본 논문에서는 배터리전원 또는 태양광과 연료전지 등의 신재생 전원에서 발생되는 저전압 에너지원을 고전압으로 변환하기 위한 DC-DC 컨버터의 설계에 대해 연구하였다. 입력 DC24[V] 전압을 출력전압 400[V]로 변환하기 위한 H-브리지 컨버터의 회로 토폴로지에 있어 출력측 전력 및 전압을 제어하기 위해 위상천이제어를 적용하여 구현하였다. 제안된 컨버터 시스템의 장점으로는 전류 스트레스 감소 및 높은 효율성, 신뢰성 및 단순화된 관리뿐만 아니라 저렴한 비용 등을 들 수 있으며, 가정용 전력 생산을 위한 시스템으로 매우 유용하다는 것을 알 수 있었다.
본 논문에서는 배터리전원 또는 태양광과 연료전지 등의 신재생 전원에서 발생되는 저전압 에너지원을 고전압으로 변환하기 위한 DC-DC 컨버터의 설계에 대해 연구하였다. 입력 DC24[V] 전압을 출력전압 400[V]로 변환하기 위한 H-브리지 컨버터의 회로 토폴로지에 있어 출력측 전력 및 전압을 제어하기 위해 위상천이제어를 적용하여 구현하였다. 제안된 컨버터 시스템의 장점으로는 전류 스트레스 감소 및 높은 효율성, 신뢰성 및 단순화된 관리뿐만 아니라 저렴한 비용 등을 들 수 있으며, 가정용 전력 생산을 위한 시스템으로 매우 유용하다는 것을 알 수 있었다.
This article studies the design of DC-DC Converter to convert low-voltage energy sources generated from renewable power like battery power, photovoltaic power, or fuel cells into high-voltage ones. The circuit topology of H-bridge Converter to convert input voltage, 24[V], into out voltage, 400[V], ...
This article studies the design of DC-DC Converter to convert low-voltage energy sources generated from renewable power like battery power, photovoltaic power, or fuel cells into high-voltage ones. The circuit topology of H-bridge Converter to convert input voltage, 24[V], into out voltage, 400[V], was realized through applying phase shift angle control so as to manage electric power and voltage in the output side. The advantages of the converter system suggested are the low cost as well as current stress reduction, high efficiency, reliability, and simplified maintenance. It is also found that the system is highly useful to produce residential electric power.
This article studies the design of DC-DC Converter to convert low-voltage energy sources generated from renewable power like battery power, photovoltaic power, or fuel cells into high-voltage ones. The circuit topology of H-bridge Converter to convert input voltage, 24[V], into out voltage, 400[V], was realized through applying phase shift angle control so as to manage electric power and voltage in the output side. The advantages of the converter system suggested are the low cost as well as current stress reduction, high efficiency, reliability, and simplified maintenance. It is also found that the system is highly useful to produce residential electric power.
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문제 정의
이러한 신재생 에너지 시스템의 기술개발에 있어 가장 중요한 기술은 에너지 발생원에 대한 고효율 및 저가격화와 생성된 전기에너지를 상용 전압의 형태로 변환하기 위한 고효율 전력변환회로가 필요하다. 본 논문에서는 배터리전원 또는 태양광과 연료전지 등의 신재생 전원에서 발생되는 저전압 에너지원을 고전압으로 변환하기 위한 DC-DC 컨버터의 설계에 대해 연구하였다 입력 DC 24~48[V]전압을 출력전압 400[V]로 변환하기 위한 H-bridge 컨버터의 회로 topology에 있어 출력측 전력 및 전압을 제어하기 위해 Phase shift angle control을 적용하여 구현하였으며, 3[kW]의 전력을 2차측에 효과적으로 전달하기 위한 적정한 사양의 고주파용 변압기를 실험적 해석에 의해 선정하고 제작하였다. 마지막으로 제작된 회로 시스템의 연속동작시 열적 안정성을 테스트하기 Infrared Solution사의 적외선 열화상카메라를 이용하여 출력 측에 부하를 인가하면서 Power stack의 온도상승을 체크하고 분석 하였으며, 실험을 통해 DC-DC 컨버터에 대한 회로설계 및 동작특성을 평가하고자 한다.
본 논문에서는 배터리전원 또는 태양광과 연료전지 등의 신재생 전원에서 발생되는 저전압 에너지원을 고전압으로 변환하기 위한 DC-DC 컨버터의 설계에 대해 연구하였다.
가설 설정
1) 전력은 변압기의 누설인덕턴스를 통해 전달된다.
3) 만약 * 物와 같이 제어된다면 전류 파형은 보다 완만해질 것이다. 즉, 피크 전류는 보다 작아진다.
제안 방법
(1) 입력 24[V]전압을 출력전압 400[V]로 변환하기 위한 H-bridge 컨버터의 회로 topolo理y에 있어 출력 측 전력 및 전압을 제어하기 위해 Phase shift angle control을 적용하여 구현하였다.
(2) 3[kW]의 전력을 2차측으로 전달하기 위해 적정한 사양의 고주파용 변압기를 실험적 해석에 의해 선정하고 제작하였다.
