 전원(SMPS) 제품을 개발하고 설계할 때 변환 효율, 출력 전압 리플, 전력 품질은 스위칭 전원의 품질에 직접 영향을 주는 핵심 요소입니다.
- 전원 전력 품질(Power quality): 전원 시험의 기본 항목이며 전원 동작 파라미터를 표준으로 삼는 시험 근거입니다. 주로 전압 실효값, 전류 실효값, 역률, 고조파 등의 파라미터를 포함합니다.
- 전원 변환 효율: 전원의 출력 전력과 입력 전력의 비이며 전원 제품의 기본 지표입니다. 스위칭 전원을 설계할 때는 효율 최적화를 가장 먼저 고려해야 합니다. 효율이 높다는 것은 에너지 절약과 친환경 지표가 높다는 뜻이고 전기 요금도 줄여 줍니다. 충전 효율과 에너지 절약이 중요한 충전 설비, 태양광 발전 같은 고전력 공급 장비에서 특히 중요합니다.
- 전원 출력 전압 리플(Ripple): DC 전압에 포함된 AC 성분입니다. DC 출력 스위칭 전원에서는 출력 DC 전압의 안정성이 구동하는 장치의 동작 안정성에 직접 영향을 줍니다. DC 전원 출력 전압의 안정성에 영향을 주는 주된 지표가 리플입니다. 리플이 작을수록 출력 전압이 안정적이고 변동이 작습니다.
원리와 동작 방식
스위칭 전원의 전형적인 원리 블록도는 다음과 같습니다.
전원의 전력 품질
다음은 스위칭 전원의 전력 품질을 가늠하는 주요 지표입니다. 전원선에서 전원 입력과 품질을 측정해 스위칭 전원의 전력 품질을 시험할 때 이 파라미터들이 주요 시험 항목이 됩니다.
| 파라미터 | 설명 | 단위 |
|---|---|---|
| VRMS | 공급 AC 전원의 전압 실효값 | V |
| IRMS | 스위칭 전원이 동작할 때 입력 AC 전원의 공급 전류 실효값 | A |
| 피상 전력 | VRMS × IRMS. 스위칭 전원에 공급되는 전력 용량을 나타냄 | VA |
| 유효 전력 | 전원이 단위 시간에 실제로 소비하는 전기 에너지. 전력을 다른 형태의 에너지로 바꾸는 전력 | W |
| 무효 전력 | 리액턴스 소자(커패시터, 인덕터)가 있는 AC 회로에서 교번 자기장과 유도 자속을 만드는 데 필요한 전력. 전원과 인덕터 소자 사이에서 주고받을 뿐 기계 에너지나 열로 바뀌지 않음 | VAR |
| PF 역률 | 유효 전력 ÷ 피상 전력. 스위칭 전원이 AC 전원의 전력을 얼마나 효율적으로 쓰는지 나타냄. 역률이 낮을수록 무효 전력이 큼. 인덕터·커패시터 같은 부품이 만드는 무효 전력 외에, 비선형 소자가 만드는 고주파 고조파 성분도 무효 전력의 일부가 됨 | – |
| φ 위상각 | 스위칭 전원이 동작할 때 AC 공급 라인의 전압과 전류의 위상차 | ° |
전원의 변환 효율
스위칭 전원 변환 효율에 영향을 주는 주된 요인은 스위칭 소자의 스위칭 손실과 도통 손실, 자성 소자의 철손과 동손 등입니다. 이 중 스위칭 손실이 중요한 요소입니다.
MOSFET, IGBT 같은 스위칭 소자가 턴온·턴오프될 때 회로의 인덕턴스 소자와 전력 소자 내부 전자의 드리프트 속도 영향으로, 턴온 순간에는 전압이 바로 0이 되지 못하는데 전류는 이미 상승하기 시작하고, 턴오프 순간에는 전류가 바로 0이 되지 못하는데 전압은 이미 상승합니다. 그래서 스위칭 손실이 생깁니다.
회로 설계를 최적화하고 이상적인 스위칭 특성을 가진 전력 소자나 소프트 스위칭 같은 기술을 선택하면 스위칭 손실을 효과적으로 줄이고 변환 효율을 높일 수 있습니다.
전원 출력 전압 리플
스위칭 전원 출력 전압의 리플은 주로 전력 소자가 도통·차단될 때 생기는 맥동 전류가 출력 필터 커패시터에 만드는 전압 변동에서 나옵니다. 보통 수백 kHz 이상입니다. 저주파 부분은 주로 전원 상용 주파수(공통 주파수) 간섭과 그 고조파에서 나옵니다.
