[논문]가변 위상변위 스위칭방식을 적용한 연료전지용 변압기 직렬형 DC/DC 컨버터

박노식; 권순재; 박성준

가변 위상변위 스위칭방식을 적용한 연료전지용 변압기 직렬형 DC/DC 컨버터
Series Connected DC/DC Converter for Fuel Cell System using Variable Phase Shift Switching Method 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.13 no.6, 2008년, pp.461 - 468

박노식 (세웅테크) , 권순재 (부경대 기계공학부) , 박성준 (전남대 전기공학과)

초록
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본 논문에서는 연료전지용 전력변환 장치에서 높은 승압비를 구현하기 위하여 절연형 풀브릿지 컨버터의 고주파 변압기 2차측을 직렬로 연결한 새로운 DC/DC 컨버터와 이에 적합한 가변 위상변위 스위칭 방식을 제안하였다. 제안된 컨버터는 기존 방식에 비해 정류부와 필터부의 일원화가 가능한 구조로 출력레벨의 증가를 위해 컨버터의 수를 증가 하더라도, 수동소자의 수를 대폭 줄일 수 있다. 제안된 직렬 방식의 컨버터의 출력전압은 기존의 일정위상변위 스위칭 방식으로는 극성이 반대로 되는 구간이 발생하므로, 제안된 전력변환기에 적합한 간단한 가변 위상 변위 스위칭 방식을 적용함으로써, 출력전압의 감소문제를 해결하였으며, 시뮬레이션과 실험을 통하여 제안된 방식의 타당성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a novel series connected DC/DC converter and a proper variable phase shift switching method in order to obtain high voltage ratio for fuel cell system. The proposed series connected DC/DC converter has same rectifier and LC filter for DC output voltage, so it can reduce the number of passive devices regardless of the converter number. In the conventional constant phase shift switching method, the proposed series connected DC converters have inverse bias output voltage. In order to overcome this problem, a simple but proper variable phase shift switching method is proposed in the a novel series connected DC/DC converter. In order to verify the proposed system, simulation and experiments are implemented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 3kW급 연료전지용 DC/DC 컨버터용으로 새로운 다중레벨 컨버터를 제안하였다. 연료전지 용 DC/DC 컨버터는 절연형 풀브릿지 컨버터에서 고주파 변압기의 2차측을 직렬로 연결할 경우, 구조적으로는 후단의 다이오드 부와 필터 부를 하나로 사용이 가능하나, 그 동작에 있어 기존의 스위칭 방식으로는 멀티 DC/DC컨버터의 기능 중 가장 중요한 부분인 높은 승압비를 이룰 수 없는 단점을 극복하기 위해 제안된 멀티 DC/DC 컨버터에 적합한 스위칭 방식을 제안하였다.

제안 방법

그림 3은 제안된 멀티 DC/DC 컨버터의 구조를 나타내고 있다. 기존의 절연형 풀브릿지 타입의 DC/DC 컨버터를 사용하여 다수의 컨버터용 변압기 2차측 출력을 직렬로 구성함으로써 높은 승압비를 구현하였다.
따라서 출력 전압은 기존의 방식대비 50% 이상 발생할 수가 없다. 두 컨버터의 고주파 변압기의 출력이 다른 극성을 형성하는 신호에 의해 출력전압이 저감하게 됨으로 스위칭 신호의 조건을 두 컨버터의 변압기 2차 출력의 극성을 동일하게 만들어 무효전력발생부분이 없어지는 그림 6과 같은 가변 위상 변위형 스위칭 신호 방식을 제안한다.
본 논문에서는 높은 승압비를 갖는 DC/DC 컨버터를 구성함에 있어 기존의 멀티 컨버터방식에서 다이오드, 콘덴서 및 리액터를 줄이고, 2차측 변압기 출력을 직렬 연결한 새로운 멀티 DC/DC 컨버터의 구조를 제안하고, 제안된 전력변환기 구조에서 출력전압의 리플을 줄일 수 있는 새로운 가변 위상 변위형 스위칭 방식을 제안한다. 제안된 컨버터의 구성에 대하여 3[kW]급 프로토 타입 컨버터를 제작하여 실험을 통해 그 타당성을 검증하였다.
본 연구에서 12[V] 밧데리 4개를 사용한 낙도용 전원공급용 전력변환기에 제안된 직렬형 DC/DC컨버터를 적용하여 그 타당성을 검증하였으며, 전력변환기의 사양은 표 2와 같다.
본 논문에서는 3kW급 연료전지용 DC/DC 컨버터용으로 새로운 다중레벨 컨버터를 제안하였다. 연료전지 용 DC/DC 컨버터는 절연형 풀브릿지 컨버터에서 고주파 변압기의 2차측을 직렬로 연결할 경우, 구조적으로는 후단의 다이오드 부와 필터 부를 하나로 사용이 가능하나, 그 동작에 있어 기존의 스위칭 방식으로는 멀티 DC/DC컨버터의 기능 중 가장 중요한 부분인 높은 승압비를 이룰 수 없는 단점을 극복하기 위해 제안된 멀티 DC/DC 컨버터에 적합한 스위칭 방식을 제안하였다. 제안된 전력변환기의 구조에 적합한 상 스위칭 신호방식은 변조지수에 따른 가변 위상변위 신호를 제안 함으로써 기존의 멀티 DC/DC컨버터의 높은 승압비를 해결하였다.

