전기기사 전기응용 · 전력용 반도체 응용 (공사)

Power Semiconductor Applications

전력용 반도체는 전력을 빠르게 켜고 끄며 정류 · 인버터 · 컨버터 · 초퍼로 바꾸는 전자식 스위치이고, SCR · IGBT · MOSFET · GTO 가 대표 소자다. SCR 위상 제어에서는 점호각 α 를 늦출수록 한 주기에서 도통하는 구간이 줄어 평균 출력 전압이 내려간다. 소자마다 켜고 끄는 방식, 감당하는 용량과 스위칭 주파수가 달라 비교 문제로 자주 나와요. 점호각 슬라이더를 0 ~ 150° 로 옮기면 흐린 입력 정현파 위에 SCR 이 통하는 부분만 주황으로 남고, 평균 전압이 최대의 몇 % 인지 위에 나와요.

전력 반도체는 전력 변환의 스위치

🔍 전력 반도체를 쓰는 까닭

① 기계식 스위치를 전자식 스위치로 바꿔 빠르고 효율이 높다

② 정류 · 인버터 · 컨버터 · 초퍼처럼 모든 전력 변환에 반도체를 쓴다

③ 전기 공사 기사에서는 SCR 위상 제어와 소자별 특징 비교가 자주 나와요

SCR 위상 제어 파형

점호각 α30°

🔑 그림에서 볼 것

① α = 0° 이면 양의 반주기 전체가 통해 다이오드 정류와 같다

② α 가 커질수록 도통 구간이 줄어 평균 출력 전압이 내려간다

③ α = 90° 에서 평균은 최대의 절반, α = 180° 에서 0 이에요

핵심 소자별 특성

SCR(사이리스터)

게이트 신호로 턴온, 전류가 0 이 되면 턴오프

대용량 정류 · 위상 제어용이고, 게이트로 끌 수 없다(자기 소호 불가)

IGBT

게이트 전압으로 턴온 · 턴오프

중 · 대용량 인버터의 주력 소자(전압 구동), 스위칭 주파수 1 ~ 20 kHz

파워 MOSFET

게이트 전압 제어, 빠른 스위칭

소용량 · 고주파(수백 kHz)에 쓰고, 고전압에서는 도통 손실이 커서 SMPS · LED 구동 회로에 많이 쓴다

GTO / IGCT

게이트 신호로 턴온 · 턴오프

수 MW 급 대용량에서 게이트로 끌 수 있는 소자(자기 소호), 전동차 · 대형 인버터용

광전 소자와 정류 평균 전압

💡 광전 소자

① 포토다이오드: 빛 → 전류(광센서 · 통신)

② 포토커플러: 빛으로 신호를 넘겨 입력과 출력을 전기적으로 절연하고 잡음을 끊는다

③ CdS 셀: 빛을 받으면 저항이 줄어든다(조도 센서 · 자동 점멸기)

④ 태양 전지: p-n 접합의 광기전력 효과로 기전력을 만들어요

반파 정류 평균 전압(저항 부하)

V_avg = Vm(1+cosα) / 2π

저항 부하 전파(브리지): V_avg = 2Vm(1+cosα) / 2π = Vm(1+cosα) / π

정리: 자주 나오는 식

반파 평균 전압

Vm(1+cosα)/2π

SCR 위상 제어 · 저항 부하

전파 평균 전압

2Vm(1+cosα)/2π

브리지 정류 · 저항 부하

🎯 시험 포인트

① SCR 은 게이트로 켜고 전류가 0 이 되면 꺼져, 게이트로는 끌 수 없다

② IGBT 는 중 · 대용량, MOSFET 은 소용량 고주파에 쓴다

③ 위상 제어 평균 전압 식(반파 · 전파)은 저항 부하 기준이고 계산 문제로 자주 나온다

④ 포토커플러는 절연과 잡음 차단 용도로 나온다

⑤ 태양 전지는 p-n 접합 광기전력 효과로 움직여요

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마지막 수정 2026-10-20

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