Control and Modulation Methods of Single- and Three-Phase Transformerless AC-DC Converters for Suppressing Leakage Current = 누설전류 저감을 위한 비절연형 단상 및 3상 AC-DC 전력변환 시스템의 제어 및 변조 기법

국문 초록 (Abstract)

비절연형 (Transformerless) AC-DC 컨버터는 높은 효율, 소형화된 구조, 그리고 우수한 비용을 바탕으로 차세대 전력변환 시스템의 핵심 기술로 주목받고 있다. 그러나 절연 변압기를 제거함으로써 공통 모드 (Common-Mode, CM) 임피던스가 높아지고, 공통 모드 전압 (Common-Mode Voltage, CMV)에 의해 누설전류가 발생한다. 이러한 누설전류는 인체 안전 문제와 전자기 간섭(EMI)을 유발하여, 비절연형 시스템의 산업 응용을 제한하는 주요 요인이 된다. 본 논문에서는 단상 및 3상 비절연형 AC-DC 전력변환 시스템에서 저주파수와 고주파수 누설전류를 동시에 억제하기 위한 제어 및 변조 방법을 제안한다.
먼저, 비절연형 전력변환 시스템에서 발생하는 공통 모드 전압원을 분석하고 이를 저주파수 및 고주파수 성분으로 분류하였다. 접지 구성과 EMI 필터 특성을 고려하여 절연형 및 비절연형 시스템의 공통 모드 등가회로를 도출하고, 공통모드 전압과 누설전류 간의 상관관계를 규명하였다. 또한, 공통 모드 플랜트 모델을 기반으로 저주파수 누설전류를 능동적으로 억제하기 위한 공통 모드 전압 제어 기법을 제안하였다. 제안하는 제어기는 누설전류 또는 Y-캐패시터 전압을 피드백으로 이용하여 Pulse-Width Modulation (PWM) 컨버터의 공통 모드 전압 지령을 생성하며, 제어기의 안정성, 강인성, 성능을 해석적으로 검증하였다. 또한, 누설전류 피드백을 이용한 접지 고장 (ground fault) 검출 방법을 제안하여 공통 모드 전압 제어와의 상호 호환성을 확인하였다.
고주파수 누설전류를 최소화하기 위해 단상 및 3상 확장 벡터 PWM (Extended Vector PWM, EVPWM) 기법을 제안하였다. 제안하는 PWM은 전압 벡터 공간을 확장하여 공통 모드 전압과 차동모드 전압 (Differential-Mode Voltage, DMV)을 하나의 통합된 벡터로 표현한다. 또한, 고주파수 공통 모드 전압을 최소화하기 위한 공간 벡터 영역의 선택 방법을 제안하였으며, 각 벡터 영역의 고주파수 공통 모드 전압 및 누설전류의 이론적 분석을 제시하였다. DSP 기반 디지털 제어기에 적용하기 위해, 캐리어 선택 및 듀티비 계산을 포함한 캐리어 기반 PWM (Carrier-Based PWM, CBPWM) 구현 방법을 함께 제안하였다.
제안하는 공통 모드 전압 제어 및 EVPWM 기법은 멀티 레벨 및 멀티 컨버터 시스템으로 확장되었다. 멀티 레벨 컨버터에서는 전압 벡터 수와 공통 모드 전압 레벨이 증가함에 따라 기존보다 고주파수 공통 모드 전압을 더욱 저감하였다. 다중 병렬 컨버터 시스템에서는 Synergic Modulation를 제안하여 각 모듈 간의 고주파수 공통 모드 전압간 상쇄되어 전체 공통 모드 전압이 거의 0에 근접하도록 하였다.
제안하는 제어 및 변조 기법은 계통연계형 11 kW급 단상 및 3상 비절연형 AC-DC 전력변환 시스템을 활용하여 여러 접지 조건에서 실험적으로 검증하였다. 실험 결과, 제안하는 제어 및 변조 방법은 저주파수와 고주파수 누설전류를 모두 효과적으로 억제함을 확인하였다. 또한, 인체 임피던스 회로를 이용하여 접촉전류를 축정하였고, 안전 규정 내에서 시스템의 신뢰성을 검증하였다. 표준 LISN(Line Impedance Stabilization Network)을 이용하여 전도성 EMI를 측정하였고, 산업용 EMI 규격을 만족함을 확인하였다.
따라서 본 연구는 고효율·고전력밀도·고신뢰성을 동시에 달성하는 비절연형 AC-DC 전력변환 시스템의 설계에 대한 통합적이고 실용적인 방법을 제시하며, 전기자동차 충전기, 마이크로그리드, 재생에너지 시스템 등 산업 응용 분야에 적용 가능한 기반 기술을 제공하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Transformerless AC-DC converters have emerged as a key solution for next-generation power conversion systems due to their high efficiency, compact structure, and cost-effectiveness. However, the removal of the isolation barrier with high common-mode (CM) impedance introduces a leakage current, which is generated by the common-mode voltage (CMV). The leakage current leads to human safety and electromagnetic interference (EMI) issues, thereby restricting the utilization of the transformerless system in industrial applications. This dissertation proposes comprehensive control and modulation methods for single-phase and three-phase transformerless AC-DC converters to suppress both low-frequency (LF) and high-frequency (HF) leakage currents simultaneously.
