[논문]듀얼 모드 위상 시프트 ZVS PWM 제어 고주파 공진형 인버터를 이용한 IH 온수기

정상석; 유의정; 우경일; 박한석

doi:10.5370/kieep.2018.67.2.082

듀얼 모드 위상 시프트 ZVS PWM 제어 고주파 공진형 인버터를 이용한 IH 온수기
Induction Heating Water Heater using Dual Mode Phase Shifted ZVS-PWM High Frequency Resonant Inverter 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.67 no.2, 2018년, pp.82 - 89

정상석 (Kukdong Electric Estech co., ltd) , 유의정 (Busan Cultural Center) , 우경일 (Dept. of Electrical Engineering, Pukyong National University) , 박한석 (Dept. of Electrical Engineering, Pukyong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a novel prototype of dual mode control based phase shift ZVS PWM high frequency load resonant inverter with lossless snubber capacitors in addition to a single active auxiliary resonant snubber for electromagnetic induction heating(IH) foam metal based consumer fluid dual packs(DPA) heater. The operating principle in steady state and unique features of this voltage source soft switching high frequency inverter circuit topology are described in this paper. The lossless snubber and auxiliary active resonant snubber assisted constant frequency phase shift ZVS PWM high frequency load resonant inverter employing IGBT power modules actually is capable of achieving zero voltage soft commutation over a widely specified power regulation range from full power to low power. The steady state operating performances of this dual mode phase shift PWM series load resonant high frequency inverter are evaluated and discussed on the basis of simulation and experimental results for induction heated foam metal heater which is designed for compact and high efficient moving fluid heating appliance in the consumer pipeline systems.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

따라서 본 논문에서는 먼저 워크 코일을 감은 비금속 원통형 용기내에 발포 금속을 충전한 IH 발열체를 이용하여 금속 내부에 유체를 통과하여 이동하는 열교환기를 사용하는 고효율 온수기에 대해 서술하였다. 그리고 이러한 IH 열변환 부하를 구동하기 위해 액티브 보조 공진 스너버를 갖는 소프트 스위칭 위상 시프트 PWM 고주파 인버터를 제안하여 그 효과를 시뮬레이션 및 실험 결과로 증명하였다.
본 논문에서는 무손실 스너버 커패시터와 액티브 보조 공진 스너버 회로를 가진 전자기 유도 유체 가열 부하(IH 열교환기)구동용 듀얼 모드 위상 시프트 ZVS PWM 제어 고주파 인버터의 제안을 하여 그 동작 원리와 특징에 대해 서술하였다. 그리고 고주파 인버터가 대전력 설정인 높은 부하에서는 무손실 스너버 커패시터 단독 모드로, 저전력 설정인 경부하에서는 무손실 스너버 커패시터와 액티브 보조 공진 회로의 동작을 병용 모드(듀얼 모드 위상 시프트 PWM)로 도입함으로써 넓은 영전압 소프트 스위칭(ZVS) 동작 영역의 실현과 고효율 전력 변환의 실현이 가능해졌다.

