1 서 론
전력용 반도체 스위칭소자의 응용을 주체로 한 전력전자기술은 전력이용 기술의 2차 혁명을 가져왔다고 말할 정도로 최근 수년 동안 가전기기 분야에서 기간산업 분야에 이르기까지 전기 에너지를 자유롭게 조정하는 수단으로 눈부신 발전을 거듭하고 있다[1-3]. 전력전자 응용기술은 전동기 가변속 구동시스템 기술과 정지형 전력변환 전원 시스템 기술로 대별 할 수 있다. 그 중에서도 정지형 전력변환 전원시스템 기술은 다양한 에너지 변환 형태로 각종 부하대상 기기의 인터페이스 관련 기술로서 고속스위칭 반도체소자의 제조기술 발달과 함께 꾸준히 연구되어져 왔다.
고주파전력용 반도체소자가 실용화됨에 따라 이들 소자를 이용한 정지형 전력변환 전원시스템 기술은 시스템의 고효율 및 소형 경량화를 위해 다양한 변환회로가 연구개발 되고 있다[4-9].
정지형 전력변환 전원시스템회로 구성으로서는 1980년대 초까지 비공진형 회로가 많이 이용되어져 왔고, 그 이후 공진형 회로구성이 각광을 받기 시작하여 현재에 이르고 있다. 비공진형은 회로구성은 일반적으로 중소용량의 정지형 전력변환 전원 시스템에 적용되어 사용전압과 전류값이 적고, 출력제어 범위가 넓은 특징을 가지고 있는 펄스폭 변조(PWM : Pulse Width Modulation)제어방식이 사용되고 있다[10-13].
그러나 PWM방식은 스위칭시 스위치에 인가되는 전압 및 전류값이 급격히 증가 혹은 감소하는 하드 스위칭동작으로서 스위칭손실 및 스트레스가 크기 때문에 고주파화에는 한계가 있다.
한편, 공진형 회로방식은 스위치 온?오프시 스위치에 인가되는 전압?전류파형이 정현파상으로 나타나므로, 비교적 소프트 스위칭동작을 행할 수 있고, 스위칭손실도 저감 시킬 수 있기 때문에 고주파화를 실현 시킬 수 있는 회로방식이다.
상기의 공진형 전력변환기술을 도입한 회로방식으로는 부하 전체를 공진에 이용하여 소프트 스위칭을 실현할 수 있는 부하공진형과 PWM 스위칭회로에 턴?온 또는 턴?오프시에만 공진을 이용하여 소프트 스위칭이 가능하게 한 부분 공진형으로 대별되고 있다.
최근에는 공진형 전력변환 회로기술을 적극 도입해, 수 10[kHz]에서 수 [MHz]대인 고주파영역에서 스위칭동작을 실현하여 장치의 소형화, 고효율화, 저잡음화 및 제어성능 향상, 고밀도 에너지변환 등의 이점이 있어 광범위하게 응용되고 있다[14-18].
공진형 전력변환 회로기술 중에서도 교류 출력주파수의 고주파화를 실현 할 수 있는 부하 공진형 고주파인버터는 유도가열 부하계, 강력 초음파 발진기, 인버터 링크형 직류가변전원, 의료기기 등의 전원시스템으로 응용되어지고 있다.
고주파 인버터를 이용한 응용분야 중에서도 유도가열 시스템응용은 가스 혹은 전열에 비해 화기가 없기 때문에 안전하고, 주위온도의 상승이 비교적 없고, 공기를 오염시키지 않는 청결성 등의 장점이 있어 공업용 열처리 분야 혹은 주방기기의 전원 등에 적극 이용되고 있으며, 현재까지도 다양한 회로구성을 연구 개발하고 있다[19-24].
최근 산업의 발달과 더불어 경제와 문화수준이 향상됨에 따라 에너지 자원의 효율적인 이용이 강조되고, 깨끗한 자연환경에 대한 욕구가 높아지고 있다. 이에 부응하기 위해 전력전자분야에서도 새로운 전력용 반도체 스위칭소자의 개발과 이를 이용한 전기에너지 변환에 대한 제어응용기술의 진보에 의해 그의 응용범위가 계속 넓어지고 있으므로 이에 따른 이론적 근거를 체계적으로 뒷받침 해줄 필요성이 요구되고 있다.
이러한 신형 전력용 반도체소자는 산업용 기기를 비롯하여 정보처리장치, 전자통신 응용기기 등이 고밀도, 복합화 됨에 따라 고내압, 대전류, 고속화, 고집적화 등에 대한 대용량 전원의 수요가 증대하고 있어 속응성 및 신뢰성이 높고 소형, 경량이면서 출력전력밀도가 큰 양질의 일정전압·일정주파수(CVCF : Constant Voltage Constant Frequency)기능을 갖는 정현파인버터와 가변주파수·가변전압(VVVF : Variable Voltage Variable Frequency)의 기능을 가진 고주파인버터 및 다양한 직류전원을 필요로 하는 컨버터 등의 전력변환 시스템이 연구되고 있다[25-27].
