Several circuit transformation techniques are proposed to provide the equivalent linear time-invariant (LTI) circuits for most linear switching converters such as PWM converters, resonant converters, rectifiers, inverters, quantum rectifier-inverters, and cyclo-converters.
In Chapter 1, brief reviews of the Power Electronics and those of modelings are provided as the introduction of this thesis. Then the outlines of the proposed circuit transformation methods are attached.
In Chapter 2. the equivalent circuits or the switches in DC-DC converters are proved to be the time-varying transformers. By this model, conventional six basic PWM DC-DC converters and practical converters and analyzed with great easy without any equational manipulations. This simple model provides the DC voltage gains and AC small signal transfer functions which are very good means for the understanding of the high order converters.
In Chapter 3, the general proofs that the equivalent circuits for switches are transformers, and their applications to the AC converters such as rectifiers, inverters, and rectifier-inverters based on a new circuit D-Q transformation are provided. Multi-switch or high order switching systems, for example, the 8th order 12 switch rectifier-inverter, can be analyzed now, otherwise it could have not been done by any conventional approaches even though the equational D-Q transformation. This is also used in finding the DC and AC transfer functions of the converters.
In Chapter 4, the frequency or controlled series resonant converters are modeled and analyzed by the suggested phasor transformation. the 3rd order converters are modeled as lst order system when the switching frequency deviates from the resonant frequency and 2nd order systems when the switching frequency approaches to the resonant frequency. Various simulations and experiments verify that the proposed models have less than 10 percents errors for almost areas.
In Chapter 5, the quantum rectifier inverters which have the quantized switching functions and the quantized output levels are analyzed by the proposed quantum transformation. The equivalent circuits for the converters are found to be the correspond conventional PWM rectifier-inverters, which can be easily analyzed by the circuit D-Q transformation of Chapter 3. The proposed control algorithm is realized by only two EXOR logic gates nevertheless the complex configuration and operation principle of the quantum rectifier-inverters.
In Chapter 6, Conclusions and further works are provided.
In Appendix A, The DC-DC converters with all possible parasitics such as finite switching times, switch conduction voltages, resistances, ESR of capacitor are modeled and analyzed also. First the original converters are equivalently transformed to the converters already analyzed. Then the models are verified by experiments with good agreements and the results are tabulated in compact table.
In Appendix B, The basic principles of the Power Electronics are discussed as the preliminaries of this thesis.
In this thesis, new circuit transformation techniques such as DC transformer model, Circuit D-Q transformation, Phasor transformation, and Quantum transformation are proposed to provide the equivalent LTI circuits for most linear switching systems. It is found that the equivalent circuits which can be utilized to obtain the DC operating points and the AC small signal gains are composed of RLC components, sources, transformers, and gyrators only.
이 논문에서 PWM 콘버터를 비롯하여 공진형 콘버터, 정류기, 인버터, 양자 정류기-인버터 등과 같은 선형 스윗칭 콘버터에 대해 등가의 선형 시불변회로를 구할 수 있는 여러 종류의 회로 변환 기법을 제안하였다.
1 장에서는 이 논문에 대한 소개로써 전력 전자 전반에 대한 간단한 소개 및 기존의 모델링 기법에 대한 언급을 하였다. 또한 이 논문을 통해 제안된 회로 변환 기법을 간략하게 설명하였다.
2 장에서는 직류 전원 장치에 사용되는 스윗치에 대한 등가 회로가 시변변압기임을 증명하였다. 이 모델에 의해 기존의 6 개의 기본형 펄스 폭 전원 장치와 실용적인 전원 장치가 아무런 수식의 사용없이도 매우 손쉽게 해석 되었다. 이 간단한 모델은 차수가 높은 콘버터를 이해하는데 매우 편리하여 직류 전압 이득 및 교류 소신호 전달 함수를 구하고자 할 때 사용된다.
3 장에서는 스윗치의 등가회로가 변압기라는데 대한 일반적인 증명을 하고, 새로운 회로적 D-Q 변환 기법을 통해 정류기, 인버터, 정류기-인버터와 같은 교류 콘버터에 이를 적용하였다. 많은 스윗치와 높은 차수를 가진 스윗칭 시스템-예컨대 8 차 12 스윗치 정류기-인버터-의 해석이 이제 가능한데, 이는 수식적 D-Q 변환을 포함한 기존의 어떠한 방법으로도 해석할 수 없었던 것이다. 새로운 이 기법을 통해 여러가지 콘버터의 직류 및 교류 전달 함수를 구할 수 있다.
4 장에서는 주파수 및 위상으로 제어되는 직렬 공진형 콘버터가 이 논문에서 제안된 페이저 변환을 통해 모델되고 해석되었다. 3 차의 시스템이 스윗칭 주파수가 공진 주파수를 벗어났을 경우 1 차 시스템으로 모델되고, 공진 주파수에 가까와지면 2 차 시스템으로 모델된다. 다양한 시뮬레이션 및 실험을 통해 거의 모든 영역에서 제안된 모델이 1 할 이상의 오차를 갖지 않는다는 것이 확인 되었다.
5 장에서는 양자화된 스윗칭 함수와 출력 값을 갖는 양자 정류기-인버터가 이 논문에서 제안된 양자 변환을 통해 해석되었다. 이 콘버터의 등가회로는 3 장에서 해석된 바 있는 기존의 정류기-인버터 임이 확인되었다. 여기서 제안된 제어기는 이 콘버터의 복잡한 회로 구성 및 작동 원리에도 불구하고 단지 두개의 EXOR 논리 소자만으로 구현 할 수 있다.
6 장에서는 결론 및 차후 연구 과제를 제시하였다.
부록에서는 스윗칭 시간, 스윗치 순방향 전압, 도통 저항 및 콘덴서의 등가직렬 저항과 같은 모든 가능한 비이상적인 요소를 갖는 실제적인 콘버터가 해석되었다. 해석 방법은, 첫째로 원래 콘버터가 이미 해석되어 있는 기존의 콘버터로 등가적으로 변환되었다. 다음으로 등가회로의 해석 결과를 실험을 통해 검증하고 압축하여 도표화 했다. 또한 전력 전자의 기초가 되는 원리를 간단히 소개하였다.
이 논문을 통해, 직류 변압기 모델, 회로적 D-Q 변환, 페이저 변환, 그리고 양자 변환과 같은 새로운 회로 변환 기법이 제안되어 모든 선형 스윗칭 시스템에 대한 시불변 등가 회로를 구할 수 있게 되었다. 직류 동작점과 교류 소신호 이득을 구하는데 활용이 가능한 이 시불변 등가 회로는 저항, 코일, 콘덴서, 전원, 변압기 및 자이레이터 만으로 구성되어 있어 기존의 회로 이론을 스윗치를 포함한 전원장치에도 그대로 적용 할 수 있게 되었다.
