새로운 고역률 승압형 AC-DC 컨버터의 입력전류 파형분석에 관한 연구

곽동걸,Kwak, Dong-Kurl 한국조명전기설비학회 2005 조명·전기설비학회논문지 Vol.19 No.8

본 논문에서는 소프트 스위칭에 의한 새로운 고역률 승압형 AC-DC 컨버터가 제안되고 입력전류의 파형 및 고조파분석에 대해 상세히 해석된다. 시비율 일정의 전류불연속 제어에 의해 동작되는 제안된 컨버터의 입력전류는 교류 입력전압의 크기에 비례한 불연속적인 펄스열의 정현파 형태로 되어 입력역률을 개선시킨다. 또한 제안된 컨버터는 소프트 스위칭을 위한 공진동작에 의해 무손실 스너버 커패시터의 입력측 에너지 유입에 따른 역률증대의 효과를 가지며, 기존의 고역률 승압형 AC-DC 컨버터와 비교되어 입력전류의 수학적 분석과 컴퓨터 시뮬레이션, 실험결과 등에 의해 그 우수성이 입증된다. In this paper, authors propose novel boost AC-DC converter of high power factor and analyze for waveform and harmonics component of input current. The input current waveform in the proposed converter is got to be a sinusoidal form of discontinuous pulse in proportion to magnitude of at input voltage under the constant duty cycle switching. Therefore, input power factor is nearly unity. Particularly, the stored energy of loss-less snubber capacitor is recovered with input side and increases input current from resonant operation. The result is that input power factor of the proposed converter is higher than that of conventional converter of high power factor. Some simulative results on computer and experimental results are included to confirm the validity of the analytical results.

새로운 고효율 절연형 스텝 업-다운 DC/DC 초퍼에 관한 연구

곽동걸,Kwak, Dong-Kurl 한국전기전자학회 2009 전기전자학회논문지 Vol.13 No.4

본 논문에서는 새로운 고효율의 절연형 스텝 업-다운 DC/DC 초퍼에 대해 해석하였다. 일반적으로 고효율의 초퍼를 만들기 위해서는 전력변환기내에 사용된 반도체 스위칭 소자의 손실이 최소화 되어야 한다. 본 논문에서는 부분공진 회로를 초퍼에 추가하여 고효율을 실현시킨다. 제안한 초퍼에 사용된 제어용 스위칭 소자들은 부분공진기법에 의해 소프트 스위칭으로 동작하고, 이에 따른 제어용 스위칭 소자들은 전압과 전류의 스트레스 없이 동작한다. 그 결과 제안한 초퍼는 스위칭 손실의 저감에 의해 고효율로 구동한다. 그리고 제안한 초퍼는 펄스 변압기를 이용하여 입력단과 출력단을 절연시켜, 전기적 절연이 요구되는 전력변환기들에 적용되어 고효율의 전력변환시스템을 개발할 수 있는 장점이 부여된다. 제안한 절연형 스텝 업-다운 초퍼의 소프트 스위칭 동작과 시스템 효율은 다양한 시뮬레이션과 실험결과를 통해 그 타당성이 입증된다. This paper is analyzed for a step up-down DC/DC chopper of high efficiency added electric isolation. The converters of high efficiency are generally made that the power loss of the used semiconductor switching devices is minimized. To achieve high efficiency system, the proposed chopper is constructed by using a partial resonant circuit. The control switches using in the chopper are operated with soft switching by partial resonant method. The control switches are operated without increasing their voltage and current stresses by the soft switching technology. The result is that the switching loss is very low and the efficiency of the chopper is high. The proposed chopper is also added electric isolation which is used a pulse transformer. When the power conversion system is required electric isolation, the proposed chopper is adopted with the converter system development of high efficiency. The soft switching operation and the system efficiency of the proposed chopper are verified by digital simulation and experimental results.

