[논문]임계전류도통모드로 동작하는 디지털제어 단상 역률개선 컨버터

정강률

doi:10.5762/kais.2010.11.7.2570

[국내논문] 임계전류도통모드로 동작하는 디지털제어 단상 역률개선 컨버터
Digital-controlled Single-phase Power-factor Correction Converter Operating in Critical Current Conduction Mode 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.11 no.7, 2010년, pp.2570 - 2578

초록
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본 논문에서는 임계전류도통모드로 동작하는 디지털제어 단상 역률개선(PFC; power-factor correction) 컨버터를 제안한다. 제안한 컨버터는 PFC를 위하여 DC-DC 부스트 컨버터 구조를 이용하며 인덕터전류를 임계도통모드로 동작시킨다. 또한 제안한 컨버터는 마이컴을 이용하여 디지털적으로 제어되기 때문에 제어회로는 간단해지고 컨버터는 더욱 효과적으로 동작한다. 본 논문에서는 먼저 제안한 컨버터의 동작원리를 설명하고 회로를 해석한다. 그리고 본 논문은 제안한 컨버터의 구현방법을 소프트웨어와 회로설계 부분으로 구분하여 구체적인 설계예와 함께 설명한다. 또한 설계된 회로파라미터에 의한 프로토타입 컨버터의 실험결과로 제안한 컨버터가 단상 PFC 컨버터로써 좋은 동작 특성을 가지고 있음을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a digital-controlled single-phase power-factor correction (PFC) converter operating in critical current conduction mode. The proposed converter utilizes the DC-DC boost converter topology for the PFC and operates the inductor current in critical conduction mode. Because the proposed converter is controlled digitally using a micom, its control circuit is simplified and the converter operates more effectively. This paper first explains the operational principles of the proposed converter and then analyzes the converter circuit. And this paper explains the implementation method of proposed converter with a detail design example, which is divided into software and circuit design parts. Also, it is shown through the experimental results of the prototype converter by the designed circuit parameters that the proposed converter has good performance as a single-phase PFC converter.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

디지털제어는 제어지연(control delay) 과 양자화(quantization) 와 같은 비이상성이 있어서 아날로그 제어기의 동작특성 만큼 양호하게 구현될 수 없는 제한성을 가지고 있기는 하지만, PFC 컨버터 응용에 있어서는 디지털제어가 아날로그신호 변화에 대한 강인성, 제어기능 구현의 정교성, 시스템 진단 능력 및 제어기 구현관점에서 설계 과정의 신속성 등의 큰 장점을 가진다. 그러므로 본 논문에서는 디지털제어를 이용하여 임계전류 도통 모드로 동작하는 단상 PFC 컨버터를 제안한다. 제안한 컨버터는 DC-DC 부스트 컨버터 회로 구조를 이용하며 마이컴을 이용한 디지털제어를 실시하고 컨버터의 인덕터전류를 임계도통모드로 흐르게 한다.
본 논문에서는 DC-DC 부스트 컨버터 토폴로지를 이용하여 임계전류도통모드로 동작하는 디지털제어 단상 PFC 컨버터를 제안하였다. 제안한 컨버터는 마이컴을 이용하여 PFC 컨버터를 제어하고 컨버터의 인덕터전류를 임계도통모드로 동작하게 하였다.

가설 설정

- 스위칭 주파수는 AC 입력주파수보다 매우 크다. 그래서 스위칭 주기는 매우 짧으므로 입출력 양들은 스위칭 주기 내에서 상수값으로 취급되고 관련된 평균치에 의해서 나타낸다.

