공학 석사학위 논문

캐리어 기반의 PWM 을 이용한 비엔나

정류기의 동기화 스위칭 기법

아 주 대 학 교 대 학 원

전자공학과

양 송 희

캐리어 기반의 PWM 을 이용한 비엔나

정류기의 동기화 스위칭 기법

지도교수 이 교 범

이 논문을 공학 석사학위 논문으로 제출함

2017 년 8 월

아 주 대 학 교 대 학 원

전자공학과

양 송 희

A Synchronous Switching Technique with Carrier-Based

PWM for a Vienna Rectifier

양송희의 공학 석사학위 논문을 인준함.

심사위원장 이 교 범 인

심 사 위 원 좌 동 경 인

심 사 위 원 구 형 일 인

아 주 대 학 교 대 학 원

2017 년 6 월 8 일

i

Abstract

Songhee Yang

Electrical and Computer Engineering

Graduate School

Ajou University

This paper proposes a carrier-based pulse width modulation (CB-PWM) method with

synchronous switching technique for a Vienna rectifier. In this paper, a Vienna rectifier is

one of the 3-level converter topologies. It is similar to a 3-level T-type topology using

back-to-back switches. When CB-PWM switching method is used, a Vienna rectifier is

operated with six PWM signals. On the other hand, when the back-to-back switches are

synchronized, PWM signals can be reduced to three from six. However, the synchronous

switching method has a problem that the current distortion around zero-crossing point is

worse than one of the conventional CB-PWM switching method. To improve current

distortions, this paper proposes a reactive current injection technique. The performance and

effectiveness of the proposed synchronous switching method are verified by simulation

and experimental with a 5-kW Vienna rectifier.

ii

목 차

제 1 장 서론 ........................................................................................................................................ 1

제 2 장 일반적인 비엔나 정류기 ............................................................................................... 3

2.1 비엔나 정류기의 구조 ..................................................................................................... 3

2.2 정류기의 전류 왜곡 .......................................................................................................... 4

2.3 비엔나 정류기의 제어 기법 .......................................................................................... 6

제 3 장 동기화 스위칭 방식을 사용하는 캐리어기반 PWM 방식 ............................. 7

3.1 비동기화 스위칭 방식 ..................................................................................................... 7

3.2 제안하는 동기화 스위칭 방식 ................................................................................... 10

3.3 전류 왜곡 개선 방법 ...................................................................................................... 13

제 4 장 시뮬레이션 ......................................................................................................................... 16

제 5 장 실험 ...................................................................................................................................... 21

제 6 장 결론 ...................................................................................................................................... 24

참고문헌 ................................................................................................................................................ 25

iii

그림 차례

그림 1. 비엔나 정류기 토폴로지 .................................................................................................................. 3

그림 2. 비엔나 정류기의 임피던스 각 ...................................................................................................... 4

그림 3. 비엔나 정류기의 등가회로 ............................................................................................................. 4

그림 4. 비엔나 정류기의 제어 블록도 ...................................................................................................... 6

그림 5. 기존 CB-PWM 방법에 따른 정류기의 전류 및 지령전압............................................... 8

그림 6. 기존 CB-PWM에서 Region 1의 스위칭 상태에 따른 전류 경로 .................................. 8

그림 7. 기존 CB-PWM에서 Region 2의 스위칭 상태에 따른 전류 경로 .................................. 9

그림 8. 기존 CB-PWM 방법에서 Region 2의 3상 스위칭 상태 ..................................................... 9

그림 9. 동기화 스위칭 방법에 따른 정류기의 전류 및 지령전압 ............................................. 10

그림 10. 동기화 스위칭 방법에서 Region 2의 스위칭 상태에 따른 전류 경로 .................. 11

그림 11. 동기화 스위칭 방법에서 Region 2의 3상 스위칭 상태 ................................................. 12

그림 12. 제안하는 알고리즘 적용 전 위상차 ...................................................................................... 13

그림 13. 제안하는 알고리즘 적용 후 위상차 ...................................................................................... 14

그림 14. 비엔나 정류기 시뮬레이션 회로 ............................................................................................. 16