대상 데이터

CPU로는 Texas Instruments사의 DSP로 150[㎒]의 높은 연산 속도를 가진 TMS320F2812를 사용하였다. 두 개의 EVM Module과 16채널의 12bit ADC와 QEP 모듈이 자체적으로 내장되어 있으므로 ASIC와 같은 부가적인 소자를 사용하지 않아도 된다.

성능/효과

기존의 컨버터 시스템으로 높은 승압비를 구현하기 위해 컨버터 수를 증가시키면 다이오드 및 L, C의 수가 비례적으로 증가하나, 제안된 컨버터 시스템은 표 1에서 보는 바와 같이 컨버터의 수가 증가하여도 다이오드 및 L, C의 수가 증가하지 않는 구조가 된다. 기존방식에 비하여 다이오드 및 콘덴서의 내압이 증가하는 단점이 있으나 다이오드 및 필터의 수가 많아서 구조가 복잡한 기존 방식에 비하여 구성이 간단해진다.
이 위상차의 차이로 인해 일정한 위상 변위신호의 경우는 출력전압이 약 280[V]가 되고, 가변 위상변위 신호의 경우에는 출력전압이 약 380[V]가 됨을 알 수 있다. 따라서 제안된 가변 위상변위 신호를 사용할 경우 제안된 컨버터의 출력발생 범위를 최대한 발생하면서, 기존 컨버터에 비하여 다이오드 및 필터회로 수를 줄일 수 있다. 그림 9는 실험에 적용한 제안된 직렬형 DC/DC 컨버터의 시제품의 구조를 나타내고 있다.
제안된 절연형 풀브릿지 컨버터의 고주파 변압기 2차측을 직렬로 연결한 새로운 전력변환 방식으로 출력전압의 리플을 저감할 수 있다. 또한 제안된 컨버터는 기존 방식에 비해 정류부와 필터부의 일원화 가 가능한 구조로 수동소자의 수를 대폭 줄일 수 있다.
본 논문에서 제안된 DC/DC 컨버터는 실험 결과 90% 이상의 효율특성을 나타내었다.
연료전지 용 DC/DC 컨버터는 절연형 풀브릿지 컨버터에서 고주파 변압기의 2차측을 직렬로 연결할 경우, 구조적으로는 후단의 다이오드 부와 필터 부를 하나로 사용이 가능하나, 그 동작에 있어 기존의 스위칭 방식으로는 멀티 DC/DC컨버터의 기능 중 가장 중요한 부분인 높은 승압비를 이룰 수 없는 단점을 극복하기 위해 제안된 멀티 DC/DC 컨버터에 적합한 스위칭 방식을 제안하였다. 제안된 전력변환기의 구조에 적합한 상 스위칭 신호방식은 변조지수에 따른 가변 위상변위 신호를 제안 함으로써 기존의 멀티 DC/DC컨버터의 높은 승압비를 해결하였다. 제안된 절연형 풀브릿지 컨버터의 고주파 변압기 2차측을 직렬로 연결한 새로운 전력변환 방식으로 출력전압의 리플을 저감할 수 있다.
제안된 전력변환기의 구조에 적합한 상 스위칭 신호방식은 변조지수에 따른 가변 위상변위 신호를 제안 함으로써 기존의 멀티 DC/DC컨버터의 높은 승압비를 해결하였다. 제안된 절연형 풀브릿지 컨버터의 고주파 변압기 2차측을 직렬로 연결한 새로운 전력변환 방식으로 출력전압의 리플을 저감할 수 있다. 또한 제안된 컨버터는 기존 방식에 비해 정류부와 필터부의 일원화 가 가능한 구조로 수동소자의 수를 대폭 줄일 수 있다.
본 논문에서는 높은 승압비를 갖는 DC/DC 컨버터를 구성함에 있어 기존의 멀티 컨버터방식에서 다이오드, 콘덴서 및 리액터를 줄이고, 2차측 변압기 출력을 직렬 연결한 새로운 멀티 DC/DC 컨버터의 구조를 제안하고, 제안된 전력변환기 구조에서 출력전압의 리플을 줄일 수 있는 새로운 가변 위상 변위형 스위칭 방식을 제안한다. 제안된 컨버터의 구성에 대하여 3[kW]급 프로토 타입 컨버터를 제작하여 실험을 통해 그 타당성을 검증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지의 상용화를 위해 넘어야 할 기술장벽에는 무엇이 있는가?	따라서 연료전지는 미래에 대부분의 가정과 교통수단의 동력원 으로 활용될 것으로 전망된다. 그러나 상용화를 위해 넘어야 할 기술 장벽으로는 경제성 확보와 연료전지 스텍과 전력변환시스템의 효율 개선이 선결과제라 하 겠다. 연료전지 에너지의 실용화를 위한 전력변환 기술 에서 연료전지용 DC/DC컨버터는 낮은 전압의 가변 직 류전원으로부터 높은 직류전압을 출력할 수 있는 형태를 요구하고 있다.
