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문제 정의
- 본 논문에서는 6kW 대용량 부스트 컨버터의 개발을 위해 L5kW 단위 모듈의 4-병렬 운전을 제안하였다. 단위 모듈의 효율적인 운전을 위해 입력 단에 간단한 능동 클램프 기능을 갖는 보조 회로 장착한 절연형 부스트 컨버터를 적용하였다.
- 이 고주파 AC 전력은 DC 전력으로 정류되며, 다시 인버터를 이용하여 60Hz의 가정용 AC 전원과 강압 형 DC DC 컨버터를 이용하여 직류 전원 및 밧데리 충전에너지로 사용된다. 본 논문에서는 개발된 승압형 컨버터의 성능 입증을 위하여 단위 모듈의 기능 테스트, 부하 테스트 및 마이크로 터빈에서의 시동 운전 시의 인버터에서 소모하는 부하 시험을 실시하였다.
- 그리고 시스템의 용량이 증가함에 따라 이러한 승/강압 장치의 용량도 대용량으로 바뀌고 있는 추세이다. 본 논문에서는 입력 전압 24Vdc를 230Vdc로 변환하는 6kW 대용량 승압형 컨버터의 개발 결과를 보인다. 설계된 컨버터는 L5kW의 단위 모듈을 4병렬 운전함에 의해 효율적인 대용량 시스템을 구성하였다.
제안 방법
- 입력 전류 센서로 홀센서를 적용하고 출력 전류의 과도 전류를 감지하기 위해 출력 단에 C/T를 적용하였다. A/D 컨버터로 단위 모듈의 입력 전류를 모니터링 함으로써 단위 모듈의 동작 시 발생할 수 있는 비상용 에러 로직을 쉽게 구성하였다. 계산된 기준 전류 제어 지령 신호는 DSP의 직렬 주변기기 인터페이스(SPI)를 통하여 디지털로 출력되고 단위 모듈 컨버터 입력 단에서 아나로그 전압지령 치로 변환함으로써 아날로그 신호 연산 및 전달에서 발생하는 왜곡현상을 최소화 하였다.
- 본 시스템과 같은 대 전력 회로에서는 풀 브릿지 회로가 회로 효율을 높이며, 또한 스위칭 소자의 전압 및 전류 부담을 줄일 수 있다. 그리고 시스템효율 증가를 위해 풀-브릿지 회로의 입력 단 (primary stage)에 능동 클램프 기능을 가진 간단한 보조 회로를 추가하였다. 그림 [의 회로도는 부스트 컨버터의 적용된 회로 방식을 보여주고 있다.
- 과 전압을 효과적으로 억제하였다. 그리고 안정적인 기동을 위해 정상상태의 부스트 컨버터 스위칭 로직과 달리 시동을 위한 로직을 적용하였다. 절연형 부스트 컨버터 기동 시 일반적인 부스트 모드( 0.
- 병렬운전은 하나의 주 제어 컨버터 모듈에만 센서 및 제어기를 두고 출력전압의 에러를 연산하며, 나머지 모듈은 주 제어 모듈의 입력 전류 기준 명령에 따라 전류 에러를 보상하는 Master-Slave 방식을 적용하였다. 단위 모듈은 높은 승압비를 만들기 위해 절연형 풀 - 브릿지 회로를 적용하고, 1차측에 능동클램프 기능을 위한 간단한 보조 회로를 추가함으로써, 모든 1차측 스위치가 영전압 스위칭이 가능하도록 로직을 설계하였다[1][2][3][4]또한 절연 부스트 컨버터의 기동 시의 스위치에 걸리는 과전압 제한을 위한 기동 모드 로직을 제안하였다[3] 개발된 시스템은 독립전력 생산 장치인 마이크로 터빈의 시동용 인버터의 DC Link 전원 단 전원 공급 장치로 사용되었다. 마이크로터빈은 항공용 가스터빈 엔진에 초고속 영구 자석형 발전기를 연결하여 독립적인 장소에서 AC 및 DC 전력을 생산할 수 있는 장치이다.
- 단위 모듈의 효율적인 운전을 위해 입력 단에 간단한 능동 클램프 기능을 갖는 보조 회로 장착한 절연형 부스트 컨버터를 적용하였다. 보조 회로 장착 및 보조 회로의 스위칭 로직으로 풀 브릿지 4-스위치의 ZVS 스위칭이 가능토록 하였다.
