[논문]2상 인터리브드 부스트 PFC의 전류 리플 해석

김정훈; 전태현

doi:10.5370/kieep.2012.61.3.122

2상 인터리브드 부스트 PFC의 전류 리플 해석
Analysis of Current Ripple for Two-Phase Interleaved Boost PFC 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.61 no.3, 2012년, pp.122 - 128

김정훈 (화용 이엔씨(주)기업부설연구소) , 전태현 (서울과학기술대학교 전기정보공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

An interleaved boost converter has many advantages such as current ripple reduction, switching effective double, etc. Due to these advantages, the interleaved boost converter applies to the power factor correction circuit. However, there are almost no analysis results because the input voltage and current are time-varying system in the power factor correction application. Therefore, in this paper, the current ripples of the power factor correction circuit using single-phase boost dc-dc converter and 2-phase interleaved boost dc-dc converter are compared and analyzed in detail. In order to verify the validity, computer simulation and experimental are performed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

그러나, 인터리브드 DC-DC 컨버터가 PFC에 적용된 경우, DC-DC 컨버터와 달리 입력전류가 시변되는 사인파이기 때문에 전류 리플의 변화 추이를 해석하는 것이 상대적으로 난해하므로 아직까지 이에 대한 연구 결과는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 논문에서는 인터리브드 부스트 제어기법이 적용된 PFC의 장점을 분석하기 위해, 단일 부스트 PFC가 적용된 경우와 비교하여 2상 인터리브드 부스트 제어기법이 적용된 PFC의 입력전압의 각주파수 변화에 따른 듀티비의 변화를 수학적으로 분석 한 후 듀티 변화에 따른 전류 리플 변화 추이 분석 결과를 제시하였다. 또한 이론적 해석 결과를 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증하여 분석의 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 2상 인터리브드 부스트 회로 및 제어기법이 적용된 PFC가 단일 부스트 PFC에 비해 가지게 되는 장점을 이론적 분석을 통해 제시하였고, 사인입력 한 주기의 각주파수 변화에 대한 듀티비 및 전류리플 변화 양상을 일반화된 모델을 통한 그래프를 제시하였다. 또한 컴퓨터 시뮬레이션과 1.

제안 방법

단상 PFC와 2상 인터리브드 PFC의 각주파수에 따른 전류리플에 대한 분석 결과의 타당성을 검증하기 위하여 PSIM 프로그램을 이용하여 time-domain에서의 듀티 및 리플 전류 특성을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 시뮬레이션에 사용된 파라미터는 표 1과 같다.
이론적 분석내용과 시뮬레이션 스터디 결과의 타당성을 검증하기 위하여 1.5kW급 단상 부스트 PFC 및 2상 인터리브드 부스트 PFC Prototype을 설계하여 테스트 베드를 구성하였다. 실험세트에 사용된 입출력 사양 및 수동소자의 파라미터 역시 표 1과 동일하게 구성하였다.

데이터처리

따라서 본 논문에서는 인터리브드 부스트 제어기법이 적용된 PFC의 장점을 분석하기 위해, 단일 부스트 PFC가 적용된 경우와 비교하여 2상 인터리브드 부스트 제어기법이 적용된 PFC의 입력전압의 각주파수 변화에 따른 듀티비의 변화를 수학적으로 분석 한 후 듀티 변화에 따른 전류 리플 변화 추이 분석 결과를 제시하였다. 또한 이론적 해석 결과를 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증하여 분석의 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 2상 인터리브드 부스트 회로 및 제어기법이 적용된 PFC가 단일 부스트 PFC에 비해 가지게 되는 장점을 이론적 분석을 통해 제시하였고, 사인입력 한 주기의 각주파수 변화에 대한 듀티비 및 전류리플 변화 양상을 일반화된 모델을 통한 그래프를 제시하였다. 또한 컴퓨터 시뮬레이션과 1.5kW급 실험세트를 통해 이론적 분석의 타당성을 검증하였다. 이론적 해석 결과와 같이 2상 인터리브드 부스트컨버터가 적용된 PFC가 단상 부스트 PFC에 비해 입력전류 리플크기가 50% 저감된 것을 확인할 수 있고, 이를 통해 입력 EMI 필터 등의 용량 감소, 역률 증가, THD 감소, EM Noise 저감 등의 장점을 가질 수 있다는 것을 확인하였다.