그림 15. 기존 CB-PWM 방법에서 입력전류와 a상 스위칭 상태의 시뮬레이션 결과 ..... 18

그림 16. 동기화 스위칭 방법에서 입력전류와 a상 스위칭 상태의 시뮬레이션 결과...... 19

그림 17. 제안하는 알고리즘의 시뮬레이션 결과 ............................................................................... 20

그림 18. 비엔나 정류기 실험 세트 ........................................................................................................... 21

그림 19. 기존 CB-PWM 방법에서 a상 입력전류, 직류단 전압 및 FFT 실험 파형 .......... 22

그림 20. 동기화 스위칭 방법에서 a상 입력전류, 직류단 전압 및 FFT 실험 파형 .......... 22

그림 21. 제안하는 알고리즘 적용 후 a상 입력전류, 직류단 전압 및 FFT 실험 파형 ... 23

-1-

제 1 장 서론

최근 환경오염에 대한 문제가 중요한 이슈로 부각되고 있다. 대기오염 물질

중 자동차에서 배출되는 오염물질이 31.4 %로 가장 높은 비중을 차지하고 있다.

이에 따라 환경 보존을 위한 기술로 전기자동차 및 하이브리드 전기자동차에

대한 관심이 증가하고 있다. 전기자동차는 운행 시 대기오염 물질 및 이산화탄

소가 배출되지 않기 때문에 2020년까지 100만대의 전기자동차를 보급할 경우

대기오염 물질 중 총 30만 톤을 저감하여 공기의 질을 향상시킬 수 있다. 이런

환경적인 이점뿐 아니라 전 세계적으로 증가하는 석유의 수요량과 매장량 감소

로 인해 지속적으로 상승하는 연료비를 절감하는 경제적 혜택에 힘입어 전기자

동차의 보급이 확산되고 있다 [1].

전기자동차 보급 정책과 연계하여 원활한 운행을 위해 충전기 수요가 증가

하고 있으며 이에 맞춰 충전 시설의 확충이 시급한 실정이다. 따라서 전기자동

차의 충전시간을 단축하기 위해 고전력을 이용한 급속 충전방식이 증가할 전망

이다. 충전기는 AC/DC 컨버터와 DC/DC 컨버터로 이루어져 있으며 효율적인

배터리 충전을 위해 고효율 AC/DC 컨버터가 필요하다.

비엔나 정류기는 2-레벨 컨버터와 비교하여 입력전류의 전고조파 왜곡율

(THDi)이 우수하고 효율이 높은 장점이 있고 단방향 전력 전달만이 가능하기

때문에 충전기에 적합하다 [2]-[4]. 비엔나 정류기는 3-레벨 컨버터로 통신 전력

시스템, 풍력 발전 시스템과 같은 응용분야에 사용된다 [5]-[7]. 또한 비엔나 정

류기는 일반적인 3-레벨 T-타입 컨버터와 유사하며 외측 스위치를 다이오드로

교체하기 때문에 전력소자의 사용을 줄일 수 있는 장점이 있다 [8].

비엔나 정류기에는 일반적으로 두 가지 스위칭 방법이 널리 사용되고 있다.

첫 번째 방법은 공간 벡터 PWM (SVPWM)이다. SVPWM 방법은 섹터정보 및

유효 전압 벡터 인가 시간의 계산과정이 복잡하고 계산량이 많은 단점이 있다.

-2-

또한, 비엔나 정류기의 경우 다이오드의 전도 상태에 따라 전압 벡터 인가 시

간이 결정되기 때문에 이를 정확하게 계산하기 어렵다. 다른 스위칭 방법은 캐

리어 기반 PWM (CB-PWM)이다. CB-PWM은 3상 전압 변조 신호와 삼각 반송파

신호의 비교를 통해 PWM 신호를 생성한다. CB-PWM은 유효 및 영벡터의 지속

시간을 쉽게 얻을 수 있는 장점이 있다. 반면에, 이 방법은 각 위상에 대한 2

개의 캐리어 신호가 필요하다.