- 따라서 본 논문에서는 그림 4와 같이 부스트 컨버터의 기동 시 벅 모드와 같이 작은 전류 제어가 가능토록 별도의 시동 로직을 적용하였으며, 시동 모드와 정상적인 부스트 (boost converter) 모드의 스위칭 동작을 달리하였다.
- 설계된 단위 모듈의 기능 및 성능은 시뮬레이션과 실험을 통하여 입증하였다. 또한 개발된 부스트 컨버터 시스템은 가스 터빈 엔진의 시동기 모터를 회전하는 인버터의 DC-link 단 전력 공급용으로 장착되어, 실제 가스터빈 엔진 시동 스케쥴에 따른실 부하 시험을 실시하였다. 이 실험 결과 개발된 부스트 컨버터의 출력 전압이 매우 안정하고, 4-병렬 모듈의 각각의 입력 전류가 서로 간의 큰 오차 없이 동일한 성능을 가짐을 입증하였다.
- 단위 모듈의 효율적인 운전을 위해 입력 단에 간단한 능동 클램프 기능을 갖는 보조 회로 장착한 절연형 부스트 컨버터를 적용하였다. 보조 회로 장착 및 보조 회로의 스위칭 로직으로 풀 브릿지 4-스위치의 ZVS 스위칭이 가능토록 하였다. 그리고 보조 회로를 이용하여 풀 브릿지 대각 스위치의 턴-오프 시 발생하는 과도 전압을 흡수함으로써 스위칭 소자들의 과도한 내전압 사양 선정을 방지할 수 있었다.
- 본 논문에서는 능동 클램프 기능을 가진 보조 회로를 1차 측에 추가하여 대각 스위치의 턴-오프 시 발생하는 입력 전압단(Vpn)의 과 전압을 효과적으로 억제하였다. 그리고 안정적인 기동을 위해 정상상태의 부스트 컨버터 스위칭 로직과 달리 시동을 위한 로직을 적용하였다.
- 본 논문에서는 승압형 컨버터(boost converter)의 입력과 출력 전압의 높은 승압비 및 대 전력 적용을 고려하여 풀- 브릿지 회로를 선택하였다. 본 시스템과 같은 대 전력 회로에서는 풀 브릿지 회로가 회로 효율을 높이며, 또한 스위칭 소자의 전압 및 전류 부담을 줄일 수 있다.
- 본 논문에서는 전압 제어기로 DSP(TMS320LF2406)를 활용하고, 각 단위 모듈 컨버터에는 연산증폭기와 PWM 소자 (TL494)를 이용한 전류 제어기를 구성하였다. 전압 제어기에서는 DSP에 내장되어 있는 A/D 컨버터를 활용하여 각 단위 모듈의 동작 시 흐르는 전류에러를 모니터링하며, 출력전압 제어를 위한 각 모듈에 인가할 전류 제어 기준 명령을 생성한다.
- 본 논문에의 개발 시스템은 부스트 컨버터의 최대 출력이 6kW인 대용량 시스템으로 단일 모듈로 시스템을 구성하는 것은 단위 소자의 제한, 효율, 무게 그리고 부피 등을 고려할 때 단점이 많다. 이러한 단점을 극복하기 위해 최적화된 소 용량 단위 모듈을 설계하고 다중 모듈을 병렬 운전하는 구성 방식을 적용하였다.
- 본 논문에서는 입력 전압 24Vdc를 230Vdc로 변환하는 6kW 대용량 승압형 컨버터의 개발 결과를 보인다. 설계된 컨버터는 L5kW의 단위 모듈을 4병렬 운전함에 의해 효율적인 대용량 시스템을 구성하였다. 병렬운전은 하나의 주 제어 컨버터 모듈에만 센서 및 제어기를 두고 출력전압의 에러를 연산하며, 나머지 모듈은 주 제어 모듈의 입력 전류 기준 명령에 따라 전류 에러를 보상하는 Master-Slave 방식을 적용하였다.
- 때 단점이 많다. 이러한 단점을 극복하기 위해 최적화된 소 용량 단위 모듈을 설계하고 다중 모듈을 병렬 운전하는 구성 방식을 적용하였다. 단위 모듈의 병렬 제어 방식에 의한 대용량 시스템 설계 방식은 용량이 다른 시스템을 설계하는 경우 시스템의 큰 설계 변경 없이 단위 모듈의 수량 변화 및 간단히 제어회 로 추가만으로도 시스템을 확장할 수 있는 큰 장점을 가진다.
