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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 박종후
- 발행연도
- 2014
- 저작권
- 숭실대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수6
이 논문의 연구 히스토리 (6)
2014
2013
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대전류 저전압의 특성을 가지는 태양광 발전과 같은 신재생 에너지원을 상용 전원으로 변환하기 위해서는 고 승압의 DC-DC컨버터와 인버터가 요구된다.
최근 승압(Boost), 강압(Buck) 및 승강압(Buck-boost) 컨버터의 기본 회로에 사용 되어지는 인덕터 대신에 자기적으로 결합된 탭 인덕터(Tapped-Inductor)를 사용한 확장된 토폴로지들이 연구되어 왔다. 탭 인덕터는 1 차측과 2 차측의 도선이 전기적으로 절연된 변압기와는 달리 인덕터의 중간에 탭을 내어 1 차측과 2 차측이 서로 연결되어 있는 구조이다. 또한 기존의 승압형 컨버터의 경우 스위치의 시비율(Duty ratio)이 증가할수록, 변압기의 턴 비가 클 경우 누설 인덕턴스에 의한 스위치 및 다이오드의 전압 및 전류 스트레스가 증가하기 때문에 고승압 응용에 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 포워드 플라이백, 탭 인덕터 플라이백, 스위치드 커패시터 플라이백 등 많은 토폴로지들이 소개 되었다.
본 논문에서는 저가형 고효율을 달성하기 위한 탭 인덕터 스위치드 커패시터 벅-부스트 컨버터를 적용한 마이크로 인버터를 제안한다. 제안하는 인버터는 첫 번째 단은 컨버터, 두 번째 단은 저주파 인버터로 구성되며, 정상상태 연속모드(Continuous conduction mode)에서 단상전력계통에 고역률의 정현파전류를 공급할 수 있는 새로운 구조이다. 강압시 벅 모드로 동작하며, 승압시 부스트 모드로 동작한다.
첫 번째 단 컨버터는 탭 인덕터와 스위치드 커패시터를 적용함으로써 고효율을 달성 할 수 있는 컨버터이다. 탭 인덕터를 적용하여 높은 입출력 전압 이득을 얻을 수 있고, 기존의 인덕터 코어를 사용하기 때문에 회로에 부가적인 소자가 필요하지 않다. 게다가 탭 인덕터의 권선비를 조절함으로 컨버터의 동작점에서 스위치의 시비율을 조절할 수 있어서 스위치의 도통손실과 다이오드의 역전압 회복 문제(Reverse recovery problem)를 줄임으로 효율과 EMI(Electro-Magnetic Interference) 노이즈의 개선할 수 있는 장점이 있다. 또한 스위치드 커패시터를 적용하여 각 소자의 스트레스를 감소시켜 효율을 높일 수 있다.
두 번째 단인 저주파 인버터는 컨버터 단의 출력을 공급받아, 상용 전원에 공급하기 위해 낮은 주파수를 사용하는 전파정류 인버터가 고역률의 교류 파형으로 변환하게 된다.
본 논문에서는 제안된 마이크로 인버터의 동작특성에 대하여 설명하고 설계 방법 및 최대 효율에 관하여 수식적으로 정리하였다. 또한 이를 시뮬레이션과 실제 100W급 하드웨어를 통해 검증하였다.
최근 승압(Boost), 강압(Buck) 및 승강압(Buck-boost) 컨버터의 기본 회로에 사용 되어지는 인덕터 대신에 자기적으로 결합된 탭 인덕터(Tapped-Inductor)를 사용한 확장된 토폴로지들이 연구되어 왔다. 탭 인덕터는 1 차측과 2 차측의 도선이 전기적으로 절연된 변압기와는 달리 인덕터의 중간에 탭을 내어 1 차측과 2 차측이 서로 연결되어 있는 구조이다. 또한 기존의 승압형 컨버터의 경우 스위치의 시비율(Duty ratio)이 증가할수록, 변압기의 턴 비가 클 경우 누설 인덕턴스에 의한 스위치 및 다이오드의 전압 및 전류 스트레스가 증가하기 때문에 고승압 응용에 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 포워드 플라이백, 탭 인덕터 플라이백, 스위치드 커패시터 플라이백 등 많은 토폴로지들이 소개 되었다.
