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A Study on High Performance Operation of Hybrid Energy Recovery Drive System for Piezoelectric Pump
A Study on High Performance Operation of Hybrid Energy Recovery Drive System for Piezoelectric Pump
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers. 2015. Oct, 64(10): 1426-1431
Copyright © 2015, The Korean Institute of Electrical Engineers
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
  • Received : August 20, 2015
  • Accepted : September 21, 2015
  • Published : October 01, 2015
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선기 홍
Dept. of Information Control Eng., Hoseo Univerity, Korea
sunkih4@naver.com
정섭 이
Dept. of Information Control Eng., Hoseo Univerity, Korea
용호 조
Dept. of Information Control Eng., Hoseo Univerity, Korea
기석 김
Dept. of Information Control Eng., Hoseo Univerity, Korea
태삼 강
Dept. of Aerospace Information Eng., Konkuk Univ. Korea

Abstract
Piezoelectric pump can be considered as R-C load and it needs something special driver because the output voltage does not become 0 even though the applied voltage is 0 with common converter. This operating system consists of fly-back converter to increase the input voltage and energy recovery inverter to apply square voltage to the piezoelectric pump. The energy recovery inverter can charge and discharge the energy of capacitive load. In this paper, to enhance performance of the driver, a few elements or circuits are added and modified. To drive the inverter safely, current limit resister is added and adjusted the value to valance the charging and discharging current. In addition, a current limit inductor is added to the input side to limit the input current and enhance the efficiency. Inductor only may make oscillation and another resister is added parallel to the inductor to solve this problem. The converter and inveter are assembled to one board for compactness. The appropriateness is proved with simulation and experiments.
Keywords
1. 서 론
전압을 인가했을 때 기계적인 변형을 일으키는 것을 압전 효과라고 한다. 이러한 압전 효과를 이용하여 펌프를 구동할 수 있도록 설계된 장치를 피에조 펌프라 한다 [1] . 부하의 제원에 필요한 피에조 펌프 구동장치를 설계하고 구동하는데 있어 피에조 부하는 전기적으로 RC특성을 가지는데, 이러한 부하를 구동하기 위해서는 구형파의 전압을 인가하여 피에조 부하를 구동한다. 보통 피에조 펌프에 필요한 높은 전압에 비해, 제공되는 전원은 부하 전압에 비해 비교적 낮은 전압이기 때문에 먼저 DC-DC 컨버터를 이용하여 전압을 승압시키고, 이 직류 전압을 구형파로 만들 수 있는 인버터가 필요하다. 특히 RC부하에 단방향 구형파를 인가하기 위해서는 부하에 에너지를 충전하고 방전하는 두 가지 동작으로 구형파를 발생시킬 수 있는데, 높은 전압을 부하에 충전하거나 방전하는 순간 전압에 비례하는 높은 전류가 부하에 흐르게 된다. 높은 전류는 회로에 사용되는 소자와 부하에 고장이나 발열 등의 문제를 발생시킬 수 있으므로 부하에 흐르는 전류의 피크치를 줄이기 위해 부하에 전압을 절반씩 나누어 인가하고 전원의 부담을 줄일 수 있는 에너지 회수형 인버터를 이용한다 [2 , 3] .
본 연구에서는 이러한 경우에 대해 시뮬레이션과 실험으로 그 효과를 확인하고 제작한 후 실험을 통해 나타나는 문제점을 고찰한다. 특히 스위치가 켜지는 순간 큰 피크 전류가 흐르게 되고, 전류 피크치를 낮출 수 있는 방법을 제안하고 추가실험을 통해 발열과 전류 최대치 등을 안정화시킬 수 있도록 회로를 개선한다. 다음 단계로 컨버터와 에너지 회수형 인버터를 하나로 합친 하이브리드 구동장치 시스템을 구성하여 피에조 펌프를 직접 구동하여 동작을 확인하고, 제안된 방법의 타당성을 확인한다.
