[논문]결합 인덕터를 이용한 효율적인 단상 듀얼-벅 인버터

양민권; 김유진; 최우영

doi:10.6113/tkpe.2019.24.6.396

결합 인덕터를 이용한 효율적인 단상 듀얼-벅 인버터
High-Efficiency Dual-Buck Inverter Using Coupled Inductor 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.24 no.6, 2019년, pp.396 - 405

양민권 (Division of Electronic Engineering, Chonbuk Nat'l University) , 김유진 (Division of Electronic Engineering, Chonbuk Nat'l University) , 최우영 (Division of Electronic Engineering, Chonbuk Nat'l University)

Abstract ▼ AI-Helper

Single-phase full-bridge inverters have shoot-through problems. Dead time is an essential way of solving these issues, but it distorts the output voltage and current. Dual-buck inverters are designed to eliminate the abovementioned problems. However, these inverters result in switching power loss and electromagnetic interference due to the diode reverse-recovery problem. Previous studies have suggested reducing the switching power loss from diode reverse-recovery, but their proposed methods have complex circuit configurations and high system costs. To alleviate the switching power loss from diode reverse-recovery, the current work proposes a dual-buck inverter with a coupled inductor. In the structure of the proposed inverter, the current flowing into the original diode is divided into a new diode. Therefore, the switching power loss is reduced, and the efficiency of the proposed inverter is improved. Simulation waveforms and experimental results for a 1.0 kW prototype inverter are discussed to verify the performance of the proposed inverter.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Circuit diagram of the conventional inverter.
그림 Fig. 2. Circuit diagram of the proposed inverter.
그림 Fig. 3. Switching diagrams of the proposed inverter during T_s for the positive cycle of the output voltage.
그림 Fig. 4. Switching waveforms corresponding to the switching diagrams of the proposed inverter during T_s for the positive cycle of the output voltage.
그림 Fig. 5. Switching diagrams of the proposed inverter during T_s for the negative cycle of the output voltage.
그림 Fig. 6. Switching waveforms corresponding to the switching diagrams of the proposed inverter during T_s for the negative cycle of the output voltage.
그림 Fig. 7. Control block diagram of the proposed inverter.
그림 Fig. 8. Equivalent circuit of the coupled inductor and photograph of the coupled inductor.
그림 Fig. 9. Simulation waveforms of the inverter for diode current: (a) Conventional inverter, (b) Proposed inverter.
표 TABLE I ELECTRICAL SPECIFICATIONS OF THE INVERTERS
표 TABLE II COMPONENT PARAMETERS OF THE PROTOTYPE INVERTERS
그림 Fig. 10. Experimental waveforms of the proposed inverter about output current and voltage.
그림 Fig. 11. Experimental waveforms of the conventional inverter: (a) V_D1 and i_D1, (b) V_S1 and i_S1.
그림 Fig. 12. Experimental waveforms of the proposed inverter: (a) V_D1 and i_D1, (b) V_Da1 and i_Da1, (c) V_S1 and i_S1.
그림 Fig. 13. Power efficiency curves of the conventional converter and the proposed converter: (a) R load, (b) RL load and RC load, (c) FES8JT.
표 TABLE III POWER LOSS DISTRIBUTIONS OF THE PROTOTYPE INVERTERS

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 결합 인덕터를 이용한 듀얼-벅 인버터를 제안한다. 기존 듀얼-벅 인버터에 비해 제안하는 인버터는 역-회복 손실 문제를 해결하여 효율을 상승 시킬 수 있다.
또한, 누설 인덕턴스 값을 조절하면 다이오드 전류의 di/dt 값을 감소시킬 수 있다. 본 논문에서는 제안하는 듀얼-벅 인버터의 동작 원리와 제어 방법에 대해 설명한다. 또한 기존 듀얼-벅 인버터와 제안하는 듀얼-벅 인버터의 성능 비교를 위해 시뮬레이션과 1.

가설 설정

따라서 결합 인덕터의 인덕턴스 L은 턴-비 N 값의 제곱에 비례하고, 결합 계수에 의해 결정 된다. 제안하는 인버터의 결합 인덕터는 1차 측 인덕턴스가 1.0mH, 2차 측 인덕턴스가 10uH로 턴-비 N 값은 0.1이다. 1차 측 인덕턴스 값을 기준으로 0.