DC power supply 는 Argantix사의 150[V]/100[A] 사양의 2대를 병렬로 연결하여 사용하였으며, 입력전압의 리플을 저감시키기 위해 12[V]/150[AH]의 배터리 2개를 직렬 연결하여 DC power supply에 병 렬 연결하였다. 2차측 출력단의 부하는 대만 Chroma사의 63204(10[AW)[V]; 5.2[kW])< 적용하여 정전압 부하모드로 270[V]를 세팅하여 부하를 인가하였다.
시스템의 구성을 보여주고 있다. DC power supply 는 Argantix사의 150[V]/100[A] 사양의 2대를 병렬로 연결하여 사용하였으며, 입력전압의 리플을 저감시키기 위해 12[V]/150[AH]의 배터리 2개를 직렬 연결하여 DC power supply에 병 렬 연결하였다. 2차측 출력단의 부하는 대만 Chroma사의 63204(10[AW)[V]; 5.
본 논문에서는 배터리전원 또는 태양광과 연료전지 등의 신재생 전원에서 발생되는 저전압 에너지원을 고전압으로 변환하기 위한 DC-DC 컨버터의 설계에 대해 연구하였다 입력 DC 24~48[V]전압을 출력전압 400[V]로 변환하기 위한 H-bridge 컨버터의 회로 topology에 있어 출력측 전력 및 전압을 제어하기 위해 Phase shift angle control을 적용하여 구현하였으며, 3[kW]의 전력을 2차측에 효과적으로 전달하기 위한 적정한 사양의 고주파용 변압기를 실험적 해석에 의해 선정하고 제작하였다. 마지막으로 제작된 회로 시스템의 연속동작시 열적 안정성을 테스트하기 Infrared Solution사의 적외선 열화상카메라를 이용하여 출력 측에 부하를 인가하면서 Power stack의 온도상승을 체크하고 분석 하였으며, 실험을 통해 DC-DC 컨버터에 대한 회로설계 및 동작특성을 평가하고자 한다.
것이다. 승압용 변압기는 페라이트 코어를 활용하여 제작하였으며, 1차와 2차의 권선비는 1 : 10으로 최종 설계하였다. 표 1에 나타낸 저항과 인덕턴스데이터는 20[kHz]의 주파수 대역에서 측정하였으며, 제작된 변압기의 사진은 그림 6과 같다.
제작된 회로시스템의 연속동작시 열적 안정성을 테스트하기 위해 아래 그림 11과 같은 실험시스템을 구성하고 출력측에 부하를 인가하면서 Power stack의 온도상승을 체크하였다 Power stack의 온도상승을 측정하기 위해 Infrared Solution사의 적외선 열화상 카메라를 적용하였다.
대상 데이터
ATmegal28을 이용하였다. 실험에 사용된 Power switch (Q1~Q4)는 ST Tom son 사의 자동차용 저전압 대전류용 MOSFET 스위치인 STE250NS10S(상온 250[A])를 2개 병 렬로 적용하였다. 그림 2는 연료전지용 DC-DC 컨버터의 각부 전압과 전류의 파형을 나타낸 것이다.
성능/효과
(3) 저전압 고전류의 스위칭을 기반으로 하는 DC -DC 컨버터에서는 무엇보다도 중요하면서도 기술적인 관심이 필요한 부분은 저전압측인 변압기 1 차측의 Power stack의 설계임을 알 수 있었으며, 컨버터의 전류통전 라인의 저항분포, DC-Bnk 커패시터의 사양에 의해 입출력 특성에 큰 변화를 줄 수 있음을 확인하였다.
(4) 제안된 컨버터 시스템의 장점으로는 전류 스트레스 감소 및 높은 효율성, 신뢰성 및 단순화된 관리뿐만 아니라 저렴한 비용 등을 들 수 있으며, 가정용 전력 생산을 위한 시스템으로 매우 유용하다는 것을 알 수 있었다.
2) 변압기의 저압 및 고압 양측 사이의 전압의 위상 가을 제어함으로써 변압기를 통해 전달되는 전력뿐만 아니라 고압측의 DC 전압을 제어할 수 있다.
실험 결과 1차측 DC-DC 컨버터에서 H-bridge에서 한쪽 arm의 온도상승이 다른 arm보다 높게 나타나고 있는 문제가 발견되었다.
후속연구
그림 10에서와 같이 출력에 대한 평균 효율은 80[%] 수준이며, 저전압 고전류 스위칭으로 인한 1차측 power stack에서 의 손실이 다소 큼을 알 수 있다. 이 부분에 대해서는 향후 추가적인 시제품 제작에서 추가적인 개선이 필요하다.
참고문헌 (4)
R. C. Dugan and T. E. McDermott, “Distributed generation,” IEEE Ind. Applicat, Mag. vol. 2, pp. 19-25, Mar./Apr. 2002.
H. B. Puttgen, P. R. MacGrego, and F. C. Lambert, “Distributed generation : semantic hype or the dawn of a new era,” IEEE Power Energy Mag, vol. 1, pp. 22-29, Jan./Feb. 2003.
T. A. Nergaard, J. F. Ferrell, L. G. Leslie, and J. S. Lai, “Design considerations for a 48 V fuel cell to split single phase inverter system with ultracapacitor energy storage,” in Proc. IEEE 33rd Annu. Conf. PowerElectronics Specialists Conf. (PESC’'02), vol. 4, June 23？27, 2002, pp. 2007-2012.
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