2. 용량성 부하 구동을 위한 컨버터 및 인버터
- 2.1 플라이백 컨버터
낮은 전압을 높은 전압으로 승압시키는 컨버터는 여러 종류가 있지만 절연과 높은 승압비가 필요한 경우 플라이백 컨버터가 변압기 효과를 이용할 수 있어 유리하다.
그림 1 은 플라이백 컨버터의 등가회로이다. 플라이백 컨버터는 비교적 회로 구성이 간단하며 변압기의 권선 비에 따라 승압과 강압을 다른 컨버터에 비해 좀 더 간단히 설정할 수 있으며, 1차 측과 2차 측이 절연되는 특징이 있어 많이 사용된다. 본 논문에서 사용된 플라이백 컨버터는 입력 전압이 28 [V], 출력전압이 800 [V], 200 [VA]인 사양을 가지고 있다. 시뮬레이션과 실험을 통해 요구되는 사양에 맞는 플라이백 컨버터를 설계하고, 제작하였다. 또한, 실험을 통하여 정상적으로 전압이 출력 되는 것을 확인하였다 [4 , 5] .
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플라이백 컨버터 등가회로 Fig. 1 Equivalent circuit of flyback converter
- 2.2 일반 인버터 및 에너지 회수형 인버터
일반적인 저항 부하에서 단방향 구형파 전압을 부하에 인가하는 것은 전원 전압을 부하에 공급과 차단을 반복하는 것으로 가능하다. 하지만 피에조 부하는 전기적으로 RC 특성을 가지고 있고 RC직렬 부하에서 구형파 전압을 인가할 때 커패시터에 의해 부하가 충전은 가능하지만 방전회로가 구성되지 않기 때문에 방전이 되지 않아 형파의 전압을 인가할 수 없다. 그림 2 는 이에 대한 회로와 부하에 걸리는 출력 전압의 예시이다.
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RC 부하에서의 회로와 출력 파형 Fig. 2 Circuit and outptut waveform for RC load.
RC부하에 단방향 구형파를 인가하기 위해서는 부하에 충전된 전압을 방전시키는 회로가 필요하며 그림 3 과 같이 스위치 S 1 에 의해 부하에 전압을 인가하고 S 2 에 의해 방전될 수 있는 루프를 추가한 회로가 필요하다. 그림 3 의 회로에서 S 1 S 2 가 번갈아가며 on/off됨으로써 RC부하에서 구형파가 인가되는 시뮬레이션 결과가 그림 4 에 나타나 있다.
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RC 부하에서 구형파를 출력할 수 있는 회로 Fig. 3 RC load driving circuit applying square wave voltage.
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그림 3에서의 전압 전류 파형 Fig. 4 Voltage and current waveforms in Fig 3
스위치 2개를 사용하여 RC직렬 부하에서 구형파를 인가할 수 있지만 RC부하가 충전, 방전될 때 그림 4(b) 와 같이 높은 전류가 흐르게 된다.
충전과 방전 주기가 반복되며 높은 펄스 전류가 부하에 흐를때, 스위치 선정 시 이에 맞는 고용량 소자를 선택해야 될 수도 있다. 부하에 흐르는 높은 전류를 완화시키기 위해 방전 시 모두 소비되는 부하 에너지의 일부를 별도의 커패시터에 저장한 후, 부하전압을 인가하기 직전에 충전 커패시터에 저장되어 있던 에너지를 부하에 인가하는 방법을 사용하면, 전압을 나누어 충전하거나 방전하기 때문에 부하전류를 적게 흐르게 만들 수 있으며, 인버터 전원의 용량도 감소시킬 수 있다. 이것을 단방향 에너지 회수형 인버터(Energy Recovery Inverter, ERI)라 하며 그림 5 는 단방향 에너지 회수형 인버터의 등가회로이다 [4] .
