[논문]PSPICE와 MATLAB을 이용한 전력전자회로 해석의 라이브러리 개발에 관한 연구

나승권; 구기준

doi:10.5762/kais.2010.11.12.4975

[국내논문] PSPICE와 MATLAB을 이용한 전력전자회로 해석의 라이브러리 개발에 관한 연구
A Study on Library Development of the Power Electronics Circuits Analysis using a PSPICE and MATLAB 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.11 no.12, 2010년, pp.4975 - 4983

나승권 (한국폴릭텍III대학 원주캠퍼스 의용공학과) , 구기준 (한림성심대학 정보통신네트워크과)

초록
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본 논문은 전력전자회로에서 많이 사용되고 있는 가장 범용적이고 강력한 시뮬레이터인 PSPICE와 MATLAB에 적용하여 소자를 모델링하여 보다 쉽게 이해하고, 다양한 제어기술을 적용시킬 수 있도록 미시적인 IGBT, 거시적인 IGBT, PWM 발생기 그리고 유도 전동기를 라이브러리화 하여 모델링의 타당성을 해석하였다. 미시적인 IGBT 모델의 소자특성을 실험을 통해 모델링의 정확성을 입증하였으며, 거시적인 IGBT모델은 사이클로 컨버터와 유도 전동기의 부하를 가진 전압형 PWM 인버터에 적용시켜 시뮬레이션 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the ordinariest and strongest simulator that many used to power electronics circuits and many different control technology can apply to more easily understand modeling the element, PSPICE and MATLAB are adapted a micro IGBT, a macro IGBT, PWM generator and to library moeling of validity of the Induction motor is interpreted. Micro IGBT model of demagnetization quality proved for modeling accuracy to through experiment, macromodel IGBT were simulated which the applied to voltage type PWM inverter to the cyclo-converter and induction motor of demagnetization.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

즉 삼각파형의 변조파가 정현파형의 신호파를 비교하여 그 논리를 취하면 신호파를 진폭에 따라서 펄스 폭의 등가 전압이 정현파 상으로 변조된 출력 파형을 얻을 수 있다. 본 논문에서는 이 PWM 전력변환방법을 시뮬레이션에 사용할 수 있도록 PSPICE을 이용하여 라이브러리로 만들었다[6].

