절연형 양방향 충방전 컨버터의 스위칭전류 피크저감을 위한 새로운 평활전류 제어기법에 관한 연구 A study on a new smoothing current control method for reducing the peak switching current of the Isolated Bi-directional Charge/Discharge Converter원문보기
최근 탄소 발생을 저감 및 전력 효율 증대를 위한 노력의 일환으로 분산전원 확대, 데이터센터 등의 직류 소비형 부하의 증가, LVDC, MVDC 등의 ...
최근 탄소 발생을 저감 및 전력 효율 증대를 위한 노력의 일환으로 분산전원 확대, 데이터센터 등의 직류 소비형 부하의 증가, LVDC, MVDC 등의 DC 송배전화 추세 등의 직류에 대한 적용 분야가 넓어지고 도입 사례가 확대되고 있다. 특히 DC 기반의 전기자동차 시장은 글로벌 제조사들이 적극 경쟁에 뛰어들고 있으며, 불안정한 출력전력의 특성을 지니는 신재생에너지 발전원이 대규모 구축되어지면서 출력안정화를 위한 ESS의 도입 필요성이 증가 중이다. 이러한 추세는 수용자가 안정적으로 전력을 사용할 수 있도록 저장 및 공급하는 배터리와 전력변환장치의 중요성을 높인다. 신재생에너지와 전기차의 단점은 입출력전압의 변동이 심하며 전력도 불규칙하다는 점이며, DC/DC 컨버터는 이 단점을 최대한 보상할 수 있어야 한다. 또한 전압의 변동에 영향을 받지 않는 넓은 전압 범위와 높은 효율을 요구한다. 절연형 양방향 DC/DC 컨버터는 넓은 전압 범위와 다양한 전력 스케일 시스템에 유연하게 사용되고, 사용자에게 더 높은 안전성을 보장한다. 절연형 DC/DC 컨버터에는 대표적으로 DAB(Dual active bridge) 컨버터, 공진 컨버터 등이 연구되고 있으며, 특히 DAB 컨버터는 단순한 구조로 ZVS가 가능하여 고효율, 높은 전력 밀도, 그리고 넓은 전압 범위 등의 장점을 가지고 있다. DAB 컨버터에서 가장 일반적으로 사용되는 제어는 SPS, DPS, TPS 3가지로 구분되어진다. 이러한 제어 방식들은 경부하와 출력 전압에 따른 ZVS, DC Bias, 전류 스트레스 감소시키기 위한 목적으로 중점 연구되어 개선되어왔다. 그러나 전류피크를 저감시키기 위해서는 제어 변수가 많기 때문에 부하마다 매우 복잡한 제어를 요구한다. 또한 수학적인 모델링에 따른 제어 방식을 사용하지만 이는 실제 회로 정수를 완벽하게 반영하기가 어렵다. 따라서 본 논문에서는 고효율 및 스위칭전류 피크 저감의 이점을 가질 수 있으면서도 기존의 제어 방식에 비해 단순한 제어로서 모든 부하에서 전류 피크를 줄일 수 있고 넓은 전압 범위가 가능한 구조의 제어기법을 제안하였다. 제안 방식은 크게 3가지로 구성된다. 첫째, DAB의 특정 두 점의 전류를 이용하여 한쪽 브리지에만 PSM(Phase Shift Modulation) 방식을 적용한 전류 평활 제어 기법을 사용하였다. 둘째, 제안하는 방식을 구현하기 위해 고속 샘플링 시에 노이즈와 위상지연에 강인한 주기필터를 제안하였다, 기존 LPF는 고주파수의 신호 제어 시에 위상 지연으로 인해 시스템을 불안정하게 하지만, 제안 방식으로 이를 해소하였다. 셋째, DAB와 비절연 컨버터를 이용하여 넓은 동작 범위와 빠른 응답특성을 가질 수 있는 토폴로지 형태를 제안한다. 제안된 방법은 회로 동작에 대한 분석과 PSIM, MATLAB시뮬레이션 및 실험을 통하여 검증 하였으며, 결과적으로 DAB의 전류 피크는 피크전류 제어하지 않는 방식에 비해 감소되는 것을 실험을 통해 확인하였으며(1kw: 22%, 2kW: 37%, 3kw: 23%, 4kw: 59%, 5kw: 49%), 경부하시에는 1%정도(95%) 낮은 효율을 보였지만 중부하로 갈수록 최대 2%(95.3%)까지 효율이 상승하는 것을 확인하였다. 또한 제안하는 토폴로지 방식은 부하변동에 대한 2ms 이내의 빠른 응답 속도와 CV-CC제어를 통해 배터리 충전시 안전성을 확보하였으며, 이러한 결과를 통해서 본 논문에서 제안하는 평활 전류제어 기법에 대한 타당성을 검증하였다.
