최근 배터리, 태양전지, 연료전지 등의 전원으로 구동되는 전기자동차에 대한 관심이 커지고 있다. 그런데, 이와 같은 전원들의 단위전지 전압은 자동차의 인버터를 구동하기에는 너무 낮기 때문에 수많은 단위전지를 직렬로 연결하여 사용해야하며, 이로 인해 전원의 구조가 복잡해지는 문제가 있다. 본 논문에서는 전기자동차의 응용을 위해 비교적 낮은 전원전압을 충분히 높은 안정된 직류 링크전압으로 바꾸어주는 고효율 대용량 승압컨버터를 제안하고 그 설계기준과 실험결과를 제시한다.
최근 배터리, 태양전지, 연료전지 등의 전원으로 구동되는 전기자동차에 대한 관심이 커지고 있다. 그런데, 이와 같은 전원들의 단위전지 전압은 자동차의 인버터를 구동하기에는 너무 낮기 때문에 수많은 단위전지를 직렬로 연결하여 사용해야하며, 이로 인해 전원의 구조가 복잡해지는 문제가 있다. 본 논문에서는 전기자동차의 응용을 위해 비교적 낮은 전원전압을 충분히 높은 안정된 직류 링크전압으로 바꾸어주는 고효율 대용량 승압 컨버터를 제안하고 그 설계기준과 실험결과를 제시한다.
Recently, the electric vehicles which are powered by such sources as battery, solar cell, fuel-cell, and so forth attract increasing attention. However, the unit cell voltages of these power sources are so low that a number of cells should be stacked in series to drive the vehicle inverter systems, ...
Recently, the electric vehicles which are powered by such sources as battery, solar cell, fuel-cell, and so forth attract increasing attention. However, the unit cell voltages of these power sources are so low that a number of cells should be stacked in series to drive the vehicle inverter systems, which increases the complexity of the structure of power source. In this paper, a high-efficiency high-power boost converter for electric vehicle applications, which is able to convert a relatively low source voltage into a sufficiently high regulated DC link voltage, is proposed, and the design guidelines and the experimental results are presented.
Recently, the electric vehicles which are powered by such sources as battery, solar cell, fuel-cell, and so forth attract increasing attention. However, the unit cell voltages of these power sources are so low that a number of cells should be stacked in series to drive the vehicle inverter systems, which increases the complexity of the structure of power source. In this paper, a high-efficiency high-power boost converter for electric vehicle applications, which is able to convert a relatively low source voltage into a sufficiently high regulated DC link voltage, is proposed, and the design guidelines and the experimental results are presented.
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문제 정의
그림 1에 보인 이 컨버터는 일정한 시비율(duty cycle)로 동작하는 병렬입력/직렬출력 모듈화 된[14] 두 개의 듀얼컨버터[15] 모듈과 보조회로로 구성되며 모듈간의 위상 차가 제어입력으로 가해진다. 본 논문에서는 위상천이 병렬입력/ 직렬출력 듀얼컨버터의 동작과 특성을 간단히 되살펴보고, 50kHz, 0.4-1.2kW, 입력 18-30Vdc, 출력 310Vdc 의 예에 대해 세부적인 설계기준을 제시한다. 또한, 컨버터를 구동하기 위한 구동회로를 제안하며 출력전압의 규제를 위한 평균 전류모드(average current-mode) 제어기를 설계하고, 실험결과를 통하여 그 동작 및 설계의 타당성을 검증한다.
이 경우 전지의 구조가 복잡해지는 문제가 있으며, 특히 단위전지마다 제어장치가 필요한 연료전지의 경우 문제가 더 크다. 본 논문에서는 적은 수의 단위전지만으로 전기자동차의 인버터를 구동할 수 있을 정도로 높은 안정된 직류링크 전압을 만들어낼 수있는 부스트 컨버터로 위상천이 병렬입력/직렬출력 듀얼컨버터를 제시하였다.
제안 방법
계수기와 래치는 25MHz의 발진자에 동기되어있는데, 계수기의 값이 스위치 도통시간을 의미하는 D에 해당하는 값에 이르면 SR 래치와 계수기가 리셋되면서 동시에 스위치 구동신호가 차단된다. 4개의 SR 래치와 9비트 계수기, 그리고 계수기 값 비교를 위한 9비트 AND 게이트는 Altera의 EPM7064로 구현하였다.
2kW의 사양에 대해 자세한 설계기준을 제시하였다. 또한, 제안된 컨버터를 위한 적절한 구동회로를 제안하였고, 출력전압의 규제를 위해 평균 전류모드 제어기를 설계하는 기준을 제시하였다. 그리고, 실제 실험결과를 통해 전력회로, 구동회로 및 제어회로의 설계가 타당함을 확인하였다.
2kW, 입력 18-30Vdc, 출력 310Vdc 의 예에 대해 세부적인 설계기준을 제시한다. 또한, 컨버터를 구동하기 위한 구동회로를 제안하며 출력전압의 규제를 위한 평균 전류모드(average current-mode) 제어기를 설계하고, 실험결과를 통하여 그 동작 및 설계의 타당성을 검증한다.
본 논문에서는 이 컨버터의 동작 및 특성을 되짚어보았으며, 효율 85% 이상, 입력 18-30Vdc 및 출력 310Vdc 사양의 50kHz, 0.4-1.2kW의 사양에 대해 자세한 설계기준을 제시하였다. 또한, 제안된 컨버터를 위한 적절한 구동회로를 제안하였고, 출력전압의 규제를 위해 평균 전류모드 제어기를 설계하는 기준을 제시하였다.
상시비 율 D와 변압기 주권선비 N은 다소 임의적으로 선택할 수 있는데, 이 논문에서는 한 모듈의 승압비의 분담이 변압기 와 스위 치 -인덕터 회 로 사이 에 대략 2:3의 비율로 이루어지도록 다음과 같이 결정한다.
