[논문]유도 가열에 적용되는 새로운 PWM 고주파 인버터의 특성

유의정; 이상욱; 문상필; 박한석

doi:10.5370/kieep.2018.67.2.063

유도 가열에 적용되는 새로운 PWM 고주파 인버터의 특성
Characteristics of New PWM High Frequency Inverter Applied to Induction Heating 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.67 no.2, 2018년, pp.63 - 69

유의정 (Busan Cultural Center) , 이상욱 (Korea Land & Housing Corporation all Reserved) , 문상필 (Dept. of Electrical Engineering, Masan University) , 박한석 (Dept. of Electrical Engineering, Pukyong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the operation principle of a bi-directional switch type resonant AC link snubber circuit was described, together with the practical design procedure, which employs in the proposed power module bridge package type resonant AC link snubber. The novel prototype of power module bridge package type resonant AC link snubber-assisted voltage type sinewave soft switching PWM inverter using IGBT power module was demonstrated herein. It was verified that both the auxiliary power switches in this resonant AC link snubber circuit and the main power switches commutate under the condition of soft switching commutation principle. In addition, the power losses of the new soft switching inverter treated here were analyzed by implementing the experimental data of the IGBT and diode v-i characteristics in addition to switching power loss characteristics into our original computer simulation software developed by the authors. Then, the voltage type sinewave soft switching PWM inverter was high efficiency than that of hard switching PWM inverter, along with performance operation waveforms. In the future, the comparative feasibility study of power module bridge type resonant AC link snubber and its related soft switching inverter in addition to the other types resonant snubber assisted soft switching inverter should be done from a practical point of view.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

저전력 설정시 큰 위상차 각도에서도 ZVS에 필요한 공진 전류를 확보하기 때문에 넓은 출력 전력 제어 범위내에서 ZVS가 가능한 특징을 갖는 본 고주파 인버터의 프로토 타입 실험에 의한 결과와 시뮬레이션과의 상호 비교, 검토를 실시하였다. 그리고 특수한 구조의 전자 유도 유체 발열체를 이용한 유체 가열 장치에의 응용 예에 대해 서술하였다. 있었다
본 논문에서는 이러한 기존 고주파 인버터의 단점인 ZVS영역을 확장하기 위해 전자유도 가열 시스템 부하에 병렬로 무손실 인덕터 및 양방향 스위치를 추가하여 새로운 고주파 소프트 스위칭 PWM 인버터를 제안하였다. 제안한 새로운 고주파 소프트 스위칭 PWM 인버터를 시뮬레이션과 실험을 통하여 그 특성을 정리하여 서술하면 다음과 같다.

