PWM Converter의 병렬운전 시 새로운 전류 분담 제어에 관한 연구

Abstract

최근 전자장비 시스템의 첨단화 및 기능의 다양화로 인하여 시스템의 소비 전력이 증가됨에 따라 높은 정격의 전력용 스위칭 소자를 이용한 단일 대용량 PWM 컨버터 대신 복수대의 PWM 컨버터를 병렬 운전하여 대전류를 부하에 공급하는 병렬 PWM 컨버터의 필요성이 크게 대두되고 있으며 이러한 병렬 PWM 컨버터는 부하 증가시 용량 증가가 용이해야하며 시스템의 소형 및 경량뿐만 아니라 신뢰성 또한 크게 요구되어져야 한다. 따라서 병렬 PWM 컨버터 시스템은 단일 PWM 컨버터 시스템에 비하여 용량의 대형화는 물론이고 출력의 다양화, 전원의 분산화, 설계 표준화 및 방열의 용이성 등의 장점을 갖는다. 그러나 컨버터 시스템을 구성하는 전력용 스위칭 소자 및 수동소자의 특성이 각각 이상적이지 못하고 이에 포함된 기생 성분들의 오차들로 인하여 부하가 증가하면 할수록 병렬 PWM 컨버터 시스템 상호간 심각한 불평형 전류가 흐르게 되어 각 단일 PWM 컨버터의 고장의 원인이 될 뿐만 아니라 이로 인한 시스템의 신뢰성이 현저히 저하되는 심각한 문제점을 가지게 된다. 본 논문에서는 N개의 PWM 컨버터의 병렬운전 시 발생되는 불평형 전류의 문제점을 개선하고 각 PWM 컨버터의 정격 용량에 적합한 전력을 분담하기 위한 새로운 전류분담 제어기법을 제안하였다. 첫째, 정격용량이 동일한 PWM 컨버터가 병렬로 연결된 경우에 대하여 균등 전류분담 제어기법을 제안하였다. 제안된 균등 전류분담 제어기법은 검출된 각 컨버터의 평균 전류를 차동 증폭기를 이용하여 평균 전류의 차 정보를 출력한다. 그리고 출력된 평균 전류의 차 정보를 이용하여 트랜지스터를 가변저항과 동일하게 동작시킴으로써 캐리어의 기울기를 보상한다. 따라서 병렬운전 시 각 PWM 컨버터에 흐르는 전류의 차 정보에 따라 각 PWM 컨버터의 듀티비를 가변시킴으로써 능동적으로 출력 전류를 평형하게 제어하였다. 둘째, 병렬로 연결된 PWM 컨버터들의 정격용량이 서로 다른 경우에 대하여 각 PWM 컨버터의 정격용량에 적합하게 전류를 차등 분배하는 차등 전류분담 제어기법을 제안하였다. 제안된 방식은 검출된 전류에 대하여 옵셋값을 이용하여 각 PWM 컨버터의 정격용량에 비례하여 각 컨버터에 흐르는 전류를 제한함으로써 차등적으로 전류 분배가 가능한 전류분담 제어기법이다. 제안된 전류분담 제어기법의 이론적인 해석 및 원리를 제시하였으며 그 타당성을 입증하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다. 또한 본 논문에서 제안된 전류분담 제어기법의 실용화 가능성을 제시하였다.; Recently, modern electrical equipment consumes more and more power because they have various functions and complexity in systems. In order to cope with high power consumption, usually PWM converters are operated in parallel instead of using one PWM converter having a big power capability. Parallel operation of PWM converter has many advantages over single operation of PWM converter such as various combination of output voltage, distribution of power, standardization of design, and easiness of heat dissipation. With the increment of power consumption, problems caused by unbalance between PWM converters become severe due to the parasitic components in the converter circuit, which considerably deteriorates the reliability of the system. Hence, it is highly demanded that the currents in each converter should be shared in accordance with the power capability of each converter. Therefore, this study proposes a new current sharing control scheme using a compensation of carrier slope in order to share the power of the PWM converter operated in parallel. The proposed scheme can be used for PWM converters having either equal or different current sharing ratio. At first, in case that PWM converters have the same power capability, to solve the problem of current unbalance in the parallel operation, a control method for equally divided current sharing is proposed. The proposed control scheme is achieved by compensating the carrier slope. For carrier slope compensation, the transistor is operated like variable resistor because the output of differential amplifier, which contains the error information of average current, is connected to the base of the transistor. Since the collector current of the transistor is proportional to the current difference between the PWM converters, the carrier slope is varied by collector current of the transistor. Also, a differential current sharing control scheme is proposed for the case that PWM converters have different power rating. The proposed control scheme is achieved by using current offset value in order to differently share the appropriate power for PWM converters with various different power capabilities. Theoretical analysis and principles of the proposed current sharing control scheme using carrier slope compensation method are described in detail based on the parallel PWM converter and the validity of the proposed control schemes is verified by the simulation and the experimental results. Besides, the proposed current sharing control scheme with carrier slope compensation method provides a possibility of practical applications.