제안 방법

본 논문에서는 제안하는 듀얼-벅 인버터의 동작 원리와 제어 방법에 대해 설명한다. 또한 기존 듀얼-벅 인버터와 제안하는 듀얼-벅 인버터의 성능 비교를 위해 시뮬레이션과 1.0kW 시제품 제작을 통해 제안하는 컨버터의 성능을 검증한다.
본 논문에서는 제안하는 인버터의 성능을 검증하기 위해 기존 인버터와 제안하는 인버터의 1.0kW 시제품 회로를 제작하였다. 기존 인버터와 제안하는 인버터의 시제품은 표 1에 따라 제작되었다.
0kW 시제품을 설계하여 기존 인버터보다 다이오드 전력 손실이 감소하는 것을 검증하였다. 전력 변환 효율을 200W 단위로 비교하였다. 기존 인버터는 1.
제안하는 결합 인덕터를 이용한 듀얼-벅 인버터의 성능을 검증하기 위해 시뮬레이션을 진행하였다. 표 1은 기존 인버터와 제안하는 인버터의 전기적 사양을 나타낸다.
그림 2는 제안하는 듀얼-벅 인버터이다. 제안하는 듀얼-벅 인버터는 기존 듀얼-벅 인버터에서 소자와 스위칭 방식이 같다. 하지만 제안하는 듀얼-벅 인버터는 보조 다이오드를 추가하고, 인덕터를 결합 인덕터로 대체하여 기존 듀얼-벅 인버터의 스위칭 전력 손실을 감소시킬 수 있다.
그림 2는 결합 인덕터와 두 개의 추가적인 다이오드를 이용한 제안하는 인버터의 회로도이다. 제안하는 인버터는 입력 커패시터 C_dc, 스위치 S₁, S₂, S_p, S_n, 다이오드 D₁, D_a1, D₂, D_a2, 결합 인덕터 L₁, L₂, 출력 커패시터 C_o, 그리고 출력 부하 R_o로 구성되어있다. 입력 전압은 V_dc이고, 출력 전압은 v_ac이다.
제안하는 인버터에서 결합 인덕터 설계시 자화 인덕턴스, 누설 인덕턴스, 턴-비, 스위칭 주파수에 의해 결정된다. 그림 8은 결합 인덕터의 등가회로와 실제 사용한 결합 인덕터 사진을 나타낸다.
제안하는 인버터의 정상 상태 동작은 스위치의 동작 모드에 따라 설명하였다. 제안하는 인버터의 검증을 위해 시뮬레이션을 진행하였다. 또한, 1.

이론/모형

풀-브리지 인버터는 암-단락 문제(Shoot-Through Problem)를 겪어 스위치의 전력 손실이 크다. 암 단락 문제를 해결하기 위해, 흔히 데드-타임(Dead-Time)을 사용한다. 하지만 데드-타임을 사용할 경우 출력 전류와 전압 왜곡 문제가 발생한다^[5],[6].

