최근 직류전원(DC power supplies)이 전기 및 전자장비에 폭넓게 응용됨에 따라 입력전류의 고조파를 감소시키고 역률을 개선시키는 방안에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 전력의 품질을 평가하는 데 있어서 가장 중요한 점은 입력전원의 왜곡현상이다. 이는 주로 정현파가 아닌 비선형전류를 유발하는 전자장비의 사용에 기인한다. 비선형전류의 원인이 되는 비선형장치들도 고조파전류 및 이로 인해 발생하는 왜곡된 전압의 영향을 받는다.

다이오드를 이용한 정류기는 산업현장에서 널리 응용되고 있다. 그러나 입력전류에 많은 저차고조파가 포함되어 공급전압을 왜곡시켜 전력의 품질을 저하시키므로 이를 완화시킬 수 있는 적절한 설비가 필요하다.

직류전원은 컴퓨터, 음향기기, 텔레비전 등 다양한 전기전자장치 내부에 사용되고 있다. 비선형부하가 존재하면 전원시스템의 역률이 감소하고 입력전류의 고조파 함유량이 증가한다. 이는 전원전압의 왜곡을 초래하여 전력품질을 저하시킨다. 대부분의 전력변환장치에 사용되는 AC/DC 변환기는 출력전압의 크기가 임의로 제어되지 않는 다이오드 브리지 정류기이며, 근본적으로 비선형특성을 가지므로 비정현파 전류가 유입되어 결과적으로 고조파 발생의 원인이 된다. 즉, 브리지 정류기는 전력시스템의 총 고조파 왜형률 (THD; Total Harmonics Distortion)을 증가시키고 역률을 감소시킬 뿐 아니라 효율도 저하시킨다. 고조파 전류는 전력계통의 전압 왜곡, 가열 및 소음 등을 유발하여 효율을 떨어뜨린다. 이러한 사실로 말미암아 입력전류에 포함된 고조파를 감소시키고 역률을 향상시킬 필요성이 대두되고 있다.

이상적인 입력 교류전원은 돌발전압과 고조파 전류가 전혀 없다. 정류과정의 비선형성으로 인해 AC 전원 측에 나타나는 불연속적인 입력전류는 입력전압과 같은 형상으로 정형되어야한다. 역률개선 및 고조파 저감 방식은 크게 두 가지- 수동과 능동- 로 대별된다. 수동적인 방식은 저출력 및 저비용의 응용부분에 사용되고 능동적인 방식은 뛰어난 성능으로 인해 폭 넓게 적용되고 있다.

고조파를 감소시키고 역률을 상승시키기 위하여, 입력전류를 연속도통모드(CCM; Continuous-conduction Mode)화 시키는 부스트 컨버터가 등장하였다.

최근에는 스위칭 손실(Switching loss)과 컨덕션 손실(Conduction loss)을 감소시켜 전체 정류기의 효율을 개선시키기 위한 방식들이 연구되고 있다.

본 논문에서는 입력전류에 포함된 고조파 전류를 감소시키고, 역률을 증가시킬 수 있을 뿐 아니라 전체 정류기 효율을 상승시킬 수 있도록 통전 다이오드의 개수를 한 개 감소시킨 부스트 컨버터를 제안하였다. 이는 기존의 부스트 컨버터에 비해 전류가 통과하는 반도체의 개수가 줄어 스위칭 손실과 통전 손실이 감소되므로 전체 효율이 상승하는 결과를 가져온다. 소프트웨어 PSIM을 활용하여 제안된 변환기의 성능을 확인해본다[1][2].

본 논문에서 제안한 브리지리스 부스트 컨버터의 성능을 확인하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 행하였다. 소프트웨어는 최근 전기전자분야에서 탁월한 기능을 나타내는 PSIM을 활용하였다.

Figure 7은 부스트 컨버터 토플로지를 사용하지 않은 일반 전파 정류회로의 PSIM 다이아그램이고, Figure 8은 시뮬레이션 결과이다.

Figure 7: 
PSIM diagram for single phase bridge rectifier

Figure 8: 
Voltage, Current, Power factor, THD and Load Current of single phase bridge rectifier

입력전류의 역률은 39[%]로 아주 낮았고, 총고조파 왜형률(THD)은 228[%]에 달했다. 이는 전원의 용량에 따라서 전력의 품질을 심히 저하시킬 수도 있다.

Figure 9는 기존의 부스트 컨버터 토플로지를 사용한 파 정류회로의 PSIM 다이아그램이고, Figure 10은 시뮬레이션 결과이다.

Figure 9: 
PSIM diagram for conventional booster converter

Figure 10: 
Voltage, Current, Power factor, THD and Load Current of conventional booster converter

입력전류의 역률은 80[%]로 향상되었고, 총고조파 왜형률(THD)은 38[%]까지 감소하여 부스트 컨버터의 효과를 실감할 수 있다.

Figure 11은 본 논문에서 제안한 브리지리스 부스트 컨버터 토플로지를 사용한 정류회로의 PSIM 다이아그램이고, Figure 12는 시뮬레이션 결과이다.

Figure 11: 
PSIM diagram for proposed bridgeless booster converter

Figure 12: 
Voltage, Current, Power factor, THD and Load Current of proposed bridgeless booster converter

입력전류의 역률은 80[%], 총고조파 왜형률(THD)은 38[%]로 기존의 부스트 컨버터와 동일한 효과를 나타내었다.

앞서 기술한 바와 같이, 기존의 부스트 컨버터에 비해 제안된 컨버터는 인덕터 통전 다이오드의 개수를 충전 시 2개에서 1개로, 방전 시 3개에서 2개로 줄임으로써 다이오드 스위칭 및 통전 손실을 40[%]정도까지 감소시킬 수 있다.

최근 직류전원이 전기 및 전자장비에 폭 넓게 응용됨에 따라 입력전류의 고조파를 감소시키고 역률을 개선시키는 방안에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 다이오드를 이용한 정류기는 산업현장에서 널리 응용되고 있다. 그러나 입력전류에 많은 고조파가 포함될 뿐 아니라 역률의 악화를 초래함으로써 공급전압을 왜곡시켜 전력의 품질을 저하시키므로 이를 완화시킬 수 있는 적절한 설비가 필요하다.

본 논문에서는 통전 다이오드의 개수를 한 개 감소시킨 브리지리스 부스트 컨버터를 제안하였다. 앞장의 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 확인된 바 와 같이 제안된 방식은 입력전류의 역률과 총 고조파 왜형률의 측면에서 기존의 컨버터와 동일한 효과를 나타내었다. 그러나 다이오드의 스위칭 손실과 통전손실을 40[%]이상 감소시키는 결과를 기대할 수 있어 보다 효율적인 AC/DC 컨버터임을 확인하였다.