전류형 컨버터 및 PMBI-PFC 컨버터의 고성능 스위칭 기법 = High Performance Switching Schemes for Current Source Converter and PMBI-PFC Converter

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation addresses advanced switching strategies aimed at enhancing both power quality and efficiency in modern power electronic systems, which are increasingly required to satisfy stringent international standards for energy conversion. Two complementary research themes are investigated, each targeting a critical limitation of conventional converter topologies.
First, a novel space vector modulation (SVM) scheme for three-phase current source converters is proposed. Conventional SVM requires overlap time to prevent arm-open, which inevitably introduces current distortion and increases total harmonic distortion (THD). The proposed method eliminates the need for overlap time, thereby significantly reducing waveform distortion and reducing THD. The scheme can be implemented with minimal additional logic compared with conventional SVM and does not require extra sensors, making it practical for industrial applications. Simulation and experimental results confirm reduced harmonic components and improved efficiency while maintaining robust operation under various load conditions.
One of the structural limitations of current source converters lies in the design requirements of the DC link inductor. To realize an ideal current source, a sufficiently large DC link inductance is required, which inevitably leads to an increase in system volume. Therefore, this study investigates the permanent magnet biased inductor (PMBI), hereafter referred to as the permanent-magnet inductor, as a potential alternative capable of reducing the overall size compared to conventional inductors. Through theoretical analysis and experimental validation, it is confirmed that the permanent-magnet inductor can achieve higher power density than traditional ferrite-core inductors, and its potential for performance comparison with powder core materials is also identified.
Second, the study explores the use of PMBIs in the single-phase boost power factor correction (PFC) converter. Unlike conventional powder core inductors, PMBIs provide higher and flatter inductance under high current levels by effectively extending the saturation point. This property enables the proposed variable frequency continuous conduction mode (CCM) control scheme, in which the switching frequency decreases as the input current increases. The proposed scheme can reduce electromagnetic interference (EMI) and increase efficiency.
Overall, the proposed switching techniques—overlap-free SVM for current source converter and variable-frequency CCM for PMBI-PFC converter—demonstrate substantial advancements in both efficiency and power quality. By addressing harmonic distortion, EMI, and loss mechanisms simultaneously, this work provides valuable design guidelines and practical insights for the development of next-generation high-efficiency power converters.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 연구의 배경 1
• 1.1.1. 3상 전류형 컨버터 3
• 1.1.2. 고효율∙고전력밀도 자기소자 5
• 1.1.3. 역률 보상 회로 (PFC Converter) 6
• 1.2. 연구의 목적 및 논문의 구성 8
• 1.2.1. 연구의 목적 8
• 1.2.2. 논문의 구성 9
• 2. 기존 3상 전류형 인버터의 공간 벡터 변조 11
• 2.1. 전류형 인버터의 공간 벡터 변조 12
• 2.1.1. 스위칭 상태 및 공간 벡터 14
• 2.1.2. 스위칭 순서 및 인가 시간 계산 19
• 2.1.3. 전압 (전류) 이득 29
• 2.1.4. 반도체 소자의 전압 스트레스 30
• 2.2. 오버랩 타임의 필요성 및 영향 분석 33
• 2.2.1. 전류형 구조에서 오버랩 타임의 필요성 33
• 2.2.2. 오버랩 타임에 의한 전류 왜곡 및 THD 증가 35
• 2.3. 수정된 공간 벡터 변조 (Modified SVM) 42
• 2.3.1. 수정된 공간 벡터 변조 기법의 스위칭 43
• 2.3.2. 제안하는 스위칭 기법의 이론적 근거 46
• 3. 제안하는 3상 전류형 컨버터의 공간 벡터 변조 48
• 3.1. 제안하는 CSI SVM 49
• 3.1.1. 동작 모드 (전류형 인버터) 53
• 3.1.2. 기존 SVM과의 비교 57
• 3.1.3. PSIM 시뮬레이션 62
• 3.1.4. 실험 결과 67
• 3.2. 제안하는 스위칭 기법의 일반화 72
• 3.2.1. 동작 모드 (전류형 정류기) 74
• 3.2.2. 디지털 프로세서를 이용한 제안하는 SVM의 구현 81
• 3.2.3. 기존 SVM 및 환류 다이오드를 추가한 CSR과 비교 85
• 3.2.4. 백투백 컨버터에 적용 86
• 3.2.5. 실험 결과 89
• 4. 영구자석의 편향을 이용한 DC 인덕터의 특성 99
• 4.1. 기존 DC 인덕터의 특성 및 설계 100
• 4.1.1. 자기 회로 및 릴럭턴스 모델 101
• 4.1.2. 자기 포화와 공극의 필요성 103
• 4.1.3. 프린징 효과 105
• 4.1.4. DC 인덕터의 설계 108
• 4.2. 영구자석을 통한 B-H 곡선의 편향 110
• 4.2.1. 영구자석의 주요 특성 111
• 4.2.2. 영구자석 인덕터의 기본 원리 112
• 4.2.3. 영구자석 부착 위치에 따른 PMBI의 특성 117
• 4.3. 영구자석 인덕터를 적용한 실험 결과 122
• 4.3.1. 영구자석 인덕터의 포화 전류 증가 확인 123
• 4.3.2. 영구자석 인덕터의 크기 감소 확인 125
• 4.3.3. 영구자석 인덕터를 적용한 전류형 인버터의 실험 결과 127
• 5. 영구자석 인덕터를 이용한 부스트 PFC 컨버터의 가변 주파수 CCM 기법 130
• 5.1. 파우더 코어 인덕터 131
• 5.1.1. 파우더 코어 재질 132
• 5.1.2. 파우더 코어 인덕터의 설계 방법 133
• 5.2. 파우더 코어 인덕터와 영구자석 인덕터의 비교 분석 135
• 5.2.1. 공극이 삽입된 페라이트 코어의 등가 투자율 계산 136
• 5.2.2. 제작된 영구자석 및 파우더 코어 인덕터의 비교 138
• 5.3. 가변 주파수 CCM 스위칭 기법 142
• 5.3.1. 단상 부스트 컨버터의 스위칭 142
• 5.3.2. 제안하는 가변 주파수 CCM 스위칭 144
• 5.4. 시뮬레이션 및 실험 결과 148
• 5.4.1. PLECS 시뮬레이션 150
• 5.4.2. 기존 페라이트 코어 인덕터의 포화 확인 실험 151
• 5.4.3. 영구자석 및 파우더 코어 인덕터의 실험 파형 153
• 5.4.4. 인덕터 온도, 효율 및 EMI 측정 결과 157
• 6. 결론 및 후속 연구 161
• 6.1. 오버랩 타임을 제거한 전류형 컨버터의 공간 벡터 변조 기법 162
• 6.1.1. 연구 요약 162
• 6.1.2. 후속 연구 방향 163
• 6.2. 영구자석 인덕터를 이용한 PFC 컨버터의 가변 주파수 CCM 기법 164
• 6.2.1. 연구 요약 164
• 6.2.2. 후속 연구 방향 166
• 참고 문헌 168
• Abstract 180