In this dissertation, novel soft switching converter topologies for high frequency DC/DC, AC/AC(constant frequency), DC/AC(AC/DC) and AC/AC power conversion are proposed. a new family of soft switching DC/DC converters and two kinds of new soft switching DC/AC(AC/DC) converters are presented to improve the performances of the previously reported soft switching converters while a new family of soft switching AC choppers (constant frequency AC/AC converters) and a new soft switching AC/AC matrix converter are presented as the first soft switching approaches of the AC chopper and AC/AC matrix converter areas.
A new resonant switch and a new family of zero current and zero voltage mixed mode switching quasi-resonant converters(QRC's), named as single cycle reaonant converters(SCRC's), are proposed to improve the performance of the conventional QRC's and extend their applications to AC choppers. The proposed SCRC's which include two active switches operated with zero current switching(ZCS) and zero voltage switching(ZVS), respectively, have distinctive advantages over the ZCS-QRC's including very simple operation and easiness in control and analysis, and overcome the limited load range characteristics of the contentional ZCS-QRC's. Furthermore the SCRC's can be applied even for high frequency AC choppers by replacing unidirectional switches with bidirectional ones. Steady state operation and characteristics of the buck type SCRC's are analyzed and compared with those of the buck type full wave QRC. To verify the operational principle and characteristics, experimental results at 200KHz, 1KW level are also presented.
For the DC/AC(AC/DC) converters, two kinds of new soft switching inverters are newly proposed to overcome the well known problems of the soft switching resonant DC-link inverters particularly as high device voltage stress and subharmonics, one is three phase resonant pole inverter(RPI) for low power applications and the other is a soft switching PWA inverter for wide power range applications. The three phase RPI is obtained by using the newly porposed separated resonant pole and shows very low device voltage stress(1.0 p.u.), easiness in control and high spectral performance without subharmonics. Furthermore it can easily be extended to the resonant pole rectifier-inverter with symmetric configuration. Suitable control method and analysis are presented, and simulation and experimental results are shown to verify the operating principles.
A novel soft switching PWM inverter is proposed by using a new parallel resonant DC-link(PRDCL) and by adopting single phase soft switching (SPSS) technique. The new PRDCL provides variable link pulse position as well as variable link pulse width, which is quite different feature from the other resonant DC-links and thus the PWM capability can be remarkably increased. The SPSS technique is also adopted for further enhancement of PWM capability. Moderate combination of two soft switching operations enables the conventional space vector PWM technique to be used. Due to distinctive advantages including true PWM capability, minimum device voltage stresses(1.0 p.u.) and reasonable additional device count(3 devices), the proposed converter can be operated in a wide power range(20-200 KVA). Operational principles, analyses and the realization of a space vector PWM of the proposed converter are presented. Simulation results are also shown to verify the operational principle.
A soft switched matrix converter is proposed by adopting the zero voltage switching technique being used in some resonant pole inverters. High operating frequency with safe and efficient switching improves dynamic and spectral performances and simplifies protection logics and snubber networks. Furthermore it can be implemented using simple analog circuits, having similar transfer characteristics to those of the modern pulse width modulated matrix converters such as, maximum voltage transfer ratio and unity input displacement factor. Analysis, design and simulation results are presented to verify the operating principle.
반도체 소자를 이용하는 전력 변환기는 종류가 많지만 몇가지로 분류할 수 있다. 즉, DC/DC 콘버어터를 비롯하여 일정 주파수의 AC 전압을 가변하는 AC 쵸퍼, DC/AC(AC/DC) 콘버어터(인버터) 및 AC를 직접 AC로 변환하는 AC/AC 콘버어터(싸이크로 콘버어터)등으로 분류할 수 있다.
본 논문에서는 위에서 언급한 각 콘버어터에 적합한 새로운 소프트 스윗칭 방식들을 제안하여 고효율, 고주파 전력 변환을 가능하게 하였다. 그중에서 DC/DC 콘버어터와 DC/AC(AC/DC) 콘버어터에서는 기존에 사용되고 있는 소프트 스윗칭 방식들을 개선하여 콘버어터의 효율 및 성능을 향상 시켰으며, AC 쵸퍼와 AC/AC싸이크로 콘버어터에서는 처음으로 소프트 스윗칭 방식을 제안하였다.
DC/DC콘버어터, AC 쵸퍼: 많은 장범을 가지고 있어 기존에 널리 알려진 쿼지 공진 콘버어터는 부하 범위가 제한되고, 작은 부하에서 효율이 떨어지는 단점을 가지고 있다. "단일 주기 공진 콘버어터"라고 명명된 제안된 콘버어터는 제어 및 해석이 간단할 뿐아니라 쿼지 공진 콘버어터의 단점들을 해결하였다. 또한, 제안된 콘버어터는 스윗치 구조만 양방향으로 바꾸면 AC 쵸퍼로 확장이 가능하여, 최초의 공진형 AC 쵸퍼를 제안하게 되었다. 제안된 콘버어터는 해석, 시뮬레이션 및 실험을 통하여 증명하였다.
DC/AC(AC/DC) 콘버어터(인버어터): 기존에 널리 알려진 소프트 스윗칭 DC/AC 콘버어터들이 가지고 있는 문제점들은 스윗치의 전압 스트레스가 높고, 펄스 폭 변조가 되지 않아 서브하모닉(Subharmonics)이 발생하는 것등으로 요약할 수 있다. 이들 문제점들을 해결할 수 있는 두가지 형태의 DC/AC 콘버어터를 제안하였다. 그 중 하나는 공진 폴 인버어터(RPI: Resonant Pole Inverter)로서 스윗치 스트레스가 최소로 유지 되면서 출력 AC 전압에 하모닉이 매우 적다는 장점을 갖는다. 그러나, 인덕터와 커패시터가 다수 필요하기 때문에 소용량(20KVA 이하)이면서 고성능이 요구되는 분야에 적합하다고 할 수 있다. 다른 하나는 새로운 병렬 공진 링크(PRDCL: Parallel Resonant DC-Link)를 이용한 소프트 스윗칭 인버어터로서 펄스 폭 변조를 가능하게 하므로써, 서브 하모닉 문제를 해결하였으며, 스윗치의 전압 스트레스를 최소로 유지 시켰다. 따라서, 제안된 병렬 공진형 인버어터는 고속 스윗칭(20KHz)이 가능하여, 20-200KVA 범위의 중용량에 적합하다고 할 수 있다. 제안된 두가지 형태의 소프트 스윗칭 인버어터의 특성 및 성능은 수학적인 해석, 시뮬레이션 및 실험 결과를 통하여 증명하였다.
AC/AC 싸이크로 콘버어터: 반도체 소자의 발달로 대부분의 싸이크로 콘버어터는 9개의 양방향 스윗치로 구성된 매트릭스 형태를 가지는 데, 이것을 매트릭스 콘버어터(Matrix Converter)라고 한다. 소프트 스윗칭을 하는 매트릭스 콘버어터는 아직 알려져 있지 않다. 본 논문에서는 DC/AC 콘버어터에 이용된 소프트 스윗칭 방식을 매트릭스 콘버어터로 확장하여, 최초로 소프트 스윗칭을 하는 매트릭스 콘버어터를 제안하였다. 제안된 매트릭스 콘버어터는 스윗칭 손실을 줄여 고속 스윗칭을 가능하게 할 뿐 아니라 콘버어터의 제어 및 보호 기능을 더욱 더 쉽게 해준다. 또한, 출력 AC 전압에 고조파가 매우 적으며, 스윗치 전압 스트레스도 최소로 유지되기 때문에 실제로 대전력용으로 응용이 가능하다. 제안된 매트릭스 콘버어터의 동작과 성능은 수학적인 해석과 시뮬레이션을 통하여 증명하였다.
