본 논문에서는 새로운 연료전지용 3상 전류형 능동클램프 DC-DC 컨버터를 제안한다. 전류형 컨버터 구조에 능동클램프 회로를 채용하여 과도기에 발생하는 서지전압을 저감하였고 모든 스위치에서 영전압 스위칭을 하며, 그 장점으로 : 연속적인 입력전류, 전압 오버슈트 제거, 영전압 턴 온 스위칭, 고주파 변압기 1차/2차 측에 부가적인 스너버 회로의 필요성 제거, 소프트 스위칭에 의한 저속 다이오드 적용 등이 있다. 더구나 대용량 발전 시스템에 적합하도록 전류형 컨버터 구조와 3상 전력변환 회로를 결합하였다. 3상 전력변환 적용의 장점은 : 입력전류 및 출력전압 주파수의 3배 증가, 스위치에 흐르는 RMS 전류 저감, 필터소자 용량 및 부피 감소, 고주파 변압기 이용률 증가, 단순화된 전력회로에 따른 전체 크기 축소 및 신뢰성 향상 등이 있다. 제안하는 3상 전류형 능동 클램프 DC-DC 컨버터는 이러한 장점들 때문에 발전용 연료전지 시스템의 승압형 DC-DC 컨버터에 적합하며 대용량 태양전지 발전 시스템 및 배터리 충전기 등에도 적용할 수 있다. 새로운 3상 DC-DC 컨버터와 3상 PWM 알고리즘을 제안하며, 시뮬레이션과 프로토타입의 제작 및 실험을 통하여 그 성능을 평가 및 확인하였다.
본 논문에서는 새로운 연료전지용 3상 전류형 능동클램프 DC-DC 컨버터를 제안한다. 전류형 컨버터 구조에 능동클램프 회로를 채용하여 과도기에 발생하는 서지전압을 저감하였고 모든 스위치에서 영전압 스위칭을 하며, 그 장점으로 : 연속적인 입력전류, 전압 오버슈트 제거, 영전압 턴 온 스위칭, 고주파 변압기 1차/2차 측에 부가적인 스너버 회로의 필요성 제거, 소프트 스위칭에 의한 저속 다이오드 적용 등이 있다. 더구나 대용량 발전 시스템에 적합하도록 전류형 컨버터 구조와 3상 전력변환 회로를 결합하였다. 3상 전력변환 적용의 장점은 : 입력전류 및 출력전압 주파수의 3배 증가, 스위치에 흐르는 RMS 전류 저감, 필터소자 용량 및 부피 감소, 고주파 변압기 이용률 증가, 단순화된 전력회로에 따른 전체 크기 축소 및 신뢰성 향상 등이 있다. 제안하는 3상 전류형 능동 클램프 DC-DC 컨버터는 이러한 장점들 때문에 발전용 연료전지 시스템의 승압형 DC-DC 컨버터에 적합하며 대용량 태양전지 발전 시스템 및 배터리 충전기 등에도 적용할 수 있다. 새로운 3상 DC-DC 컨버터와 3상 PWM 알고리즘을 제안하며, 시뮬레이션과 프로토타입의 제작 및 실험을 통하여 그 성능을 평가 및 확인하였다.
This paper proposes a novel three-phase current-fed active clamp DC-DC converter for fuel cells. A single common active clamp branch is used to limit transient voltage across the three-phase full bridge and to realize zero-voltage switching(ZVS) in all switches. To apply for the power generation sys...
This paper proposes a novel three-phase current-fed active clamp DC-DC converter for fuel cells. A single common active clamp branch is used to limit transient voltage across the three-phase full bridge and to realize zero-voltage switching(ZVS) in all switches. To apply for the power generation system current-fed type has been combined with the three-phase power conversion system. The proposed approach has the following advantages: an increase (by a factor of three) of input current and output voltage chopping frequencies; lower RMS current through the inverter switches with higher power transfer capability; reduction in size of reactive later components and the power conditioning system; better transformer utilization; increase of the system reliability. Therefore, the proposed three-phase current-fed active clamp DC-DC converter is appropriate for the boost type DC-DC converter for fuel cells and also applicable for the photovoltaic and battery charge system. The paper details the analysis, simulation and hardware implementation of the proposed system. Finally, experimental results with the proposed PWM strategy demonstrate the feasibility of the proposed scheme on a 500W prototype converter.
