Inrush Current Limiter 회로 구성 – NTC 외 다른 방식들

인러시 전류란 무엇인가?

인러시 전류(Inrush Current)는 전원 스위치를 처음 켰을 때 회로에 흐르는 순간적인 고전류 현상을 의미합니다. 전원 입력단에 대용량 커패시터가 있는 경우, 전압이 인가되는 순간 이 커패시터가 충전되며 매우 큰 전류가 짧은 시간 동안 흐르게 됩니다. 이 전류는 정상 동작 시보다 수십 배 이상 클 수 있으며, 전원 소자나 브릿지 다이오드, 스위칭 소자를 손상시킬 수 있습니다. 특히 AC-DC 컨버터, SMPS, LED 드라이버, 서버 파워 등에서는 인러시 전류 제한 회로가 반드시 필요합니다.

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가장 널리 사용되는 NTC 방식의 한계

NTC 서미스터는 저온에서 저항이 높고, 온도가 오르면 저항이 낮아지는 특성을 활용해 인러시 전류를 제한합니다. 회로가 처음 켜졌을 때 NTC는 고저항 상태로 커패시터 충전을 천천히 유도하고, 이후 서서히 가열되어 저항이 낮아지면서 정상 동작 상태로 전환됩니다. 구조가 간단하고 저렴하지만, 단점도 분명합니다. 일단 한 번 가열되면 저항이 낮은 상태가 유지되므로, 짧은 시간 내에 전원을 다시 켰을 때 인러시 보호가 동작하지 않습니다. 또한, 고출력 회로나 장시간 운용되는 장비에서는 발열과 에너지 손실이 누적되기 때문에 효율이 떨어질 수 있습니다.

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릴레이 바이패스 방식의 개요

릴레이 바이패스 방식은 NTC의 저항으로 인러시 전류를 제한한 뒤, 일정 시간이 지나면 릴레이가 NTC를 우회하는 구조입니다. NTC는 초기 보호만 수행하고, 이후 릴레이 접점이 NTC를 건너뛰어 정상 상태에서는 전압 강하와 발열이 발생하지 않도록 만듭니다. 이 방식은 특히 고전력 장비에 효과적이며, 릴레이는 MCU 또는 타이머 회로로 제어할 수 있습니다. 하지만 릴레이 자체의 동작 지연이나 접점 수명, 기계적 소음 등을 고려해야 하며, 전류가 높은 회로에서는 SSR(Solid State Relay)로 대체되기도 합니다.

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저항+릴레이 방식: 간단하지만 강력한 대안

NTC 대신 일반 고와트 저항을 사용하고, 일정 시간 후 릴레이로 이 저항을 바이패스하는 구조도 널리 사용됩니다. 이 방식은 NTC의 온도 의존성을 제거하고, 보다 예측 가능한 동작을 만들어 줍니다. 릴레이 구동은 간단한 RC 딜레이 회로로도 가능하고, MCU를 이용한 정밀한 타이밍 제어도 가능합니다. 이 구조는 특히 기동 전류가 높은 트랜스포머, 대용량 커패시터를 포함한 AC-DC 전원 회로에 효과적이며, 부품 수는 조금 늘어나지만 반복 사용에 강한 특성이 있습니다.

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능동형 인러시 전류 제어 회로

보다 진보된 방식으로는 MOSFET과 전류 센서를 결합한 능동형 인러시 제어 회로가 있습니다. 이 방식은 전류가 설정된 임계값을 초과하면 게이트 전압을 조절하여 MOSFET의 온도를 조절하거나, 전류 제한을 수행하는 방식입니다. 마이크로컨트롤러나 아날로그 비교기 회로를 통해 피드백 루프를 구성할 수 있으며, 반응 속도와 반복성, 에너지 효율 모두 우수합니다. 다만 설계가 복잡하고 BOM(Bill of Materials) 비용이 상승하는 단점이 있어, 고신뢰성이 요구되는 산업용, 통신 장비 등에서 주로 채택됩니다.

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소프트 스타트 회로와의 연계 사용

인러시 전류를 직접적으로 막는 것 외에도, 전원 컨트롤러 자체에 소프트 스타트(Soft Start) 기능을 적용하는 방식도 병행하면 더 효과적인 보호가 가능합니다. 소프트 스타트는 DCDC 컨버터나 PWM 컨트롤러가 초기 기동 시 출력 전압을 서서히 상승시키도록 하여, 출력 커패시터에 흐르는 충전 전류를 제한합니다. 이 기능은 NTC나 릴레이 방식과 함께 사용할 수 있으며, 고전압 회로나 고전류 구간에서의 전류 충격을 이중으로 줄일 수 있는 장점이 있습니다.

 

 

 

부품 선택 시 고려해야 할 요소들

인러시 전류 제한 회로를 설계할 때는 부품의 정격 전류, 허용 전력, 반응 속도, 복구 특성 등을 종합적으로 고려해야 합니다. 예를 들어 NTC를 사용할 경우 정상 동작 시에도 손실이 존재하므로, 발열을 감안한 위치 선정과 방열 대책이 필요합니다. 릴레이 방식은 반복 수명과 접점 용량이 중요하고, 능동형 회로에서는 MOSFET의 Rds(on), SOA(Safe Operating Area), 게이트 드라이브 설계까지 함께 고려되어야 합니다. 잘못 설계된 경우 보호 회로가 오히려 시스템의 병목이 되거나, 오작동의 원인이 될 수 있습니다.

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AC vs DC 전원 환경에 따른 차이

인러시 전류 보호 회로는 AC 전원과 DC 전원 시스템에서 접근 방식이 다릅니다. AC 환경에서는 정현파의 위상에 따라 인러시 크기가 달라질 수 있고, 브리지 정류기를 지나면서 다이오드에 과도한 전류가 걸리기 때문에 빠르고 확실한 차단이 필요합니다. 반면 DC 환경에서는 입력이 안정적이지만, 커패시터 용량이 크면 급속 충전으로 인해 MOSFET이나 인덕터가 손상될 수 있습니다. 따라서 환경에 맞는 보호 회로 구조를 선택하는 것이 중요하며, 이 부분에서 ‘NTC 외 대안’들이 강력한 설계 옵션이 됩니다.

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설계 선택 전략과 실전 적용 가이드

결론적으로, 인러시 전류 보호는 단순한 NTC 삽입만으로 해결될 문제가 아닙니다. 회로의 특성, 전원 형태, 반복 사용 조건, 예열 시간, 복구 시간 등을 모두 고려해 최적의 방식이 결정되어야 합니다. 저전력 소형 제품에는 여전히 NTC가 유효하지만, 고출력 장비나 반복 기동이 필요한 제품군에는 릴레이 바이패스, 능동 제어, 저항+릴레이 방식이 더욱 효과적일 수 있습니다. 설계자는 각 방식의 장단점을 파악하고, 시스템에 가장 적합한 조합을 선택해야 인러시 전류로 인한 고장을 예방할 수 있습니다.