제안 방법

따라서 본 논문에서는 전력전자 시스템의 해석을 전력용 반도체 소자와 전동기를 PSPICE를 이용하여 라이브러리로 만들어 전력전자 회로를 시뮬레이션을 하였고, 실험 파형과 비교 측정하였다.
전력용 MOSFET는 그 특성면에 있어서 다수 캐리어 소자이므로 스위칭 속도가 빠르고 커다란 베이스 전류를 필요로 하는 바이폴라 트랜지스터와는 달리 전압을 입력으로 사용해서 구동회로가 간단하고 입력 임피던스가 크다는 장점을 가지고 있다. 그러나 현재의 설계적인 면에서는 온-저항이 크고 고내압화의 어려움이 가장 큰 문제이므로 소수 캐리어 주입으로 낮은 온 저항을 갖으며 전류용량과 고내압화에 용이한 바이폴라 접합 트랜지스터의 결합으로 구성된 IGBT의 필요성이 대두되고 있으므로[2,3], 본 논문에서는 PSPICE를 이용하여 미시적인 모델[4]과 거시적인 모델[5]로 모델링 하였으며, 미시적인 모델의 정확성을 입증하기 위하여 실험파형과 비교하였고, 거시적인 모델은 사이클로 컨버터를 통해 소자의 정확성을 증명하였다.
또한 PSPICE를 이용하여 게이트단의 펄스신호는 PWM 발생기를 라이브러리화 하였으며, 부하로써는 유도 전동기를 모델링 하였고, 이러한 모델링은 사용자가 파라미터 값을 가변할 수 있도록 하였으며, 모델에 대한 확증을 위해 각 단의 전압과 전류, 속도, 토오크를 시뮬레이션 하였다.
그림 4는 미시적인 IGBT의 PSPICE 모델을 이용한 특성시험회로로 L부하를 0[μH]와 100[μH]를 사용할 때 특성들을 살펴보았다. 또한 각각의 경우에 게이트 저항R_g를 가변하였을 때 각 단의 전압과 전류 파형을 해석하였으며, 실제 소자를 이용한 실험을 통해 시뮬레이션의 타당성을 알아 보았다. 모델링한 IGBT는 IR사의 IRGPC50U(600[V]/55[A])를 이용하였다.
PWM 발생기는 그림 8에서와 같이 삼각파 발생기와 비교기 부분으로 라이브러리 화 하여 파라미터 값을 가 변함으로 다양한 신호를 만들어 낼 수 있도록 하였다. 삼각파 발생기는 PSPICE의 내부 라이브러리인 VPULSE를 이용하여 1[V]에서 -1[V]사이의 진폭을 갖는 삼각파를 발생하도록 하였다.
PWM 발생기는 그림 8에서와 같이 삼각파 발생기와 비교기 부분으로 라이브러리 화 하여 파라미터 값을 가 변함으로 다양한 신호를 만들어 낼 수 있도록 하였다. 삼각파 발생기는 PSPICE의 내부 라이브러리인 VPULSE를 이용하여 1[V]에서 -1[V]사이의 진폭을 갖는 삼각파를 발생하도록 하였다.
그림 9는 IGBT(IRGPC50U)의 미시적인 모델로 구성된 3상 PWM 인버터 회로이며 시뮬레이션 파형은 그림 10과 그림 11에 나타냈다. 이 회로의 삼각주기는 1.1190476[ms], 증가율 dt=0.001[ms], 지연시간 0[ms]의 조건과 a, b, c상 정현파와 비교하여 게이트 단에 PWM신호를 인가하도록 하여 1주기에 11펄스가 발생하도록 하였다.
여기서는 수학적인 표현이 간단하고 물리적인 개념을 쉽게 이해할 수 있는 공간벡터 표현법을 이용하여 고정자의 정지좌표계에서의 시스템 방정식을 유도하고 PSPICE를 이용하여 라이브러리로 만들었다. 고정자측 전압방정식을 구하기 위해서 먼저 식 (1)과 같이 각 상의 전압방정식을 놓았다.
본 논문에서는 최근 가장 많이 사용되고 있는 스위칭 소자인 IGBT를 PSPICE와 MATLAB을 이용하여 미시적인 방법과 거시적인 방법으로 모델링을 하여 라이브러리화하였으며 범용적으로 사용되는 전동기등 회로를 시뮬레이션과 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

또한 각각의 경우에 게이트 저항R_g를 가변하였을 때 각 단의 전압과 전류 파형을 해석하였으며, 실제 소자를 이용한 실험을 통해 시뮬레이션의 타당성을 알아 보았다. 모델링한 IGBT는 IR사의 IRGPC50U(600[V]/55[A])를 이용하였다.

성능/효과

를 1[Ω], 151[Ω], 301[Ω], 451[Ω]로 가변할 때의 애노드 전압, 애노드 전류, 게이트 전압, 게이트 전류 파형을 나타냈다. 그 결과 부하 조건에 대해 게이트 저항 R_g의 값을 가변할 때 게이트 저항이 클수록 온 시간이 지연됨을 알 수 있다. 시뮬레이션 결과에서 보면 게이트 저항 R_g가 1[Ω]에서 보다 301[Ω]에서 약 20[μs]의 지연되었다.
그림 7은 그림 6에서와 같은 조건으로 실제 사용되고 있는 소자를 이용하여 실험한 결과 파형이다. 그 결과, 동일한 출력을 나타냄으로써 시뮬레이션의 타당성을 알 수 있었다.
(1) 전력전자에서 많이 사용하고 있는 소자와 유도전동기 등을 모델링 하여 전력회로 해석을 손쉽게 나타내었다.
(2) IGBT의 미시적 모델링을 통해 실제 사용되고 있는 소자와 동일한 특성을 얻을 수 있었으며 인버어터 회로에 적용 양호한 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다.
(3) IGBT의 거시적 모델링을 사용하여 미시적 모델링일 때와 유사한 소자특성을 얻을 수 있었고, 시뮬레이션 수행시간의 단축을 얻을 수 있었다.
(4) 유도전동기 등의 라이브러리 개발을 통해 PSPICE와 MATLAB을 이용한 시뮬레이션을 수행을 용이하게 하였으며, 이를 전압형 인버터에 적용하여 그 타당성을 입증하였다.