종래의 전력변환장치는 전력용 스위칭소자로 사이리스터나 트랜지스터 등을 이용하여 스위칭 주파수가 수 [kHz]정도인 저주파 대용량으로 시스템화하고 있다.
한편, 최근에 사용되는 신형 전력용 반도체 스위칭소자 즉, Power-MOSFET, IGCT 및 IGBT등은 구동 전력소모가 적고 스위칭속도가 빠르며, 중소용량인 수십 [kHz] ∼ 수 [MHz]까지의 고주파 스위칭 동작이 가능해 전력변환 장치에 적극 이용되고 있다. 이러한 고속용 전력 반도체소자의 스위칭기술을 이용한 고주파 인버터는 출력주파수를 고주파 스위칭을 할 수 있으므로 공업용 가열시스템에서 가전기기 전원시스템 등에 다양하게 적용되어 시스템의 소형화, 경량화 및 저가격화를 실현 할 수 있다[28-29]. 일반적으로 많이 사용되고 있는 고주파 인버터의 주회로 형식으로서는 풀-브리지, 하프-브리지 및 SEPP형태이며, 이들 회로의 특성해석을 행할 경우, 회로 해석의 편리성을 위해 스위칭 소자를 이상적인 스위칭소자로 가정하였다.
그러나 실제 장치에서는 스위칭소자의 턴ㆍ온 시간과 턴ㆍ오프 시간이 존재하며 High side 및 Low side 스위칭 소자의 스위칭 시 High side 및 Low side 스위칭 소자의 각 상 레그(phase leg) 단락에 의한 스위칭 소자 과열이나 스위칭 소자 파괴가 발생할 가능성이 있으므로 일반적으로 단락 방지 시간, 즉, 적절한 데드타임을 설정하여 운전하고 있다.
본 논문에서는 전자조리기, 방전등용 고주파 전자식 안정기, 공진 인버터 Link Type DC-DC컨버터 등에 많이 응용되고 있는 D급 전압형 고주파 공진 인버터의 한 회로형식인 SEPP(Single Ended Push Pull)형을 기본으로 하였다.
최근 고주파 가열장치, 플라즈마 발생장치 등의 산업용 전력변환 제어기기를 비롯하여, 각종 전력용 스위칭전원 및 방송용 고출력 증폭장치 등에 초소형, 초고밀도 전원장치가 제품의 핵심 기술로 부상되고 있다. 이를 위해 Power-MOSFET, IGBT, SIT 등을 이용한 주 전력변환회로에서 큰 부피를 차지하고 있는 리액티브 소자를 소형화하기 위해서는 스위칭 소자의 고주파 구동이 필수적이다[30-33].
전력용 스위칭 반도체소자를 고속 동작으로 함에 따른 문제점으로서는 스위칭 시에 발생하는 스위칭손실의 증가를 들 수 있다. 이 손실의 증가는 장치 전체의 효율 저하 및 발열에 의한 소자 파괴를 유발시킬 뿐만 아니라 냉각장치의 대형화가 필요 불가결하므로 신뢰성 및 보수 관리상의 문제가 있다.
또한 기존의 PWM방식에서는, 고주파화를 실현시키는데 있어, 스위치에 걸리는 전압 혹은 전류파가 구형파로 되어 지고, 이로 인해, 회로 내의 누설인덕턴스, 스위칭소자의 Charge Dump등으로 인한 큰 , stress등으로 인해, 고주파화에는 한계가 있어, 이를 극복하기 위한 한 방편으로 공진형이 제안되고 있다.
회로 출력주파수의 고주파화에 따른 스위칭손실을 저감시킬 수 있는 기술로는 E급 스위칭, ZVS(Zero-Voltage Switching) 및 ZCS(Zero-Current Switching)등이 제안되고 있다[34-41].
전력변환회로에 ZVS, ZCS기술의 도입으로 스위치의 전압, 전류만 공진형이 되게 하는 소프트 스위칭방식, 멀티공진방식 등의 공진 스위칭 방식과 부하 전체가 공진을 이용하는 부하 공진형 방식 등에 이러한 기술 등이 이용되고 있다.
본 논문의 연구 대상 시스템인 가전용 유도가열 전원시스템(전자 가열 조리기, IH-Jar)은 고주파 자계에 의한 유도전류를 열원으로 사용하기 때문에 불을 사용하는 종래의 조리기에 비해 청결하고 안전하며, 열효율이 우수하다는 장점 때문에 부품최소화, 저가격화 및 고기능화, 편리성 등을 개선하기 위하여 새로운 회로방식이 계속 연구되고 있다.
