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엔지니어 인터뷰

스위칭 전원에 최적인 콘덴서와 인덕터란?

인턱터의 사양과 등가 회로의 이해

인덕터편 –제1장-

주목 키워드
  • 인덕터
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  • 공칭 인덕턴스
  • 자기 공진 주파수
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  • 직류 중첩 허용 전류
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  • 기생 성분
  • 직류 저항
  • 동손 (copper loss)
  • 철손 (iron loss)
  • 절연 저항
  • 선간 용량
  • 인덕터 Q
  • 공진점

※본 기사는 태양유전 주식회사 이시하라씨의 인터뷰입니다.

-「스위칭 전원에 최적인 콘덴서와 인덕터란」이라는 주제로, 지금까지는 콘덴서에 대해 설명해 주셨습니다. 이번에는 인덕터에 대한 설명을 부탁드립니다. 스위칭 전원을 구축함에 있어서, 인덕터는 중요한 부품 중 하나라고 생각합니다. 그런데, 인덕터를 포함한 자기 (磁氣) 부품은 어렵다는 이야기를 듣기도 하는데요.

말씀하신대로 자기 부품을 어려워하는 사람이 적지 않습니다. 그렇다고 해서 현재 필수 아이템인 스위칭 전원을 피해 갈 수는 없습니다. 여기에서는 인턱터에 대한 깊은 이해를 돕고자 합니다.

-그럼, 시작하기에 앞서 알아 둘 사항이 있나요?

우선, 인덕터의 스펙을 보는 방법에 대해 설명하고자 합니다. 먼저 말씀드리고 싶은 것은 동일한 사양 항목이라도 그것을 규정하고 있는 조건이 제품 및 메이커에 따라 다른 경우가 자주 있다는 점입니다. 또한, 동일한 사양 항목에 대해 어떤 메이커는 최대치 (Max.) 및 최소치 (Min.)를 보증하는데 반해, 또 다른 메이커는 Typical 값 (typ / 대표치 / 표준치)만을 제시하는 등 제각각 다릅니다. 따라서, 인덕터의 선택 및 유사품과의 비교 검토 시에는 주의가 필요합니다.

-그렇다면, 측정 조건을 제대로 확인해야 할 필요가 있다는 것이군요.

그렇습니다. 제시되어 있는 수치만으로 비교를 하면 안된다는 점을 기억해 주십시오. 그럼, 조금 더 구체적으로 알아보겠습니다. 하기 표는 당사의 카탈로그에서 발췌한 것입니다.

TY-2-1_table1

공칭 인덕턴스는 필수 항목입니다. 측정 주파수는 표를 통해 알 수 있듯이 100kHz이며, 허용차는 ±30%입니다.

자기 공진 주파수는, 인덕터로서 기능하는 한계의 주파수입니다. 여기에서는 최소값이 보증되어 있습니다. 최저한으로 기재된 주파수까지는 기능한다는 것을 나타냅니다.

직류 저항은, 권선의 저항이 주요하므로, ±20% 허용차가 조건으로 제시되어 있습니다.

정격전류는, 조건을 잘 확인해야 하는 항목 중 하나입니다. 정격전류의 항목 중 하나로서 직류 중첩 허용 전류가 규정되어 있으며, 이러한 인덕터의 경우 직류 중첩으로 인덕턴스가 -30%가 되는 전류치의 최대치가 표시되어 있습니다. 메이커 및 제품에 따라서는 -10%~-30%로 조건이 상이합니다.

정격전류의 다른 항목으로서, 온도 상승 허용 전류가 규정되어 있습니다. 직류 전류 인가 시의 온도 상승이 40℃가 되는 전류치의 최대치가 규정되어 있으며, 마찬가지로 메이커 및 제품에 따라 20℃~40℃로 조건이 상이합니다.

정격전류에 있어서 유의점이 한가지 더 있습니다. 어떤 메이커, 어떤 제품에나 직류 중첩 허용 전류와 온도 상승 허용 전류 모두 제시되어 있다고는 단정할 수 없습니다. 일반적으로, 한쪽만 제시되어 있는 경우는, 정격의 관점에서 좀 더 작은 쪽으로 규정되어 있다고 생각할 수 있지만, 만일을 위해 메이커에 확인해 보는 것도 좋을 것입니다.

