제7장 직류전력 제어

제7장

직류전력 제어

다상한 초퍼 회로

각 초퍼에 의한 전류 분담으로

다상(Multi-phase) 초퍼회로

강압초퍼는 부하를 단독으로 분담함

다상 초퍼(multiphase chopper)는

2상 초퍼

주기 T내에 또 다른 주기

T

2상 초퍼회로의 동작

T

T

à 각 초퍼의 병렬 수만큼의 주기 존재

T

= 2T

8 . 0

4 .

0 ® =

= a

a

2상 초퍼회로의 실험파형

- 두 전류의 파형은 동일하지만

2상 초퍼회로의 동작

초퍼 전류 1

초퍼 전류 2

2상 초퍼회로의 동작

T

T

≠ 2T

5 . 0 a >

초퍼에 출력 변동발생

T

2상 초퍼회로의 입력전류에서

- 듀티싸이클의 크기 > 0.5로 되면

- 입력전류가 부분적으로 중첩,증대됨 이 될 경우

2상 초퍼회로의 동작( 일 경우의 예시) a > 0 . 5

2상 초퍼회로의 입력전류에서

- 듀티싸이클의 크기 > 0.5로 되면

초퍼회로의 다상화

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

다상 초퍼회로의 다상화 구조

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 )

( > t i

강압 초퍼에 의해

전원의 에너지가 부하측으로

공급됨(정전류방향)

2상한 초퍼회로

승압초퍼

0 )

( < t i

승압 초퍼에 의해

부하의 에너지가 직류전원으로 회생됨(전류방향 반대)

각 구조 및 동작

회생제동의 동작중

직류전동기의 에너지가 직류측으로 반환됨 -직류모선의 전압이 20%이상 상승되면 제동

저항 R

를 통해 열로 소모시킴

0 )

( < t i

2상한 초퍼회로 ^{각 구조 및 동작}

2상한 초퍼회로의 동작(요약)

직류모선의 허용전압

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 운전

0 ) ( , 0 )

0(t > i t >

v _o

4개의 스위칭 모드

2) 승압초퍼 모드 ; TR1=OFF, TR2=스위칭, TR3 & TR4=OFF à 1(개)상한 운전 0 ) ( , 0 )

0(t > i t <

v _o

3) 2상한 초퍼모드 ; TR1 & TR2=스위칭, TR3=OFF, TR4=ON à 2개 상한 운전 0 )

( , 0 )

(t > i t ><

v

- 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

공진을 이용한 전원장치 -ZCS/ZVS으로 손실극소화

RMPS SMPS

LMPS

스위칭모드 레귤레이터의 유형

without Transformer

with

Transformer

Buck-벅 Boost

Buck-Boost Cuk -축

Flyback Forward Push-Pull

Ø

(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

(5) 포워드 컨버터(Forward converter) (6) 플라이백 컨버터(Flyback converter) (7) 푸시풀 컨버터(Push-pull converter)

(8) 하프 브리지 컨버터(Half-bridge converter)

스위칭모드 레귤레이터의 유형

RMPS의 장점

- 스위칭손실의 발생을 억제가능함

- 스위칭시 스위칭 스트레스를 크게 줄일 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

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

벅-부스트 컨버터의 동작 상태 ^SMPS

SW S

S

v

dt L di

V = +

1) SW의 ON으로

)

( t

L t V

i

=

à

만약, L에 저항이 존재하면

dt L di i

R

V

=

+

R t S

V

)

(

L

t V

v =

인덕터전압

0

SW ON 상태

벅-부스트 컨버터의 동작 상태 ^SMPS

0 = +

+

S

v V

dt L di

2) SW의 OFF로

)

( t

L t V

i

= -

à

만약, L에 저항이 존재하면

0 = +

+

S

R i V

dt L di

) 1

( )

(

R

L O S

L

R e t V

i = - -

à

O

L

t V

v ( ) = -

인덕터전압

- 0

+

SW OFF 상태

- 정상상태에서 인덕터전압의 평균은 0 이므로

- 인덕터 전압의 평균값을 구하면

O

L

t V

v ( ) = -

ON 상태의 인덕터전압

입출력 특성

OFF상태의 인덕터전압

S

L

t V

v ( ) =

{ ^{( )} } ⁰

) 1 1 (

0

= + - =

= ò

L

V t V t

dt T t T v

V

= a

=

\ V

t

벅-부스트 컨버터의 동작 상태 ^SMPS

벅-부스트 컨버터의 출력특성 ^SMPS

a a

= -

S

1

O

V V

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 = 방전중

LS= 방전중 LO= 방전중

LS= 충전중 LO= 충전중

전원과 LS의 에너지가 C로 충전

C의 에너지가 부하로 방전

OFF

축 컨버터의 동작 상태 ^SMPS

) 1 (

0 D

t S S

S

i t dt v

C dt

L di

V = + ò +

1) SW의 OFF 이므로

C S

LS

t V V

v ( = ) -

- 인덕터 L

전압 - + + - + - 0

S

C

V

V >

승압이므로

- 인덕터 L

전압 v

( t ) » - V

)

( t

L V t V

i

S O S

S

» -

à

)

( V t

t

i » -

축 컨버터의 동작 상태 ^SMPS

TR S

S

v

dt L di

V = +

2) SW의 ON 으로

)

( t

L t V

i

S S

S

=

à + - - + 0

- + + -

OFF

)

(

LS

t V

v =

- 인덕터 L

전압

- 인덕터 L

전압 v

( t ) = V

- V

à ( ) t L

V t V

i

O O C

O

= -

- 정상상태에서 인덕터전압의 평균은 0 이므로

- 인덕터 L

전압의 평균

ON 상태의 인덕터전압

입출력 특성

OFF상태의 인덕터전압

S LS

t V v ( ) =

{ ^{( )} }

) 1 1 (

0

LS

LS

V t V V t

dt T t T v

V = = ò = + -

a a

= -

=

\ 1

off on S

O

t t V

V

축 컨버터의 동작 상태 ^SMPS

O C

LO

t V V

v ( ) = -

C S

LS

t V V

v ( ) = - v

( t ) = - V

- 인덕터 L

전압의 평균

{

}

0 C O on O off

T LO

LO V V t V t

dt T t T v

V = =

ò

축 컨버터의 출력특성 ^SMPS

a a

= -

S

1

O

V V

강압영역

승압영역

(벅-부스트 컨버터와 동일)

축 컨버터의 특징

- 입력/출력전류가 연속 & 저맥동 - 스위칭손실이 적어서 고효율 - 커패시터의 충방전 전류가 큼