제안 방법

각 전압, 전류의 A/D 변환은 메인 루프에서 폴링 방식으로 무한루프 형태로 실시한다. 그리고 그 중 다이오드 브리지정류기 출력전압 Vrec(t) 의 분압의 A/D 변환값과 타이머 인터럽트 루틴에서 계산된 전압제어기의 출력값의 승산(multiplication)을 실시하고, 각 전압, 전류의 A/D 변환값에 따라 폴링 방식으로 기준값과 비교하여 컨버터의 MOSFET S 를 제어한다. 이때 과전압(over voltage) 이나 과전류 (over current) 의 제한치와 비교하여 전류나 전압이 제한치를 초과할 때는 바로 무한루프 형태의 폴트 루틴 (fault routine, 그림 6에서 Fault 부분)으로 분기하고 컨버터의 MOSFET S 를 턴오프하여 컨버터 회로를 보호한다.
이를 위하여, 먼저 본 논문은 제안한 컨버터의 동작 원리를 설명하고 회로를 해석하였다. 그리고 제안한 컨버터의 구현방법을 소프트웨어와 회로설계 부분으로 구분하여 구체적인 설계예와 함께 설명하였다. 또한 설계된 프로토타입 컨버터의 실험결과를 통하여 제안한 컨버터가 단상 PFC 컨버터로써 좋은 동작특성을 가지고 있음을 보였다.
본 논문에서 제안한 PFC 컨버터의 동작특성을 실험적으로 증명하기 위하여 4절에서 기술한 내용을 근거로 프로토타입 회로를 제작하고 실험하였다. 소프트웨어 프로그램은 4.
그래서 제안한 컨버터의 제어회로는 간단해지지만, 컨버터는 더욱 효과적으로 동작한다. 본 논문에서는 먼저 제안한 컨버터의 동작원리를 설명하고 회로를 해석하며, 후에 제안한 컨버터의 소프트웨어 구현방법과 회로설계 방법을 구체적인 설계예와 함께 설명한다. 그리고 제안한 컨버터가 좋은 동작특성을 가진 단상 PFC 컨버터임을 프로토타입 컨버터의 실험결과로 보인다.
그래서 제안한 컨버터의 회로구조는 간단해졌고 컨버터는 더욱 효과적으로 동작하였다. 이를 위하여, 먼저 본 논문은 제안한 컨버터의 동작 원리를 설명하고 회로를 해석하였다. 그리고 제안한 컨버터의 구현방법을 소프트웨어와 회로설계 부분으로 구분하여 구체적인 설계예와 함께 설명하였다.
제안한 PFC 컨버터는 DC-DC 부스트 컨버터 회로 토폴로지를 이용하고 단일칩 마이컴으로 제어되며 컨버터의 인덕터전류를 임계도통모드로 동작시킨다. 그림 2는 제안한 컨버터의 회로도와 이와 연계하여 동작원리를 보이는 동작개념도이다.
제안한 PFC 컨버터는 인덕터의 임계전류도통모드 동작을 위해 전력반도체스위치 MOSFET S를 고정주파수로 스위칭하지 않는다. 인덕터전류의 도통상태에 따라 컨버터의 정상상태 동작을 3개의 모드로 구분하며 그 주요부분의 이론적 동작파형은 그림 3과 같다.
제안한 PFC 컨버터는 임계 전류도통모드로 동작하기 때문에 컨버터의 동작 스위칭주파수는 컨버터의 입출력 조건과 인덕턴스에 따라 결정된다. 그러므로 인덕턴스는 컨버터의 입출력조건과 최소 스위칭주파수에 의해 결정된다고 할 수 있다.
제안한 PFC 컨버터의 제어는 그림 2의 컨버터의 동작개념도에 근거하여 단일칩 마이컴 상에 소프트웨어 알고리즘으로 구현된다. 구현된 소프트웨어 알고리즘은 매우 간단하여 저가형 마이컴에서도 구현이 가능하다.
그러므로 본 논문에서는 디지털제어를 이용하여 임계전류 도통 모드로 동작하는 단상 PFC 컨버터를 제안한다. 제안한 컨버터는 DC-DC 부스트 컨버터 회로 구조를 이용하며 마이컴을 이용한 디지털제어를 실시하고 컨버터의 인덕터전류를 임계도통모드로 흐르게 한다. 그래서 제안한 컨버터의 제어회로는 간단해지지만, 컨버터는 더욱 효과적으로 동작한다.
컨버터를 제안하였다. 제안한 컨버터는 마이컴을 이용하여 PFC 컨버터를 제어하고 컨버터의 인덕터전류를 임계도통모드로 동작하게 하였다. 그래서 제안한 컨버터의 회로구조는 간단해졌고 컨버터는 더욱 효과적으로 동작하였다.
제안한 컨버터에서는 이상에서 설명한 여러 제어 동작들이 원칩 마이컴에 소프트웨어 알고리즘으로 구현된다.

