Power Electronics 김 재 문

목 차 1 3 2 3 Introduction of Power Electronics 목 차 3 Introduction of Power Electronics 1 2 The Basic Theory of Power Electronics Power Conversion 3

[실생활에서의 Power electronics application] Introduction of Power Electronics 스위치모드 전력 기기와 관련된 장치에 대해 다루며, 전력 공급, 신재생 에너지, 조명기기, 전기/하이브리드 자동차 등 전력변환 및 모터 구동 등의 Application에서 고효율로 전력을 제어/변환하기 위한 컨버터/인버터 이론 및 실무 학습. 세부적인 항목은 다음과 같다. 기본적인 DC-DC 컨버터 스위칭 소자와 드라이버 PWM 제어기와 안정성 절연형 컨버터 변압기/인덕터 설계 공진형 컨버터 역률 보정 DC-AC 인버터 인버터/컨버터 시스템의 사례 연구 [실생활에서의 Power electronics application]

Introduction of Power Electronics 전기적 힘의 특성(전압, 전류의 크기, 주파수)을 특정 용도에 적용 가능하도록 변환하는 여러 학문이 적용된 융합기술

Introduction of Power Electronics 전력전자를 구성하는 요소기술 전력기술 : 전력 제어를 위한 변환회로의 토폴로지 해석 및 설계, 전력부 구성 및 운전시험 전자기술 : 회로 및 소자로 구성되는 부분 마이크로 프로세서를 이용한 제어부의 설계 제어기술 : 아날로그 및 디지털 데이터로 처리되는 일련의 알고리즘 안정도, 고성능, 고효율 등 응답특성 개선

Introduction of Power electronics Solid-state Transfer Switch

New Power Electronics Application Filed : Green Energy

Application of Power Electronics 운송수단 고속철도차량, 도시철도차량 경량전철, 전기기관차 등 전기/하이브리드 자동차 전기 트럭, 버스, 건설 기계, 골프 카트 전기설비 - 발전기 변압기 대체 에너지(태양광, 풍력 연료전지 등) 의 계통 연계와 충전 FACTS HVDC 반도체 누전 제한기(limiter) 반도체 회로 차단기 산업/상업 모터 구동 시스템 전기 기기관련 시스템 펌프 / (공기)압축기 공정 제어 공정 자동화 소비재 - 공기 청정기/히터 펌프 가전제품 컴퓨터 조명기기 통신기기 무정전 전원 공급 시스템(UPS) 충전기 의료기기

Development of Power Semiconductor Device 전력용 다이오드(Power Diode) Bipolar 트랜지스터 – 1948 - 전력용 BJT(Bipolar Junction Transistor) – 1960 사이리스터(Thyristor) 혹은 SCR(Silicon controlled rectifier)- 1957 전력 MOSFETs(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) – 1970 - IR 400V 25A 전력 MOSFET - 1978 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) – 1990 - MOSFET과 BJT의 하이브리드 소자 [전력 다이오드] [BJT] [사이리스터] [전력 MOSFET] [IGBT]

[반도체 소자의 전력 용량과 주파수 범위에 따른 Application] Characteristics of Semiconductor Device 2 단자 소자 PN 다이오드 : 일반적으로 300V 이상에서 사용 Shottky 다이오드 : 일반적으로 300V이하에서 사용, 역회복 (Reverse recovery)손실이 없음 3 단자 소자 – 스위치 BJT : 고전압 차단 능력이 있다. 전력 컨버터에서 많이 쓰이지 않음 MOSFET : 보통 300V이하에서 사용. 매우 빠른 소자 IGBT : 일반적으로 300V이상에서 사용되며 BJT와 MOSFET의 하이브리드 소자(ex, IPM 소자) 사이리스터 – GTO, IGCT, MCT 등 고전압에 사용 [반도체 소자의 전력 용량과 주파수 범위에 따른 Application]

Application Field : Subway 2. 보조 전원 장치(Static InVerter) - 차량의 냉∙난방기, 조명장치, 공기압축기 및 각 제어장치에 전원을 공급하는 시스템 열차 종합 제어 시스템(TCMS) - 최신 반도체 및 소프트웨어 기술을 적용, 차량에 설치된 하부기기들로부터 정보를 수집, 제어하도록 만든 중앙집중식 차내정보제어 시스템 3. 견인 전동기(Traction Motor) 대차 또는 자체 하부에 장착되어 추진 장치로부터 전기 에너지를 공급받아 차량을 구동시키는 장치 4. 추진 제어 시스템(Propulsion Control System) - 전력 변환 장치로써 견인력을 내기 위해 모터에 적정 전력을 순시적으로 공급하는 시스템

