Transcript The Basic Theory of Power Electronics

김재문
목
차
1
3
Introduction of Power Electronics
2
The Basic Theory of Power Electronics
3
Power Conversion
Introduction of Power Electronics
 스위치모드 전력 기기와 관련된 장치에 대해 다루며, 전력 공급, 신재생 에너지, 조명기기, 전기/하이브리드 자동차
등 전력변환 및 모터 구동 등의 Application에서 고효율로 전력을 제어/변환하기 위한 컨버터/인버터 이론 및 실무 학습.
세부적인 항목은 다음과 같다.
- 기본적인 DC-DC 컨버터
- 스위칭 소자와 드라이버
- PWM 제어기와 안정성
- 절연형 컨버터
- 변압기/인덕터 설계
- 공진형 컨버터
- 역률 보정
- DC-AC 인버터
- 인버터/컨버터 시스템의 사례 연구
[실생활에서의 Power electronics application]
Introduction of Power Electronics
 Power electronics ?
전기적 힘의 특성(전압, 전류의 크기, 주파수)을 특정 용도에 적용 가능하
도록 변환하는 여러 학문이 적용된 융합기술
vi
Pi
ii
vo
(
,
,
,
)
Po
io
Introduction of Power Electronics
 전력전자를 구성하는 요소기술
 전력기술 :
1. 전력 제어를 위한 변환회로의 토폴로지
Control
Power
2. 해석 및 설계, 전력부 구성 및 운전시험
Electronics
 전자기술 :
1. 회로 및 소자로 구성되는 부분
2. 마이크로 프로세서를 이용한 제어부의 설계
 제어기술 :
1. 아날로그 및 디지털 데이터로 처리되는 일련의 알고리즘
2. 안정도, 고성능, 고효율 등 응답특성 개선
Introduction of Power electronics
Solid-state Transfer Switch
-#-
New Power Electronics Application Filed : Green Energy
Application of Power Electronics
 운송수단
 산업/상업
- 고속철도차량, 도시철도차량
- 모터 구동 시스템
- 경량전철, 전기기관차 등
- 전기 기기관련 시스템
- 전기/하이브리드 자동차
- 펌프 / (공기)압축기
- 전기 트럭, 버스, 건설 기계, 골프 카트
- 공정 제어
전기설비
- 발전기
- 공정 자동화
소비재
- 변압기
- 공기 청정기/히터 펌프
- 대체 에너지(태양광, 풍력 연료전지 등)
- 가전제품
의 계통 연계와 충전
- 컴퓨터
- FACTS
- 조명기기
- HVDC
- 통신기기
- 반도체 누전 제한기(limiter)
- 무정전 전원 공급 시스템(UPS)
- 반도체 회로 차단기
- 충전기
의료기기
Development of Power Semiconductor Device
 전력용 다이오드(Power Diode)
 Bipolar 트랜지스터 – 1948
- 전력용 BJT(Bipolar Junction Transistor) – 1960
A
iA
 사이리스터(Thyristor) 혹은 SCR(Silicon controlled rectifier)- 1957
+
vAK
_
 전력 MOSFETs(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) – 1970
G
- IR 400V 25A 전력 MOSFET - 1978
iG
 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) – 1990
C
A
+
vAK
_
iB
K
[전력 다이오드]
[BJT]
+
vDS
_
+
vGE
_
iG
[사이리스터]
_
E
K
[전력 MOSFET]
iC
+
vCE
_
G
+
vAK
_
G
E
C
S
+
vCE
_
B
+
vGS
A
iC
iA
iD
G
- MOSFET과 BJT의 하이브리드 소자
K
D
[IGBT]
Characteristics of Semiconductor Device
 2 단자 소자
- PN 다이오드 : 일반적으로 300V 이상에서 사용
- Shottky 다이오드 : 일반적으로 300V이하에서 사용, 역회복 (Reverse recovery)손실이 없음
 3 단자 소자 – 스위치
- BJT : 고전압 차단 능력이 있다. 전력 컨버터에서 많이 쓰이지 않음
- MOSFET : 보통 300V이하에서 사용. 매우 빠른 소자
- IGBT : 일반적으로 300V이상에서 사용되며 BJT와 MOSFET의 하이브리드 소자(ex, IPM 소자)
- 사이리스터 – GTO, IGCT, MCT 등 고전압에 사용
[반도체 소자의 전력 용량과 주파수 범위에 따른 Application]
Application Field : Subway
2.
1.
열차 종합 제어 시스템(TCMS)
보조 전원 장치(Static InVerter)
- 차량의 냉∙난방기, 조명장치, 공기압축기 및 각 제어
