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Study on control methods for reliable hot-swap and PFC light load efficiency improvement of parallel power system = 병렬 파워 시스템의 안정적인 핫스왑과 PFC 경부하 효율 향상을 위한 제어 기법에 관한 연구
서명 / 저자 Study on control methods for reliable hot-swap and PFC light load efficiency improvement of parallel power system = 병렬 파워 시스템의 안정적인 핫스왑과 PFC 경부하 효율 향상을 위한 제어 기법에 관한 연구 / xHyoung-Suk Lee.
저자명 Kim, Hyoung-Suk ; 김형석
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2013].
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초록정보

With the development of information technology, the demand for data processing equipments such as server computers and telecom apparatuses is gradually increasing and they have become a large market for power supply industry. The power system for these equipments need the high reliability and high maintainability since an interruption of the power supply causes a large cost. To meet these requirements, parallel operation of power supply units (PSUs) is widely employed for data processing equipments. In general, the parallel power system can provide advantages such as the high-current capacity, simple thermal management, and easy standardization compared with a large single power supply. Especially, the parallel power system can cope with a sudden failure of an arbitrary PSU by adding one redundant PSU to N PSUs handling the rated power. Besides, the parallel power system can provide high maintainability since the broken PSU can be replaced with a new PSU without shutting down the whole system by the hot-swap. In this dissertation, control methods to improve reliability and efficiency of the parallel power system are studied. The hot-swap is the operation which inserts a new PSU to the powered system. Therefore, the load current can be concentrated to the new PSU by the interaction among paralleled PSUs. To prevent the current concentration, a start-up control is proposed. Also, in the parallel power system with N+1 redundancy, each PSU has more chance to operate at light loads since the number of PSUs which share the load current is increased. Therefore, to improve the light load efficiency, a PFC on/off control is proposed. 1. Start-up control for reliable hot-swap of parallel power system To make the maintenance, repair, and upgrade of the parallel power system simple, a hot-swap which means the replacement of a PSU without shutting down the whole system is necessary. A practical issue for the hot-swap is a current concentration toward a newly activating PSU due to inevitable non-uniformity among the paralleled PSUs, which causes the excessive current and thermal stresses, and even leads to a device failure. By analyzing the start-up operation of a converter module during the hot-swap, the reason for the current concentration is demonstrated. Then, based on this analysis, a method increasing the voltage reference exponentially is presented, which can contribute to reduce the current concentration However, the current concentration still remains and causes a problem as the number of paralleled modules or difference in output voltage set-points increases. Therefore, a control scheme adjusting the output voltage reference during the start-up is proposed to eliminate the current concentration effectively. Experimental results from 1kW paralleled phase-shifted full-bridge converters are shown to verify the proposed works. 