이 논문은 새로운 인터리브 방식 삼상 절연형 고효율 부스트 컨버터를 제안한다. 이 컨버터는 삼상 전력변환 방식을 채택하여 보다 큰 전력전송 능력을 갖으며 각 상의 rms 전류값이 작으므로 전도손실도 작다. 이에 더하여, 삼상 부스트 컨버터의 인터리브 동작으로 인하여 입력 전류 리플이 줄어들고, 실효 동작 주파수의 증가로 필터소자의 크기가 작아져서 높은 전력밀도를 갖는다. 부스트 컨버터 출력의 각 상 전류는 제안된 3 상 PWM 구동방식에 따라 전류 연속모드로 동작하여 3 상 변압기로 통합된다. 이 컨버터는 전도손실이 작아 96% 이상의 효율로 동작하며 능동클램프의 작용으로 스위칭 손실도 역시 작다. 제안된 컨버터와 PWM 구동방식을 분석 및 시뮬레이션 하고 하드웨어로 제작하였다. 제작된 시제품을 500 W 급으로 실험하여 모든 설계검증 및 해석을 실시하였다.
이 논문은 새로운 인터리브 방식 삼상 절연형 고효율 부스트 컨버터를 제안한다. 이 컨버터는 삼상 전력변환 방식을 채택하여 보다 큰 전력전송 능력을 갖으며 각 상의 rms 전류값이 작으므로 전도손실도 작다. 이에 더하여, 삼상 부스트 컨버터의 인터리브 동작으로 인하여 입력 전류 리플이 줄어들고, 실효 동작 주파수의 증가로 필터소자의 크기가 작아져서 높은 전력밀도를 갖는다. 부스트 컨버터 출력의 각 상 전류는 제안된 3 상 PWM 구동방식에 따라 전류 연속모드로 동작하여 3 상 변압기로 통합된다. 이 컨버터는 전도손실이 작아 96% 이상의 효율로 동작하며 능동클램프의 작용으로 스위칭 손실도 역시 작다. 제안된 컨버터와 PWM 구동방식을 분석 및 시뮬레이션 하고 하드웨어로 제작하였다. 제작된 시제품을 500 W 급으로 실험하여 모든 설계검증 및 해석을 실시하였다.
In this paper, a new three-phase interleaved isolated high efficiency boost dc-dc converter with active clamp is proposed. The converter is capable of increased power transfer due to its three-phase power configuration, and it reduces the rms current per phase, thus reducing conduction losses. Furth...
In this paper, a new three-phase interleaved isolated high efficiency boost dc-dc converter with active clamp is proposed. The converter is capable of increased power transfer due to its three-phase power configuration, and it reduces the rms current per phase, thus reducing conduction losses. Further, interleaved operation of three-phase boost converter reduces overall ripple current, which is imposed into fuel cells and realizes smaller sized filter components, increasing effective operating frequency and leading to higher power density. Each output current of three-phase boost converter is combined by the three-phase transformer and flows in the continuous conduction mode by the proposed three-phase PWM strategy. An efficiency of above 96% is mainly achieved by reducing conduction losses and switching losses are reduced by the action of active clamp branches, as well. The proposed converter and three-phase PWM strategy are analyzed, simulated and implemented in hardware. Experimental results are obtained on a 500 W prototype unit, with all of the design verified and analyzed.
In this paper, a new three-phase interleaved isolated high efficiency boost dc-dc converter with active clamp is proposed. The converter is capable of increased power transfer due to its three-phase power configuration, and it reduces the rms current per phase, thus reducing conduction losses. Further, interleaved operation of three-phase boost converter reduces overall ripple current, which is imposed into fuel cells and realizes smaller sized filter components, increasing effective operating frequency and leading to higher power density. Each output current of three-phase boost converter is combined by the three-phase transformer and flows in the continuous conduction mode by the proposed three-phase PWM strategy. An efficiency of above 96% is mainly achieved by reducing conduction losses and switching losses are reduced by the action of active clamp branches, as well. The proposed converter and three-phase PWM strategy are analyzed, simulated and implemented in hardware. Experimental results are obtained on a 500 W prototype unit, with all of the design verified and analyzed.
