[논문]단일 스위치 배전압 방식의 단상 PFC 컨버터의 동작 특성

구대관; 지준근; 차귀수; 임승범; 홍순찬

doi:10.6113/tkpe.2011.16.6.561

단일 스위치 배전압 방식의 단상 PFC 컨버터의 동작 특성
Operation Characteristic of Single-phase PFC converter with 1-switch Voltage Doubler Strategy 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.16 no.6, 2011년, pp.561 - 568

구대관 (순천향대 대학원 전기통신시스템공학과) , 지준근 (순천향대 전기통신공학과) , 차귀수 (순천향대 전기통신공학과) , 임승범 (단국대 전자전기공학부) , 홍순찬 (단국대 전자전기공학부)

초록
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본 논문은 단상 이중변환 무정전전원장치를 위한 단일 스위치 배전압 방식의 단상 PFC 컨버터의 동작 특성을 기술한다. 단일 스위치 배전압 방식의 단상 PFC 컨버터는 브릿지 다이오드와 양방향 능동 스위치 한 개만이 필요하며 재료비 절감이 가능하다. 하지만 이 회로가 제안된 후 동작 특성 및 제어기 설계에 대한 연구결과가 알려지지 않았다. 본 논문에서는 동작 특성과 제어기 설계방법을 기술하고 성능평가를 위해 단상 정격 3kVA 이중변환 무정전전원장치를 대상으로 실험을 수행하였다. 또한 실험을 통해 입력전류 제어, 입력역률 보상 성능을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the operation characteristic of a single-phase PFC converter with 1-switch voltage doubler strategy for single-phase double-conversion UPS. A single-phase PFC converter with 1-switch voltage doubler strategy needs a diode bridge and one bidirectional active switch. Thus it is possible to reduce the material cost. However, the study results of operation characteristic and controller design has not been known after the converter circuit was proposed. For the performance evaluation of PFC converter, single-phase 3kVA double-conversion UPS was tested. The performance of PFC converter is experimentally confirmed with followings - input current reference traking, input power factor correction.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 단일 스위치 배전압 방식의 단상 PFC 컨버터의 동작특성과 제어기 설계법에 대해 기술하고 설계된 전압 및 전류 제어기들을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션으로 PFC 컨버터가 우수한 성능을 보여줌을 확인하였고 이를 바탕으로 단상 이중변환 UPS의 AC-DC 변환부에 적용해 실험을 수행하였다.

가설 설정

부스트 인덕터가 충전되지 않은 교류 전원의 양의 반주기를 가정한다. IGBT 스위치 S가 OFF 상태에서는 배전압 회로로 동작한다.
부스트 인덕터가 충전되지 않은 교류 전원의 음의 반주기를 가정한다. 전류는 배전압 회로의 하단 다이오드 DL과 하단 캐패시터 CL로 흐른다.

