[논문]Induction Heating 구동회로의 스위치 내압 저감을 위한 ZVS 단일 스위치 인버터

강경수; 공성재; 양태철; 노정욱

Induction Heating 구동회로의 스위치 내압 저감을 위한 ZVS 단일 스위치 인버터
ZVS single switch inverter for Reducing switch voltage stress of Induction Heating driving circuit 원문보기

강경수 (국민대학교 전자공학과) , 공성재 (국민대학교 전자공학과) , 양태철 (국민대학교 전자공학과) , 노정욱 (국민대학교 전자공학과)

기존 Induction Heating용 인버터의 경우, 일반적인 Half-Bridge 인버터를 사용하여 낮은 효율이 발생하기 때문에 고효율 구동이 어렵고, Single Switch 인버터를 사용할 경우 높은 전압 스트레스로 인해 고효율 및 고출력 IH 인버터 구동이 어려운 문제점이 있다. 본 논문은 Induction Heating용 인버터의 원가를 감소시키고 고효율/고출력을 낼 수 있는 스위치 내압 저감용 ZVS Signle Switch 인버터를 제안한다. 기존의 IH 구동용 인버터를 사용할 경우에는 낮은 효율 및 높은 스위치의 전압 스트레스 때문에, 회로의 전체적인 부피가 커지고 제작단가가 증가하는 단점이 있다. 반면 제안된 회로는 IH 구동용 스위치 내압 저감이 가능한 ZVS Single Switch 인버터로써, 단일 스위치 회로 구현과 영전압 스위칭을 통해 높은 효율로 인버터 구동이 가능하고, 스위치 내압을 감소하였기 때문에 회로의 부피 및 원가를 감소시킬 수 있는 장점을 갖는다. 본 논문에서는 제안된 회로의 이론적이 특성을 분석하고 모의실험을 통해 확인하였으며, 2.6kW급 IH 구동 인버터 회로에 적용하여 실험을 통해 우수성을 검증하였다.

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문제 정의

하지만 Half Bridge형 직렬 공진형 인버터는 2개의 스위치를 사용하고 Hard Switching 구동을 하기 때문에 효율이 낮고 제품의 원가 및 부피, Heat sink 크기가 매우 커지는 문제점 있으며, 단일스위치 병렬 공진형 인버터의 경우에는 구동 스위치의 전압 스트레스가 매우 높아 회로의 원가 및 부피가 크게 증가하는 문제가 있다. 따라서 본 논문에서는 단일스위치 공진형 인버터의 영전압 스위칭(ZVS)을 통해 높은 효율로 인버터를 구동시키고, 구동스위치 내압을 저감시켜 회로의 부피 및 원가를 최소화시킬 수 있는 IH 병렬 공진형 ZVS 단일 스위치 인버터를 제안한다.
이러한 이유로 기존 IH 구동용 인버터를 사용할 경우에는 낮은 효율 및 높은 스위치의 전압 스트레스 때문에, 회로의 전체적인 부피가 커지고 제작단가가 증가하는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 단일스위치 공진형 인버터의 영전압 스위칭을 통해 높은 효율로 인버터를 구동시키고, 구동스위치 내압을 저감시켜 회로의 부피 및 원가를 최소화시킬 수 있는 IH 병렬 공진형 ZVS 단일스위치 인버터를 제안하였다. 이론적 분석과 모의실험을 통해 제안회로의 타당성 검증하였으며, 2.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 단일스위치 공진형 인버터의 영전압 스위칭을 통해 높은 효율로 인버터를 구동시키고, 구동스위치 내압을 저감시켜 회로의 부피 및 원가를 최소화시킬 수 있는 IH 병렬 공진형 ZVS 단일스위치 인버터를 제안하였다. 이론적 분석과 모의실험을 통해 제안회로의 타당성 검증하였으며, 2.6kW급 IH 병렬 공진 내압 저감형 ZVS 단일 스위치 인버터 구동회로 시작품을 제작하여 실험을 수행하였다. 실험 결과 제안된 IH 병렬 공진 내압 저감형 ZVS 단일 스위치 인버터는 부하 변동에도 ZVS 동작이 가능함을 확인하였다.
제안된 IH 병렬 공진 내압 저감형 ZVS 단일 스위치 인버터의 타당성 및 우수성을 위해 2.6kW급 IH 구동용 인버터 회로를 위한 시작품을 제작하여 다음과 같은 실험결과를 제시한다. 제안 회로를 제어하기 위해 MCU를 사용하였으며 설계를 위한 입출력 사양과 실험에 사용된 주요 파라미터는 다음과 같다.
그림 1은 제안된 IH 병렬 공진 내압 저감형 ZVS 단일 스위치 인버터 회로이다. 제안된 회로는 1개의 IGBT, IH Coil, 1개의 공진 Capacitor, CS, LS를 사용하여 구성되어 있으며 IH Coil에 흐르는 공진 에너지가 부하, 즉 IH 용기에 전달되어 유도가열하게 된다. 아울러 제안된 인버터는 Cs, Ls를 통해 전압 스트레스를 크게 감소시킬 수 있기 때문에 낮은 내압의 IGBT 를 채용가능하며, ZVS 동작을 통해 전력 손실 최소화 및 제품 및 시스템의 소형화/저가형 구현에 매우 유리한 장점이 있다.