장치에 전원을 공급하는 시스템
- 최신 반도체 및 소프트웨어 기술을 적용, 차량에 설치된
하부기기들로부터 정보를 수집, 제어하도록 만든 중앙집
중식 차내정보제어 시스템
3.
견인 전동기(Traction Motor)
-대차 또는 자체 하부에 장착되어 추진 장치로부터 전기
에너지를 공급받아 차량을 구동시키는 장치
4.
추진 제어 시스템(Propulsion Control System)
- 전력 변환 장치로써 견인력을 내기 위해 모터에 적정 전
력을 순시적으로 공급하는 시스템
Application Field : Automobile
 기술적 과제
 높은 동적 성능과 고효율 모터 개발
 모터 속도 제어장치 개발
 고성능 배터리와 충전기 개발
[Fuel cell Hybrid Vehicle ]
 엔진과 모터 사이의 기계적 균형
Application Field : Soft Type HEV
-#-
Application Field : Toyota PRIUS II - PCU
-#-
Application Field : Photovoltaic System
태양광 시스템 구성( PV system Configurations )
 태양전지(PV panel)
-태양광을 받아 전기에너지를 생산
 태양광 어레이(PV Array)
-전기에너지를 모으기 위한 연결구조
 전력변환장치(Central Converter)
-태양광 어레이로부터 나오는 전기에너지를 변환하는 장치
[ 태양전지 (PV panels) ]
PV Array
Central Converter
[ 중앙 집중식 태양광 시스템 구성 ( Centralized PV configuration ) ]
Application Field : Wind Power System
 풍력 시스템 구성 ( Wind Power System Configurations )
 Wind turbine Blade
-풍력을 운동에너지로 전환
 Generator
-운동에너지를 전기에너지로 전환
 Power Converter
-전기에너지를 변환하는 장치
 변압기(Power Transformer)
[ 풍력 발전기 (100-kW wind turbine ) ] -사용자가 요구하는 형태로 승/강압 변압
[Main components of the wind generation system ]
Application Field : Motor Speed Control
 Application Field
 로봇공학 분야의 고성능 위치 제어 드라이브 에서 유속 조절 가능한 펌프 까지 다양
Application Field : SMPS (Switch Mode Power Supplies)
 Application Field
 컴퓨터, 통신장비, 전자악기, TV 등
 특징
 작은 사이즈, 고효율, 고역률
Application Field : Electronic Ballasts
 특징
낮은 전력손실
고효율, 고역률
작은 사이즈
Application Field : UPS (Uninterruptible Power Supplies)
 Application Field
 병원, 위성 컨트롤 센터, 군용장비 등
 Characteristics
 전력 시스템에 문제가 발생해도 설치된
장소에 계속 전력을 제공할 수 있다.
 Topology
 컨버터 + 배터리 + 인버터
Application Field : Aerospace
Application Field : ABB, HVDC(High Voltage Direct Current)
직류 전송라인 (바다에 해저 케이블)
전라남도 해남 발전소
AC/DC 컨버터
제주도 발전소
DC/AC 컨버터
Application Field : FACTS
A flexible AC transmission system (FACTS) is a system composed of static equipment used for the AC transmission of
electrical energy. It is meant to enhance controllability and increase power transfer capability of the network.
It is generally a power electronics-based system.
스위스 ABB 회사에 의해 구현된
Flexible AC Transmission System( FACTS )
The Basic Theory of Power Electronics
 전력변환의 형태
 Choppers : DC/DC 컨버터
 Inverters : DC/AC 컨버터
 Rectifiers : AC/DC 컨버터
 Cyclo-Converters : AC/AC 컨버터
효율(efficiency)이 매우 중요함
-. 손실소자(저항, 선형영역 동작 소자)를 사용 피함
-. 무손실소자(인덕터, 커패시터, 스위치, 변압기)를 주로 사용
The Basic Theory of Power Electronics
 전력의 흐름과 출력 유형