PTC 서미스터를 이용한 소형 고속응성의 전기화재 방재시스템 개발

곽동걸,Kwak, Dong-Kurl 한국마이크로전자및패키징학회 2008 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.15 No.1

본 논문에서는 PTC 서미스터의 전기적 온도특성을 이용하여 각종 전기화재 및 전기사고를 예방 보호하는 방재시스템에 대해 연구하였다. PTC(Positive Temperature Coefficient) 서미스터는 온도변화에 따른 저항특성이 정 (+)온도계수를 갖는 특징이 있다. PTC서미스터는 정온도계수를 갖는 $BaTiO_3$계 세라믹스의 정방정계-입방정계 구조를 가지고 상변이점인 큐리(Curie)온도 이상으로 온도가 증가하면 저항이 급격히 증가하는 현상을 보인다. 본 논문에서는 이러한 정저항 온도특성과 자체 발열특성을 갖는 PTC 서미스터를 전기단락사고나 과부하사고 등 전기사고의 감지센서로 이용하여 전기화재사고를 예방하는 제어시스템에 대해 제안하였다. 그 결과 기존에 상용되는 차단기들의 빈번한 오동작과 저 신뢰성, 저속응성 등으로 발생되는 전기화재 및 전기재해의 문제점들을 해결하였다. 또한 제안한 방재시스템의 다양한 실험결과를 통해 이론적 해석의 타당성을 입증하였다. This paper is studied on a prevention system for electrical fire and electrical faults by using electrical temperature characteristic of PTC thermistor. The PTC thermistor has characteristic of positive resistivity temperature coefficient according to the temperature variation, which is construction of a regular square and cube demarcation with $BaTiO_3$ ceramics of positive temperature coefficient. Also PTC shows the phenomenon which is rapidly increased in the resistivity if the temperature is increased over Curie temperature point. This paper is proposed on a protective control system used with temperature sensor of PTC thermistor. The proposed prevention system will prevent electrical fires due to electric short circuit faults or overload faults. And the prevention system will solve the problems that circuit breakers to be commonly used at existing are happened frequently electrical fires and electrical disasters due to incapable operation, weak reliability and low speed response. Some experimental results of the proposed apparatus are confirmed to the validity of the analytical results.

고성능 DCM-ZVS 스텝 업-다운 AC-DC 컨버터에 관한 연구

곽동걸,Kwak, Dong-Kurl 한국전기전자학회 2012 전기전자학회논문지 Vol.16 No.4

본 논문에서는 고효율과 고역률을 위한 새로운 DCM-ZVS 스텝 업-다운 AC-DC 컨버터에 대해 연구된다. 제안한 DCM-ZVS 컨버터에 사용된 스위칭 소자들은 새로운 유사공진 회로에 의해 소프트 스위칭 기법으로 동작되고, 펄스폭변조(PWM) 방식에 의한 전류불연속모드(DCM)로 구동된다. 제안한 컨버터의 유사공진 회로는 스텝 업-다운 인덕터와 무손실 스너버 커패시터로 구성되고, 또한 DCM에 의해 제어회로 기법과 제어회로 구성이 간단한 장점이 주어진다. 입력 교류 전류파형은 일정 스위칭 주파수에 의한 교류 입력전압의 크기에 비례한 유사 정현파형으로 된다. 그 결과, 제안한 DCM-ZVS 컨버터는 낮은 스위칭 손실과 고효율을 얻을 수 있으며, 컨버터의 입력역률은 거의 단위역률로 된다. 해석적 결과의 타당성은 다양한 컴퓨터 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 입증된다. This paper is studied on a new DCM-ZVS step up-down AC-DC converter of high performance, that is, high system efficiency and power factor correction (PFC). The switching devices in the proposed converter are operated by soft switching technique using a new quasi-resonant circuit, and are driven with discontinuous conduction mode (DCM) according to pulse width modulation (PWM). The quasi-resonant circuit uses a step up-down inductor and a loss-less snubber capacitor. The proposed converter with DCM also simplifies the requirement of control circuits and reduces the number of control components. The input AC current waveform in the proposed converter becomes a quasi-sinusoidal waveform proportional to the magnitude of input AC voltage under constant switching frequency. As a result, the proposed converter obtains low switching power loss and high efficiency, and its input power factor is nearly in unity. The validity of the analytical findings is confirmed by some computer simulation results and experimental results.

