본 논문에서는 차세대 전력망 시스템인 스마트 그리드(Smart-Grid)를 위한 V2G 계통연계 양방향 가변 구조 OBC회로와 고조파 변조 기법(Harmonic modulation)을 이용한 절연형 PFC(Power Factor Correction)컨버터 회로를 제안한다. 미래사회에서 ...
본 논문에서는 차세대 전력망 시스템인 스마트 그리드(Smart-Grid)를 위한 V2G 계통연계 양방향 가변 구조 OBC회로와 고조파 변조 기법(Harmonic modulation)을 이용한 절연형 PFC(Power Factor Correction)컨버터 회로를 제안한다. 미래사회에서 전기자동차 배터리는 분산전원(DG: Distributed Generation)의 한 축을 담당할 수 있다. V2G(vehicle to Grid)의 적용으로 지역사회의 전력 수준이 향상될 수 있어 현재 많은 연구가 이뤄지고 있다. V2G는 양방향으로 에너지를 전달할 수 있는 회로를 요구하며, 간단한 구조의 계통 연계 인버터와 양방향 DC/DC 컨버터로 구성이 된다. 이와 같은 구조는 스마트 그리드(Smart-Grid)에 대비해 전기자동차의 충전된 배터리의 에너지를 계통으로 보낼 수 있도록 계통과 양방향 전력 전달이 가능하다. 전기자동차 배터리 충전에 이용되는 전기자동차용 탑재형 충전기의 일반적인 회로는 PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 또는 EV(Electric Vehicle)로 나뉜다. EV와 PHEV는 자동차 구동용 배터리를 외부 전기 에너지로부터 충전시키기 위한 탑재형 충전기가 필수적이다. 탑재형 충전기는 자동차에 상시 탑재되어 있어 차량의 연비에 영향을 끼치므로 고효율, 고전력밀도, 경량화가 요구된다. 최근 전기자동차 주행거리가 증가함에 따라 사용하는 전압의 범위가 넓어지고 있는 추세이며, DC-DC 컨버터는 배터리 전압의 최솟값과 최댓값을 감안하여 자기 소자인 인덕터 및 변압기를 설계해야 한다. 이 점은 절연형 DC-DC 컨버터의 사양이 배터리의 사용하는 전압 사양에 따라 바뀌게 되는 단점이 있다. 전력변환장치의 효율은 차량 시스템의 효율에 영향을 미치기 때문에 단 0.1%의 효율이 라도 높일 수 있는 회로의 설계 및 구현 기술이 요구되고 있으며, 차량 연비에 가장 큰 영향을 미치는 무게 측면에 있어서도 배터리 시스템과 함께 전력변환장치도 가볍게 제작할 수 있는 경량화 기술 개발이 요구된다. 따라서 배터리 사양 변화에 대응하는 새로운 토폴로지 연구가 필요하다. 본 논문에서는 차세대 전력망 시스템인 스마트 그리드(Smart-Grid)를 대비해 전기자동차의 충전된 배터리의 에너지를 계통으로 보낼 수 있도록 계통과 양방향 전력 전달이 가능한 V2G 계통연계 양방향 OBC와 차량의 고전력밀도와 넓은 출력 전압 범위를 가진 범용 전기자동차 충전기를 위한 절연형 역률 보정 컨버터(Isolated PFC)의 최적화 설계 가이드를 이론적으로 제시한 후 실험을 통해 이를 검증한다. 본 논문의 3장에서는 기존 단방향 SRT(Secondary resonant tank) 컨버터 구조를 가변 구조법과 디바이스 교체를 통하여 양방향 구조로 변경한 가변구조 양방향 DC/DC 컨버터 제안한다. 