PWM이란 무엇일까?｜인버터가 직류를 원하는 교류로 만드는 방법

PWM이란 무엇일까?｜인버터가 직류를 원하는 교류로 만드는 방법

배터리와 태양광에서 나오는 직류를 원하는 전압·주파수의 교류로 바꾸는 핵심 기술, PWM의 원리를 인버터 동작 흐름과 함께 쉽게 정리합니다.

핵심 요약
PWM(Pulse Width Modulation, 펄스폭 변조)은 전압을 연속적으로 낮추고 높이는 방식이 아니라 전력반도체를 매우 빠르게 ON/OFF하면서 펄스가 켜져 있는 시간의 비율을 조절하는 기술입니다. 인버터는 이 PWM을 이용해 직류 전력을 잘게 스위칭하고, 필터를 거쳐 원하는 형태의 교류 전압과 전류를 만듭니다.

목차 1. PWM이란 무엇일까?
2. 인버터는 왜 PWM이 필요할까?
3. PWM의 핵심, 듀티비란?
4. 인버터 내부에서는 PWM을 어떻게 만들까?
5. PWM 파형이 정현파가 되는 과정
6. SPWM과 SVPWM의 차이
7. 스위칭 주파수가 중요한 이유
8. PWM과 고조파·THD의 관계
9. 데드타임은 왜 필요할까?
10. PWM이 사용되는 대표적인 장치
11. 자주 묻는 질문

1. PWM이란 무엇일까?

PWM은 Pulse Width Modulation의 약자로, 우리말로는 펄스폭 변조라고 합니다. 말 그대로 전력반도체가 켜져 있는 펄스의 폭을 조절해 평균적인 출력 전압과 전류를 제어하는 방식입니다.

예를 들어 DC Link 전압이 600V라고 해보겠습니다. 인버터는 600V를 그대로 연속 출력하는 것이 아니라 IGBT나 MOSFET 같은 전력반도체를 매우 빠르게 켰다 껐다 하면서 출력합니다.

ON → OFF → ON → OFF → … → 펄스폭을 계속 변화

ON 시간이 길면 평균적인 출력이 커지고, ON 시간이 짧으면 평균적인 출력이 작아집니다. 이 ON 시간을 매우 빠르게 바꾸면서 정현파의 크기를 따라가게 만드는 것이 PWM의 기본 원리입니다.

2. 인버터는 왜 PWM이 필요할까?

배터리와 태양광 모듈은 기본적으로 직류 전원을 제공합니다. 반면 전력계통과 대부분의 AC 부하는 전압의 크기와 방향이 주기적으로 변하는 교류를 사용합니다.

따라서 인버터는 단순히 DC를 AC로 뒤집는 것이 아니라 다음과 같은 항목을 동시에 제어해야 합니다.

출력 전압부하 또는 계통에 필요한 전압 크기를 맞춥니다.

출력 주파수60Hz 계통 또는 모터 운전에 필요한 주파수를 만듭니다.

위상계통과 동기화하거나 모터의 회전자계를 형성합니다.

전류·전력유효전력과 무효전력, 토크 등을 제어합니다.

이처럼 다양한 제어 목표를 빠르고 정밀하게 구현하기 위해 PWM이 사용됩니다.

3. PWM의 핵심, 듀티비란?

PWM을 이해할 때 가장 중요한 개념이 듀티비(Duty Ratio 또는 Duty Cycle)입니다. 듀티비는 하나의 스위칭 주기에서 스위치가 ON 상태인 시간의 비율입니다.

듀티비 = ON 시간 ÷ 전체 주기 × 100

예를 들어 한 주기가 100μs이고 ON 시간이 50μs라면 듀티비는 50%입니다.

듀티비	ON 시간	평균적인 출력
20%	짧음	낮음
50%	절반	중간
80%	김	높음

핵심 포인트
PWM에서는 전압을 저항처럼 직접 떨어뜨려 조절하는 것이 아니라, 스위치가 켜져 있는 시간을 조절합니다. 이 방식은 전력반도체를 대부분 ON 또는 OFF 상태로 동작시키기 때문에 고효율 전력변환에 유리합니다.

4. 인버터 내부에서는 PWM을 어떻게 만들까?

실제 인버터에서는 DSP, MCU, FPGA와 같은 제어기가 실시간으로 목표 전압과 전류를 계산하고 PWM 신호를 생성합니다.