비엔나 정류기는 전류의 위상과 정류기 전압 사이에 위상차가 존재할 때 영

전류 부분에서 전류 왜곡이 발생한다 [9]-[12]. 동기화 스위칭 방식을 내측 백투

백 스위치에 적용하면 두 스위치가 동시에 ON·OFF 상태를 가진다. 이 방법은

PWM 신호를 6개에서 3개로 줄일 수 있는 장점이 있다. 따라서 게이트 드라이

버 회로를 줄일 수 있기 때문에 시스템의 부피 및 비용 절감이 가능하다. 그러

나 두 개의 내부 스위치가 모두 OFF 상태이면 전류가 중성점으로 흐를 수 없

다. 일반적으로 비엔나 정류기는 전류 연속모드에서 동작하지만 영전류 부분에

서 전류 불연속모드에 의해 새로운 스위칭 상태가 추가된다 [13]. 동기화 스위

칭 시 영전류 부분에서 전류 불연속모드로 동작하기 때문에 불필요한 유효전압

벡터가 인가되고 이로 인해 영전류 부분의 전류 왜곡은 기존 CB-PWM 스위칭

방법보다 심화된다.

본 논문은 백투백 스위치를 동기화하는 스위칭 방식을 제안한다. 스위치가

동기화하여 스위칭 하기 때문에 PWM 신호를 반으로 줄이고 게이트 드라이버

회로를 줄여 비용 절감이 가능하다. 스위칭 방식을 사용하면 영전류 부분에서

전류의 왜곡이 심해지기 때문에 전류 품질을 개선하기 위한 방안이 필요하다.

따라서 본 논문에서는 전류 품질을 개선하기 위해 무효전류 주입 기법을 제안

한다. 제안한 기법의 타당성은 PSIM 시뮬레이션 및 실험 결과로 검증한다.

-3-

제 2 장 일반적인 비엔나 정류기

2.1 비엔나 정류기의 구조

그림 1은 비엔나 정류기의 구조를 나타낸다. 비엔나 정류기는 백투백 스위치

와 여섯 개의 다이오드, 계통에 연결된 L필터로 구성된다. 비엔나 정류기는 3-

레벨 T-타입 컨버터와 유사하며 2-레벨 컨버터와 비교하여 출력 전압 총 왜곡

율(THD)이 낮아서 계통부터 입력되는 전류의 전고조파 왜곡율(THDi)이 낮으며

전력반도체 양단에 걸리는 전압 변화량이 절반이고 효율이 높은 장점이 있다.

비엔나 정류기는 정류기 전압(Vx_ref)의 방향과 전류 방향이 동일한 조건을 만

족해야한다. 그렇지 않은 경우에 그림 2와 같이 Vx_ref과 전류의 방향이 다른 구

간에서 전류의 왜곡이 발생한다. 이러한 구간에서 발생하는 위상차를 임피던스

각(θz)이라고 한다. θz은 필터 임피던스 만큼 지연된다. 계통전류를 제어하기 위

해 Vx_ref과 계통전압(Vx) 사이에 위상차가 있어야 한다. 비엔나 정류기를 단위역

률로 제어 할 때, Vx와 입력전류(Ix)의 위상이 같기 때문에 Ix와 Vx_ref의 위상차는

θz이다.

그림 1. 비엔나 정류기 토폴로지

Fig. 1. Topology of the Vienna rectifier

-4-

2.2 정류기의 전류 왜곡

그림 3은 비엔나 정류기의 등가회로를 나타낸다. Ix의 위상은 단위역률에서

Vx의 위상과 동일하다. Vx_ref는 Vx와 비교하여 θz의 위상을 갖는다. 본 논문에서

는 θz를 계산하기 위해 필터 인덕터와 저항만을 고려한다. 식 (1)은 비엔나 정

류기의 전압방정식을 나타낸다.

, ( ) 2x ref Z x f x s f xV V R I j f L I (1)

그림 2. 비엔나 정류기의 임피던스 각

Fig. 2. Impedance angle of the Vienna rectifier

그림 3. 비엔나 정류기의 등가회로

Fig. 3. Equivalent circuit of the Vienna rectifier

-5-

여기서 Rf는 저항, Lf는 필터 인덕터, fs는 라인 주파수이다.

