[회로이론] 인덕터 (Inductor)

1. 인덕터 (Inductor)

   - Inductor는 쉽게 말해서 코일입니다. 내부에 Core소자에 Copper 소재의 선을 돌돌돌돌 말아놓은 것이라고 보시면 됩니다. 인덕터는 전압을 충전하는 캐패시터와 달리 흐르는 전류를 충전하여 자기 에너지로 저장을 하게됩니다. 

 

 

V = L*di/dt

 

 

 전자공학을 전공하신 분이라면 해당 공식을 많이 보셨을 겁니다. 이와 같이 인덕터에 걸리는 전압은 L*di/dt로 표현할 수 있습니다. 이는, 바꿔서 표현해보면 I = V/L *t 라는 형태를 가졌음을 알 수 있습니다. 즉, 이론적으로 인덕터는 폐회로에서 전압을 인가하면 전류는 선형적으로 증가하는 모습을 보입니다.

 

예시 회로 (1)

 

 

  하지만, 인덕터에는 내부에 발생하는 손실(loss) 성분이 있기 때문에 선형적으로 증가할 수는 없습니다

그런 손실 부분은 크게 Resistor 성분으로 생각해 볼 수 있는데, DCR (DC Resistor)이라는  직류 저항 성분이라고 불리는 성분이 그 손실 부분입니다. (반대로 ACR도 존재합니다.)

회로설계를 함에 있어 인덕터 소자를 선정할 때, 이러한 DCR 값은 큰 고려사항 중 하나입니다.

 

 

 

DCR값은 인덕터 내부의 Copper에서 발생하게 되는데, Copper를 Core에 감아놓은 아래 모양을 보시면 이해가 갈 것 입니다. (Copper를 통과하는 전류가 Copper의 저항 성분으로 인하여 IR Drop이 발생하는 열로 방출되는 부분이 전부 Loss입니다). 추가적으로 인덕터는 Copper(구리 손실성분)와 Core (철 손실성분) 2개의 소자를 사용하기 때문에 인덕터에서 발생되는 손실도 크게 2개로 나누어서 확인해볼 수 있습니다.

 

 

2. Inductor Loss

 

1. Copper Loss - DCR 

2. Iron Loss - 1) Eddy Current (와전류 손실)

                    - 2) Hysterisis Loss (히스테리시스 손실)

 

 

 

인덕터

삼성전기 - Power Inductor 설명 그림 (https://www.samsungsem.com/kr/product/passive-component/inductor.do)

 

 

  인덕터 Copper에 전류가 흐르면, 그 전류에 의해서 자기력이 형성이 되고, Core는 이런 자계에 의해서 원자들이 일정한 모양으로 배치되게 됩니다. 자계의 세기에 따라서 원자들은 자화되게 되는데, 이러한 힘들에 의해서 발생되는 것이 와전류 손실과 히스테리시스 손실입니다.

 

 

1) Eddy Current

 

  첫 번째로, Eddy Current는 Copper에 흐르는 전류에 의해 생성된 자계, 그리고 그 자계에 의해서 Core 유도되는 전류에 대한 내용입니다. 쉽게 얘기하면 Copper에 흐르는 전류때문에 Core에도 전류가 유도가 된다는 이야기입니다. 이러한 Eddy Current를 줄이기 위해서는 저항값이 큰 Core를 사용하여 유도되는 전류를 줄여야 합니다. 페라이트 코어는 저항이 크기 때문에 일반적으로 와전류값을 줄이는데 사용할 수 있습니다. (전류는 결국에 코어의 저항 성분에 의해서 열로 보여집니다.)

 

 

2) Hysteresis Loss

 

  두 번째로, 히스테리시스 손실입니다. Copper에 전류가 흐르지 않는 경우 Core 내부의 자구들은 자화되어 있는 상태이나, 방향이 랜덤하기 때문에 자속은 0이 됩니다. 

B = 0일 경우에는 하기의 모습처럼 있게 됩니다. (B는 자속 밀도이며, B = μH로 표현됩니다. μ : 투자율 / H : 자계의 세기)

예시 (2)

 

 

   이 모양에서, Coppet에 전류가 흘러 자계(H)가 형성이 되면, H의 방향으로 자구들이 배치됩니다. 당연히도 H의 크기가 커지면 커질 수록 더 많은 수의 자구들이 H의 방향으로 바라보게 되고 이는 큰 값의 B(자속밀도)를 발생시킵니다.

하지만, 자구의 개수는 일정하기 때문에 H를 아무리 크게 한다고 하여도 B의 값은 일정한 값 이상으로는 선형적으로 증가 할 수가 없습니다. 이는 자화곡선을 통해서 알 수가 있습니다. 이처럼 일정한 값 이상에서는 B는 더이상 증가하지 않게 됩니다.

 

 

 

B-H의 상관관계

 

 

 

외부의 자계 (H)를 여기서 줄이게 되면 어떻게 될까요? 원래의 곡선처럼 선형적으로 감소하여 B가 0이 될까요?

 

 -> 아닙니다.  

 

 

 H가 0이 되어도, 자화된 자구들은 어느정도의 일정한 방향성을 가지게 되는데 이는 B의 값을 어느정도의 값을 가지게 합니다. 이를 잔류 자속밀도라고 합니다. H를 반대 방향(-)으로 가해주게 되면 B는 점점 감소하게 되어 0의 값을 가지게 되며 이때의 자계의 값을 보자력 이라고 합니다. 히스테리시스 손실을 줄이기 위해서는, 아래의 곡선 면적(면적이 곧, 히스테리시스 손실)을 줄이는 방향으로 가야하며 고온의 금속을 급속하게 냉각시킨 아몰퍼스 혹은 규소(Si)를 이용하면 해당 면적을 줄여, 곧 히스테리시스 손실을 줄일 수 있습니다.

 

 

히스테리시스 곡선

 

 

 

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