디지털 부하용 전원은 작은 스위칭 전압 리플, 정밀한 전압 제어, 빠르고 큰 부하 변동에 대한 응답 특성을 가져야 한다. 이를 위해서는 높은 스위칭 주파수와 큰 수동 필터가 요구된다. 그러나 스위칭 주파수는 전력 손실과 밀접한 관계가 있고 큰 수동 필터는 컨버터의 가격과 부피를 증가시키는 주요 원인이 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 출력에 병렬 연결된 능동 출력필터를 이용하여 디지털 부하의 요구 조건을 만족시키면서 시스템의 효율 향상 및 수동 소자 저감이 가능한 방식을 제안한다. 400 V 입력 3.3 V, 10 A 출력의 2-스위치 포워드 컨버터를 통해 기존 방식과 비교 분석한다.
본 논문에서는 다양한 주파수 튜닝이 가능한 직접변환방식을 이용한 Gm-C 능동필터 회로를 설계하였다. 설계된 필터는 집적회로를 튜닝하여 요구되는 기준주파수 및 대역폭과 이득을 만족시킬 수 있다. 필터에 사용된 OTA회로는 전달 트랜스컨덕턴스 값을 외부전압으로 제어할 수 있도록 설계하여 다양한 주파수대역에서 사용할 수 있다는 장점을 가진다. 설계된 필터는 ripple 전압을 최소화 하고 이득 값을 높일 수 있는 Elliptic 필터를 사용하였다. 집적화를 위하여 수동필터를 능동필터로 변환할 수 Gyrator 방식을 이용하였다. HSPICE 시뮬레이션 결과, 외부전압을 1.0V~1.9V까지 변화를 주었을 때 1.4MHz ~ 2.8MHz의 차단주파수의 조정이 가능하였고 소비전력은 4.5mW~20mW임을 측정하였다.
무선 모바일 통신 시장의 성장에 따라 수동 소자로 구성된 모듈에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 논문에서는 수동소자를 이용한 Wi-MAX용 트리플렉서를 설계하였다. 트리플렉서는 Wi-MAX의 RF Front-end단 앞부분에 연결되며, IEEE 802.16에 따른 2GHz, 3GHz, 5GHz 대역을 선택, 분리해주는 역할을 한다. 제안된 트리플렉서는 저역통과필터, 대역통과필터, 고역통과필터로 구성하였으며, 수동소자의 최소화로 인해 삽입손실 향상을 중점으로 설계하였다. 회로해석 결과, 각 대역별 (2/3/5GHz) 삽입손실은 각각 -0.5dB, -0.6dB, -0.4dB 였으며, 반사손실은 -20dB, -20dB, -12dB, 격리도는 -20dB, -24dB, -25dB의 특성을 보였다. 수동 소자의 최소화 설계로 인해 모듈 및 시스템의 저가화를 기대할 수 있다.
계통연계형 인버터는 출력 전류의 고조파 저감을 위해 L 또는 LCL 필터를 사용된다. L필터에 비해 LCL 필터가 동일 인덕턴스로 높은 고조파 저감 효과를 가지기 때문에 일반적으로 LCL 필터를 이용하지만, 시스템에 공진이 발생하기 때문에, 이를 해결하기 위해 다양한 댐핑 기법과 함께 사용되어왔다. 특히, 능동 댐핑 기법은 추가적인 수동소자가 필요 없기 때문에, 수동 댐핑 기법에 비해 손실이 적다는 장점이 있으나, 추가적인 센싱회로가 필요하다는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 추가적인 센서가 필요없는 3상 계통연계 인버터용 LCL 필터의 능동 댐핑 기법을 제안한다. 일반적인 계통연계 인버터에서 센싱받는 계통전압과 계통전류를 이용하여 캐패시터 전류를 계산하고, 이를 전류제어 루프에 보상함으로써 가상 저항 능동 댐핑 기법을 구현하고, 시뮬레이션을 통해 검증한다.