삼각 함수를 사용하여 식 (1)은 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.

2tan .

x s f

Z

x x f

I f L

V I R

(2)

식 (2)를 이용하면, θz를 식 (3)과 같이 구할 수 있다.

12

tan .x s f

Z

x x f

I f L

V I R

(3)

식 (3)으로부터, 단위역률로 동작하는 조건에서 θz는 계통 전압과 필터 임피

던스를 통해 계산할 수 있다. 비엔나 정류기에서 단위역률 제어 조건에서 Ix와

Vx_ref 사이에 θz 만큼 위상차가 발생하고 이 구간에서 전류가 왜곡된다. 본 논문

에서는 무효 전류 주입 방법을 사용하여 입력 전류의 왜곡을 개선한다.

-6-

2.3 비엔나 정류기의 제어 기법

본 논문에서는 이중 루프 제어 방법을 사용하여 비엔나 정류기의 직류단 전

압을 제어한다. 그림 4는 비엔나 정류기의 제어 블록도를 보여준다. 상위 제어

기로 직류단 전압 제어기가 사용되고 하위 제어기로 전류 제어기가 사용된다.

직류단 전압 제어기의 출력은 전류 제어기의 지령값으로 사용된다. 전류 제어

기는 동계 좌표계상에서 유효 및 무효 성분을 독립적으로 제어할 수 있다. 동

기 좌표계변환에 사용되는 동기각은 위상 추정 방법(PLL)으로 얻을 수 있다.

전류 제어기 출력인 지령 전압은 PWM 방식을 이용하여 PWM 신호를 생성되

는게 사용된다.

그림 4. 비엔나 정류기의 제어 블록도

Fig. 4. Block diagram of the control scheme for Vienna rectifier

-7-

제 3 장 동기화 스위칭 방식을 사용하는 캐리어

기반 PWM 방식

기존의 CB-PWM 방법에서 백투백 스위치 중 하나는 스위칭을 하고 다른 하

나는 계통 주파수의 반 주기 동안 ON 상태를 유지한다. 따라서 백투백 스위치

는 각각 독립적으로 동작하고 6개의 PWM 신호가 필요하다. 본 논문에서는 백

투백 스위치의 동기화 스위칭 방법을 제안한다. 동기화 스위칭을 할 경우 백투

백 스위치의 ON 또는 OFF 상태가 동일하기 때문에 이를 구현하기 위해서 3개

의 PWM 신호가 필요하다.

3.1 비동기화 스위칭 방식

본 논문에서는 비엔나 정류기의 CB-PWM 방법으로 오프셋 전압 주입 방법

을 사용한다. 3상 정현파 지령전압 (Vx,ref = Va,ref, Vb,ref, Vc,ref)에 오프셋 전압(Voffset)을

주입하여 지령 전압을 생성한다. Voffset은 Vx,ref 의 최대, 최소값으로부터 다음과

같이 계산한다.

,max ,min

2

ref ref

offset

V VV

(4)

여기서 Vref,max와 Vref,min은 각각 Vx,ref의 최대, 최소 전압이다. 3상 지령전압

(Vx,ref, offset)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

, , ,x ref offset x ref offsetV V V (5)

-8-

그림 5는 정류기의 입력전류 및 지령전압을 나타낸다. Region 1은 요구조건을

만족하는 영역이다. 그림 6은 Region 1에서 스위칭 상태에 따른 전류 경로를 나

그림 5. 기존 CB-PWM 방법에 따른 정류기의 전류 및 지령전압

Fig. 5. Current and reference voltage of the rectifier in conventional CB-PWM method

(a) SW1 : OFF, SW2 : ON (b) SW1 : ON, SW2 : ON

(P State) (O state)

그림 6. 기존 CB-PWM에서 Region 1의 스위칭 상태에 따른 전류 경로

Fig. 6. Current path according to the switching state at Region 1 in conventional CB-PWM method