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단방향 에너지 회수형 인버터 Fig. 5 Unidirectional energy recovery Inverter
그림 6 은 800 [V] 구형파 전압을 인가한 경우의 시뮬레이션 결과로, 위부터 부하전압, S 1 , S 2 , S 3 , S 4 스위칭 신호이다. S 3 S 4 의 시간이 짧으면 짧아질수록 구형파에 가까운 부하전압 파형을 얻을 수 있다. 하지만 이것은 RC 시정수에 따라 가능한 값이 있기 때문에 너무 짧으면 충분히 충전 또는 방전이 되지 않아, 파형의 왜곡을 일으킬 수도 있다. 따라서, 부하 RC값에 따라서 시간은 적절히 선정해야 한다. 그림 7(a) , (b) 는 각각 일반 인버터와 에너지 회수 형 인버터의 부하전류에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주며 전류 피크치가 확연히 감소된 것을 확인할 수 있다.
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ERI의 스위칭 신호 파형과 부하 전압 파형 Fig. 6 Switching signal and load voltage waveform of ERI
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일반 인버터와 ERI에 의한 부하전류 Fig. 7 Current waveforms under common inverter and ERI
3. 에너지 회수형 인버터 성능 개선
시뮬레이션에서 에너지 회수형 인버터의 효과를 확인하였고, 실제로 피에조 부하를 구동할 때 효과를 확인하기 위해 회로를 제작하였다. 여기서 사용한 사양은 표 1 표 2 에 나와 있는 바와 같다.
플라이백 컨버터의 사양Table 1Specifications of Flyback Converter
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플라이백 컨버터의 사양 Table 1 Specifications of Flyback Converter
본 연구에서 실험한 피에조 펌프의 사양은 다음과 같다.
피에조 펌프의 사양Table 2Specifications of Piezo Pump
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피에조 펌프의 사양 Table 2 Specifications of Piezo Pump
그림 8 은 피에조 부하를 구동하기 위한 실험 시스템이다. 그림에서와 같이, 피에조부하에 단방향 전압을 인가하기 위하여, 인버터에 직류 전압이 인가되고, 컨트롤러에서 부하에 단방향 구형파 전압이 인가되도록 인버터에 펄스 신호를 보내게 된다. 인버터 스위치 신호는 각각 다른 그라운드를 갖아야 하므로, 포토 커플러를 사용하였고, 이에 필요한 15 [V] 게이트 전원부가 있다.
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에너지 회수형 인버터 시스템 Fig. 8 Energy recovery inverter system
그림 9 는 500 [V] 플라이백 컨버터와 ERI를 이용하여 부하에 인가되는 전압과 이때의 전류 파형이다. 그림 9 의 실험 파형에서 X축은 500 [μs/div], Y축은 [5V/div] 이다. 그림 9 에서 처음의 펄스 전류 파형은 충전 커패시터에서 부하에 에너지를 공급할 때 파형이고, 두 번째 펄스 전류 파형은 전원으로부터 에너지를 공급받는 경우가 된다. 그림에서 알 수 있듯이, 회로 조건에 따라 두 전류 피크치가 차이가 크게 발생할 수 있다. 전류의 피크치가 너무 크면 스위치의 용량을 증가시켜야하기 때문에 전류 피크 치를 줄이거나 차이가 줄어들도록 하려면 간단히 회로에 저항을 삽입하여 전류의 피크치를 조정할 수 있다. 다만 열이나 효율을 고려할 필요가 있다. 컨버터에서 공급되는 전류의 급격한 변화를 제한하면서 열이나 효율을 고려하려면 입력 단에 저항을 삽입하는 대신 인덕터를 추가하는 방법이 있다. 그림 10 은 800 [V] 전원에서 전류를 인가 시 펄스전류의 피크치를 제한하기 위해 인덕터를 삽입한 경우이다.
