[논문]단상 부스트 PFC 컨버터용 가상 DQ 동기좌표계 기반 고성능 전류제어 알고리즘

김현근; 진성민; 이상희; 이수형; 김준석

doi:10.6113/tkpe.2017.22.6.496

단상 부스트 PFC 컨버터용 가상 DQ 동기좌표계 기반 고성능 전류제어 알고리즘
High Performance Current Control Algorithm Based on Virtual DQ Synchronous Reference Frame for Single-Phase Boost PFC Converter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.22 no.6, 2017년, pp.496 - 503

김현근 (Dept. of Electrical Eng, Incheon National University) , 진성민 (Dept. of Electrical Eng, Incheon National University) , 이상희 (Dept. of Electrical Eng, Incheon National University) , 이수형 (Dept. of Electrical Eng, Incheon National University) , 김준석 (Dept. of Electrical Eng., Incheon National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes a high-performance current control algorithm for a diode-bridge-type single-phase boost power factor correction (PFC) converter. The conventional asynchronous single-phase current controllers that directly control AC-type current tend to be accompanied by steady-state errors due to their poor dynamic characteristics for the transient-state, which can be attributed to bandwidth limitations and phase delays. In the proposed algorithm, an ideal current control with minimal phase delays and steady-state errors can be achieved by using a virtual DQ synchronous reference frame and by controlling the synchronous reference frame excluding the frequency component in the single-phase system. The performance of the conventional asynchronous single-phase current controller is compared with that of the proposed algorithm through simulation and experiments, and the results have confirmed the superiority of the latter.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 가상 DQ 좌표계를 이용하여 단상 부스트 PFC 컨버터 시스템에 적용가능한 동기형 전류제어 알고리즘에 대한 연구를 진행하였다. DQ 동기좌표계상에서는 주파수 성분이 배제된 DC성분의 전류를 제어하므로 센서의 오차 및 스위칭 오차와 같은 외란에 강인한 특성을 갖는 전류제어 시스템을 구현할 수 있다.
본 연구에서는 다이오드 브릿지형 부스트 PFC 컨버터에 적용할 수 있는 가상 DQ 동기좌표계 기반 고성능전류제어기에 대한 연구를 진행하였다. 다이오드 브릿지형의 경우 AC전류의 절댓값에 해당하는 전류가 부스트용 인덕터에 흐르므로 위상각을 0~180도로 변조하는 기법을 적용하여 가상 DQ 동기좌표계를 구현하였다.
전류제어기의 차단주파수(혹은 이득)를 매우 크게 설정해서 이러한 단점을 어느 정도 극복할 수 있으나 실제 시스템에 존재하는 제잡음의 영향 및 스위칭 주파수에 따른 제한으로 인해 높은 이득을 설정하기가 곤란한 경우가 많다. 본연구에서는 다음 절에서 언급하는 이득 설정법을 적용하여 위상지연을 최소화한 비동기형 PI 전류제어기를 구성하였으나 AC전류를 직접 제어해야하는 원론적인 문제로 인하여 제정수의 변동에 민감하고 과도상태의 동특성이 떨어지는 문제가 있다.

가설 설정

그림(a)의 THD는 17.77%로 증가하였고, 그림(b)의 THD는 12.95%로 거의 변화가 없다.
본 연구에서는 다이오드 브릿지형 부스트 PFC 컨버터에 적용할 수 있는 가상 DQ 동기좌표계 기반 고성능전류제어기에 대한 연구를 진행하였다. 다이오드 브릿지형의 경우 AC전류의 절댓값에 해당하는 전류가 부스트용 인덕터에 흐르므로 위상각을 0~180도로 변조하는 기법을 적용하여 가상 DQ 동기좌표계를 구현하였다.
단상 시스템의 경우 하나의 AC성분만 존재하므로 전원과 90도 위상각을 갖는 가상의 AC성분이 존재한다고 가정함으로써 DQ 동기좌표계를 구성할 수 있다. 그림 4는 단상 능동형 컨버터에서 많이 사용하는 가상 DQ 동기좌표계 기반 단상 전류제어기 구조를 나타낸다.