본 논문에서는 저가형 고효율을 달성하기 위한 탭 인덕터 스위치드 커패시터 벅-부스트 컨버터를 적용한 마이크로 인버터를 제안한다. 제안하는 인버터는 첫 번째 단은 컨버터, 두 번째 단은 저주파 인버터로 구성되며, 정상상태 연속모드(Continuous conduction mode)에서 단상전력계통에 고역률의 정현파전류를 공급할 수 있는 새로운 구조이다. 강압시 벅 모드로 동작하며, 승압시 부스트 모드로 동작한다.
첫 번째 단 컨버터는 탭 인덕터와 스위치드 커패시터를 적용함으로써 고효율을 달성 할 수 있는 컨버터이다. 탭 인덕터를 적용하여 높은 입출력 전압 이득을 얻을 수 있고, 기존의 인덕터 코어를 사용하기 때문에 회로에 부가적인 소자가 필요하지 않다. 게다가 탭 인덕터의 권선비를 조절함으로 컨버터의 동작점에서 스위치의 시비율을 조절할 수 있어서 스위치의 도통손실과 다이오드의 역전압 회복 문제(Reverse recovery problem)를 줄임으로 효율과 EMI(Electro-Magnetic Interference) 노이즈의 개선할 수 있는 장점이 있다. 또한 스위치드 커패시터를 적용하여 각 소자의 스트레스를 감소시켜 효율을 높일 수 있다.
두 번째 단인 저주파 인버터는 컨버터 단의 출력을 공급받아, 상용 전원에 공급하기 위해 낮은 주파수를 사용하는 전파정류 인버터가 고역률의 교류 파형으로 변환하게 된다.
본 논문에서는 제안된 마이크로 인버터의 동작특성에 대하여 설명하고 설계 방법 및 최대 효율에 관하여 수식적으로 정리하였다. 또한 이를 시뮬레이션과 실제 100W급 하드웨어를 통해 검증하였다.
목차
국문초록 ⅳ영문초록 ⅴ제 1 장 서론 11.1 연구의 배경 및 목적 11.2 고승압 DC-DC 컨버터 21.3 탭 인덕터(Tapped-Inductor) 41.4 스위치드 커패시터 셀(Switched Capacitor Cell)) 61.5 Saturable Inductor 71.6 논문의 구성 8제 2 장 탭 인덕터 스위치드 커패시터를 적용한 벅-부스트 컨버터 102.1 기존의 승압형 컨버터 102.2 기존의 절연형 포워드 플라이백 컨버터 112.3 기존의 탭-인덕터 부스트 컨버터 122.4 제안하는 컨버터의 구조 132.4.1 탭-인덕터 스위치드 커패시터 벅-부스트 컨버터 132.4.2 탭-인덕터 스위치드 커패시터 벅-부스트 컨버터 부스트 모드 152.4.3 탭-인덕터 스위치드 커패시터 벅-부스트 컨버터 벅 모드 162.5 제안된 컨버터의 동작 특성 182.5.1 제안된 컨버터의 부스트 모드 동작 특성 182.5.2 제안된 컨버터의 벅 모드 동작 특성 202.6 제안된 컨버터의 정상상태 해석 222.7 동작 특성 시뮬레이션 26제 3 장 컨버터 설계 313.1 STS 벅-부스트 컨버터의 설계 313.2 변압기와 인덕터의 설계 313.3 MOSFET 설계 343.4 다이오드 설계 36제 4 장 STS 벅-부스트 컨버터를 적용한 마이크로 인버터 374.1 마이크로 인버터 374.2 STS 벅-부스트 컨버터를 적용한 마이크로 인버터 394.3 제안하는 마이크로 인버터의 동작특성 404.4 PWM modulation 41제 5 장 소신호 모델링 435.1 동특성 전달함수 435.2 보상기 설계 47제 6 장 하드웨어 실험 506.1 실험의 구성 506.2 제안된 인버터의 동작특성 516.3 제안된 인버터의 효율특성 536.4 제안된 인버터의 효율특성 분석 53제 7 장 결론 56참고문헌 58
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