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문제 정의
본 논문은 삼상 PWM 방식의 새로운 dc-dc 컨버터를 제안한다. 제안하는 컨버터는 입력단이 인터리브 방식의 삼상 부스트 컨버터로 구성되어 있기 때문에 연료전지 출력의 전력 변환에 적합하도록 리플 전류의 크기가 대폭 줄어든다.
본 논문은 새로운 형태의 인터리브 방식 능동클램프부 삼상 절연형 부스트 컨버터를 제안한다. 이 컨버터의 주요 특징으로는; dc-dc 컨버터에 삼상 전력회로를 적용하여 전력전달 능력의 증가, 입력 인덕터 회로의 인터리브 동작으로 연료전지 출력에 해로운 전류리플의 감소 또는 같은 전류리플 크기 대비 입력 부스트 인덕터 크기의 경감, 전류 연속동작 모드에 의한 스위치, 변압기 및 인덕터에서의 전류 실효값 감소에 따른 도통손실 저감, 삼상 능동클램프의 작용에 의한 전압서지의 경감 및 스위칭 노이즈 감소, 입력 부스트 컨버터 구조의 적용으로 절연형 승압 변압기의 권선비 감소 등을 들 수 있다.
가설 설정
그림 5의 파형들은, 클램프 커패시터 CC 및 출력 평활용 커 패시터 CO의 용량이 충분히 커서 전압원으로 작동하고, 입력 부스트 인덕터 L1 ∼ L3도 역시 그 인덕턴스가 충분히 커서 전류원으로 작동한다는 가정 하에 작성되었다.
그림 5의 파형들은, 클램프 커패시터 CC 및 출력 평활용 커 패시터 CO의 용량이 충분히 커서 전압원으로 작동하고, 입력 부스트 인덕터 L1 ∼ L3도 역시 그 인덕턴스가 충분히 커서 전류원으로 작동한다는 가정 하에 작성되었다. 또한, 변압기의 누설 인덕턴스는 고려하였지만, 각 스위치, 변압기 및 출력 정류기의 부유용량 및 도통손실이 없다고 가정하여 작성된 이상적인 파형이다. 그림 5에서 iap ∼ icp는 △-△ 변압기 결선에서 각상의 1 차측 권선전류 파형을, ia ∼ ic는 컨버터 출력단 각상의 이상적인 상전류 파형을 표시하고 있다.
제안 방법
듀티비가 전 구간에서 작동 가능한 점은 변압기 권선비의 결정 및 제어기 설계에 있어서 보다 여유를 확보할 수 있는 장점이 있는데 이 컨버터에서는 컨버터 출력전류에 불연속 구간이 없어 변압기 1, 2차 측의 rms 전류값이 비교적 작은 1/3 ∼ 2/3 구간에서 입출력 전압이 정해질 수 있도록 변압기를 설계하였다[9].
제안하는 컨버터의 전력회로와 PWM 제어방식의 동작을 확인하기 위하여 500 W 급 시제품의 제작 및 실험을 수행하였다. 이 컨버터는 각 주 스위치 및 보조 스위치의 게이트 구동 PWM 파형을 발생하기 위한 DSP (TMS320LF2407) 및 FPGA (EMP7128), 게이트 구동회로, 3 조의 능동클램프 보조 스위치 및 주스위치 회로, △-△ 결선된 삼상 일체형 변압기 그리고 삼상 전파 브리지 정류회로로 구성되어 있다.
대상 데이터
시제품 컨버터는 시뮬레이션에서와 같이 30 V의 입력 전압과 370 V의 출력 전압 그리고 500 W의 출력 전력, 즉, 출력 부하저항 RL = 274 Ω의 조건하에서 실험하였다.