새로운 DCM-ZVS DC-DC 컨버터에 관한 연구

곽동걸,심재선,Kwak, Dong-Kurl,Shim, Jae-Sun 한국전기전자학회 2012 전기전자학회논문지 Vol.16 No.2

본 논문에서는 영전압 스위칭(ZVS)과 전류불연속 모드(DCM)에 의한 새로운 고효율의 DC-DC 컨버터에 대해 연구된다. 일반적으로 고효율의 컨버터를 만들기 위해서는 전력변환기내에 사용된 반도체 스위칭 소자의 손실을 최소화하여 이루어진다. 제안한 컨버터는 DCM에 의하여 스위치의 턴-온 동작을 영전류 스위칭(ZCS)으로 만들고, 또한 새로운 유사공진 회로를 접목하여 컨버터의 고효율을 실현시킨다. 제안한 컨버터에 사용된 제어용 스위칭 소자들은 유사공진 기법에 의해 소프트 스위칭, 즉 ZVS와 ZCS으로 동작시키고, 이에 따른 제어용 스위칭 소자들은 전압과 전류의 스트레스 없이 동작한다. 그 결과 제안한 컨버터는 스위칭 손실의 저감에 의해 고효율로 구동된다. 제안한 DCM-ZVS 컨버터의 소프트 스위칭 동작과 시스템 효율은 디지털 시뮬레이션과 실험결과를 통해 그 타당성이 입증된다. This paper is study on a new high efficiency DC-DC converter of discontinuous conduction mode (DCM) with zero voltage switching (ZVS). The converters of high efficiency are generally made that the power loss of the used semiconductor switching devices is minimized. The proposed converter is accomplished that the turn-on operation of switches is on zero current switching (ZCS) by DCM. The converter is also applicable to a new quasi-resonant circuit to achieve high efficiency converter. The control switches using in the converter are operated with soft switching, that is, ZVS and ZCS by quasi-resonant method. The control switches are operated without increasing their voltage and current stresses by the soft switching technology. The result is that the switching loss is very low and the efficiency of the converter is high. The soft switching operation and the system efficiency of the proposed DCM-ZVS converter are verified by digital simulation and experimental results.

부분공진 기법이 적용된 ZVCS DC-DC 초퍼에 관한 연구

곽동걸,Kwak, Dong-Kurl 한국마이크로전자및패키징학회 2008 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.15 No.1

최근 DC-DC 초퍼의 소형경량화 및 저소음화를 위해서 초퍼에 사용한 전력용 반도체 스위치의 스위칭 주파수를 증대시키고 있다. 이에 따른 스위칭 손실의 증대는 초퍼의 효율을 상당히 감소시키는 요인으로 주어진다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 초퍼에 사용한 반도체 스위치의 턴-온, 턴-오프를 소프트 스위칭(영전류 또는 영전압 스위칭)으로 동작시켜 스위칭 손실을 최소화하는 새로운 고효율의 DC-DC 초퍼를 제안한다. 제안한 초퍼의 소프트 스위칭 동작은 스위치의 동작 시점에 부분공진 회로가 형성되어 인덕터의 전류와 커패시터의 전압이 영으로 될 때 스위치를 동작시키는 부분공진 기법이 적용된다. 또한 제안한 초퍼에 적용된 부분공진 회로는 승압용으로 사용한 인덕터와 스너버 커패시터에 의해 설계되어 초퍼의 회로 토폴로지가 간단하다. 컴퓨터 시뮬레이션과 실험결과를 통해 제안한 DC-DC 초퍼의 타당성이 입증된다. Recently, DC-DC choppers must be increased switching frequency in order to achieve a small size, a light weight and a low noise. However, the switches of chopper are subjected to high switching power losses and switching stresses. As a result of these, the chopper system bring on a low power efficiency. To improved these, this paper is studied on a new DC-DC chopper of high efficiency operated with soft switching(that is, zero current switching and zero voltage switching, ZVCS), of semiconductor switches using in chopper. The soft switching operation is applied to a partial resonant method that the switches operate at zero current of inductor and zero voltage of capacitor in resonant circuit. And the partial resonant circuit makes use of a inductor using step-up and a snubber capacitor, the circuit topology of chopper is simple. Some simulative results on computer and experimental results confirm the validity of analytical results of the DC-DC chopper.