성능/효과

그림 13(a)는 저항 부하일 때의 효율을 나타낸다. 1.0kW 출력 전력에서 기존 인버터의 효율은 96.6%로 측정되었다. 제안하는 인버터는 N이 0.
P_switch는 스위치 소자의 스위칭 손실, P_diode는 다이오드 소자의 역-회복 손실, P_ind는 인덕터의 손실, P_cond는 도통 손실, P_other은 기타 손실, P_total은 총 전력 손실을 나타낸다. 결합 인덕터로 인하여 제안하는 인버터의 인덕터 손실과 도통 손실이 기존 인버터에 비하여 높지만, 스위치 소자의 스위칭 손실과 다이오드 역-회복 손실은 현저하게 감소하여 총전력 손실은 기존 인버터에 비하여 제안하는 인버터가 더 적다.
이때, 누설 인덕턴스 값을 조절하면 주 다이오드 D₁과 보조 다이오드 D_a1의 전류의 di/dt 값을 조절할 수 있다. 그러므로 스위치 S₁이 턴 온 될 때, 스위치 S₁의 전류 상승비가 기존의 인버터보다 훨씬 낮아졌기 때문에 제안하는 인버터의 역-회복 손실이 줄어들었다.
본 논문에서는 결합 인덕터를 이용한 듀얼-벅 인버터를 제안한다. 기존 듀얼-벅 인버터에 비해 제안하는 인버터는 역-회복 손실 문제를 해결하여 효율을 상승 시킬 수 있다. 제안하는 인버터의 정상 상태 동작은 스위치의 동작 모드에 따라 설명하였다.
그림 13(b)는 저항-인덕터 부하와 저항-커패시터 부하일 때 효율을 나타낸다. 기존 인버터와 제안하는 인버터 모두 저항 부하 경우보다 저항-인덕터 부하와 저항-커패시터 부하일 때 효율이 더 낮지만, 동일한 조건에서 제안하는 인버터는 기존 인버터의 다이오드 역-회복 손실을 완화시킴으로써 전력 변환 효율을 개선하였다. 그림 13(c)는 다이오드 소자를 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드 C4D40120에서 FES8JT(600V/8A)로 변경하여 측정한 효율을 나타낸다.
제안하는 인버터의 검증을 위해 시뮬레이션을 진행하였다. 또한, 1.0kW 시제품을 설계하여 기존 인버터보다 다이오드 전력 손실이 감소하는 것을 검증하였다. 전력 변환 효율을 200W 단위로 비교하였다.
6%의 효율을 달성하였으며, 34W의 전력 손실이 발생하였다. 반면에, 제안하는 인버터는 1.0kW 출력 전력에서 97.0%의 효율을 달성하였으며, 30W의 전력 손실이 발생하였다. P_switch는 스위치 소자의 스위칭 손실, P_diode는 다이오드 소자의 역-회복 손실, P_ind는 인덕터의 손실, P_cond는 도통 손실, P_other은 기타 손실, P_total은 총 전력 손실을 나타낸다.
그림 9(b)는 제안하는 인버터의 다이오드 전압 V_D1, 다이오드 전류 i_D1 및 보조 다이오드 전류 i_Da1 파형을 나타낸다. 스위치 S₁이 턴-온 되기 전에 제안하는 인버터의 다이오드 전류 i_D1은 이미 0A가되고, 기존 인버터의 다이오드 D₁의 턴-오프 전류 값보다 제안하는 인버터의 보조 다이오드 D_a1의 턴-오프 전류 값이 낮아지기 때문에 제안하는 인버터의 역-회복 손실이 완화될 수 있다.
그림 13(c)는 다이오드 소자를 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드 C4D40120에서 FES8JT(600V/8A)로 변경하여 측정한 효율을 나타낸다. 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드보다 역-회복 손실이 큰 소자를 사용했을 경우, 전체적으로 전력 변환 효율은 낮아짐에도 불구하고 제안하는 인버터는 기존 인버터의 다이오드 역-회복 손실을 완화시킴으로써 전력 변환 효율을 개선하였다.
6%이다. 이에 비해 제안하는 인버터는 1.0kW에서 97.0%로 상승하였다. 제안하는 인버터는 기존 인버터에 비해 다이오드 역-회복 손실을 완화시킴으로써 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
따라서 N 값에 따라 인버터의 효율 변동이 발생 한다. 제안하는 인버터는 N값이 0.1일 때 최고 효율을 달성할 수 있으며, 측정된 효율은 4. 실험 결과 파트에서 검증한다.
6%로 측정되었다. 제안하는 인버터는 N이 0.05, 0.1, 0.2일 때 효율이 96.8%, 97.0%, 96.8%로 0.1일 때 최고 효율이 측정되었다. 결합 인덕터의 N이 0.
0%로 상승하였다. 제안하는 인버터는 기존 인버터에 비해 다이오드 역-회복 손실을 완화시킴으로써 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 제안하는 인버터는 태양광 에너지 발전 사업 등에서 응용될 수 있다.
제안하는 듀얼-벅 인버터는 기존 듀얼-벅 인버터에서 소자와 스위칭 방식이 같다. 하지만 제안하는 듀얼-벅 인버터는 보조 다이오드를 추가하고, 인덕터를 결합 인덕터로 대체하여 기존 듀얼-벅 인버터의 스위칭 전력 손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 누설 인덕턴스 값을 조절하면 다이오드 전류의 di/dt 값을 감소시킬 수 있다.

후속연구

제안하는 인버터는 기존 인버터에 비해 다이오드 역-회복 손실을 완화시킴으로써 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 제안하는 인버터는 태양광 에너지 발전 사업 등에서 응용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풀-브리지 인버터의 특징은?	풀-브리지 인버터는 암-단락 문제(Shoot-Through Problem)를 겪어 스위치의 전력 손실이 크다. 암 단락 문제를 해결하기 위해, 흔히 데드-타임(Dead-Time)을 사용한다.
	하나의 인덕터와 두 개의 스위치를 추가적으로 이용하는 방법의 단점은 무엇인가?	하나의 인덕터와 두 개의 스위치를 추가적으로 이용하는 방법은 인덕터를 하나만 사용하기 때문에 무게를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 하지만 두 개의 추가적인 스위치에서 또 다른 스위칭 전력 손실이 발생하는 단점이 있다[7]. 그리고 다른 방법으로는 듀얼-벅 하프-브리지 인버터로 문제를 해결하는 것이다.
	다이오드 역-회복 손실은 어떻게 일어나는가?	그러나 듀얼-벅 인버터는 여전히 스위칭 전력 손실을 겪고 있다. 다이오드 역-회복 손실은 다이오드가 도통과 소거를 반복하며 일어나는 문제로 스위칭 전력 손실과 전자 방해 잡음(Electro Magnetic Interference)가 일어난다. 따라서 듀얼-벅 인버터에서 역-회복 손실을 해결하기 위해 다양한 방법이 연구되고 있다[7]-[13].

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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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