제안 방법

4는 세라믹 파이프에 삽입한 발포 금속을 나타낸 것이다. Fig. 4에서와 같이 상압 이동 유체를 IH 발포 금속 발열체내에 통과시키기 위해 내열성을 갖는 내부 세라믹 파이프(직경: 19.8[mm], 외경: 25.2[mm])와 외부 세라믹 파이프(직경: 34.6[mm], 외경: 41.6[mm]), 그 외측 파이프에 고주파 자속을 발생시키는 워크 코일(직경: 2.3[mm], 권수: 45회)를 감아서 IH 발포 금속 히터를 구성하였다. Fig.
제안한 고주파 인버터의 회로 구성은 유도성 부하인 유체 가열 장치를 등가 실효 저항분 R과 등가 실효 인덕터분 L의 직렬 등가 회로(유도 가열 시스템의 워크 코일 단자에서 본 선형 등가 회로 파라미터)로 대체하였으며, 이 유도성 부하와 직렬로 역률 보상용 커패시터를 연결한 직렬 부하 공진 회로를 기존의 풀-브리지 인버터 회로에 연결하였다. 그리고 2개의 보조 스위치 S_a1 및 S_a2, 보조 인덕터 L_a, 보조 커패시터 C_a로 구성된 액티브 보조 공진 스너버 회로를 Fig. 6과 같이 풀-브리지 중 하나에 연결 구성하였다. 또한 제안한 고주파 인버터는 고출력 전력 설정시에는 무손실 스너버 커패시터만의 ZVS PWM으로 동작하고, 저출력 모드 설정시에는 무손실 스너버 커패시터와 액티브 보조 공진 스너버 회로를 병용하여 도입함으로써 전체 출력 설정 영역에서 ZVS PWM 동작을 수행하는 듀얼 모드 제어로 운전을 할 수 있도록 설계하였다.
따라서 본 논문에서는 먼저 워크 코일을 감은 비금속 원통형 용기내에 발포 금속을 충전한 IH 발열체를 이용하여 금속 내부에 유체를 통과하여 이동하는 열교환기를 사용하는 고효율 온수기에 대해 서술하였다. 그리고 이러한 IH 열변환 부하를 구동하기 위해 액티브 보조 공진 스너버를 갖는 소프트 스위칭 위상 시프트 PWM 고주파 인버터를 제안하여 그 효과를 시뮬레이션 및 실험 결과로 증명하였다.
이것은 각 워크 코일의 냉각 조건, 발포 금속 발열체의 유체의 열전달(유속, 비열 등)특성에 따라 크게 좌우되는데, 그 온도 상한으로 워크 코일의 내열 온도 등의 워크 코일 표면에서 약 150[℃], 발포 금속 구조에서 약 200[℃]정도로 설정된다. 따라서 본 논문에서 사용된 시제품 장치는 부하에 투입 전력을 2[kW] 정도로 하였다.
6과 같이 풀-브리지 중 하나에 연결 구성하였다. 또한 제안한 고주파 인버터는 고출력 전력 설정시에는 무손실 스너버 커패시터만의 ZVS PWM으로 동작하고, 저출력 모드 설정시에는 무손실 스너버 커패시터와 액티브 보조 공진 스너버 회로를 병용하여 도입함으로써 전체 출력 설정 영역에서 ZVS PWM 동작을 수행하는 듀얼 모드 제어로 운전을 할 수 있도록 설계하였다.
본 논문에서는 IH 부하에 투입하는 고주파 전력을 최대 2[kW]하기 때문에 C의 설계 값을 3.2[μF]로 설계하였다.
Table 1는 시뮬레이션과 실험에 사용된 회로 정수를 나타낸 것이다. 본 논문에서는 역률 보상 커패시터 C의 값은 고주파 인버터의 주 스위치를 ZVS로 동작시키기 위해서 IH 부하와 역률 보상 커패시터로 정해지는 직렬 공진 주파수 f_r가 스위칭 주파수 f_s보다 낮게 되도록 선정하였다. 그리고 무손실 커패시터를 효과적으로 충․방전시키기 위해서 고주파 인버터 출력 전압 v₀와 IH 부하 공진 전류 i₀의 위상 관계를 지연 위상으로 하였다.
6은 제안한 액티브 보조 공진 스너버 회로 및 무손실 스너버 커패시터를 이용한 전압형 직렬 부하 공진 소프트 스위칭 PWM 고주파 인버터를 나타낸 것이다. 제안한 고주파 인버터의 회로 구성은 유도성 부하인 유체 가열 장치를 등가 실효 저항분 R과 등가 실효 인덕터분 L의 직렬 등가 회로(유도 가열 시스템의 워크 코일 단자에서 본 선형 등가 회로 파라미터)로 대체하였으며, 이 유도성 부하와 직렬로 역률 보상용 커패시터를 연결한 직렬 부하 공진 회로를 기존의 풀-브리지 인버터 회로에 연결하였다. 그리고 2개의 보조 스위치 S_a1 및 S_a2, 보조 인덕터 L_a, 보조 커패시터 C_a로 구성된 액티브 보조 공진 스너버 회로를 Fig.

