According to the technical trends on power semiconductors, the operating frequency of switching devices in power conversion system has been increased for higher power density. The high frequency switching of dc-ac inverter with several switching devices generates large switching noises in output voltage and current, and may cause electromagnetic interference (EMI) problems to other electronic systems. To analyze the high frequency switching behavior of the inverter precisely, an accurate high frequency model of the transistor inside the inverter is essential.
In this study, a simple and accurate insulated gate bipolar transistor (IGBT) model based on datasheet and measurement data is proposed and the EMI from a high-power full-bridge inverter is analyzed using the model. The basic operations of IGBT are modeled by MOSFET and BJT components with datasheet information. The parasitic capacitances and parasitic inductances of IGBT module are measured and included in the IGBT model. After exact modeling of the waveform at transition, the results of simulation and measurements of full-bridge inverter are compared in time domain and frequency domain for verification of the proposed model. The simulation results with conventional IGBT model, which have no consideration of parasitic capacitances, are also compared with the measurement data to show the effect of the proposed model. Based on the proposed IGBT model, we analyzed the high frequency characteristics of inverter at turn-off and turn-on transition. In addition, with the inverter circuit composed of the proposed IGBT model, we modeled the wireless power transfer (WPT) system using magnetic field resonance. At last, with the analysis on the WPT system, the current distortion by third and fifth harmonics can be reduced by moving the switching frequency.
최근 30년간 전력반도체의 전력 밀도가 증가하는 추세와 함께 전력변환 시스템에서의 스위칭 주파수는 점점 더 증가해왔다. 하지만 이러한 스위칭 소자가 많이 포함된 인버터의 경우 전력변환 시스템에서 전자파 잡음의 원인이 된다. 특히 대전력 시스템에서의 고주파 스위칭은 큰 전압과 전류 변화 기울기를 유발하며, 이것은 시스템내의 기생성분들과 만나 고주파 노이즈를 발생시킨다. 한편 대전력 시스템에서는 절연 게이트 쌍극성 트랜지스터라는 스위칭 소자를 사용하는데, 소자와 모듈 레벨에서 다양한 기생성분을 가지므로 전자파 잡음 현상에 대한 분석을 위해서는 절연 게이트 쌍극성 트랜지스터의 정확한 고주파 모델링이 필요하다고 할 수 있다.
본 연구에서는 간단하면서 정확한 절연 게이트 쌍극성 트랜지스터의 고주파 모델링을 위해서 데이터 시트 정보와 측정값을 이용하였다. 데이터 시트 정보는 트랜지스터의 기본 동작을 모델링하기 위해 사용되었고, 전압에 따른 기생 커패시턴스값을 측정하여 모델에 반영하였다. 또한 기생 인덕턴스 값을 추출하기 위해 임피던스 곡선을 측정하였고, 시간 도메인의 측정 그래프를 통해 자세한 파형을 모델링하였다.
모델에 대한 검증을 위해서 저항 부하를 연결한 풀브릿지 인버터를 제작한 후 출력 전압과 출력 전류를 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 시뮬레이션에서는 본 연구에서 제안한 모델과 기생 커패시턴스가 포함되지 않은 기존의 모델을 이용하였고, 정확한 시뮬레이션을 위해서 측정 환경에 존재하는 여러 기생성분들을 추출하여 시뮬레이션 회로에 추가하였다. 시간 도메인과 주파수 도메인에서의 비교 결과, 본 연구에서 제안한 모델이 기존의 모델에 비해 고주파 현상에 대해서 더 정확한 시뮬레이션이 가능하였다. 이후에 제안한 모델을 이용하여 인버터 출력 전압의 주파수 특성에 대한 분석을 진행하였다. 저주파 영역은 인버터의 스위칭 주파수와 듀티비에 따른 고조파 성분들이 크게 나타났고, 메가헤르츠 이상에서는 부하단의 큰 인덕턴스 성분과 트랜지스터의 작은 커패시턴스가 만나서 생기는 턴-오프 시의 공진점이 관찰되었다. 10 메가헤르츠 이후에는 큰 직류 전력 공급단의 작은 인덕턴스 성분과 트랜지스터의 작은 커패시턴스가 만나서 고주파의 턴-온 공진점이 나타났다.
마지막으로, 제안한 모델은 무선전력전송 시스템에 적용되었다. 자기장 공진을 이용한 무선전력전송 시스템을 제작한 후 위에서 설계된 인버터를 연결하여 각 코일의 전류와 출력 전압을 측정하였다. 마찬가지로 정확한 시뮬레이션을 위해 측정 환경의 기생성분들을 임피던스 측정으로 모델링한 후 시뮬레이션 회로에 추가하였다. 측정과 시뮬레이션에서 모두 3차 미 5차 고조파에 의한 전류의 왜곡현상을 볼 수 있었고, 고주파 부분의 특성은 코일 시스템에 대한 더 정확한 고주파 모델이 필요할 것으로 보였다. 출력 전압의 경우 제안한 모델이 기존의 모델에 비해 더 정확한 결과를 보였다. 전류의 왜곡현상을 줄이기 위해서 시뮬레이션 레벨에서 입력 임피던스를 분석한 후 낮은 임피던스를 가지는 주파수 대역으로 인버터의 스위칭 주파수를 옮기는 방법을 적용하였다. 그 결과 비교적 깨끗한 사인 파형의 전류를 만들어 낼 수 있음을 시뮬레이션으로 검증하였다.
