리액터는 유도 코일을 사용한 부품으로, 돌입 전류 및 고주파 억제, 전류 평활화 등에 활용됩니다. 주로 DC 리액터와 AC 리액터 두 가지 종류가 있으며, 역률 개선 회로(PFC 회로*1)나 강압/승압 초퍼, 필터 회로에 사용됩니다.

전자 부품 분야에서는 흔히 인덕터라고 부르지만, 전력 계통 분야나 인버터 등의 파워 일렉트로닉스 분야에서는 리액터라고 부릅니다.

^{*1: Power Factor Correction의 약자. 전원 장치나 인버터 등에 내장되어 입력 전류의 파형을 정돈하여 역률을 높이기 위한 회로를 말합니다.}

 DC/DC 컨버터의 승압 초퍼 회로

기존에는 HEV의 모터 출력 증강에 사용되어 왔으나, 최근에는 EV나 FCV(연료전지차)에 탑재되는 사례가 증가하는 추세입니다. 또한 태양광 발전에서 패널 전압을 승압하는 데에도 사용되고 있습니다.

 

 AC/DC 변환기의 인터리브 PFC

데이터센터용 AC/DC 컨버터나 에어컨의 PFC 회로, 전기차(EV)의 충전 회로 등에 탑재되어 있습니다.

모든 회로에서 스위칭 소자로는 주로 IGBT가 사용되었으며, 스위칭 주파수는 ~20 kHz 정도가 주류를 이루었으나, 최근에는 SiC나 GaN이 스위칭 소자로 사용되면서 고내압화와 고스위칭화가 진행되고 있습니다.
이처럼 리액터는 파워 일렉트로닉스 분야에서도 매우 가깝고 중요한 존재라고 할 수 있습니다.

 현재, 파워 일렉트로닉스를 비롯한 시장에서는 전기 에너지를 효율적으로 활용하기 위해,전원 장치의 소형화, 경량화, 저손실화가 요구되고 있습니다.

그중에서도 리액터와 같은 수동 부품은 전원 장치 전체의 부피와 무게에서 큰 비중을 차지하고 있으며, 인버터를 포함한 시스템 전체의 효율이 향상됨에 따라 손실의 규모도 더 이상 무시할 수 없게 되었습니다. 따라서 리액터 손실을 정확하게 측정하고 파악해 두는 것은 설계 개선과 효율 향상, 전원 장치의 고성능화를 위해 필수적입니다.

 LCR 미터를 이용한 측정 방법

전자 부품에서 인덕터의 측정은 일반적으로 LCR 측정기를 사용하여 수행됩니다. 그러나 리액터는 레벨 의존성을 가지고 있어, 입력 신호가 크면 자속 밀도가 높아져 손실 특성이 변화합니다. 따라서 소신호 측정으로는 실제 손실이나 동작을 재현할 수 없습니다.
또한, LCR 미터는 소신호의 사인파에 한해 측정하기 때문에 중첩 가능한 신호 레벨에도 한계가 있습니다. 만약 실제 가동 상태에서 측정을 시도할 경우, 과입력으로 인해 측정기가 파손될 우려가 있습니다.

파워 아날라이저를 이용한 측정 방법

파워 아날라이저를 사용하면 실제 가동 조건에서 손실을 정확하게 측정할 수 있습니다. 그러나 리액터 손실 측정 시에는 전압과 전류의 위상차(전력 위상각)가 90° 부근이며, 역률이 극히 낮은 조건에서 평가가 이루어집니다. 따라서 파워 아날라이저 및 전류 센서를 선정할 때는 스위칭 주파수를 포함한 고주파 영역에서의 위상 정밀도가 가장 중요한 지표입니다.

 파워 아날라이저 PW8001(U7005)과 전류 센서 CT6904A의 조합을 권장합니다.

본체 및 전류 센서 각각에서 광대역이며 평탄한 주파수 특성과 위상 특성을 구현하고 있을 뿐만 아니라, 조합 조건에서의 정확도도 규정하고 있습니다.

PW8001 + CT6904A를 A사, B사의 솔루션과 비교했을 때의 위상 특성을 그림에 나타냅니다. PW8001 + CT6904A는 광대역에 걸쳐 평탄한 위상 특성을 유지하고 있음을 알 수 있습니다.

 조합 조건에 따른 위상 특성 비교

위상 오차가 리액터 손실에 미치는 영향

손실 오차 [%]의 계산식은 다음 식으로 나타낼 수 있습니다.

