[논문]고전압 입력용 SMPS의 고효율 전략

우동영; 박성미; 박성준

doi:10.21289/ksic.2019.22.3.365

[국내논문] 고전압 입력용 SMPS의 고효율 전략
High Efficiency Strategy of High Input Voltage SMPS 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.22 no.3, 2019년, pp.365 - 371

우동영 (전남대학교 전기공학과) , 박성미 (한국승강기대학교 승강기공학부) , 박성준 (전남대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the demonstration and research on the power transmission using high voltage DC such as HVDC(High Voltage DC), Smart Grid, DC transmission and distribution have been actively conducted. In order to control the power converter in high-voltage DC power transmission system, SMPS(Switching Modulation Power Supply) for power converter control using high-voltage DC input is essential. However, the demand for high-pressure SMPS is still low, so the development is not enough. In the low-output SMPS using the high-voltage input, it is difficult to achieve high efficiency due to the switching transient loss especially at light load. In this paper, we propose a new switching scheme for high power SMPS control for low output power. The proposed method can provide better efficiency increase effect in the light load region compared to the existing PWM method. To verify the feasibility of the proposed method, a 40 W SMPS for HVDC MMC(Modulation Multi-level Converter) was designed and verified by simulation.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1 Structure of MMC and role of SMPS
그림 Fig. 3 Structure of MMC and role of SMPS
그림 Fig. 2 High-pressure SMPS block diagram
그림 Fig. 4 Circuit of Pressure Reducing Converter
그림 Fig. 5 Simulation circuit diagram of Proposed Method
그림 Fig. 6 Simulation result of Proposed Method

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 넓은 입력전압 범위를 갖는 HVDC MMC용 제어전원용 SMPS에 적합한 감압 컨버터 와 Fly-back 컨버터가 결합한 2단방식의 SMPS구조를 제안하고, 입력전압 변동에 강인한 일정 에너지를 출력할 수 있는 새로운 제어 스위칭 기법을 제안하였다. 제안된 방식 감압컨버터의 제어방식은 불연속 전류제어모드에서 일정 에너지를 출력할 수 있는 스위칭 방식이며 출력전압 제어는 출력전압을 검출하여 불연속 주파수 제어에 의해 행해진다.

가설 설정

그림 6은 시뮬레이션 결과로 그림 6(a)는 입력 전압이 500 V에서 3000 V로 10 Hz로 변해도 비절연형 감압 컨버터의 출력은 300 V로 일정함을 알 수 있다. 입력전압 변동에 강인한 것이 제안된 스위칭 방식의 가장 큰 장점이다. 그림 6(b)는 비절현형 감압 컨버터의 인덕터 전류를 나타내고 있으며 입력 변동전압에 따라 일정에너지를 출력하 기 위해 인덕터의 피크전류가 변함을 알 수 있다.
따라서 본 논문에서는 넓은 입력전압 변동범위에서 동작하는 저출력용 HVDC MMC 및 제어전 원용 SMPS에 적합한 2단방식의 SMPS구조를 제안하고, 저출력용 고압 SMPS 제어를 위해 일정 에너지제어 관점에서 스위칭을 행하는 새로운 개념의 일정 에너지 스위칭 기법을 제안한다. 제안된 일정에너지 스위칭 기법은 SMPS의 부하에 관 계없이 한 스위칭 손실은 거의 일정한 것이 특징 이다. 이러한 스위칭 방식은 기존 전류제어를 행하는 PWM방식에서 경 부하 시 스위칭 과도손실로 인한 효율 저감을 개선할 수 있었다.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 넓은 입력전압 변동범위에서 동작하는 저출력용 HVDC MMC 및 제어전 원용 SMPS에 적합한 2단방식의 SMPS구조를 제안하고, 저출력용 고압 SMPS 제어를 위해 일정 에너지제어 관점에서 스위칭을 행하는 새로운 개념의 일정 에너지 스위칭 기법을 제안한다. 제안된 일정에너지 스위칭 기법은 SMPS의 부하에 관 계없이 한 스위칭 손실은 거의 일정한 것이 특징 이다.
이러한 조건은 기존 Fly- back 컨버터를 사용하여 설계하기는 현실적으로 어려운 실정이다. 본 논문에서는 효율적 구동을 위해 입력전압이 변동해도 일정 출력전압을 출력하는 비절연형 감압컨버터를 이용하고 일정 입력전압으로 구동되는 일정 출력전압을 형성 하는 절연형 Fly-back 컨버터를 사용하는 2단 방식의 전력변환기 개념도를 그림 2와 같이 제안한다.