- 이러한 누설 인덕턴스로 인한 스위칭 주파수 제한은 단위 모듈의 용량이 커질수록 크게 나타나며 이에 따라 트랜스포머크기가 증가되어 전체 시스템의 크기가 과도하게 커진다. 이에 따라 본 논문에서는 정해진 공간에 장착이 가능하도록 부스트 인덕터와 트랜스포머의 전류용량, 턴 수 등을 고려하여 단위 모듈의 체적을 정하고, 시스템의 정상 부하 크기와 최대 부하 크기를 고려하여 단위 모듈을 출력 용량을 최대 1.5 kW로 정하였다. 그리고 효율 및 스위칭 손실을 고려하여 스위칭 주파수를 60kHz로 선정하며 전체 시스템을 4 병렬 회로로 구성하였다.
- 본 논문에서 구현한 병렬운전을 위한 블록도는 그림 5와 같으며 전압 제어 및 시스템 모니터링용 DSP 디지털 제어 보드 및 단위모듈 컨버터의 블록 다 이어 그램이나 타나 있다. 입력 전류 센서로 홀센서를 적용하고 출력 전류의 과도 전류를 감지하기 위해 출력 단에 C/T를 적용하였다. A/D 컨버터로 단위 모듈의 입력 전류를 모니터링 함으로써 단위 모듈의 동작 시 발생할 수 있는 비상용 에러 로직을 쉽게 구성하였다.
- 주요 소자인 Boost 인덕터의 선정 조건은 인덕터 전류가 단위 모듈 최대 부하(1.5kW 출력 시 효율 90%, 최소 입력전압 Vin=18V, 최대 전류 Ip=93A 선정)의 15% 부하에서도 항상 연속 모드(CCM)로 동작하도록 인덕턴스 값을 결정하였으며, 수식 (1)에 따라 설계되었다.
대상 데이터
- 그리고 우측의 시스템은 마이크로 터빈의 고속 발전기의 시동용 전력 변환 장치(PCU)의 사진이다. 사진에 나타나듯 시스템 좌측에 4개의 단위 모듈과 전압제어 DSP 보드가 장착된 부스트 컨버터가 보이고 우측에 인버터와 입출력 필터가 보이고 있다.
이론/모형
- 설계된 컨버터는 L5kW의 단위 모듈을 4병렬 운전함에 의해 효율적인 대용량 시스템을 구성하였다. 병렬운전은 하나의 주 제어 컨버터 모듈에만 센서 및 제어기를 두고 출력전압의 에러를 연산하며, 나머지 모듈은 주 제어 모듈의 입력 전류 기준 명령에 따라 전류 에러를 보상하는 Master-Slave 방식을 적용하였다. 단위 모듈은 높은 승압비를 만들기 위해 절연형 풀 - 브릿지 회로를 적용하고, 1차측에 능동클램프 기능을 위한 간단한 보조 회로를 추가함으로써, 모든 1차측 스위치가 영전압 스위칭이 가능하도록 로직을 설계하였다[1][2][3][4]또한 절연 부스트 컨버터의 기동 시의 스위치에 걸리는 과전압 제한을 위한 기동 모드 로직을 제안하였다[3] 개발된 시스템은 독립전력 생산 장치인 마이크로 터빈의 시동용 인버터의 DC Link 전원 단 전원 공급 장치로 사용되었다.
- 본 논문에서는 1.5kW 단위 모듈 각각의 균등한 전류 분담에 의한 4-병렬 운전을 적용하기위해 4개의 단위 모듈 컨버터 간에 주종(Master-slave) 방식의 전류 균등 제어 기법을 적용하였다. 주종 방법의 전류 제어 기법은 하나의 주 (master) 컨버터와 다수의 종(slave) 컨버터로 구성된 시스템에서, 주 컨버터의 입력 전류를 종 컨버터가 따라가도록 제어하는 방법이다.
- 적용된 부스트 컨버터의 성능 시뮬레이션은 PSIM 41로 이루어졌으며 시뮬레이션을 위한 회로 구성은 그림 6과 같고 각 부의 명칭은 그림의 위치별 대표 약어로 나타낸다. 시뮬레이션은 단위 모듈 1개에 대하여 수행되었으며, 출력 전압[Vo]은 245Vdc, 출력 전류는 3.
