1. 서 론

최근 디지털 기술과 정밀 제어 기술이 발전함에 따라, 치과 보철용 재료의 제작 방식에도 CAD/CAM 기술이 사용되면서 기존의 수작업 제작 방식보다 더욱 환자 개개인의 구강 구조에 최적화된 치과 보철물이 제작되고 있다^{[1, 2]}. 그 중에서도 지르코니아(Zirconia)와 같은 고강도 세라믹 소재를 이용하여 만든 인공 치아는 내구성 및 화학적 안정성 등이 우수하여 보철 재료로 널리 활용되고 있으며, 이와 같은 소재로 제작된 인공 치아를 고온에서 안정적으로 소결할 수 있는 전용 히팅 장비의 중요성이 강조되고 있다^{[3, 4]}.

소결은 제작된 인공 치아를 고온에서 기계적 강도 및 생체적합성을 확보하기 위한 최종 열처리 공정으로, 인공 치아의 최종 품질을 결정짓는 핵심 단계이다. 소결 장비는 1,300도 이상의 고온에서 수 시간 동안 설정된 온도 프로파일에 따라 온도 제어를 수행한다. 소결로 챔버 내부 온도는 가열된 발열체에 의해 유지되며, 가열량은 발열체에 통전되는 전류에 의해 결정된다. 따라서 발열체에 인가되는 전류를 제어하는 전력변환장치의 제어 성능에 따라 온도 안정성과 인공 치아의 최종 품질을 좌우하게 된다^{[5, 6]}.

소결로 챔버 내부에는 Fig. 1과 같이 MoSi2 발열체가 배치되어 있으며, 단상 교류 전원을 입력으로 받는 전력변환장치에서 인가되는 전류에 의해 가열된다. 챔버 온도는 열전대(Thermocouple)를 통해 측정되어 디지털 제어기로 피드백 된다. 이러한 폐루프 시스템을 통해 소결 장비는 설정된 온도 프로파일에 따라 온도 제어를 수행한다. 전력변환장치는 발열체 전류를 실시간으로 제어함으로써, 챔버 온도를 정밀하게 유지시키는 핵심적인 역할을 한다. 따라서 안정적인 전력 제어가 가능한 전력변환장치의 설계가 필수적이다.

기존의 소결 장비 내 전력변환장치의 경우 단상 교류 계통 전원을 입력 받아 양방향 SCR(TRIAC)을 이용한 위상 제어 방식으로 인가 전압의 Duty를 조절한다. 이후 인가된 전압을 저주파 변압기를 통해 강압하여 발열체에 통전되는 전류를 제어하는 방식이다^{[7, 8]}. 따라서 회로 구성과 구현 방식이 간단하다는 장점이 있지만, 입력 전압의 위상에 지연시켜 계통 주파수로 스위칭 되기 때문에 통전되는 전류 파형의 왜곡 및 역률(Power Factor)이 낮은 문제가 있다. 또한 저주파 변압기를 사용함에 따라 장비 전체의 크기와 무게가 증가하고, 변압기 자체 허밍 현상으로 가청주파수 대역 저주파 소음이 발생하는 문제가 있다.

본 논문에서는 인공 치아 소결 장비 내 발열체에 통전되는 전류를 정밀하게 제어하기 위한 전력변환장치를 설계하고, 이를 시뮬레이션으로 검증된 제어 알고리즘과 함께 실부하 기반으로 실험된 결과를 제시한다.

Fig. 1. Configuration of the sintering equipment

2. 기존 소결로용 전력변환장치

소결로 내부 발열체는 고온에서도 안정적인 저항 특성을 가지며, 인덕턴스가 작아 직렬 R-L 회로로 단순화할 수 있다. 온도가 상승에 따라 저항이 증가하지만 수백 mΩ에 불과하므로, 발열 전력을 조절하기 위해서는 매우 낮은 전압에서 큰 전류를 정밀하게 제어해야 한다. 따라서 소결로용 전력변환장치는 이러한 저전압·대전류 출력의 제어 특성을 만족함으로써 온도 제어가 가능한 구조로 설계되어야 한다.