성능/효과

또한 시뮬레이션 및 실험 결과를 통해, 제안한 고주파 직렬 부하 공진 ZVS PWM 인버터 회로 방식은 영전압 소프트 스위칭(ZVS)동작 영역이 넓어 실측 전력 변환 효율이 저전력 출력 영역에서도 개선되고 있음을 확인하였다. 결과적으로 제안한 고주파 인버터 방식이 IH-DPH 온수기에 적용했을 때의 효율성과 실용성을 우수하다는 것을 확인하였다.
18에서 제안한 액티브 보조 공진 스너버 회로를 사용하지 않는 방식에서는 하드 스위칭 동작 모드가 되는 위상차 φ=100°를 넘으면 효율이 떨어지고 있다. 그러나 본 논문에서 제안한 액티브 보조 공진 스너버 회로를 이용함으로써 고주파 인버터는 영전압 소프트 스위칭 동작에 의해 효율 저하의 정도가 완만하게 되었다.
20에서 IH 열교환기의 열변환 효율은 85～90[%]정도가 되고 있다. 기존의 가스 온수기 열변환 효율이 높아도 80[%]정도이기 때문에 제안한 IH-DPH 방식 유체 가열 장치의 열변환 효율이 우수한 것을 알 수 있다.
그리고 고주파 인버터가 대전력 설정인 높은 부하에서는 무손실 스너버 커패시터 단독 모드로, 저전력 설정인 경부하에서는 무손실 스너버 커패시터와 액티브 보조 공진 회로의 동작을 병용 모드(듀얼 모드 위상 시프트 PWM)로 도입함으로써 넓은 영전압 소프트 스위칭(ZVS) 동작 영역의 실현과 고효율 전력 변환의 실현이 가능해졌다. 또한 시뮬레이션 및 실험 결과를 통해, 제안한 고주파 직렬 부하 공진 ZVS PWM 인버터 회로 방식은 영전압 소프트 스위칭(ZVS)동작 영역이 넓어 실측 전력 변환 효율이 저전력 출력 영역에서도 개선되고 있음을 확인하였다. 결과적으로 제안한 고주파 인버터 방식이 IH-DPH 온수기에 적용했을 때의 효율성과 실용성을 우수하다는 것을 확인하였다.
이는 위상차 φ를 크게 설정한 범위에서 본 논문에서 제안한 액티브 보조 공진 스너버 회로를 동작시켜 듀얼 모드 위상 천이 방식으로 함으로써 고주파 인버터는 넓은 위상 시프트 제어에서 영전압 소프트 스위칭이 가능해져 효율의 향상 및 전자 노이즈의 저감 효과를 얻었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유도 가열이란 무엇인가?	유도 가열은 워크 코일에 고주파 전류를 흘려 고주파 공간 자속을 발생시키고, 패러데이 전자기 유도 법칙에 의해 피가열 물체에 유도 기전력을 기반으로 소용돌이 전류를 직접 가열하는 가열 방식이다. Fig.
	고주파 유도 가열 응용 기술은 어느 영역에서 활용되고 있는가?	최근 고주파 유도 가열(High Frequency Induction Heating) 응용 기술의 이용은 전기 밥솥, 전자기 온수기와 전기 바닥 난방 온수 보일러 및 전자 과열 증기 발생기에 의한 세정, 살균, 건조 등 새로운 응용 분야에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 새로운 전자유도가열(IH : Induction Heating)응용 기기는 전력 제어용 반도체 스위칭 장치를 중심으로 한 고주파 전력 전자 요소 기술의 비약적인 발전과 함께 눈부신 발전을 이루어왔다.
	하드 스위칭 모드를 갖는 고주파 인버터의 문제점을 해결하기 위하여 어떤 기술이 대안이 될 수 있는가?	그러나 전원 장치에 의한 고주파 스위칭 동작에 하드 스위칭 모드를 갖는 고주파 인버터는 출력 주파수의 상승과 함께 전원 장치의 스위칭 손실의 증대, 냉각 방열 시스템의 대형화, 전자 노이즈(전도성 잡음·방사성 노이즈)수준이 증가하고 실제 응용에 해결해야 할 점이 많다. 이러한 문제를 효과적으로 극복하기 위해 고주파 인버터의 파워 디바이스를 영전압과 영전류 조건에서 고속 스위칭시킬 수 있는 소프트 스위칭 전류(轉流)에 의한 고주파 인버터 회로 기술 개발이 필수적이다. 소프트 스위칭 고주파 인버터 회로 토폴로지는 고주파 스위칭 작동시에도 전원 장치의 스위칭 손실의 증가가 억제되어 고효율화가 실현될 뿐만 아니라, 고성능화, 소형, 경량화의 혜택을 크게 기대할 수 있어 파워 장치의 최대 정격 특성 능력 한계 내량을 최대한 활용할 수 있다.

참고문헌 (7)

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.
Lim, Young Do, "Implementataion of High Frequency Induction Heating Appliance with Frequency Tracking Fucntion," Journal of Advanced Information Technology and Convergence, vol. 6, no. 6, pp. 180-188, 2008.
D. C. Shin, H. M. Kwon, "Development a High-Efficiency Induction Heating Heater using a 5[kW] Class Full-Bridge High Frequency Resonant Inverter," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, vol. 10, no. 5, pp. 481-487, 2005.
H. S. Cho, "The Study of Induction Heating Apparatus with High Efficiency," Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, vol. 9, no. 2, pp. 185-189, 2016.

원문보기 상세보기
Y. J. Kim, K. H. Kim, D. C. Shin, "Electromagnetic Indirect Induction Fluid Heating System using Series Resonant PWM Inverter and Its Performance Evaluations," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, vol. 7, no. 1, pp. 48-54, 2002.
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.
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

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].

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