This paper proposes a novel three-phase current-fed active clamp DC-DC converter for fuel cells. A single common active clamp branch is used to limit transient voltage across the three-phase full bridge and to realize zero-voltage switching(ZVS) in all switches. To apply for the power generation system current-fed type has been combined with the three-phase power conversion system. The proposed approach has the following advantages: an increase (by a factor of three) of input current and output voltage chopping frequencies; lower RMS current through the inverter switches with higher power transfer capability; reduction in size of reactive later components and the power conditioning system; better transformer utilization; increase of the system reliability. Therefore, the proposed three-phase current-fed active clamp DC-DC converter is appropriate for the boost type DC-DC converter for fuel cells and also applicable for the photovoltaic and battery charge system. The paper details the analysis, simulation and hardware implementation of the proposed system. Finally, experimental results with the proposed PWM strategy demonstrate the feasibility of the proposed scheme on a 500W prototype converter.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 새로운 연료전지용 3상 전류형 능동클램프 DC-DC 컨버터를 제안하였으며, 아울러 현재까지 발표된 대전력용 DC-DC 컨버터를 소개하고 그 특징을 분석하였다. 제안하는 3상 컨버터와 3상PWM 알고리즘은 대용량 발전 시스템에 적합하도록 능동클램프 회로를 채용한 전류형 컨버터 구조의 장점과 3상 전력변환 방식의 장점을 결합하였다.
가설 설정
그림 6(b)는 제안하는 컨버터에서 순서 적으로 작동하는 주스위치 짝별로 3상 선 전류 /a와 클램프 스위치의 전류 /位의 이상적인 파형을 보여준다. 여기에서 클램프 커패시터 Cc와 출력 필터커패시터 Co의 값은 충분히 커서 각각의 양단전압 μc와 Vo 값이 상수이고 입력단 부스트 인덕터 丄也의 값 역시 충분히 커서 입력전류 九의 값도 상수라고 가정한다.
제안 방법
본 논문에서 제안하는 DC-DC 컨버터는 그림 5와 같이 DC-AC 변환부, 3상 고주파 변압기, AC-DC 변환부로 이루어져있다. DC-AC 변환부는 3상 DC-AC 인버터 전력회로에서 흔히 사용되는 3상 인버터 구조를 가지며, 6개의 MOSFET 주 스위치와 능동형 클램프 회로를 구성하는 1개의 MOSFET 보조 스위치와 1 개의 클램프 커패시터, 전류원으로 동작하는 고주파 직류 인덕터로 구성되어있다.
-DC 컨버터의 경우, 변압기에 존재하는 기생 누설인덕턴스로 인해 발생되는 서지전압 (surge volta返e) 이 스위치의 손실 및 파괴를 유발할 수 있으므로 이에 대한 대책이 필요하다. 본 논문에서는 서지전압 저감용으로 능동 클램프 회로를 도입하여 전력 회로를 간소화하고 주 스위치와 보조 스위치의 턴 온 시영전압 스위칭 (Zero Voltage Switching) 이 가능하게 하였다. 또한 연료전지용 발전시스템에 적용되는 DC-DC 컨버터는 높은 효율, 간단한 구조, 높은 전력 밀도를 가져야 한다.