제안 방법

3장 제어기 설계법과 4장의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 실제 성능을 알아보기 위하여 실험을 수행하였다. 제어기는 TI DSP(TMS320F28335)를 사용한 디지털 제어기로 구현하였고 실험 환경은 4절 시뮬레이션과 같은 단상 이중변환 UPS이다.
MATLAB/SIMULINK의 SISOTOOL을 이용하여 플랜트를 이산 시간 영역 모델 G_iz(z)로 설정하고, 우수한 전류지령 추종 성능 달성과 샘플/홀드에 의한 시지연의 영향을 피하기 위해 개루프(Open Loop) 전달함수의 대역폭을 3.21kHz, 위상여유(Phase Margin)를 60도로 정해 PID 전류 제어기를 설계하였다^[21]. 그림 7에서 나타낸 전류제어 루프의 개루프 근궤적, 보드선도 및 폐루프 보드선도를 그림 8에 보인다.
PFC 컨버터의 동작특성을 알아보기 위해서, 3절에서 기술한 제어기 설계법으로 전압 제어기와 전류 제어기를 설계하여 PSIM DLL 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 시스템은 정격 3kVA 단상 이중변환 UPS로 PFC 컨버터가 하프브릿지 인버터와 DC Link로 연결된 AC-DC-AC 구조를 가진다.
본 논문에서는 먼저 단일 스위치 배전압 방식의 단상 PFC 컨버터의 동작 특성을 설명하고, 직류단 전압 제어기 및 입력전류 제어기를 설계하여 시뮬레이션과 실험을 통해 제안된 단일 스위치 배전압 방식의 단상 PFC 컨버터의 성능을 평가하였다.
본 논문에서는 단일 스위치 배전압 방식의 단상 PFC 컨버터의 동작특성과 제어기 설계법에 대해 기술하고 설계된 전압 및 전류 제어기들을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션으로 PFC 컨버터가 우수한 성능을 보여줌을 확인하였고 이를 바탕으로 단상 이중변환 UPS의 AC-DC 변환부에 적용해 실험을 수행하였다. 실험을 통해 PFC 컨버터가 정상상태에서 우수한 전압 및 전류 제어 성능을 보인다는 것과 높은 역률 보상 성능을 확인하였고 과도응답에서도 우수한 성능을 보여주었다.
위의 방법으로 구한 이산 시간 영역의 G_iz(z) 모델을 플랜트로 하여 주파수 영역 해석방법으로 PID 전류 제어기를 설계한다. 전류 제어기와 플랜트 모델의 블록다이어그램은 그림 7과 같다.
이에 더해 전압 제어기의 출력이 전류제어 지령의 크기가 되기 때문에 120Hz 리플 성분이 포함되지 않도록 f_nv를 10∼20Hz 정도로 충분히 낮춰서 선정해야 한다^[17,18]. 추가적으로, 직류단 캐패시터 전압의 불평형을 보상하기 위해 캐패시터 전압의 차이에 대해서도 PI 제어기를 이용하여 전류 지령에 보상하였다. 따라서 전류 오차는 다음과 같이 계산된다.
파형 (c)는 교류 입력 전원과 20배를 확대하여 표시된 입력전류이고, 파형 (d)는 입력전류, 절대값 입력전류 지령, 입력전류의 샘플링된 평균전류 파형을 나타낸다. 평균전류를 알기위해 PFC 제어용 PWM 반송파의 피크점에서 입력전류를 싱글 샘플링하였다. 파형 (c), (d)를 통하여 PFC 컨버터가 우수한 성능으로 입력전류 제어가 가능함을 알 수 있었다.

대상 데이터

PFC 컨버터의 동작특성을 알아보기 위해서, 3절에서 기술한 제어기 설계법으로 전압 제어기와 전류 제어기를 설계하여 PSIM DLL 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 시스템은 정격 3kVA 단상 이중변환 UPS로 PFC 컨버터가 하프브릿지 인버터와 DC Link로 연결된 AC-DC-AC 구조를 가진다. 단, PFC 시뮬레이션과 실험에는 V_dc 밸런싱 제어기를 적용하지 않았다.
3장 제어기 설계법과 4장의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 실제 성능을 알아보기 위하여 실험을 수행하였다. 제어기는 TI DSP(TMS320F28335)를 사용한 디지털 제어기로 구현하였고 실험 환경은 4절 시뮬레이션과 같은 단상 이중변환 UPS이다. 시스템 정수는 시뮬레이션과 같다.

이론/모형

는 부스트 인덕터 값이다. 위 모델을 A/D 변환의 샘플/홀드(Sample and Hold)동작으로 인한 시지연을 고려해 샘플링 주기가 T_s일때 Zero order hold 방법으로 이산 시간영역 모델로 변환하면 다음과 같다^[19,20].