-9-

타낸다. Va,ref가 양의 값을 가질 때, SW2는 ON 상태를 유지하고 SW1은 스위칭

을 한다. SW1이 ON 상태일 때, 전류는 중성점으로 흘러 스위칭 상태는 O 가

된다. SW1이 OFF 상태일 때, 전류는 D1을 통해 흐르고 스위칭 상태는 P 가 된

(a) SW1 : ON, SW2 : ON (b) SW1 : OFF, SW2 : ON

(O State) (O state)

그림 7. 기존 CB-PWM에서 Region 2의 스위칭 상태에 따른 전류 경로

Fig. 7. Current path according to the switching state at Region 2 in conventional CB-PWM method

O

P O

O N

P O

O N

O

N

그림 8. 기존 CB-PWM 방법에서 Region 2의 3상 스위칭 상태

Fig. 8. Switching state of three-phase at Region 2 in conventional CB-PWM method

-10-

다. 그림 7은 Region 2에서 스위칭 상태에 따른 전류 경로를 나타낸다. Va,ref는

여전히 양의 값이므로 SW2는 ON 상태를 유지한다. SW1의 스위칭 상태에 관계

없이 전류는 중성점으로 흐르고 스위칭 상태는 O 로 유지된다. 이 영역에서 인

가된 전압 벡터는 그림 8과 같다.

3.2 제안하는 동기화 스위칭 방식

제안하는 CB-PWM 방법에서는 기존의 CB-PWM 방법과 동일한 방법이 3상

지령전압이 사용된다.

그림 9는 제안하는 스위칭 방법을 사용했을 때 정류기의 입력전류와 지령전

압을 나타낸다. Region 1은 요구 조건을 만족하는 영역이다. SW1과 SW2가 ON

상태 일 때, 전류는 중성점으로 흐르고 스위칭 상태는 O 이다. SW1과 SW2가

그림 9. 동기화 스위칭 방법에 따른 정류기의 전류 및 지령전압

Fig. 9. Current and reference voltage of the rectifier in synchronous CB-PWM method

-11-

OFF 상태 일 때, D1을 통해 전류가 흐르고 스위칭 상태는 P 이다. 제안한

PWM이 Region 1에서 사용될 때, 전류 경로는 그림 6과 같다. 그러므로 비엔나

정류기의 동작은 스위칭 방법에 관계없이 동일하다.

그림 10은 제안하는 PWM 방법에서 Region 2에 전류 경로를 보여준다. SW1

및 SW2가 ON 상태 일 때, 스위칭 상태는 그림 7(b)와 같다. 그러므로, 전류는

중성점으로 흐르고 스위칭 상태는 O 가 된다. 그러나 SW1과 SW2가 OFF 상태

일 때, 중성점으로 흐르는 전류 경로가 존재하지 않는다.

따라서, 출력 전압은 그림 7(a)와 다른 스위칭 상태를 갖는다. SW1과 SW2가

OFF 상태 일 때, 전류는 D2를 통해 흐르고 스위칭 상태는 N 이 된다. 동기화

스위칭을 하면 영전류 부분에서 전류가 흐르지 않는 전류 불연속모드가 발생하

여 전류의 왜곡이 비동기화 스위칭 방법에 비해 심해진다. 전류 불연속모드는

3상 가운데 한 상이 영전류 부분에 있는 경우에 발생하며 영전류가 지속되는

시간에 따라 전류 왜곡의 정도가 심화된다. 동기화 스위칭 시 영전류 부분에서

중성점으로 전류가 흐르지 못하기 때문에 새로운 스위칭 상태가 인가된다. 이

(a) SW1 : OFF, SW2 : OFF (b) SW1 : ON, SW2 : ON

(N State) (O state)

그림 10. 동기화 스위칭 방법에서 Region 2의 스위칭 상태에 따른 전류 경로

Fig. 10. Current path according to the switching state at Region 2 in proposed CB-PWM method

-12-

영역에서 인가 된 전압 벡터는 그림 11과 같다. [NPO] 전압 벡터가 추가되고

이 벡터는 그림 8의 전압 벡터와 비교했을 때 불필요한 벡터이다. 따라서, 불필

요한 전압 벡터의 인가로 인해 입력전류의 왜곡이 심화된다. 이 문제점은 각

상의 영전류 부분에서 발생한다.

