High performance current control techniques based on discrete-pulse- modulation of the voltage-source inverter (VSI) with transformer-coupled load are investigated for high-frequency power supply of induction heating systems.
The uses of induction heating process in industries are getting increased due to its features such as the accurately heated depths and surface area, high efficiency, clean environments, and ease of automation. A new class of control techniques that uses the discrete pulse modulation strategies were used for many advantages such as the low switching loss, low electromagnetic interference, and high power density. However, large ripple and non-zero offset of output current are known to be the major obstacles for a practical uses of the strategy. Although various efforts to cope with these problems have been reported, they cannot be used for the induction heating application since they have not considered the transformer flux constraints. In this dissertation, therefore, improved current control techniques based on discrete pulse modulation are proposed to solve these problems under the consideration of flux constraints.
Firstly, the modeling and analysis of discrete-pulse-controlled VSI is carried out. Discrete-time current model and flux model are shown to be simple first-order. The transformer flux constraints are also analyzed. Based on the analysis, two types of discrete pulse modulation strategies are investigated: current regulated delta modulation (CRDM) and pulse density modulation (PDM).
CRDM is a method to obtain a robust and fast response is characterized by the bang-bang action. A current error integrator is employed to remedy the offset problem of a regularly sampled data system. The strategies to avoid flux saturation problems are investigated. And the boundaries of integrator gain which confirms the stable operation without any increase of current ripple are derived to give a design guideline. The concept of integrator-reset is employed to limit the so-called integral wind-up, and the boundary of error band is also derived. The simulation and experimental results verifies that continuous levels of output current with nearly zero offset are available.
Another control technique using an optimal pulse density modulation is proposed to minimize the output current ripple, where the transformer flux is constrained from saturation. Two methods for the determination of optimal patterns are presented. Optimal pulse density patterns can be determined by off-line computation, stored in a look-up table and used by selecting the appropriate address. It is verified by prototype experiments that this technique gives much less current ripple and harmonics than the conventional PDM. And the advantages of pulse density modulation are still available such as near unity power factor at the line side, robustness to circuit parameters, and simple implementation.
Finally, two type of modulation strategies mentioned above are compared with each other. The optimal PDM is thought more practical than the CRDM in the view point of the harmonic component of output current, the complexity of controller implementation, robustness to noise and parameter variations, and line input power factor. The techniques proposed in this dissertation are thought suitable for the high performance current control of VSI which is operated in the frequency range of 100 KHz or more and in the power range over 5 KW.
고주파 유도가열시스템의 전원장치를 위하여, 변압기에 의하여 결합된 유도가열부하를 가진 전압원 인버터 (Voltage-Source Inverter; VSI)에 대하여 적용되는, 이산펄스제어방식의 전류제어기법을 연구한다.
유도가열방식은, 가열부위를 정확하게 제어할 수 있고 무공해이며 자동화가 용이 하다는 등의 특성 때문에, 산업계에서의 이용이 증가하고 있다. 유도가열시스템에 사용되는 전원장치로서의 인버터는, 전류원 방식을 채택하고 있었으나, 최근의 반도체 스위칭 소자의 기술발달로 인하여 전압원 방식으로 변화하고 있다.
VSI의 제어 기법들에 대해서는 효율, 신뢰성, 전력밀도 등을 높이기 위하여 많은 연구가 이루어져왔다. 그 중에서, 새로운 방식의 제어기법으로서, 이산펄스변조기술이 최근에 소개되었다. 이 기술은, 스위칭 손실의 저감과 이에 따른 고주파 작동성, 전자간섭(EMI)의 저감,제어범위의 확대, 고 전력밀도 등의 많은 장점을 활용할 수 있다. 그러나, 이것을 실제로 사용하기에는 전류리플과 편차가 상당한 크기로 나타난다는 문제가 장애로 작용한다. 이러한 문제를 해결하기 위한 여러 가지 노력들이 연구되었지만, 이산전압펄스에 의한 변압기의 자속포화 가능성을 고려하지 않았기 때문에 유도가열용으로 사용하기에는 한계가 있다. 그러므로, 본 논문에서는, 자속포화라는 제약조건을 고려하면서 이러한 문제를 해결하기 위하여, 개선된 이산펄스 변조방식의 전류제어기법을 제안한다. 이산펄스 변조기법으로서 전류조절형 델타변조방식 (Current-Regulated Delta-Modulation; CRDM)과 펄스농도 변조방식(Pulse-Density -Modulation; PDM)에 대하여 연구하고, 특히, 변압기 자속포화의 방지가법과 그 영향을 분석한다.
이산펄스제어방식으로 구동되는 전압원 인버터(DPC VSI)의 모델링과 특성분석을 2장에서 실시한다. 유도가열부하의 공진성이 매우 높다는 특성에 착안하여, 공진전류의 진폭 크기를 이산시간형 변수로 채택하면, 전류의 동적모델이 1차 이 산형 방정식으로 단순화되며, 변압기 자속의 모델 또한 1차 방정식으로 표현된다. 이를 이용하면 특성분석과 설계가 용이하게 이루어짐을 보인다.
3장에서는 CRDM을 DPC VSI에 적용하는 기법에 대하여 기술한다. 일반적인 CRDM 은 강인하지만 항상 저주파성분의 전류편차를 가진다. 이를 보상하기 위하여 오차 적분기를 추가하고, 이에 따르는 과도상태 오브슈트를 방지하기 위한 적분기 리세트 기능을 추가한 개선된 CRDM을 적용한다. 적분기 이득이 클수록 전류편차의 보상 은 신속하게 이루어지지만 전류리플의 크기가 증가함을 보인다. 적분기 이득의 상한치를 정량적으로 계산하는 방법을 제안하고, 이의 효용성을 시뮬레이션으로 확인한다.
또다른 방법으로서, PDM을 적용하는 기법을 4장에서 기술한다. 변압기의 자속포화를 방지하면서도 전류리플을 최소화 할 수 있는 방법을 찾는다. 일반적인 PDM에서는 전압펄스가 연속적으로 나타나는 펄스패턴을 이용하므로, 출력전류는 과도한 리플을 갖게 된다. 그러나, 전압펄스를 균일하게 분포시키면, 평균전류의 크기는 변하지 않고 리플의 크기는 감소하게 됨을 보인다. 2장에서 도출한 모델을 이용하여 최적패턴을 결정하는 체계적 방법을 제안하는데, 자속포화의 문제는 용이하게 처리된다. 제안한 기법의 효용성을 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인한다.
앞에서 언급한 두 가지 방식의 이산펄스 변조기법의 성능을 5장에서 비교 분석 한다. 결론적으로, 유도가열부하를 가진 고주파 전압원 인버터에 대하여 적용할 수 있는 기법으로서, 적분기를 가진 CRDM과 최적 PDM이 모두 유효하게 사용될 수 있지만, 100 KHz 이상의 고주파 작동과 전류리플 측면에서 최적 PDM 방식이 보다 우수한 성능을 갖는다. 따라서, 이 기법은 고주파 전원장치에 효과적으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