성능/효과
- A/D 컨버터로 단위 모듈의 입력 전류를 모니터링 함으로써 단위 모듈의 동작 시 발생할 수 있는 비상용 에러 로직을 쉽게 구성하였다. 계산된 기준 전류 제어 지령 신호는 DSP의 직렬 주변기기 인터페이스(SPI)를 통하여 디지털로 출력되고 단위 모듈 컨버터 입력 단에서 아나로그 전압지령 치로 변환함으로써 아날로그 신호 연산 및 전달에서 발생하는 왜곡현상을 최소화 하였다.
- 보조 회로 장착 및 보조 회로의 스위칭 로직으로 풀 브릿지 4-스위치의 ZVS 스위칭이 가능토록 하였다. 그리고 보조 회로를 이용하여 풀 브릿지 대각 스위치의 턴-오프 시 발생하는 과도 전압을 흡수함으로써 스위칭 소자들의 과도한 내전압 사양 선정을 방지할 수 있었다. 설계된 단위 모듈의 기능 및 성능은 시뮬레이션과 실험을 통하여 입증하였다.
- 회로를 선택하였다. 본 시스템과 같은 대 전력 회로에서는 풀 브릿지 회로가 회로 효율을 높이며, 또한 스위칭 소자의 전압 및 전류 부담을 줄일 수 있다. 그리고 시스템효율 증가를 위해 풀-브릿지 회로의 입력 단 (primary stage)에 능동 클램프 기능을 가진 간단한 보조 회로를 추가하였다.
- 위에서부터 첫 번째 대각선 스위칭 로직 (Vgsbl_2), 그 동작 스위치의 전압(Vsbl, Vsb2), 두 번째 대각선 스위칭 로직 (Sb3, Sb4) 그리고 그 동작 스위치의 전압(Vgsb3_4)를 나타낸다. 설계된 스위칭 로직에 의해 2쌍의 대각 스위치의 스위치 턴 온 시 ZVS 턴-온 조건이 이루어짐을 알 수 있다.
- 위에서부터 출력 전압(Vo), 2차측 트랜스 포머 전압(Vtr2) 그리고 2차측 트랜스 포머 전류(Is)를 나타낸다. 실험의 결과에서 보이듯 부하 시 출력 전압 (230Vdc)이 변동 없이 잘 제어됨을 알 수 있다. 측정된 입력 전압(배터리 전압)은 21.
- 또한 개발된 부스트 컨버터 시스템은 가스 터빈 엔진의 시동기 모터를 회전하는 인버터의 DC-link 단 전력 공급용으로 장착되어, 실제 가스터빈 엔진 시동 스케쥴에 따른실 부하 시험을 실시하였다. 이 실험 결과 개발된 부스트 컨버터의 출력 전압이 매우 안정하고, 4-병렬 모듈의 각각의 입력 전류가 서로 간의 큰 오차 없이 동일한 성능을 가짐을 입증하였다. 본 논문에서 개발한 병렬 운전에 의한 대용량 승압형 컨버터 기술은 용량에 변화가 필요할 시 시스템의 새로운 설계 없이 단위 모듈의 개수 조정 및 간단한 제어회로의 추가로 매우 유연한 전력 공급 장치 설계를 제공할 것으로 판단되며, 앞으로 이동형 혹은 차량형 전력 시스템에서의 전력 수요가 많아지는 현 추세로 볼 때 매우 많은 적용이 이루어질 것으로 판단된다.
후속연구
- 이 실험 결과 개발된 부스트 컨버터의 출력 전압이 매우 안정하고, 4-병렬 모듈의 각각의 입력 전류가 서로 간의 큰 오차 없이 동일한 성능을 가짐을 입증하였다. 본 논문에서 개발한 병렬 운전에 의한 대용량 승압형 컨버터 기술은 용량에 변화가 필요할 시 시스템의 새로운 설계 없이 단위 모듈의 개수 조정 및 간단한 제어회로의 추가로 매우 유연한 전력 공급 장치 설계를 제공할 것으로 판단되며, 앞으로 이동형 혹은 차량형 전력 시스템에서의 전력 수요가 많아지는 현 추세로 볼 때 매우 많은 적용이 이루어질 것으로 판단된다.
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