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문제 정의
- 본 논문에서는 LLC 공진형 컨버터와 BOOST 컨버터를 이용한 2단 구성의 전기 자동차용 배터리 충전기를 설계 및 제작하였다. 여기서 가장 중점적으로 해결한 문제는 전해 캐패시터를 사용하지 않고 필름 캐패시터로만 전체적인 토폴로지를 구성 하였다.
- 본 논문에서는 기존의 방식 가지는 단점을 보완하는 방식중 하나로써 링크 캐패시터의 용량을 줄일 수 있으며 전기적인 절연과 동시에 효율적인 에너지 전달을 위한 LLC 공진형 컨버터와 부스트 PFC회로를 이용한 탑재형, 고효율, 완속식 단방향 AC-DC충전기를 제안한다. 제안한 컨버터는 공진을 이용하여 소프트 스위칭 동작을 하므로 효율이 높으며 권선비와 부스트 회로만을 갖고 제어를 하기 때문에 제어기가 간단하다.
제안 방법
- 이때 링크 전압은 부스트 컨버터의 입력이 되기 때문에 배터리(부스트 출력전압) 최저 전압 보다 낮게 되어야 된다. LLC 1차 라인과 입력단의 AC-DC 정류기 사이에 과전류를 검출하여 회로를 보호하는 회로를 구성 하였다. LLC 회로에서 소프트 스위칭 동작을 가능하게 함으로써 스위칭 손실을 줄여 효율을 향상 시킬 수 있다.
- 위에 모의 실험과 달라진 점은 주파수와 자화 소자의 값이다. 공진형 컨버터를 사용하기 위하여 공진점을 맞추기 위하여 LLC주파수가 약간 틀어졌고 이와 동기화 시키기 위해 부스트의 주파수 또한 정수배인 0.5배의 값으로 실험 하였다.
- 구성 요소 또한 대체 되어 가고 있다. 그 대체품으로는 내연 기관을 대체하는 전동기, 연료탱크는 배터리로 대체 되었으며, 또 다른 요소로 주유기는 충전기로 대체 되었다. 이 배터리 저장 장치는 전압 변동이 큰 것이 단점이다.
- 본 논문에서 제안된 AC-DC컨버터는 그림 1에서 보는 것과 같이 LLC 공진형 컨버터와 부스트 컨버터의 2단 구성과 제어기, 보조전원(SMPS)로 구성 되어있다. 출력단에 PFC 회로가 위치 하기 때문에 배터리가 출력 캐패시터 역할까지 함으로써 컨버터의 캐패시의 전체 파워 LLC 공진형 컨버터는 고정 시비율 동작하며 1차측의 모드 변환을 통하여 링크 전압을 항상 일정하게 유지하여 준다.
- 입력 파워는 LLC 1차 측의 모드 변환을 통하여 일정 전압이 트랜스 포머 1차 측에 걸리게 하여 권선비에 의하여 2차측의 링크 전압을 만들어 주는 역할과 1차측의 계통과 2차측 배터리와의 절연 기능을 가지고 있다. 상용 전원의 입력은 110Vac와 220Vac이므로 그림 2와 같이 LLC 공진형 컨버터가 110Vac 입력 일 경우 1차측을 풀 브리지 모드와 220Vac 입력 일 경우 하프 브리지 모드로 동작함으로써 트랜스 1차측에 걸리는 전압이 일정하게 유지하여 트랜스 포머 권선비에 의하여 DC 링크 전압을 일정한 수준의 전압 120V를 얻을 수 있도록 설계하였다. 링크전압을 일정하게 하기 위한 특별한 제어를 하지 않기 때문에 권선비에 의한 전압 강하만으로 전압을 제어 하며 트랜스 포머의 권선비는 1(1차측):0.
- 이 토폴로지의 장점은 다른 절연형 컨버터가 변압기의 누설 인덕턴스로 인해 효율이 저감되는 것에 반해 LLC 공진 컨버터는 누설 인덕턴스를 이용하여 에너지를 전달 함으로 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 설계된 회로에서 공진 효율을 높이기 위해 상단과 하단의 스위칭 소자의 게이트 펄스간의 데드 타임을 최소한으로 줄여 듀티를 생성 하였다. 풀브리지 모드일 경우는 데드타임이 300nS이며, 하프 브리지일때는 430nS로 하였다.
- 본 논문에서는 LLC 공진형 컨버터와 BOOST 컨버터를 이용한 2단 구성의 전기 자동차용 배터리 충전기를 설계 및 제작하였다. 여기서 가장 중점적으로 해결한 문제는 전해 캐패시터를 사용하지 않고 필름 캐패시터로만 전체적인 토폴로지를 구성 하였다. LLC 공진형 컨버터를 이용하여 스위칭 손실을 최소화 시켜 2.
- 부스트의 인덕터 크기는 CCM 모드를 사용하기 때문에 큰 값의 인덕턴스를 요구 한다. 이에 맞게 계산된 값은 100uH이며 이 값을 만족 시키되 사이즈가 작게 설계되어야 되므로 히스테리 곡선이 커 포화에 유리한 트로이달 코어를 사용하여 설계 하였다.[3]
- 제안한 컨버터는 공진을 이용하여 소프트 스위칭 동작을 하므로 효율이 높으며 권선비와 부스트 회로만을 갖고 제어를 하기 때문에 제어기가 간단하다. 제안한 회로를 실험적으로 검증한다.