최근 탄소 발생을 저감 및 전력 효율 증대를 위한 노력의 일환으로 분산전원 확대, 데이터센터 등의 직류 소비형 부하의 증가, LVDC, MVDC 등의 DC 송배전화 추세 등의 직류에 대한 적용 분야가 넓어지고 도입 사례가 확대되고 있다. 특히 DC 기반의 전기자동차 시장은 글로벌 제조사들이 적극 경쟁에 뛰어들고 있으며, 불안정한 출력전력의 특성을 지니는 신재생에너지 발전원이 대규모 구축되어지면서 출력안정화를 위한 ESS의 도입 필요성이 증가 중이다. 이러한 추세는 수용자가 안정적으로 전력을 사용할 수 있도록 저장 및 공급하는 배터리와 전력변환장치의 중요성을 높인다. 신재생에너지와 전기차의 단점은 입출력전압의 변동이 심하며 전력도 불규칙하다는 점이며, DC/DC 컨버터는 이 단점을 최대한 보상할 수 있어야 한다. 또한 전압의 변동에 영향을 받지 않는 넓은 전압 범위와 높은 효율을 요구한다. 절연형 양방향 DC/DC 컨버터는 넓은 전압 범위와 다양한 전력 스케일 시스템에 유연하게 사용되고, 사용자에게 더 높은 안전성을 보장한다. 절연형 DC/DC 컨버터에는 대표적으로 DAB(Dual active bridge) 컨버터, 공진 컨버터 등이 연구되고 있으며, 특히 DAB 컨버터는 단순한 구조로 ZVS가 가능하여 고효율, 높은 전력 밀도, 그리고 넓은 전압 범위 등의 장점을 가지고 있다. DAB 컨버터에서 가장 일반적으로 사용되는 제어는 SPS, DPS, TPS 3가지로 구분되어진다. 이러한 제어 방식들은 경부하와 출력 전압에 따른 ZVS, DC Bias, 전류 스트레스 감소시키기 위한 목적으로 중점 연구되어 개선되어왔다. 그러나 전류피크를 저감시키기 위해서는 제어 변수가 많기 때문에 부하마다 매우 복잡한 제어를 요구한다. 또한 수학적인 모델링에 따른 제어 방식을 사용하지만 이는 실제 회로 정수를 완벽하게 반영하기가 어렵다. 따라서 본 논문에서는 고효율 및 스위칭전류 피크 저감의 이점을 가질 수 있으면서도 기존의 제어 방식에 비해 단순한 제어로서 모든 부하에서 전류 피크를 줄일 수 있고 넓은 전압 범위가 가능한 구조의 제어기법을 제안하였다. 제안 방식은 크게 3가지로 구성된다. 첫째, DAB의 특정 두 점의 전류를 이용하여 한쪽 브리지에만 PSM(Phase Shift Modulation) 방식을 적용한 전류 평활 제어 기법을 사용하였다. 둘째, 제안하는 방식을 구현하기 위해 고속 샘플링 시에 노이즈와 위상지연에 강인한 주기필터를 제안하였다, 기존 LPF는 고주파수의 신호 제어 시에 위상 지연으로 인해 시스템을 불안정하게 하지만, 제안 방식으로 이를 해소하였다. 셋째, DAB와 비절연 컨버터를 이용하여 넓은 동작 범위와 빠른 응답특성을 가질 수 있는 토폴로지 형태를 제안한다. 제안된 방법은 회로 동작에 대한 분석과 PSIM, MATLAB 시뮬레이션 및 실험을 통하여 검증 하였으며, 결과적으로 DAB의 전류 피크는 피크전류 제어하지 않는 방식에 비해 감소되는 것을 실험을 통해 확인하였으며(1kw: 22%, 2kW: 37%, 3kw: 23%, 4kw: 59%, 5kw: 49%), 경부하시에는 1%정도(95%) 낮은 효율을 보였지만 중부하로 갈수록 최대 2%(95.3%)까지 효율이 상승하는 것을 확인하였다. 또한 제안하는 토폴로지 방식은 부하변동에 대한 2ms 이내의 빠른 응답 속도와 CV-CC제어를 통해 배터리 충전시 안전성을 확보하였으며, 이러한 결과를 통해서 본 논문에서 제안하는 평활 전류제어 기법에 대한 타당성을 검증하였다.
Recently, in order to reduce carbon emission and increase power efficiency, the scope of DC application is expanding, such as expansion of distributed power supply, increase of DC consumption-type loads such as data centers, and establishment of DC transmission and distribution facilities such as LV...