1 상한 출력(one-quadrant output) : 단방향 전력흐름
ii
io
+
+
입력측 vi
vo
_
출력측
_
Pi
Po
vo
vo
제어신호
V
V
t
Po > 0
io
I
io
I
t
The Basic Theory of Power Electronics
 전력의 흐름과 출력 유형

2 상한 출력(two-quadrant output) : 양방향 전력흐름
vo
Po < 0
vo
V
V
Po > 0
t
io
-I
+I
io
+I
t
-I
vo
+V
vo
+V
Po > 0
t
I
io
-V
io
I
Po < 0
-V
t
The Basic Theory of Power Electronics
 전력의 흐름과 출력 유형

4 상한 출력(four-quadrant output) : 양방향 전력흐름
vo
vo
+V
+V
t
Po > 0
Po < 0
-V
+I
-I
io
io
+I
Po > 0
t
Po < 0
-V
-I
The Basic Theory of Power Electronics
 동작 설명을 위한 컨버터
 부하는 저항-인덕터(RL Load)로 가정
 S1과 S2는 부하단에 직접 연결되는 스위치로 가정
 S3과 S4는 부하단에 교차 연결되는 스위치로 가정
The Basic Theory of Power Electronics
 스위칭 동작에 따른 3가지 회로 상태
< 상태 0 >
< 상태 1 >
 상태 0 :

S1 ~ S4 모두 OFF / S5 ON

S5를 ON시켜서 부하 전류 Loop 생성

출력 전압은 0

입력 단자는 출력 단자와 함께 차단되어 입력전류 0
 상태 1 :
< 상태 2 >

S1, S2 ON / S3, S4, S5 OFF

입력 전압과 같은 극성으로 부하전압 결정
 상태 2 :

S3, S4 ON / S1, S2, S5 OFF

입력 전압과 반대 극성으로 부하전압 결정
The Basic Theory of Power Electronics
 스위칭 동작에 따른 3가지 회로 상태
S1
S1
S5
S5
< 상태 0 >
< 상태 1 >
 상태 0 :
 S1, S5 OFF
 전류가 부하단으로 흐르지 않음
S1
S5
 상태 1 :
 S1 ON / S5 OFF
 S1을 통해 전류가 부하단으로 흐름
< 상태 2 >
 상태 2 :
 S5 ON / S1 OFF
 인덕터에 저장된 에너지가 S5를 통해 환류
The Basic Theory of Power Electronics
 스위칭 동작에 따른 3가지 회로 상태
S1
is
S3
vs
S1
S3
S4
S2
vs
S4
S2
< 상태 0 >
< 상태 1 >
 상태 0 :
 S1, S2, S3, S4 OFF
S1
S3
vs
 전류가 부하단으로 흐르지 않음
 상태 1 :
is
S4
S2
 S1, S2 ON / S3, S4 OFF
 S1, S2를 통해 전류가 부하단으로 흐름
< 상태 2 >
 상태 2 :
 S3, S4 ON / S1, S2 OFF
 S3, S4를 통해 전류가 부하단으로 흐름
The Basic Theory of Power Electronics
 스위칭 동작에 따른 3가지 회로 상태
S1
S3
Vi
S1
S3
S4
S2
Vi
S4
S2
< 상태 0 >
< 상태 1 >
 상태 0 :
 S1, S2, S3, S4 OFF
S1
S3
 전류가 부하단으로 흐르지 않음
 상태 1 :
 S1, S2 ON / S3, S4 OFF
Vi
 S1, S2를 통해 전류가 부하단으로 흐름
S4
S2
< 상태 2 >
 상태 1을 통해 양의 반주기 생성
 상태 2 :
 S3, S4 ON / S1, S2 OFF
 S3, S4를 통해 전류가 부하단으로 흐름
 상태 2을 통해 음의 반주기 생성
The Basic Theory of Power Electronics
 가정 1 : AC-DC 컨버터 (정류기, Rectifier)
RL
 입력은 AC 전원
 양의 반주기 동안 상태 1 상태로 동작
 음의 반주기 동안 상태 2 상태로 동작
The Basic Theory of Power Electronics
 가정 1 : AC-DC 컨버터 (정류기, Rectifier)
입력 AC 전압 파형
vi  Vi , p sin(t )
출력전압 및 전류파형
vo  vi  Vi , p sin(t )
L
 양의 방향의 맥동 파형을 출력
 R-L 부하의 영향으로 전류가 지연
I o,k 
dio
 Rio  vo
dt
Vo,k
R 2  (k0 L)2
The Basic Theory of Power Electronics
 [Ex.1] 입력 AC전압을 가했을 때 출력 전압과 전류 파형 ?
(단, 교류와 직류 전압 모두 Peak 값을 311V[
]로
한다.)
2  220V
rms
vi  Vi , p sin t
1.3
Vo
2.4mH
* Vi , p  2  220
Vi , p : 입력 전압의 피크값
 : 입력 전압의 각 주파수
The Basic Theory of Power Electronics
Simulation Parameter
입력 전압
Vin
220[Vrms]
주파수
f
60[Hz]
부하 저항
R
1.3 [Ω]
부하 인덕터
L
2.4 [mH]
The Basic Theory of Power Electronics
 평균값(AVG)
Simulation Parameter
 dc 
입력 전압
Vin
198 [V]
입력 전류
Iin
152 [A]
출력 전압
Vout
198 [V]
출력 전류
Iout
152 [A]
1
2

