[논문]병렬제어를 적용한 8kW급 영전압/영전류 풀 브릿지 DC-DC 컨버터 개발

노민식

병렬제어를 적용한 8kW급 영전압/영전류 풀 브릿지 DC-DC 컨버터 개발
Development of 8kW ZVZCS Full Bridge DC-DC Converter by Parallel Operation 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.12 no.5, 2007년, pp.400 - 408

노민식 (신라대 자동차기계전자공학부)

초록
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본 논문에서의 병렬제어를 이용한 8kW급 대용량 영전압/영전류 풀 브릿지 DC-DC 컨버터의 개발 결과를 보인다. 본 논문에서는 효율적인 시스템 구성을 위해 4-병렬 단위 모듈 운전을 제안한다. 각 단위모듈은 위상 천이 풀 브릿지를 채택하고, ZVZCS 운전을 위해 간단한 보조 회로를 2차측에 추가하였다. ZCS를 위한 보조 회로 동작 로직은 환류 모드 구간에서 1차측 전류를 제거하도록 구현하였다. 또한 병렬 운전시의 출력 전류의 균등 제어를 위해 위상천이로직을 활용한 Charge Control 방식을 적용하였다. 전압 제어기는 DSP TMS320LF2406을 활용하여 4 모듈의 출력전류 및 출력전압을 A/D로 입력받아 구현하였다. 개발된 컨버터는 차량에 설치되는 고속 발전기용 전력 변환기에 장착되었으며, 구축된 모니터링 시스템으로 고속 발전기의 실제 운전 조건에서 데이터를 획득하여, 분석을 통해 그 성능을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, development of the 8kW parallel module converter is presented. For a effective configuration of FB-PWM converter, this paper proposes 4-parallel operation of 2 kw-module. FB converter of 2-kW module is controlled by phase shut PWM and in order to achieve ZVZCS, the simple auxiliary circuit is applied in secondary side. In order to achieve ZCS, control logic for auxiliary circuit operation is designed to reset the primary current during free-wheeling period. For output current sharing of 4-modules, the charge control is employed. The charge control logic is designed with phase shift PWM logic. Voltage controller is implemented by using DSP(TMS320LF2406) with A/D conversion data of the output current and voltage of each module. The developed converter is installed in PCU(Power Conditioning Unit) for HSG(High Speed Generator) in a vehicle and health monitoring system is implemented for vehicle operation test. Finally, performance of the developed converter is proved under practical operation of HSG.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 8kW 컨버터의 설계를 위해 2kW 단위모듈 4개의 병렬운전방식을 제안한다. 병렬 운전을 위한전체적인 제어 구성도는 그림 5와 같다.
본 논문에서는 8kW급 대용량 영전압/영전류 풀 브릿지 DC-DC 컨버터의 개발 결과를 보였다. 효율적인시스템 개발을 위해 병렬 운전기법을 채택하고 ZVZCS로 동작하는 풀브릿지 단위 모듈을 설계하였다, FB 컨버터 운전은 Phase shift 제어 기법과 출력측에 간단한 보조회로를 추가하고 본 논문에서 설계한로직 및 회로의 구현으로 ZVZCS가 가능하도록 개발되었다.
본 논문에서는 차량 시스템에 장착되는 전력용량 8kW, 출력전압 28VDC를 갖는 대용량 DC-DC 컨버터를 개발 결과를 보인다. 대용량 DC-DC 컨버터의 고효율 설계를 위해 단위 모듈은 ZVZCS가 가능하도록 풀브릿지 회로에 간단한 보조 회로의 추가하여 설계하였다⑸同図国 본 논문에서는 풀 브릿지의 모든 스위치가소프트 스위칭을 할 수 있도록 위상 천이(Phase SHft) 기법 및 위상천이 IC의 출력 로직을 이용하여 환류모드 구간에서 보조회로를 구동할 수 있는 보조회로 동작 로직을 설계하였다.
본 논문에서의 연구응용 분야는 차량 시스템에 장착되어 차량에서 필요로 하는 전원을 공급하는 직류전원공급 장치이다. 이에 따라 본 논문에서는 차량 운전 상태에서 소비 전력감시 및 필드테스트 시의 성능평가를 위한소비 전력의 주요 데이터 저장 시스템 및 헬스 모니터링 시스템을 DSP 보드를 활용하여 구축하였다. 개발된컨버터는 차량에 직접 장착되어 고속발전기에서 출력되는 실제 부하 조건에서 그 성능을 입증하였다.