소방 방재설비용 연료전지 발전시스템의 비절연형 고효율 전력변환기 설계

곽동걸,Kwak, Dong-Kurl 한국마이크로전자및패키징학회 2006 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.13 No.3

In this paper, author proposes to a fuel cell generation system used to fire prevention installation at emergency. The proposed system is used with a power source of fire prevention installation in preparation for breaking of commercial power supply at emergency. A part of most power loss of the fuel cell generation system is power converter. And the major losses of power converter are switching losses of power semiconductor switches used to power conversion. This parer is designed with a high efficiency power converter of non isolated type in order to increase efficiency of fuel cell power system. The controlling switches used in power conversion system are operated with soft switching, which is applied to partial resonant method to reduce switching loss. The result is that the fuel cell power system gets to high efficiency. Some computer simulated results and experimental results are confirmed to the validity of the analytical results. 본 논문은 예비 전력공급설비의 일환으로 비상시 소방 방재설비에 적용되는 연료전지 발전시스템에 대해 연구된다. 제안된 시스템은 비상시 상용 전력공급의 차단에 대비하여 소방 방재설비들의 전력공급원으로 이용된다. 연료전지 발전시스템에서 가장 손실이 큰 부분은 전력변환부이다. 또한 전력변환부의 손실은 전력변환을 위해 사용된 전력용 반도체 스위치의 스위칭 손실로 주어진다. 본 논문에서는 이러한 연료전지 발전시스템의 출력을 최대한 활용하기 위하여 부분공진의 기법이 적용된 고효율의 전력변환기가 제안된다. 또한 연료전지 발전시스템에 적용된 고효율 전력변환기는 비절연형으로 설계되고 사용된 제어스위치들은 새로운 소프트 스위칭 회로토폴로지에 의해 무손실로 동작되어 시스템의 효율을 증대시킨다. 다양한 컴퓨터 시뮬레이션과 특성실험을 통해 이론적 해석의 타당성이 입증된다.

전기화재 예방을 위한 낙뢰 및 써지 보호시스템 개발에 관한 연구

곽동걸,Kwak, Dong-Kurl 한국마이크로전자및패키징학회 2006 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.13 No.3

최근 기상이변으로 인한 낙뢰 및 써지의 발생빈도가 증가하고 있으며, 이에 따른 피해규모도 해마다 증대되고 있는 실정이다. 이들을 해결하기위한 보호시스템 개발이 다국적 관심분야로 대두되고 있다. 본 논문에서는 낙뢰와 전력 통신시스템에서 발생하는 각종 써지를 억제하기위한 새로운 구조의 보호시스템을 제안한다. 종래의 써지 보호장치들은 써지전류를 접지로 흘리는 구조로 설계되어 낙뢰, 송배전선로의 지락 및 혼촉 등 써지전류가 클 경우에 상승된 대지전위로 인해 전자 통신장비 및 기기들에 2차적 피해요인을 가져오는데 비해, 제안된 보호시스템은 대지전위의 상승을 억제하는 구조로 설계되어 2차적 피해가 발생하지 않는 이점이 있다. 개발된 써지 보호시스템의 실용성이 다양한 사고발생 시뮬레이터에 의해 입증된다. The occurrence frequency of lightning and surge from the weather accident is increasing recently, which the damage scale have been enlarged every year. A protection system development to solve these problems have been risen to a multinational concern field. In this paper, a novel protection system is proposed to restrain lightning and various surges which happen in electricity and communication equipment. The proposed protection system is designed to the structure to restrain the rise of the earth potential which is become to the problem of conventional protection system. The secondary damage as a result does not happen. The practicality of the developed surge protection system is proved through various accident occurrence simulator.