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ERI에 의한 부하전압과 부하전류 파형 Fig. 9 Load voltage and Load current waveform by ERI
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입력전류 제한 인덕터로 교체된 회로도 Fig. 10 Input current limiting Resistor is replaced with a inductor circuit
그림 10 에서 알 수 있듯이 입력단에 인덕터로 인하여, 저항성분이 없기 때문에 이상적으로 열손실이 없게 된다. 그림 10 의 회로에 대한 시뮬레이션 결과가 그림 11 이다. 그림에서 알 수 있듯이 충전 커패시터 전류와 전원에 의한 전류의 크기가 비슷하며, 전류 제한을 인덕터로 구현했기 때문에 발열 문제를 고려할 필요가 없다. 그림 12 는 이 회로에 대한 실제 실험 파형이며, 시뮬레이션과 비교적 잘 일치하고 있다. 그림 12 의 실험 파형에서 X축은 500 [μs/div], Y축은 500 [V/div] 이다.
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그림 11의 회로에서 시뮬레이션 결과파형 Fig. 11 Simulation waveform in the circuit of Fig. 11
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그림 10의 회로에서 실험 결과파형 Fig. 12 Results waveform for the circuit of Fig 10
이 방법은 발열에 의한 문제를 해결할 수 있었지만, 그림 12 의 실험 파형을 상세하게 살펴 보면, 인덕터로 인해 전류가 (–)가 되는 경우도 발생하며 진동하는 부분이 발생 된다. 이를 제거하기 위해서 인덕터에 저항을 병렬로 삽입하여 인덕터에 충전된 에너지를 소모시키는 방법을 고려하였다. 이에 대한 시뮬레이션은 그림 13 이다. 본 시뮬레이션에서 1 [Ω] 저항과 1 [mH]의 인덕터를 사용하였다. 시뮬레이션에서 파형 개선을 확인하고 이에 대해 그림 14 와 같이 실험으로 검증하여 그 효과의 타당성을 확인하였다.
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파형 개선을 위해 수정된 회로의 시뮬레이션 파형 Fig. 13 Simulation waveform of the modified circuit for waveform improvement
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병렬 회로의 실험 파형 Fig. 14 Experimental waveform of parallel circuit
그림 14 의 실험 파형에서 X축은 500 [μs/div], Y축은 500 [V/div] 이다. 그림 14 에서 알 수 있듯이 입력전류 제한 병렬 회로의 실험에 대하여, 출력파형의 왜곡현상과 발열현상 문제가 개선되었으며 추가로 전류 피크치도 더 감소된 것을 확인할 수 있었다.
이러한 실험들을 거쳐, 용량성 부하를 구동할 수 있는 시스템을 구성하였다. 그림 15 는 플라이백 컨버터와 에너지 회수형 인버터를 하나로 합쳐 하나의 구동장치로 제작한 에너지 회수형 하이브리드 구동장치이다. 단일장치로 구성함으로써 더욱 소형화를 구현하였으며, 실제 기판은 4층으로 구성하여 노이즈에도 강인할 수 있도록 하였다. 이 장치는 입력 전압을 28 [V]로 가하면, 실제 출력은 단방향 800 [V] 구형파를 출력하게 된다.
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컨버터와 인버터를 결합한 하이브리드 장치 Fig. 15 Hybrid device combining converter and inverter
제작된 에너지 회수 형 하이브리드 회로로 피에조 펌프를 구동하였다. 그림 16 은 피에조 펌프에서 피에조 소자가 삽입되어있는 구동부에 해당된다. 이 장치에 800 [V] 구형파 전압이 인가되면, 피에조 재료가 신장, 응축을 반복하면서 결과적으로 펌프 역할을 하게 된다. 에너지 회수형 하이브리드 회로를 사용하여 10Hz부터 240Hz까지 구형파의 주파수를 높여가며 실험했을 때 피에조 펌프의 구동을 확인하였으며 하이브리드 회로의 발열상태도 문제없이 동작되는 것을 확인하였다.