Perror: 손실 오차, Φ: 전력 위상각, ΔΦ: 위상 오차

위의 그래프를 예로 들면, 피상 전력(VI) = 1 kW, Φ = 88°, f = 200 kHz인 사인파에서 리액터 손실을 계산해 봅시다. 이때 리액터 손실의 이론값은 34.89 W(P = VIcosΦ)입니다. 이를 비교해 보면, A사와 B사에서는 위상 오차의 영향이 크다는 것을 알 수 있습니다.

 2종류의 전류 센서를 사용하여 리액터 손실에 대한 실측 비교를 실시했습니다. 본 실험에서는 CT6904A와 비교 대상으로 CT6872를 사용했습니다.

DUT 배선 확장                                                                                                                   블록 다이어그램

 •  사인파 전류: ~2 A 정도, 주파수: 100 kHz~500 kHz까지 100 kHz 단위로 측정

 •  데이터 갱신 레이트: 200 ms

 •  평균: ON (이동평균 8회)

 •  동기 소스: 각 채널의 전압

 •  LPF: OFF

 •  위상 보정: ON (AUTO 보정)

 •  그 외의 설정은 모두 동일합니다.

 다음은 사인파를 100 kHz에서 500 kHz까지 변화시켰을 때의 유효 전력(리액터 손실)과 위상의 관계를 정리한 그래프입니다.

유효 전력 비교                                                                           위상 비교

인가하는 전류의 주파수를 100 kHz에서 서서히 높여가자, CT6872에서는 400 kHz 시점에서 전력 위상각이 90°를 초과하여 전력이 음의 값을 나타냈습니다. 반면, CT6904A에서는 전력 위상각이 90°를 넘지 않아 안정적으로 측정할 수 있음을 확인했습니다. 이는 고주파 영역에서의 위상 특성 차이에 기인한 것입니다.

100 kHz 사인파의 리액터 손실 (CH1: CT6904A, CH2: CT6872)

400 kHz 사인파의 리액터 손실 (CH1: CT6904A, CH2: CT6872)

CT6872는 CT6904A에 비해 진폭 대역이 우수하지만, 위상 특성 면에서는 CT6904A가 더 우수합니다. 이처럼 리액터 손실 측정 시에는 위상 특성을 포함한 최적의 조합 조건에서 측정하는 것이 중요합니다.

CT6904A와 CT6872의 위상 특성 비교

특히 인터리브 PFC와 같은 실제 회로 측정 시에는 스위칭 주파수를 비롯한 다양한 고주파 성분이 중첩되기 때문에, 위상 특성을 포함한 측정기의 성능 차이에 따른 손실값에 미치는 영향이 커집니다. 그 결과, 리액터 손실을 비교할 때 그 차이가 더욱 두드러지게 나타납니다.

또한, 측정 대상 전류값에 따라 CT6904A와 동등한 특성을 지닌 직결 방식의 PW9100A도 사용하실 수 있습니다.

사용 장비 목록

DUT

 리액터 손실을 정확하게 측정하고 파악해 두는 것은 설계 최적화, 효율 향상, 전원 장치의 고성능화를 위해 필수적입니다. 특히 리액터는 레벨 의존성을 가지기 때문에, 파워 아날라이저를 사용하여 실제 가동 상태에서 측정해야 합니다.

또한, 이러한 측정에서는 전력이 고주파이며 저역률이기 때문에, 측정기의 위상 특성이 결과의 정확도에 큰 영향을 미칩니다. 위상 오차를 포함하여 정확한 측정을 실현하기 위해서는 파워 아날라이저와 전류 센서를 적절하게 선정하는 것이 중요합니다.

자세한 제품 정보는 웹사이트를 참조해 주십시오. 특정 어플리케이션에 대한 데모나 상담은, 당사로 연락해 주시기 바랍니다.

리액터 손실을 정확하게 측정하고 파악해 두는 것은 설계 최적화, 효율 향상, 전원 장치의 고성능화를 위해 필수적입니다. 특히 리액터는 레벨 의존성을 가지기 때문에, 파워 아날라이저를 사용하여 실제 가동 상태에서 측정해야 합니다.
또한, 이러한 측정에서는 전력이 고주파이며 저역률이기 때문에, 측정기의 위상 특성이 결과의 정확도에 큰 영향을 미칩니다. 위상 오차를 포함하여 정확한 측정을 실현하기 위해서는 파워 아날라이저와 전류 센서를 적절하게 선정하는 것이 중요합니다.

자세한 제품 정보는 웹사이트를 참조해 주십시오. 특정 어플리케이션에 대한 데모나 상담은, 당사로 연락해 주시기 바랍니다.