트랜스포머 누설 인덕턴스의 영향과 개선 방법

트랜스포머는 이상적으로 모든 자기장이 1차와 2차 코일 사이에서 결합되기를 기대하지만, 현실에서는 일부 자기장이 누설되며 성능 저하를 유발합니다. 이를 '누설 인덕턴스(leakage inductance)'라고 하며, 이 글에서는 그 영향과 개선 방법을 설명합니다.

1. 누설 인덕턴스란?

누설 인덕턴스(Leakage Inductance)는 트랜스포머 내에서 1차 또는 2차 권선에 생성된 자기장 중 상대 코일과 결합되지 않고 외부로 누출되는 자기장에 의해 발생하는 인덕턴스입니다.

이 인덕턴스는 트랜스포머의 이상적 동작을 방해하고, 전압 스파이크, 에너지 손실, 발열 등을 유발합니다.

2. 누설 인덕턴스의 영향

• ⚠️ 전압 스파이크: 스위칭 시 고속 전류 차단으로 인해 과도 전압 발생
• ⚠️ 효율 저하: 에너지가 결합되지 않고 누설되며 발열로 손실
• ⚠️ EMI 증가: 누설 자기장이 외부에 방사되어 전자파 간섭 발생
• ⚠️ 출력 파형 왜곡: 고속 스위칭 회로에서 파형의 리플 또는 링잉 현상 유발

3. 누설 인덕턴스 계산 예시

트랜스포머의 1차 인덕턴스 L₁ = 100 μH, 2차 인덕턴스 L₂ = 100 μH, 커플링 계수 k = 0.95일 경우:

M = k × √(L₁ × L₂) = 0.95 × 100 = 95 μH  
누설 인덕턴스 L_leak = L₁ - M = 100 - 95 = 5 μH

위의 5 μH가 회로에서 스파이크 전압의 원인이 될 수 있습니다.

4. 누설 인덕턴스를 줄이는 설계 방법

• ✅ 권선 간 거리 최소화: 1차와 2차 코일을 물리적으로 가깝게 배치
• ✅ 인터리브 권선 구조: 권선을 교차로 감아 자기 결합 향상
• ✅ 토로이달 코어 사용: 자기장이 외부로 새어나가지 않도록 폐루프 구조 사용
• ✅ 페라이트 실드 추가: 누설 자속을 흡수하거나 가둬서 EMI 방지

5. 누설 인덕턴스 보상 회로 예시

스위칭 전원 회로에서는 누설 인덕턴스로 인한 전압 스파이크를 억제하기 위해 보상 회로를 추가합니다. 대표적인 방법은 다음과 같습니다:

• 🔹 스너버 회로(RC 또는 RCD): 고속 차단 시 전압 상승 방지
• 🔹 클램프 회로: 제한된 전압 이상 상승하지 않도록 클램핑
• 🔹 TVS 다이오드: 서지 전압을 순간적으로 흡수하여 회로 보호

6. 마무리 요약

• ✔ 누설 인덕턴스는 트랜스포머의 주요 성능 저해 요소입니다.
• ✔ 자기 결합을 최적화하면 누설 인덕턴스를 줄일 수 있습니다.
• ✔ 스위칭 회로에서는 스너버, 클램프 등을 함께 적용해야 안정적인 설계가 가능합니다.

다음 글에서는 ‘트랜스포머의 자속 포화와 방지 대책’에 대해 자세히 다뤄보겠습니다.

지금까지 “Circuit DesCY” 였습니다.