본 연구에서는 컨버터를 일정한 주파수로 제어할 수 있는 쿼지 공진형 컨버터를 제안하였다. 제안된 컨버터의 스위치는 쿼지 공진형 컨버터와 유사하게 고주파에서 고효율로 동작할 수 있도록 소프트 스위칭 특성을 갖는다. 또한, 쿼지 공진형 컨버터는 출력전압의 제어를 위해 컨버터의 스위칭 주파수를 변동시키는 데 비하여 제안된 컨버터는 일정한 주파수로 PWM 제어가 가능하다. 따라서 필터설계 및 EMI 필터설계의 최적화가 가능하다. 본 연구에서는 컨버터의 스위치 모드를 해석하여 컨버터의 동작원리를 기술하고, 컨버터의 스위치가 소프트 스위칭 조건을 만족하여 고주파에서도 동작할 수 있음을 보였다. 또한, DC-DC 컨버터에 대하여 100 kHz의 스위칭 주파수로 동작시켜 컨버터가 일정한 주파수로 PWM 제어되는 특성을 비롯한 컨버터의 특성을 시뮬레이션과 실험으로 증명하였다.
대용량 반도체 소자인 IGCT를 사용하여 철도차량용 AC-to-DC 단상 PWM 컨버터를 제작 실험하였다. 컨버터의 용량을 향상시키기 위해 2대의 PWM 컨버터를 병렬 운전하였으며 병렬운전시 각각의 컨버터 스위칭각을 다르게 제어하여 각 컨버터의 전류 리플을 상쇄시켜 전원의 고조파 함유를 줄였다. 출력전압제어는 입력전류의 측정 없이 내부 계산에 의해 수행하였으며 단위역률을 제어하기 위해 소프트웨어적으로 간단히 PLL을 수행하였다.
본 논문에서는 일정한 주파수로 동작하는 영전압 스위칭 방식의 PWM 컨버터를 제안하였다. 제안된 컨버터에서 컨버터의 주스위치는 항상 영전압에서 스위칭을 하며, 보조 스위치는 항상 소프트 스위칭을 한다. 또한, 컨버터 스위치의 전압 및 전류 스트레스는 기존의 PWM 컨버터와 같이 적다. 제안된 컨버터는 배터리 컨버터로 적용하기 위하여 buck형 컨버터로 구현하였다. 컨버터는 스위칭 특성은 실험적으로 확인하였다.
주 스위치가 항상 영전압에서 스위칭을 하는 새로운 영전압 스위칭 방식 (ZVS)의 PWM 컨버터를 제안하였다. 제안된 컨버터에서 두 개의 가포화(saturable)인덕터를 보조 스위치의 전도 손실을 줄이기 위하여 기존의 ZVS PWM 컨버터에서 사용한 한 개의 인덕테를 대체하였다. 컨버터의 주 스위치는 영전압 스위칭으로 인하여 스위칭의 전류를 줄이므로써 최소화하였다. 따라서, 제안된 컨버터는 고 전력밀도의 시스템 구현에 사용이 가능하다. 영전압 스위칭을 포함한 위의 특징을 실험을 통하여 증명되었다.
DC/DC스위칭 전력 컨버터는 임의의 직류전원을 부하가 요구하는 형태의 직류전원으로 변환시킨다. DC/DC 컨버터는 PWM-IC를 이용하여 주기적으로 입력측에서 출력측으로 전달되는 에너지를 제어하는 기능을 수행하는데, PWM-IC(펄스폭 변조-집적회로), MOSFET(산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터), 인덕터, 콘덴서, 저항 등으로 구성되어 있다. 방사선의 영향으로 DC/DC 컨버터의 PWM-IC 를 구성하는 비교기(comparator)와 연산증폭기(OP-Amp.) 등 전자소자의 열화 효과(radiation effects)가 발생되는데, PWM-IC 동작에서 SPICE 시뮬레이션과 실험을 통해 펄스의 상실, 펄스폭의 변화, 그리고 출력파형의 변화를 연구하는데 있다.