Fig. 2는 기존 소결로의 전력변환장치의 구조를 나타낸다. 전력반도체 스위치 TRIAC을 이용한 위상 제어 기반의 AC-AC 구조로, 입력 계통 전압의 Duty 조절과 뒷단의 강압형 변압기를 통해 발열체 전류 및 온도를 제어한다.

Fig. 3은 기존 소결 장비의 전력변환장치 및 발열체 부하를 전기적으로 모델링하고, 위상 제어 방식으로 시뮬레이션한 결과이다. AC-AC 구조의 위상 제어는 전압을 잘라내어 출력하기 때문에 전류 파형이 비정현파적으로 흐르게 된다. 이는 고조파 성분을 크게 포함시키고 입력 단 역률을 저하시킨다. 이로 인해 무효 전류가 증가하게 되어 계통 배선에 전기적 부하 부담이 커질 수 있고, 전체 시스템 효율이 낮아지는 단점이 있다. 또한 전압을 부분적으로 인가하기 때문에 출력 전류가 특정 구간에 집중되어 피크 값이 크게 나타나게 되고, 이로 인해 전력 소자들에서의 불필요한 손실 발열, 정밀한 온도 제어가 어려운 단점이 있다.

그리고 전체 시스템의 제어 연산 처리가 반영되는 시점이 계통 전압의 저주파에 동기 되어 있기 때문에, 정밀 전류 제어의 한계가 있고 빠른 응답이 어려워 과전류 보호, 소프트 스타트 등의 구현에 제약이 크다는 단점이 있다. 특히 발열체는 온도에 따라 저항이 증가하는 특성을 갖고 있기 때문에 저온에서의 저항 값이 가장 작아서 좁은 위상 변동에도 큰 과전류가 유입될 수 있다. Fig. 4와 같이 발열체의 급격한 열팽창으로 인한 열적 스트레스 증가는 수명 저하로 이어질 수 있고 균열 및 단선될 수 있는 문제가 있다^{[9, 10]}.

Fig. 2. Conventional power conversion circuit for sintering furnace

Fig. 3. Simulation waveforms of conventional power conversion circuit

Fig. 4. Thermal damage of heating element

3. 제안하는 소결로용 전력변환장치

3.1 제안하는 전력변환장치 구성

본 논문에서는 제안하는 소결 장비용 전력변환장치는 출력 단 발열체에 인가되는 높은 전류를 보다 효율적이고 정밀하게 제어하기 위해 Fig. 5와 같이 AC-DC부와 DC-DC부로 구성된 2단 구조를 채택하였다. 이와 같은 구성은 기존 소결 장비에 널리 사용되어 온 단일 단 AC-AC 구조의 위상 제어 방식이 가지는 낮은 전력 품질과 효율, 정밀 제어의 한계, 과도 전류 및 보호 기능 구현의 어려움 등의 문제를 극복하기 위해 2단 구성 방식을 적용하였다.

앞단에서는 단상 AC 전원을 입력받아 안정된 DC 전압을 출력하고 입력단의 역률을 보정할 수 있는 PFC 회로를 적용하였다. 뒷단은 앞단에서 안정적으로 정류된 DC 전압을 이용해 발열체에 인가되는 전류를 실시간으로 정밀하게 제어한다. 따라서 제안된 2단 구성은 안정적으로 입력 측 전력 품질과 출력 측 전류 제어의 안정성을 동시에 만족시킬 수 있는 방식으로, 소결 장비 응용에서 기존 방식의 한계를 극복할 수 있는 전력변환 구조이다.