[Fuel cell Hybrid Vehicle ] Application Field : Automobile 기술적 과제 높은 동적 성능과 고효율 모터 개발 모터 속도 제어장치 개발 고성능 배터리와 충전기 개발 엔진과 모터 사이의 기계적 균형 [Fuel cell Hybrid Vehicle ]

Application Field : Soft Type HEV

Application Field : Toyota PRIUS II - PCU

Application Field : Photovoltaic System 태양광 시스템 구성( PV system Configurations ) 태양전지(PV panel) -태양광을 받아 전기에너지를 생산 태양광 어레이(PV Array) -전기에너지를 모으기 위한 연결구조 전력변환장치(Central Converter) -태양광 어레이로부터 나오는 전기에너지를 변환하는 장치 [ 태양전지 (PV panels) ] PV Array Central Converter [ 중앙 집중식 태양광 시스템 구성 ( Centralized PV configuration ) ]

[Main components of the wind generation system ] Application Field : Wind Power System 풍력 시스템 구성 ( Wind Power System Configurations ) Wind turbine Blade -풍력을 운동에너지로 전환 Generator -운동에너지를 전기에너지로 전환 Power Converter -전기에너지를 변환하는 장치 변압기(Power Transformer) -사용자가 요구하는 형태로 승/강압 변압 [ 풍력 발전기 (100-kW wind turbine ) ] [Main components of the wind generation system ]

Application Field : Motor Speed Control 로봇공학 분야의 고성능 위치 제어 드라이브 에서 유속 조절 가능한 펌프 까지 다양

Application Field : SMPS (Switch Mode Power Supplies) 특징 컴퓨터, 통신장비, 전자악기, TV 등 작은 사이즈, 고효율, 고역률

Application Field : Electronic Ballasts 특징 낮은 전력손실 고효율, 고역률 작은 사이즈

Application Field : UPS (Uninterruptible Power Supplies) 병원, 위성 컨트롤 센터, 군용장비 등 Characteristics 전력 시스템에 문제가 발생해도 설치된 장소에 계속 전력을 제공할 수 있다. Topology 컨버터 + 배터리 + 인버터

Application Field : Aerospace

Application Field : ABB, HVDC(High Voltage Direct Current) 직류 전송라인 (바다에 해저 케이블) 제주도 발전소 DC/AC 컨버터 전라남도 해남 발전소 AC/DC 컨버터

Flexible AC Transmission System( FACTS ) Application Field : FACTS A flexible AC transmission system (FACTS) is a system composed of static equipment used for the AC transmission of electrical energy. It is meant to enhance controllability and increase power transfer capability of the network. It is generally a power electronics-based system. 스위스 ABB 회사에 의해 구현된 Flexible AC Transmission System( FACTS )

The Basic Theory of Power Electronics 전력변환의 형태 Choppers : DC/DC 컨버터 Inverters : DC/AC 컨버터 Rectifiers : AC/DC 컨버터 Cyclo-Converters : AC/AC 컨버터 -. 손실소자(저항, 선형영역 동작 소자)를 사용 피함 -. 무손실소자(인덕터, 커패시터, 스위치, 변압기)를 주로 사용 효율(efficiency)이 매우 중요함

The Basic Theory of Power Electronics 전력의 흐름과 출력 유형 1 상한 출력(one-quadrant output) : 단방향 전력흐름

The Basic Theory of Power Electronics 전력의 흐름과 출력 유형 2 상한 출력(two-quadrant output) : 양방향 전력흐름

The Basic Theory of Power Electronics 전력의 흐름과 출력 유형 4 상한 출력(four-quadrant output) : 양방향 전력흐름

The Basic Theory of Power Electronics 동작 설명을 위한 컨버터 부하는 저항-인덕터(RL Load)로 가정 S1과 S2는 부하단에 직접 연결되는 스위치로 가정 S3과 S4는 부하단에 교차 연결되는 스위치로 가정

