다중주파수 와전류 검사용 클래스 D 파워앰프와 선택적 고조파 제거 PWM

본 논문은 다중동시주파수(MSF) 출력이 가능한 파워앰프가 필요하지만, 기존 스위치모드 파워앰프는 효율은 높지만 MSF 기능이 부족한 문제점을 해결하고자 한다. 이를 위해 클래스 D 파워앰프와 MSF‑SHEPWM(Multi‑Simultaneous‑Frequency Selective Harmonic Elimination Pulse‑Width Modulation) 기법을 결합한 새로운 설계 방식을 제안한다. 1. **배경 및 필요성** 와전류 검사(MECT)는 단일 주파수보다 넓은 스펙트럼을 이용해 균열 탐지, 박막 두께 측정, 미세구조 모니터링 등 다양한 비파괴 검사에 유리하다. 이러한 응용에서는 높은 전류와 동시에 여러 주파수 성분을 포함한 교류 자기장이 필요하다. 기존 선형 파워앰프는 전류 용량과 효율이 제한적이며, 스위치모드 파워앰프는 효율은 뛰어나지만 다중주파수 동시 출력에 대한 연구가 거의 없다. 2. **클래스 D 파워앰프 구조** 클래스 D는 스위칭 소자를 이용해 전압을 이산적인 레벨(예: +VDC/2, –VDC/2)로 변환하고, 코일 전류는 전압의 적분으로 얻어진다. 논문에서는 푸시‑풀 반도체, 풀 H‑bridge, 그리고 다중 H‑bridge(5‑레벨) 등 세 가지 토폴로지를 제시하고, 실험에서는 3‑레벨 풀 H‑bridge를 채택한다. 전압 레벨이 많을수록 파형 근사도가 향상되지만 회로 복잡도가 증가한다는 트레이드오프를 논의한다. 3. **MSF‑SHEPWM 원리** - **목표 파형 설계**: 기본 주파수 ω와 선택된 고조파(p·ω)를 가중치 w_p = 1/p 로 조합한 f(t) = Σ w_p·sin(pωt) 로 정의한다. 이는 고주파 성분이 낮은 진폭을 갖게 하여 전체 스펙트럼의 SNR을 균일하게 만든다. 예시로 f₁(t) = sin(ωt)+1/3 sin(3ωt)+1/9 sin(9ωt)+… 를 제시한다. - **직선 근사(g(t))**: 클래스 D 앰프는 전압 레벨이 제한되므로, f(t)를 직선 구간들의 조합인 g(t) 로 근사한다. 각 구간은 스위칭 각 α_q 에서 전압이 ±V₀ 로 변하고, 전류는 그 면적(적분)으로 표현된다. - **푸리에 분석**: g(t)의 푸리에 계수 b_p는 스위칭 각과 전압 단계 V₀, 코일 인덕턴스 L에 의해 결정된다. 식 (8)에서 b_p = –4V₀/(p²π ω L) Σ (–1)^s sin(pα_q) 로 표현된다. - **최적화**: 원하는 고조파(p∈Φ)의 변조 지수 m_p = V_p/V₀ 를 목표값에 가깝게 만들고, 억제하고자 하는 고조파(p∈Ψ)의 m_p 를 제한값 γ_p 이하로 유지하도록 비선형 제약 최적화 문제(9)를 설정한다. 목적함수는 Σ λ_p (m_p – m̂_p)² 로 가중치를 부여해 중요 고조파에 더 큰 영향을 준다. interior‑point 알고리즘을 이용해 fmincon으로 해결한다. 초기값은 목표 파형의 기울기로부터 추정한다. 4. **하드웨어 구현** FPGA(Spartan‑6) 기반 실험 시스템을 구축하였다. 내부 DCM으로 기본 클록을 생성하고, 메모리에서 미리 계산된 스위칭 시퀀스를 읽어 PWM 로직을 통해 H‑bridge를 구동한다. MOSFET은 강화형 n‑type이며, 고측 MOSFET 구동을 위해 부트스트랩 회로를 사용한다. 전원 전압은 24 V DC이며, 3‑레벨 전압(±VDC, 0)만으로도 목표 MSF 전류를 충분히 재현한다. 5. **성능 평가** - **효율**: 드레인 효율 η = P_out / P_DC 로 측정했으며, 실험에서는 85 % 이상을 달성했다. - **에너지 변환 계수**: ζ = P_out / √(P_out²+Q_out²) 로 정의한 결과 0.92  이상을 기록, 출력 전력이 대부분 유효 전력임을 의미한다. - **왜곡**: 총 고조파 왜곡률(THD)은 3 % 이하로 낮아, 다중주파수 신호가 크게 손상되지 않음을 확인했다. - **전류**: 200 A 수준의 전류를 안정적으로 공급하면서도 스펙트럼은 설계대로 유지되었다. 6. **결론 및 향후 과제** MSF‑SHEPWM을 적용한 클래스 D 파워앰프는 높은 효율과 다중주파수 동시 출력이라는 두 마리 토끼를 잡았다. 기존 선형 앰프 대비 전력 손실을 크게 줄이고, 설계 유연성을 확보했다. 향후 연구에서는 다중 H‑bridge 셀을 추가해 전압 레벨을 확대하고, 실시간 적응형 최적화 알고리즘을 도입해 검사 대상 물체의 변화에 따라 고조파 구성을 동적으로 조정하는 방안을 제시한다. 또한, 고전압·고전류 환경에서의 열 관리와 MOSFET 스위칭 손실 최소화 기술도 추가 연구가 필요하다.