[논문]절연형 고효율 PFC AC-DC 컨버터에 관한 연구

곽동걸; 김상훈

문제 정의

본 논문에서는 새로운 절연형 고효율 PFC AC-DC 컨버터를 제안하여 기존의 PFC AC-DC 컨버터와 비교 검토하였다. 제운f한 PFC 컨버터는 기존의 PFC 컨버터에 스위치보호용으로 사용되는 스너버 회로를 소프트 스위칭을 위한 부분 공진 회로로 설계한 새로운 무손실 스너버 회로를 제안하여 회로구조가 간단하였으며, 일정 스위칭 주파수에 의해 제어방식 또한 용이하였다.
이를 개선하기위해 본 논문에서는 제어스위치 주위에 부분 공진 회로를 적용한 소프트 스위칭 즉, ZVS(zero voltage switching) 또는 ZCS(zero current switching)로 스위치를 동작시키는 회로 토폴로지를 개발하고 제안한다. 부분 공진회로는 기존 컨버터의 스위치 보호용으로 이용되는 스너버회로를 공진회로로 설계한 새로운 무손실 스너버 회로를 제안하여 제어스위치들의 소프트 스위칭을 이룬다[8].

가설 설정

시뮬레이션에 사용한 회로정수들을 표 1에 나타낸다. 제어 스위치는 가변저항 스위치로 가정하고 그 외 소자는 이상적인 소자로 간주하였다. 제안한 컨버터의 스위칭 동작에 대한 각부의 시뮬레이션 동작파형을 그림 5에 나타낸다.

제안 방법

실험회로 구성은 전력용량 LOkW급으로 하여 사용된 입력 전원과 수동소자들의 변수들은 표 1에 주어진 값들을 기준하였다. 전력용 스위치는 IGBT(Fairchild사, HGT 1N₄₀N 60A4D)를 사용하였고 다이오드는 고속 역회복용 FRD(NIE 사, KSF30A60E)를 사용하였다.
제안한 절연형 고효율 PFC AC-DC 컨버터의 동작 특성을 확인하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션(PSpice)을 하였다. 시뮬레이션에 사용한 회로정수들을 표 1에 나타낸다.
제안한 컨버터는 PWM제어에 의해 출력전압이 조정되고, 일정 스위칭 주파수에 의한 전류불연속 모드로 동작되어 인덕터 전류는 정현파 입력전압의 크기에 비례한 불연속적인 펄스 열의 정현파상으로 되어 역률을 개선시킨다. 그리고 사용된 제어스위치 Si, S2의 턴-온, 턴-오프 동작은 소프트 스위칭으로 되어 변환기의 효율을 증대시킨다.
전력용 스위치는 IGBT(Fairchild사, HGT 1N₄₀N 60A4D)를 사용하였고 다이오드는 고속 역회복용 FRD(NIE 사, KSF30A60E)를 사용하였다. 제어스위치의 구동 스위칭주파수는 40kHz를 기준하여 DSP프로세서에 PWM 데이터 테이블을 작성하여 듀티율 변화에 따른 각부 동작 파형들을 측정 검증하였다.
제운f한 PFC 컨버터는 기존의 PFC 컨버터에 스위치보호용으로 사용되는 스너버 회로를 소프트 스위칭을 위한 부분 공진 회로로 설계한 새로운 무손실 스너버 회로를 제안하여 회로구조가 간단하였으며, 일정 스위칭 주파수에 의해 제어방식 또한 용이하였다. 그리고 소프트 스위칭에 의해 기존의 컨버터에서 나타나는 스너버 손살이 없었으며, 공진회로는 지속적인 공진동작이 아닌 스위칭 동작 시에 부분적인 공진동작으로 인한 공진소자들의 용량분담과 스트레스를 저감시켜 전력변환기의 효율을 증대시켰다.

대상 데이터

전력용 스위치는 IGBT(Fairchild사, HGT 1N₄₀N 60A4D)를 사용하였고 다이오드는 고속 역회복용 FRD(NIE 사, KSF30A60E)를 사용하였다. 제어스위치의 구동 스위칭주파수는 40kHz를 기준하여 DSP프로세서에 PWM 데이터 테이블을 작성하여 듀티율 변화에 따른 각부 동작 파형들을 측정 검증하였다.