O

P O

O N

P O

O N

O

N

그림 11. 동기화 스위칭 방법에서 Region 2의 3상 스위칭 상태

Fig. 11. Switching state of three-phase at Region 2 in proposed CB-PWM method

-13-

3.3 전류 왜곡 개선 방법

본 논문에서는 입력전류의 왜곡을 개선하기 위해 최적의 무효전류 주입 알

고리즘을 제안한다. 무효전류를 주입하는 경우, 비엔나 정류기는 단위역률로 동

작하지 않는다. 이 때 전류는 역률각(θpf) 만큼의 위상차를 가진다. 무효전류 주

입을 통해 θpf를 θz 만큼 보상하여 비엔나 정류기의 전류와 전압을 동위상으로

만들면 전류 왜곡을 개선할 수 있다.

역률은 계통전압 및 입력전류의 위치에 따라 진상과 지상 역률로 나뉜다. 그

림 12는 제안하는 알고리즘을 적용하기 전의 위상차를 나타낸다. Vx,ref는 θz 만큼

의 위상차를 가지며 Vx를 기준으로 위상이 지연되기 때문에 지상 역률이 전류

왜곡을 개선하기 위해 선택된다. 최적의 무효전류가 주입 될 때, Ix와 Vx,ref는 같

은 위상을 갖고 그림 9의 Region 2가 없어지기 때문에 Ix의 왜곡이 저감될 수

있다.

그림 12. 제안하는 알고리즘 적용 전 위상차

Fig. 12. Phase difference without the proposed algorithm

-14-

그러므로 θpf값을 θz와 같아지기 위한 최적의 무효전류를 주입해야 한다. θpf는

Iqe와 Ide에 의해 계산된다 [12].

2

1

2 2cos .

qe

pf

qe de

I

I I

(6)

먼저 충분히 작은 θpf 범위에서는 sin(θpf) ≈ θpf으로 선형화 할 수 있으므로

sin(θpf)는 다음과 같은 삼각함수 공식을 사용하여 모델링 할 수 있다.

2sin 1 cos .pf pf (7)

θpf가 충분히 작으면 sin(θpf)을 θpf로 근사할 수 있다. 식 (6)과 (7)로부터 θpf는

다음과 같이 근사할 수 있다.

그림 13. 제안하는 알고리즘 적용 후 위상차

Fig. 13 Phase difference with the proposed algorithm

-15-

2

2 2sin .de

pf pf

qe de

I

I I

(8)

식 (3) 과 식 (8)이 같은 조건에서, Ide는 식 (9)와 같이 구할 수 있다.

2 2

21

Z qe

de

Z

II

(9)

입력전류의 왜곡을 개선하기 위해 최적의 무효전류가 주입 될 때, 입력전류

의 위상은 정류기 전압의 위상과 동일해야 한다. 그림 13은 제안하는 알고리즘

을 적용한 후에 위상차를 나타낸다. 제안하는 전류 왜곡 개선 방법의 경우 무

효전류를 주입하지만 유효전류와 비교할 때 크기가 작기 때문에 비엔나 정류기

를 단위 역률에 가깝게 제어할 수 있다.

-16-

제 4 장 시뮬레이션

제안하는 방법의 타당성을 검증하기 위해 PSIM을 이용하여 그림 1의 비엔

나 정류기 시뮬레이션을 진행하였다. 3상 백투백 스위치와 외측 다이오드로 구

성된 3-레벨 T-타입 비엔나 정류기는 그림 14와 같이 구성하였다. 직류단에 저

항을 연결하여 부하를 모의하였고 L 필터와 계통을 연결하여 시뮬레이션을 수

행하였다.

시뮬레이션 파라미터는 표 1에 나타내었다. 3상 입력 선간 전압은 220 Vrms이

며, 주파수는 60 Hz이다. 입력단 L 필터의 인덕턴스와 저항은 3.5 mH 와 0.5 Ω

이다. 직류단 커패시터는 550 uF이고 직류단 전압은 450 V로 제어하였다. 정격

전력은 5 kW이고 스위칭 주파수는 10 kHz이며 제어 주기는 100 us이다.

