이 글은 단상 위상 제어 정류기, 1.5kW 서버 전원 제어 구조와 점호각 계산을 2편으로 나누어 정리한 시리즈의 1편입니다. 이번 편에서는 1.5kW 서버 전원용 단상 위상 제어 정류기의 회로 구성, 점호각에 따른 직류 출력 전압과 전력 계산을 다룹니다.
1.5kW 서버 전원용 단상 위상 제어 정류기의 회로 구성
서버 전원 장치는 고성능 연산 장치와 대용량 저장 장치에 안정적인 직류 전력을 공급해야 하는 핵심 설비입니다. 교류 계통 전원을 직류 전력으로 변환하는 전단부에는 단상 위상 제어 정류기가 널리 적용됩니다. 이 회로는 역방향 전압 저지 성능과 제어 가능한 도통 특성을 지닌 4개의 사이리스터(SCR)를 브리지 형태로 구성하여 교류 입력을 제어된 직류 전압으로 변환합니다.
서버 전원의 직류 버스는 이후 단의 전력 공급을 위해 일정한 전압을 유지해야 하므로, 정류기 출력단에는 전압과 전류 리플을 저감하기 위한 직류단 평활 인덕터와 커패시터 필터가 결합됩니다. 사이리스터는 게이트 단자에 트리거 신호가 인가되는 순간 턴온되며, 부하 전류가 소자의 유지 전류 이하로 떨어지거나 역바이어스가 인가될 때 자연 소호됩니다. 이러한 특성을 바탕으로 교류 입력 전압의 위상에 동기화하여 트리거 펄스의 인가 시점을 제어하면 부하에 전달되는 평균 직류 전압을 정밀하게 조절할 수 있습니다.
본 설계에서 다루는 서버 전원 장치의 정격 전력은 1.5kW이며, 입력 교류 계통 사양은 실효 전압 220V, 주파수 60Hz입니다. 정류기 해석과 소자 선정을 위해 정현파 교류 입력 전압의 최댓값인 첨두 전압 V_m을 계산합니다.
식 (1)에서 교류 입력 실효 전압 220V를 대입하면 최대 전압 V_m은 약 311.13V로 산출됩니다. 이 첨두 전압은 브리지 내부의 사이리스터가 차단 상태에서 견뎌야 하는 최소 역저지 내압의 기준이 되며, 직류단 전압 제어 범위의 이론적 상한을 결정합니다.
점호각에 따른 직류 출력 전압과 전력 계산
단상 전파 위상 제어 정류기에서는 교류 전원의 양의 반주기와 음의 반주기 동안 각각 두 개씩의 사이리스터가 쌍을 이루어 교번 도통합니다. 교류 입력 전압이 양의 방향으로 영점을 통과하는 시점부터 게이트 펄스가 인가될 때까지의 지연 각도를 점호각 α라고 부릅니다. 직류단 인덕터 용량이 충분하여 전류가 끊기지 않고 지속되는 연속 전도 모드(CCM)에서 평균 직류 출력 전압 V_dc는 한 주기 동안의 출력 전압 순싯값을 적분하여 계산합니다.
식 (2)에서 점호각 α가 0°일 때 직류 출력 전압은 이론상 최댓값에 도달하며 그 값은 약 198.07V입니다. 점호각 α가 증가하여 90°에 도달하면 평균 직류 출력 전압은 0V로 감소합니다. 본 1.5kW 서버 전원 장치에서 안정적인 직류 버스 전압 목표치를 150V로 설정했을 때 필요한 정상상태 점호각 α를 계산할 수 있습니다. 식 (2)를 점호각에 관한 수식으로 변형합니다.
식 (3)에 목표 직류 전압 150V와 전압 최댓값 311.13V를 대입하면 cos(α)는 약 0.7573으로 계산됩니다. 역코사인 계산을 통해 이를 각도로 환산하면 정상상태 동작점에서의 점호각 α는 약 40.8°로 결정됩니다.
정격 전력 1500W와 출력 직류 전압 150V 조건에서 직류단 부하 전류 I_dc는 전력을 직류 전압으로 나누어 계산합니다.
식 (4)에서 1500W를 150V로 나누면 정격 부하 전류 I_dc는 10.0A로 산출됩니다. 이때 전원 장치 출력단이 감당하는 등가 부하 저항은 150V를 10.0A로 나누어 15.0Ω으로 확정됩니다.
다음 편에서는 이어지는 내용을 계속 설명합니다.