캐스케이드 H-브릿지 모듈라 셀 기반 반도체 스위칭 방식의 양극성 펄스 모듈레이터 :Bipolar solid-state pulsed power modulator based on cascaded H-bridge modular cell

송승호

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자료유형: 학위논문

저자정보: 송승호 (중앙대학교, 중앙대학교 대학원)

지도교수: 류홍제

발행연도: 2021

저작권: 중앙대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

캐스케이드 H-브릿지 모듈라 셀 기반 반도체 스위칭 방식의 양극성 펄스 모듈레이터

송승호 에너지공학과 2021.01 학위논문

2020

마이크로파 발생 응용을 위한 반도체 기반 고전압 펄스 모듈레이터

송승호 , 이승희 , 류홍제 전력전자학회 학술대회 논문집 2020.11 학술대회자료

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최근, 고반복 펄스 응용분야를 중심으로 반도체 소자 기반의 펄스 모듈레이터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 플라즈마 응용분야에서는 양극성 펄스 모듈레이터의 적용이 확대되고 있으며 의료, 식품처리, 살균, 농업분야에서 단극성 펄스 모듈레이터에 비해 효과적임이 검증되었다. 하지만 양극성 펄스의 생성을 위해서는 단극성 펄스의 생성에 비해 많은 수의 방전 스위치가 요구되며 각 스위치에 절연된 전력과 동기화된 신호의 공급을 위한 게이트 회로의 구현에 많은 어려움이 존재한다.
본 연구는 고전압 양극성 펄스 모듈레이터의 설계, 구현 및 실험에 대한 내용으로, 캐스케이드 H-브릿지 멀티레벨 컨버터 구조를 펄스전원 응용분야에 적용하기 위해 수kW급으로 소형 경량화 시키고, 다중권선 변압기를 이용한 병렬충전 회로와 두 개의 인버터와 고전압케이블로 구성된 컨트롤 게이트 루프 구조를 적용한 양극성 펄스 모듈레이터를 제안한다.
제안된 양극성 모듈레이터의 충전기는 다중권선 변압기를 이용하여 충전을 위한 별도의 보조 스위치 없이 모든 스토리지 커패시터에 절연된 충전전력을 공급하고 변압기의 3차 권선을 추가하여 커패시터 간의 전압 불평형을 해결하였다.
제안된 양극성 컨트롤 게이트 루프는 모듈라 셀의 수와 무관하게 두 개의 인버터와 고전압 케이블만으로 모든 스위치에 절연된 전력과 동기화된 신호의 공급을 만족시켰으며 펄스폭 및 반복율의 자유로운 제어가 가능하다. 또한, 능동 풀다운을 위한 스위치나 회로의 추가 없이 H-브릿지 모듈라 셀의 내부 방전 스위치만으로 효과적인 능동 풀다운 동작이 구현 되었다.
제안된 양극성 펄스 모듈레이터는 효용성의 검증을 위해 정격전압 10kV, 정격 전류 100A, 최대 평균전력 2kW, 펄스폭 1-10μs, 최대 반복율 3kHz의 사양으로 구현되었으며, 저항부하를 이용한 다양한 조건의 출력실험을 통해 펄스폭 및 출력전압의 자유로운 제어와 10kV, 100A의 정격 조건에서 안정적인 펄스출력이 가능함을 검증하였다. 최종적으로 Dielectric Barrier Discharge(DBD) 플라즈마 활성수 제조 응용실험이 진행되었다. 기존 DBD 응용 분야에 사용되는 정현파 형태의 펄스 출력 전원과 비교하여 수소이온은 1.9배, NO3이온은 1.7배 많은 생산량을 달성하였으며 제안된 양극성 펄스 모듈레이터가 DBD 플라즈마 응용분야에 효과적으로 적용 가능함을 확인하였다.
제안된 양극성 펄스 모듈레이터는 추후 게이트 회로의 개별 동작을 구현하고 고전압 멀티레벨 PWM을 생성하여 고전압 응용분야에 확대 적용할 예정이다.

Recently, studies on a solid-state pulsed power modulator have been actively conducted, with a focus on high repetition rate pulse power applications. In addition, applications of a bipolar pulsed power modulator are expanding in plasma application fields, and it has been proven to be more effective than an unipolar pulsed power modulator in the medical, food processing, sterilization, and agricultural fields. However, in order to generate a bipolar pulse, a large number of discharge switches are required compared to the generation of a unipolar pulse. It is difficult to implement a gate driver for supplying an isolated power and a synchronized signal to each switch.
This study relates to a design, implementation, and experiment of a high-voltage bipolar pulsed power modulator based on a cascaded H-bridge modular cell. In order to apply the cascaded H-bridge multi-level converter structure to the pulsed power application field, a bipolar pulse modulator of several kW class was designed.
The charging circuit of the proposed modulator uses a multi-winding transformer to supply isolated power to all storage capacitors without a separate auxiliary switch for charging. Additionally, voltage unbalance between capacitors is compensated through the tertiary winding of the transformer.
The proposed gate driving system satisfies supply of isolated power and synchronized signal to all switches as
well as control of pulse width and repetition rate with only two inverters and high voltage cables regardless of the number of modular cells. In addition, an effective active pull-down operation was implemented only with the discharge switch inside the H-bridge modular cell without adding an auxiliary switch or circuit.
The proposed bipolar pulsed power modulator was implemented with specifications of rated voltage of 10kV, rated current of 100A, maximum average power of 2kW, pulse width of 1-10μs, and maximum repetition rate of 3kHz. The prototype modulator was tested under various conditions using a resistive load. The control operation of the pulse width, repetition rate, and output voltage of the control gate loop and the pulse output under the rated condition of the modular cell were verified through the test. Finally, Dielectric Barrier Discharge(DBD) plasma activated water production experiment was performed. Compared to the experimental results using sinusoidal pulses used in the existing DBD plasma field, hydrogen ions produced 1.9 times and NO 3 ions produced 1.7 times more. It was verified that the proposed bipolar pulse modulator can be effectively applied to DBD plasma applications.
The proposed bipolar pulse modulator will implement the individual operation of the gate circuit in the future and generate high-voltage multi-level PWM to be applied to high-voltage applications.

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1장 서론 1
2장 반도체 스위치 기반 양극성 펄스 모듈레이터 고찰 5
1절 펄스 파워 시스템 5
2절 반도체 스위치 기반 펄스 모듈레이터 11
3절 반도체 스위치 기반 양극성 펄스 모듈레이터 17
3장 제안하는 양극성 펄스 모듈레이터 설계 20
1절 제안하는 펄스 모듈레이터의 구조설계 21
2절 LCC 공진형 컨버터 기반 고전압 충전기 설계 24
3절 Cascaded H-Bridge Converter 기반의 펄스 방전 부 설계 39
4절 제안하는 반도체 기반 양극성 펄스 모듈레이터 시뮬레이션 60
4장 제안하는 양극성 펄스 모듈레이터의 제작 및 실험 69
1절 제안하는 양극성 펄스 모듈레이터의 제작 70
2절 저항부하를 사용한 모듈레이터의 성능시험 83
3절 플라즈마 응용 실부하 시험 93
5장 결론 99
참고문헌 105
국문초록 115
ABSTRACT 117

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