제안 방법

개발 결과를 보인다. 대용량 DC-DC 컨버터의 고효율 설계를 위해 단위 모듈은 ZVZCS가 가능하도록 풀브릿지 회로에 간단한 보조 회로의 추가하여 설계하였다⑸同図国 본 논문에서는 풀 브릿지의 모든 스위치가소프트 스위칭을 할 수 있도록 위상 천이(Phase SHft) 기법 및 위상천이 IC의 출력 로직을 이용하여 환류모드 구간에서 보조회로를 구동할 수 있는 보조회로 동작 로직을 설계하였다. 또한 단위 모듈의 4 병렬 운전을 위하여 Charge control 방식을 적용하였으며回, Charge control 회로를 위한 스위칭 로직을 위상 천이 IC의 출력 로직을 이용하여 구현하였다.
대용량 DC-DC 컨버터의 고효율 설계를 위해 단위 모듈은 ZVZCS가 가능하도록 풀브릿지 회로에 간단한 보조 회로의 추가하여 설계하였다⑸同図国 본 논문에서는 풀 브릿지의 모든 스위치가소프트 스위칭을 할 수 있도록 위상 천이(Phase SHft) 기법 및 위상천이 IC의 출력 로직을 이용하여 환류모드 구간에서 보조회로를 구동할 수 있는 보조회로 동작 로직을 설계하였다. 또한 단위 모듈의 4 병렬 운전을 위하여 Charge control 방식을 적용하였으며回, Charge control 회로를 위한 스위칭 로직을 위상 천이 IC의 출력 로직을 이용하여 구현하였다.
본 논문에서는 2kW 단위 모듈의 시뮬레이션을 위한회로를 그림7과 같고 구성하고 시뮬레이션은 PSIM 4.1 로 수행하였다.
본 논문에서는 컨버터 설계를 위해 시스템 크기, 단위모듈의 크기, 개수, 스위칭 주파수 및 트랜스포머의 크기등을 고려하여 2kW-4병렬로 구성하였다. 개발한 시스템의 설계사양은 표 1과 같다.
본 논문에서의 시스템과 같은 대 전력 회로에는 회로효율 및 스위칭 소자의 전압 및 전류 부담 면에서 전 브리지 (full bridge) 방식이 가장 적합하므로 전 브리지 (full bridge) 방식을 채택한다. 시스템의 효율을 증대시키기위해 기존의 전 브리지 (full bridge) 회로에 간단한 보조회로[4峋回를 추가하는 방식을 채택하였으며, 모든 스위치가 소프트 스위칭을 할 수 있도록 하였다.
방식을 채택한다. 시스템의 효율을 증대시키기위해 기존의 전 브리지 (full bridge) 회로에 간단한 보조회로[4峋回를 추가하는 방식을 채택하였으며, 모든 스위치가 소프트 스위칭을 할 수 있도록 하였다.
병렬 운전을 위한전체적인 제어 구성도는 그림 5와 같다. 전체적인 제어흐름도를 살펴보면, 그림 5의 설계에 나타나듯 정전압출력 제어를 위해 전압 제어기를 DSP(TMS320LF2406) 로 구성하고, 자체 내장된 AD 컨버터에 의해 단위 모듈의 전류가 입력되며, 단위 모듈의 동작 시 발생할 수 있는 비상용 에러를 모니터링 하도록 설계하였다.
컨버대如5祯를 채택하였다. 채택된 fb 컨버터의 안정된 ZVZCS 동작을 위한 스위칭 로직은 위상 천이 로직과 위상천이 로직에 동기화되어 제안된 보조회로 동작로직에 의해 구현되었다. 그림 2는 본 논문에서 단위 모듈인 FB-PWM 컨버터을 ZVZCS 스위칭하기 위해 구현한 동작 로직이다.
효율적인시스템 개발을 위해 병렬 운전기법을 채택하고 ZVZCS로 동작하는 풀브릿지 단위 모듈을 설계하였다, FB 컨버터 운전은 Phase shift 제어 기법과 출력측에 간단한 보조회로를 추가하고 본 논문에서 설계한로직 및 회로의 구현으로 ZVZCS가 가능하도록 개발되었다. 병렬제어의 기법으로 Charge control 방식의 전류 제어 방식을 채택하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 2 차측에 보조회로를 장착한 ZVZCS FB 컨버대如5祯를 채택하였다. 채택된 fb 컨버터의 안정된 ZVZCS 동작을 위한 스위칭 로직은 위상 천이 로직과 위상천이 로직에 동기화되어 제안된 보조회로 동작로직에 의해 구현되었다.
파형을 나타낸다. 본 데이터는 차량 운전 상태에서 모니터링 시스템으로 획득한 데이터이며, 샘플링 타임은 50ms(20개 / 1초)이다. 위에서부터 컨버터 출력 전압 28VDC, 고속 발전기의 교류전압을 정류한 컨버터 입력전압 그리고 컨버터 내의 4 모듈의 각 출력 전류이다.
위에서부터 컨버터 출력 전압 28VDC, 고속 발전기의 교류전압을 정류한 컨버터 입력전압 그리고 컨버터 내의 4 모듈의 각 출력 전류이다. 본시험에서의 운전 부하는 차량에 장착된 DC 모터 동작부하 및 차량에 장착되어 전력 소모 중인 밧데리의 충전부하이 다.

