링잉 영향을 최소화하는 Boost PFC 컨버터의 전류 측정 개선 = An Improved Current Sensing Technique to Mitigate Ringing Effects in Boost PFC Converters

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

PFC converters are widely used in appliances such as air conditioners, and washing machines, and must comply with international standards that require a unity power factor and low total harmonic distortion. However, when an AC input is rectified into DC using a diode bridge, harmonic currents are generated on the input side. Therefore, the application of a PFC converter is essential to improve the input current quality. Among various PFC topologies, the boost PFC converter is the most commonly adopted due to its ability to step up the output voltage, maintain continuous input current for simplified control, and offer a simple structure with low implementation cost. In such converters, the average current is typically measured using a cost-effective shunt resistor. However, the measured current is distorted by ringing caused by switching noise, parasitic inductance, and capacitance components, making accurate average current measurement difficult. Therefore, it is essential to measure the average current in a region where the influence of ringing can be minimized. Moreover, a first-order LPF, which is commonly employed to mitigate the ringing effect, inevitably introduces a time delay, resulting in errors in current measurement. To address these issues, this paper proposes two complementary techniques. First, by comparing the inductor current slopes under different switching states, the sampling point is selected within the region where the current slope is sufficiently gentle, and the average inductor current corresponding to the control point is subsequently predicted. Second, the delay introduced by the LPF is mathematically modeled, and a compensation method depending on the duty ratio is presented to eliminate the transient state caused by this delay. Simulation and experimental results confirm that the proposed methods effectively remove transient state, minimize the effect of ringing, and enable accurate average current measurement in boost PFC converters.

국문 초록 (Abstract)

역률 보정 컨버터는 에어컨, 세탁기 등 다양한 가전제품에서 사용되며, 단위 역률과 낮은 총 고조파 왜율을 요구하는 국제 표준을 만족해야 한다. 일반적으로 AC를DC로 정류할 때 사용되는 다이오드 정류기는 입력에 고조파 전류를 발생시키므로, 이를 개선하기 위해 역률 보정 컨버터의 적용이 필수적이다. 이 중에서도 부스트 역률 보정 컨버터는 출력전압을 승압할 수 있으며, 연속적인 입력 전류로 인한 제어의용이성, 간단한 회로 구조, 낮은 비용 등의 장점으로 인해 가장 널리 사용되고 있다. 부스트 역률 보정 컨버터에서 평균 전류를 측정하기 위해서는 비용이 저렴한 션트저항이 일반적으로 사용된다. 그러나 션트 저항에서 측정된 전류는 스위칭 노이즈와기생 인덕턴스 및 커패시턴스 성분에 의해 링잉이 발생하게 되며, 이에 따라 정확한평균 전류를 측정하기 어려운 문제가 발생한다. 따라서 링잉의 영향을 최소화할 수있는 구간에서 평균 전류를 측정하는 방법이 필요하다. 또한, 링잉의 영향을 줄이기위해 일반적으로 사용되는 1차 LPF는 시간 지연을 발생시키며, 이에 따라 전류 측정 오차가 발생한다. 본 논문에서는 이를 해결하기 위해 두 가지 기법을 제안한다. 첫째, 스위칭 상태에 따른 인덕터 전류의 기울기를 비교하여, 인덕터 전류의 기울기가 완만한 구간에서 평균 전류를 측정하는 전류 측정 시점 변경 기법을 제안한다. 또한, 측정 시점이 제어 시점과 일치하지 않을 경우, 그 차이를 예측하여 제어 시점에 대응하는 전류를 예측하는 방법을 제시하였다. 둘째, LPF에 의해 발생하는 시간지연은 전류 측정 오차를 유발하며, 이는 전류 측정 시점 변경 기법을 적용할 때 과도 상태를 발생시킨다. 따라서 본 논문에서는 전류 측정 오차를 수학적으로 모델링하고, 시비율에 따라 이를 보상하는 LPF 지연 보상 기법을 제안하였다. 시뮬레이션과 실험 결과를 통해, 제안된 전류 측정 시점 변경 기법과 LPF 지연 보상 기법이과도 상태를 효과적으로 제거하고, 링잉의 영향을 최소화하여 정확한 평균 전류 측정이 가능함을 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 논문 구성 4
• 제2장 Boost PFC 컨버터 제어 5
• 2.1 Boost PFC 컨버터 동작 원리 5
• 2.2 위상 추정을 위한 PLL 제어 11
• 2.3 예측 전류 제어 알고리즘 21
• 제3장 제안하는 방법 26
• 3.1 션트 저항에서 전류 측정 시 발생하는 문제 26
• 3.2 전류 측정 시점 변경 기법 28
• 3.3 저역통과필터 지연 보상 기법 45
• 제4장 시뮬레이션 및 실험 결과 62
• 4.1 제안된 방법들의 시뮬레이션 결과 62
• 4.2 시스템 구성 71
• 4.3 HILS 실험 결과 73
• 제5장 결론 76