Fig. 5. Configuration of the proposed power conversion unit

3.2 AC-DC PFC 회로 구성 및 제어

AC-DC 회로는 단상 교류 전원을 정류하여 안정된 DC 전압을 출력하는 동시에, 입력 단 전력 품질을 개선하기 위해 역률 보정 기능을 수행한다. 소결 장비와 같이 대전류가 요구되는 부하에 안정적인 전력을 공급하기 위한 핵심 구성 요소이다. Fig. 6과 같이 AC-DC 회로의 입력 단에는 입력 AC 전류를 정현파로 제어하고, 스위칭 고조파 성분을 저감하기 위한 필터 인덕터를 배치한다. 그리고 4개의 MOSFET 스위치로 구성된 Full-Bridge 구조를 기반으로 역률 보정 및 전압 정류 기능을 수행한다. 출력 단에는 링크 커패시터를 배치함으로써, 출력 DC 전압의 리플 전압을 최소화하고 뒷단의 DC-DC 회로부에 안정적인 링크 전압을 공급한다.

Fig. 7은 AC-DC 회로를 제어하는 디지털 제어기의 구성을 나타낸다. AC-DC 제어기는 입력단의 계통 전압 vgrid과 입력 전류 igrid 그리고 DC 링크 전압 vlink를 실시간으로 센싱 받고, 요구되는 지령 전압, 전류 값과의 차이에 따라 각 스위치에 인가되는 Gate 신호의 PWM Duty를 결정한다. 전체 제어기 구성은 이중 루프(Dual-Loop) 제어 구조를 갖는다.

외부 루프의 전압 제어기는 센싱된 출력 DC 링크 전압과 지령 전압 값을 비교하고, PI 제어기를 통해 입력 AC 전류의 지령 값을 생성한다. 내부 루프의 전류 제어기는 전압 제어기에서 생성된 전류 지령 값과 센싱된 입력 전류를 비교하여 PI 제어기를 통해 각 스위치에 인가될 Gate 신호의 PWM Duty값을 생성한다. 추가로 입력 전류를 계통 전압과 동일한 위상으로 정현파 제어하여 역률을 1에 가깝게 만들기 위해, 계통 전압의 위상을 실시간으로 추출할 수 있는 PLL(Phase Locked-Loop) 제어기를 사용한다.

Fig. 8은 AC-DC PFC 회로의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로, 입력단의 전력 품질을 결정하는 AC 전류 제어 및 출력단의 링크 전압 제어 성능을 검증하였다. 계통 전압 vgrid와 입력 전류 igrid가 거의 동상으로, 역률이 1에 가깝게 제어되고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 전압과 같은 정현파로 제어되어 전류의 고조파 성분이 매우 적은 것을 확인할 수 있다. 출력단의 DC 링크 전압 제어 역시 안정적으로 제어 목표 전압 값에 수렴되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6. Single-phase AC-DC PFC circuit configuration

Fig. 7. AC-DC control block diagram

Fig. 8. Simulation waveforms of the AC-DC PFC circuit

3.3 DC-DC 회로 구성 및 제어

뒷단의 DC-DC 회로는 안정적인 정전류 공급뿐만 아니라, 시간에 따라 변하는 온도 프로파일을 추종하기 위해 발열체 전류를 실시간으로 가변 제어할 수 있어야 한다. Buck Chopper 회로는 Fig. 9와 같이 간단한 스위칭 구조와 출력 인덕터를 기반으로 전류의 고주파 스위칭 리플을 저감하며, 전류 센서를 이용한 피드백 제어를 통해 실시간으로 정밀하게 제어할 수 있다. 또한 단일 스위치 소자 Gate 신호의 Duty 조절만으로도 출력 전류를 조절할 수 있어, 온도 프로파일에 따라 발열체에 인가되는 전류를 빠르게 조절해야하는 소결 공정에 적합한 회로 구조이다.

