12-제7장-직류전압제어(2).ppt [호환 모드]elearning.kocw.net/contents4/document/lec/2012/KonKuk/LeeYoungJin/12.pdf · 제7장 직류전력제어 . 전력전자이론

전력전자이론및설계 건국대 최규하

제7장

직류전력 제어


다상한 초퍼 회로


각 초퍼에 의한 전류 분담으로대형부하 감당 수월

다상(Multi-phase) 초퍼회로

강압초퍼는 부하를단독으로 분담함

다상 초퍼(multiphase chopper)는두 개 이상의 초퍼를 병렬로 연결

2상 초퍼


주기 T내에 또 다른 주기 TM가 존재함

2상 초퍼회로의 동작

TM

TM

à 각 초퍼의 병렬 수만큼의 주기 존재

à 초퍼 출력의 주파수 증대 ; 맥동감소/듀티싸이클 증대 효과

TM = 2TM

8.0 4.0 =®= aa


2상 초퍼회로의 실험파형

- 두 전류의 파형은 동일하지만

- 전류의 위상차가 발생하며

- 약간의불평형이 나타나고 있음


초퍼전류 1

초퍼전류 2



TM

TM ? ≠ 2TM

5.0>a초퍼에 출력 변동발생

TM ?

2상 초퍼회로의 입력전류에서

- 듀티싸이클의 크기 > 0.5로 되면

- 입력전류가 부분적으로 중첩,증대됨 이 될 경우


2상 초퍼회로의 동작( 일 경우의 예시) 5.0>a

2상 초퍼회로의 입력전류에서

- 듀티싸이클의 크기 > 0.5로 되면

- 입력전류가 부분적으로 중첩,증대되고 예상하기 힘들게 변동됨


초퍼회로의 다상화

- 다상 초퍼(multiphase chopper)에 의해 전류 분담 및 맥동 개선


다상 초퍼회로의 다상화 구조

- Derivation from 3-phase inverter topology


다상한 초퍼회로(요약)

1상한 – 부하전압 > 0

부하전류 > 0

2상한 – 부하전압 > 0

부하전류 < 0

<주의> 2개 상한

경우1= 전압 > 0, 전류 > < 0

경우2= 전류 > 0, 전압 >< 0

4상한(4개 상한)

부하전압 >< 0

부하전류 >< 0


다상한 초퍼회로(요약1)


다상한 초퍼회로(요약2)


- 다상한 초퍼에 의해 부하 측의 전류, 전압의 극성을 변경할 수 있음

- 2상한 초퍼 ; 강압 초퍼와 승압 초퍼의 결합구조

2상한 초퍼회로 기본 구조

2상한 또는 양뱡향(bidirectional) 전류의 흐름이 가능해 짐


2상한 초퍼회로 각 구조 및 동작

강압초퍼

0)( >tiO

강압 초퍼에 의해

전원의 에너지가 부하측으로공급됨(정전류방향)


2상한 초퍼회로

승압초퍼

0)( <tiO

승압 초퍼에 의해

부하의 에너지가 직류전원으로회생됨(전류방향 반대)

각 구조 및 동작


회생제동의 동작중

직류전동기의 에너지가 직류측으로 반환됨

-직류모선의 전압이 20%이상 상승되면 제동

저항 RB를 통해 열로 소모시킴

0)( <tiO

2상한 초퍼회로 각 구조 및 동작


2상한 초퍼회로의 동작(요약)

직류모선의허용전압

Motoring Regenerative Braking

Dynamic Braking


<Homework>

상기 2상한 초퍼의 동작을 조사하시오.

2상한 초퍼회로의 다른 예시


4상한 초퍼회로

1) 강압초퍼 모드 ; TR1=스위칭, TR2 & TR3=OFF, TR4=ON à 1상한 운전0 )( ,0 )(0 >> titv o

4개의 스위칭 모드

2) 승압초퍼 모드 ; TR1=OFF, TR2=스위칭, TR3 & TR4=OFF à 1(개)상한 운전0 )( ,0 )(0 <> titv o

3) 2상한 초퍼모드 ; TR1 & TR2=스위칭, TR3=OFF, TR4=ON à 2개 상한 운전0 )( ,0 )(0 ><> titv o

4) 4상한 초퍼모드 ; TR1&TR4=스위칭, TR2 & TR3=스위칭 à 4개 상한 운전0 )( ,0 )(0 ><>< titv o

- 자여식 인버터의 구조와 동일

- 직류전동기의 정역운전시 사용


직류 초퍼의 활용


소형 직류 레귤레이터의 활용


소형 직류 레귤레이터의 유형

- linear-mode regulator(LMPS)

- switch-mode regulator(SMPS)

- resonant-mode regulator(RMPS)

소형 직류 레귤레이터의 개요

직류 레귤레이터의 특징

- 경박단소 개념 ; 소전력, 저전압용, 소형, 경량구조

- 다중출력 : 단일입력에 대한 multiple-outputs(±15V, 5V 등 다수 전원)

- switching-mode regulator

- switch-mode regulator

- switched-mode regulator

- SMPS(switching-mode power supply)

SMPS의 명칭


증폭용 TR에 의한 전원장치

직류 레귤레이터의 비교

스위칭용 TR에 의한 장치

-hf PWM기법으로 경박단소

공진을 이용한 전원장치

-ZCS/ZVS으로 손실극소화

RMPSSMPSLMPS


스위칭모드 레귤레이터의 유형

without Transformer

with Transformer

Buck-벅 Boost

Buck-Boost Cuk -축

Flyback Push-Pull

Half-bridge Full-bridge

Forward


Ø A. 변압기를 사용하지 않는 경우

(1) 벅 컨버터(Buck converter) : 강압형(step-down)