가설 설정

(1) IGBT(파워 반도체 디바이스)는 이상적인 스위치로 한다.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 일정주파수 위상 시프트 PWM 제어에 의한 풀-브리지 고주파 부하 공진 인버터와 이 고주파 인버터의 AC측에 새로운 ZVS 촉진용 양방향 액티브 스위치형 공진 인덕터 스너버 회로를 부가한 위상 시프트 PWM 제어 액티브 공진 스너버 링크 고주파 인버터의 작동 원리 및 특징, 특성의 분석 평가 검토를 시뮬레이션 분석과 측정데이터 분석을 이용하여 하드웨어와 소프트웨어 모두의 측면에서 서술하였다. 그리고 위상차가 작은 대전력 설정시에는 기존 방식의 위상 시프트 PWM 고주파 인버터로 운전하고 위상차가 큰 저전력 설정시는 제안한 액티브 보조 공진스너버 회로를 작동시킬 수 있도록 소프트 스위칭 고주파 인버터를 채택하고 있다.
또한 회로의 구성 요소의 하나인 고주파 인버터는 단상 60[Hz], 100[V]계 교류 전원을 다이오드 정류회로와 평활 필터에 의한 직류 전원 전압 E를 입력하였다. 또한 전력 제어용 IGBT 모듈(S₁, S₂, S₃, S₄, S_a, S_b)인 역방향 도통형 스위치 스너버 커패시터(C₁, C₂, C₃, C₄), 역률 보상용 직렬 공진 커패시터C, 유도 가열계 부하로 구성하였다. IGBT는 역내압을 가지지 않기 때문에 다이오드를 역병렬로 연결한 복합 모듈을 사용하였다.
본 논문에서 사용한 절연 재료인 세라믹 섬유는 일반적으로 최고 1,600[℃]정도의 온도 영역에서 사용되는 패킹에 사용되기 때문에 이 세라믹 섬유를 단열재로 사용하여 단열 성능을 다소 향상시켰다.
본 논문에서는 기존의 전압형 풀-브리지 위상 시프트 PWM 고주파 인버터에 보조 회로부(양방향 스위치와 보조 인덕터)를 더한 새로운 양방향 스위치형 보조 공진 스너버에 의한 위상 시프트 PWM 고주파 인버터를 Fig. 7와 같이 제안하였다. 제안한 새로운 양방향 스위치형 보조 공진 스너버에 의한 위상 시프트 PWM 고주파 인버터는 유도 가열계 부하에 병렬로 보조 인덕터의 직렬 회로를 부가한 구조를 하고 있으며, 이 보조 인덕터에 에너지를 축적하고 그 에너지를 공진초기 전류로 이용하였다.
전자유도 유체 가열 시스템의 고주파 전원으로 두 방식의 소프트 스위칭 인버터에 대해 시뮬레이션 분석 및 실험에 의해 특성 평가를 실시하였다. 이 장에서는 2개의 고주파 인버터에 의한 전자유도 유체 가열 장치의 토탈 시스템으로 특성화를 실험을 통해 확인하였다.
전자유도 유체 가열 시스템의 고주파 전원으로 두 방식의 소프트 스위칭 인버터에 대해 시뮬레이션 분석 및 실험에 의해 특성 평가를 실시하였다. 이 장에서는 2개의 고주파 인버터에 의한 전자유도 유체 가열 장치의 토탈 시스템으로 특성화를 실험을 통해 확인하였다.
7와 같이 제안하였다. 제안한 새로운 양방향 스위치형 보조 공진 스너버에 의한 위상 시프트 PWM 고주파 인버터는 유도 가열계 부하에 병렬로 보조 인덕터의 직렬 회로를 부가한 구조를 하고 있으며, 이 보조 인덕터에 에너지를 축적하고 그 에너지를 공진초기 전류로 이용하였다. 이는 앞장에서 다룬 회로의 문제점인 공진 초기 전류를 보충하여 보다 넓은 소프트 스위칭 영역을 실현할 수 있다.

대상 데이터

따라서, 전자유도 가열부를 고온측과 초고온측에 나누어 개폐 밸브에 의해 적절히 장치를 온수기나 과열 증기 발생기 중 하나로 전환한다. 또한 고온측 및 초고온측 각각의 발열 방식은 고온측에서 내부발열방식, 초고온측에서 외부발열방식을 채택하는 것이 이상적이라고 생각되지만, 본 논문에서는 특수발열체인 카본 세라믹을 사용하였다.

데이터처리

그리고 위상차가 작은 대전력 설정시에는 기존 방식의 위상 시프트 PWM 고주파 인버터로 운전하고 위상차가 큰 저전력 설정시는 제안한 액티브 보조 공진스너버 회로를 작동시킬 수 있도록 소프트 스위칭 고주파 인버터를 채택하고 있다. 저전력 설정시 큰 위상차 각도에서도 ZVS에 필요한 공진 전류를 확보하기 때문에 넓은 출력 전력 제어 범위내에서 ZVS가 가능한 특징을 갖는 본 고주파 인버터의 프로토 타입 실험에 의한 결과와 시뮬레이션과의 상호 비교, 검토를 실시하였다. 그리고 특수한 구조의 전자 유도 유체 발열체를 이용한 유체 가열 장치에의 응용 예에 대해 서술하였다.