The Basic Theory of Power Electronics 스위칭 동작에 따른 3가지 회로 상태 < 상태 0 > < 상태 1 > 상태 0 : S1 ~ S4 모두 OFF / S5 ON S5를 ON시켜서 부하 전류 Loop 생성 출력 전압은 0 입력 단자는 출력 단자와 함께 차단되어 입력전류 0 < 상태 2 > 상태 1 : S1, S2 ON / S3, S4, S5 OFF 입력 전압과 같은 극성으로 부하전압 결정 상태 2 : S3, S4 ON / S1, S2, S5 OFF 입력 전압과 반대 극성으로 부하전압 결정

The Basic Theory of Power Electronics 스위칭 동작에 따른 3가지 회로 상태 < 상태 0 > < 상태 1 > 상태 0 : S1, S5 OFF 전류가 부하단으로 흐르지 않음 상태 1 : S1 ON / S5 OFF S1을 통해 전류가 부하단으로 흐름 상태 2 : S5 ON / S1 OFF 인덕터에 저장된 에너지가 S5를 통해 환류 < 상태 2 >

The Basic Theory of Power Electronics 스위칭 동작에 따른 3가지 회로 상태 < 상태 0 > < 상태 1 > 상태 0 : S1, S2, S3, S4 OFF 전류가 부하단으로 흐르지 않음 상태 1 : S1, S2 ON / S3, S4 OFF S1, S2를 통해 전류가 부하단으로 흐름 상태 2 : S3, S4 ON / S1, S2 OFF S3, S4를 통해 전류가 부하단으로 흐름 < 상태 2 >

The Basic Theory of Power Electronics 스위칭 동작에 따른 3가지 회로 상태 < 상태 0 > < 상태 1 > 상태 0 : S1, S2, S3, S4 OFF 전류가 부하단으로 흐르지 않음 상태 1 : S1, S2 ON / S3, S4 OFF S1, S2를 통해 전류가 부하단으로 흐름 상태 1을 통해 양의 반주기 생성 상태 2 : S3, S4 ON / S1, S2 OFF S3, S4를 통해 전류가 부하단으로 흐름 상태 2을 통해 음의 반주기 생성 < 상태 2 >

The Basic Theory of Power Electronics 가정 1 : AC-DC 컨버터 (정류기, Rectifier) RL 입력은 AC 전원 양의 반주기 동안 상태 1 상태로 동작 음의 반주기 동안 상태 2 상태로 동작

The Basic Theory of Power Electronics 가정 1 : AC-DC 컨버터 (정류기, Rectifier) 출력전압 및 전류파형 입력 AC 전압 파형 양의 방향의 맥동 파형을 출력 R-L 부하의 영향으로 전류가 지연

The Basic Theory of Power Electronics [Ex.1] 입력 AC전압을 가했을 때 출력 전압과 전류 파형 ? (단, 교류와 직류 전압 모두 Peak 값을 311V[ ]로 한다.)

The Basic Theory of Power Electronics Simulation Parameter 입력 전압 Vin 220[Vrms] 주파수 f 60[Hz] 부하 저항 R 1.3 [Ω] 부하 인덕터 L 2.4 [mH]

The Basic Theory of Power Electronics 평균값(AVG) Simulation Parameter 입력 전압 Vin 198 [V] 입력 전류 Iin 152 [A] 출력 전압 Vout 출력 전류 Iout 실효값(RMS) Simulation Parameter 입력 전압 Vin 220 [V] 입력 전류 Iin 158 [A] 출력 전압 Vout 출력 전류 Iout

The Basic Theory of Power Electronics simulation 값 피상 전력(S) simulation 값 [입력 전력] 역률(PF) simulation 값 [출력 전력]

The Basic Theory of Power Electronics 성능지수 (FFT) 출력 파형이 전파로 나왔기 때문에 120Hz 마다 고조파 생성 [출력 전압, 출력 전류] [출력 전압, 출력 전류(FFT분석 후)]

The Basic Theory of Power Electronics 가정 2 : DC-AC 컨버터 (인버터, Inverter) 출력전압 및 전류파형 Inverter 입력은 DC 전원 양의 반주기 동안 상태 1 상태로 동작 음의 반주기 동안 상태 2 상태로 동작 RL부하는 Low-Pass-Filter(LPF)처럼 동작

