[논문]단일 스위치 배전압 방식의 단상 PFC 컨버터의 전류 제어기법 비교

구대관; 지준근; 차귀수; 임승범; 홍순찬

doi:10.6113/tkpe.2012.17.1.1

단일 스위치 배전압 방식의 단상 PFC 컨버터의 전류 제어기법 비교
Comparison of Current Control Method for Single-phase PFC converter with 1-switch Voltage Doubler Strategy 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.17 no.1, 2012년, pp.1 - 7

구대관 (Dept. Electrical and Communication System Engineering, Soonchunhyang University) , 지준근 (Dept. Electrical and Communication Engineering, Soonchunhyang Univ.) , 차귀수 (Dept. Electrical and Communication Engineering, Soonchunhyang University) , 임승범 (Dept. Electronics and Electrical Engineering, Dankook University) , 홍순찬 (Dept. Electronics and Electrical Engineering, Dankook University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the performance comparison results for current controller of a single-phase PFC converter with 1-switch voltage doubler strategy for single-phase double-conversion UPS(Uninterruptible Power Supply). 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 current controller design and comparison of current control method has not been known after the converter circuit was proposed. For the performance comparison of current control, single-phase 3 kVA double-conversion UPS was tested. The performance of PI and PR current controller is experimentally confirmed with followings - input current reference tracking, input power factor correction and input current THD suppression.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 단상 이중변환 UPS의 AC-DC 변환부에 적용된 단일 스위치 배전압 방식의 단상 PFC 컨버터의 전류 제어기법들에 대해 기술하고, 설계된 전류 제어기들의 입력전류 제어, 입력역률 보상, 입력전류의 고조파 억제 성능을 실험으로 비교하였다.
본 논문에서는 단일 스위치 배전압 방식의 단상 PFC 컨버터의 PI 및 PR 전류 제어기법들에 대해 기술하고, 설계된 PI, PR 전류 제어기들의 입력전류 제어, 입력역률 보상, 입력전류의 고조파 억제 성능을 실험으로 비교하였다. 비교 결과 입력전류의 고조파 억제 성능은 두 제어기가 동일한 성능을 보였고 입력역률 보상은 듀티 전향보상이 적용된 PI 전류 제어기가 근소한 차이로 더 우수한 성능을 보여주었다.
설계된 PI 전류 제어기와 PR 전류 제어기의 성능을 비교하기 위해 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 시스템은 단상 이중변환 UPS로서 PFC 컨버터가 하프브릿지 인버터와 직류단으로 연결된 AC-DC-AC 구조를 가진다.

제안 방법

PI 전류 제어기에 대해 부하변동 실험을 수행하였다. 그림 9는 부하가 0.
PR 전류 제어기에 대해 부하변동 실험을 수행하였다. 그림 11은 부하가 0.
따라서 앞서 기술한 감쇠비와 고유 주파수 결정 방법대로 두 전류 제어기 모두 ζc를 0.1로 고정시키고 fnc를 증가시켜 이득을 결정하였다,
두 전류 제어기 모두 영교차 왜곡(Zero-crossing Distortion)을 감소시키기 위해 절대값 입력전류 제어를 이용한다. 또한 입력전류의 진상현상(Leading Phase Effect)을 줄이기 위해 전류 제어기 출력에 듀티 전향 (Duty Feedforward)보상을 적용하였다^[10]. 추가로 직류단 전압 제어와 듀티 전향보상에 직류단 전압의 120Hz 평균값(Vdcavg)을 이용하였다.
이득 결정의 기준은 입력역률 보상과 입력전류의 THD 억제 성능이었 으며, 우수한 전류 지령 추종성능을 위하여 감쇠비 ζc를 감소시키고 고유 주파수 fnc를 증가시키는 쪽으로 이득을 결정하였다.
입력전류 제어기 설계를 위한 전단계로 플랜트 모델을 설정한다. 입력전류가 부스트 인덕터에 흐르는 전류와 같기 때문에 플랜트 모델을 다음과 같이 간단하게 부스트 인덕터로만 설정할 수 있다^[11].
직류단 전압제어(Vdc Control)에는 PI 제어기를 이용하며, 추가로 직류단 캐패시터 전압의 불평형을 보상하기 위해 상하단 캐패시터의 전압차에 대해서 PI 제어기를 이용해 전류 제어기 입력에 보상하였다. 입력전류 제어블록인 CC(Current control) 블록에는 비례-적분 (Proportional-Integral ; PI) 제어기와 비례-공진 (Proportional-Resonant ; PR) 제어기를 설계하여 비교한다. 두 전류 제어기 모두 영교차 왜곡(Zero-crossing Distortion)을 감소시키기 위해 절대값 입력전류 제어를 이용한다.
전술한 PI 및 PR 전류 제어기 설계법에 따라 실험을 통한 시행착오로 fnc와 ζc를 결정하였다.
그림 2는 PFC 제어기의 전체 구조이다. 직류단 전압제어(Vdc Control)에는 PI 제어기를 이용하며, 추가로 직류단 캐패시터 전압의 불평형을 보상하기 위해 상하단 캐패시터의 전압차에 대해서 PI 제어기를 이용해 전류 제어기 입력에 보상하였다. 입력전류 제어블록인 CC(Current control) 블록에는 비례-적분 (Proportional-Integral ; PI) 제어기와 비례-공진 (Proportional-Resonant ; PR) 제어기를 설계하여 비교한다.