제안된 가변구조 양방향 SRT(Secondary Resonant Tank) 컨버터는 충전 동작 시, 단방향 SRT의 고효율 특성을 유지하며, 역방향 시 1차측 구조를 voltage-doubler 동작으로 이득을 증가시켰으며 단일제어기로 제어가 용이하도록 구성하였고, 6.6 충전기를 제작하여 충⦁방전 동작을 위한 양방향 제어 방법을 적용하고 실험을 통하여 회로의 유용성을 검증한다. 본 논문의 4장에서는 넓은 출력 전압 범위와 고전력밀도를 위한 절연형 PFC 컨버터(Isolated PFC)를 제안한다. 제안한 고조파 변조 기법 PFC 컨버터는 변압기 누설 인덕턴스를 회로에 적용시키며 스위칭 소자의 전압 스트레스를 제거할 수 있도록 voltage-fed 형태의 full-bridge 구조를 기반으로 한다. 스위칭 소자의 전압 스트레스가 변압기 누설 인덕턴스를 회로 파라미터로 전송함으로써 제거될 수 있으며, AC 전원을 DC 전압으로 역률 제어와 harmonic modulation이 포함된 알고리즘으로 승압 후 DC-DC 컨버터를 통해 battery 전압을 대응하게 된다. 역률 개선회로는 출력측의 정전압 제어를 통하여 PFC의 출력 혹은 link 전압을 부하량 변동에 상관없이 일정 유지시켜주며, buck 컨버터의 경우 출력단의 정전압 제어를 통하여 부하의 사용량 변화에 상관없이 항상 일정한 전압을 유지하도록 한다. 또한 부하의 사용량 전력에 따라 전압이 변하고 전류는 일정하게 유지되는 방식인 정전류 제어 방식을 사용하여 출력단의 부하 battery 특성 조건이 변동되어도 일정하게 충전시켜 줄 수 있도록 한다. 제안한 컨버터는 고조파 변조 기법을 적용한 설계 방식을 적용하여 3.3 충전기를 제작하였으며 실험을 통하여 검증하였다.
본 논문에서는 차세대 전력망 시스템인 스마트 그리드(Smart-Grid)를 위한 V2G 계통연계 양방향 가변 구조 OBC회로와 고조파 변조 기법(Harmonic modulation)을 이용한 절연형 PFC(Power Factor Correction) 컨버터 회로를 제안한다. 미래사회에서 전기자동차 배터리는 분산전원(DG: Distributed Generation)의 한 축을 담당할 수 있다. V2G(vehicle to Grid)의 적용으로 지역사회의 전력 수준이 향상될 수 있어 현재 많은 연구가 이뤄지고 있다. V2G는 양방향으로 에너지를 전달할 수 있는 회로를 요구하며, 간단한 구조의 계통 연계 인버터와 양방향 DC/DC 컨버터로 구성이 된다. 이와 같은 구조는 스마트 그리드(Smart-Grid)에 대비해 전기자동차의 충전된 배터리의 에너지를 계통으로 보낼 수 있도록 계통과 양방향 전력 전달이 가능하다. 전기자동차 배터리 충전에 이용되는 전기자동차용 탑재형 충전기의 일반적인 회로는 PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 또는 EV(Electric Vehicle)로 나뉜다. EV와 PHEV는 자동차 구동용 배터리를 외부 전기 에너지로부터 충전시키기 위한 탑재형 충전기가 필수적이다. 탑재형 충전기는 자동차에 상시 탑재되어 있어 차량의 연비에 영향을 끼치므로 고효율, 고전력밀도, 경량화가 요구된다. 최근 전기자동차 주행거리가 증가함에 따라 사용하는 전압의 범위가 넓어지고 있는 추세이며, DC-DC 컨버터는 배터리 전압의 최솟값과 최댓값을 감안하여 자기 소자인 인덕터 및 변압기를 설계해야 한다. 이 점은 절연형 DC-DC 컨버터의 사양이 배터리의 사용하는 전압 사양에 따라 바뀌게 되는 단점이 있다. 