단상 Full-bridge 인버터 동작 원리 및 바이폴라(Bipolar), 유니폴라(Unipolar) PWM 제어 기법 / 인버터(Inverter)

본문에서는 인버터의 기초 Topology인 단상 Full-bridge 인버터에 대해서 이야기하도록 하겠습니다.

 

[그림 1]은 단상 Full-bridge 인버터 Topology를 보여줍니다.

스위칭 소자 4개로 구성되어 있으며, S1과 S2가 직렬 연결되어 Left-leg를 구성하고 S3과 S4가 직렬 연결되어 Right-leg를 구성합니다. 직렬 연결된 스위치는 동시에 On-state가 될 경우 Short 되어 과전류 등의 문제를 야기하기 때문에 두 개가 Off되거나 하나만 On 되는 동작만 수행할 수 있습니다.

[그림 1] 단상 Full-bridge 인버터 Topology

Full-bridge 인버터의 동작 모드는 4개의 스위칭 소자의 상태에 따라 [그림 2], [그림 3], [그림 4], [그림 5]와 같이 분류됩니다.

[그림 2] P (Positive) 출력 모드

[그림 3] N (Negative) 출력 모드

[그림 4] ZP (Zero-Positive) 출력 모드

[그림 5] ZN (Zero-Negative) 출력 모드

출력 전압은 [식 1]과 같기 때문에 각 모드 별 출력 전압은 하기 표와 같습니다.

[식 1]  단상 Full-brdige 인버터 출력 전압

	S1	S2	S3	S4	Vout
P 출력 모드	On	Off	Off	On	+ Vin
N 출력 모드	Off	On	On	Off	- Vin
ZP 출력 모드	On	Off	On	Off	0
ZN 출력 모드	Off	On	Off	On	0

 

단상 Full-bridge 인버터는 인버터 기초 Topology인 만큼 회로 동작만 놓고 보면 어렵지 않습니다.

인덕터나 커패시터와 같은 소자도 없기 때문에 직관적으로 이해하기 좋은 Topology이기도 하고요.

 

그렇기 때문에 본 문에서는 여기서 마치지 않고 단상 Full-bridge 인버터의 PWM 제어 기법에 대해서 이야기를 하고 마치도록 하겠습니다.

 

단상 Full-bridge 인버터의 PWM 제어 기법은 크게 2가지로 분류 됩니다. 바로 바이폴라(Bipolar) 방식과 유니폴라(Unipolar) 방식이죠. 두 방식의 이름이 헷갈리는 것을 제외하면 크게 어렵지는 않습니다.
(예전에 취준할 때 직무 면접에서 단상 Full-bridge 인버터 PWM 기법에 대해서 질문이 나온적이 있던게 기억이 나네요.)

 

일단 간단하게 말씀드리면, 바이폴라 방식은 2개의 leg를 동시에 제어하는 방식이며, 유니폴라는 2개의 leg를 독립적으로 제어하는 방식입니다. 원리는 전혀 어렵지 않습니다. [그림 6], [그림 7], [그림 8]을 통해 쉽게 이해하실 수 있으실 텐데요. 다만 유니폴라의 경우 제어 방식이 [그림 7]과 같이 1개의 지령 전압과 2개의 삼각파로 구현하는 방식과 [그림 8]과 같이 2개의 지령 전압과 1개의 삼각파로 구현하는 방식 2가지가 있기 때문에 참고되었으면 하는 마음으로 전부 도시해보았습니다.

 

[그림 6] 바이폴라(Bipolar) PWM 제어 방법

[그림 7] 유니폴라(Unipolar) PWM 제어 방법1

[그림 8] 유니폴라(Unipolar) PWM 제어 방법2

 

위 그림과 같이 바이폴라 방법은 '+Vin', '-Vin' 2가지 레벨로 출력 전압이 출력되고, 유니폴라 방법은 '+Vin', '-Vin', '0' 3가지 레벨로 출력되기 때문에 각각 2레벨 제어 기법, 3레벨 제어 기법 등으로 불리기도 합니다.