(2) 부스트 컨버터(Boost converter) : 승압형(step-up)

(3) 벅-부스트 컨버터(Buck-boost converter) : 반전형(inverting)

(4) 축 컨버터(Ćuk converter)

Ø B. 변압기를 사용하는 경우

(5) 포워드 컨버터(Forward converter)

(6) 플라이백 컨버터(Flyback converter)

(7) 푸시풀 컨버터(Push-pull converter)

(8) 하프 브리지 컨버터(Half-bridge converter)

(9) 풀 브리지 컨버터(Full-bridge converter)

스위칭모드 레귤레이터의 유형


RMPS의 장점

- 스위칭손실의 발생을 억제가능함

- 스위칭시 스위칭 스트레스를 크게 줄일 수 있음

- 단위부피당 높은 전력밀도를 얻을 수 있음

SMPS와 RMPS의 비교


공진형모드 레귤레이터(RMPS)의 구조

RMPS의 유형

1) Buck 컨버터

2) Boost 컨버터

3) Buck-boost 컨버터

4) Cuk 컨버터

RMPS의 동작모드

1) 전류형 컨버터

– 영전류시 스위칭, ON시간 고정

2) 전압형 컨버터

– 영전압시 스위칭, OFF시간 고정


Buck-Boost(벅-부스트) 컨버터의 개요 SMPS

Boost 컨버터

벅-부스트 컨버터(buck-boost converter)

- 전원전압보다 작게(Buck), 또는 크게(Boost) 출력시킬 수 있음

- 반전형(inverting) 컨버터 ; 출력전압의 극성이 바뀜

- SW의 ON시 인덕터에 에너지 축적후 OFF시 L의 축적에너지가 방출됨

(Boost 컨버터와 동작 비교)


벅-부스트 컨버터의 동작 SMPS


벅-부스트 컨버터의 동작 상태 SMPS

SW ON 상태 SW OFF 상태



SWS

S vdtdiLV +=

1) SW의 ON으로

)( tLVti S

S =à

만약, L에 저항이 존재하면

dtdiLiRV S

SLS +=

)1()( tLR

L

SS

L

eRVti

--=à

)( SL Vtv =인덕터전압

0

SW ON 상태



0 =++ ODS VvdtdiL

2) SW의 OFF로

)( tLVti O

S -=à

만약, L에 저항이 존재하면

0 =++ OSLS ViRdtdiL

)1()( tLR

L

OS

L

eRVti

---=à

OL Vtv -=)(인덕터전압

0-

+

SW OFF 상태


- 정상상태에서 인덕터전압의 평균은 0 이므로

- 인덕터 전압의 평균값을 구하면

OL Vtv -=)(ON 상태의 인덕터전압

입출력 특성

OFF상태의 인덕터전압

SL Vtv =)(

{ } 0 )( 1)(10

=-+== ò offOonS

T

LL tVtVT

dttvT

V

aa-

==\1

off

on

S

O

tt

VV



벅-부스트 컨버터의 출력특성 SMPS

aa-

=1S

O

VV

강압영역

승압영역


Cuk(축) 컨버터의 개요 SMPS

축 컨버터(Ćuk converter)

- 전원전압보다 작게(Buck), 또는 크게(Boost) 출력됨 ; 벅-부스트와 유사

- 반전형(inverting) 컨버터 ; 출력전압의 극성이 바뀌는 컨버터임

- 다른 컨버터와 달리 커패시터에 에너지 축적후 부하로 전달함


축 컨버터의 동작 SMPS

<가정>

- 입력 & 출력전류가 연속

- 축 컨버터가 정상상태임

- C의 전압 일정( VC≒VO )


축 컨버터의 동작 상태 SMPS

SW OFF 상태 SW ON 상태

- + + - + - - +-

+

+ -+ -

C = 충전중 C = 방전중LS= 방전중LO= 방전중

LS= 충전중LO= 충전중

전원과 LS의에너지가 C로충전

C의 에너지가부하로 방전

OFF



)(10 D

t

SS

S vdttiCdt

diLV ++= ò

1) SW의 OFF 이므로

CSLS VVtv - )( =- 인덕터 LS 전압

0- + + -+ -

SC VV > 승압이므로

- 인덕터 LO 전압 )( OLO Vtv -»

)( tLVVtiS

OSS

-»à

)( tLVtiO

OO -»



TRS

S vdtdiLV +=

2) SW의 ON 으로

)( tLVtiS

SS =à

0+ - - +

-

+

+ -

OFF

)( SLS Vtv =- 인덕터 LS 전압

- 인덕터 LO 전압 )( OCLO VVtv -=

à )( tLVVtiO

OCO

-=


- 정상상태에서 인덕터전압의 평균은 0 이므로

- 인덕터 LS 전압의 평균

ON 상태의 인덕터전압

입출력 특성

OFF상태의 인덕터전압

SLS Vtv =)(

{ } )( 1)(100 offCSonS

T

LSLS tVVtVT

dttvT

V -+=== ò

aa-

==\1

off

on

S

O

tt

VV


OCLO VVtv -=)(

CSLS VVtv -=)( OLO Vtv -=)(

- 인덕터 LO 전압의 평균 { } )( )( 1)(100 offOonOC

T

LOLO tVtVVT

dttvT

V -+-=== ò


축 컨버터의 출력특성 SMPS

aa-

=1S

O

VV

강압영역

승압영역

(벅-부스트 컨버터와 동일)

축 컨버터의 특징

- 입력/출력전류가 연속 & 저맥동

- 스위칭손실이 적어서 고효율

- 커패시터의 충방전 전류가 큼

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