성능/효과
또한, 이 컨버터에서는 입력전류 ii와 삼상 컨버터 출력전류 ia ∼ ic가 모두 연속모드로 동작하므로 전력전달의 시간적 공백이 없어 비교적 낮은 정격의 스위치를 적용하여도 높은 전력밀도의 전력변환을 실현하여 매우 높은 효율을 얻어낼 수 있다.
유도된 결과식으로부터 제안하는 컨버터는 PWM 구동파형의 듀티비가 0 ∼ 1 인 전 구간에 걸쳐 무리 없이 작동함을 확인할 수 있다.
이러한 특징들로 인하여 제안하는 삼상 컨버터는 저전압 대전력 연료전지 전원과 인버터 사이의 전력변환기로써 매우 적합하며 낮은 직류 전압원으로부터 다음 단계로 고전압 대전력을 전달해 줄 필요가 있는 축전지 또는 태양전지용 전력변환기로도 적합하다.
이러한 장점으로 전체 컨버터 동작 효율은 96 %를 상회하는 결과를 보여준다. 제안하는 컨버터는 입력단에 부스트 컨버터를 적용함으로써 변압기의 권선비를 낮출 수 있으며, 이러한 장점들로 인하여 연료전지 또는 태양전지와 같이 낮은 출력전압을 갖는 신재생에너지의 전력변환기로 매우 적합하다.
이에 더하여, 능동클램프 회로는 스위치에 인가되는 인덕터 서어지 전압을 제한해 줌으로써 고주파 변압기 1 차측과 2 차측에 부가적인 스너버 회로가 필요 없게 해 준다. 제안하는 컨버터에 적용된 삼상 구조는 컨버터 각 부위에 흐르는 전류와 전압의 주파수를 3 배 증가시키는 효과를 주어 출력 필터소자의 크기를 줄여 주고, 전류가 삼상 경로로 분산되는 효과로 변압기 권선과 스위치에 흐르는 실효전류 값이 줄어들게 되어 같은 정격의 스위치로 더 큰 전력변환을 가능하게 해 준다. 또한, 이 컨버터에서는 입력전류 ii와 삼상 컨버터 출력전류 ia ∼ ic가 모두 연속모드로 동작하므로 전력전달의 시간적 공백이 없어 비교적 낮은 정격의 스위치를 적용하여도 높은 전력밀도의 전력변환을 실현하여 매우 높은 효율을 얻어낼 수 있다.
시제품 컨버터는 시뮬레이션에서와 같이 30 V의 입력 전압과 370 V의 출력 전압 그리고 500 W의 출력 전력, 즉, 출력 부하저항 RL = 274 Ω의 조건하에서 실험하였다. 제작된 컨버터에 대하여 실험한 결과 2.2절에서 설명한 바와 같이 듀티비 전 구간에 걸쳐 양호하게 동작함을 확인할 수 있었다.
후속연구
이러한 여러 가지 장점으로 인하여 제안하는 컨버터는 낮은 전압의 연료전지 출력과 높은 입력전압이 요구되는 상용전원 연계용 인버터 사이의 전력 변환기로써 매우 적합할 뿐만 아니라 배터리 또는 태양전지 등의 낮은 출력전압을 높은 전압으로 변환해 주는 대전력 dc-dc 변환기에도 확장하여 적용할 수 있다. 또한 이 컨버터의 변압기 결선 형태 및 출력 정류회로 구조에 변화를 주어 보다 높은 승압비를 갖는 dc-dc 컨버터로의 응용이 가능하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연료전지는 보통 어느정도의 전압을 출혁하는가?
연료전지는 그 효율과 청정성으로 인하여 미래의 에너지원으로 인식되고 있다. 연료전지는 보통 26 ~ 42 Vdc의 낮은 전압을 출력하며, 일반적으로 주택용 연료 전지 시스템은 이와 같이 변동이 심하고 낮은 전압의 특징을 갖는 직류 전압원을 370 Vdc 정도의 고전압으로 승압시켜 주는 dc-dc 컨버터와 승압된 dc 전력을 상용 ac 전원에 연결해 주기 위한 인버터 시스템으로 구성된다[1]. 따라서 이러한 시스템의 전력변환에는 승압비가 높은 대전력 dc-dc 컨버터가 필요하며, 대전력변환 및 양호한 전력변환 품질을 얻기 위하여 dc-dc 컨버터를 삼상 방식으로 적용하기 위한 연구가 점차적으로 활성화되어 가고 있다.