그림 14. 비엔나 정류기 시뮬레이션 회로

Fig. 14. Simulation circuit of the Vienna rectifier

-17-

표 1. 시뮬레이션 파라미터

TABLE I. Simulation parameters

Parameter Value

3상 입력 선간 전압 220 [Vrms]

3상 입력 주파수 60 [Hz]

입력단

L 필터

Lf 3.5 [mH]

Rd 0.5 [Ω]

직류단 전압 450 [V]

직류단 커패시터 550 [μF]

정격 전력 5 [kW]

스위칭 주파수 10 [kHz]

제어 주기 100 [us]

-18-

그림 15는 비동기화 스위칭 방법의 입력전류 시뮬레이션 파형을 나타낸다.

기본적인 CB-PWM 방식으로 동작하며 입력전류는 요구조건이 위배되는 영전류

부분에서 왜곡이 나타나고 백투백 스위치의 스위칭 신호는 각각 독립적으로 동

작한다. 이때의 입력전류 전고조파 왜곡율(THDi)은 약 6.5 %이다.

그림 15. 기존 CB-PWM 방법에서 입력전류와 a상 스위칭 상태의 시뮬레이션 결과

Fig. 15. Simulation result of current and switching state of a-phase in conventional CB-PWM

-19-

그림 16은 제안하는 동기화 스위칭 방법의 시뮬레이션 파형을 나타낸다. 스

위칭 신호를 통해 백투백 스위치가 동기화하여 스위칭 하는 것을 알 수 있다.

동기화 스위칭을 하면 영전류 부분에서 전류가 흐르지 않는 전류 불연속모드가

발생하여 전류의 왜곡이 비동기화 스위칭 방법에 비해 심해진다. 따라서 THDi

는 11.2 %로 증가한 것을 확인 할 수 있다.

그림 16. 동기화 스위칭 방법에서 입력전류와 a상 스위칭 상태의 시뮬레이션 결과

Fig. 16. Simulation result of current and switching state of a-phase in synchronous CB-PMW method

-20-

그림 17은 전류 왜곡 개선 방법의 성능을 보여주는 시뮬레이션 파형이다. 최

적의 무효전류 주입 방법은 영전류 부분에서 발생하는 왜곡을 개선할 수 있다.

제안된 동기화 스위칭 조건에서 최적의 무효전류를 주입하였다. 무효전류를 주

입하기 전의 전류와 비교할 때 영전류 부분에서 전류 왜곡이 줄어든 것을 확인

할 수 있다. 주입된 무효전류는 약 0.3 A로 유효전류(약 20 A)와 비교하여 그 크

기가 매우 작으므로 비엔나 정류기를 단위 역률에 가깝게 제어할 수 있다.

THDi 는 1.2 %로 제안하는 알고리즘을 적용하기 전과 비교했을 때 약 10 % 줄

어들었다.

그림 17. 제안하는 알고리즘의 시뮬레이션 결과

Fig. 17. Simulation results of proposed algorithm

-21-

제 5 장 실험

본 논문에서 제안하는 비엔나 정류기의 동기화 스위칭 방법과 전류 품질 개

선을 위한 최적의 무효전류 주입 방법의 타당성을 검증하기 위해 실험을 수행

하였다. 실험 파라미터는 표 1에 나타낸 시뮬레이션 파라미터와 동일하다.

그림 18은 5 kW 정격의 비엔나 정류기 실험 세트를 나타낸다. 실험 세트는

제어 보드(Control Board), 전력 보드(Power Board), 필터 인턱터 등으로 구성된다.

제어 보드는 TMS320F28335 DSP 로 구성되며, 전력 보드(Power Board)는 정류단

과 필터 임피던스로 구성된다. 여기서 3상 입력 선간 전압은 220 Vrms이며, 주파

수는 60 Hz이다.

