[논문]입력 전류 왜곡을 저감한 단상 디지털 역률 제어 보상 기법

윤한신; 박진식; 유찬훈; 문건우

입력 전류 왜곡을 저감한 단상 디지털 역률 제어 보상 기법
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윤한신 (카이스트 전기 및 전자공학과) , 박진식 (카이스트 전기 및 전자공학과) , 유찬훈 (카이스트 전기 및 전자공학과) , 문건우 (카이스트 전기 및 전자공학과)

이 논문에서는 단상 디지털 역률 제어 보상 기법(PFC)을 제안한다. 제안된 방법은 인덕터 전류의 첨두값을 예측하고 기울기 보상 방법을 적용하여 제어기 출력을 생성함으로써 인덕터 전류의 첨두값을 제한하고, 스위칭 한 주기 안에 연속 도통 모드(CCM)과 불연속 도통 모드(DCM) 전류 제어를 완료한다. 따라서 기존 디지털 평균 전류 제어기에서 문제시 되었던 DCM-CCM 변환구간 즉 경계 도통 모드(BCM)에서 입력 전류 왜곡을 저감하였다. 제안된 제어기법의 유효성은 입력 전압 230Vac, 출력 전압 400V, 출력 750W급의 시제품 실험을 통해 검증하였다.

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문제 정의

하지만 첨두 전류 제어의 경우 CCM을 가정으로 제어가 이루어지기에 DCM구간에서 전류 왜곡이 발생하며, 더욱이 고조파 공진을 제거하기 위한 기울기 보상기에 의해 전류 왜곡이 심화된다^[2]. 따라서 본 논문에서는 CCM, DCM 인덕터 첨두 전류를 예측하고 기울기 보상이 고려된 첨두 전류 제어기를 구현함으로써 기존 제어기들에서 발생되었던 입력 전류 왜곡을 저감한 제어기를 제안한다.
본 논문에서는 인덕터 첨두 전류를 예측하고 기울기 보상기를 고려하여 첨두 전류 지령을 생성하는 단상 부스트 PFC 컨버터의 디지털 제어 기법을 제안하였다. 제안된 제어기를 적용함으로써, DCM-CCM 구간 전환 시에 발생하였던 전류 왜곡을 저감하고, 전류 첨두치를 제어함으로써 전 부하에서 THD 성능을 개선하였다.

제안 방법

하지만 이는 디지털 제어기의 ADC 및 S&H에 의해 루프 이득이 제한 되므로 입출력 전압, 부하의 왜란 그리고 BCM 시 발생되는 부스트 컨버터의 비선형 특성을 효과적으로 제어하지 못한다. 따라서 입력 전류에 큰 왜곡이 발생하며, 이 왜곡을 보상하기 위해 시비율 전향 보상기(DFF)를 적용, 왜란의 영향을 저감하였다^[1]. 하지만 CCM PFC에 주로 적용 되는 파우더 코어의 특성상 인덕턴스는 파라미터에 민감하므로 DFF를 적용하여도 부정확한 보상이 이루어 지게 되며, 또 디지털 제어기의 느린 동특성으로 BCM 시 즉 순간적인 입력 전류 왜곡이 발생한다.
제안된 제어기는 첨두 전류 제어를 위해 전압 제어기의 출력 값과 입,출력 전압를 이용하여 CCM 구간과 DCM 구간 및 첨두 전류를 예측한다. 첨두 전류 지령 생성을 위한 시비율의 식은 식(1)과 같으며 20%부하 가정시의 시비율은 그림 2 (a)으로 나타난다.
본 논문에서는 인덕터 첨두 전류를 예측하고 기울기 보상기를 고려하여 첨두 전류 지령을 생성하는 단상 부스트 PFC 컨버터의 디지털 제어 기법을 제안하였다. 제안된 제어기를 적용함으로써, DCM-CCM 구간 전환 시에 발생하였던 전류 왜곡을 저감하고, 전류 첨두치를 제어함으로써 전 부하에서 THD 성능을 개선하였다.
제안된 제어기의 유용성을 검증하기 위해 750W 부스트 컨버터를 이용한 실험을 수행하였다. 그림 4는 230Vac 50%부하에서의 실험파형을 나타내고 있으며, 그림 5는 기존 시비율 전향 보상기와 제안된 제어기의 230Vac 입력 조건 시 역률과 THD를 측정한 결과를 보여준다.

성능/효과

제안된 제어기는 첨두 전류를 제한하고 기울기 보상기를 생성하므로써, 스위칭 한주기에 전류 제어를 완료하여 빠른 동특성을 보이며 입력 전류의 왜곡을 효과적으로 저감할 수 있다. 이러한 제안된 제어기는 첨두 전류 예측기와 기울기 보상기를 고려한 첨두 전류 지령 생성기로 구성되어 있다.
그림 4는 230Vac 50%부하에서의 실험파형을 나타내고 있으며, 그림 5는 기존 시비율 전향 보상기와 제안된 제어기의 230Vac 입력 조건 시 역률과 THD를 측정한 결과를 보여준다. 제안된 제어기법을 적용할 경우 입력 전류의 왜곡이 제거 되었음을 확인 할 수 있으며, THD가 기존 제어방식 대비 큰 폭으로 감소함을 확인 할 수 있다.

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