2
0
 (1t )d1t
(1.10)
 실효값(RMS)
Simulation Parameter
 ac 
입력 전압
Vin
220 [V]
입력 전류
Iin
158 [A]
출력 전압
Vout
220 [V]
출력 전류
Iout
158 [A]
1
2

2
0
 ac2 (1t )d1t
(1.12)
The Basic Theory of Power Electronics
 유효 전력(P)
 simulation 값
입력 전력: 32470(W )
출력 전력: 32470(W )
P  avg (V * i)
 피상 전력(S)
 simulation 값
[입력 전력]
입력 전력: 34755(W )
출력 전력: 34755(W )
S  Vrms  I rms
 역률(PF)
 simulation 값
역률 :0.93
PF 
[출력 전력]
Pi
Si
The Basic Theory of Power Electronics
 성능지수 (FFT)
출력 파형이 전파로 나왔기 때문에
120Hz 마다 고조파 생성
* 120 Hz (제2고조파)
Vo ,2  132(V )
I o ,2  59.3( A)
* 240 Hz (제4고조파)
Vo ,4  26.4(V )
[출력 전압, 출력 전류]
[출력 전압, 출력 전류(FFT분석 후)]
I o ,4  6.9( A)
The Basic Theory of Power Electronics
 가정 2 : DC-AC 컨버터 (인버터, Inverter)
Inverter
 입력은 DC 전원
 양의 반주기 동안 상태 1 상태로 동작
 음의 반주기 동안 상태 2 상태로 동작
 RL부하는 Low-Pass-Filter(LPF)처럼 동작
출력전압 및 전류파형
The Basic Theory of Power Electronics
 전류원/전압원 인버터
인버터의 기본적인 구성
 전류원 인버터
 전압원 인버터
1.
CSI, current source inverter
1.
VSI, voltage source inverter
2.
직류 입력전류 I를 교류 출력전류 i로 변환
2.
직류 입력전압 V 를 교류 출력전압 v 로 변환
3.
커패시터는 부하에 병렬로 연결
3.
인덕터는 부하에 직렬로 연결
4.
커패시터는 출력 전압의 평활화
4.
인덕터는 출력 전류의 평활화
The Basic Theory of Power Electronics
 비정현파란?
 정현파는 아니나 일정한 주기를 가지는 파형
 전력변환장치의 입력과 출력 파형은 스위치의 주기적인 스위칭에 의해 형성되므로
보통 복잡한 모양의 비정현 주기파가 생성
 비정현파의 일례 – AC 전압 및 전류를 만들기 위한 컨버터의 출력전압 파형
기본파
T
The Basic Theory of Power Electronics
 비정현파란?
[구형파 출력 전압]
[구형파 출력 전압에 따른 FFT 분석]
 구형파 출력 전압에 대해 FFT(Fast fourier transform) 분석을 함 – 주파수 영역(고조파 분석)
 고조파 성분이 많이 함유 되어 있다는 것은 비정현파 근접을 의미
The Basic Theory of Power Electronics
 푸리에 급수에 의한 전개
 비정현파 = dc 성분 + ac 성분 = dc 성분 + 기본파 + 고조파
 기본파 : 주기파의 주기 T에 대한 기본주파수 f를 갖는 정현파
 고조파 : 기본 주파수의 정수배의 주파수를 갖는 정현파