본 논문에서는 3상 2-병렬 PWM 컨버터의 단일 스위치 개방 고장 시 고장 허용 제어 방법과 그에 따라 발생하는 순환전류를 저감하는 연구를 진행 하였다. PWM 컨버터의 스위치 개방 고장은 DC단 전압 맥동과 계통 측 전류의 왜곡을 유발하며 이는 고장허용제어를 통해 개선 가능하다. 하지만 고장허용제어를 병렬형 PWM 컨버터에 적용하는 경우에는 컨버터의 비동기적인 스위칭으로 발생된 순환 전류 때문에 기존의 방법을 적용 할 수 없다. 따라서 본 논문에서는 2-병렬 PWM 컨버터의 스위치 개방 고장 허용제어에 따른 순환전류 저감에 대한 연구를 진행하였다. 연구한 내용은 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
본 논문에서는 불연속 변조 기법을 이용한 고속철도 추진제어장치용 단상 PWM 컨버터에 대해 연구하였다. 기존 PWM 컨버터는 대 전력 특성으로 인해 스위칭 손실을 줄이기 위해 주파수 변조지수를 10 이하로 낮게 사용함에 따라 제어의 대역폭이 감소하고, 안정적인 역률 제어를 위해 추가의 보상 기법을 필요로 하는 등의 문제점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 3상 PWM 인버터에서 사용하는 불연속 변조 기법을 단상 PWM 컨버터에 적용하였다. 제안한 방식은 옵셋 전압 기법을 활용하여 간단히 구현될 수 있으며 동일 스위칭 손실 대비 주파수 변조 지수를 2배 증가시켜 제어 특성을 향상시키고 스위치 간의 동특성도 동일하게 가져갈 수 있다. 100 kW급 PWM 컨버터에 대한 시뮬레이션을 통해 제안한 불연속 변조 기법에 대한 타당성을 검증하였다.
PWM(Pulse Width Modulation) 컨버터의 제어에 있어서, 입력전압의 왜곡을 고려하지 않을 경우, 시스템의 성능 저하를 초래하게 된다. 본 논문은 왜곡된 3상 입력전압이 PWM 컨버터에 미치는 영향을 분석하고, 성능을 개선하기 위한 제어기를 설계한다. 제안된 방식은 단위 역률을 만족시키면서, THD(Total Harmonic Distortion) 및 DC-link 전압의 저차 ripple을 감소시킨다.
본 논문에서는 병렬 운전 PWM 컨버터의 고성능 제어를 위하여 우수한 성능을 나타내는 퍼지 제어기를 제안하고 구현하였으며, 제안된 고성능 퍼지 제어기와 Pl 제어기와의 특성 비교를 위하여 PI 제어기도 구현하였다. 시뮬레이션과 실험 결과를 통하여, 특히 부하 급변시 병렬 PWM 컨버터의 U전압 과도응답 특성과 전류제어 과도응답 특성이 기존의 PI 제어기에 비해 제안된 퍼지 제어기가 우수한 특성을 나타내고 있음을 확인하였다. 제안된 퍼지 제어기의 우수한 특성을 입증하고 실제 제품에 적용하기 위하여 7.5kW PWM 컨버터 2대를 병렬 연결한 15kW PWM 컨버터를 구현하고 실험하였다.
PV Simulator는 태양광발전용 Power Conditioning System (PCS)을 개발하거나 제품 출하 시 성능을 시험하기 위하여 필요한 장비이다. 본 논문에서는 3상 PWM 컨버터로 안정된 직류전압원을 확보하고, 3대의 DC-DC 컨버터에 의하여 각각의 PV array에 대한 I-V 특성을 독립적으로 모사할 수 있는 구조의 PV Simulator를 제안한다. 제안된 PV Simulator의 동적 성능을 확보하기 위하여는 DC-DC 컨버터에서 요구하는 순간적인 전류 외란에 대하여 강인하고 안정적인 DC전압을 공급해주는 3상 PWM 컨버터의 성능이 요구된다. 본 논문에서는 부하전류의 외란에 대한 3상 PWM 컨버터의 전압응답 특성을 분석하고, 외란에 강인한 제어기를 설계하고 제어게인을 선정한다. 시뮬레이션과 실험을 통하여 제안된 제어기의 성능이 우수함을 검증한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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