전기자동차 응용을 위한 온보드 충전기용 저가형 고성능 역률 보정 컨버터 A Low Cost and High Performance Power Factor Correction Converter for the On-Board Charger for Electric Vehicle Applications원문보기
최근 전기자동차는 이산화탄소 배출 제한 목표를 달성하기 위한 대안으로 떠오르고 있다. 온보드 충전기는 전기자동차의 필수적인 부분이며 일반적인 온보드 충전기에는 고효율 및 성능을 달성하기 위해 2단계 변환 방식이 널리 채용된다. 이러한 2단계 전력변환 구조는 전단 역률보정 컨버터와 후단 DC-DC 컨버터로 이루어진다. 역률보정 회로로서 브리지리스 PFC 컨버터와 토템폴 방식의 컨버터는 브리지 다이오드가 없으므로 효율 측면에서 기존의 PFC 회로에 비해 우수하다. 그러나 이들 토폴로지에는 여전히 주요한 한계가 있는데 예를 들면, 브리지리스 PFC는 복잡한 전류 검출 회로가 필요하고 소자 이용률이 낮다는 점이다. 반면 토템폴 방식은 보통 IGBT나 SiC/GaN ...
최근 전기자동차는 이산화탄소 배출 제한 목표를 달성하기 위한 대안으로 떠오르고 있다. 온보드 충전기는 전기자동차의 필수적인 부분이며 일반적인 온보드 충전기에는 고효율 및 성능을 달성하기 위해 2단계 변환 방식이 널리 채용된다. 이러한 2단계 전력변환 구조는 전단 역률보정 컨버터와 후단 DC-DC 컨버터로 이루어진다. 역률보정 회로로서 브리지리스 PFC 컨버터와 토템폴 방식의 컨버터는 브리지 다이오드가 없으므로 효율 측면에서 기존의 PFC 회로에 비해 우수하다. 그러나 이들 토폴로지에는 여전히 주요한 한계가 있는데 예를 들면, 브리지리스 PFC는 복잡한 전류 검출 회로가 필요하고 소자 이용률이 낮다는 점이다. 반면 토템폴 방식은 보통 IGBT나 SiC/GaN 모스펫으로 꾸며지는데 Si 모스펫의 바디 다이오드의 역회복 속도가 느리기 때문이다. 본 논문은 전기자동차용 온보드 충전기를 위한 고효율/저가형 대용량 PFC 회로를 제안하는 것을 목표로 한다. 먼저 저가형 브리지리스 PFC 컨버터를 제안한다. 기존의 인터리브드 브리지리스 PFC 컨버터의 스위칭 부스트 셀의 수를 줄여서 전체 시스템의 부품수를 줄였다. 게다가 제안된 토폴로지에서는 단 하나의 전류 센서만을 이용하여 입력 전류의 파형이 입력 전압을 따르도록 만들었다. 따라서 시스템의 가격이 기존의 인터리브드 브리지리스 PFC시스템에 비해 크게 낮아질 수 있다. 하나의 전류 센서 만을 이용하므로 인터리빙 동작을 하는 두 개의 컨버터에서 전류 배분이 더욱 정확하게 이루어질 수 있으며 입력전류의 고조파 왜곡도 낮아진다. 둘째로, 토템폴 토폴로지를 위한 새로운 저가형 PFC 컨버터를 제안한다. 제안된 토템폴 PFC 컨버터 토폴로지에서는 모든 부스트 셀의 모스펫 스위치가 영전압 스위칭을 성취하며 동기 정류 역할을 하는 모스펫 스위치의 바디 다이오는 소프트 스위칭 턴-오프를 성취한다. 제안된 토템폴 방식의 컨버터에서 순환전류는 제안된 주파수 제어 전략에 의해 저감된다. 따라서 제안된 토폴로지에서는 효율과 신뢰성의 저하없이 저가형 실리콘 모스펫을 사용할 수 있다. 제안된 두가지 토폴로지는 모두 전기자동차의 온보드 충전기용 대용량, 고성능 PFC회로로 적합하다. 제안된 PFC 회로의 유용성은 PSIM 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 검증된다.
최근 전기자동차는 이산화탄소 배출 제한 목표를 달성하기 위한 대안으로 떠오르고 있다. 온보드 충전기는 전기자동차의 필수적인 부분이며 일반적인 온보드 충전기에는 고효율 및 성능을 달성하기 위해 2단계 변환 방식이 널리 채용된다. 이러한 2단계 전력변환 구조는 전단 역률보정 컨버터와 후단 DC-DC 컨버터로 이루어진다. 역률보정 회로로서 브리지리스 PFC 컨버터와 토템폴 방식의 컨버터는 브리지 다이오드가 없으므로 효율 측면에서 기존의 PFC 회로에 비해 우수하다. 그러나 이들 토폴로지에는 여전히 주요한 한계가 있는데 예를 들면, 브리지리스 PFC는 복잡한 전류 검출 회로가 필요하고 소자 이용률이 낮다는 점이다. 반면 토템폴 방식은 보통 IGBT나 SiC/GaN 모스펫으로 꾸며지는데 Si 모스펫의 바디 다이오드의 역회복 속도가 느리기 때문이다. 본 논문은 전기자동차용 온보드 충전기를 위한 고효율/저가형 대용량 PFC 회로를 제안하는 것을 목표로 한다. 먼저 저가형 브리지리스 PFC 컨버터를 제안한다. 기존의 인터리브드 브리지리스 PFC 컨버터의 스위칭 부스트 셀의 수를 줄여서 전체 시스템의 부품수를 줄였다. 게다가 제안된 토폴로지에서는 단 하나의 전류 센서만을 이용하여 입력 전류의 파형이 입력 전압을 따르도록 만들었다. 따라서 시스템의 가격이 기존의 인터리브드 브리지리스 PFC시스템에 비해 크게 낮아질 수 있다. 하나의 전류 센서 만을 이용하므로 인터리빙 동작을 하는 두 개의 컨버터에서 전류 배분이 더욱 정확하게 이루어질 수 있으며 입력전류의 고조파 왜곡도 낮아진다. 둘째로, 토템폴 토폴로지를 위한 새로운 저가형 PFC 컨버터를 제안한다. 제안된 토템폴 PFC 컨버터 토폴로지에서는 모든 부스트 셀의 모스펫 스위치가 영전압 스위칭을 성취하며 동기 정류 역할을 하는 모스펫 스위치의 바디 다이오는 소프트 스위칭 턴-오프를 성취한다. 제안된 토템폴 방식의 컨버터에서 순환전류는 제안된 주파수 제어 전략에 의해 저감된다. 따라서 제안된 토폴로지에서는 효율과 신뢰성의 저하없이 저가형 실리콘 모스펫을 사용할 수 있다. 제안된 두가지 토폴로지는 모두 전기자동차의 온보드 충전기용 대용량, 고성능 PFC회로로 적합하다. 제안된 PFC 회로의 유용성은 PSIM 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 검증된다.
