최근 선박, 교량, 자동차, 건축 및 철골 분야 등 국내의 용접산업 규모는 세계의 최상위권에 진입해 있어 우리나라가 세계를 리드하는 수준에 도달했다고 할 수 있다. 하지만 이러한 산업의 눈부신 발전에 비해 현재 국내의 용접기기 생산기술은 영세적인 수준에 머물러 있어 선진사에 비해 기술적인 격차가 크고 품질면에서 떨어져 있다.
대용량 전력소자 개발로 인해 선진사에서는 용접기의 휴대성 증대, 효율 향상, 정밀한 출력 제어를 지향하기 위한 기술개발이 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 기술개발로는 용접기 출력의 고성능을 위한 제어 주파수의 향상과 용접기의 휴대성을 증대시키기 위한 인버터부 동작주파수의 고속화가 있다.
국내 대부분의 용접 관련 기술들은 선진사로부터 도입되어 사용되고 있다. 하지만 이 도입된 기술들이 낙후되어 현재 우리나라의 인버터 제어식 용접전원 동작주파수는 약 10-20kHz 수준이다. 반면 선진사에서는 100kHz 이상의 고속 동작주파수를 갖는 디지털 인버터 제어식 용접전원들을 출시하고 있고, ms제어에서 μs제어로 현상제어의 고속화 기술을 도입하고 있다. 따라서 국내에서도 선진사 기술 트렌드에 맞는 용접전원장치의 고주파수 동작 및 제어 기술개발이 요구된다.
용접전원장치는 용접에 필요한 출력을 발생시키는 장치로써, 3상 220V 또는 440V의 계통 전압을 입력으로 받아 용접에 필요한 42-50V의 저전압, 300-600A의 대전류 출력을 발생시키는 장치이다. 일반적인 용접전원장치는 3상 계통전압을 정류하는 3레그 브리지 다이오드, 직류전압 평활용 정류 커패시터, 용접에 필요한 전압 및 전류 발생을 위한 절연형 직류-직류 컨버터로 구성되어 있다. 이 때, 3레그 브리지 다이오드를 통해 정류된 전압이 절연형 직류-직류 컨버터의 입력전압이 되며, 220V일 경우 약 311V, 440V일 경우 622V가 된다.
기존 용접전원장치는 절연형 직류-직류 컨버터로 저전압, 대전류 출력에 적합한 위상천이 풀브리지 컨버터를 주로 채택하여 제품화가 되고 있다. 이렇게 제작된 기존 용접전원장치는 10-30kW정도의 대전력에 적합한 스위칭 소자인 IGBT를 적용한 10-20kHz의 하드 스위칭 방식이 일반적이다. 이러한 기존 용접전원장치는 계통 입력전압 220V 또는 440V 전용으로 개발되어왔다. 그 이유는 기존 위상천이 풀브리지 컨버터의 단점 때문이다. 앞서 설명했던 것과 같이, 인가되는 계통 입력전압에 따라 절연형 직류-직류 컨버터의 입력전압이 두 배 차이가 나게 되고 이는 기존 위상천이 풀브리지 컨버터의 단점이 두드러지게 된다. 기존 위상천이 풀브리지 컨버터는 입력전압 범위가 넓을수록 제어 변수인 듀티 변동이 커진다. 따라서 높은 입력전압에서 작은 듀티로 인해 큰 순환전류가 존재한다. 이는 스위치의 전류스트레스에 악영향을 주어 스위치 비용측면에서 불리하게 된다. 또한 이차측 정류단 전압스트레스가 커져 스너버 회로의 손실이 급격하게 증가하는 문제가 있다. 이 두 가지 단점 때문에 전력변환효율이 낮고, 정류단에 높은 전압정격의 다이오드를 사용하거나 스너버 회로의 부피로 인해 전력밀도측면에서 불리하게 설계되는 상황을 초래한다.
