PWM

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작성자
익명
작성일
2025.09.12
조회수
2
버전
v1
기술 → 전력전자 → 제어기술
PWM 듀티 사이클 전력전자 SPWM SVPWM 모터 제어 디지털 제어 중급

PWM (Pulse Width Modulation)

개요

PWM(ulse Width Modulation 펄스 폭 변조)는 전력전자 제어 기술에서 널리 사용되는 신호 변조 방식으로, 펄스 신호의 폭(즉, 고전압 상태가 지속되는 시간)을 조절하여 평균 출력 전력을 제어하는 방법이다. PWM은 아날로그 신호를 디지털 방식으로 효율적으로 제어할 수 있어, 모터 제어, 전력 변환기, LED 밝기 조절, 오디오 증폭기 등 다양한 응용 분야에서 핵심 기술로 사용된다.

PWM의 기본 원리는 고정된 주파수를 가진 사각파를 생성하고, 이 파형의 듀티 사이클(Duty Cycle)을 조절함으로써 출력되는 평균 전압 또는 전력을 조절하는 것이다. 듀티 사이클은 한 주기 동안 신호가 'ON' 상태인 시간의 비율로 정의되며, 0%에서 100% 사이의 값을 가진다.

원리 및 동작 방식

듀티 사이클과 평균 전압

PWM 신호의 주요 특성은 다음과 같다:

  • 주파수 (Frequency): 펄스가 반복되는 주기의 역수. 높은 주파수는 부하(예: 모터, LED)의 반응을 부드럽게 만든다.
  • 듀티 사이클 (Duty Cycle): 한 주기 중에서 신호가 HIGH(ON) 상태인 시간의 비율.

예를 들어, 5V 전원에서 듀티 사이클이 50%인 PWM 신호를 출력하면, 시간 평균 전압은 다음과 같다:

[ V_{\text{avg}} = V_{\text{source}} \times \frac{\text{ON 시간}}{\text{주기}} = 5V \times 0.5 = 2.5V ]

이처럼 PWM은 실제 아날로그 전압을 공급하지 않고도 가상의 아날로그 출력 효과를 낼 수 있다.

PWM 생성 방식

PWM 신호는 일반적으로 다음 두 가지 방식으로 생성된다:

  1. 비교기 방식
  2. 기준 파형(예: 톱니파, 삼각파)과 제어 신호(예: DC 전압)를 비교하여 PWM 신호를 생성.

  3. 예: 삼각파와 DC 전압을 비교기 입력으로 넣으면, DC 전압이 삼각파보다 높은 구간에서 출력이 HIGH가 됨.

  4. 마이크로컨트롤러/디지털 제어기 방식

  5. 타이머와 카운터를 이용해 정밀한 듀티 사이클을 생성.
  6. ARM Cortex-M, AVR, PIC 등 대부분의 MCU는 하드웨어 PWM 모듈을 내장.

// 예: Arduino에서 PWM 사용 (analogWrite 함수)
analogWrite(pin, 128); // 8비트 PWM, 128/255 ≈ 50% 듀티 사이클

전력전자에서의 응용

PWM은 전력전자 시스템에서 전력 변환 효율을 극대화하는 데 핵심적인 역할을 한다.

1. 인버터 제어

  • DC-AC 변환(인버터)에서 PWM은 정현파 출력을 재현하기 위해 사용된다.
  • SPWM(Sinusoidal PWM): 기준 신호로 정현파를, 반복 파형으로 삼각파를 사용하여 출력 전압의 평균값이 정현파 형태가 되도록 제어.
  • SVPWM(Space Vector PWM): 3상 인버터에서 전압 벡터를 공간적으로 제어하여 더 높은 전압 이용 효율과 낮은 고조파 왜곡을 달성.

2. DC-DC 컨버터

  • 부스트, 부크, 벅-부스트 컨버터 등에서 스위칭 소자(예: MOSFET)의 ON/OFF 시간을 PWM으로 제어.
  • 피드백 루프를 통해 출력 전압을 안정화 (예: PID 제어기와 결합).

3. 모터 제어

PWM의 장점과 단점

항목 설명
장점 - 높은 전력 효율 (스위칭 소자는 ON/OFF 상태에서만 전력을 소모)
- 디지털 제어 가능으로 정밀한 조절이 용이
- 열 손실 최소화
단점 - 고주파 스위칭으로 인한 EMI(전자기 간섭) 발생 가능
- 필터링 필요 (특히 모터나 오디오 응용에서)
- 설계 복잡도 증가 (고속 스위칭 소자 및 보호 회로 필요)

주요 PWM 방식 종류

방식 설명 주요 응용
SPWM 정현파 기준 신호와 삼각파를 비교 인버터, AC 전원 공급
SVPWM 3상 전압 벡터를 2D 공간에서 제어 전기차 인버터, 산업용 드라이브
DPWM (Discontinuous PWM) 특정 구간에서 스위칭을 중단하여 손실 감소 저부하 효율 개선
MPPT PWM 태양광 시스템에서 최대 전력 추종 태양광 인버터

참고 자료 및 관련 문서

PWM은 현대 전력전자 시스템의 핵심 제어 기술로서, 효율성과 정밀성을 동시에 요구하는 다양한 산업 분야에서 지속적으로 발전하고 있다.

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