In this dissertation, a generalized dynamic modeling, an analysis for the internal characteristics and an improved current control strategy for series resonant converters and inverters (SRC's and SRI's) with non-periodic integral cycle mode are newly proposed to overcome the disadvantages of the quantum SRC's and SRI's. This kind of power conversion schemes can provide many desirable features due to the zero current switching conditions such as the nearly zero switching loss, smaller filter components, lower electromagnetic interference(EMI) level, etc. Furthermore, the characteristics of the conventional pulse width modulated (PWM) converters such as the buck, boost, and buck-boost converters can also be obtained. However, the quantized output voltage levels and the large current ripple are known as the major disadvantages of quantum SRC's and SRI's. Moreover, a large current overshoot appears due to the uncontrollable range in case of a quantum boost SRC and a relatively high peak current level in the steady state is shown in case of a quantum buck-boost SRC. Since the quantized output levels and the large current ripple are mainly caused by the fixed size of integral control cycle, it is basically considered in this dissertation that all kinds of quantum SRC's and SRI's should be operated with non-periodic integral cycle mode. Under this consideration, the degree of freedom for the controller design can be much extended.
Firstly, the internal operational characteristics of a quantum buck SRC is analyzed in detail and a new dynamic model for this analysis is also presented. In this analysis, the intermediate current slopes are newly explored and an optimal predictive current control technique is also developed. The advantages of the proposed current control technique are comparatively discussed with the other current control techniques. Using the proposed control technique, the minimized current ripple with reduced offset current and the fast transient response with negligible overshoot can be obtained. Furthermore, the continuous output voltage levels can also be available.
Next, an analysis and an improved control strategy for a quantum buck SRC with a bi-level source voltage are investigated to further reduce the current ripple magnitude. As expected, the more improved current control performance can be obtained using a bi-level source voltage. Also, the proposed techniques are further generalized to the other types of quantum SRC's such as a quantum boost and a buck-boost SRC. The unique disadvantages of a quantum boost and a buck-boost SRC are discussed and effectively overcome.
Finally, the proposed techniques are extended to a quantum SRI for the application of an uninterruptible power supply. The more elaborated analysis for the internal operational characteristics are presented to guarantee the four quadrant operation of output voltage and current. The effect of the regenerating mode is discussed and an improved current control technique for a quantum SRI are also developed. The usefulness of the proposed modeling and control techniques are verified by the computer simulations and experiments. The proposed techniques are expected to be widely applicable to the other kinds of resonant power conversion schemes.
이 논문에서는 고정된 적분주기 모드를 가지는 퀀텀 직렬공진 콘버터와 인버터의 단점을 극복하기 위하여 비주기 적분 모드를 가지는 직렬공진 콘버터와 인버터의 일반화된 동적 모델링, 내적특성의 해석, 및 개선된 전류제어 기법들이 새로이 제시되었다.
이와같은 전력변환기들은 영전류 스위칭으로 인하여 거의 영 스위칭 손실, 필터 부분의 소형화, 저 전자기 간섭 수준등의 바람직한 특성을 제공 할 수 있다. 또한 벅, 부스트, 벅-부스트 콘버터와 같은 기존의 펄스폭 변조 콘버터의 특성도 얻을 수 있다. 그러나 양자화된 출력전압과 큰 전류 리플 등은 퀀텀 직렬공진 콘버터와 인버터의 주요 단점으로 알려져있다. 더우기 퀀텀부스트 콘버터의 경우, 제어 불능 구간에 따른 큰 오버슈트 현상이 나타나고 또한 퀀텀 벅-부스트 콘버터의 경우는 정상상태에서 상대적으로 높은 전류 수준을 보이는등의 단점도 있다.
양자화 출력전압과 큰 전류 리플은 주로 고정된 적분제어주기로 부터 야기되기 때문에 이 논문에서는 기본적으로 직렬공진 콘버터와 인버터는 비주기 적분모드로 운전되어야 한다고 생각하였다. 이와 같은 동작조건하에서는 제어기 설계의 자유도가 크게 확장될 수 있을것이다.
먼저 퀀텀 벅 직렬공진 콘버터의 내적 동작 특성에 대한 상세한 해석이 수행되었는데 이 해석을 위한 새로운 동적모델이 제시되었다. 이 해석에서, 중간 전류 기울기들이 새롭게 파악되었으며 이를 이용한 최적 예측 전류제어 기법이 고안되었다. 제시된 제어기법은 다른 제어기법들과 상호 비교 검토 되었으며 제시된 기법을 사용함으로써 작은 옵셋전류, 전류 리플의 최소화, 무시할정도의 오버슈트, 및 빠른 과도응답 특성등을 얻을수 있었으며 연속적인 출력전압 특성 역시 가능하게 되었다.
다음으로 전류리플 크기를 더욱 감소시키기 위하여 2단계 전원을 가진 퀀텀벅 직렬공진 콘버터를 위한 해석 및 개선된 제어전략이 연구되었다. 기대했던대로 2단계 전원을 사용함으로써 더욱 개선된 전류제어 성능을 얻을 수 있었다. 또한 제시된 기법들은 다른 형태의 직렬공진 콘버터, 즉, 퀀텀 부스트 및 벅-부스트 직렬 공진 콘버터들에 적용하기 위해 일반화된 형태로 발전되었다. 이와같은 형태의 콘버터들에서 나타나는 고유의 단점들이 검토되었고 이는 효과적으로 개선될 수 있었다.
마지막으로 제시된 기법들은 무정전 전원장치로의 응용을 위한 퀀텀 직렬공진 인버터로 확장 적용되었다. 출력 전압과 전류의 4상한 동작을 보장하기위하여 내부 동작특성에대한 보다 상세한 해석이 이루어졌다. 회생모드의 효과가 검토되었으며 또한 퀀텀 직렬공진 인버터를 위한 개선된 전류제어 기법이 개발되었다. 전산 시뮬레이션과 실험을 통하여 제시된 모델링 및 제어기들의 유용성을 보였으며 제시된 기법들은 다른 종류의 공진형 전력변환 장치들에도 폭넓게 응용 가능할것으로 기대된다.