전력변환장치의 효율은 차량 시스템의 효율에 영향을 미치기 때문에 단 0.1%의 효율이 라도 높일 수 있는 회로의 설계 및 구현 기술이 요구되고 있으며, 차량 연비에 가장 큰 영향을 미치는 무게 측면에 있어서도 배터리 시스템과 함께 전력변환장치도 가볍게 제작할 수 있는 경량화 기술 개발이 요구된다. 따라서 배터리 사양 변화에 대응하는 새로운 토폴로지 연구가 필요하다. 본 논문에서는 차세대 전력망 시스템인 스마트 그리드(Smart-Grid)를 대비해 전기자동차의 충전된 배터리의 에너지를 계통으로 보낼 수 있도록 계통과 양방향 전력 전달이 가능한 V2G 계통연계 양방향 OBC와 차량의 고전력밀도와 넓은 출력 전압 범위를 가진 범용 전기자동차 충전기를 위한 절연형 역률 보정 컨버터(Isolated PFC)의 최적화 설계 가이드를 이론적으로 제시한 후 실험을 통해 이를 검증한다. 본 논문의 3장에서는 기존 단방향 SRT(Secondary resonant tank) 컨버터 구조를 가변 구조법과 디바이스 교체를 통하여 양방향 구조로 변경한 가변구조 양방향 DC/DC 컨버터 제안한다. 제안된 가변구조 양방향 SRT(Secondary Resonant Tank) 컨버터는 충전 동작 시, 단방향 SRT의 고효율 특성을 유지하며, 역방향 시 1차측 구조를 voltage-doubler 동작으로 이득을 증가시켰으며 단일제어기로 제어가 용이하도록 구성하였고, 6.6 충전기를 제작하여 충⦁방전 동작을 위한 양방향 제어 방법을 적용하고 실험을 통하여 회로의 유용성을 검증한다. 본 논문의 4장에서는 넓은 출력 전압 범위와 고전력밀도를 위한 절연형 PFC 컨버터(Isolated PFC)를 제안한다. 제안한 고조파 변조 기법 PFC 컨버터는 변압기 누설 인덕턴스를 회로에 적용시키며 스위칭 소자의 전압 스트레스를 제거할 수 있도록 voltage-fed 형태의 full-bridge 구조를 기반으로 한다. 스위칭 소자의 전압 스트레스가 변압기 누설 인덕턴스를 회로 파라미터로 전송함으로써 제거될 수 있으며, AC 전원을 DC 전압으로 역률 제어와 harmonic modulation이 포함된 알고리즘으로 승압 후 DC-DC 컨버터를 통해 battery 전압을 대응하게 된다. 역률 개선회로는 출력측의 정전압 제어를 통하여 PFC의 출력 혹은 link 전압을 부하량 변동에 상관없이 일정 유지시켜주며, buck 컨버터의 경우 출력단의 정전압 제어를 통하여 부하의 사용량 변화에 상관없이 항상 일정한 전압을 유지하도록 한다. 또한 부하의 사용량 전력에 따라 전압이 변하고 전류는 일정하게 유지되는 방식인 정전류 제어 방식을 사용하여 출력단의 부하 battery 특성 조건이 변동되어도 일정하게 충전시켜 줄 수 있도록 한다. 제안한 컨버터는 고조파 변조 기법을 적용한 설계 방식을 적용하여 3.3 충전기를 제작하였으며 실험을 통하여 검증하였다.
New transportation methods are required to solve air pollution and reduce greenhouse gas emission, and vehicle electrification has been proposed as a solution. Various types of plug-in vehicles (xEVs) are available, and examples include battery electric vehicles (BEVs), hybrid EVs, plug-in hybrid EV...