정격전류는 중요한 항목이므로 조금 더 자세히 설명하겠습니다. 하기 그림은, 직류 중첩과 온도 상승의 특성과 최대치, typ 값, 마진의 관계를 나타낸 것입니다.

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직류 중첩 허용 전류를 예로 들어 설명하겠습니다. 개념은 온도 상승 허용 전류와 동일합니다. 위의 예에서 직류 중첩 허용 전류는 직류 전류를 증가시켜, 인덕턴스가 -30%, 즉 30% 저하했을 때의 전류로 규정되어 있습니다. 인덕터에 한정된 것은 아니지만, 개체 간에 반드시 값의 편차가 있습니다. typ 값은 편차 중 대표적인 값입니다. 보증치는 허용되는 최대치 및 최소치를 정한 것입니다. 따라서, typ 값에 대해 마진을 포함한 값입니다. 실측해보면 대부분은 typ 값에 가깝지만, 최대치, 최소치에 가까운 개체도 포함되어 있습니다.

typ와 최대치 / 최소치를 보면, 어느 정도의 마진이 있는지 알 수 있습니다. 또한, 특성과 규정 조건을 비교해 보면, 쉬운 조건에서의 규정인지 까다로운 조건에서의 규정인지도 알 수 있을 것입니다.

-그런데, 동일한 특성에 대한 규정 조건이 왜 제품이나 메이커에 따라서 다른건가요?

이유를 한마디로 말씀드리긴 어렵지만, 응용 회로의 성능 요구 및 안전 확보 등에 대해 어떤 조건이 적절한지, 메이커에 따라 견해의 차이가 있다고 생각합니다. 또한, 제품의 성능, 특성, 품질, 신뢰성에 대한 레벨의 설정, 그리고 가격이라는 요건도 관계가 있을 것입니다.

-그 밖에 다른 확인 사항은 없습니까?

사양을 이해하는 것 이외에, 인덕터의 기본 특성을 이해하기 위해, 등가 회로와 각 성분에 대해 알아둘 필요가 있습니다. 콘덴서편에서 ESR이나 ESL이라는 기생 성분과 그 영향에 대해 설명하였습니다만, 인덕터에도 기생 성분이 있습니다.

등가 회로를 통해 설명하겠습니다. Rdc는, 주로 권선의 직류 저항으로, 동손 (copper loss)이라고도 합니다. 이것은 인덕터와 직렬의 성분이 됩니다. Rac는 주로 코어 재료의 손실로, 철손 (iron loss)이라고 합니다. 용량과 저항으로 나타내고 있으므로, 주파수 특성을 지닙니다. 주파수가 높으면 임피던스가 저하되어 손실이 증가합니다. 절연 저항은 누설 전류에 해당하는 직류 저항입니다. 용량은, 권선이 우레탄 등의 피막으로 절연되어 있으므로, 권선 사이에 절연물이 존재하는 도체, 즉 콘덴서와 동일한 구조가 되기 때문에 발생합니다. 이 선간 용량이 주된 용량으로, 공진점에 큰 영향을 미칩니다.

Q는 인덕터의 성능을 나타내는 지표입니다. X (=ωL)를 R (Rac)로 나눈 값으로, 주파수에 대해 얼마나 손실이 있는지를 나타냅니다. 우측식에서 Q는 R (Rac / 철손)이 작으면 커지는 것을 알 수 있습니다.

인덕터의 기본 특성을 주파수와 저항 / 임피던스의 그래프로 나타냈습니다. 6mm×6mm, 두께 2mm인 4.7µF의 인덕터의 예로, 적색 선은 Rac / 철손, 청색 선은 임피던스, 녹색 선은 X (ωL)입니다.

앞에서 설명한 바와 같이, 용량을 지니므로 공진점이 있습니다. 녹색 선의 X는, 공진점 이후의 주파수에서는 콘덴서 주체의 특성을 나타내며, 주파수가 상승할수록 임피던스가 저하됩니다. Rac는 주파수가 상승하면 증가합니다. Rdc는 직류 (0Hz) 시의 Rac입니다.

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여기에서는 인덕터의 재료 및 구조에 따라 이러한 기생 성분이 변한다는 것을 기억해 주십시오.

※본 기사는 2016년 5월 시점의 내용입니다.

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