전력전자의 인버터, 컨버터, UPS를 설명해보세요.

1. 인버터 (Inverter: 역변환 장치)

개념: 배터리나 태양광 등에서 나오는 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하는 장치이다.

소자의 발전: 아주 오래전에는 수은 정류기나 사이리스터(Thyristor)가 주로 사용되었으나, 현재는 고속 스위칭이 가능한 IGBT(절연게이트 양극성 트랜지스터)와 전력 손실을 극단적으로 줄인 SiC(실리콘카바이드) MOSFET이 전기차(EV) 모터 구동용 및 신재생에너지 인버터의 절대적인 핵심 소자로 사용되고 있다.

동작 방식: 인버터를 동작 방식에 따라 분류하면 자려식(Self-commutated)과 타려식(Line-commutated)이 있다.

- 자려식: 회로 자체의 스위칭 소자(전력 반도체) 능력만으로 교류 파형을 스스로 만들어내는 방식이다. 현대의 PWM(펄스폭변조) 인버터가 대부분 여기에 속한다.

- 타려식: 외부 교류 전원망의 전압 위상에 기대어 스위칭(전류)을 하는 방식으로, 주로 대용량 HVDC(초고압 직류송전) 전류형 설비 등에 제한적으로 쓰인다.

2. 컨버터 (Converter: 변환기)

개념: 넓은 의미로는 신호 또는 에너지의 형태를 바꾸는 모든 장치를 의미한다. 전력 분야에서는 교류와 직류 간의 변환, 교류의 주파수 변환 등을 총칭한다.

세부 분류

- 교류의 전압 크기를 다른 크기의 교류로 바꾸는 장치(AC → AC): 사이클로컨버터, 매트릭스 컨버터

- 교류를 직류로 바꾸는 장치(AC → DC): 정류기

- 직류의 전압 크기를 다른 크기의 직류로 바꾸는 장치(DC → DC): 초퍼(Chopper) 또는 DC-DC 컨버터 (예 전기차 배터리의 고전압을 차량용 저전압으로 낮춰주는 LDC(Low Voltage DC-DC Converter))

3. UPS (Uninterruptible Power Supply 무정전 전원장치)

개념 및 원리: 전압과 주파수를 일정하게 유지해 주는 CVCF(Constant Voltage, Constant Frequency: 정전압 정주파수 장치)에 정전 대비용 축전지(Battery)를 결합하여 전원 공급이 끊기지 않도록 무정전화한 시스템이다.

핵심 기술: 내부에 정류기(AC → DC)와 인버터(DC → AC)가 모두 들어 있어, 평상시에는 상용전원을 정류하여 배터리를 충전하는 동시에 인버터를 통해 부하에 안정된 전력을 공급한다. 정전이 발생하면 배터리에 저장된 직류 전원을 이용해 인버터가 계속 부하에 전력을 공급하므로 무정전 상태를 유지할 수 있다. 반면, 인버터에 고장이 발생하면 반도체 무접점 스위치를 이용해 상용전원을 바이패스 회로로 우회시켜 부하에 전력을 공급한다. 이와 같은 방식은 대규모 AI 데이터센터, 병원 수술실, 반도체 공장 등 순간적인 전원 끊김도 허용되지 않는 설비에 사용된다. (대규모 AI 데이터센터, 병원 수술실, 반도체 공장 등에서 전력 설비로 운용)