부하 전류 및 듀티를 보상한 3상 비엔나 정류기의 출력 전압 제어 기법

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 3상 비엔나 정류기의 새로운 출력 전압 제어 기법을 제안한다. 최근 직류 전원의 사용이 증가함에 따라 직류 전원의 사용이 증가하고 있다. 하지만 현재 전력 시스템은 직류 전원이 아닌 교류 전원이 주축을 이루고 있어서, 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 사용하여야 한다. 하지만 교류 전원을 직류 전원으로 변환할 때, 전력용 소자로 인해 고조파가 발생이 된다. 고조파는 기기의 악영향을 끼치며, 고조파 크기를 제안하는 규제가 많은 분야에서 적용되고 있다. 고조파 크기를 줄이기 위한 가장 대표 해결책으로는 전류 제어가 가능한 PWM 컨버터를 이용하는 것이다. PWM 컨버터의 대표적인 예로는 3상 2레벨 PWM 정류기와 3상 3레벨 비엔나 정류기가 있다. 같은 입력 필터는 사용한다고 가정하면 비엔나 정류기를 사용하였을 때, 전류의 THD를 낮출 수 있고, 스위칭 손실이 작아 더욱 효율적이라 사용이 증가하고 있다. 일반적으로 비엔나 정류기의 제어기는 2루프 비례 적분 제어기가 많이 사용되고 입력 전류 및 출력 전압을 제어한다. 이때 PFC에 사용되는 전압 제어기의 대역폭은 계통 주파수와의 간섭을 피하고자 20Hz 이하로 낮게 설계된다. 대역폭이 낮아지면 응답 속도가 느려지고, 부하 변동이 있을 때 출력 전압은 일정하게 유지하지 못하고 오버슈트 및 언더슈트를 발생하여 변동하게 된다. 이 문제를 해결하기 위해 해외에서는 부하 전류를 보상하는 방법을 제안하였다. 하지만 이 방법은 부하 전류를 보상해 주는 이득을 구하는 방법이 복잡하며, 일정한 이득으로 보상해 주기 때문에 입력 전압조건이 정격 전압이 아닌 비정격 전압으로 들어오게 되면, 출력 전압은 또다시 변동하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 비엔나 정류기에 부하 변동이 있을 때, 출력 전압의 오버슈트 및 언더슈트의 근본적인 원인을 분석하였다. 일단 부하 전류를 보상하기 위해서는 계통 전류와 출력단의 입력 전류와의 관계를 고려해야하고, 비엔나 정류기의 평균 모델을 하여서 종속 전류원과 듀티와의 관계를 고려해 DC 링크 커패시터에 흐르는 전류의 방정식을 구하게 되었다. 커패시터에 흐르는 전류는 부하 전류와 듀티의 영향을 받는다는 것을 수식 및 블록 다이어그램을 통해 확인하였고, 전압 제어기 단에 부하 전류 및 듀티를 보상하는 보상기를 추가로 설치함으로써 부하의 변동이 생겼을 때, 입력 전압 조건과 관계없이 일정한 출력 전압을 유지하도록 제어기를 제안하였다. 제안한 제어기는 서로 다른 세 가지 입력 전압 조건에서 기존제어기, 부하 전류 보상 제어기, 제안하는 제어기 세 가지 제어기를 모의 해석과 실험을 통해 비교하였으며, 그 효과를 입증하였다.