성능/효과

그림 5(a)와 (b)는 단상 PFC와 2상 인터리브드 PFC가 각각 적용된 경우 입력전압, 입력전류, 정류전압, 정류전류, 인덕터전류, 출력전압을 각각 나타낸다. 220V_rms 입력이 인가되어 380Vdc 정전압 제어하면서 입력전류를 고역률의 사인파로 제어되는 것을 확인할 수 있어, 해석을 위한 시뮬레이션 모델이 타당함을 확인할 수 있다.
2상 인터리브드 PFC의 경우 인덕터 1과 2 (IL1 & IL2)의 전류리플은 단상 PFC의 경우와 동일하나, 인덕터 IL1과 IL2가 만나는 노드에서 KCL에 의해 IL1+IL2가 되어 입력전류 (정류전류) 리플이 현저히 감소되는 것을 확인할 수 있다.
5보다 큰 경우 (입력전류 상승시간이 하강시간보다 긴 경우)로 구분되어 상이한 양상을 보인다. 이러한 변화추이는 입력전압 크기변화, 임의의 듀티 조건에서 동시에 스위칭 On된 스위치 수, L₁+L₂에 의해 생성된 전류 리플의 듀티의 함수가 되어 그림 4와 같이 변화되게 되며, 이를 표 1의 조건을 대입하여 계산하면 단상 부스트 PFC의 경우는 리플 전류의 최대값은 1.9A, 한 주기 평균값은 1.33A이고, 동일 조건에서 2상 인터리브드 부스트의 경우 리플 전류의 최대값은 1.2A, 한 주기 평균값은 0.65A로 단일 부스트 PFC에 비해 약 50% 저감 되는 것을 확인할 수 있다. 또한 듀티비가 0.
5kW급 실험세트를 통해 이론적 분석의 타당성을 검증하였다. 이론적 해석 결과와 같이 2상 인터리브드 부스트컨버터가 적용된 PFC가 단상 부스트 PFC에 비해 입력전류 리플크기가 50% 저감된 것을 확인할 수 있고, 이를 통해 입력 EMI 필터 등의 용량 감소, 역률 증가, THD 감소, EM Noise 저감 등의 장점을 가질 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 스위치, 인덕터, 커패시터 등의 능·수동 소자의 병렬구성으로 인해 정격용량 선정의 용이성, 효율 향상 기대, 열 특성 개선 등의 장점을 가질 수 있을 것으로 예상된다.
단상 부스트 PFC와 2상 인터리브드 부스트 PFC의 듀티비 변화는 해석결과와 같이 정현파 정류전압 한 주기에 대해 동일한 변화를 보인다. 입력 전류 리플의 크기는 그림 4의 수학적 해석 결과와 그림 5^~8의 시뮬레이션 결과와 같이 정현파의 각 주파수에 따라 달라지기는 하나 전반적으로 작은 값을 보이는 것을 확인할 수 있다.
그림 8(a)는 정류전류 한 주기 기준의 전류리플을 나타낸다. 입력전압의 각주파수, 또는 듀티비,에 따라 그림 4와 같이 리플 변화가 발생되지만 2상 인터리브드 부스트 PFC가 고주파 전류리플 측면에서 매우 작은 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 그림 8(b)-(d)는 사인 한 주기 중 대표적인 의미를 가지는 전류 상승기울기의 듀티비 0.
5일 경우 리플의 크기가 0이 되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 이를 통해 2상 인터리브드 부스트컨버터를 적용한 PFC의 경우 입력 EMI 필터 등의 용량 감소, THD 감소, EM Noise 저감, 역률향상 등의 장점을 가질 수 있다는 것을 알 수 있다.