- 기존에는 LLC 공진 컨버터의 주파수 가변을 통하여 회로를 제어 함으로써 제어기가 복잡한 면이 있었다. 하지만 이 논문에서 제안한 공진형 컨버터는 1차측의 스위치를 풀 브리지 모드와 하프 브리지 모드를 동작 함으로써 링크 전압을 일정하게 유지하여 주기 때문에 부스트에서 담당하는 제어기가 간단해 진다. 또한 PFC 회로가 앞단에 있고 공진형 컨버터가 뒷단에 있는 것이 일반적인 것이지만 이 또한 링크 전압 제어를 위하여 링크 캐패시터를 큰 용량을 달아야 하는 문제점이 있다.
- 그림 <5>는 제안된 BOOST 컨버터를 이용한 역률 개선 회로의 제어 블럭을 도시하였다. 회로는 기본적인 형태의 단방향 부스트 토폴로지로 구성 되었다. 전압제어는 일반적인 제어를 사용하며 전류 제어는 평균 전류 제어 방식을 사용한 CCM모드 제어를 사용하였다.
대상 데이터
- 병렬 트랜스의 1차측 같은 위치에 있는 스위치의 상보 신호를 사용 함으로써 모든 주기 동안 파워 전달이 가능하며 두 트랜스 포머의 1차측 공진 전류가 상보적으로 동작하게 되어 입력 전류 리플이 줄 일수 있었다. 변압기는 PQ4040으로 선정하여 10T:7T의 권선비로 제작 하였다. 위의 코어를 이용하여 공진에 참여하는 누설 인덕턴스 값을 적절하게 맞출 수 있었다.
- 아래 그림 7는 앞에서 설계한 내용을 토대로 실제 제작된 배터리 충전기용 AC-DC 컨버터 사진이다. 실제 크기는 230mm*200mm로 최초 실험을 위해 제작된 PCB이다. 이 하드웨어를 기반으로 그림 8와 그림 9의 파형을 얻었다.
- 3KW에서 진행 하였으며, 다음과 같은 인덕터의 파형이 입력 전압과 전류의 왜곡이 없이 잘 따라가고 있으므로 역률 개선 회로의 역할을 잘하고 있음을 알 수 있다. 이 회로에서의 스위칭 주파수는 LLC컨버터 100KHz이며 부스트는 동기화를 위하여 50KHz로 구성하였다. PSIM으로 구성한 회로는 이와 같은 조건을 가지고 그림 6과 같은 파형의 값을 얻었고, 이를 토대로 검증하겠다.
- 그림 4는 LLC 컨버터를 도시 하였다. 회로는 공진을 이용한 풀 브리지 모드와 하프 브리지 모드 두 가지로 구성 하였다. 이 토폴로지의 장점은 다른 절연형 컨버터가 변압기의 누설 인덕턴스로 인해 효율이 저감되는 것에 반해 LLC 공진 컨버터는 누설 인덕턴스를 이용하여 에너지를 전달 함으로 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
데이터처리
- 제안한 회로의 검증을 위하여 PSIM을 이용하여 모의실험을 진행 하였다. 입력 전력은 우리 가정에서 흔히 사용하고 있는 상용전원(220Vac)를 기준으로 3.
이론/모형
- 회로는 기본적인 형태의 단방향 부스트 토폴로지로 구성 되었다. 전압제어는 일반적인 제어를 사용하며 전류 제어는 평균 전류 제어 방식을 사용한 CCM모드 제어를 사용하였다. 제어기는 두 가지의 루프를 가진다.
성능/효과
- 여기서 가장 중점적으로 해결한 문제는 전해 캐패시터를 사용하지 않고 필름 캐패시터로만 전체적인 토폴로지를 구성 하였다. LLC 공진형 컨버터를 이용하여 스위칭 손실을 최소화 시켜 2.7KW에서의 95%이상의 효율과, 부스트를 이용한 PFC회로에서도 99%이상의 높은 역률 임을 확인 하였다. 하지만 트랜스포머의 와이어에서 발열이 심하게 발생 하였다.
- 이렇게 되면 하프모드가 완성되며 1차측 트랜스에 걸리는 전압은 항상 일정하다. 병렬 트랜스의 1차측 같은 위치에 있는 스위치의 상보 신호를 사용 함으로써 모든 주기 동안 파워 전달이 가능하며 두 트랜스 포머의 1차측 공진 전류가 상보적으로 동작하게 되어 입력 전류 리플이 줄 일수 있었다. 변압기는 PQ4040으로 선정하여 10T:7T의 권선비로 제작 하였다.
- 앞에서 구성한 내용을 바탕으로 상용 전원용 배터리 충전기를 제작하고 실험을 통하여 회로의 유용성과 신뢰성을 입증하였다. 위에 모의 실험과 달라진 점은 주파수와 자화 소자의 값이다.
- 변압기는 PQ4040으로 선정하여 10T:7T의 권선비로 제작 하였다. 위의 코어를 이용하여 공진에 참여하는 누설 인덕턴스 값을 적절하게 맞출 수 있었다. 공진 주파수는 다음의 식(1)으로 구할수 있으며, 계산 결과 약 93KHz의 값을 얻었고, 실험결과 91.
후속연구
- 이를 개선하여 풀 부하까지 실험을 진행할 것이다. 낮은 입력 전력에서의 효율 개선 작업과 목표 전력인 입력 3.3KW까지 실험을 진행할 계획이다. 또한 다른 토폴로지와의 비교도 진행 할 것이다.
- 3KW까지 실험을 진행할 계획이다. 또한 다른 토폴로지와의 비교도 진행 할 것이다.
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