Filter inductor

Control board

Power stack

그림 18. 비엔나 정류기 실험 세트

Fig. 18. Experiment set of prototype Vienna rectifier

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그림 19는 비동기화 스위칭 방법에서 a상 입력전류, 직류단 전압 및 FFT 실

험 파형을 나타낸다. 직류단 전압은 450 V로 제어하였고 이를 잘 추종하는 것

을 확인 할 수 있다. 영전류 부분에서 입력 전류에 왜곡이 발생하며 5차, 7차

그림 19. 기존 CB-PWM 방법에서 a상 입력전류, 직류단 전압 및 FFT 실험 파형

Fig. 19. Experimental current waveforms of the a-phase, the DC-link voltage and FFT in conventional

CB-PWM

그림 20. 동기화 스위칭 방법에서 a상 입력전류, 직류단 전압 및 FFT 실험 파형

Fig. 20. Experimental current waveforms of the a-phase, the DC-link voltage and FFT in synchronous

CB-PWM

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및 11차 13차 고조파가 발생한 것을 확인 할 수 있다. 이 때의 입력전류의

THDi는 6.6 %이다.

그림 20은 동기화 스위칭을 할 경우 a상 입력전류, 직류단 전압 및 FFT 실

험 파형을 나타낸다. 그림 19와 비교했을 때 입력전류의 영전류 부분 왜곡이

심해지고 5차, 7차 및 11차, 13차 고조파 성분이 더 커진 것을 확인 할 수 있다.

이 때의 THDi는 12.7 %로 그림 19와 비교하여 상승한 것을 알 수 있다.

그림 21은 제안하는 무효전류 주입 알고리즘을 적용했을 때의 a상 입력전류,

직류단 전압 및 FFT 실험 파형을 나타낸다. 5차 7차 및 11차 13차 고조파가 저

감되고 입력전류의 영전류 부분 왜곡이 개선된 것을 볼 수 있다. 식 (9)에 의해

2.99 A의 무효전류를 주입하였고 주입된 무효전류는 유효전류(약 19 A)와 비교

하여 그 크기가 매우 작으므로 비엔나 정류기를 단위 역률에 가깝게 제어 할

수 있다. THDi는 1.1 %로 그림 20과 비교했을 때 약 10 % 개선되고 시뮬레이션

결과와 유사한 것을 확인 할 수 있다.

그림 21. 제안하는 알고리즘 적용 후 a상 입력전류, 직류단 전압 및 FFT 실험 파형

Fig. 21. Experimental current waveforms of the a-phase, the DC-link voltage and FFT with proposed

algorithm

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제 6 장 결론

본 논문은 비엔나 정류기의 동기화 스위칭 방법을 제안하고 이때 심화되는

전류 왜곡을 줄이기 위해 최적의 무효전류를 주입하여 전류 품질을 개선하는

알고리즘을 제안했다. 일반적으로 3-레벨 컨버터는 6개의 PWM 신호가 필요하

다. 백투백 스위치를 동기화 하여 스위칭 할 경우 PWM 신호를 6개에서 3개로

줄일 수 있고 게이트 드라이버 회로 또한 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나

동기화 스위칭을 하면 영전류 부분에서 전류가 흐르지 않는 전류 불연속모드가

발생하여 전류의 왜곡이 비동기화 스위칭 방법에 비해 심해진다. 기존의 CB-

PWM 방식의 THDi는 약 6.6 %이지만 제안하는 스위칭 방식의 THDi는 약

12.7 %로 상승하였다. 본 논문에서는 이러한 입력전류의 왜곡을 줄이기 위해 최

적의 무효전류의 주입 방법을 사용한다. 최적의 무효전류는 필터 임피던스 각

으로 계산할 수 있다. 이 방법을 사용하면 THDi는 약 12.7 %에서 약 1.2 %로

개선된 것을 볼 수 있다. 주입된 무효전류는 유효전류와 비교하여 그 크기가

매우 작으므로 비엔나 정류기를 단위 역률에 가깝게 제어하며 전류 품질을 개

선 하였다. 제안된 방법의 타당성을 PSIM 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였

다.

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