전력의 흐름제어와 전원시스템의 과도안정성 개선을 위하여 전압의 위상을 제어할 필요성이 있는 경우가 있다. 이제까지 위상 천이기는 주로 상변압기와 사이리스터 탭변환기를 사용하여 구성하였는데, 이는 응답속응성이 느리고 제어안정성이 떨어지는 단점이 있다. 본 논문에서는 PWM AC/AC 컨버터를 사용한 3상 전압 위상천이기를 제안한다. 제안된 3상 전압 위상천이기는 PWM제어에 의하여 응답속응성이 우수하고 과도상태에서의 제어안정성을 개선시킬 수 있는 장점이 있다. 본 논문에서는 제안된 시스템의 회로구성, 동작원리와 특성 등을 설명하여 그 특징과 장단점을 나타내고, 이를 PSIM 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 동작과 해석의 타당성을 확인한다.
전력의 흐름제어와 전원시스템의 과도안정성 개선을 위하여 전압의 위상을 제어할 필요성이 있는 경우가 있다. 이제까지 위상 천이기는 주로 상변압기와 사이리스터 탭변환기를 사용하여 구성하였는데, 이는 응답속응성이 느리고 제어안정성이 떨어지는 단점이 있다. 본 논문에서는 PWM AC/AC 컨버터를 사용한 3상 전압 위상천이기를 제안한다. 제안된 3상 전압 위상천이기는 PWM 제어에 의하여 응답속응성이 우수하고 과도상태에서의 제어안정성을 개선시킬 수 있는 장점이 있다. 본 논문에서는 제안된 시스템의 회로구성, 동작원리와 특성 등을 설명하여 그 특징과 장단점을 나타내고, 이를 PSIM 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 동작과 해석의 타당성을 확인한다.
본 논문에서는, 위상-천이 제어 기반의 액티브 정류기 구조를 갖는 새로운 고효율 풀-브릿지 컨버터를 제안한다. 기존의 위상-천이 풀-브릿지 컨버터는 풀-브릿지 구조로 인한 스위치의 작은 도통손실과, 영전압 스위칭 등의 특징으로 인해 높은 용량에서 널리 쓰이는 토폴로지이다. 하지만, 위상-천이 풀-브릿지 컨버터는 넓은 입력전압 범위에서 설계되면 1차측에 큰 환류 전류가 생겨 도통손실이 증가하는 문제점을 갖는다. 따라서 이를 해결하기 위해, 제안하는 회로는 액티브 정류기를 사용하여 1차측 스위치들이 항상 최대 시비율로 동작할 수 있게 한다. 이로 인하여 순환 전류가 사라져 넓은 입력전압 범위에서도 높은 효율을 달성 할 수 있다. 뿐만 아니라, 제안하는 정류기의 구조 상 특징으로 인해 액티브 정류기의 스위치는 전압 링잉을 갖지 않고 출력 전압으로 고정되어 낮은 전압 스트레스를 갖는다. 제안하는 회로의 효용성을 증명하기 위해, 250-400V 입력, 56V/12.8A 출력에서 실험이 진행되었다.
광 전송 마이크로 셀룰라 시스템과 부반송파 다중 송신 시스템 같은 마이크로파 광 전송기술을 이용한 시스템들은 송신기의 비선형성에 의해서 발생하는 많은 왜곡 성분들, 특히 레이저 다이오드에서 발생한 왜곡 성분들에 의해서 많은 성능의 제한을 받는다. 이러한 왜곡 성분들을 제거하기 위해서 광 피드포워드 방식을 이용한 광 송신기를 제안하였다. 제작된 피드포워드 선형화 아날로그 광 송신기는 2.1 GHz 투톤 실험에서 38 dB의 IMD 개선 효과를 보였다. 여기에서 위상 천이기와 전압 가변 감쇄기는 신호 크기 허용오차를 0.1 dB, 위상 허용오차 $1^{\circ}$범위 이내에서 설계하였다. 이를 위해서 세밀한 위상과 크기의 조정이 가능한 위상 천이기와 전압 가변 감쇄기를 제작하였고, 측정한 결과, 전압 가변에 따른 위상 변화량과 크기 변화량은 각각 위상 천이기는 $90^{\circ}$, 전압 가변 감쇄기는 14 dB를 기록하였다.
기존의 위상 천이 풀-브릿지 컨버터는 변압기 2차측 다이오드의 전압 스트레스를 증가시키는 심각한 전압 진동 문제를 가지고 있으며, 이를 해결하기 위한 부가적인 스너버의 사용은 전체 시스템 효율의 저하를 초래한다. 본 논문에서는 부가적인 스너버의 사용없이 효과적으로 전압 진동 문제를 해결하는 위상 천이 풀-브릿지 컨버터의 새로운 동작 방식을 제안한다. 또한 제안된 방법은 동작 특성 상 넓은 영전압 스위칭 범위를 보장하므로 향상된 효율을 기대할 수 있다. 기존의 동작 방식과 비교하여 제안된 전압 진동 제거 기술의 동작 원리, 전압 진동 분석 및 설계 고려 사항을 나타내었으며, 420W사양의 시험모델을 제작하여 제안된 전압 진동 제거 기술의 타당성을 입증하였다.