대상 데이터

그래서 Cin 의 용량을 통상적으로 AC 입력전류 최대치의 1A당 1UF 정도로 설정한다[12]. 따라서 본 논문의 제안한 PFC 컨버터 설계예의회로에서는 Gn=4.7uF 으로 선정한다.
회로를 제작하고 실험하였다. 소프트웨어 프로그램은 4.1 절의 설명을 근거로 저가형 단일칩 8비트 마이컴인 PIC₁₆C₇₃ 을 이용하여 구현하였다. 그림 2의 제안한 PFC 회로 프로토타입의 각 파라미터는 4.
2 절에서 설계된 것을 이용하여 구현되었다. 실험의 입력전원은 전기 전자장치에서 통상적으로 이용하는 220V AC 상용전원을 이용하였다.
한편, 컨버터스위치 MOSFET S 의 최대전류는 lL, pk, max=17.5A 이고 최대내압은 입력전압의 최대 피크치인 약 367V 이므로 마진을 고려하여 정격전압이 650V 이고 정격전류가 47A 인 상용 MOSFET SPW47N₆₀C₃ 을 컨버터 스위치 MOSFET S 로 선정한다. 그리고 블로킹다이오드 D 는 역시 최대전류가 ILmx=17.

성능/효과

0을 보인다. 각 부하에 대해서 전류의 크기만 증가할 뿐 입력전류는 동일하게 정현파 모양을 나타내었으며 역률은 단위역률이었다.
제안한 컨버터는 DC-DC 부스트 컨버터 회로 구조를 이용하며 마이컴을 이용한 디지털제어를 실시하고 컨버터의 인덕터전류를 임계도통모드로 흐르게 한다. 그래서 제안한 컨버터의 제어회로는 간단해지지만, 컨버터는 더욱 효과적으로 동작한다. 본 논문에서는 먼저 제안한 컨버터의 동작원리를 설명하고 회로를 해석하며, 후에 제안한 컨버터의 소프트웨어 구현방법과 회로설계 방법을 구체적인 설계예와 함께 설명한다.
제안한 컨버터는 마이컴을 이용하여 PFC 컨버터를 제어하고 컨버터의 인덕터전류를 임계도통모드로 동작하게 하였다. 그래서 제안한 컨버터의 회로구조는 간단해졌고 컨버터는 더욱 효과적으로 동작하였다. 이를 위하여, 먼저 본 논문은 제안한 컨버터의 동작 원리를 설명하고 회로를 해석하였다.
본 논문에서는 먼저 제안한 컨버터의 동작원리를 설명하고 회로를 해석하며, 후에 제안한 컨버터의 소프트웨어 구현방법과 회로설계 방법을 구체적인 설계예와 함께 설명한다. 그리고 제안한 컨버터가 좋은 동작특성을 가진 단상 PFC 컨버터임을 프로토타입 컨버터의 실험결과로 보인다.
그리고 제안한 컨버터의 구현방법을 소프트웨어와 회로설계 부분으로 구분하여 구체적인 설계예와 함께 설명하였다. 또한 설계된 프로토타입 컨버터의 실험결과를 통하여 제안한 컨버터가 단상 PFC 컨버터로써 좋은 동작특성을 가지고 있음을 보였다.

참고문헌 (12)

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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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