f (t )  a0   ( an cos nwt  bn sin nwt )
n 1
cn  an 2  bn 2 (n  1, 2,3, )
1 T
a0 
f (t )dt
T 0
2 T
an 
f (t ) cos nwtdt
T 0
2 T
bn 
f (t ) sin nwtdt
T 0
cn 
an 2  bn 2
 n  tan 1
an
(n  1, 2,3, )
bn

f (t )  a0   cn sin(nw0t   n )
n 1
n  tan 1
n
an
n
an cos nw0t  bn sin nw0t  cn sin(nw0t   n )
bn
an

f (t )  a0   cn cos(nw0t  n )
n 1
bn
The Basic Theory of Power Electronics
 비정현 주기파의 기본
 시간에 대한 함수를 가정 :  (t )   (t  T )
f1 
1
T
(1.6)
(1.5)
1  2 f1 
2
T
 시간에 대한 주기함수
 (1t )   (1t  2 )
(1.8)
 실효값

1
2

2
0
 2 (1t ) d1t
(1.9)
 평균값
 dc 
1
2

2
0
 (1t ) d1t
(1.10)
(1.7)
The Basic Theory of Power Electronics
 실효값과 평균값
 실효값
어떤 저항 R에 교류전류 i를 흘렸을 때의 평균 소비전력과 직류전류 I를 같은 저항 R에 흘렸을 때
의 소비전력이 같다면, 실제로 i와 I는 같은 효과를 가지므로 직류 I의 값을 교류의 실효값
T
T
0
0
Q   RI 2 dt  Ri 2 dt
Q
T
0
2
T v
V2
dt  
dt
0 R
R
1 T 2
I
i dt
T 0
1 T 2
V
v dt
T 0
The Basic Theory of Power Electronics
 실효값과 평균값
평균값
 직류 평균값
1
 i (t ) 
T

T
0
i (t ) dt
일반적으로 평균값이라고 하면 직류 평균값을 의미
 교류 평균값
 i (t ) 
1
T

T
0
i (t ) dt
교류 평균값은 정류 평균값이라고도 함
The Basic Theory of Power Electronics
 비정현 주기파의 기본
 AC 성분(ripple)
 ac (1t )   (1t )  dc
(1.11)
 AC 성분의 실효값
 ac 
1
2

2
0
 ac2 (1t ) d1t
(1.12)
 비정현 주기파의 실효값
2
2
 2   dc
  ac
(1.13)
 RF(ripple factor)
RF 
 ac
 dc
(1.14)
The Basic Theory of Power Electronics
 출력전압 파형의 성분 분석
 출력전압의 평균값
Vo , dc 
1



0
Vi , p sin t d t 
2

Vi , p  0.64Vi , p .
1.15 
 출력전압의 실효값
V0 
V

1

0
i , p sin  t  d  t 
2
Vi , p
2
 0.71Vi , p . 1.16 
출력전압 파형
 출력전압의 ac 성분(ripple)
2
Vo, ac  V0  V
2
2
o , dc
 Vi , p   2