제안하는 3상 전류형 능동클램프 DC DC 컨버터는 이러한 장점들 때문에 발전용 연료전지 시스템의 승압형 DC-DC 컨버터에 적합하며, 동일한 특성으로 인해, 대용량 태양전지 발전 시스템 및 배터리 충전기 등에 적용할 수 있다. 새로운 3상 DC-DC 컨버터와 함께 3상 PWM 알고리즘을 제안하였으며, 시뮬레이션과 프로토타입 제작 및 실험을 통하여 그 성능을 평가 및 확인하였다.
680 Q과 270 Q을 사용하였다. 이 두 부하저항에 대하여 주 스위치 및 클램프 스위치의 게이트 구동 듀티비(Q)를 변화시키며 입력전압, 출력전압, 출력전력 및 효율을 측정하였다. 이 측정에는 YOKOKAWA사의 WT-230 DIGITAL POWER METER를 사용하였다.
입력 부스트 인덕터는 페라이트 토로이달 코어를 이용하여 제작하였다. 고주파변압기는 이수세라믹(주)의 EI-118 코어를 사용하여 1차와 2차의 권수비가 1 : 4 인 단상 변압기로 제작하였다.
분석하였다. 제안하는 3상 컨버터와 3상PWM 알고리즘은 대용량 발전 시스템에 적합하도록 능동클램프 회로를 채용한 전류형 컨버터 구조의 장점과 3상 전력변환 방식의 장점을 결합하였다. 제안하는 3상 전류형 능동클램프 DC DC 컨버터는 이러한 장점들 때문에 발전용 연료전지 시스템의 승압형 DC-DC 컨버터에 적합하며, 동일한 특성으로 인해, 대용량 태양전지 발전 시스템 및 배터리 충전기 등에 적용할 수 있다.
제안하는 승압형 DC-DC 컨버터는 DC-AC 변환부, 3상 고주파 변압기, AC-DC 변환부로 이루어져있다. DC-AC 변환부는 6개의 MOSFET(Metal Oxide Field Effect Transistor)을 사용하는 일반적인 3상 인버터구조의 주 스위치와 1개의 능동클램프 MOSFET 보조 스위치와 1개의 클램프 커패시터, 전류원으로 동작하는 고주파 직류 인덕터로 구성되어 있다.
대상 데이터
게이트신호 발생기의 각 출력신호로 각 주 스위치 및 클램프 스위치의 게이트를 구동하기 위한 게이트 드라이버는 IR21064를 사용하였다. IR21064는 FPGA로부터의 게이트신호를 증폭해 주는 기능뿐만 아니라 게이트 신호 발생회로와 전력회로의 절연도 제공해 준다.
제작하였다. 고주파변압기는 이수세라믹(주)의 EI-118 코어를 사용하여 1차와 2차의 권수비가 1 : 4 인 단상 변압기로 제작하였다. 이렇게 제작된 3 개의 단상 변압기는 델타-델타 결선되어 3상 풀 브리지 회로의 출력을 2차 측 3상 풀 브리지 정류기에 공급해준다.
부하저항으로는 출력전압이 370 Vdc일 경우를 기준으로 200 W와 500 W의 전력을 출력할 수 있도록 각각 680 Q과 270 Q을 사용하였다. 이 두 부하저항에 대하여 주 스위치 및 클램프 스위치의 게이트 구동 듀티비(Q)를 변화시키며 입력전압, 출력전압, 출력전력 및 효율을 측정하였다.
이 두 부하저항에 대하여 주 스위치 및 클램프 스위치의 게이트 구동 듀티비(Q)를 변화시키며 입력전압, 출력전압, 출력전력 및 효율을 측정하였다. 이 측정에는 YOKOKAWA사의 WT-230 DIGITAL POWER METER를 사용하였다. 표 2는 그 측정 결과를 보여주고 있으며 가장 오른쪽 행에는 입출력 전압전달비의 계산 결과를 나타내고 있다.
