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높은 턴 수의 코일을 탑재한 유도 가열 장치용 하프 브릿지 인버터의 전력 변환 효율 향상을 위한 입력전압 선정 기법
Input Voltage Selection Methodology to Improve Power Transfer Efficiency of Half-Bridge Series Resonant Inverter Employing High Turn-numbered Coil for Induction Heating Application 원문보기

전력전자학회 2019년도 춘계학술대회, 2019 July 02, 2019년, pp.156 - 158  

진주일 (울산과학기술원 (유니스트)) ,  김민아 (울산과학기술원 (유니스트)) ,  정지훈 (울산과학기술원 (유니스트))

초록
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낮은 저항 용기를 가열할 수 있는 유도 가열 장치는 유도가열 장치용 하프 브릿지 직렬 공진형 인버터의 높은 입력 전압과 높은 턴 수의 코일을 통해 낮은 저항의 용기를 가열한다. 그러나 자성체 용기는 높은 턴 수의 코일에서 높은 저항 값을 가지므로 적절한 전력을 내기 위해서는 높은 입력 전압이 필요하다. 이러한 경우 부스트 토폴로지의 역률 개선 회로를 사용할 수 있다. 하지만 입력 전압의 변동에 따라 직렬 공진형 인버터의 출력 전력 제어를 위한 동작 점 변동이 필요하므로 인버터의 손실이 변동한다. 본 논문에서는 낮은 저항 용기를 가열하기 위하여 높은 턴 수의 코일을 탑재한 유도 가열 장치용 하프 브릿지 직렬 공진형 인버터에서 자성체 용기의 가열 시 입력 전압 변동에 따른 인버터의 손실 분석을 통해 최적의 입력전압 조건을 선정하고자 한다. 제안하는 입력전압 선정 기법은 2-kW 급 유도 장치용 하프 브릿지 직렬 공진형 인버터 시 제품을 통해 타당성을 검증한다.

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

제안 방법

  • 본 논문에서는 HB-IH 인버터의 손실 분석을 위해 스위칭 손실과 도통 손실을 고려한다. HB-IH 인버터는 전 부하 영역에서 ZVS (Zero voltage switching) 조건을 만족하기 때문에 스위칭 턴 온 손실을 무시할 수 있다.
  • HB-IH 인버터는 일정한 출력 전력을 얻기 위해 입력 전압에 따라 동작점이 변동한다. 본 논문에서는 HB-IH 인버터의 입력 전압에 따라 변동하는 도통 손실과 스위칭 손실을 계산하고 최소의 손실을 가지는 최적의 입력 전압을 선정한다. 선정된 입력 전압은 2kW 급 HB IH 인버터 시제품을 통해 예측된 성능과 효율의 타당성을 검증한다.
  • 본 논문에서는 HB-IH 인버터의 입력 전압에 따른 스위칭 손실과 도통 손실을 계산하고 총 손실이 낮아지는 최적의 HB-IH 인버터의 입력 전압 조건과 2 kW가 가열 가능한 최소의 입력 전압을 설계하였다. HB-IH 인버터의 입력전압에 대해 도통 손실에 비해 스위칭 손실의 변동 폭이 더 유효함을 확인하였다.
  • 본 논문에서는 HB-IH 인버터의 입력 전압에 따라 변동하는 도통 손실과 스위칭 손실을 계산하고 최소의 손실을 가지는 최적의 입력 전압을 선정한다. 선정된 입력 전압은 2kW 급 HB IH 인버터 시제품을 통해 예측된 성능과 효율의 타당성을 검증한다. 
  • 스위칭 손실은 HB-IH 인버터 입력 전압에 반비례함으로 낮은 입력 전압을 선정하는 것이 유리하다. 하지만 원하는 출력 달성을 위해 HB-IH 인버터 입력전압이 제한되므로 출력 전력을 달성할 수 있는 최소 전압을 선정하였다. 2 kW HB-IH 인버터 시제품 실험을 통해 선정된 최소 전압이 2 kW 출력이 가능함을 검증하였다.

이론/모형

  • 여기서, ωs 는 스위치 각 주파수, Lr은 누설 인덕턴스, Cr은 공진 커패시턴스 , Lm은 자화인덕턴스, Ir은 공진 전류,  Il은 부하 전류, Im 은 자화 전류, Req (V(t),i(t),fs ,temp)는 워킹 코일과 용기의 등가 저항이다[3]. Req는 SUS304 18-10의 HB-IH 인버터 동작 중 측정된 저항 값의 추세선을 통해 도출하고 입력 전압은 1차 고조파만을 분석하는 FHA(First Harmonic Approximation)[4]를 사용하였다. 그림 3에 나타난 HB-IH 인버터의 등가 회로를 통해 공진 전류를 유도할 수 있다.
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