역률개선형 부분공진 AC-DC 초퍼에 관한 연구

곽동걸,Kwak, Dong-Kurl 한국마이크로전자및패키징학회 2008 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.15 No.3

In this paper, author proposes a novel step-up AC-DC chopper operated with power factor correction(PFC) and with high efficiency. The proposed chopper behaves with discontinuous current control(DCC) of input current. The input current waveform in the proposed chopper is got to be a discontinuous sinusoid form in proportion to magnitude of ac input voltage under the constant duty cycle switching. Therefore, the input power factor is nearly unity and the control method is simple. In the general DCC chopper, the switching devices are turned-on with the zero current switching, but turn-off of the switching devices is switched at current maximum value. To achieve a soft switching of the switching rum-off, the proposed chopper is used a new partial resonant circuit. The result is that the switching loss is very low and the efficiency of chopper is high. 본 논문에서는 고역률과 고효율로 동작하는 새로운 스텝-업 AC-DC 초퍼에 대해 제안한다. 제안한 초퍼는 전류 불연속제어로 구동되고, 스위치의 듀티율 일정제어에 의해 입력전류는 교류 입력전압의 크기에 비례된 불연속적인 정현파 형태로 주어진다. 그 결과 입력역률은 거의 단위역률로 되고, 듀티율 일정제어에 의해 제안한 초퍼는 제어기법이 간단하게 된다. 일반적으로 전류불연속 제어에 의한 초퍼의 경우, 사용된 스위치의 턴-온 동작은 영전류 스위칭으로 되는 장점이 있지만, 스위치의 턴-오프 동작은 최대 전류에서 스위칭되어 스위칭 손실을 증대시키고 스위치의 과중한 스트레스를 가져오게 된다. 이것은 AC-DC 초퍼의 효율을 저하시키는 요인이다. 본 논문에서는 부분공진기법에 의한 새로운 소프트 스위칭 회로가 설계되어 사용된 제어스위치들의 턴-온, 턴-오프 동작을 소프트 스위칭으로 만들어 초퍼의 효율을 증대시킨다.

고분자전해질형 연료전지 발전시스템의 안전운전을 위한 고성능 전력변환기에 관한 연구

곽동걸,Kwak Dong-Kurl 한국마이크로전자및패키징학회 2006 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.13 No.1

연료전지는 연료(수소)의 화학적 반응에 의해 축적된 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 직류 전기를 발생시키는 에너지원이다. 연료전지는 질소나 유황산화물 등의 유해한 물질을 방출하지 않으며 기계적 동력부가 없고 거의 무소음으로 운전되는 이점을 가진다. 수소연료에 의한 연료전지는 그들의 부산물로써 열과 물을 방출한다. 연료전지를 이용한 응용분야의 확대로 인해 화석연료나 수입 석유의 의존도를 현저히 감소시킬 수 있다. 본 논문에서는 이러한 연료전지 (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)의 출력을 치대한 활용하고 발전시스템의 안전운전을 위한 전력변환기(PCS, Power Conditioning System)에 대해 연구하였다. 본 논문에서는 고효율로 운전하는 새로운 전력변환 회로토폴로지를 설계하고, 발전시스템에 적용하여 각종 실험을 통하여 그 타당성을 입증하였다. 그 결과 연료전지 발전시스템은 고성능으로 동작되는 전력변환기에 의해 발전시스템의 효율과 성능을 향상시키게 된다. Fuel cells are direct current (DC) power generators. They generate electricity through an electrochemical process that converts the energy stored in a fuel directly into electricity. Fuel cells have many benefits, which produce no particulate matter, nitrogen or sulfur oxides. And they have few moving parts and produce little or no noise. When fueled by hydrogen, they yield only heat and water as byproducts. Their wide application can reduce our dependence on fossil fuels and foreign sources of petroleum. This paper is studied on a high efficiency power conditioning system (PCS) applied to the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) generation system. This paper is designed to a novel PCS circuit topology of high efficiency. Some experimental results of the proposed PCS is confirmed to the validity of the analytical results.