대상 데이터

설계된 PI 전류 제어기와 PR 전류 제어기의 성능을 비교하기 위해 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 시스템은 단상 이중변환 UPS로서 PFC 컨버터가 하프브릿지 인버터와 직류단으로 연결된 AC-DC-AC 구조를 가진다. 단, PFC 실험에는 V_dc 밸런싱 제어기를 적용하지 않았다.
설계된 전류 제어기들에 대한 정상상태 및 과도응답 실험결과를 그림 7에서 그림 12까지 나타낸다. 제어기는 TI DSP(TMS320F28335)를 사용한 디지털 제어기로 구현 하였다.

데이터처리

또한 입력전류의 진상현상(Leading Phase Effect)을 줄이기 위해 전류 제어기 출력에 듀티 전향 (Duty Feedforward)보상을 적용하였다^[10]. 추가로 직류단 전압 제어와 듀티 전향보상에 직류단 전압의 120Hz 평균값(Vdcavg)을 이용하였다.

이론/모형

두 적분기를 모두 Backward Euler 또는 Tustin 방법을 이용할 경우 대수 루프(Algebraic Loop)가 형성된다. 따라서 이 문제를 피하기 위해 전향 적분기에 대해 Forward Euler 방법을 이용하고 궤환 적분기에 대해 Backward Euler 방법을 이용하여 이산화를 하였다. 이렇게 변환한 PR 제어기의 이산시간영역 전달함수는 식 (7)에서, 이산화 블록다이어그램은 그림 5에서 보였다^[15,16].
제어기의 연속시간영역 전달함수를 여러 이산화 기법을 이용하여 차분 방정식으로 변환하는 방법과 둘째 공진항에 있는 2개의 적분기에 대해 Euler 또는 Tustin 방법을 적용하여 이산화하는 방법이 있다. 본 논문에서는 온라인 계산(Online Calculation)의 용이함을 위하여 두 번째 방법을 이용하였다^[15,16].