The origins of the CMV in transformerless power conversion systems are analyzed and categorized into LF and HF components. By deriving the CM equivalent circuits of both isolated and non-isolated systems, considering the EMI filter and grounding configuration, the relationship between the CMV and the leakage current is clarified. Based on the derived CM plant model, a CMV control method is proposed to actively suppress the LF leakage current. The proposed controller utilizes either leakage current or Y-capacitor voltage as feedback and generates the CMV reference for the pulse-width modulation (PWM) converter in the transformerless system. The stability, robustness, and compatibility of the controller are verified analytically. Furthermore, a ground-fault detection method using the leakage current feedback is proposed, confirming the compatibility between the CMV control and the fault detection algorithms.
To minimize the HF leakage current, single-phase and three-phase extended vector PWM (EVPWM) methods are proposed. By extending the voltage vector space, the proposed PWM represents the CMV and differential-mode voltage (DMV) as a unified vector. The selection method of the extended space vector region is then presented to minimize the HF CMV. The resulting HF CMV and leakage current are analytically derived, along with the design procedure of the EMI filter. In addition, to implement the proposed modulation in the digital signal processor (DSP)-based digital system, a carrier-based PWM method is introduced, including carrier function selection and duty ratio derivation.
The proposed CMV control and EVPWM methods are further extended to multi-level and multi-converter systems. For multi-level converters, the increased number of voltage vectors and intermediate CMV levels further reduces the leakage current. For multi-converter systems, a synergic modulation method is proposed that cancels the HF CMV among the converter modules, thereby reducing the total HF CMV to nearly zero.
The proposed methods are experimentally validated using an 11 kW single- and three-phase transformerless AC-DC power conversion system under various grounding configurations. The results confirm the effectiveness of the proposed control and modulation methods in suppressing both LF and HF leakage currents. The touch current is measured using a human-body impedance circuit, validating the reliability of the system within the safety standard limits. Furthermore, the conducted EMI is measured using a standard line impedance stabilization network (LISN) circuit, confirming compliance with the EMI regulations.
As a result, this research provides a unified and practical method for designing high-efficiency, high-power density, and high-reliability transformerless AC-DC power conversion systems, applicable to electric vehicle (EV) chargers, microgrid, and renewable energy systems.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iii
• List of Tables v
• List of Figures vii
• Nomenclature xvii
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Research Background 1
• 1.2 Research Objectives 10
• 1.3 Dissertation Outline 13
• Chapter 2. Analysis of Common-Mode Voltage and Leakage Current 15
• 2.1 Transformerless AC-DC Power Conversion System 15
• 2.1.1 Differential-Mode and Common-Mode Components 17
• 2.1.2 Isolated and Transformerless Power Conversion System 18
• 2.1.3 Existing Transformerless Power Conversion System 26
• 2.2 Common-Mode Equivalent Circuit 34
• 2.2.1 Origin of Common Mode Voltage 34
• 2.2.2 Derivation of Common-Mode Equivalent Circuit 39
• 2.2.3 Relationship between CMV and leakage current 42
• Chapter 3. Proposed Common-Mode Voltage Control 45
• 3.1 Converter Topology and Operating Principles 45
• 3.2 Common Mode Voltage Control Method 50
• 3.2.1 Plant Modeling and System Dynamics 51
• 3.2.2 Design of Controller 56
• 3.2.3 Performance and Stability Analysis 64
• 3.3 Ground Fault Detection 69
• 3.4 Experimental Verification 76
• 3.4.1 Hardware Implementation 76
• 3.4.2 Experimental Results 81
• 3.4.3 Touch Current Evaluation 87
• 3.4.4 Ground Fault Detection 91
• Chapter 4. Proposed Extended Vector PWM 93
• 4.1 Design of EMI Filter 93
• 4.2 Extended Vector PWM Method 101
• 4.2.1 EVPWM for Single-Phase System 101
• 4.2.2 EVPWM for Three-Phase System 112
• 4.3 Carrier-Based Implementation for Digital Control 125
• 4.4 Experimental Verification 130
• 4.4.1 Hardware Implementation 130
• 4.4.2 Experimental Results 133
• 4.4.3 Conducted EMI Evaluation 140
• Chapter 5. Extension to Multi-Level and Multi-Converter Systems 145
• 5.1 Application to Multi-Level Converter 145
• 5.1.1 Single-Phase Multi-Level Converter System 148
• 5.1.2 Three-Phase Multi-Level Converter System 154
• 5.1.3 Experimental Results 161
• 5.2 Application to Multi-Converter System 167
• 5.2.1 Single-Phase Multi-Converter System 168
• 5.2.2 Three-Phase Multi-Converter System 173
• 5.2.3 Experimental Results 179
• Chapter 6. Conclusion and Future Research 181
• 6.1 Conclusion 181
• 6.2 Future Research 184
• Appendix 186
• A1. Standards of AC Grid and Electric Vehicle 186
• A2. Design of DM Filter Inductor 197
• A3. Derivation of Analytical Voltage in PWM Methods 201
• A4. Analysis of Current Ripples in PWM Methods 206
• A5. Selection of Tetrahedron in Three-Phase EVPWM 219
• References 225
• 국문 초록 239