고조파 규격
스위칭 전원 회로에서 생기는 고조파는 부하와 전력망의 다른 전기 기기의 정상 동작에 영향을 줍니다. 전기 기기의 고조파 지표를 규제하기 위해 유럽연합이 발표한 IEC 61000-3-2(EN 61000-3-2) 규격은 스위칭 전원이 따라야 하는 전류 고조파 기준을 정하고 있습니다.
| 분류 | 대상 장비 |
|---|---|
| A류 | 평형 3상 장비, 가전제품(D류에 해당하는 것 제외), 공구(휴대용 공구 제외), 백열등 조광기, 오디오 장비, 그리고 B/C/D류로 규정되지 않은 장비 |
| B류 | 휴대용 전동 공구, 전용 장비가 아닌 아크 용접 장비 |
| C류 | 조명 장비 |
| D류 | 전력 600 W 이하의 개인용 컴퓨터, 모니터, TV 수신기 |
A류 장비의 고조파 전류 한도는 다음과 같습니다.
| 고조파 차수 n | 허용 최대 고조파 전류 (A) |
|---|---|
| 홀수 고조파 | |
| 3 | 2.30 |
| 5 | 1.14 |
| 7 | 0.77 |
| 9 | 0.40 |
| 11 | 0.33 |
| 13 | 0.21 |
| 15 ≤ n ≤ 39 | 0.15 × 15 / n |
| 짝수 고조파 | |
| 2 | 1.08 |
| 4 | 0.43 |
| 6 | 0.30 |
| 8 ≤ n ≤ 40 | 0.23 × 8 / n |
환경 구성과 조작 순서
전원 품질과 전력 효율 테스트
#### 테스트 준비
- RP1100D 고전압 차동 프로브를 오실로스코프 DS7054의 CH1에 연결하고, 프로브를 전원 입력단의 L선과 N선에 걸어 줍니다.
- RP1001C 전류 프로브를 DS7054의 CH2에 연결하고 소자(디가우스)와 영점 조정을 수행합니다.
- RP1001C 전류 프로브를 전원 입력단의 L선에 물립니다.
- 스위칭 전원의 출력단을 전자 부하 DL3031A의 입력단에 연결합니다.
#### Step 1 — 채널 지연 보정
- RPA246 오프셋 보정 지그에 USB 케이블로 전원을 공급한 뒤, RP1100D의 (+), (−)를 지그의 전압 (+), (−)에 연결하고 RP1001C 전류 프로브를 지그의 전류 루프에 물립니다.
- 오실로스코프 설정을 조정해 CH1과 CH2 채널 신호의 상승 에지가 화면 가운데에 보이게 하고, 채널 지연 조정으로 두 채널의 시간 지연을 없애 신호가 겹치게 합니다.
- 채널 지연 보정을 마친 뒤 RP1100D를 스위칭 전원 AC 공급의 화선과 중성선에 연결합니다. 프로브 감쇠와 오실로스코프 CH1 프로브 비를 모두 X200으로 설정하고, RP1001C를 화선에 물려 감쇠를 100 mV/A, 오실로스코프 CH2 프로브 비를 X10으로 설정합니다.
#### Step 2 — 부하 설정과 테스트
- DL3031A의 CC(정전류) 버튼을 눌러 정전압 출력 전원이 정격 전력 또는 정격의 1/2 전력을 내도록 CC 전류를 조정하고, ON/OFF 버튼으로 CC 기능을 켭니다. LED 드라이버처럼 정전류 출력 전원이라면 CV(정전압) 버튼을 눌러 CV 전압을 조정하고 ON/OFF로 CV 기능을 켭니다.
- DL3031A 화면에 표시되는 전력 값을 기록합니다. 이 값이 스위칭 전원의 출력 전력 Pout 입니다.
#### Step 3 — 전원 전력 품질 측정
- 오실로스코프 화면 왼쪽 아래의 다기능 버튼을 눌러 팝업 메뉴에서 전원 분석을 선택하고, 분석 유형은 전원 품질로 선택합니다. 소스에서 CH1을 전압 채널, CH2를 전류 채널로 설정하고 표시 기능을 켭니다. 그러면 오실로스코프 화면에 전력 품질 시험 결과가 나타납니다.
- Real Power(유효 전력) 를 스위칭 전원의 입력 전력 Pin 으로 기록합니다.
- Pout / Pin 으로 이 스위칭 전원의 변환 효율을 계산합니다.