본 논문에서는 대표적인 고조파 저감기법인 단일동조 수동고조파필터(single-tuned Passive Harmonic Filter)의 설계 시에 반드시 고려해야 할 최적의 동조계수($\delta$)와 양호도(Q)값의 결정 방법을 제안하였다. 두 값들은 실 사례를 통하여 결정하였고, 결정된 값들은 보드선도를 이용한 주파수 영역 해석을 수행한 후 최종적으로 이 값들을 반영하여 설계된 수동고조파필터의 성능확인을 통하여 본 논문에서 결정한 두 값들의 적합성을 평가하였다.
본 논문에서는 3상 정류기부하에서 주로 발생하는 5차, 7차등의 저차 고조파를 제거하기 위하여 간단한 구조와 경제성이 있는 Single-tuned Second-order Filter를 설계하였다. 사례연구는 원자력발전소 무정전전원계통(UPS)의 임의의 한 모선을 대상으로 하였으며 계통을 모델링하여 분석한 결과를 토대로 수동필터를 설계하였다. 설계된 필터는 범용 컴퓨터프로그램인 PSIM을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며 시뮬레이션 결과 해당차수의 고조파를 현저하게 감소시키는 양호한 결과를 얻었다.
본 논문에서는 3상 3선식 전력시스템에서 전류 고조파와 전원 전압 불평형을 보상하는 직렬형 능동전력필터에 관하여 연구하였다. 직렬형 능동전력필터는 병렬형 수동필터와 병용으로 구성되어져 수동필터의 고조파 보상 능력을 향상시켜주며, 전원측의 전류 고조파를 더욱 저감시키고, 전원 전압의 불평형을 보상하여 부하측에 평형한 전원조건이 형성되도록 보상해 준다. 제안하는 제어 알고리즘은 전류 고조파 보상을 위한 방법과 전원 전압 불평형을 보상하는 방법으로 나누어지며 최종적인 보상 전압은 계산되어진 두 가지 보상 전압의 합의 형태가 되겠다. 전류 고조파 보상을 위한 보상 지령 전압은 정의되어진 성능함수에 의해 계산되어지며, 전원 전압 불평형 보상을 위한 보상 지령 전압은 동기 좌표를 이용하여 계산되어진다. 실험을 통하여 제안하는 알고리즘의 우수성을 입증하였다.
본 논문은 계통연계 목적으로 사용하는 LCL필터의 공진현상을 억제하기 위한 간단한 능동 댐핑 원리와 방법을 보인다. LCL필터는 기존의 1차 필터인 L필터에 비해 적은 동량으로 효과적인 출력파형의 고조파 저감 효과를 갖지만, LC파트 추가로 인해 허수축에 공진복소극이 존재하여 필연적으로 시스템에 공진이 발생하게 된다. 본 논문에서는 추가적인 센서나 수동소자의 사용 없이 LCL필터의 공진복소극을 상쇄하는 노치필터를 제어기에 적용하여 시스템의 안정성을 확보한다. 시뮬레이션을 수행하여 타당성을 입증한다.
최근 전력변환 응용 기기의 사용증가로 비선형 특성부하에 의한 고조파가 상당히 발생하고 있으며, 고조파에 의한 영향이 심각한 수준에 이르고 있다. 또한, 에너지 절약을 위하여 설치한 인버터에 의하여 고조파가 오히려 역률이 기대치 이하로 저하되는 현상을 초래한다 따라서 본문에서는 산업현장에서 발행하는 고조파 장해를 조사 (실측)하여 그 계통의 정확한 고조파를 분석하고 이를 바탕으로 고조파 성분에 따라 Filter를 이용한 고조파 저감 대책을 시뮬레이션을 통하여 구현하며, 저감된 개선사례를 중심으로 제시하였다.
본 논문에서는 3상 PWM 전압형 컨버터의 LCL필터 설계기법을 제안한다. 3상 전압형 컨버터는 스위칭으로 인한 고조파를 함유하고 있기 때문에, 입력측 고조파 감소를 위한 수동필터가 필수적이며, 용량, 입력역률, 입출력 조건 등 여러 가지 파라미터를 필요하기 때문에 설계하는 데에 어려운 단점이 있다. 이에 본 논문에서는 LCL필터의 최적 설계기준을 제안하며, 이에 대한 유효성을 입증하기 위해 PSIM 시뮬레이션을 통해 검증한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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