회로 차단기 선정을 위한 SMPS 돌입 전류 계산

SMPS 돌입 전류 계산 및 차단기 선정 가이드

스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)를 전력망에 연결할 때, 커패시터 충전으로 인해 돌입 전류 피크가 발생하며 정격 전류의 100배 이상에 달할 수 있습니다. 이는 전력 여유가 있어도 차단기를 트립시킬 수 있습니다. 펄스 지속 시간은 50~2000 µs이며, 전압 피크(230V 기준 325V)에서 스위치를 켤 때 최대 진폭이 발생합니다. SMPS 토폴로지에 따라 크기가 결정됩니다: 1차 측에 커패시터가 있는 클래식 토폴로지는 수십 암페어, PSR 토폴로지는 단일 자릿수 암페어를 발생시킵니다.

주요 SMPS 토폴로지와 돌입 특성

SMPS는 두 가지 토폴로지로 구성됩니다.

토폴로지 1 (클래식): 다이오드 브리지 후 1차 측에 대형 전해 커패시터(수 µF에서 수백 µF)가 배치됩니다. 이는 전력망 피크 전압까지 충전됩니다. 돌입 전류는 주로 이 커패시터 충전(최대 98%)에서 발생하며, EMI 필터의 작은 커패시턴스가 추가됩니다. 지속 시간은 수백 µs, 피크는 수십 A입니다. 50W 이상의 전력, PFC(역률 보정)가 포함된 SMPS에 사용됩니다.

토폴로지 2 (PSR): 대형 커패시터는 2차 측에 있으며, 1차 측에는 나노패럿 단위의 커패시턴스가 있습니다. 돌입 전류는 리액티브 전력망 및 필터 요소의 진동에서 발생합니다. 피크는 단일 자릿수 암페어, 지속 시간은 수십 µs입니다. 60W 이하 전원 공급 장치에 일반적입니다.

돌입 전류 파라미터 측정

돌입 전류는 I_max(진폭)와 T_i(I_max/2 수준에서의 지속 시간) 두 가지로 특징지어집니다. 스위칭 위상에 따라 달라집니다: 사인파 피크에서 최대, 0 근처에서 최소(8~10배 차이).

토폴로지 1의 경우, 펄스는 RC-CR 형태입니다: 선행 에지는 L_sum/R_sum(τ_n = L_sum / R_sum)으로, 후행 에지는 C1 R_sum(τ_c = C1 R_sum)으로 정의됩니다.

실제 펄스에는 리액티브 요소의 링잉(T_ring)이 포함됩니다. 지속 시간 T_u = T_o.i + T_ring(링잉 에너지가 무시할 수 있을 때, I_ring < 0.1 I_max T_o.i 또는 T_o.i > 200 µs).

토폴로지 2의 경우, 감쇠 진동입니다. RC-CR 등가로 변환:

• 각 반주기의 RMS: I_n = 0.7 * |a_n|
• I_max = 0.7 * a1
• T_i는 I_max/2 * 0.7 수준의 엔벨로프 기반

권장: 노이즈 신호에는 오실로스코프 디지털 필터(5~20 kHz) 사용.

병렬 SMPS의 돌입 전류

N개의 병렬 SMPS의 경우, I_max_sum ≠ N * I_max(이상적인 전력망). 전력망 파라미터: Rc, Lc를 고려하세요. 표준 IEC63129은 Lc = 100 µH, 단락 전류 400~460 A(230V 기준 Rc ≈ 0.5~0.6 Ω)를 제안합니다.

시뮬레이션 결과:

• 실제 전력망에서 피크는 위상에 분산되며, 총 I_max는 N배보다 작습니다.
• 전력망 인덕턴스가 에지를 부드럽게 하여 전체 피크를 감소시킵니다.

SMPS 그룹 계산 단계:

• 각각의 I_max, T_i 측정.
• 전력망의 Lc, Rc 추정(설계 또는 표준에서).
• Excel에서 총 펄스 시뮬레이션: 스위칭 위상 변화 고려.
• 차단기 트립 곡선(적분 i²t) 대조.

돌입 전류를 고려한 차단기 선정

차단기는 열(장기) 또는 전자기(순간) 방출로 트립됩니다. SMPS의 경우, 자기 방출이 중요합니다: i²t에 비례합니다.

• 특성 곡선(B, C, D) 사용: 높은 돌입 전류에는 D-클래스(모터 스타터, SMPS).
• 여유: 차단기 정격은 총 작동 전류의 1.5~2배.
• 그룹의 경우: 피크가 아닌 충격 에너지 합산.

예시: 10개 LED 조명(SMPS 토폴로지 2). 각 I_max=5 A, T_i=50 µs. 이상적으로 50 A, Lc=100 µH 전력망에서 실제 피크 ~20~30 A. 10~16 A 타입 D 차단기는 트립하지 않습니다.

주요 선정 요소:

• SMPS 토폴로지.
• 스위칭 위상.
• 전력망 파라미터(Lc, Rc).
• 방출 특성.
• 병렬 부하 수.

핵심 요약

• SMPS 돌입 전류는 커패시터 충전 + 진동으로, 325V 스위칭 시 정격의 최대 100배 피크.
• 토폴로지 1: 수십 A, 수백 µs; 토폴로지 2: 단일 자릿수 A, 수십 µs.
• 병렬 SMPS의 경우, 전력망 영향으로 총 피크 < N * I_max.
• D-클래스 차단기 선택, Excel에서 i²t 시뮬레이션.
• 5~20 kHz 필터로 측정, I_max/2에서 T_i.

— Editorial Team