따라서 본 논문에서는 상술한 기술적 배경을 토대로 하여 유도가열 조리기 및 IH-Jar용 전원시스템을 대상으로 하는 부하공진형 고주파인버터 회로를 제안하여, 그 동작원리 및 특징에 대해서 기술하고 있으며, 각 장 연구내용의 개요는 다음과 같다.
제 2장에서는 본 논문에서 제안하고 있는 인버터의 부하는 유도가열 부하계로 상정하고 있는데 입력측에서 고주파 전류가 유입되었을 때, 유도가열 부하계에 있는 부하시료(work piece)가 어떻게 가열되는지에 대한 유도가열의 원리와 출력 주파수에 따른 부하시료의 침투깊이특성, 그리고 발열 특성 등을 나타내고 있다.
3장에서는 D급 전압형 고주파 공진형 인버터를 기본으로 하여, 유도가열 부하계의 상호유도 인덕턴스를 고려한 IH-Ja를 부하 모델로 한 D급 전압형 고주파 공진형 인버터회로를 연구대상으로 하여, 그 동작원리 및 특성을 (Frequency Modulation + Fixed Pulse Width Modulation : 이하 PFM이라 칭함) 제어, (Fixed Frequency Modulation + Dual PWM : 이하 FFDPWM이라 칭함) 제어 및 (Fixed Frequency Modulation + Single PWM : 이하 FFSPWM이라 칭함) 제어를 고려해 구동신호(, ) 패턴별로 회로해석과 특성평가를 수행한다.
동작특성해석 및 특성평가는 범용성을 주기 위해 무차원화 파라메타를 도입하였으며, 설계 전 단계에 필요한 과도 및 정상특성, 안정동작영역, 출력 전력특성, 스위칭 소자 전류특성, 커패시터 전압 특성 등을 수치해석에 의해 정량적으로 제시하며, 특성평가를 통해 얻은 특성값을 기초로 한 회로 설계법을 토대로 1.3[kW] 및 1.8[kW] 입력을 가지는 IH-Jar의 회로 설계의 일예도 제시한다.
4장에서는 3장에서 연구 검토한 상호 인덕턴스를 고려한 D급 SEPP(Single Ended Push Pull) 전압형 고주파 인버터에 유도가열 부하계(예로 IH-Jar등)를 모델로 선정하여 부하 공진 방식의 고주파 인버터의 한 회로형식에 대해 연구하였으며, 실제 IH-Jar를 운전 할 경우, 스위치의 스위칭 시 턴-온 및 턴-오프 손실이 발생하는데 이러한 손실을 저감하기 위해 스위치 양단 전압이 “0”인 상태에서 턴-온 시키는 영전압스위칭(Zero Voltage Switching : ZVS)기술과 상하스위치 양단에 저손실 턴-오프 스너버 커패시터()를 병렬로 추가함으로써 스위치 턴-오프 시 스위치 손실을 저감할 수 있는 저손실 턴-오프 스너버 기술을 채택한다.
또한, 회로해석의 범용성을 주기위해 고주파 공진 Inverter해석 및 설계법 등을 무차원화 파라메타를 도입해 회로의 동작 특성을 행하였으며, 특성평가에서 얻은 특성값을 기초한 회로 설계 기법을 통해 IH-Jar회로에 사용되는 파라메타를 제시한다.
또한 회로설계기법의 정당성을 입증하기 위해 본 논문에서 제안한 HLS-ZVS?LTSC를 고려한 D급 SEPP형 고주파 공진 인버터의 전체 제어 시스템을 구성하는 펄스 생성 블럭의 555 Timer 설계, Dead time 설계, 555 Timer 제어 전압 설계, IH-Jar 용기 검출, Reset Hold Circuit 설계, IGBT Driver 설계를 수행한다.
스위칭 소자로써 IGBT를 이용한 실험을 통해 본 논문에서 제안한 HLS-ZVS?LTSC를 고려한 D급 SEPP형 고주파 공진 인버터 회로에 대한 이론 해석의 정당성과 IH-Jar 응용 분야에 대한 실현 가능성을 입증한다.
첨가해, 유도가열 조리기(Induction Heating Jar : IH-Jar)는 높은 효율과 빠른 가열시간, 가열부위 조정의 용이성 등으로 인해 많은 각광을 받고 있으며, 용기의 표면에서 원하는 온도분포를 얻기 위한 최적설계를 위해서는 조리기 내의 정확한 자장계산과 열해석이 선행되어야한다.
따라서 본 연구의 부록Ⅰ에 전자장 수치해석 방법 중 해석모델의 복잡한 형상을 쉽게 고려할 수 있는 유한요소법을 이용하여 IH-Jar내의 자장해석을 행하고 계산된 와전류분포로부터 열원을 계산하여 피가열용기 내부의 온도분포를 구한 데이터를 나타내고 있다.