성능/효과

(3) 직류 전원 전압 E는 전압의 리플과 내부 저항이 0인 이상직류 전압으로 한다.
그러므로 위상차가 90[°]～135[°]영역에서 기존 회로에 비해 효율이 3[%]정도 상승하기 때문에 제안한 회로가 유효한 회로임을 확인할 수 있다.
13은 양방향 스위치형 보조 공진 스너버에 의한 위상 시프트 PWM 고주파 인버터의 전력 제어 특성 및 소프트 스위칭 동작 영역을 나타낸 것이다. 기본적인 전력 제어 특성은 기존 회로의 전력 제어 특성과 같지만, 소프트 스위칭 영역이 크게 향상되는 것을 알 수 있다. 제안된 회로는 무손실 스너버 커패시터가 완전히 방전을 수행하는 데 필요한 공진 초기전류를 증가시키는 기능을 가진 것이고, 기존 회로와 제안한 회로의 전력 제어 특성 측면에서 거의 변화는 없다.
넷째로, 본 논문에서 사용한 절연 재료인 세라믹 섬유는 일반적으로 최고 1,600[℃]정도의 온도 영역에서 사용되는 패킹에 사용되기 때문에 이 세라믹 섬유를 단열재로 사용하여 단열 성능을 다소 향상시켰다.
둘째로, 제안 회로에 대해 일정한 주파수 위상 시프트 PWM 제어에 의한 전력 제어가 가능하며, 이 때문에 유도 가열계 부하의 피가열 물체 전류 침투 깊이가 일정하게 균일한 가열이 얻어졌다.
따라서 본 논문에서 고주파 인버터의 전력 제어는 왼쪽 레그(S1 및 S2)를 기준상 펄스로, 오른쪽 레그(S3 및 S4)를 제어 상 펄스로 설정하여 위상차 φ를 이동함으로써 전력 제어를 수행할 수 있다.
따라서 본 논문에서 고주파 인버터의 전력 제어는 왼쪽 레그(S1 및 S2)를 기준상 펄스로, 오른쪽 레그(S3 및 S4)를 제어상 펄스로 설정하여 위상차 φ를 이동함으로써 전력 제어를 수행할 수 있다.
첫째로, 기존의 회로에 비해 전자유도 가열 시스템 부하에 병렬로 추가된 양방향 스위치와 보조 인덕터의 직렬 회로를 이용한 제안 회로는 기존 회로에 비해 매우 넓은 소프트 스위칭 영역을 실현할 수 있었다. 또한 저전력시에 효율의 관점에서 제안 회로는 유효하다고 할 수 있다.
셋째로, 위상차 90[°]～135[°]의 범위에서는 기존 회로에 비해 효율이 3[%]정도 상승하였다.
기본적인 전력 제어 특성은 기존 회로의 전력 제어 특성과 같지만, 소프트 스위칭 영역이 크게 향상되는 것을 알 수 있다. 제안된 회로는 무손실 스너버 커패시터가 완전히 방전을 수행하는 데 필요한 공진 초기전류를 증가시키는 기능을 가진 것이고, 기존 회로와 제안한 회로의 전력 제어 특성 측면에서 거의 변화는 없다.
즉 본 논문에서 제안한 고주파 인버터를 포함한 전체 시스템에서 일정한 온도 유지 전력은 위상차 90[°]～135[°]의 범위내이기 때문에 고주파 인버터로써 유용하다고 할 수 있다.
첫째로, 기존의 회로에 비해 전자유도 가열 시스템 부하에 병렬로 추가된 양방향 스위치와 보조 인덕터의 직렬 회로를 이용한 제안 회로는 기존 회로에 비해 매우 넓은 소프트 스위칭 영역을 실현할 수 있었다. 또한 저전력시에 효율의 관점에서 제안 회로는 유효하다고 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자 유도 가열은 어디에 쓰이는가?	이 전자 유도 가열은 산업용 전기 가열 방식의 금속 가공공정과 열처리, 용해 과정 자성 합금 발열체를 이용한 자기 온도 기능을 가진 고주파 유도 가열 솔더링(Soldering)이나폴리에틸렌관의 융착, 전기밥솥, 전기보일러, 전기온수기, 전기플라이어, 전기드라이어 등 다양한 응용 분야가 있다. 이러한 기술 배경하에 고주파 인버터의 소프트 스위칭 기술을 도입한 전자 유도 가열 전원의 회로 방식과 제어 방식의 연구 개발이 활발히 진행되고 있다[4-7].
	전자유도유체가열은 어떤 기술인가?	전자유도 가열의 응용 분야중에서 특히 주목 받고 있는 하나가 전자유도유체가열이다. 이것은 전자유도 가열에 의해 금속 파이프 및 기타 특수 발열체를 발열시켜 파이프 라인에 흐르는 물 등의 액체와 공기나 증기 등 기체를 가열하는 기술이다. 이러한 전자유도유체가열은 순간 온수기 등 온수 시스템과 과열 증기에 의한 세정, 살균, 건조 등 깨끗한 환경 기기에 응용되며, 유체 가열 시스템은 이미 존재하는 시스템이지만,기존의 온수 발생 방식은 가스 연소 방식에 의한 것이 대부분이다.
	고주파 전력 주파수 변환에 의한 전원 회로를 포함한 전력 시스템 기술은 어디에 쓰이는가?	최근 파워 일렉트로닉스는 반도체 전력 변환 장치의 고주파 스위칭화 기술의 도입과 함께 기관 산업에서 전력 계통,신에너지, 전철, 자동차, 통신, 정보 가전 민생까지 광대한 전기 에너지 고품질 공급 및 유효 변환 이용 분야에서 눈부신 발전을 이루고 있다. 고주파 전력 주파수 변환에 의한 전원 회로를 포함한 전력 시스템 기술은 고주파 인버터 회로 기술, 고주파 사이클로 컨버터 기술을 기반으로 전기밥솥, 고주파 점등 안정기, 전자렌지용 고주파 스위칭 전원 공급 장치, 고주파 링크 태양광 발전 시스템, 비접촉 전력 공급 시스템 등의 가전·가전 기기를 시작으로 의료용 X선 고전압 발생 장치, 인공 심장의 에너지 전송 시스템, MRI 경사 자장 전류 패턴 추종 스위칭 전원 등의 의료 기기, 무정전 전원장치(UPS), 분산전원 등의 전력 시스템에 이용되어지고 있으며, 금속 및 플라스틱 용착 금속의 열처리·열 가공 용해용 등의 유도 가열 전원, 초음파 발생장치, 플라즈마 발생장치, 마이크로파 발생장치, 방전 램프 광원 조명, 무전극램프 점등장치, 레이저 발생장치 등의 전원, 산업 시스템 기기 등 다양한 분야에서 도입되고 있다[1-3].

