誘導加熱에 適用되는 兩方向 스위치形 補助共振 스너버를 갖는 PWM 高周波 인버터에 關한 硏究

Abstract

In recent years, research and development of the high frequency soft switching sinewave PWM inverter circuits and systems for high power application have attracted special interest to implement high operating performances related to waveform quality, quick and stable responses and high efficiency power conversion of a voltage type sinewave PWM inverter using IGBT power module packages, the active PWM rectifier with sinewave input current shaping and unity power factor, and a bi-directional PWM power converter for new energy related distributed power supplies. In general, the sinewave soft switching PWM power conversion circuit and system topologies using active auxiliary quasi-resonant snubbers are roughly divided into four technological categories; resonant DC link, resonant AC link and resonant bridge leg link, and resonant arm link. In particular, the power conditioning and processing converter circuits and systems using IGBT-IPM (Intelligent Power Module) is conveniently more suitable for either the auxiliary resonant DC link or auxiliary resonant AC link snubber scheme. Of these, the auxiliary resonant AC link snubber circuit is practically more acceptable for medium capacity and large capacity power and energy processing applications than the auxiliary resonant DC link snubber circuit, which are introduced for new energy distributed power supplies and high performance UPS and Electric vehicle. In this paper, the operation principle of a bi-directional switch type resonant AC link snubber circuit was described, together with the practical design procedure, which employs in the proposed power module bridge package type resonant AC link snubber. The novel prototype of power module bridge package type resonant AC link snubber-assisted voltage type sinewave soft switching PWM inverter using IGBT power module was demonstrated herein. It was verified that both the auxiliary power switches in this resonant AC link snubber circuit and the main power switches commutate under the condition of soft switching commutation principle. Moreover, it was shown that the output voltage THD of voltage type sinewave soft switching PWM inverter with the maximum time 5.0μs during operating period is accuracy, which is almost equivalent to the output voltage THD of hard switching inverter with a certain dead time 1.5μs. It was described that power loss analysis can be performed from a practical point of view. It was proven that a soft switching PWM inverter treated here had high efficiency characteristics. In addition, the power losses of the new soft switching inverter treated here were analyzed by implementing the experimental data of the IGBT and diode v-i characteristics in addition to switching power loss characteristics into our original computer simulation software developed by the authors. Then, the voltage type sinewave soft switching PWM inverter was high efficiency than that of hard switching PWM inverter, along with performance operation waveforms. The auxiliary resonant AC link snubber-assisted soft switching PWM inverter using IGBT power modules could be sufficiently put into practice, comparing hard switching PWM inverter with soft switching inverter. In the future, the comparative feasibility study of power module bridge type resonant AC link snubber and its related soft switching inverter in addition to the other types resonant snubber assisted soft switching inverter should be done from a practical point of view.

본 논문에서는 전기 밥솥, 전자 온수기 등에 이용되는 고주파 인버터 기술 배경에 대해 설명하고, 제안한 고주파 소프트 스위칭 인버터 시스템의 동작 특성을 컴퓨터 시뮬레이션과 실험 결과에 의해 밝혔다. 가전 민생 · 업무 민생의 전력 전자 분야에서 사용되는 전자 유도 유체 가열용 ZVS 촉진용 양방향 액티브 스위치형 공진 인덕터 스너버 회로를 부가한 위상 시프트 PWM 제어의 특성과 응용에 관한 서술하였다. 즉, 정주파수 위상 시프트 PWM 제어에 의한 풀-브리지 고주파 부하 공진 인버터와 이 고주파 인버터의 AC측에 새로운 ZVS 촉진용 양방향 액티브 스위치형 공진 인덕터 스너버 회로를 부가한 위상 시프트 PWM 제어 액티브 공진 스너버 링크 고주파 인버터의 특성 분석 및 검토를 시뮬레이션 분석 및 프로토 타입 실험 결과를 바탕으로 하고 있다. 기존의 위상 시프트 PWM 제어 풀-브리지 고주파 부하 공진 인버터는 위상차 각도에 따라 출력 전력 제어가 연속적으로 실시 할 수 있지만, 위상차가 큰 저전력 설정시는 영전압 소프트 스위칭 동작을 할 수 없어 하드 스위칭 동작의 원인이 되어 그 용도가 제한된다. 따라서, 본 논문에서 제안한 고주파 부하 공진 인버터는 위상차가 작은 대전력 설정시에는 기존 방식의 위상 시프트 PWM 고주파 인버터로 운전하고 위상차가 큰 저전력 설정시는 제안한 액티브 보조 공진 스너버 회로를 작동시킬 수 있도록 소프트 스위칭 고주파 인버터를 채택하고 있다. 저전력 설정시 큰 위상차 각도에서도 ZVS에 필요한 공진 전류를 확보하기 때문에 넓은 출력 전력 제어 범위내에서 ZVS가 가능한 특징을 갖는 본 고주파 인버터의 프로토 타입 실험에 의한 결과와 시뮬레이션과의 상호 비교, 검토를 실시하였다. 그리고 특수한 구조의 전자 유도 유체 발열체를 이용한 유체 가열 장치에의 응용 예에 대해 서술하였다.