효율 η = Pout / Pin × 100 %
#### Step 4 — 전류 고조파 측정
- 오실로스코프를 USB 케이블로 PC에 연결합니다.
- PC에서 UPA 소프트웨어를 열고 전류 고조파 테스트 파라미터를 설정합니다.
- 소프트웨어에서 테스트를 실행하면 고조파 통과(Pass) 여부가 소프트웨어 화면에 바로 표시됩니다.
전원 리플 테스트
#### 테스트 준비
- 스위칭 전원의 출력단을 전자 부하 입력단에 연결합니다.
- PVP2350 고임피던스 수동 프로브를 오실로스코프 DS8104의 CH1에 연결합니다.
#### 전원 리플 측정 실행
- 오실로스코프에서 20 MHz 대역폭 제한을 선택합니다.
- 프로브와 접지선이 만드는 안테나형 루프가 회로에 노이즈를 결합시키는 것을 막으려면, 프로브에 딸린 접지 스프링으로 접지합니다.
- 오실로스코프 노이즈 간섭을 줄이기 위해 프로브의 감쇠와 오실로스코프 CH1의 프로브 비를 모두 X1로 설정합니다.
- 오실로스코프 채널 커플링을 AC로 선택하면 DC 전압이 분리되어 신호를 관찰하기 편합니다.
- 분석 유형으로 리플을 선택하고 CH1의 피크-피크 측정을 켜면 리플 전압의 피크-피크 값을 얻을 수 있습니다.
조작 요점
프로브 선택
전력 품질 시험의 전압 프로브로는 고전압 차동 프로브를 선택해야 하며 단일 종단(single-ended) 프로브로 시험하면 안 됩니다. AC 전원의 중성선은 부하와 화선과 함께 전류 루프를 이루고, 오실로스코프 프로브의 접지선은 전원 접지선과 연결되어 있습니다. 단일 종단 프로브를 상용 전원에 연결하면 중성선과 대지를 단락시키는 것과 같아서 공통 모드 간섭이 커지고, 단락으로 소자가 타 버릴 수도 있습니다.
소자(디가우스)와 영점 조정
전류 프로브는 소자와 영점 조정을 해서 초기값 오차가 실제 전류 측정 결과에 영향을 주지 않게 해야 합니다.
위상 보정
전원의 전압과 전류를 시험하기 전에 반드시 채널 위상 보정을 해야 합니다. 초기 채널의 위상 오차는 최종 전압·전류의 위상각 φ 시험 결과에 그대로 들어가고, 유효 전력과 역률의 측정·계산 결과는 모두 위상각 φ와 관련이 있기 때문입니다. 따라서 전압 시험 채널과 전류 시험 채널 자체에 위상차가 있으면 실제 위상각을 잘못 측정하게 되고, 결국 유효 전력, 무효 전력, 역률 PF 측정이 모두 틀리게 됩니다.
정리
이 가이드는 스위칭 전원의 전력 품질, 변환 효율, 리플의 의미와 시험 방법을 소개했습니다. 오실로스코프와 DC 전자 부하만 있으면 전원 제품의 품질 시험을 빠르게 마칠 수 있고, 이전에 전력 분석기와 복잡한 소프트웨어 조작이 필요했던 전력 품질 시험 방법을 대체할 수 있어서 시험 비용을 크게 줄일 수 있습니다.
전원 품질·효율, 리플 시험에 필요한 권장 장비는 다음과 같습니다.
| 시험 항목 | 장비 | 요구 사항 |
|---|---|---|
| 전원 품질과 전력 효율 | 오실로스코프: MSO8000, MSO/DS7000, MSO5000 | 전원 분석 기능 지원, 1 Mpts 이상 파형 데이터의 FFT 분석 지원 |
| DC 전자 부하: DL3000 | 정전류 모드 지원 | |
| 고전압 차동 프로브: RP1000D | ||
| 전류 프로브: RP1000C | ||
| 채널 지연 보정 지그: RPA246 | 전압·전류 위상 보정 기능 | |
| 전원 리플 | 오실로스코프: MSO8000, MSO/DS7000, MSO5000 | 전원 분석 기능 지원, 메모리 기반 측정 지원 |
| 수동 고임피던스 프로브: PVP2000 | X1 입력 감쇠, 접지 스프링 사용 가능 |
본 글은 RIGOL 응용 가이드(응용 가이드/기술 설명서, 2020.11)를 한국어로 옮기고 읽기 쉽게 재구성한 것입니다. 사양과 구성은 예고 없이 변경될 수 있습니다.