Recently, in order to reduce carbon emission and increase power efficiency, the scope of DC application is expanding, such as expansion of distributed power supply, increase of DC consumption-type loads such as data centers, and establishment of DC transmission and distribution facilities such as LVDC and MVDC. In particular, in the DC-based electric vehicle market, global manufacturers are actively competing, and as new and renewable energy power sources with unstable output power are being built on a large scale, the need to introduce ESS for output stabilization is increasing. This trend increases the importance of batteries and power converters that store and supply power so that consumers can use power stably. The disadvantages of renewable energy and electric vehicles are that the input/output voltage fluctuates greatly and the power is irregular, and the DC/DC converter should be able to compensate for this disadvantage as much as possible. It also requires a wide voltage range that is not affected by voltage fluctuations and high efficiency. The isolated bidirectional DC/DC converter is flexibly used in a wide voltage range and various power scale systems, and ensures higher safety for users. As an isolated DC/DC converter, a DAB (dual active bridge) converter, a resonant converter, etc. are being studied. In particular, the DAB converter has advantages such as high efficiency, high power density, and wide voltage range because ZVS is possible with a simple structure. The most commonly used control in DAB converter is divided into SPS, DPS, and TPS. These control methods have been studied and improved for the purpose of reducing ZVS, DC bias, and current stress according to light load and output voltage. However, in order to reduce the current peak, a very complex control is required for each load because there are many control variables. In addition, although a control method based on mathematical modeling is used, it is difficult to perfectly reflect the actual circuit constant. Therefore, in this paper, a control method with a structure that can reduce the current peak at all loads and has a wide voltage range is proposed as a simple control compared to the existing control method while having the advantages of high efficiency and reduction of the peak switching current. The proposal method consists of three main steps. First, a current smoothing control technique in which the PSM (Phase Shift Modulation) method is applied to only one bridge using the current of two specific points of the DAB is used. Second, to implement the proposed method, a periodic filter that is robust against noise and phase delay during high-speed sampling was proposed. The existing LPF destabilizes the system due to phase delay during high-frequency signal control, but the proposed method solves this problem. Third, by using DAB and non-isolated converter, a topology form that can have wide operating range and fast response characteristics was proposed. The proposed method was verified through circuit operation analysis and PSIM and MATLAB simulations and experiments. As a result, it was confirmed through an experiment that the peak current of DAB was reduced compared to the method without peak current control (1kw: 22%, 2kW: 37%, 3kw: 23%, 4kw: 59%, 5kw: 49%), At light load, the efficiency was as low as 1% (95%), but it was confirmed that the efficiency increased to a maximum of 2% (95.3) as it went to heavy load. In addition, the proposed topology method secured safety during battery charging through fast response speed within 2ms to load fluctuations and CV-CC control, and through these results, the validity of the smooth current control method proposed in this paper was verified.
Recently, in order to reduce carbon emission and increase power efficiency, the scope of DC application is expanding, such as expansion of distributed power supply, increase of DC consumption-type loads such as data centers, and establishment of DC transmission and distribution facilities such as LVDC and MVDC. In particular, in the DC-based electric vehicle market, global manufacturers are actively competing, and as new and renewable energy power sources with unstable output power are being built on a large scale, the need to introduce ESS for output stabilization is increasing. This trend increases the importance of batteries and power converters that store and supply power so that consumers can use power stably. The disadvantages of renewable energy and electric vehicles are that the input/output voltage fluctuates greatly and the power is irregular, and the DC/DC converter should be able to compensate for this disadvantage as much as possible. It also requires a wide voltage range that is not affected by voltage fluctuations and high efficiency. The isolated bidirectional DC/DC converter is flexibly used in a wide voltage range and various power scale systems, and ensures higher safety for users. As an isolated DC/DC converter, a DAB (dual active bridge) converter, a resonant converter, etc. are being studied. In particular, the DAB converter has advantages such as high efficiency, high power density, and wide voltage range because ZVS is possible with a simple structure. The most commonly used control in DAB converter is divided into SPS, DPS, and TPS. These control methods have been studied and improved for the purpose of reducing ZVS, DC bias, and current stress according to light load and output voltage. However, in order to reduce the current peak, a very complex control is required for each load because there are many control variables. In addition, although a control method based on mathematical modeling is used, it is difficult to perfectly reflect the actual circuit constant. Therefore, in this paper, a control method with a structure that can reduce the current peak at all loads and has a wide voltage range is proposed as a simple control compared to the existing control method while having the advantages of high efficiency and reduction of the peak switching current. The proposal method consists of three main steps. First, a current smoothing control technique in which the PSM (Phase Shift Modulation) method is applied to only one bridge using the current of two specific points of the DAB is used. Second, to implement the proposed method, a periodic filter that is robust against noise and phase delay during high-speed sampling was proposed. The existing LPF destabilizes the system due to phase delay during high-frequency signal control, but the proposed method solves this problem. Third, by using DAB and non-isolated converter, a topology form that can have wide operating range and fast response characteristics was proposed. The proposed method was verified through circuit operation analysis and PSIM and MATLAB simulations and experiments. As a result, it was confirmed through an experiment that the peak current of DAB was reduced compared to the method without peak current control (1kw: 22%, 2kW: 37%, 3kw: 23%, 4kw: 59%, 5kw: 49%), At light load, the efficiency was as low as 1% (95%), but it was confirmed that the efficiency increased to a maximum of 2% (95.3) as it went to heavy load. In addition, the proposed topology method secured safety during battery charging through fast response speed within 2ms to load fluctuations and CV-CC control, and through these results, the validity of the smooth current control method proposed in this paper was verified.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.