제안 방법

그림 6에는 전원전압 등의 모든 외란 및 부가 알고리즘을 제거한 전류제어루프의 기본 구조가 도시되어 있다. PWM 발생기의 경우 약간의 시 지연이 포함된 단위 이득 함수를 가정하여 1차 저역통과 필터 형태로 모델링하였다. 전류제어루프의 개루프 전달함수 G_o(s) 및 폐루프 전달함수 G_c(s)는 각각 식(7), 식(8)과 같다.
본 연구에서는 PI형 제어기를 기본 전류제어기로 채택하였으며 기존의 비동기형 AC전류제어 알고리즘도 PI형 제어기로 한정하였다. 대신에 인덕터의 인덕턴스를 사용하여 보다 간편하게 이득을 설정하는 방식을 적용함으로써 기존의 비동기형 및 제안하는 동기형 전류제어기의 성능을 최대한으로 끌어올렸다.
그림(a)는 비동기형 단상 PI 전류제어기의 전류제어 성능이며 그림(b)는 가상 DQ 동기좌표계 기반 동기형 PI 전류제어기의 전류제어 성능이다. 두 경우 모두 동일한 이득을 사용하였으며 실제 상황과 유사한 환경 하에서 시뮬레이션을 진행하기 위하여 PWM을 사용하는 디지털제어 알고리즘에서 나타나는 1샘플링 지연효과를 적용하였다. 2,000rad/s의 차단주파수를 갖도록 이득을 매우 잘 설정한 상태이므로 두 경우 모두 양호한 전류제어성능을 보이고 있다.
반면, 단일 스위치를 사용하는 단상 부스트 PFC 컨버터의 경우 단일 스위치로는 현실적으로 인덕터 전압과 입력전원전압 모두를 구현하는데 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서 전류제어기는 동기좌표계상에서 인덕터 전류를 직접 제어하여 인덕터에 인가되는 전압을 제어하고 정지좌표계로 변환 후 시비율 연산에서 식(2)와 같이 입력전원전압과 출력전압을 반영함으로써 전향보상항과 같은 효과를 구현하였다.
최근 Cortex-M4 계열의 보급형 고성능 MCU들이 많이 출시되고 있으며, 본 연구에서는 120MHz 클록 주파수를 갖는 Infineon Technologies사의 XMC4400 MCU를 이용한 PFC 제어기를 구성하였다. 전류 센서는 저가형 모델인 Allegro사의 ACS722를 사용하였으며, MCU의 내장 12bit ADC 모듈을 사용하여 전압 및 전류를 센싱하였다.
반면 PI형 제어기의 경우 단일 인덕터 제어를 위한 이득설정이 쉽지 않은 문제가 있으나 차단주파수 대역에서의 위상지연이 45도에 불과하므로 유사한 이득 하에서 IP형 제어기보다 보다 약간 우수한 동특성을 보인다. 본 연구에서는 PI형 제어기를 기본 전류제어기로 채택하였으며 기존의 비동기형 AC전류제어 알고리즘도 PI형 제어기로 한정하였다. 대신에 인덕터의 인덕턴스를 사용하여 보다 간편하게 이득을 설정하는 방식을 적용함으로써 기존의 비동기형 및 제안하는 동기형 전류제어기의 성능을 최대한으로 끌어올렸다.
각 파형은 AC전원전압 V_s , AC전원전류 I_s , 인덕터 전류의 오차 I_{L_Error}를 나타낸다. 인덕터 전류의 오차는 샘플링시점에서 내부 제어기가 인식하는 값으로 별도의 12Bit DAC를 이용하여 출력하였다. 시뮬레이션과는 달리 실험 환경에서는 센서의 오차 및 제정수의 오차, 전력용 반도체의 스위칭 오차 등으로 인한 각종 외란이 존재하므로 그림(a)의 비동기형 전류제어기에서는 상대적으로 큰 전류 오차가 발생하는 것을 볼 수 있다.
제안하는 가상 DQ 동기좌표계 기반 단상 PI 전류제어기의 성능과 기존의 단상 PI 전류제어기의 성능을 비교하기 위하여 PSIM을 이용하여 표 1의 조건으로 시뮬레이션을 수행하였다.

대상 데이터

차단주파수 ω_cc가 큰 경우 동특성이 커지므로 과도상태를 빠르게 억제하는 성능을 얻을 수 있으나 시스템에 존재하는 제잡음에 민감하게 반응하는 문제가 있으므로 제잡음의 정도에 따라 적절한 값을 설정할 필요가 있다. 본 연구에서는 실제 실험적 고찰을 통해 안정적인 제어성능을 얻을 수 있는 2,000rad/s(320Hz)를 차단주파수로 사용하였다.
제안하는 알고리즘의 성능을 검증하기 위하여 그림11과 같은 환경에서 시뮬레이션과 동일하게 표 1와 동일한 조건으로 실험을 수행하였다. 최근 Cortex-M4 계열의 보급형 고성능 MCU들이 많이 출시되고 있으며, 본 연구에서는 120MHz 클록 주파수를 갖는 Infineon Technologies사의 XMC4400 MCU를 이용한 PFC 제어기를 구성하였다. 전류 센서는 저가형 모델인 Allegro사의 ACS722를 사용하였으며, MCU의 내장 12bit ADC 모듈을 사용하여 전압 및 전류를 센싱하였다.

이론/모형

최근 Cortex-M4 계열의 보급형 고성능 MCU들이 많이 출시되고 있으며, 본 연구에서는 120MHz 클록 주파수를 갖는 Infineon Technologies사의 XMC4400 MCU를 이용한 PFC 제어기를 구성하였다. 전류 센서는 저가형 모델인 Allegro사의 ACS722를 사용하였으며, MCU의 내장 12bit ADC 모듈을 사용하여 전압 및 전류를 센싱하였다.