본 논문에서는 2 GHz 선형 위상 천이 특성을 갖는 위상천이기를 설계 및 제작하여 보였다. 소형의 위상 천이기 구현을 위해 집중소자로 구성된 전통과 회로망(all pass network)을 기반으로 위상천이기를 구성하고, 박막세라믹 공정을 이용하여 제작하였다. 또한, 선형의 위상 천이 특성을 얻기 위해 버랙터(varactor) 다이오드에 직렬 커패시터를 연결하여, 전압에 대한 커패시턴스를 선형화함으로써 비선형성을 개선하였다. 전통과 회로망에 나타나는 인덕터는 스파이럴 인덕터로 구현하고, 이를 다이오드 바이어스 회로에 활용하여 $4\;mm{\times}4\;mm$ 면적을 가지는 소형 위상천이기를 구성할 수 있었다. 또한, 온-웨이퍼(on wafer)로 측정을 위해 입출력은 CPW(Coplanar Waveguide) 형상으로 구현하였으며, 제작된 위상천이기는 버랙터 조정 전압 0~5 V에 대하여, 2 GHz에서 삽입 손실은 약 4.2~4.7 dB, 위상 변화량은 약 $79^{\circ}$였으며, 예상한대로 선형 위상 천이 특성을 보였다.
소자나 외부의 간섭에 의해 입력된 잡음은 전압조절발진기(Voltage Controlled Oscillztor: VCO)의 출력 신호에 위상잡음을 일으킨다. 잡음이 VCO에 입력되는 특정 시간에 따라 위상잡음에 미치는 영향이 다르다. 출력신호의 천이 중에 잡음이 입력되면 위상잡음이 미치는 영향이 커지고 출력신호의 값이 일정한 부분에서는 위상잡음에 미치는 영향이 작다. 이러한 시간에 따라 변하는 시스템에 의한 잡음의 계산은 VCO 출력 위상잡음이 기준 및 고조파의 인근 주파수 성분에 의한 것임을 밝혔다. 또한 기준 신호가 대칭일수록 위상잡음이 줄어 든다.
본 논문에서는 위상 천이 풀 브릿지 컨버터와 공진형 하프 브릿지 컨버터를 통합한 구조에서 새로운 센터탭 클램프 회로를 적용하였다. 하프 브릿지 컨버터가 통합되어 있는 구조를 통하여 기존 위상 천이 풀 브릿지 컨버터가 가지고 있는 여러 단점을 개선할 수 있으며, 또한 제안하는 클램프 회로를 통해 이차측 전압 스트레스 및 출력 커패시터의 사이즈 측면에서 개선점을 갖는다. 이러한 장점들을 통해 효율과 비용 측면에서 큰 효과를 갖는다. 3.3 kW 의 프로토타입을 통해 실험으로 검증하였다.
본 논문에서는 주파수 5.3 GHz에서 소형화된 branch line 커플러와 $360^{\circ}$ 이상의 위상천이를 보일 수 있는 가변 리액턴스 부하를 결합하여 소형화된 위상천이기의 설계를 보였다. 위상천이기의 소형화를 위하여, branch line 커플러의 새로운 구조를 제안하였다. 새로운 branch line 커플러는 전송선의 T 및 ${\pi}$형 등가회로 변환 방법을 이용하여 소형화하였다. 소형화된 branch line 커플러는 일반적인 구조에 비해 50 % 이상 소형의 크기를 가진다. 넓은 위상천이량을 갖기 위하여 전송선에 버렉터 다이오드 두 개를 입력과 출력에 연결한 부하 구조를 채택하였다. 특히, 조정 전압에 대한 위상천이량이 완만하도록 임피던스 변환기 역할을 하는 전송선을 설계된 부하 구조에 추가하여 구조를 보완하였다. 추가된 임피던스 변환기에 사용된 전송선 및 선정된 부하 구조의 전송선은 소형화에 장애가 되기 때문에 이를 집중 소자로 등가하여 소형화하였다. 제작된 위상천이기는 $15{\times}15mm^2$의 소형의 크기를 가지며, 조정 전압 0~10 V 범위의 경우, 중심 주파수 5.3 GHz에서 삽입 손실은 약 -4~-6 dB, 반사 손실은 -20 dB 이하, 약 $480^{\circ}$의 넓은 위상천이를 보였다.
본 논문에서는 강유전체 기반, 마이크로스트립 라인을 이용하여 13~170Hz에 걸친 넓은 주파수 범위에서 삽입 손실이 2dB 이하, 반사 손실이 10dB 이상인 4-coupled 가변 위상 천이기를 제안한다 특히, 15GHz에서 위상 천이 편이(DPS)는 0V를 인가하였을 때 $89{\circ}$ 이었고, 인가 전압을 150V로 증가시켰을 때 $115{\circ}$ 이었다. 그러므로 위상 천이 편이의 가변성은 $26{\circ}$에 달한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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