본 논문에서는 기존 위상천이 풀브리지 컨버터의 단점들을 극복한 220V, 440V 계통입력전압을 혼용할 수 있는 새로운 토폴로지인 3-레그 인버터 타입의 절연형 직류-직류 컨버터가 제안된다. 제안된 토폴로지는 기존의 위상천이 풀브리지 컨버터와 이차측 구조는 동일하다. 반면에 일차측 구조는 3-레그 인버터 구조와 2개의 일차측 권선이 직렬로 연결된 변압기로 구성된다. 이러한 일차측 구조로 인해 기존 위상천이 풀브리지 컨버터보다 더욱 넓은 입력전압 범위에서 동작할 수 있으며, 입력전압 조건에 따라 변압기의 유효 턴 비를 변화시켜 앞서 언급했던 문제점들을 해결한다. 이러한 효율 향상은 가용할 수 있는 컨버터의 주파수를 상향시켜 현재 국내에서 일반적으로 사용되는 20kHz 동작주파수가 아닌 100kHz 동작주파수 사용을 가능하게 한다. 고주파 사용으로 인해 인덕터, 커패시터, 변압기 등 수동 소자의 크기를 줄일 수 있고, IGBT를 사용하는 기존 용접전원장치보다 훨씬 더 넓은 제어대역폭의 설계가 가능하다. 제안된 토폴로지의 성능 검증을 위해 스위칭 주파수 100kHz, 입력전압 311-622V, 출력 50V, 6kW급 시제품을 설계 및 제작하였고, 그 연구결과를 본 논문에서 발표한다.

Currently, the scale of the welding industry in Korea, for purposes such as shipbuilding, bridges, automobiles, construction, and steel structures, is at the top of the world, and Korea has reached the level of leading the world in the welding field. However, compared to the remarkable development of the area, Korea''s welding equipment production technology remains minor with a considerable technical gap and low quality compared to advanced companies.
Due to the development of large-capacity power devices, advanced companies are actively developing technologies to increase the portability, improve efficiency, and increase the precision output control of the welding machine. Such technological developments include control frequency improvement to enhance welding machine output and high inverter operation frequency to increase the welding machine portability.
Most of the current welding-related technologies in Korea originated from advanced companies. However, as these technologies are outdated, the operating frequency of inverter-controlled welding power supplies in Korea ranges from 10-20 kHz. On the other hand, advanced companies began to release digital inverter-controlled welding power supplies with a high-speed operating frequency of 100 kHz or higher and introduce high-speed development control technology from ms to μs control. Therefore, it is necessary to develop high-frequency operation and control technology of welding power supply devices that meet the advanced technology trends in Korea.
The welding power supply, a power source for welding, receives a three-phase 220V or 440V system voltage as an input and generates a low voltage of 42-50V and the high current output 300-600A required for welding. A typical welding power supply consists of a three-leg bridge diode to rectify the three-phase grid voltage, a DC smoothing rectifier capacitor, and an insulated DC-DC converter to generate the voltage-current for welding. The rectified voltage through the three-leg bridge diode is used as the input voltage of the insulated DC-DC converter, which is about 311V and 622V in 220V and 440V, respectively.
For existing welding power supplies, insulated DC-DC converters mainly adopt phase-shifted full-bridge converters suitable for low voltage and high current output. In these welding power supply devices, a hard switching method of 10-20 kHz using IGBT, a switching element suitable for high power of about 10-30kW, is standard. These existing welding power supplies have been developed exclusively for the system input voltage 220V or 440V because of the disadvantages of the current phase-shifted full-bridge converter.
As stated above, the input voltage of the insulated DC-DC converter is doubled depending on the applied system input voltage, which is a significant disadvantage of the current phase-shifted full-bridge converter. The larger the input voltage range in conventional phase-shifted full-bridge converters, the higher the control variable duty fluctuation. Therefore, a small duty causes sizable circulating currents at a high input voltage, adversely affecting the switch''s current stress and driving the cost disadvantages. Also, the loss of the snubber circuit increases rapidly due to the increase in the secondary rectification stage''s voltage stress. These two disadvantages lead to unproductive power conversion, diode application with a high voltage rating at the rectification end, and inefficient design regarding power density due to the snubber circuit volume.
This paper proposes a three-leg inverter type insulated DC-DC converter, a new topology capable of mixing 220V and 440V grid input voltages, overcoming the disadvantages of the existing phase-shifted full-bridge converter. The proposed topology has the same secondary side structure as the conventional phase-shifted full-bridge converter, but the primary side structure consists of a three-leg inverter structure and a transformer in which two primary windings are connected in series. Due to the primary-side design, it is possible to operate in the broader input voltage range than the conventional phase-shifted full-bridge converter and solve the problems mentioned earlier by changing the transformer''s effective turn ratio to the input voltage condition.
This efficiency improvement increases the usable frequency, enabling 100 kHz operating frequency, instead of the 20 kHz commonly used in Korea. High frequency reduces the size of passive elements such as inductors, capacitors, and transformers and achieves a much wider control bandwidth than conventional welding power supplies with IGBTs. To verify the topology performance as proposed, we designed and manufactured a 6kW prototype with 100kHz switching frequency, 311-622V input voltage, and 50V output, presenting the test results in this paper.