New transportation methods are required to solve air pollution and reduce greenhouse gas emission, and vehicle electrification has been proposed as a solution. Various types of plug-in vehicles (xEVs) are available, and examples include battery electric vehicles (BEVs), hybrid EVs, plug-in hybrid EVs, and fuel-cell EVs (FCEV). New transportation methods are required to solve air pollution and reduce greenhouse gas emission, and vehicle electrification has been proposed as a solution. Various types of plug-in vehicles (xEVs) are available, and examples include battery electric vehicles (BEVs), hybrid EVs, plug-in hybrid EVs, and fuel-cell EVs (FCEV). A dedicated design is possible because on-board chargers mounted on vehicles deal with a specified battery only. However, off-board chargers utilized for electric bicycles and various vehicles should possess a wide output voltage range. In chapter 3 of this thesis, another candidate for isolated/bidirectional OBC is proposed using PWM resonant converter. The PWM resonant converter has constant frequency PWM control and good switching characteristics. By proper design of the resonant tank, upper switches can be operated with zero-voltage turn- ON , and other switching devices including bottom switches and output rectifier can have zero-voltage turn- ON and zero-current turn-OFF. This PWM resonant converter can be modified for bidirectional power flow by replacing rectifier with switches. However, the bidirectional PWM resonant converter is always operated with ‘buck type’ operation regardless of power flow directions so that it is difficult to have discharging operation over entire battery voltage range. This defect can be overcome by structure change method that changes the rectifier structure to increase the voltage gain into double. Also, an additional technique to increase the converter gain during discharging operation is suggested by analysis of the gain characteristics. The converter has symmetrical structure like DAB converter. It has 8 switches for charging or discharging operations. The proposed bidirectional charger keeps structural advantages similar to DAB converter such as low voltage stress of switches and absorption of transformer leakage inductance by circuit parameter. Different from DAB converter, the proposed converter operates with ‘buck type’ regardless of power flow direction, which makes it difficult for the converter to form bidirectional power flow. To solve this problem, the proposed converter adopts voltage-doubler rectification structure in case of discharging operation, which increases the voltage gain into double. To verify the feasibility, the proposed circuits have been implemented and tested using a 6.6kW chargers with full digital control. In chapter 4 of this thesis proposed an isolated PFC converter design based on the ADAB structure. Using harmonic modulation factor, the inductor current can be deformed in order for the input current to have sinusoidal waveform. The proposed technique has been simplified so that it can be implemented with a simple control algorithm. In single-phase applications, on-board and off-board chargers have a common conventional two-stage structure composed of a non-isolated boost converter as a harmonic pre-regulator, and various isolated DC/DC converters are used for electrical isolation and charging control. The most popular topology for isolated DC/DC converters is the phase-shift full-bridge (PSFB) converter that involves the “buck-type” operation; hence, it is applicable for general-purpose chargers due to its wide output voltage range. However, the PSFB converter cannot achieve high efficiency due to disadvantages, such as voltage stress of secondary circuits, large circulating current, narrow zero-voltage-switching (ZVS) range, and loss of snubber circuits. However, widening the output voltage range to be used for general-purpose chargers is difficult. To obtain a wide output voltage range that is sufficient for general-purpose chargers, a two-stage structure composed of isolated power factor correction (PFC) and non-isolated DC/DC converters can be considered. Given that non-isolated converters can be designed to achieve high efficiency, the entire efficiency of the charger is determined by the efficiency of the isolated PFC converter. Most of the topologies available for isolated PFC converters use a current-fed structure. However, this structure suffers from serious voltage spikes in the primary switches caused by transformer leakage inductance, and auxiliary snubber circuits are required to suppress the voltage spikes. High voltage-rating devices are still required, which pose an obstacle to obtaining good efficiency and increased switching frequency. Several isolated PFC approaches that use an asymmetrical dual active bridge (ADAB) converter have been presented; the ADAB structure has various operational modes. By operating the converter under the boost-DCM operation, the primary switches can be operated at a fixed frequency with a 50% duty ratio, which leads to good switching conditions of zero-voltage turn-on and zero current turn-off. All harmonic and output controls are performed by secondary switches, and the harmonic modulation technique is adopted to obtain a near-unity power factor without input current monitoring. It provides a simple control scheme so that a simple digital controller is available. To verify the feasibility of the proposed circuit, the circuit is implemented and tested using a 3.3 kW charger.