	높은 승압비를 갖는 DC/DC 컨버터를 구성하기 위해 다단 승압기를 갖는 방식을 사용할 경우, 컨버터의 총 효율은 어떻게 나타나는가?	일반적으로 높은 승압비를 갖는 DC/DC 컨버터를 구 성하는 방법으로는 크게 다단 승압기를 갖는 방식과 여러 대의 DC/DC컨버터를 사용하여 컨버터의 출력을 직렬 또는 병렬로 구성하는 방식이 있다. 전자의 방식 에서 컨버터의 총 효율은 각 승압컨버터의 효율의 곱 으로 나타남으로 컨버터의 효율을 증대시키는 방법으 로는 바람직하지 않는 방식으로 알려져 있다[5]. 후자의 방식은 전체 DC/DC 컨버터를 구성함에 있어 컨버터 수가 증가함에 따라 스위칭 소자 수가 비례적으로 증 가되는 단점이 있다.
	환경성, 경제성, 기술성을 고려했을 때, 화석연료가 고갈될 경우 사용가능한 에너지로 최적의 대안은 무엇인가?	연료전지는 조만간 고갈될 석유 등 화석연료를 대체 하는 에너지원으로 인류의 장래를 위해 반드시 개발해 야 할 기술이란 점에서 연료전지 연구에 대한 그 의의 가 매우 크다. 화석연료가 고갈될 경우 사용가능한 에너지는 환경성, 경제성, 기술성을 고려했을 때 현재로 서는 연료전지가 최적의 대안으로 사료된다. 따라서 연료전지는 미래에 대부분의 가정과 교통수단의 동력원 으로 활용될 것으로 전망된다.

참고문헌 (6)

P. W. Lee, Y. S. Lee, D. K. W. Chaeng and X. C. Liu, "Seeady-State Analysis of an Interleaved Boost Converter with Coupled Inductors", IEEE Trans. on. Ind. Electron., Vol. 47, No. 4, pp. 787-795, 2000

상세보기
M.S. Elmore, "Input current ripple cancellation in synchronized, parallel connected critically continuous boost converters", in Proc. of IEEE APEC, pp. 152-158, 1996
R. Lenk, Practical Design of Power Supplies, McGRAW-HILL & IEEE Press, pp. 6-29, 1988
B. K. Bose, Power Electronics and Variable Frequency Drives: Technology and Applications, IEEE Press, 1977
김윤호, 문현욱, 김수홍, 곽영찬, 원충연, "멀티레벨 컨버터를 기반으로하는 고출력 연료전지시스템의 전압강하대책", 전력전자학회 학술대회논문집, pp. 696-700, 2003. 7
조진상, 정상민, 이진희, 최세완, 한수빈 "연료전지자동차에서 연료이용율과 연료전지 내구성 향상을 위한 양방향 DC-DC컨버터의 제어기법", 전력전자학회논문지, 제10권 제5호, pp. 428-435, 2005. 10

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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