후속연구

차후에 산업용에 사용되는 대용량 유도기나 와 지하철 견인 유도전동기 등에 실제적으로 적용할 수 있음을 시뮬레이션을 통해 입증하고 실제 적용시 그 타당성을 확인하는 것이 과제이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PSPICE의 장점은?	회로 시뮬레이터인 PSPICE(Professional Simu- lation Program with Integrated Circuit Emphasis)는 회로의 소자를 회로로 그려 처리하는 GUI(Graphic User Interface) 기능이 있어 회로작성과 수행이 용이하고 라이브러리가 풍부하다는 장점 때문에 가장 범용적으로 사용되고 있으나, 제작사인 마이크로 심(MicroSim)사에서는 전자분야에 대한 풍부한 라이브러리를 제공하고 있지만, 전력전자 분야에서 필요로 하는 전력용 반도체 소자와 유도전동기와 같은 기계적인 요소들에 대한 라이브러리를 제공하려고 개발중에 있다.[1]
	전력전자는 어떠한 학문인가?	전력전자는 전기, 전자, 반도체, 전기기계, 자동제어, 메카트로닉스 등 다양한 공학분야가 모여진 학문이다. 또한 마이크로 프로세서의 발전과 전력용 반도체 소자의 개발로 새로운 제어 이론 의 급속한 발전으로 그 응용분야가 확대되고 있다.
	전력용 MOSFET의 단점은?	전력용 MOSFET는 그 특성면에 있어서 다수 캐리어 소자이므로 스위칭 속도가 빠르고 커다란 베이스 전류를 필요로 하는 바이폴라 트랜지스터와는 달리 전압을 입력으로 사용해서 구동회로가 간단하고 입력 임피던스가 크다는 장점을 가지고 있다. 그러나 현재의 설계적인 면에서는 온-저항이 크고 고내압화의 어려움이 가장 큰 문제이므로 소수 캐리어 주입으로 낮은 온 저항을 갖으며 전류용량과 고내압화에 용이한 바이폴라 접합 트랜지스터의 결합으로 구성된 IGBT의 필요성이 대두되고 있으므로[2,3], 본 논문에서는 PSPICE를 이용하여 미시적인 모델[4]과 거시적인 모델[5]로 모델링 하였으며, 미시적인 모델의 정확성을 입증하기 위하여 실험파형과 비교하였고, 거시적인 모델은 사이클로 컨버터를 통해 소자의 정확성을 증명하였다.

참고문헌 (7)

서영수 외 2인, "실전 PSPICE", 도서출판 삼보, 1997
Michael s.Adler, "A comparison between BIMOS device types", IEEE Trans. Electron Devices, vol.ED-33, 1986, pp.286-293,

상세보기
S.Kal and N.B chakrabarti, "Technology compatibility and circuit complementarity of BIMOS", Int.J.Elec., vol. 68, No.5, 1990, pp.675-692

상세보기
Chang Su Mitter, "IGBT Modeling Using IGSpice", IEEE Trans. Industry Applications, vol.30, 1993, pp.24-33
R. Ramshw and D.Schuurman, "Pspice Simulation of Power Electronics Circuits", CHAPMAN & HALL, 1997, pp.133-137
Muhammad Harunur Rashid, "Power Electronics", Prentice-Hall International, 1996
Theodore Wildi, "Electrical Machines, Drives, and Power Systems", 3th, Prentice Hall, 1997

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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