제안하는 3상 전류형 능동클램프 DC-DC 컨버터와 3상 PWM 알고리즘을 검증하기 위하여 그림 8의 사진과 같이 500 W 프로토타입 컨버터를 제작하였다. 프로토타입 컨버터는 3상 PWM 패턴을 계산하는 DSP 제어기, 계산된 PWM 패턴을 6개의 주스위치와 클램프 스위치에 영전압 스위칭을 고려하여 분배하는 FPGA(EPM7128), 게이트 드라이버, 3조의 하프 브리지와 클램프 브리지가 장착된 4개의 히트 싱크 및 3 상고 주파 변압기로 이루어져 있다.
이론/모형
그림 3은 3상 고주파 변압기의 누설 인덕턴스와 스위칭 소자의 기생 출력 커패시턴스를 이용하여 소프트 스위칭을 하였으며, 비대칭 듀티 사이클(asymmetrical duty cycle) PWM 알고리즘을 사용하였다®;
성능/효과
본 논문에서 제안하는 3상 전류형 능동클램프 DC-DC 컨버터는 3상 전력변환방식, 능동클램프회로, 3상 고주파변압기, 3상 PWM 알고리즘 등의 채용을 통하여, 가격, 전체 사이즈 및 신뢰성의 문제를 해결할 수 있다.
제안하는 3상 컨버터와 3상PWM 알고리즘은 대용량 발전 시스템에 적합하도록 능동클램프 회로를 채용한 전류형 컨버터 구조의 장점과 3상 전력변환 방식의 장점을 결합하였다. 제안하는 3상 전류형 능동클램프 DC DC 컨버터는 이러한 장점들 때문에 발전용 연료전지 시스템의 승압형 DC-DC 컨버터에 적합하며, 동일한 특성으로 인해, 대용량 태양전지 발전 시스템 및 배터리 충전기 등에 적용할 수 있다. 새로운 3상 DC-DC 컨버터와 함께 3상 PWM 알고리즘을 제안하였으며, 시뮬레이션과 프로토타입 제작 및 실험을 통하여 그 성능을 평가 및 확인하였다.
참고문헌 (9)
M.W. Ellis, M.R. Von Spakovsky, D.J. Nelson, 'Fuel cell systems: efficient, flexible energy conversion for the 21st century', Proceedings of the IEEE, Volume 89, Issue 12, pp. 1808-1818, 2001, Dec
이진희, 조진상, 장민수, 최세완, 한수빈, '고체산화물형 연료전지를 위한 10kW급 독립전격변환장치의 개발', 전력전자학회논문지, 1229-2214, 제8권, 제6호, pp. 39-45, 1997
Kunrong Wang, Lizhi Zhu, Dayu Qu, H. Odendaal, J. Lai, F.C. Lee, 'Design, implementation, and experimental results of bi-directional full-bridge DC/DC converter with unified soft-switching scheme and soft-starting capability', Power Electronics Specialists Conference, PESC 00. 2000 IEEE 31st Annual Volume 2, 18-23, pp. 1058-1063, 2000, June
A.R. Prasad, P.D. Ziogas, S. Manias, 'Analysis and design of a three-phase offline DC-DC converter with high-frequency isolation', Industry Applications, IEEE Transactions, Volume 28, Issue 4, pp. 824-832, 1992, July/Aug
de Souza Oliveira, D., Jr., I. Barbi, 'A three-phase ZVS PWM DC/DC converter with asymmetrical duty cycle for high power applications', Power Electronics, IEEE Transactions, Volume 20, Issue 2, pp. 270-377, 2005, Mar
J. Jacobs, A. Averberg, R. De Doncker, 'A novel three-phase dc/dc converter for high-power application', Power Electronics Specialists Conference, PESC 04. 2004 IEEE 35th Annual Volume 3, 20-25 pp. :1861 -1867, 2004, June
Changrong Liu, A. Johnson, Jih-Sheng Lai, 'A novel three-phase high-power soft-switched DC/DC converter for low-voltage fuel cell applications', Industry Applications, IEEE Transactions, Volume 41, Issue 6, pp. 1691 -1697, 2005, Nov./Dec
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.