 
   Vi , p   0.31Vi , p

 2  
2
1.17 
 전압의 리플률
RFV 
Vo, ac
Vo, dc

0.31Vi , p
0.64Vi , p
 0.48
1.18
The Basic Theory of Power Electronics
 출력전류의 성분 분석
 전류의 리플률
RFI 
Io ,ac
Io ,dc
 0.31
 전류의 리플률은 전압의 리플률보다 35.4%가 낮음
 즉, 전류 리플이 작음
 인덕터를 더 크게 사용하면 리플이 작아짐
출력전류 파형
The Basic Theory of Power Electronics
 정류기(Rectifier)
PSIM활용 정류기 시뮬레이션
The Basic Theory of Power Electronics
 출력전압 성분 분석
[ 정류기 입력 전압]
[ 정류기 부하 전류, 출력 전압]
The Basic Theory of Power Electronics
 푸리에 급수에 의한 전개
 비 정현파의 고조파 성분
 h 1t    ac 1t   1 1t 
1.24 
 비 정현파의 고조파의 실효 값
2
 h   ac
 12   2   2dc  12
1.25
 THD(Total harmonic distortion) – 전 고조파 왜율
THD 
h
1
1.26 
The Basic Theory of Power Electronics
 인버터 출력전압 분석
 출력전압의 기본파 크기(최대값)
1.27 
Vo,1, p  Vo,1,s
Vo ,1, p 
2


0
Vi sin t d t 
4

Vi  1.27Vi
1.28 
 출력전압의 기본파
vo ,1 t   Vo ,1, p sin t 
4

Vi sin t
1.29 
 출력전압의 실효값
vo,1 
Vo,1, p
2

2 2

Vi  0.9Vi
1.30
출력전압 파형 분석
1.3 파형 성분과 성능 지수
 인버터 출력전압 파형 분석
 출력전압의 고조파
2
Vo ,h  Vo 2  Vo2,1
2 2 
 Vi2  
Vi   0.44Vi



1.31
 출력전압의 THD
THDV 
Vo,h
Vo,1

0.44Vi
 0.49
0.9Vi
1.32 
 출력 전류의 THD
THDI 
Io,h
Io,1
 0.216
 전류의 THD는 전압의 THD보다 55.9%가 낮음
 즉, 전류의 리플이 작음
 인덕터를 더 크게 사용하면 리플이 작아짐
출력전류 파형 분석
The Basic Theory of Power Electronics
 일반적인 인버터
[PSIM활용, 인버터 회로]
The Basic Theory of Power Electronics
 인버터 시뮬레이션 파형
[인버터 입력 전압]
[인버터 출력 전압, 부하 전류]
The Basic Theory of Power Electronics
 인버터 출력전압, 전류 성분 분석
 출력전압의 기본파 크기(최대값)
2 
4
Vo ,1, p   Vi sin t d t  Vi  1.27Vi

0

1.28 
[FFT 분석에서의 기본파의 크기]
4

 1.273
The Basic Theory of Power Electronics
 인버터 출력전압 분석
 출력전압의 실효값
vo,1 
Vo,1, p
vo ,1 
127.3
 90.01
2
2

2 2

1.30
Vi  0.9Vi
 출력전압의 고조파
2
Vo ,h  Vo  V
2
2
o ,1
2 2 
 V  
Vi   0.44Vi



2
i
1.31
Vo,h  1002  90.012  43.568
 출력전압의 THD
THDV 
Vo,h

0.44Vi
 0.49
0.9Vi
Vo,1
43.568
THD V 
 48.4
90.01
1.32 
Power Conversion
 Existence Function : 단일 스위치를 함수로 표현
 0 ( 스위치가 오프 상태 )
S t   
 1 ( 스위치가 온 상태 )
a
S(t)
is
+

ON
vs

_
b
OFF
T
2
OFF
ON
T
3T
2
ON
2T
Power Conversion
 주기적인 스위칭을 나타내는 3 요소(제어변수)
• Ton : ON 상태 지속시간
• Toff : OFF 상태 지속시간
• Td : 지연(delay) 시간
• f : 스위칭 주파수
• D : 통류율(duty ratio)
• fd : 위상 지연( phase delay)
S(t)
f 
1
1

 Hz 
T Ton  Toff
D
Ton
T
T


Td
Ton
Toff
t
d  2
Td
 Td  rad 
T
 주기적인 스위칭의 제어변수는 스윙 주파수, 통류율, 위상지연의 3가지 밖에 없으며,
궁극적으로 제어변수를 조절하여 전력의 흐름을 제어
Power Conversion
 다이오드 정류기의 기본 개념도
 정류기의 기능: AC ⇒ DC
vo  | vS |
Vs
Vs1
Vs2
다
이
오
드
정류기

wt


+
Vo
Vsn
0
io
-
(a) n상 다이오드 정류기
부
하
Vo
0



(b) 단상 전파형 다이오드 정류기 입출력 전압파형
wt
Power Conversion
 반파 다이오드 정류기
io
D
+
VD
-
L
+
+
+
0
+
Vs
Vs
vs
-
VL
VR
Vo
0

