There have been a great deal of recent researches on the rectification circuit due to the increasing demand for the high power quality in the AC line. Among them, the boosting feature of the pulse-width-modulated (PWM) hard-switched converters are mainly used. However, this type of circuit has the limited switching frequency due to the high switching losses in the devices. Therefore, soft-switched resonant type circuit is more desirable in view of the high power density since it eliminates the switching losses to a great extent such that the switching frequency can be increased. Among of the reported resonant circuits, one interesting topic is a quantum series resonant converter (QSRC) which can provide the zero current switching conditions, ease of control, and linear characteristics like the conventional PWM converters. Based on this type of converter, a new AC-to-DC conversion circuit named as a quantum boost series resonant rectifier (QBSRR) is proposed in this dissertation to obtain the high power factor.
In general, due to the voltage step-down characteristics, the AC-to-DC rectifier using the series resonant circuit has the problem when the output voltage falls below the line voltage. As a possible way of dealing with this problem, the proposed rectifier employs the additional switch and hence it has the boosting feature. Furthermore, since a QBSRR has the half-bridge topology, a wide range of output voltage are available, i.e. above half the input peak voltage.
In addition to the suggestion of a new rectification circuit, the another purpose of this paper is to construct the accurate closed-loop model for the controlled system which gives the intuition of the closed-loop system dynamics. Since the rectifier employs the rectified sinusoidal waveshape as the input source voltage, the 120Hz ripple component is appeared in the output voltage. In order to obtain the stable output voltage regardless of this 120Hz ripple component, the digital PI-controller whose sampling time is corresponding to the zero-crossing point of the AC line voltage is employed in this thesis. For the desired dynamic performances of the closed system, the gain of the controller should be properly selected. Therefore, a simple and exact model for the closed system is developed and the design technique of the controller gain is presented.
To further improve the dynamic performance, a deadbeat control scheme for a QBSRR is also derived. Thus, the fast dynamic responses can be obtained in the presence of any load variations. In this control scheme, the controller gain is adjusted in accordance with the load information using the load estimation method.
With the current program loop and the output voltage control loop, the exact regulation and desired dynamic performance of the output voltage as well as the high input power factor can be obtained. Therefore, it is expected that the proposed circuit of this thesis can be usefully applicable to the power supply design, DC motor drive, and inverter source.
최근들어서, 일반 상용 교류 전원으로부터 양질의 전력을 얻기 위하여 정류회로에 대한 많은 연구가 발표되고 있다. 그 중에서도, 기존의 펄스폭 변조방식(PWM)을 이용한 하드-스위칭(Hard-switching) 방식이 주로 연구되어져 왔다. 그러나, 이러한 형태는 각 소자에서 스위칭시에 많은 손실이 발생하므로 스위칭 주파수를 높이는데 한계가 있다. 따라서, 소프트-스위칭(Soft-switching)을 이용한 공진형 회로(Resonant circuit) 가 전력 밀도 측면에서 볼때 더 바람직하다고 할 수 있다. 왜냐하면, 이러한 형태의 회로에서는 스위칭시에 손실을 상당히 줄일 수 있어서 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있기 때문이다. 최근에 퀀덤 직렬 공진 컨버터(Quantum Series Resonant Converter : QSRC)라는 공진형 회로가 발표되었는데 이는 영전류 스위칭, 용이한 제어, 그리고 선형특성을 가지고 있다. 이러한 회로를 기초로하여 본 연구에서는 퀀덤 승합 직렬 공진형 정류기(Quantum Boost Series Resonant Rectifier : QBSRR)라는 새로운 교류-대-직류 변환 회로를 제안하였다. 일반적으로, 직렬 공진형 교류-대-직류 정류회로의 전압강하 특성때문에 출력전압이 입력 교류전압의 피크치보다 더 낮아질때는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하고자 제안된 회로에서는 스위치를 추가하여 승압현상을 갖도록 하였다. 더우기, 제안한 회로는 하프-브릿지(Half bridge) 토폴로지를 가지므로, 입력 교류전압 피크값의 절반이상의 출력 직류전압을 얻을 수 있어서 기존의 승합방식이 입력 교류전압 피크값이상의 전압을 가지는 것에 비하여 보다 넓은 범위의 출력전압을 가진다. 본 연구에서는 새로운 정류회로의 제안과 함께 정확한 폐회로 모델을 구하였다. 이를 통하여 실험을 통하지 않고도 폐회로 시스템의 동적특성을 정확히 예측할 수 있다. 정류회로는 입력 전압으로 정류된 상용 교류전원을 사용하므로 120Hz의 리플 성분이 자연히 출력측에 보이게 된다. 따라서 이러한 120Hz 리플 성분으로 인하여 출력전압을 일정하게 레귤레이션(Regulation)하기에는 많은 어려움이 따른다. 이러한 문제점을 극복하고 안정된 출력전압을 얻기위하여 본 연구에서는 샘플링 순간이 입력 전압의 영전류 순간과 일치하는 디지탈 PI 제어기 (Digital PI controller)를 이용하였다. 특히, 전체 페루프 회로의 원하는 동적특성을 얻기위하여 제어기의 이득을 적절히 구해야 하는데, 본 연구에서는 간결하고 정확한 폐루프 시스템의 모델을 구하고 제어기 이득을 설계하는 기법을 제시하였다. 좀 더 향상된 동적특성을 구하기 위하여, 데드비트(Deadbeat) 제어기법이 또한 추가, 연구되어졌으며, 이 제어기의 특성에 따라 어떤 부하 상태에서도 가장 빠른 동적 특성을 얻을 수 있게 되었다. 데드비트 제어기 구성에 필요한 부하의 정보를 매 샘플링 순간마다 효과적으로 얻기위하여 부하 측정 방법(Load estimation method)을 유도하였다. 전류 제어 루프(Current program loop)와 출력전압 제어 루프로부터 입력측에서는 높은 역률을, 그리고 출력측에서는 정확한 출력전압 레벨과 원하는 동적특성을 얻게 되었다. 따라서, 본 연구에서 제안된 회로와 제어기법은 전력 공급기 설계, 직류모타 구동, 인버터 전원등에 유용하게 쓰여질 것으로 여겨진다.