데이터처리

이러한 스위칭 방식은 기존 전류제어를 행하는 PWM방식에서 경 부하 시 스위칭 과도손실로 인한 효율 저감을 개선할 수 있었다. 또한 제 안된 방식의 타당성을 검증하기 위해 3000 V HVDC MMC용 40 W SMPS를 설계하고 시뮬레이션을 통하여 그 타당성을 검증하였다.

성능/효과

제안된 방식 감압컨버터의 제어방식은 불연속 전류제어모드에서 일정 에너지를 출력할 수 있는 스위칭 방식이며 출력전압 제어는 출력전압을 검출하여 불연속 주파수 제어에 의해 행해진다. 시뮬레이션 결과 100 % 부하 변동 시에도 비절연형 감압컨버터의 출력전압은 변동이 없이 안정적으로 동작함을 알 수 있으며, 절연형 Fly-back 컨버터는 일정 입력 전압에서 일정출력 전압을 출력함으로 고효율화가 가능할 것으로 사료된다.
제안된 일정에너지 스위칭 기법은 SMPS의 부하에 관 계없이 한 스위칭 손실은 거의 일정한 것이 특징 이다. 이러한 스위칭 방식은 기존 전류제어를 행하는 PWM방식에서 경 부하 시 스위칭 과도손실로 인한 효율 저감을 개선할 수 있었다. 또한 제 안된 방식의 타당성을 검증하기 위해 3000 V HVDC MMC용 40 W SMPS를 설계하고 시뮬레이션을 통하여 그 타당성을 검증하였다.

후속연구

2 %저감되고 있는 실정이다. 따라서 방전저항과 초충회로 및 전압검 출 회로를 SMPS에서 하이브리드화 한다면 시스템 효율 상승에 도움이 될 것으로 사료된다. 또한 주 제어기나 통신두절로 인한 MMC 사고 시 Bypass 를 위한 사이리스터 및 스위치 신호를 발생할 수 있는 알고리즘을 개발하여 대형 사고를 미연에 방지하는 기술이 내장되어야한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제어 전원용 SMPS의 단점은?	고압입력 전압으로 구동되는 SMPS(Switching Modulation Power Supply)는 높은 절연내력, 낮은 스위칭 주파수 구동 및 초기 기동을 위한 스타트 저항의 손실 등으로 고효율 SMPS 구현에 큰 걸림돌이 되고 있다. 특히 HVDC용 MMC(Modulation Multi-level Converter) 제어 전원용 SMPS는 넓은 입력전압 변동으로 정격 전압 시 낮은 시비율로 동작하므로 스위치 정격전류증대 및 높은 센서민감도로 인하여 제품단가 상승 및 제어의 어려움이 있다[4]-[6].
	AC 전력전송 시스템에서 DC 전력전송 시스템으로 바꾸는 이유는?	최근 에너지의 효율적 수급을 위해 AC 전력전 송시스템에서 DC 전력전송 시스템으로 변화가 되고 있는 추세에 있다. DC 전력전송 시스템으로 연구가 활발히 이루어지고 있는 대표적인 분야는 HVDC(High Voltage DC), Smart Grid, 직류송배전 등 이다[1]-[3].
	제안한 일정에너지 스위칭 기법을 통해 개선할 수 있었던 점은?	제안된 일정에너지 스위칭 기법은 SMPS의 부하에 관 계없이 한 스위칭 손실은 거의 일정한 것이 특징 이다. 이러한 스위칭 방식은 기존 전류제어를 행하는 PWM방식에서 경 부하 시 스위칭 과도손실로 인한 효율 저감을 개선할 수 있었다. 또한 제 안된 방식의 타당성을 검증하기 위해 3000 V HVDC MMC용 40 W SMPS를 설계하고 시뮬레이션을 통하여 그 타당성을 검증하였다.

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