성능/효과

평균전류를 알기위해 PFC 제어용 PWM 반송파의 피크점에서 입력전류를 싱글 샘플링하였다. 파형 (c), (d)를 통하여 PFC 컨버터가 우수한 성능으로 입력전류 제어가 가능함을 알 수 있었다.
이 PFC 컨버터 출력단의 상하단 캐패시터의 전압 불평형을 보상해주는 역할을 하게 된다. V_dc 밸런싱 제어기를 적용할 경우 적용하지 않은 경우와 비교하여 안정도에 변함이 없다는 것을 시뮬레이션으로 확인하였다.
결과식 (5)는 2차 시스템의 고유 주파수(Natural Frequency) fnv와 감쇠비(Damping Ratio) ζv를 조절하여서 PI 전압 제어기를 설계할 수 있음을 알려준다.
시뮬레이션으로 PFC 컨버터가 우수한 성능을 보여줌을 확인하였고 이를 바탕으로 단상 이중변환 UPS의 AC-DC 변환부에 적용해 실험을 수행하였다. 실험을 통해 PFC 컨버터가 정상상태에서 우수한 전압 및 전류 제어 성능을 보인다는 것과 높은 역률 보상 성능을 확인하였고 과도응답에서도 우수한 성능을 보여주었다.
직류단 전압은 760V를 유지하고 있다. 입력전류를 지령과 교류 입력전압과 비교하여 보면 우수한 지령 추종 성능을 보이는 것을 알 수 있다. 그림 13은 시간 축을 확대한 파형으로 입력전류의 파형이 앞쪽으로 쏠리는 진상 현상이 없다는 것을 알 수 있다.
전술한 실험결과로 단일 스위치 배전압 방식의 단상 PFC 컨버터가 우수한 성능의 입력역률 보상이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 추가로 정상상태 전압제어 성능 및 전류제어 성능과 과도응답 성능도 우수하다는 것을 확인하였다.
이러한 비용 문제를 해결할 수 있는 회로는 1993년 Salmon에 의해 단상 단일 스위치 배전압 PWM 승압형 정류기(Single-phase 1-switch Voltage Doubler PWM Boost Rectifier)라는 명칭으로서 제안되었다. 제안된 PFC 컨버터에는 양방향 능동 스위치 한 개와 브릿지 다이오드만 필요하기 때문에 비용을 절감할 수 있다. 또한 Salmon의 PFC 컨버터와 하프브릿지 인버터를 이용한 단상 이중변환 UPS가 제안되었다^[13-15].
전술한 실험결과로 단일 스위치 배전압 방식의 단상 PFC 컨버터가 우수한 성능의 입력역률 보상이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 추가로 정상상태 전압제어 성능 및 전류제어 성능과 과도응답 성능도 우수하다는 것을 확인하였다.
그림 13은 시간 축을 확대한 파형으로 입력전류의 파형이 앞쪽으로 쏠리는 진상 현상이 없다는 것을 알 수 있다. 측정된 입력역률은 0.993%정도로 우수한 성능을 확인하였다.

후속연구

하지만, Salmon의 PFC 컨버터가 제안된 후에 동작특성과 전압 및 전류 제어기 설계 등의 연구결과들이 알려지지 않았으며, 전력품질이 중요시되는 최근에는 입력역률 보상 및 입력전류의 THD 억제 성능에 대한 후속 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PFC가 가능한 단상 이중변환 UPS 구조는 크게 어떻게 나눌 수 있는가?	PFC가 가능한 단상 이중변환 UPS 구조는 크게 2-레그형, 3-레그형, 4-레그형으로 나눌 수 있다. 2-레그형은 컨버터-인버터단이 하프브릿지로 구성되어 있으며 4개의 양방향 스위치가 필요하고, 3-레그형은 각 단이 하프브릿지-풀브릿지 또는 풀브릿지-하프브릿지 구조로 되어 있어서 6개의 양방향 스위치가 필요하다.
	입력단 전류의 고조파 증가와 역률 저하는 어떤 영향을 미치는가?	519-1992와 같은 고조파 규정을 만족시키지 못하게 만든다. 입력단 전류의 고조파 증가와 역률 저하는 장비의 오작동이나 수명저하 현상의 원인이 될 수 있다. 그래서 별도의 PFC 회로의 구현이 필요하게 된다[1-5].
	이중변환(Double-Conversion)방식 UPS의 단점은?	62040-3에 따르면 이중변환(Double-Conversion)방식 UPS는 AC-DC-AC 변환 구조를 채택하고 있기 때문에 출력전압 및 주파수가 전원계통의 교란에 대해 강인하여 1등급인 VFI(Voltage+Frequency Independent)급으로 분류된다. 반면에 자체적인 구조로 인해서 효율이 낮은 단점을 가진다. 특별히 AC-DC 컨버터에 다이오드 정류기를 사용할 경우 입력역률이 감소하고, 입력전류의 THD(Total Harmonic Distortion)가 증가하게 된다.

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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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