싱글-엔디드 공진형 인버터의 고효율 및 고신뢰성 동작을 위한 특성제어

Abstract

본 논문은 싱글-엔디드 공진형 인버터의 고효율 및 고신뢰성 동작을 위한 특성제어에 관한 연구로서, 경부하 시 하드 스위칭 동작에 의한 효율저하 문제를 개선할 수 있는 최적 스위칭 변조방법을 제안하였으며 무부하, 비정상부하, 전원전압의 변동 및 왜란 시 야기되는 공진전압 상승에 의한 스위칭 소자의 소손을 방지할 수 있는 새로운 부하검출 및 공진전압 제어 방법을 제안하였다. 제안하는 스위칭 변조방법은 하드 스위칭 시 스위치 양단전압이 최소가 되는 시점을 예측하여 스위칭 소자를 턴 온 시킴으로써 스위칭 손실을 최소화 시킬 수 있는 고효율 스위칭 방법이다. 또한 이는 공진전압의 주기 및 진폭의 변화에도 적응적이며 중부하 시에는 소프트 스위칭 동작이 가능한 최적 스위칭 변조방법이다. 제안하는 부하검출 방법은 기동 시의 경우에는 종래의 단 펄스 방식과 달리 연속펄스로 구동하여 검출되는 입력 전원전류의 실효치와 스위치 양단전압의 최대치를 통해 부하의 유무를 판정하는 알고리즘을 적용하고, 동작 중의 경우에는 소비전력의 오차를 이용하여 부하의 유무를 판정하는 알고리즘을 적용함으로써 전원전압의 변동 및 왜란에도 부하검출의 신뢰성을 높일 수 있다. 공진전압이 비정상적으로 상승하게 되는 경우 스위칭 소자 보호를 위해 인버터 동작을 셧-다운시키는 방식은 가열특성이 저하되므로 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 워킹코일에 흐르는 전류의 최대치를 제한함으로써 공진전압의 크기를 제어할 수 있는 방법을 제안하였다. 제안하는 공진전압 제어 방법은 간단한 하드웨어로도 구현이 가능하며 MCU를 이용하는 경우에는 센서리스 제어도 가능하다. 본 논문에서 제안한 제반 방법들의 유용성을 검증하기 위해 1.35[kW] 싱글-엔디드 공진형 인버터를 제작하였고, 이를 가정용 유도가열 전기밥솥에 적용한 실험을 수행하였다. 실험결과를 통해 제안하는 최적 스위칭 변조방법, 초기 기동 및 동작 중 부하검출 방법, 그리고 공진전압 제어 방법의 유용성을 확인하였다.; This thesis reports a study of the characteristics and control methods for highly efficient and reliable single-ended resonant inverters for induction cookers. A novel optimal switching modulation scheme is proposed to improve the drop in efficiency at the light load caused by hard switching operations. In addition, a load detection method for light as well as heavy load conditions is proposed. Furthermore, a new resonant voltage control method to prevent the damage of switching devices due to abrupt increases in the resonance voltage is presented. The algorithm of the proposed load detection method is divided into two modes. The first is the starting mode that measures the RMS(Root Mean Square) value of the line voltage under a continuous pulse train and compares it to the magnitude of the switching voltage to detect the load. The second mode is the normal operation mode that measures the input power and compares it to the reference value to detect the load in normal mode. Normally, inverters shut down automatically in the cases of abnormal increases in the resonant voltage. This is detrimental to the heating performance. In order to overcome this drawback, a novel resonant voltage control method is proposed that limits the maximum value of the working coil current. This method requires a simple hardware structure that enables sensor-less control using only a MCU(Micro Controller Unit). To verify the feasibility of the proposed methods, a prototype 1.35[kW] single-ended resonant inverter was developed and tested using a domestic rice cooker. The experiments proved the effectiveness of the proposed optimal switching modulation scheme, the load detection methods for starting and normal operation, and the resonant control methods.