단상 Z-소스 Buck-Boost 매트릭스 컨버터 및 응용 = Single-Phase Z-Source Buck-Boost Matrix Converter and Its Applications

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 단상 Z-소스 벅-부스트 매트릭스 컨버터(single-phase Z-source buck-boost matrix converter)와 단상 quasi–Z-소스 교류-교류 컨버터(single-phase quasi-Z-source AC-AC converter) 두 가지 새로운 종류의 컨버터를 연구하였다. 단상 Z-소스 벅-부스트 매트릭스 컨버터는 출력 주파수 및 출력전압의 벅-부스트 제어가 가능하다. 추가로, 제안된 컨버터는 safe commutaion방법에 의하여 스너버 회로없이 스위치의 전압 스파이크의 제거를 할 수 있다. 제안한 단상 Z-소스 벅-부스트 매트릭스 컨버터의 동작방법을 표현하고 회로 분석을 제공하였다. 제안된 컨버터의 성능을 확인을 위해 R-L부하와 40Vrms/60Hz의 전압을 갖는 회로를 설계하였다. 제안한 컨버터의 성능 검증은 각각 30Hz, 60Hz, 120Hz의 출력 주파수와 벅-부스트된 출력전압을 실험과 시뮬레이션을 통하여 입증하였다.
단상 quasi–Z-소스 교류-교류 컨버터는 종전의 단상Z-소스 교류-교류 컨버터의 모든 장점을 포함할뿐만아니라 벅-부스트된 출력전압의 위상을 반전시키거나 유지하는 것이 가능하다. 추가로, 제안한 단상 quasi–Z-소스 교류-교류 컨버터는 입력 측과 출력 측이 동일한 접지를 가지는 특징과 동작 중 입력전류가 연속으로 흐르는 특징이 있다. 제안한 컨버터의 구동 방법을 표현하고 회로분석을 하였다. 제안한 컨버터의 성능을 입증하기 위해 84Vrms/60 Hz입력의 실제 회로를 구성하였다. 시뮬레이션 및 실험결과를 통해 종전의 단상 Z-소스 교류-교류 컨버터에 비해서 입력전류의 전고조파 왜곡을 낮출수있으며 높은 입력 Power factor와 효율이 가능 함을 증명 하였다.
전압 swell/sag보상기를 위한 단상 Z-소스 교류-교류 컨버터의 응용 방법을 소개 하였다. 소개한 토폴로지는 변압기와 PWM Z-소스 교류-교류 컨버터를 사용하였다. 전압의 swell/sag 발생시 제안한 시스템은 부하 측에 인가되는 전압의 증가 또는 감소시키는 과정을 통해 일정하게 유지한다. 일반적인 경우 시스템은 위의 과정을 수행하지 않는다. 제안한 시스템은 전력변환을 위한 높은 정격의 베터리 모듈 또는 커패시터 모듈 등이 요구되지 않는다. Commutation 방법을 이용한 교류-교류 컨버터는 스너버장치가 없는 동작이 가능하다. 제안한 시스템의 동작 방법을 설명하고 회로를 분석하였다. 제안한 시스템의 성능을 검증하기 위해 기본 입력전압 110 Vrms/60Hz으로 동작하는 TMS320F2812 DSP 기반의 실제 회로를 구성하였다. 입력 측과 출력 측의 최대 전압을 검출하기 위한 장치를 구성하였다. 시뮬레이션 및 실험 결과 20% 전압 swell과 60% 전압 sag의 보상이 가능함을 확인 할수있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis deals with two new types of converter called a single-phase Z-source buck-boost matrix converter and a single-phase quasi-Z-source AC-AC converter. The single-phase Z-source buck-boost matrix converter can buck and boost with step-changed frequency, and both the frequency and the voltage can be stepped up or stepped down. In addition, the converter employs a safe-commutation strategy to conduct along a continuous current path, which results in the elimination of voltage spikes on switches without the need for a snubber circuit. The operating principles of the proposed single-phase Z-source buck-boost matrix converter are described, and a circuit analysis is provided. To verify the performance of the proposed converter, a laboratory prototype was constructed with a voltage of 40 Vrms/60Hz and a passive R-L load. The simulation and the experimental results verified that the converter can produce an output voltage with three different frequencies 120 Hz, 60 Hz, and 30 Hz, and that the amplitude of the output voltage can be bucked and boosted.