참고문헌 (7)

R. C. Alkire, T. W. Chapman, "Induction Heating Equipment: Advancements in induction heating technology allow many processes to take advantage of the economical benefits of induction heating," SCOPUS, vol. 70, no. 12, 2003.
H. Oka, H. Fujita, K. Seki, "Composition and Heating Efficiency of Magnetic Wood by Induction Heating," IEEE transactions on magnetics, vol. 36, no. 5-1, 2000.
S. M. Jang, S. H. Lee, H. C. Park, "Electromagnetic Induction Heating and Its Application," Proceedings of KIEE, vol. 50, no. 2, pp. 22, 2001.
Shengpei Wang et al., "Induction-heating cooking appliance using new quasi-resonant ZVS-PWM inverter with power factor correction," IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 34, no. 4, pp. 705-712, 1998.

상세보기
Y. J. Kim, D. C. Shin, K. H. Kim, Y Uchihori, Y. Kawamura, "Fluid Heating System using High-Frequency Inverter Based on Electromagnetic Indirect Induction Heating," ICPE'01, pp. 69-74, 2001.
J. M. Ho, M .T. LEE, "A novel PWM inverter control circuitry for induction heating," IEEE International Power Electronics Congress, vol. 10, pp. 113-119, 1996.
S. Llorente, F. Monterde, J. M. Burdio, and J. Acero, "A comparative study of resonant inverter topologies used in induction cookers," Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC, vol. 2, pp. 1168-1174, 2002.

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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