성능/효과

스위치 양단 전압 Vce 및 IH Coil 전류는 이론적 분석과 동일함을 확인하였다. IH 구동 특성상 Plate의 위치에 따른 ZVS 동작도 가능함을 확인하였다. 또한 스위치의 전압 스트레스는 기존 대비 20%이상 감소하여 낮은 내압의 스위치 채용이 가능해 제품의 원가 및 부피 최소화가 가능함을 검증하였다.
실험 결과 제안된 IH 병렬 공진 내압 저감형 ZVS 단일 스위치 인버터는 부하 변동에도 ZVS 동작이 가능함을 확인하였다. 또한 스위치의 전압 스트레스는 기존 대비 20%이상 감소하여 낮은 내압의 스위치 채용이 가능해 제품의 원가 및 부피 최소화 가 가능함을 확인하였다. 최종적으로 제안된 회로는 높은 효율을 통해 IH 구동용 인버터 회로의 소형화 및 저가형 구현이 가능할 뿐만 아니라, 고전력, 고전압을 요구하는 친환경 관련제품, 의료기기, 백색가전 등 다양한 분야에서도 적용이 가능할 것으로 기대된다.
또한 스위치의 전압 스트레스는 기존 대비 20%이상 감소하여 낮은 내압의 스위치 채용이 가능해 제품의 원가 및 부피 최소화가 가능함을 검증하였다.
그림 4(a)는 제안 회로의 시작품 및 실험 사진이고, 그림 4(b)는 제안 회로의 Gate에 따른 스위치 전압 V_ce, Coil 전류 I_coil 파형이다. 스위치 양단 전압 Vce 및 IH Coil 전류는 이론적 분석과 동일함을 확인하였다. IH 구동 특성상 Plate의 위치에 따른 ZVS 동작도 가능함을 확인하였다.
6kW급 IH 병렬 공진 내압 저감형 ZVS 단일 스위치 인버터 구동회로 시작품을 제작하여 실험을 수행하였다. 실험 결과 제안된 IH 병렬 공진 내압 저감형 ZVS 단일 스위치 인버터는 부하 변동에도 ZVS 동작이 가능함을 확인하였다. 또한 스위치의 전압 스트레스는 기존 대비 20%이상 감소하여 낮은 내압의 스위치 채용이 가능해 제품의 원가 및 부피 최소화 가 가능함을 확인하였다.
제안된 회로는 1개의 IGBT, IH Coil, 1개의 공진 Capacitor, CS, LS를 사용하여 구성되어 있으며 IH Coil에 흐르는 공진 에너지가 부하, 즉 IH 용기에 전달되어 유도가열하게 된다. 아울러 제안된 인버터는 Cs, Ls를 통해 전압 스트레스를 크게 감소시킬 수 있기 때문에 낮은 내압의 IGBT 를 채용가능하며, ZVS 동작을 통해 전력 손실 최소화 및 제품 및 시스템의 소형화/저가형 구현에 매우 유리한 장점이 있다.

후속연구

또한 스위치의 전압 스트레스는 기존 대비 20%이상 감소하여 낮은 내압의 스위치 채용이 가능해 제품의 원가 및 부피 최소화가 가능함을 검증하였다. 따라서 위의 실험 결과를 통해 제안된 회로는 높은 효율을 통해 IH 구동용 인버터 회로의 소형화 및 저가형 구현이 가능함을 확인하였으며, IH 뿐만 아니라 고전력, 고전압을 요구하는 공기청정기, 의료기기, 백색가전 등 다양한 분야에서도 적용이 가능할 것으로 예상된다.
또한 스위치의 전압 스트레스는 기존 대비 20%이상 감소하여 낮은 내압의 스위치 채용이 가능해 제품의 원가 및 부피 최소화 가 가능함을 확인하였다. 최종적으로 제안된 회로는 높은 효율을 통해 IH 구동용 인버터 회로의 소형화 및 저가형 구현이 가능할 뿐만 아니라, 고전력, 고전압을 요구하는 친환경 관련제품, 의료기기, 백색가전 등 다양한 분야에서도 적용이 가능할 것으로 기대된다.

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