성능/효과

공진용 소자로 이용된 스너버 커패시터 Cr 은 축적된 에너지를 손실 없이 입력 측으로 유입시켜 무손실 스너버 커패시터로 동작되고, 입력전류를 상승시키게 된다. 그 결과 입력전류의 고조파 성분이 감소되어 기존의 PFC 컨버터와 비교하여 역률을 더욱 증대시키는 특징을 가진다.
제운f한 PFC 컨버터는 기존의 PFC 컨버터에 스위치보호용으로 사용되는 스너버 회로를 소프트 스위칭을 위한 부분 공진 회로로 설계한 새로운 무손실 스너버 회로를 제안하여 회로구조가 간단하였으며, 일정 스위칭 주파수에 의해 제어방식 또한 용이하였다. 그리고 소프트 스위칭에 의해 기존의 컨버터에서 나타나는 스너버 손살이 없었으며, 공진회로는 지속적인 공진동작이 아닌 스위칭 동작 시에 부분적인 공진동작으로 인한 공진소자들의 용량분담과 스트레스를 저감시켜 전력변환기의 효율을 증대시켰다. 더욱이 출력용량의 증가와 더불어 제안한 PFC 컨버터는 기존의 PFC 컨버터와 비교해서 효율의 차이가 크게 나타났다, 제안한 PFC 컨버터는 전류불연속모드의 일정 스위칭 주파수 제어에 의해 입력전류를 정현파 입력전압의 크기에 비례한 불연속적인 펄스열의 정현파상으로 만들어 입력역률을 상승시켰으며, 특히 공진용 스너버 커패시터의 축적된 에너지의 입력측 유입으로 인해 기존의 PFC AC-DC 컨버터와 비교하여 저차고조파 성분이 감소되어 입력역률이 더욱 증대되었다.
그리고 소프트 스위칭에 의해 기존의 컨버터에서 나타나는 스너버 손살이 없었으며, 공진회로는 지속적인 공진동작이 아닌 스위칭 동작 시에 부분적인 공진동작으로 인한 공진소자들의 용량분담과 스트레스를 저감시켜 전력변환기의 효율을 증대시켰다. 더욱이 출력용량의 증가와 더불어 제안한 PFC 컨버터는 기존의 PFC 컨버터와 비교해서 효율의 차이가 크게 나타났다, 제안한 PFC 컨버터는 전류불연속모드의 일정 스위칭 주파수 제어에 의해 입력전류를 정현파 입력전압의 크기에 비례한 불연속적인 펄스열의 정현파상으로 만들어 입력역률을 상승시켰으며, 특히 공진용 스너버 커패시터의 축적된 에너지의 입력측 유입으로 인해 기존의 PFC AC-DC 컨버터와 비교하여 저차고조파 성분이 감소되어 입력역률이 더욱 증대되었다. 또한 제안한 고효율 컨버터는 절연형으로 설계되어 절연이 요구되는 전력변환기들에 적용될 수 있는 장점이 주어진다.
시각 t3에서 커패시터 전압vcr은 입력전압%과 출력전압 vat의 합으로 되고, 인덕터 전류/"은 부하측으로 유입되어 직선적으로 감소하여 시각 t4에서 영으로 된다. 또한 상기 결과 파형에서 공진회로는'공진 1주기 동안 지속적으로 이루어지지 않고 스위치의 턴-온과 턴-오프에서 부분적인 공진 동작을 볼 수 있으며, 이러한 부분공진 동작에 의해 공진 소자들의 용량분담과 스트레스를 줄인다. 이상의 컴퓨터 시뮬레이션 결과들은 앞서의 이론적 해석의 타당성을 입증한다.
그 결과 컨버터의 회로구성이 간소화되고 컨버터의 효율이 증대된다. 또한 제안한 컨버터의 제어스위치들은 전류 불 연속모드로 동작되어 제어회로와 제어방식이 간단하고, 공진회로는 지속적인 공진동작이 아닌 스위칭 동작에서 부분적인 공진 동작을 가지게 되어 공진소자들의 용량분담과 스트레스를 저감시키는 장점이 있다. 더욱이 공진소자로 이용되는 무손실 스너버 커패시터는 축적된 에너지를 입력측으로 유입 시켜 입 력전류를 상승시 킨다.
그림 13은 제안한 PFC 컨버터와 기존의 PFC 컨버터에 대한 출력용량변화에 따른 효율측정 비교를 나타낸다. 소프트 스위칭으로 동작되는 제안한 컨버터가 스너버 회로를 장착한 기존의 컨버터보다 상당한 효율증대를 보였다. 이것은 기존 컨버터의 경우 출력용량의 증가와 더불어 스너버 회로의 손실이 증대되었기 때문이다.
제안한 PFC 컨버터가 기존의 PFC 컨버터보다 기본파성분은 증대되고 고조파성분이 감소된 결과를 보인다. 이상의 실험파형들은 스위칭 주파수 40kHz, 듀티율 30%에 대한 앞서의 시뮬레이션 결과와 잘 일치한다.
나타낸다. 제안한 PFC 컨버터가 기존의 PFC 컨버터보다 기본파성분은 증대되고 고조파성분이 감소된 결과를 보인다. 이상의 실험파형들은 스위칭 주파수 40kHz, 듀티율 30%에 대한 앞서의 시뮬레이션 결과와 잘 일치한다.
제안한 컨버 터 가 듀티율의 증가에 따른 높은 입 력역률을 보인다. 이것은 공진용으로 사용된 스너버 커 패시 터 의 충전전류가 손실 없이 입력측으로 유입되기 때문이다.

후속연구

더욱이 출력용량의 증가와 더불어 제안한 PFC 컨버터는 기존의 PFC 컨버터와 비교해서 효율의 차이가 크게 나타났다, 제안한 PFC 컨버터는 전류불연속모드의 일정 스위칭 주파수 제어에 의해 입력전류를 정현파 입력전압의 크기에 비례한 불연속적인 펄스열의 정현파상으로 만들어 입력역률을 상승시켰으며, 특히 공진용 스너버 커패시터의 축적된 에너지의 입력측 유입으로 인해 기존의 PFC AC-DC 컨버터와 비교하여 저차고조파 성분이 감소되어 입력역률이 더욱 증대되었다. 또한 제안한 고효율 컨버터는 절연형으로 설계되어 절연이 요구되는 전력변환기들에 적용될 수 있는 장점이 주어진다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

절연형 고효율 PFC AC-DC 컨버터에 관한 연구
A Study on PFC AC-DC Converter of High Efficiency added in Electric Isolation 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

절연형 고효율 PFC AC-DC 컨버터에 관한 연구 A Study on PFC AC-DC Converter of High Efficiency added in Electric Isolation 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

절연형 고효율 PFC AC-DC 컨버터에 관한 연구
A Study on PFC AC-DC Converter of High Efficiency added in Electric Isolation 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper