강제 환류형 싸이클로콘버터(Forced Commutated Cycloconverter; FCC)에 있어서 출력전압 및 입력전류에 나타나는 저차고조파 성분을 제거하기 위한 펄스-폭 변조 방식에 대하여 연구하였다. 본 논문에서 제안된 펄스-폭 변조 방식은 두가지로서 Type I 과 Type II로 나누었다.
FCC에서 나는 저차 고조파 성분의 특성을 분석하기 위하여 출력전압 및 입력전류를 나타내는 수학적 표현식을 3-펄스 FCC 및 6-펄스 FCC에 대하여 유도하였다. FCC에서 나타나는 고조파 성분은 스윗치의 ON/OFF 상태를 나타내는 스윗칭함수의 고조파 성분과 밀접한 관계를 갖고 있어서, 임의의 어떤 저차 고조파 성분을 제거하려면 스윗칭 함수의 해당 고조파 성분을 제거함으로써 가능하다는 것을 알았다. 또한 출력전압의 고조파 성분 과 입력전류의 고조파 성분은 유사한 형태로 나타나서 출력전압에서 어떤 고조파 성분이 제거되면 입력전류에서도 그 고조파 성분이 동시에 제거된다는 것을 알았다.
Type I 펄스-폭 변조 방식은 어떤 고조파 성분을 제거하기 위하여 특정의 위상차를 갖는 두 스윗칭 함수를 더하여 얻어지는 것이다. 여기서 위상차는 제거하고자 하는 고조파 성분에 대하여 π 만큼의 위상차가 나타나도록 주어진다. 이 방식은 입출력 전압비가 0.5미만인 영역에서 비교적 낮은 스윗칭 주파수로 두개의 저차 고조파 성분을 완전히 제거할 수 있다는 특징을 갖는다. 3-펄스 FCC 및 6-펄스 FCC에 대하여 출력전압의 기본파 성분에 따른 고조파 특성을 얻었다. 이 방법에서 고조파 성분은 3-펄스 FCC의 경우, 스윗칭 주파수가 540Hz 일 때 $17f_o$ 에서 부터 나타나고, 6-펄스 FCC의 경우, 스윗칭 주파수가 450Hz 일 때 $35f_o$ 에서 부터 나타나게 된다. 여기서 입력 및 출력 주파수는 각각 60Hz 및 30Hz 인 경우이다.그러나 이 방식은 나머지 고조파 성분이 여전히 크게 남게 된다는 문제점이 있으며, 특히 3-펄스 FCC에서는 그 주파수도 낮아서 좀 더 많은 고조파를 제거할 필요가 있다.
Type II 펄스-폭 변조 방식은 일정한 갯수의 펄스를 갖는 스윗칭 함수의 기본 패턴을 선정한 후, 각 펄스의 위치 및 폭을 적절히 조절하여 저차 고조파 성분을 최소화시키는 방법이다. FCC에서 스윗칭 함수의 펄스-폭 변조를 하는 경우, 각 스윗칭 함수 사이에 중첩이 일어나서는 않되기 때문에 중첩이 일어나지 않는 조건하에서 펄스-폭 변조 가능한 스윗칭 함수의 기본 패턴을 특별한 방법으로 얻었다. 이와 같이 하여 얻어진 기본 패턴을 바탕으로 최적화 프로그램을 통하여 주어진 고조파 성분을 최소화 할 수 있는 각 펄스의 각도를 계산하였다. 여기서 고려된 고조파 성분은 가장 낮은 쪽 부터 4개의 성분으로 선택하였다. 이 방식은 입출력 전압비가 0.55 미만인 영역에서 4개의 저차 고조파 성분을 거의 0으로 감소시킬 수 있다. 이 방법에서 고조파 성분은 3-펄스 FCC의 경우, 스윗칭 주파수가 720Hz 일 때 $26f_o$에서 부터 나타나게 된다. 여기서 입력 및 출력 주파수는 각각 60Hz 및 30Hz인 경우이다. 실험은 5마력 유도 전동기에 대하여 행하였으며, 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 잘 일치하였다.
본 논문에서 제안된 펄스-폭 변조 방식은 입출력 전압비가 0.55 미만인 영역에서 저차 고조파 성분을 효과적으로 제거할 수 있고, 고조파의 제거가 입력 및 출력측에서 동시에 일어나게 되어 입력측에서의 필터 설계가 용이해진다는 장점이 있지만, 입출력 전압비가 그 보다 커지게 되면 다시 저차 고조파 성분이 되살아 나게 되어 전체 고조파 성분이 커진다는 문제점이 있다. 또한 최대 입출력 전압비가 1 보다 작다는 문제점도 있다.
본 논문에서는 FCC의 구성에 있어서 GTO thyristor와 4개의 다이오드로 쌍방향성 스윗치를 만들었으나 장차 1개로된 쌍방향성 스윗치가 개발된다면 FCC가 실용화되는 데 있어서 매우 유리해지게 되며, 본 논문에서 제시한 펄스-폭 변조 방식은 보다 우수한 특성을 갖는 FCC의 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다.