The single-phase quasi-Z-source AC-AC converter inherits all the advantages of the traditional single-phase Z-source AC-AC converter, which can realize buck-boost, reversing or maintaining the phase angle. In addition, the proposed single-phase quasi-Z-source AC-AC converter has the unique features that the input voltage and output voltage share the same ground and the operation is in the continuous current mode (CCM). The operating principles of the proposed converter are described, and a circuit analysis is provided. In order to verify the performance of the proposed converter, a laboratory prototype was constructed with a voltage of 84 Vrms/60 Hz. The simulation and experimental results verified that the converter has a lower input current total harmonic distortion, higher input power factor and higher efficiency in comparison with the conventional single-phase Z-source AC-AC converter.
An application of the single-phase Z-source AC-AC converter for voltage swell/sag compensation is presented. The presented topology employs a pulse width modulation (PWM) Z-source AC-AC converter along with a transformer. During a voltage swell/sag occupation, the proposed system adjusts the adding or missing voltage and maintains the rate voltage at the terminal of the critical load. During normal conditions, the system works in bypass mode. The proposed system does not require any large energy-storage elements such as batteries bank or bulk capacitors. A commutation strategy to drive the AC-AC converter is employed to realize snubberless operation. The operating principles of the proposed system are described, and a circuit analysis is provided. To verify the performance of the proposed system, a laboratory prototype based on TMS320F2812 DSP was constructed with a normal voltage of 110 Vrms/60Hz. A peak voltage detector was made for both input and output sides. Simulation and experimental results at 20% voltage swell, and 60% voltage sag are shown.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.1.1 Matrix Converters 1
• 1.1.2 Z-Source Converters 4
• 1.2 Research Focus 7
• 1.3 Research Contributions 8
• 1.4 Organization of the Thesis 9
• Chapter 2 Single-Phase Z-Source Buck-Boost Matrix Converter 13
• 2.1 Introduction 13
• 2.2 Proposed Single-Phase Z-Source Buck-Boost Matrix Converter Topology 15
• 2.3 Switching Strategy for Solving the Commutation Problem 17
• 2.3.1 Commutation Problem 17
• 2.3.2 Operation Principles 18
• 2.4 Circuit Equations 23
• 2.5 Simulation Results 26
• 2.6 Experimental Verifications 28
• 2.7 Conclusions 34
• Chapter 3 Single-Phase Z-Source AC-AC Converter with Wide Range Output Voltage Operation 36
• 3.1 Introduction 36
• 3.2 Proposed Topology 38
• 3.3 Operation Principles 40
• 3.4 Circuit Analysis 45
• 3.5 Simulation Results 50
• 3.6 Experimental Results 53
• 3.7 Conclusions 57
• Chapter 4 Single-Phase Quasi-Z-Source AC-AC Converter 59
• 4.1 Introduction 59
• 4.2 Proposed Topology 62
• 4.3 Circuit Analysis 65
• 4.4 Parameter Design of the Proposed Converter 70
• 4.4.1 Quasi-Z-Source Network Design 70
• 4.4.2 Current and Voltage Stress of Switches 72
• 4.5 Simulation Results 72
• 4.6 Experimental Verifications 77
• 4.7 Conclusions 83
• Chapter 5 Application of Single-Phase Z-Source AC/AC Converter in Voltage Swell/Sag Compensation 85
• 5.1 Introduction 85
• 5.2 Proposed Topology 86
• 5.3 Circuit Analysis 91
• 5.4 Simulation and Experimental Results 95
• 5.5 Conclusions 102
• Chapter 6 Conclusions 104
• References 108
• Abstract in Korean 123
• Acknowledgements 125