기준파

우리가 만들고 싶은 출력 파형을 나타냅니다. 예를 들어 60Hz 교류를 만들고 싶다면 60Hz 정현파가 기준이 됩니다.

반송파

기준파보다 훨씬 높은 주파수의 삼각파를 사용합니다. 이 삼각파를 Carrier Wave라고 합니다.

가장 기본적인 SPWM에서는 기준 정현파와 삼각파를 비교해 스위칭 명령을 만듭니다.

기준파 > 반송파 → ON    /    기준파 < 반송파 → OFF

정현파가 큰 구간에서는 펄스폭이 넓어지고, 정현파가 0에 가까운 구간에서는 펄스폭이 좁아집니다. 그 결과 펄스들의 평균값이 정현파를 따라가게 됩니다.

5. PWM 파형이 정현파가 되는 과정

전력반도체에서 직접 나오는 파형은 부드러운 정현파가 아니라 빠른 ON/OFF 펄스입니다. 그런데 실제 계통이나 모터에서는 훨씬 매끄러운 전압과 전류가 나타납니다.

그 이유는 인버터 출력단의 필터와 부하의 전기적 특성 때문입니다. 대표적으로 다음과 같은 필터가 사용됩니다.

필터	구성	특징
L Filter	인덕터	구조가 단순하고 전류 리플 억제
LC Filter	인덕터 + 커패시터	전압·전류의 고주파 성분 저감
LCL Filter	인덕터 + 커패시터 + 인덕터	계통연계형 인버터에서 고주파 감쇠 성능 우수

DC → PWM 스위칭 → 고주파 펄스 → 필터 → 정현파에 가까운 AC

6. SPWM과 SVPWM의 차이

PWM에도 여러 방식이 있으며, 삼상 인버터에서 대표적으로 많이 언급되는 것이 SPWM과 SVPWM입니다.

SPWM

Sinusoidal Pulse Width Modulation의 약자로, 기준 정현파와 삼각 반송파를 비교해 PWM 신호를 만드는 방식입니다. 원리가 직관적이고 구현이 비교적 단순해 PWM의 기본 개념을 설명할 때 많이 사용됩니다.

SVPWM

Space Vector Pulse Width Modulation의 약자로, 삼상 인버터의 스위칭 상태를 공간벡터로 표현하고 원하는 전압 벡터가 만들어지도록 각 스위칭 상태의 유지시간을 계산하는 방식입니다.

구분	SPWM	SVPWM
기본 원리	정현파와 삼각파 비교	공간벡터 계산
구현 난이도	비교적 단순	상대적으로 복잡
DC Link 활용	보통	상대적으로 높음
주요 활용	기본 인버터 제어	고성능 삼상 인버터, VFD 등

7. 스위칭 주파수가 중요한 이유

전력반도체를 얼마나 빠르게 ON/OFF 하는지를 스위칭 주파수라고 합니다. 일반적으로 스위칭 주파수를 높이면 출력 파형을 더 세밀하게 제어할 수 있고 전류 리플을 줄이기 쉬워집니다.

하지만 스위칭 주파수를 무조건 높이는 것이 좋은 것은 아닙니다. 스위치를 켜고 끌 때마다 스위칭 손실이 발생하기 때문에 주파수가 높아질수록 발열과 손실도 증가합니다.

설계 시 함께 보는 항목
효율 · 스위칭 손실 · 방열 · 전류 리플 · 고조파 · EMI/EMC · 필터 크기 · 가청 소음

따라서 실제 인버터는 전력반도체의 특성과 출력용량, 냉각구조, 필터 설계 등을 함께 고려해 적절한 스위칭 주파수를 선정합니다.

8. PWM과 고조파·THD의 관계

PWM은 정현파를 만들기 위한 핵심 기술이지만, 스위칭 자체가 고주파 성분을 발생시킵니다. 이 성분들이 충분히 제거되지 않으면 출력 전압이나 전류가 왜곡될 수 있습니다.

파형의 왜곡 정도를 나타내는 대표적인 지표가 THD(Total Harmonic Distortion, 총고조파왜율)입니다.

모터추가 발열과 소음, 토크 리플 가능성

변압기고조파 전류에 따른 추가 손실과 발열

전력계통전력품질 저하 및 다른 설비에 영향

보호·계측기기조건에 따라 오동작 또는 측정오차 가능성

따라서 PWM 알고리즘, 스위칭 주파수, 출력 필터, 제어기 설계는 서로 독립적인 문제가 아니라 하나의 시스템으로 최적화해야 합니다.