성능/효과

1.3kW 부하에서는 입력역률이 약 0.997이며, 입력전류 THD는 약 6∼7%대이다.
결과식 (4)는 2차 시스템의 고유 주파수(Natural Frequency) fnc와 감쇠비(Damping Ratio) ζc를 조절하여 PI 전류 제어기를 설계할 수 있음을 알려준다.
이와 달리 PR 전류 제어기는 듀티 전향보상 적용 시 입력역률 감소 및 입력전류의 THD가 증가하여 전향보상을 적용하지 않는 것이 더 우수한 성능을 보여주었다. 과도응답의 오버슛 및 언더슛 크기는 두 제어기 모두 동일하였으나 정착시간에서 듀티 전향보상을 적용한 PI 제어기가 PR 제어기보다 근소한 차이로 더 우수한 성능을 보여주었다. 표 2에 두 전류 제어기의 성능을 정리하여 보였다.
두 경우 모두 Vdc 지령과 입력전류 지령을 우수하게 추종하였고, 1.0kW 부하에서의 입력역률은 약 0.995이며, 입력전류 THD는 약 8∼9%대이다.
설계된 PI와 PR 전류 제어기들에 대한 정상상태 및 부하변동 실험결과를 살펴보면, 정상상태에서 입력전류고조파 억제 성능은 두 제어기가 동일한 성능을 나타내 었으며, 입력 역률 보상 성능은 듀티 전향보상이 적용된 PI 전류 제어기가 근소하게 더 우수한 성능을 보여주었다. 또한 PI 전류 제어기에서는 듀티 전향보상으로 인하여 입력역률 증가 및 입력전류의 THD 감소가 가능하였다. 이와 달리 PR 전류 제어기는 듀티 전향보상 적용 시 입력역률 감소 및 입력전류의 THD가 증가하여 전향보상을 적용하지 않는 것이 더 우수한 성능을 보여주었다.
반면에 PR 제어기는 듀티 전향보상을 이용하면 전류 제어 성능의 저하를 가져왔다. 또한 듀티 전향보상의 적용은 입력역률과 입력전류의 THD에서 뚜렷한 영향을 보여주었다.
본 논문에서는 단일 스위치 배전압 방식의 단상 PFC 컨버터의 PI 및 PR 전류 제어기법들에 대해 기술하고, 설계된 PI, PR 전류 제어기들의 입력전류 제어, 입력역률 보상, 입력전류의 고조파 억제 성능을 실험으로 비교하였다. 비교 결과 입력전류의 고조파 억제 성능은 두 제어기가 동일한 성능을 보였고 입력역률 보상은 듀티 전향보상이 적용된 PI 전류 제어기가 근소한 차이로 더 우수한 성능을 보여주었다. 이에 더해 부하변동 실험을 수행한 결과 듀티 전향보상이 적용된 PI 제어기가 PR제어기보다 근소하게 우수한 과도응답 성능을 보여주었다.
설계된 PI와 PR 전류 제어기들에 대한 정상상태 및 부하변동 실험결과를 살펴보면, 정상상태에서 입력전류고조파 억제 성능은 두 제어기가 동일한 성능을 나타내 었으며, 입력 역률 보상 성능은 듀티 전향보상이 적용된 PI 전류 제어기가 근소하게 더 우수한 성능을 보여주었다. 또한 PI 전류 제어기에서는 듀티 전향보상으로 인하여 입력역률 증가 및 입력전류의 THD 감소가 가능하였다.
비교 결과 입력전류의 고조파 억제 성능은 두 제어기가 동일한 성능을 보였고 입력역률 보상은 듀티 전향보상이 적용된 PI 전류 제어기가 근소한 차이로 더 우수한 성능을 보여주었다. 이에 더해 부하변동 실험을 수행한 결과 듀티 전향보상이 적용된 PI 제어기가 PR제어기보다 근소하게 우수한 과도응답 성능을 보여주었다. 이에 더해 PI 제어기는 듀티 전향보상을 이용하지 않을 경우 현격한 전류 제어 성능의 저하를 보여주었다.
또한 PI 전류 제어기에서는 듀티 전향보상으로 인하여 입력역률 증가 및 입력전류의 THD 감소가 가능하였다. 이와 달리 PR 전류 제어기는 듀티 전향보상 적용 시 입력역률 감소 및 입력전류의 THD가 증가하여 전향보상을 적용하지 않는 것이 더 우수한 성능을 보여주었다. 과도응답의 오버슛 및 언더슛 크기는 두 제어기 모두 동일하였으나 정착시간에서 듀티 전향보상을 적용한 PI 제어기가 PR 제어기보다 근소한 차이로 더 우수한 성능을 보여주었다.
부하를 인가한 순간 직류단 전압이 감소하였지만 760V를 회복하였고, 입력전류도 약간의 오버슛이 있었지만 정상상태에 도달하였다. 직류단 전압과 입력전류 모두 정착시간은 약 200ms 정도로서 PI 전류제어기보다 느린 과도응답을 보여주었다.
부하를 제거한 순간 직류단 전압이 상승하였지만 760V를 회복하였고, 입력전류도 약간의 언더슛이 있었지만 정상상태에 도달하였다. 직류단과 입력전류 모두 정착시간은 약 200ms 정도로서 PI 전류제어기보다 느린 과도응답을 보여주었다.

후속연구

따라서 PR 제어기가 PI 제어기보다 지령 추종 성능이 우수할 것으로 예상된다. 하지만 듀티 전향 보상을 적용할 경우 전류 제어 성능이 달라질 수 있기 때문에 실험으로 확인이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PFC 컨버터의 장점은?	61000-3-2와 같은 고조파 제한규정들을 만족시키기 위해 PFC(Power Factor Correction) 컨버터에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있고, AC-DC 변환부에 널리 쓰이고 있다. 또한 PFC 컨버터는 전력변환시스템의 입력전류의 고조파를 줄이고, 용량과 효율을 증대시켜 사용자의 전기요금을 감소시킬 수 있다[1-3].
	이중변환 무정전전원장치의 단점은?	중요부하에 대한 안전전력망(Secure Power Network ; SPN) 구성을 위해 널리 쓰이는 이중변환 (Double-Conversion) 무정전전원장치 (Uninterruptible Power Supply ; UPS)는 부하에 양질의 깨끗하고 안정적인 전력을 항상 공급할 수 있다. 반면 자체적인 AC-DC-AC 변환구조로 인해 효율이 떨어지는 단점을 가진다. 특별히 AC-DC 변환부에 다이오드 정류기를 사용할 경우 입력전류의 고조파 성분이 증가하고, 입력역 률이 감소하여 UPS의 효율 및 전력품질에 악영향을 끼치게 된다. 따라서 별도의 PFC 컨버터의 구현이 필요하게 된다[4].
	이중변환 무정전전원장치의 장점은?	중요부하에 대한 안전전력망(Secure Power Network ; SPN) 구성을 위해 널리 쓰이는 이중변환 (Double-Conversion) 무정전전원장치 (Uninterruptible Power Supply ; UPS)는 부하에 양질의 깨끗하고 안정적인 전력을 항상 공급할 수 있다. 반면 자체적인 AC-DC-AC 변환구조로 인해 효율이 떨어지는 단점을 가진다.

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