The Basic Theory of Power Electronics 전류원/전압원 인버터 인버터의 기본적인 구성 전류원 인버터 CSI, current source inverter 직류 입력전류 I를 교류 출력전류 i로 변환 커패시터는 부하에 병렬로 연결 커패시터는 출력 전압의 평활화 전압원 인버터 VSI, voltage source inverter 직류 입력전압 V 를 교류 출력전압 v 로 변환 인덕터는 부하에 직렬로 연결 인덕터는 출력 전류의 평활화

The Basic Theory of Power Electronics 비정현파란? 정현파는 아니나 일정한 주기를 가지는 파형 전력변환장치의 입력과 출력 파형은 스위치의 주기적인 스위칭에 의해 형성되므로 보통 복잡한 모양의 비정현 주기파가 생성 비정현파의 일례 – AC 전압 및 전류를 만들기 위한 컨버터의 출력전압 파형

The Basic Theory of Power Electronics 비정현파란? [구형파 출력 전압] [구형파 출력 전압에 따른 FFT 분석] 구형파 출력 전압에 대해 FFT(Fast fourier transform) 분석을 함 – 주파수 영역(고조파 분석) 고조파 성분이 많이 함유 되어 있다는 것은 비정현파 근접을 의미

The Basic Theory of Power Electronics 푸리에 급수에 의한 전개 비정현파 = dc 성분 + ac 성분 = dc 성분 + 기본파 + 고조파 기본파 : 주기파의 주기 T에 대한 기본주파수 f를 갖는 정현파 고조파 : 기본 주파수의 정수배의 주파수를 갖는 정현파

The Basic Theory of Power Electronics 비정현 주기파의 기본 시간에 대한 함수를 가정 : 시간에 대한 주기함수 실효값 평균값

The Basic Theory of Power Electronics 실효값과 평균값 실효값 어떤 저항 R에 교류전류 i를 흘렸을 때의 평균 소비전력과 직류전류 I를 같은 저항 R에 흘렸을 때의 소비전력이 같다면, 실제로 i와 I는 같은 효과를 가지므로 직류 I의 값을 교류의 실효값

일반적으로 평균값이라고 하면 직류 평균값을 의미 The Basic Theory of Power Electronics 실효값과 평균값 평균값 직류 평균값 일반적으로 평균값이라고 하면 직류 평균값을 의미 교류 평균값 교류 평균값은 정류 평균값이라고도 함

The Basic Theory of Power Electronics 비정현 주기파의 기본 AC 성분(ripple) AC 성분의 실효값 비정현 주기파의 실효값 RF(ripple factor)

The Basic Theory of Power Electronics 출력전압 파형의 성분 분석 출력전압의 평균값 출력전압의 실효값 출력전압 파형 출력전압의 ac 성분(ripple) 전압의 리플률

The Basic Theory of Power Electronics 출력전류의 성분 분석 전류의 리플률 전류의 리플률은 전압의 리플률보다 35.4%가 낮음 즉, 전류 리플이 작음 인덕터를 더 크게 사용하면 리플이 작아짐 출력전류 파형

The Basic Theory of Power Electronics 정류기(Rectifier) PSIM활용 정류기 시뮬레이션

The Basic Theory of Power Electronics 출력전압 성분 분석 [ 정류기 입력 전압] [ 정류기 부하 전류, 출력 전압]

The Basic Theory of Power Electronics 푸리에 급수에 의한 전개 비 정현파의 고조파 성분 비 정현파의 고조파의 실효 값 THD(Total harmonic distortion) – 전 고조파 왜율

The Basic Theory of Power Electronics 인버터 출력전압 분석 출력전압의 기본파 크기(최대값) 출력전압의 기본파 출력전압의 실효값 출력전압 파형 분석

1.3 파형 성분과 성능 지수 인버터 출력전압 파형 분석 출력전류 파형 분석 출력전압의 고조파 출력전압의 THD 전류의 THD는 전압의 THD보다 55.9%가 낮음 즉, 전류의 리플이 작음 인덕터를 더 크게 사용하면 리플이 작아짐 출력전류 파형 분석

The Basic Theory of Power Electronics 일반적인 인버터 [PSIM활용, 인버터 회로]

The Basic Theory of Power Electronics 인버터 시뮬레이션 파형 [인버터 입력 전압] [인버터 출력 전압, 부하 전류]

The Basic Theory of Power Electronics 인버터 출력전압, 전류 성분 분석 출력전압의 기본파 크기(최대값) [FFT 분석에서의 기본파의 크기]