New transportation methods are required to solve air pollution and reduce greenhouse gas emission, and vehicle electrification has been proposed as a solution. Various types of plug-in vehicles (xEVs) are available, and examples include battery electric vehicles (BEVs), hybrid EVs, plug-in hybrid EVs, and fuel-cell EVs (FCEV). New transportation methods are required to solve air pollution and reduce greenhouse gas emission, and vehicle electrification has been proposed as a solution. Various types of plug-in vehicles (xEVs) are available, and examples include battery electric vehicles (BEVs), hybrid EVs, plug-in hybrid EVs, and fuel-cell EVs (FCEV). A dedicated design is possible because on-board chargers mounted on vehicles deal with a specified battery only. However, off-board chargers utilized for electric bicycles and various vehicles should possess a wide output voltage range. In chapter 3 of this thesis, another candidate for isolated/bidirectional OBC is proposed using PWM resonant converter. The PWM resonant converter has constant frequency PWM control and good switching characteristics. By proper design of the resonant tank, upper switches can be operated with zero-voltage turn- ON , and other switching devices including bottom switches and output rectifier can have zero-voltage turn- ON and zero-current turn-OFF. This PWM resonant converter can be modified for bidirectional power flow by replacing rectifier with switches. However, the bidirectional PWM resonant converter is always operated with ‘buck type’ operation regardless of power flow directions so that it is difficult to have discharging operation over entire battery voltage range. This defect can be overcome by structure change method that changes the rectifier structure to increase the voltage gain into double. Also, an additional technique to increase the converter gain during discharging operation is suggested by analysis of the gain characteristics. The converter has symmetrical structure like DAB converter. It has 8 switches for charging or discharging operations. The proposed bidirectional charger keeps structural advantages similar to DAB converter such as low voltage stress of switches and absorption of transformer leakage inductance by circuit parameter. Different from DAB converter, the proposed converter operates with ‘buck type’ regardless of power flow direction, which makes it difficult for the converter to form bidirectional power flow. To solve this problem, the proposed converter adopts voltage-doubler rectification structure in case of discharging operation, which increases the voltage gain into double. To verify the feasibility, the proposed circuits have been implemented and tested using a 6.6kW chargers with full digital control. In chapter 4 of this thesis proposed an isolated PFC converter design based on the ADAB structure. Using harmonic modulation factor, the inductor current can be deformed in order for the input current to have sinusoidal waveform. The proposed technique has been simplified so that it can be implemented with a simple control algorithm. In single-phase applications, on-board and off-board chargers have a common conventional two-stage structure composed of a non-isolated boost converter as a harmonic pre-regulator, and various isolated DC/DC converters are used for electrical isolation and charging control. The most popular topology for isolated DC/DC converters is the phase-shift full-bridge (PSFB) converter that involves the “buck-type” operation; hence, it is applicable for general-purpose chargers due to its wide output voltage range. However, the PSFB converter cannot achieve high efficiency due to disadvantages, such as voltage stress of secondary circuits, large circulating current, narrow zero-voltage-switching (ZVS) range, and loss of snubber circuits. However, widening the output voltage range to be used for general-purpose chargers is difficult. To obtain a wide output voltage range that is sufficient for general-purpose chargers, a two-stage structure composed of isolated power factor correction (PFC) and non-isolated DC/DC converters can be considered. Given that non-isolated converters can be designed to achieve high efficiency, the entire efficiency of the charger is determined by the efficiency of the isolated PFC converter. Most of the topologies available for isolated PFC converters use a current-fed structure. However, this structure suffers from serious voltage spikes in the primary switches caused by transformer leakage inductance, and auxiliary snubber circuits are required to suppress the voltage spikes. High voltage-rating devices are still required, which pose an obstacle to obtaining good efficiency and increased switching frequency. Several isolated PFC approaches that use an asymmetrical dual active bridge (ADAB) converter have been presented; the ADAB structure has various operational modes. By operating the converter under the boost-DCM operation, the primary switches can be operated at a fixed frequency with a 50% duty ratio, which leads to good switching conditions of zero-voltage turn-on and zero current turn-off. All harmonic and output controls are performed by secondary switches, and the harmonic modulation technique is adopted to obtain a near-unity power factor without input current monitoring. It provides a simple control scheme so that a simple digital controller is available. To verify the feasibility of the proposed circuit, the circuit is implemented and tested using a 3.3 kW charger.
주제어
#Isolated PFC, Harmonic Modulation, SRT(Secondary resonant tank), V2G(vehicle to Grid), Smart-Grid, PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle), EV(Electric Vehicle)
학위논문 정보
저자
이병권
학위수여기관
명지대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
전기공학과
발행연도
2019
총페이지
x, 133 p.
키워드
Isolated PFC, Harmonic Modulation, SRT(Secondary resonant tank), V2G(vehicle to Grid), Smart-Grid, PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle), EV(Electric Vehicle)
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