플라즈마 發生용 電源 시스템에 適用되는 位相 시프트 PWM DC-DC 컨버터에 關한 硏究

Abstract

본 논문에서는 플라즈마 발생용 전원시스템에 적용 가능한 새로운 위 상 시프트 PWM DC-DC 컨버터의 회로 토폴로지와 FPGA 디바이스에 의한 제어 회로계를 제시하고, 그 회로의 동작 원리와 특징을 밝혔다. 그리고 시뮬레이션 및 실험을 통하여 그 유효성을 증명하였으며, 도출 된 결과를 요약하면 먼저 1차측 위상 시프트 PWM DC-DC 컨버터의 저전력 영역에서의 하드 스위칭 문제에 대해 지적하고, 고주파 스위칭 에 의한 손실 저감의 해결책으로서 액티브 보조 공진 스너버를 이용한 1차측 위상 시프트 PWM DC-DC 컨버터를 제안했다. 또한, 그 동작 원리는 시뮬레이션 해석에 의해 밝혔다. 또한, 제안한 회로가 액티브 보 조 공진 스너버에 의해 전체 출력 전력 영역에 걸쳐 소프트 스위칭 동 작이 가능한 우수한 회로임을 시뮬레이션 결과에 의해 나타내었다. 그 리고 소프트 스위칭 DC-DC 컨버터에 대해 정격 3[kW]에서 7.6[kW], 100[kHz]의 실험에 의해 비교를 실시하고, 종래 회로의 하드 스위칭 동작 범위에서 제안한 회로의 효율이 종래의 회로보다 높아지는 것을 확인했다. 또한 각 회로에 대해 장점과 단점을 밝혔다. 또한, 100[kHz] 와 150[kHz] 고주파 소프트 스위칭으로 고효율화를 실현하여 플라즈마 발생용 전원 시스템의 응용을 목적으로 한 DC-DC 컨버터 부품의 소형 및 경량화가 가능하며, 실험에 의해 대출력 전력시에는 액티브 보조 공 진 스너버의 스위치가 항상 오프 상태에 있음에도 불구하고, 액티브 보 조 공진 스너버가 접속되어 있기 때문에, 종래 회로보다 제안한 회로의 전력 변환 효율이 내려가는 것을 확인하였다. 액티브 보조 공진 스너버 에 의해 소프트 스위칭 에너지를 전원으로부터 공급할 수 있다는 이점 을 이용하여 종래 회로에 비해 제안한 회로의 주 스위치에 접속하는 무 손실 스너버 커패시터를 크게 취함으로써, 본 논문에서 제안한 DC-DC 컨버터는 기존 회로보다 큰 출력 전력 영역에서 손실을 줄일 수 있음을 확인하였다. 그리고 제안한 회로가 총 손실의 최대값을 억제 할 수 있 음을 나타냈다. 따라서, 총 손실의 최대값에 의해 결정되는 히트 싱크의 체적을 작게 할 수 있고, 종래 회로보다 회로를 소형화할 수 있으며, 전 부하 영역에서 소프트 스위칭을 행함에 있어서, 무손실 스너버 커패시 터가 없는 하드 스위칭 동작과 무손실 스너버 커패시터와 고주파 변압 기의 기생 인덕터 파라미터와 액티브 스위치에 의한 소프트 스위칭 동 작을 비교하였다. 앞에 서술한 특징과 같이 고주파 링크 위상 시프트 PWM 제어 소프트 스위칭 DC-DC 컨버터는 많은 장점이 있으며, 몇 kW급 소용량 고체 고분자형 연료 전지 시스템, 신에너지를 이용한 시 스템 등의 전력 제어 인터페스 회로의 소형 경량화, 고효율화 및 저노 이즈화에 유효한 회로 방식임을 확인할 수 있다. 게다가 고주파 링크 위상 시프트 PWM 제어 소프트 스위칭 DC-DC 컨버터의 각 고주파 변 압기 탭 부착 인덕터를 사용하는 병렬 출력방식 회로 변형 토폴로지 및 높은 출력 전압에 적합한 2채널 직렬 출력 회로 방식 및 이중 출력 채 널 독립 제어 회로 변형을 나타내고 제어 방법 및 동작 원리를 설명하 고 정상 특성 및 과도 특성의 시뮬레이션 분석을 통해 성능 평가 검토 를 실시하여 그 효과를 밝혔다. 그리고 새로운 에너지를 이용하는 급전 시스템의 전력 인터페이스로 대용량에 적합한 풀 브리지 위상 시프트 PWM 제어 방식 DC-DC 컨버터를 제안하고 그 효과를 시뮬레이션 해 석 결과와 실험 결과를 통해 밝혔다.