여기서, Vramp는 PWM 비교기에 인가되는 삼각파의 크기로 본 논문에서 제작된 회로에서는 3.4V로 조정되었고, Kc는 전류 센서의 이득인데, 컨버터의 과도 상태에서 약 2Ix의 전류를 PWM 칩의 내부 증폭기의 입력범위에 수용할 수 있도록 0.6으로 설계하였다. 한편, 전류루프의 안정성을 위해 최소한 45도의 위상여유(phase margin)를 확보하기 위한 K의 조건도 필요하다.
따라서 K는 이 값보다 작게 설계되어야 한다. 이와 같은 모든 조건을 만족하도록 최종적으로 Rf=3kΩ, Rl=12kΩ, Cfz=67nF, Cfp=1.3nF로 설계한다. 전류루프를 닫았을 때, 전류지령에서 iLx로의 소신호 전달함수의 주파수 응답은 그림 7과 같다.
제안된 컨버터의 동작 및 설계의 타당성을 검증하기 위해 50kHz, 0.4-1.2kW, 출력 310Vdc, 입력 18-30Vdc 사양의 시작품을 그림 4에 보인 것과 같이 구현하였다. 듀얼컨버터 모듈의 시비율은 0.
제안된 컨버터의 빠른 응답특성을 살리기 위해서 보조회로의 응답이 단일 모듈의 응답보다 빠르도록 CO와 CX의 값을 선정한다. 이를 위하여 듀얼컨버터 모듈과 보조회로의 공진 주파수를 비교하는데, 제안된 컨버터가의 G가 충분히 크다면 듀얼컨버터 모듈과 보조회로의 동역학간의 결합이 작아져 각각 독립된 회로처럼 동작하게 됨을 언급한 바 있다.
제안된 컨버터의 외부 전압루프에는 간단한 비례적분(PI) 보상기를 사용한다. 전압센서의 이득은 0.
성능/효과
8, n=2.2, Rds=55mΩ, Ro=120Ω, Vi=30Vdc인 경우, 그림 3(a)와 (b)에 보인 것처럼 제안된 컨버터의 스위치 실효전류는 PWM 방식의 컨버터에 비해 최대 약 15% 크지만, 스위치 전압 스트레스가 동작조건에 무관하게 약 80V로 유지되어 PWM 방식의 컨버터에 비해 최대 약 40% 낮은 값을 보인다.
또한, 제안된 컨버터를 위한 적절한 구동회로를 제안하였고, 출력전압의 규제를 위해 평균 전류모드 제어기를 설계하는 기준을 제시하였다. 그리고, 실제 실험결과를 통해 전력회로, 구동회로 및 제어회로의 설계가 타당함을 확인하였다. 승압비가 높고 효율이 높으며 우수한 동역학을 갖는 제안된 컨버터를 전기자동차에 응용하면, 배터리 등의 전원의 구조를 간단히 하여 신뢰도를 높이는 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 적절히 설계된 스너버를 사용하는 경우, PWM 방식의 컨버터는 내압 200V, 도통저항 85mΩ의 IRFP250을 스위칭 소자로 사용할 수 있지만, 제안된 컨버터는 내압 100V, 도통저항 55mQ의 IRFP150을 사용하여 효율 향상을 도모할 수 있다. 그밖에, 제안된 컨버터는 그림 3(c)에 보인 것처럼 출력 커패시터의 실효전류가 낮으며, 위상천이 동작으로 인해 입력전류와 출력전압의 맥동(ripple)이 낮은 장점이 있다.
즉, 보조회로의 상태(state)가 듀얼컨버터 모듈에 미치는 영향이 무시할 만큼 작아지며, 이 때, 보조회로가 빠른 동역학을 가지도록 적절히 설계되면 전체 출력전압의 응답이 보조회로에 지배되도록 할 수 있다. 따라서, 제안된 컨버터는 종래의 PWM 방식의 컨버터에 비해 제어입력에서 출력전압으로의 대역폭이 넓어 신속한 응답 특성을 보이게 된다. 뿐만 아니라, 제안된 컨버터의 우반평면 영점은 보조회로의 도입으로 감쇄비가 아주 큰 고주파 대역으로 옮겨져 거의 드러나지 않는다.
그리고, 실제 실험결과를 통해 전력회로, 구동회로 및 제어회로의 설계가 타당함을 확인하였다. 승압비가 높고 효율이 높으며 우수한 동역학을 갖는 제안된 컨버터를 전기자동차에 응용하면, 배터리 등의 전원의 구조를 간단히 하여 신뢰도를 높이는 효과를 얻을 수 있다.
값을 선정한다. 이를 위하여 듀얼컨버터 모듈과 보조회로의 공진 주파수를 비교하는데, 제안된 컨버터가의 G가 충분히 크다면 듀얼컨버터 모듈과 보조회로의 동역학간의 결합이 작아져 각각 독립된 회로처럼 동작하게 됨을 언급한 바 있다. 따라서, 제안된 컨버터의 듀얼컨버터 모듈을 독립된 듀얼컨버터로 간주하여 그 공진 주파수[15]#을 보조회로의 공진 주파수 (LxCx)-1/2보다 약 5배 이상 크게 설계한다.
전류제어기의 설계에서와 유사한 과정을 통해 전압제어기의영점과 적분이득을 각각 lO'ad/s와 22x103으로 설계하면 90도의 위상여유를 확보할 수 있으며 충분히 높은 저주파 이득도 얻을 수 있다. 그림 9와 10 은 설계된 전압루프의 소신호 주파수 응답과 전압지령에서 출력전압으로의 소신호 주파수 응답이다.
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