Fig. 10과 같이 DC-DC 회로의 제어기는 소결로 내부 열전대 센서를 통해 출력된 온도 피드백 기반의 외부 루프와 출력 인덕터 전류 제어를 위한 내부 루프로 구성된 이중 루프 구조를 갖는다. 외부 루프에서는 온도 프로파일을 통해 출력된 지령 온도와 센싱 온도를 비교하여 PI 제어기를 통해 지령 전류를 생성한다. 내부 루프에서는 생성된 지령 전류와 출력 전류 센싱 값과 비교하여 PI 전류 제어기를 통해 MOSFET 스위치 Gate 신호의 Duty를 생성한다. 이와 같은 온도-전류 이중 루프 제어 구조를 통해 소결 공정에서 안정적인 온도 제어와 그에 대한 전류 추종 응답성을 확보한다.

Fig. 9. DC-DC Buck chopper circuit configuration

Fig. 10. DC-DC control block diagram

3.4 소결로용 전체 통합 회로

Fig. 11은 선정된 AC-DC PFC 회로와 DC-DC Buck Chopper 회로를 통합한 전체 전력변환 시스템의 구성을 나타낸다. 이러한 2단 구조는 입력 AC 전원을 높은 역률로 정류하기 위한 PFC 회로와 발열체에 인가되는 전류를 정밀하게 제어하기 위한 DC-DC 회로가 포함되어 있다.

Fig. 12는 제안하는 시스템을 대상으로 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 입력단의 계통 전압과 전류는 동상으로 유지되고 있으며, 링크 전압은 지령 값에 수렴하여 유지되는 것을 확인할 수 있다. 또한 발열체 전류는 부하 급변에도 지령 전류를 빠르고 정확하게 추종하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 11. Proposed integrated power conversion circuit

Fig. 12. Simulation waveforms of the proposed power conversion circuit

4. 실험 결과

제안하는 전력변환장치를 검증하기 위해, Fig. 13과 같이 실제 소결로를 대상으로 실험 환경을 구성하였고, 주요 사양은 Table 1과 같다. AC-DC 회로는 90~240Vrms 전원을 입력으로 하며 출력 사양은 360Vdc/2.4kW 이다. DC-DC 회로는 링크 전압을 입력으로 최대 100A 출력 가능하도록 설계되었다. 부하는 110A 정격을 갖는 발열체가 장착된 소결로를 사용하였고, 내부 온도는 B-Type 열전대를 통해 센싱된다.

제안된 AC-DC PFC 회로의 입출력 성능을 검증하기 위해, 입력 전압 90Vrms 및 240Vrms 조건에서 출력 전압 360Vdc, 출력 전력 2.4kW 부하를 인가한 실험을 수행하였다. Fig. 14는 각 입력 조건에서의 입력 전류 및 출력 전압의 실험 결과 파형을 나타낸다. 입력 전류가 계통 전압과 동상으로 제어가 되고 있으며, 출력 DC 링크 전압도 목표 지령 값을 잘 추종하는 것을 확인할 수 있다. 또한 Fig. 15는 AC-DC 회로 내 주요 부품의 발열 상태를 확인하기 위한 열화상 카메라 측정 결과를 나타낸다. 입력 측 인덕터 및 스위치 모듈의 온도를 확인한 결과, 2.4kW 출력 부하 기준에서 최대 온도 41℃ 수준으로 확인되었다.

Fig. 13. Experimental setup with sintering furnace

Fig. 14. AC-DC stage experimental waveforms under different input voltage conditions: (a) 90Vrms, (b) 240Vrms

Fig. 15. Thermal camera images of the AC-DC stage under 220Vrms input and 2.4kW load condition: (a) switching module, (b) input filter inductor

DC-DC 회로의 전류 제어 성능을 평가하기 위해, 소결 발열체를 대상으로 실험을 수행하였다. Fig. 16은 챔버 내부 온도 기준으로 500℃, 1550℃에서의 출력 전류가 지령 전류를 추종하고 있는 파형을 나타낸다. 특히 온도에 따른 발열체의 저항 변화에도 불구하고, 출력 전류 제어기의 응답성이 유지되고 있는 것을 확인할 수 있다. Fig. 17은 DC-DC 회로의 스위치 소자 및 출력 필터 인덕터에 대한 열화상 측정 결과, 최대 온도 85℃ 수준으로 확인되었다.