후속연구

또한 스위치, 인덕터, 커패시터 등의 능·수동 소자의 병렬구성으로 인해 정격용량 선정의 용이성, 효율 향상 기대, 열 특성 개선 등의 장점을 가질 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인터리브드 DC-DC 컨버터에 대한 연구는 어떤 연구가 주를 이루었는가?	지금까지 인터리브드 DC-DC 컨버터에 대한 다양한 연구가 수행되었고[4-7], 특히 대부분의 연구는 인터리브드 DC-DC 컨버터의 전류 리플 저감에 대한 해석을 수행한 연구가 대부분이었다[8-10]. 그러나, 인터리브드 DC-DC 컨버터가 PFC에 적용된 경우, DC-DC 컨버터와 달리 입력전류가 시변되는 사인파이기 때문에 전류 리플의 변화 추이를 해석하는 것이 상대적으로 난해하므로 아직까지 이에 대한 연구 결과는 거의 없는 실정이다.
	국제표준인 IEC61000-3-2에서는 각 클래스 별 고조파와 역률의 규격을 정하고 있는데 이러한 규격을 만족시키기 위해 어떤 회로를 이용하는가?	역률 저하는 필연적으로 전력계통 설비용량의 증가와 민감한 부하기기의 오작동을 발생 시키게 되므로 국제표준인 IEC61000-3-2에서는 각 클래스별 고조파와 역률의 규격을 정하고 이를 따르도록 하고 있다[1],[2]. 이러한 규격을 만족시키기 위해 역률을 보상해 주는 역률보상회로 (PFC, Power Factor Correction)의 채용이 필수적이며, 단상 입력의 경우 벅 (Buck) 또는 부스트 (Boost) DC-DC 컨버터를 주로 이용하고 3상의 경우 pwm 컨버터를 사용하여 PFC를 구현하고 있다. PFC 구현을 위해 Boost 컨버터를 사용할 경우 전력변환장치 내 인덕터와 커패시터 등 수동소자의 크기를 줄이고 역률을 증가시키기 위해 스위칭 주파수를 증가시키는데, 이럴 경우 스위칭 소자의 손실이 필연적으로 증가하는 문제가 발생된다[3].
	PFC 구현을 위해 Boost 컨버터를 사용할 때 어떤 문제점이 있는가?	이러한 규격을 만족시키기 위해 역률을 보상해 주는 역률보상회로 (PFC, Power Factor Correction)의 채용이 필수적이며, 단상 입력의 경우 벅 (Buck) 또는 부스트 (Boost) DC-DC 컨버터를 주로 이용하고 3상의 경우 pwm 컨버터를 사용하여 PFC를 구현하고 있다. PFC 구현을 위해 Boost 컨버터를 사용할 경우 전력변환장치 내 인덕터와 커패시터 등 수동소자의 크기를 줄이고 역률을 증가시키기 위해 스위칭 주파수를 증가시키는데, 이럴 경우 스위칭 소자의 손실이 필연적으로 증가하는 문제가 발생된다[3]. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 하나의 스위칭 소자를 이용한 부스트 PFC 제어방법 대신 2개의 스위칭 소자를 병렬로 구성하고 각 스위치의 pwm에 위상차를 인가하여 스위칭하는 인터리브드 (Inverleaved) 회로 및 제어방식이 고려되고 있다.

참고문헌 (10)

조정구, "통신용 전원시스템의 역률보상회로", 정보와 통신, Vol. 15, No. 8, pp. 51-61, 1998.
O. Garcia, J. A. Cobos, R. Prieto, P. Alou, and J. Uceda, "Single phase power factor corrections: a survey", IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 18, Issue 3, pp. 749-755, 2003.

상세보기
T. F. Wu, J. C. Hung, S. Y. Tseng, and Y. M. Chen, "A single-stage fast regulator with PFC based on an asymmetrical half-bridge topology", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 52, Issue. 1, pp. 139-150, 2005.

상세보기
강병국, "Interleaved Boost PFC 컨버터의 디지털제어와 전류 측정 방법의 개선", 경상대학교 대학원 석사학위논문, 2010.
이우종, 엄주경, 한병문, 차한주, "5kW 배터리 충전기용 양방향 3상 인터리브드 DC-DC 컨버터 설계 및 실험", 전력전자학회 논문지, Vol. 16, No. 3, pp. 227-233, 2011.

원문보기 상세보기
강영주, 차한주, "멀티스트링 태양광 인버터용 인터리브드 부스트 컨버터의 설계 및 제어", 대한전기학회 논문지, Vol. 60, No. 3, pp. 538-543, 2011.

원문보기 상세보기
G. Yao, A. Chen, and X. He, "Soft switching circuit for interleaved boost converters", IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 22, Issue 1, pp. 80-86, 2007.

상세보기
최규영, "연료전지용 다상부스트 컨버터의 최적 설계기법", 성균관대학교 대학원 석사학위논문, 2007.
최규영, 김종수, 강현수, 이병국 "연료전지용 다상부스트 컨버터의 최적 설계기법", 대한전기학회 논문지, Vol. 57, No. 6, pp. 1003-1011, 2008.

원문보기 상세보기
정두용, 지용혁, 김영렬, 정용채, 원충연, "인터리브드 소프트 스위칭 부스트 컨버터의 입출력 리플 분석", 전력전자학회 논문지, Vol. 17, No. 2, pp. 182-189, 2012.

원문보기 상세보기

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].

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