R


wt

wt
-
-
io
io
-
0
vR
D
is
+
VD
io
-
+
+
Vs
VL
vL
0
+
DF
Vo
VR
-
-
d
vs
0
L
+

2



0
wt
wt
A

Vs
VR
0


wt
wt
VL
A
A'
A`
2
1

wt
0

wt
R
Vo
vo
iD
-
0


wt
-. Freewheeling Diode ?
wt
is
vD
0
0
2

wt
0




wt
iD
0
wt
Power Conversion
 반파 위상 제어(Thyristor) 정류회로
A
K
io
vS
 vT 

0
vS
R
vO
2
vO

한 주기 동안의 평균값
vS  2V sin t
1
2V
2V sin td t  
(1  cos  )

2 0
2
v
2V
 O 
(1  cos  )
R
2 R
vo 
iO

0
iO

0
vT

0
iG

SCR

상태

ON
2
OFF
Power Conversion
 전파 위상 제어(Thyristor) 정류회로
vS
iS
T1
T2
iO
R
vS
T3

0
vO
2
t
iS
T4

0
t
vO , iO

양의 반주기 0  t  
0
T1 과 T4 는 순방향 바이어스
T2 과 T3 는 역방향 바이어스
 
2
t
iG1 , iG 4
따라서 t   에서 i G1 , iG 2 를 인가하면
T1 과 T4 가 턴온


OFF
ON
OFF
OFF
ON
t
iG 2 , iG 3
t
Power Conversion
 전파 위상 제어(Thyristor) 정류회로
vS
iO
T1
iS
R
vS
T3

0
T2
vO
T4
2
t
iS

0
t
vO , iO

음의 반주기
  t  2
t     에서 i G2 , iG 3 를 인가하면


0
 
2
t
T2 과 T3 가 턴온

iG1 , iG 4
한 주기 동안의 평균값
OFF
vo 
iO
1

 
2V sin td t  
v
2V
 O 
(1  cos  )
R
R
2V

(1  cos  )
ON
OFF
t
iG 2 , iG 3
OFF
ON
t
Power Conversion
 DC/DC 컨버터 기본원리
• DC-DC컨버터
-임의의 직류전원을 부하가 요구하는 형태의
b
io
Sw
a
c
직류전원으로 변환시켜주는 전력변환기기
Vi
vo
반도체 스위치
- 입력측에서 출력측으로 전달되는 에너지를
제어하는 기능
L∙C
<기본적인 DC-DC 컨버터>
vo
- 에너지를 축적∙전달하는 매개역할
Vi
- 출력전압의 불필요한 리플 성분을 제거하는
필터역할
DC-DC 컨버터의 출력
-스위치 Sw의 동작에 의해 D를 0에서 1까지
변화시킴으로써 원하는 값으로 제어가 가능
io
Vi / R
0
DT T (1 D)T t
0
DT
T (1 D)T t
1
 DT  Vi  (1  D)T  0
T
 DVi
VO 
Power Conversion
 강압형(Buck) DC/DC Converter
 vL 
GV
R
C
s
vo

저역통과필터(low pass filter)
 출력전압과 전류의 리플 제거 하며 차단 주파수는
스위칭 주파수 보다 훨씬 낮은 값으로 선정 하여
출력전압에서 스위칭 주파수로 인한 맥동 제거

L
Vi
•
LC filter
•
환류다이오드
스위치 off 시 인덕터의 축적되는 에너지가 방출 할
수 있는 전류 Path를 만들어 줌
1
0.8
GV 
0.6
0.4