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피에조 펌프의 구동부 Fig. 16 Operating part of piezo pump
3. 결 론
피에조 펌프를 구동하기 위해서는 고전압의 구형파가 인가되어야 하는데 피에조 펌프의 전원은 비교적 높은 전압을 요구하기 때문에 높은 전압으로 승압하기 유리한 플라이백 컨버터를 사용하였다. 이 전압을 구형파로 출력하기 위해서는 전기적으로 RC 특성을 가진 피에조 부하의 특징 때문에 충전 회로와 방전 회로가 필요하다. 이 때 충전이나 방전할 때 부하에 흐르는 높은 피크 전류를 낮추기 위해 에너지 회수형 인버터를 사용하여 전류의 피크를 상당히 낮출 수 있었다. 스위칭 소자의 용량 사양을 낮추기 위해서는 전류의 피크치를 더욱 제한할 필요가 있으며, 이를 위해 전원 측에 충전 시 전류제한 저항을 사용할 수 있으나 발열 문제가 발생할 수 있고, 이 부분의 회로를 인덕터와 저항의 병렬회로로 개선하였다. 이로부터 안정성과 신뢰성을 향상한 에너지 회수형 인버터를 개발할 수 있었고, 실험을 통하여 확인하였다. 이를 바탕으로 플라이백 컨버터와 에너지 회수형 인버터를 하나로 합쳐 피에조 펌프용 하이브리드 구동장치를 개발, 제작하였으며, 실제의 피에조 펌프를 구동하여 그 유용성을 확인하였다.
BIO
홍 선 기 (Sun-Ki Hong)
1987년 서울대학교 전기공학과 졸업, 1989년 동 대학원 석사졸업. 1993년 동 대학원전기공학 박사. 1993~1995 렉스산전㈜ 선임연구원, 1995~현재 호서대학교 디지털제어공학과 교수, 관심분야는 전기기기 해석, 설계 및 고장진단, 서보기기 제어, 컨버터 및 인버터 설계
이 정 섭 (Jung-Seop Lee)
2013년 호서대학교 시스템제어공학과 졸업, 2015년 호서대학교 정보제어공학과 대학원 석사졸업, 관심분야는 컨버터 및 인버터, 서보기기 제어
조 용 호 (Yong-Ho Cho)
2015년 호서대학교 시스템제어공학과 졸업, 2015년~현재 호서대학교 정보제어 공학과 대학원 석사과정, 관심분야는 컨버터 및 인버터, 서보기기 제어
김 기 석 (Ki-Seok Kim)
2015년 호서대학교 시스템제어공학과 졸업, 2015년~현재 호서대학교 정보제어공학과 대학원 석사과정, 관심분야는 컨버터 및 인버터, 전기기기 해석, 서보기기 제어
강 태 삼(Tae-Sam Kang)
1986년 서울대학교 제어계측공학과 졸업, 1988년 동 대학원 석사졸업, 1992년 동 대학원 제어계측공학 박사. 2001년 9월~현재 건국대학교 항공우주정보시스템공학과 교수, 관심분야는 항공제어, 소형무인비행체 제어, 관성센서, 지능소자 개발 및 활용, 강인제어 이론 및 응용
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Park Hanbin 2012 “Study on High-Efficiency Driving of a Piezo Device Using Voltage Inversion Circuit” Jounal of KIEE 61 (12) 1843 - 1847
Hong Sun-Ki , Lee Jung-Seop , Byun Nam-Hee 2013 “A Study on Characteristics and Driving Techniques of Energy Recovery Type Inverter for Piezo Actuator Drive“ Jounal of KIEE 62 (8) 1095 - 1100
Hong Sun-Ki , Lee Jung-Seop , Byun Nam-Hee , Kang Taesam 2014 “A Study of Unidirectional Driving Circuit of Piezoelectric Device Considering Energy Recovery“ Applied Mechanics and Materials 490-491 1053 - 1056    DOI : 10.4028/www.scientific.net/AMM.490-491.1053
Hong Sun-Ki , Byun Nam-Hee , Lee Jung-Seop , Kang Tae-Sam 2014 “A Study on Unidirectional Analog Output Voltage Inverter for Capacitive Load” World Academy of Science, Engineering and Technology 8 490 - 493