성능/효과

시뮬레이션 및 실험을 통해 기존의 비동기형 단상 전류제어기와 제안하는 알고리즘의 성능을 비교하고, 제안하는 알고리즘의 우수성을 확인하였다.
실험 결과를 통해 기존의 비동기형 단상 PI 전류제어기 보다 제안하는 가상 DQ 동기좌표계 기반 동기형 PI 전류제어기가 외란 및 부하 변동 환경에서 더 우수한 전류제어 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
이상적인 전류제어기의 성능은 컨버터 DC출력단의 전압제어기의 성능을 뒷받침하는 매우 중요한 요소이며,특히 PFC 컨버터의 역률에 직접적으로 관여하므로 1kW급 이상의 PFC를 운용할 때 가급적 우수한 성능의 전류제어 알고리즘을 사용하는 것이 좋다. 제안하는 알고리즘은 1kW 부하에서 0.991의 우수한 역률을 보이며 기존의 비동기형 단상 전류제어기와 비교하였을 때 위상 지연 및 정상상태 오차가 거의 없는 우수한 전류제어 성능을 갖는다.

후속연구

다만, DQ 동기좌표계를 구성하기 위한 AC전원 위상 각이 요구되므로 성능이 우수한 PLL알고리즘이 필요하고 DQ축 각각 전류제어기를 구성해야 하므로 비동기형 전류제어 알고리즘에 비해 연산량이 3~4배 증가하는 문제가 발생한다. 다행히 XMC4400과 같이 단일 칩에서 모든 제어가 가능한 보급형 고성능 MCU가 많이 출현하고 있으므로 실제 산업체에서도 고성능 전류제어 알고리즘을 수월하게 사용할 수 있을 것으로 예측한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단상 부스트 PFC 컨버터의 구성은 ?	단상 부스트 PFC 컨버터는 DC출력단 전압제어를 위한 전압제어기 및 AC입력단 전류를 정현파로 제어하여 역률 1을 유지하는 전류제어기로 구성된다. 단상 시스템의 경우 AC전원 주파수의 2배에 해당하는 기본파를 갖는 입력 전력이 유입되므로 DC출력단의 부하가 일정하다는 가정 하에서 피할 수 없는 DC전압의 맥동이 발생한다.
	단상 시스템의 경우 맥동이 어떻게 발생되는가 ?	단상 부스트 PFC 컨버터는 DC출력단 전압제어를 위한 전압제어기 및 AC입력단 전류를 정현파로 제어하여 역률 1을 유지하는 전류제어기로 구성된다. 단상 시스템의 경우 AC전원 주파수의 2배에 해당하는 기본파를 갖는 입력 전력이 유입되므로 DC출력단의 부하가 일정하다는 가정 하에서 피할 수 없는 DC전압의 맥동이 발생한다. 부스트용 인덕터의 전류를 제어하는 전류제어기는 AC입력단 전원과 동기된 AC전류를 제어하여 역률 1을 유지하는 목적으로 사용된다.
	PI형 제어기에서 성능을 최대한 올리기위해 한 조치는?	본 연구에서는 PI형 제어기를 기본 전류제어기로 채택하였으며 기존의 비동기형 AC전류제어 알고리즘도 PI형 제어기로 한정하였다. 대신에 인덕터의 인덕턴스를 사용하여 보다 간편하게 이득을 설정하는 방식을 적용함으로써 기존의 비동기형 및 제안하는 동기형 전류제어기의 성능을 최대한으로 끌어올렸다.

참고문헌 (8)

IEC standard 61000-3-2, limits for harmonic current emissions(equipment input current up to and including 16A per phase), 2009.
IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems, IEEE std. 519-2014, 2014.
J. D. Na, "Study of DCM interleaved boost PFC converter without the detection of the inductor current," The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 65P, No. 4, pp. 303-308, Nov. 2016.

원문보기 상세보기
S. Somkun, V. Chunkag, "Unified unbalanced synchronous reference frame current control for single-phase grid-connected voltage-source converters," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 63, No. 9, pp. 5425-5436, Sep. 2016.

상세보기
S. Y. Choi, R. Y. Kim, H. N. Kwon, J. W. Song, "The control of single phase inverter system using DQ modeling," Power Electronics Annual Conference, pp. 602-605, Jul. 2003.
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상세보기
M. Ebrahimi, S. A. Khajehoddin, M. Karimi-Ghartemani, "Fast and robust single-phase DQ current controller for smart inverter applications," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 31, No. 5, pp. 3968-3976, May. 2016.

상세보기
S. H. Kim, "AC, DC, BLDC motor control," D.B.Info, pp. 92-96, 2012.

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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