The Basic Theory of Power Electronics 인버터 출력전압 분석 출력전압의 실효값 출력전압의 고조파 출력전압의 THD

Power Conversion Existence Function : 단일 스위치를 함수로 표현

주기적인 스위칭을 나타내는 3 요소(제어변수) Power Conversion 주기적인 스위칭을 나타내는 3 요소(제어변수) Ton : ON 상태 지속시간 Toff : OFF 상태 지속시간 Td : 지연(delay) 시간 f : 스위칭 주파수 D : 통류율(duty ratio) fd : 위상 지연( phase delay) 주기적인 스위칭의 제어변수는 스윙 주파수, 통류율, 위상지연의 3가지 밖에 없으며, 궁극적으로 제어변수를 조절하여 전력의 흐름을 제어

Power Conversion 다이오드 정류기의 기본 개념도 정류기의 기능: AC ⇒ DC

Power Conversion 반파 다이오드 정류기 -. Freewheeling Diode ?

Power Conversion 반파 위상 제어(Thyristor) 정류회로 한 주기 동안의 평균값

Power Conversion 전파 위상 제어(Thyristor) 정류회로 양의 반주기

Power Conversion 전파 위상 제어(Thyristor) 정류회로 음의 반주기 한 주기 동안의 평균값

<기본적인 DC-DC 컨버터> Power Conversion DC/DC 컨버터 기본원리 DC-DC컨버터 -임의의 직류전원을 부하가 요구하는 형태의 직류전원으로 변환시켜주는 전력변환기기 반도체 스위치 - 입력측에서 출력측으로 전달되는 에너지를 제어하는 기능 L∙C - 에너지를 축적∙전달하는 매개역할 - 출력전압의 불필요한 리플 성분을 제거하는 필터역할 DC-DC 컨버터의 출력 -스위치 Sw의 동작에 의해 D를 0에서 1까지 변화시킴으로써 원하는 값으로 제어가 가능 <기본적인 DC-DC 컨버터>

스위치 off 시 인덕터의 축적되는 에너지가 방출 할 수 있는 전류 Path를 만들어 줌 Power Conversion 강압형(Buck) DC/DC Converter 저역통과필터(low pass filter)  출력전압과 전류의 리플 제거 하며 차단 주파수는 스위칭 주파수 보다 훨씬 낮은 값으로 선정 하여 출력전압에서 스위칭 주파수로 인한 맥동 제거 환류다이오드 스위치 off 시 인덕터의 축적되는 에너지가 방출 할 수 있는 전류 Path를 만들어 줌 < 와 D의 관계>

Power Conversion 승압형(Boost) DC/DC Converter ▪ 통류율(Duty Ratio)과 전압 전달비

Power Conversion 인버터 기본원리 제어요소 -. Half Bridge Inverter Single Pole 출력 전압 주파수 출력 전압 크기 -. Half Bridge Inverter Single Pole

Power Conversion 단상 하프브리지 인버터의 동작원리 부하에서 측정한 전압 양방향 전환 스위치에 의해 부하에 흐르는 전류의 방향이 바뀐다. 스위치에 의해 c 와 a 단자가 연결. 스위치에 의해 c 와 b 단자가 연결.

Power Conversion 출력 전압 특성 S1과 S2를 이용한 출력전압 분석. 스위치 On/Off 에 따른 출력전압. 출력전압은 2Level 특성을 지님. 스위칭 함수.

Power Conversion 입력 전류 특성 입력 전류는 스위칭 방법과 부하에 의해 결정 스위치가 On 되었을 때 전류는 입력 전류는 스위칭 방법과 부하에 의해 결정 스위치가 On 되었을 때 전류는 양방향으로 흐를 수 있다 .

단상 Full bridge inverter의 회로구성 단상 Half bridge inverter의 회로구성 Power Conversion 구성 단상 Full bridge inverter의 회로구성 단상 Half bridge inverter의 회로구성 Pole의 개수가 다르다. 출력 전압 : 풀브리지 출력전압 > 하프브리지의 출력전압 전압 Level : 풀브리지 3Level / 하프브리지 2 Level

Power Conversion 출력 전압 Level 에서의 차이 Half bridge Inverter 2 Level 출력전압 - Full bridge Inverter 3 Level 출력전압

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