아두이노 코딩-41: 전기상호유도에 의한 DC전압 AC변환과 전기차 인버터의 기초 원리

인버터는 전기차에서 사용하는 리튬폴리머 배터리 직류 전압 300V 또는 그 이상에서 전기차 동력 모터를 구동하기 위한 220V 3상 교류 파형을 생성한다. 이와 같은 원리 작동하는 인버터는 오늘 날 대출력 스위칭 반도체 전력 소자 IGBT 의 발전에 힘입어 Tesla 전기차를 가능하게 하였다.
이번 블로그에서는 작은 1.5V 배터리에 의한 직류(DC) 전원을 전기적인 상호유도 현상에 의해서 교류(AC)로 바꾸어 보기 위해 아래와 같이 작은 변압기(트랜스포머)를 사용하여 배선을 꾸며서 실험해 보도록 하자.

필요한 부품은 다음과 같다.

미니 변압기 1개
누름 스위치 1개
아주 작은 LED 2개
1.5V 건전지 및 홀더
점퍼선 3개
악어 집게 배선 2개 및 빵판 1개

변압기는 규소강판 코어에 1차 및 2차 코일을 감아서 제작한다. 물론 1차 코일과 2차 코일은 상호 전기적으로 절연이 되어 있다. 상식적으로 알다시피 변압기에서 직류 전압을 직접 교류로 바꾸는 것은 아니다. 이러한 목적을 달성하기 위해서는 직류를 스위칭 작업을 통해 전압 변화를 일부러 일으켜야만 전자기 상호 유도 현상을 통해 2차코일 전달되게 된다.

위의 배선 회로를 사용하여 1차코일 측에서 스위치를 ON OFF 했을 때 2차코일 측에서 LED ON OFF 가 하나씩 교대로 나타남을 관찰해 보자. 즉 스위치 ON 하면 LED 하나가 ON 되고 스위치를 놓아 OFF 시키면 ON 된 LED 가 OFF 되고 다른 LED 가 ON 됨을 알 수 있다.

직경이 큰 LED를 사용하면 ON OFF 현상을 보기 어려우며 가능한 한 아주 작은 LED를 사용하도록 한다. 보통 LED 사용 시 주위를 어둡게 하면 관찰하기에 좋다.
다음 동영상을 참조하기로 한다.

위의 배선도를 보게 되면 1.5V 배터리가 설치된 1차코일 측을 관찰해 보면 누가 봐도 직류(DC) 배선도임을 알 수 있다. 반면에 2개의 LED 가 반대 방향으로 배선된 2차 코일 측에서는 LED가 교대로 ON OFF 된다는 현상은 즉 전압이나 전류의 흐름 방향이 교대로 바뀌다는 것이며 이는 곧 교류(AC)적인 성격을 뜻한다.

자동차 HiDs 진단기 오실로스코프에 의한 측정 파형을 살펴보기로 하자.

스위치 ON 에 따라 1.5V 가 아닌 좀 낮은 0.8V 정도의 직류 전압으로 상승함과 동시에 LED#1이 순간적으로 ON OFF 되는데 전압의 크기가 2V 수준임에 유의하자.
스위치가 ON에서 OFF 로 바뀌어 0V 로 떨어지면 2차 코일 측에서 반대 방향으로 배선된 LED#2 가 순간적으로 ON OFF 됨을 알 수 있다. 아울러 LED#2에 가해지는 전압은 LED#1 의 전압과 정확히 반대 방향임에 유의한다.

이러한 기본 원리를 바탕으로 스위치와 건전지를 제거하고 아두이노의 디지털 데이타 핀을 이용하여 시간 간격이 100 msec 인 일종의 DC 입력 파형을 그림과 같이 작성하여 만들어 보자. 아두이노 digitalWrite(2,HIGH) 에 의해 발생되는 듀티 전압이 코일로 구성된 회로의 특성 상 1V를 넘지 않는 특성이 관찰된다.

스위치를 누루는 수작업을 아두이노로 대체해서 균일한 반짝임을 관찰해 보자. 다음과 같이 간단한 코드를 사용하여 약 100 msec 간격으로 ON OFF 해 보자. 아두이노 디지털 핀의 HIGH 출력 시 전압 값은 1.6∼2.0V 이므로 스위치와 건전지를 대체할 수 있다.

void setup() {
pinMode(2,OUTPUT);
}

void loop() {
digitalWrite(2,HIGH);
delay(100);
digitalWrite(2,LOW);
delay(100);
}

아래의 배선도를 참조하자.

위의 간단한 회로를 사용한 실험에 의하면 ON OFF를 일정한 주기로 빠르게 해주게 되면 2차코일 측에서 전자기 상호 유도 현상에 의해 유도된 상하로 빠르게 변하는 교류 파형을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 실제로 20 msec delay 범위까지 시각적으로 교대로 LED 가 ON OFF 됨을 느낄 수 있다.

참고로 첨부된 동영상은 100 msec 간격으로 입력했을 경우이다.

이것이 바로 인버터의 기초 원리이다. 인버터의 예로서는 자동차의 12.6V 직류 전원을 사용하여 220V 교류 전원으로 바꾸어 교류 형광등을 켤 수 있는 장치라든지 BLDC 모터를 사용하는 전기차의 제어 장치나 또는 드론의 제어 장치인 ESC(Electronic Speed Controller)를 들 수 있다. 전기 차와 드론에서의 공통점은 BLDC 모터의 채용과 함께 인버터나 ESC를 통해 3상 교류 전압을 공급한다는 점이다.