0.2
0
D
0.2
0.4
0.6
0.8
< GV 와 D의 관계>
1
Vo
Vi
DVi
D
Vi
Power Conversion
 승압형(Boost) DC/DC Converter
iL
VL
Vi
iO
D
L
iS
s
VD
ic
VC
VS
스위치의 온, 오프에 의해 출력전압을 제어하지만
강압형 컨버터와 달리 입력전압에 비해 출력전압이
승압되는 DC/DC 컨버터
▪ 통류율(Duty Ratio)과 전압 전달비
VL
Vi
10
0
GV
8
DT
T
Vi  Vo
6
4
Vi  D+( Vi  Vo ) ( 1- D) = 0
2
0
0.2 0.4 0.6 0.8
D
GV 와 D의 관계
1
GV 
Vo
1
=
Vi
(1  D)
(1+D)T
t
Power Conversion
 인버터 기본원리
V
제어요소
V
t
t

vDC

인버터

vAC

• 출력 전압 주파수
• 출력 전압 크기
-. Half Bridge Inverter
Single Pole
Power Conversion
• 단상 하프브리지 인버터의 동작원리
vo
VDC
2
DC
 vo 
부하
o
a
c
VDC
2
DC
부하에서
측정한 전압
VDC
2
b
t
V
 DC
2
양방향 전환 스위치에 의해 부하에 흐르는 전류의 방향이 바뀐다.
VDC
2
DC
DC
 vo 
부하
o
VDC
2
vo
a
c
b
스위치에 의해 c 와 a 단자가 연결.
VDC
2
VDC
2
DC
t
부하
o
DC
VDC
2
vo
 vo 
t
a
c
b
스위치에 의해 c 와 b 단자가 연결.

VDC
2
Power Conversion
• 출력 전압 특성
1
DC
VDC
2

V0

부하
DC
VDC
[V ](스위치1 On, 스위치2 Of f )

 2
Vo  
 VDC [V ](스위치1 Of f , 스위치2 On )

 2
2
VDC
2
S1과 S2를 이용한 출력전압 분석.
 스위치 On/Off 에 따른 출력전압.
1 (on)
s1 0(0 ff )
s2
VDC
V
 s1  DC  s2 [V ]
2
2
s s 
 VDC   1 2   VDC S HB [V ]
 2 
Vo 
1 (on)
0(0 ff )
vo
VDC
2

VDC
2
출력전압은 2Level 특성을 지님.
스위칭 함수.
t
S HB 
s1  s2
1 1
 s1    s2
2
2 2
Power Conversion
• 입력 전류 특성
입력 전류는 스위칭 방법과 부하에 의해 결정
is1
DC
VDC
2
s1
io
부하
DC
 vo 
VDC
2
1
2
di
vo  L [V ]
dt
is 2  S2 (i0 )
VDC
2

s2
i0
VDC
2
vo
is1의 파형
s1  s2
1 1
 s1    s2
2
2 2
is1  S1i0
vo
io의 파형
is 2
S HB 
스위치가 On 되었을 때 전류는
양방향으로 흐를 수 있다 .
VDC
2

i0
2
i
is 2  S HB i0  0
2
is1  S HBi0 
VDC
2
vo
is 2의 파형
VDC
2

is1
VDC
2
is 2
Power Conversion
• 구성
iDC
iDC
VDC
2
Q1
O
D1
Q3
D3
iO
va
VDC
2
vb
부하
vo
VDC
2
Q4
D4
O
Q2
D2
`
단상 Full bridge inverter의 회로구성
VDC
2
Q1
D1
Q4
D4
부하
vo
단상 Half bridge inverter의 회로구성
• Pole의 개수가 다르다.
• 출력 전압 : 풀브리지 출력전압 > 하프브리지의 출력전압
• 전압 Level : 풀브리지 3Level / 하프브리지 2 Level
Power Conversion
•
출력 전압 Level 에서의 차이
iDC
VDC
2
io

vo

O
VDC
DC
2
VDC
2

0
VDC
2
iDC
io
O

vo

 vo

VDCDC
2
VDC
DC
2
vo
VDC
2
VDC
2
vo
vo
0

vo

vo
0
0
V
 DC
2
VDC

VDCDC
2
VDC
DC
2
-Half bridge Inverter 2 Level 출력전압
- Full bridge Inverter 3 Level 출력전압
VDC

vo

vo
0

VDCDC
2
- THE END -