9. 데드타임은 왜 필요할까?

인버터의 한 레그에는 일반적으로 상단 스위치와 하단 스위치가 한 쌍으로 배치됩니다. 두 스위치가 동시에 ON되면 DC Link의 +단과 -단이 직접 연결되는 Shoot-through가 발생할 수 있습니다.

이를 방지하기 위해 한쪽 스위치를 끈 뒤 매우 짧은 시간을 기다렸다가 반대쪽 스위치를 켭니다. 이 시간을 Dead Time, 데드타임이라고 합니다.

데드타임은 인버터 보호에 필수적이지만 너무 길면 출력 전압 오차와 파형 왜곡이 커질 수 있습니다. 따라서 실제 제품에서는 전력반도체 특성과 게이트 드라이버 동작을 고려해 정밀하게 설정합니다.

10. PWM이 사용되는 대표적인 장치

태양광 인버터태양광 모듈의 DC 전력을 계통연계용 AC로 변환합니다.

ESS PCS배터리 충전·방전을 위해 AC↔DC 양방향 전력변환을 수행합니다.

VFD모터에 공급하는 주파수와 전압을 바꿔 속도와 토크를 제어합니다.

UPS배터리 DC 전원을 안정적인 AC 전원으로 변환해 부하에 공급합니다.

전기차 인버터고전압 배터리의 DC를 구동모터용 삼상 AC로 변환합니다.

DC-DC 컨버터PWM 듀티비를 이용해 직류 전압을 승압 또는 강압합니다.

11. 자주 묻는 질문 FAQ

Q1. PWM은 단순히 전압을 켰다 껐다 하는 것인가요?

기본 개념은 맞습니다. 하지만 실제 인버터에서는 전압·전류·위상·주파수 목표값을 계산한 뒤 각 전력반도체의 ON/OFF 타이밍을 매우 정밀하게 제어합니다.

Q2. PWM 파형 자체가 정현파인가요?

아닙니다. 전력반도체에서 직접 만들어지는 파형은 빠른 펄스입니다. 필터와 부하의 전기적 특성을 거치면서 원하는 기본파 성분이 남아 정현파에 가까운 전압과 전류가 만들어집니다.

Q3. 스위칭 주파수는 높을수록 좋은가요?

그렇지 않습니다. 주파수가 높으면 제어와 필터 측면에서 유리한 부분이 있지만 스위칭 손실과 발열이 증가합니다. 제품의 용량과 전력반도체, 냉각구조에 따라 적절한 값을 선택해야 합니다.

Q4. PWM은 인버터에서만 사용하나요?

아닙니다. DC-DC 컨버터, UPS, 충전기, 모터 드라이브, 전기차 전력변환장치 등 다양한 전력전자 장비에서 사용됩니다.

Q5. 인버터 출력 전압은 어떻게 조절하나요?

PWM의 듀티비와 변조지수 등을 조절해 출력 기본파의 전압 크기를 제어할 수 있습니다. 실제 계통연계형 인버터에서는 전류제어기와 전압제어기, PLL 등 여러 제어 기능이 함께 동작합니다.

Q6. SPWM과 SVPWM 중 어떤 방식이 더 좋은가요?

용도에 따라 다릅니다. SPWM은 구조가 단순하고 이해하기 쉽고, SVPWM은 삼상 인버터에서 DC Link 전압 활용도를 높이고 고성능 제어를 구현하는 데 유리한 경우가 많습니다.

PWM을 한 문장으로 정리하면

PWM은 전력반도체를 매우 빠르게 ON/OFF하면서 펄스의 폭을 조절해 원하는 평균 전압과 전류를 만들고, 인버터가 직류를 필요한 형태의 교류로 변환할 수 있도록 하는 핵심 전력전자 기술입니다.

인버터의 전체 흐름은 직류 전원 → PWM 제어 → 전력반도체 스위칭 → 필터 → 교류 출력으로 이해하면 쉽습니다. 이 원리를 이해하면 태양광 인버터, ESS PCS, VFD, UPS, 전기차 인버터 등 다양한 전력변환장치의 기본 구조도 훨씬 명확하게 보입니다.