2. PFC on/off control for light load efficiency improvement of parallel power system Recently, because the number of data processing equipments and corresponding energy consumption are rapidly increasing, energy saving through the efficient power system is getting important. Especially, in the parallel power system with N+1 redundancy, each PSU has more chance to operate at light loads since N+1 PSUs share the total load current. Therefore, the light load efficiency as well as the heavy load efficiency is important in the parallel power system. To improve the light load efficiency of the parallel power system, a power factor correction (PFC) on/off control is proposed. The proposed scheme operates the PFC stages of two paralleled PSUs alternately during one cycle of a 60Hz AC input. This improves the light-load efficiency by reducing load-independent losses such as capacitive turn-on losses and core losses. In addition, the proposed scheme alleviates the harmonic distortion by reducing the discontinuous conduction mode (DCM) region. Experimental results from 1.6kW PFC boost converters are shown to verify the proposed work.

최근 들어 정보 기술의 발달에 따라, 서버 컴퓨터나 통신 장비 같은 데이터 처리 장비에 대한 요구는 지속적으로 증가하고 있으며, 이에 따라 이러한 장비를 위한 전원 공급 장치 시장 또한 빠른 속도로 증가하고 있다. 데이터 처리 장비에 전원 공급이 중단되어 서비스가 중단되게 되면, 기업의 이미지 실추와 같은 간접 비용과 이윤 손실과 같은 직접 비용을 비롯해 큰 비용이 발생하므로, 데이터 처리 장비용 파워 시스템은 높은 신뢰성과 유지 보수성을 요구 하게 된다. 또한, 데이터 처리 장비의 수와 그에 따른 에너지 사용이 증가함에 따라, 에너지 손실을 줄이기 위해 파워 시스템의 효율을 높이는 것 역시 중요한 요구 사항이다. 이러한 요구를 만족시키기 위해, 데이터 처리 장비용 파워 시스템에는 컨버터 모듈의 병렬 동작이 일반적으로 사용 된다. 병렬 파워 시스템은 하나의 큰 파워 서플라이에 비해 부하의 요구량이 증가하더라도 표준화된 컨버터 모듈을 추가함으로써 확장이 용이하며, 부하에 전원을 공급하기 위해 필요한 최소한의 모듈 N개에 하나 혹은 그 이상의 모듈을 추가한 N+1 리던던시 형태로 동작시킴으로써 임의의 모듈에 고장이 발생하더라도 시스템에 정상적으로 전원이 공급 될 수 있어 높은 신뢰성을 가진다. 특히, 시스템에 전원이 유지된 채로 컨버터 모듈을 교체하는 핫스왑 (hot-swap) 을 통해 유지보수성을 극대화 할 수 있게 된다. 본 논문에서는, 이러한 핫스왑 가능한 병렬 파워 시스템을 주제로 크게 두 가지 이슈에 관하여 연구를 진행하였다. 첫째는, 병렬 파워 시스템을 이루는 각각의 컨버터 모듈은 동일 할 수 없으므로 핫스왑 시 부하 전류가 삽입되는 컨버터 모듈로 집중되어 모듈에 과도한 전류 및 열적 스트레스가 인가되게 하는 전류 집중 현상을 막기 위한 스타트업 제어에 관한 내용이다. 다음으로는, N+1 리던던시를 가지는 병렬 파워 시스템의 경우, 부하 전류를 분담하는 모듈의 수가 많아져 각각의 모듈이 경부하에서 동작할 경우가 많아지므로, 경부하 효율 향상에 초점을 맞춘 PFC 제어 기법에 관하여 연구를 진행하였다. I. 병렬 파워 시스템의 안정적인 핫스왑을 위한 스타트업 제어 병렬 파워 시스템의 유지 보수 및 업그레이드를 간단하게 하기 위해, 시스템의 전원이 유지된 채로 컨버터 모듈을 교체하는 핫스왑 기술이 필요하게 된다. 병렬 파워 시스템을 이루는 각각의 컨버터 모듈은 소자 허용오차나 기생성분 등의 영향으로 출력 전압 셋 포인트 등이 동일 할 수 없기 때문에, 핫스왑 시 부하 전류가 삽입되는 모듈로 집중되는 전류 집중 현상이 발생하게 된다. 이러한 전류 집중 현상이 발생하게 되면 삽입되는 모듈에 과도한 전류 및 열적 스트레스가 인가되게 되고 심하게는 모듈을 파괴에 이르게 한다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해, 핫스왑 동작을 분석하여 전류 집중의 원인을 이론적으로 규명하였고, 이를 기반으로 새로 삽입되는 모듈의 전압 레퍼런스를 조정해 주는 스타트업 방식을 제안하고 실험으로 검증하였다. 제안된 방식을 사용할 경우 전류 집중의 원인이 되는 전압 레퍼런스 변화를 제거해 줌으로써, 전류 집중 없는 안정적인 핫스왑을 보장할 수 있게 된다. 이를 통해, 수동조정으로 인한 생산성 저하와 예측하기 힘든 전류 집중으로 인한 신뢰성 저하, 그리고 과전류로 인한 오동작을 방지 할 수 있게 된다. 2. 병렬 파워 시스템의 경부하 효율 향상을 위한 PFC on/off 제어 데이터 처리 장비가 사용하는 에너지 중, 전력변환 과정에서의 손실이 큰 비중을 차지하므로, 에너지 소모를 줄이기 위해 높은 효율에 대한 요구는 지속적으로 증가하고 있다. 특히, N+1 리던던시를 가지는 병렬 파워 시스템에서는 부하전류를 분담하는 컨버터 모듈의 수가 많아져, 각각의 컨버터 모듈이 경부하에서 동작할 경우가 많아지게 된다. 따라서, 중부하 영역뿐만 아니라 경부하 영역에서의 효율 향상에 대한 중요성이 강조되고 있다. 본 논문에서는, 병렬 파워 시스템의 경부하 효율 향상을 위해, PFC On/Off 제어 방식을 제안하였다. 제안된 방식은 병렬 연결된 전원장치의 PFC단을 입력라인의 한 주기 동안 교번으로 동작 시키게 된다. 이를 통해, 인덕터의 코어 손실과 스위칭 손실을 줄일 수 있어 효율을 향상 시키게 된다. 또한, 동작하지 않는 반 주기로 인해 동작하는 구간에서 부스트 인덕터 전류의 크기가 커져, 부스트 인덕터 전류의 불연속 구간이 줄어들게 되어, 하모닉 성능 역시 개선 가능하다. 실험을 통해, 제안된 기법을 사용할 경우 경부하 영역에서 효율 향상 및 하모닉 성능 개선이 가능함을 확인 하였다. 데이터 처리 장비용 전원장치는 그 수요가 지속적으로 증가 할 것으로 예상된다. 본 연구에서 진행된 제어 방식을 통해 병렬 파워 시스템의 안정적인 핫스왑과 경부하 효율 향상을 이룰 수 있어, 향후 높은 신뢰성과 효율을 요구하는 데이터 처리 장비용 전원 장치에 널리 응용 가능 하리라 기대한다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DEE 13026
형태사항 vi, 72 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김형석
지도교수의 영문표기 : Gun-Woo Moon
지도교수의 한글표기 : 문건우
공동지도교수의 영문표기 : Myung-Joong Youn
공동지도교수의 한글표기 : 윤명중
Including Appendix : A, Design of phase-shifted full-bridge (PSFBC) controller
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학과,
서지주기 References : p. 64-69
주제 current concentration
hot-swap
light load efficiency
parallel power system
power factor correction(PFC)
전류 집중
핫스왑
경부하 효율
병렬 파워 시스템
역률 보상
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