인터리브 동작이 필터 소자의 소형화를 실현할 수 있게 하는 이유는?
제안하는 컨버터는 입력단이 인터리브 방식의 삼상 부스트 컨버터로 구성되어 있기 때문에 연료전지 출력의 전력 변환에 적합하도록 리플 전류의 크기가 대폭 줄어든다. 인터리브 동작은 또한 실효 동작 주파수를 증가시키기 때문에 필터 소자의 소형화를 실현할 수 있다. 이에 더하여 제안하는 컨버터는 삼상 출력 전류가 연속 모드로 동작하므로 각 스위치 및 변압기 등에 흐르는 전류의 실효값이 낮아지게 되어 전반적인 도통손실이 저감된다.
삼상 V6 컨버터의 장단점은?
그림 1은 단상 전압형 풀브리지 컨버터 3조를 연결한 삼상 V6 컨버터를 보여준다. 이 컨버터는 기본형 컨버터를 병렬로 연결한 구조의 채택으로 전력 전달 능력을 키우고, 인터리브 동작으로 출력 필터소자 및 입력 커패시터의 크기를 줄이며, 변압기의 델타-와이 결선에 의한 전압 증배 효과로 권선비를 줄일 수 있는 반면에 스위치 수가 많은 단점이 있다[5]. 그림2 는 최근에 연구된 삼상 전류형 컨버터를 보여준다.
참고문헌 (10)
M.W. Ellis, M.R. Spakovsky, and D.J. Nelson, 'Fuel cell systems: efficient, flexible energy conversion for the 21st century,' Proceedings of the IEEE, Vol. 89,
A.R. Prasad, P.D. Ziogas, and S. Manias, 'Analysis and design of a three-phase off line DC-DC converter with high-frequency isolation,' IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 28, pp. 824-832, July-Aug. 1992
D. de Souza Oliveira and I. Barbi, 'A three-phase ZVS PWM DC/DC converter with asymmetrical duty cycle for high power applications,' IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 20, Issue 2, pp. 370-377, March 2005
J. Jacobs, A. Averberg, and R. De Doncker, 'A novel three-phase dc/dc converter for high-power application,' in Power Electronics Specialists
C. Liu, A. Johnson, and J. Lai, 'A novel three-phase high-power soft-switched DC/DC converter for low-voltage fuel cell applications,' IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 41, pp. 1691-1697, Nov.-Dec. 2005
H. Cha, and P. Enjeti, 'A novel three-phase high power current-fed dc/dc converter with active clamp for fuel cells,' in Power Electronics Specialists
김정근, 김형준, 김준근, 최세완, '연료 전지 PCS를 위한 클램프 회로가 없는 3상 ZVS DC-DC 컨버터,' 2008년도 전력전자학술대회 논문집, pp. 206-208, 2008. 6. 30-7. 3
Hanju Cha, Jungwan Choi, Byung-moon Han, 'A New Three-Phase Interleaved Isolated Boost Converter with Active Clamp for Fuel Cells,' in Power Electronics
Hanju Cha, Jungwan Choi, Prasad N Enjeti, 'A three-phase current-fed dc/dc converter with a three-leg high frequency transformer for fuel cells,' Journal of Power Sources, Vol. 182, issue 1, pp. 270？277, 2008
Hanju Cha, Jungwan Choi, Prasad N Enjeti, 'A BThree-Phase Current-Fed DC/DC Converter With Active Clamp for Low-DC Renewable Energy Sources,' IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 23, No. 6, pp. 2784？2793, 2008
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