이론/모형

보여주고 있다. 대 전력 응용을 위해 IGBT가 사용 되었으며, ZVS와 ZCS의 조합으로 만들어진 ZVZCS 기법 〔邪明이 전압원 fb-PWM 컨버터에서 전도 손실과 턴-오프 손실의 저감을 위해 효과적으로 사용되었다.
효율적인시스템 개발을 위해 병렬 운전기법을 채택하고 ZVZCS로 동작하는 풀브릿지 단위 모듈을 설계하였다, FB 컨버터 운전은 Phase shift 제어 기법과 출력측에 간단한 보조회로를 추가하고 본 논문에서 설계한로직 및 회로의 구현으로 ZVZCS가 가능하도록 개발되었다. 병렬제어의 기법으로 Charge control 방식의 전류 제어 방식을 채택하였다. Charge control 기법은 Peak current mode control에 비해 노이즈에 둔감하여안정된 제어의 구현이 가능하며 전류의 적분치를 제어하기 때문에 정전력 제어에 매우 용이하다.

성능/효과

개발된 8kW급 대용량 컨버터는 병렬제어를 위해 선정한 기법 및 로직으로 설계 구현되었으며, 안정된 성능은 시뮬레이션과 실험을 통하여 입증되었다.
만든 삼각파(Vramp) 신호이다. 개발된 단위모듈이 제안된 스위 칭 로직으로 ZVZCS 동작 및 Charge control 방식의 운전이 잘 이루어짐을 알 수 있다.
부하 시험을 수행한 결과이다. 전체적인 효율이 약 88%로 나타남을 알 수 있다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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K. Wang, L. Zhu D. Qu, J. Lai and 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, 2000. PESC 00. 2000 IEEE 31st Annual Vol 2, pp.1058-1063, 18-23, 2000, June
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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