Fig. 16. DC-DC stage experimental waveforms: (a) at 550℃, (b) 1,550℃

Fig. 17. Thermal camera images of the DC-DC stage at 1,550℃: (a) mosfet switch (b) output filter inductor

앞서 AC-DC 및 DC-DC 각각의 회로에 대한 검증을 바탕으로, 실제 소결로 부하를 연계한 통합 시험을 수행하였다. 이를 통해 전력변환장치 전체 시스템이 실부하 조건에서 안정적으로 동작하는지에 대해 종합적으로 검증하였다. Fig. 18은 통합 시스템의 실부하 동작 시의 계통 전압 및 전류, DC 링크 전압, 출력 전류의 결과 파형을 나타낸다. 각 회로가 연동된 상태에서도 안정적인 전력 공급과 출력 전류 제어가 잘 유지되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 19는 일정한 온도 상승 기울기(50℃/분)에 따라 설정된 온도 및 전류 지령 값에 대해, 얼마나 정확하게 추종되는지 보여주는 실험 결과를 나타낸다. 측정된 온도 응답은 설정된 온도 프로파일을 안정적으로 추종되는 것을 확인할 수 있고, 최고 오버 슛은 3.2℃, 정상상태에서의 오차는 1.5℃ 이내로 유지되었다. 또한 출력 전류는 오버 슛 없이 지령 값을 거의 동일하게 추종하며, 발열체의 비선형적인 저항 변화에도 불구하고 안정적인 제어 동작을 확인할 수 있다.

Fig. 18. Experimental waveform of the proposed integrated power conversion system at 1,550℃

Fig. 19. Experimental results of output current and temperature control

본 논문에서는 제안하는 전력변환장치의 온도 제어 성능을 보다 다양하게 검증하기 위해, 서로 다른 3가지 소결 스케줄을 설정하고 이에 따른 온도 제어 성능을 실험적으로 분석하였다. 각 소결 스케줄은 Table 2에 제시된 바와 같이 온도 상승 속도, 목표 온도 유지 시간 등 여러 조건에서 차이를 두고 설계되었다. 이를 바탕으로 온도 제어 실험을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 20에 제시하였다. 실험 결과, 설정된 온도 프로파일에 대해 챔버 내부의 열전대를 통해 측정된 실측 온도가 정밀하게 추종되고 있으며, 출력 전류 역시 안정적으로 제어되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 20. Experimental results of temperature and current control for different sintering schedules: (a) schedule \#1, (b) schedule \#2, (c) schedule \#3

4. 결 론

본 논문에서는 인공 치아 소결 장비에 적용 가능한 전력변환장치를 설계하고, 실제 소결로 부하에 연계하여 시뮬레이션 및 실험을 통해 성능을 검증하였다. 제안된 전력변환장치의 입력 측에는 역률 보정을 위한 AC-DC PFC 회로와 출력 측은 정밀한 전류 제어를 위한 DC-DC Buck Chopper 회로의 2단 구조로 구성하였다. 이를 통해 기존 소결로의 위상 제어 방식이 가지는 낮은 전력 품질, 높은 과도 전류 등의 문제점을 극복하였다. 또한 실부하 실험 결과, 발열체에 전달되는 출력 전류는 전 구간에서 지령 값을 정확히 추종하였으며, 챔버 내부 온도는 설정된 상승 기울기 및 온도 스케줄에 대해 ±1.5℃ 이내의 정밀도로 안정적으로 제어된 것을 확인하였다. 제안된 전력변환장치는 소결 장비에 적합한 회로로서, 정밀한 온도 추종과 안정적인 전력 제어가 가능한 시스템임을 실험적으로 입증하였다.