Recent years, Electrical Vehicles (EVs) have been emerging to meet the target of cutting carbon emission. On board charger (OBC) is an essential part for EVs. In a typical OBC, a 2-stage charger is widely adopted to achieve high efficiency and performance. This 2-stage structure includes a front-end...
Recent years, Electrical Vehicles (EVs) have been emerging to meet the target of cutting carbon emission. On board charger (OBC) is an essential part for EVs. In a typical OBC, a 2-stage charger is widely adopted to achieve high efficiency and performance. This 2-stage structure includes a front-end power factor correction (PFC) converter and a following DC-DC converter. For the PFC converter Bridgeless PFCs and totem-pole PFCs are superior in terms of efficiency due to the non-existence of the input diode bridge as compared to the other PFCs. However, these topologies still have some major limitations. For example, the bridgeless PFC has complex current sensing circuits and the component utilization is low. Meanwhile, the totem-pole PFC is typically implemented with IGBTs or expensive SiC/GaN MOSFETs due to the severe reverse recovery of the body diode in Si MOSFETs. This thesis aims to propose a high performance and low cost solution for a high power PFC in EV OBC applications. Firstly, a low cost topology for the bridgeless PFC is proposed. By sharing one switching boost cell in a conventional interleaved bridgeless PFC (IB-PFC), the component count in the proposed IB-PFC converter is reduced. Furthermore, only one current sensor is used in the proposed control technique to control the input current to follow the input voltage. Thus the cost of system is greatly reduced as compared to the conventional IB-PFCs. The current sharing between two interleaved converters can be achieved more accurately and the harmonic distortion of the input current is decreased. Secondly, a new low cost topology of totem-pole PFC is proposed. In the proposed totem-pole topology, all the boost MOSFETs can achieve ZVS turn-on and soft turn-off of body diode in the synchronous rectifiers MOSFETs. The circulating current in the proposed totem-pole PFC is reduced with the proposed frequency control strategy. Thus the proposed totem-pole PFC enables the use of a low cost Si MOSFET in totem-pole PFC applications without performance reduction in terms of efficiency and reliability. Both proposed topologies are suitable for high power, high performance PFC for an OBC of EVs. The validity of the proposed PFCs is verified by the PSIM simulation and the experiment results.
Recent years, Electrical Vehicles (EVs) have been emerging to meet the target of cutting carbon emission. On board charger (OBC) is an essential part for EVs. In a typical OBC, a 2-stage charger is widely adopted to achieve high efficiency and performance. This 2-stage structure includes a front-end power factor correction (PFC) converter and a following DC-DC converter. For the PFC converter Bridgeless PFCs and totem-pole PFCs are superior in terms of efficiency due to the non-existence of the input diode bridge as compared to the other PFCs. However, these topologies still have some major limitations. For example, the bridgeless PFC has complex current sensing circuits and the component utilization is low. Meanwhile, the totem-pole PFC is typically implemented with IGBTs or expensive SiC/GaN MOSFETs due to the severe reverse recovery of the body diode in Si MOSFETs. This thesis aims to propose a high performance and low cost solution for a high power PFC in EV OBC applications. Firstly, a low cost topology for the bridgeless PFC is proposed. By sharing one switching boost cell in a conventional interleaved bridgeless PFC (IB-PFC), the component count in the proposed IB-PFC converter is reduced. Furthermore, only one current sensor is used in the proposed control technique to control the input current to follow the input voltage. Thus the cost of system is greatly reduced as compared to the conventional IB-PFCs. The current sharing between two interleaved converters can be achieved more accurately and the harmonic distortion of the input current is decreased. Secondly, a new low cost topology of totem-pole PFC is proposed. In the proposed totem-pole topology, all the boost MOSFETs can achieve ZVS turn-on and soft turn-off of body diode in the synchronous rectifiers MOSFETs. The circulating current in the proposed totem-pole PFC is reduced with the proposed frequency control strategy. Thus the proposed totem-pole PFC enables the use of a low cost Si MOSFET in totem-pole PFC applications without performance reduction in terms of efficiency and reliability. Both proposed topologies are suitable for high power, high performance PFC for an OBC of EVs. The validity of the proposed PFCs is verified by the PSIM simulation and the experiment results.
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