[논문]태양광 발전용 2단 구성 DC/DC 컨버터

윤광호; 품소피악; 김은수; 원종섭; 오성진

doi:10.6113/tkpe.2011.16.6.618

태양광 발전용 2단 구성 DC/DC 컨버터
Two Stage DC/DC Converter for Photovoltaic Generation 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.16 no.6, 2011년, pp.618 - 626

윤광호 (전주대 전기전자공학) , 품소피악 (전주대 전기전자공학) , 김은수 (전주대 전기전자정보통신공학부) , 원종섭 (전주대학교 기계자동차공학과) , 오성진 (카코뉴에너지(주))

초록
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태양전지는 미래에너지를 위한 중요한 신재생에너지원이다. 본 논문에서는 태양광 발전 (PV PCS)를 위한 2단구성 DC/DC컨버터와 동작제어를 제안한다. 넓은 입력전압 제어범위를 갖는 제안된 DC/DC컨버터는 1차 병렬 2차 직렬로 연결된 Two Tank LLC공진컨버터와 Interleaved 승압 컨버터로 구성되어있고, 태양광모듈 전압범위에 따라 하나의 시스템 또는 두 개의 시스템으로 동작시켜 전체 평균효율을 증가시키는 방법을 제안한다. 제안된 컨버터에 대한 동작특성에 대해 분석, 서술되어 있으며, 2.2kW급 시제품 제작 및 실험을 통하여 적용 가능함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Solar cell is one of the most important new renewable energy for future energy generation. This paper presents a novel two stage DC/DC converter topology for PV PCSs. The proposed converter consists of an interleaved boost converter and a two-tank LLC resonant converter which is connected in parallel in primary and series in secondary. The main idea of this topology is that the system can achieve either unilateral or bilateral operations due to the input voltage level of the PV module, which leads to a better performance. The operating schemes on the proposed converter are analyzed and described. A 2.2kW prototype product is built, tested and verified.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 비절연형 컨버터와 절연형 컨버터를 이용하여 2단으로 구성된 태양광발전용 DC/DC컨버터 주 회로 및 동작특성에 대해 검토하였다. 높은 입력전압범위(430VDC-575VDC)에서는 Two Tank LLC공진컨버터만 동작시켜 전체시스템 효율을 개선시킬 수 있음을 보였다.

제안 방법

그러므로 제안된 태양광발전용 2단 구성 방식의 DC/DC 컨버터에서는 태양광모듈전압이 430V_DC 이상에서 Interleaved 승압컨버터는 동작을 하지 않고 Two tank LLC 공진컨버터만 동작되기 때문에 넓은 입력전압 및 부하범위에서 전체적인 평균효율을 개선 할 수 있고, 1차측 입력단 승압컨버터에 적용된 스위칭소자들은 낮은 전압정격을 적용 할 수 있어 전체시스템 구성부품의 단가(cost)를 낮출 수 있는 방식을 제안하여 적용 실험하였다.
또한 공진커패시터가 주 스위칭소자와 대칭으로 병렬 구성되어 있어 1차측 공진회로에 흐르는 전류스트레스를 저감할 수 있으므로 공진커패시터의 용량과 부피를 줄일 수 있는 장점을 가지게 된다. 두 개의 변압기(T₁, T₂) 2차측에 흐르는 전류의 불균형을 방지하기 위하여 각각의 2차측 권선을 상호 직렬 연결하였고, 2차측 정류회로에는 두 배의 전압이득을 가질 수 있는 Voltage Doubler회로를 적용하였다.^[3]
^[1,2] 하지만 넓은 입력전압 및 부하범위에서 비절연형 승압컨버터와 LLC 공진컨버터 모두 다 동작을 하게 되면 각 컨버터에 적용된 스위칭소자 및 부품에 손실들이 발생하며 전압, 전류 스트레스를 각각 부담하여 부품단가상승과 전체적인 평균효율을 감소시키는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 단점을 보완하고자, 그림 2에 나타내듯이 낮은 태양광모듈 전압범위(270V_DC~430V_DC)에서는 Interleaved 승압컨버터와 Two tank LLC 공진컨버터가 모두 동작하고, MPPT 전력제어를 위한 태양광모듈 전압범위(430V_DC~575V_DC)에서는 비 절연형 승압컨버터는 동작을 멈추고 LLC 공진컨버터만 스위칭주파수 제어를 통해 일정출력전압(Vo=575V_DC) 제어 또는 MPPT 전력제어를 하게 된다.
적용된 컨버터는 슬림화를 위하여 두 개의 변압기를 각각의 독립된 공진탱크회로를 구성함으로써 주 스위칭소자(Q₁)이 턴 온/ 오프에 상관없이 모든 주기에 입력전류(I_in)가 전달되어 입력최대전류 및 리플전류를 줄여 입력커패시터의 용량 및 부피를 줄일 수 있는 장점을 가지고 있고, 변압기에 흐르는 실효전류를 절반으로 줄임으로써 권선에 발생하는 발열을 최소화 할 수 있어 집적화 및 고 전력밀도에 용이하다. 또한 각각 독립된 공진회로의 공진커패시터 전류 스트레스 및 용량을 줄이기 위하여 변압기와 대칭으로 연결 하였다.
)은 양의 반주기 동안의 동작모드2, 동작모드3과 같은 동작을 반복한다. 또한 제안된 LLC 공진컨버터의 공진주파수 fr보다 높은 주파수에서 동작되는 연속 모드일때는 동작모드 3과 동작모드6의 동작을 제외한 나머지 4가지의 동작모드로 동작하게 된다.
는 LLC 공진컨버터의 등가부하 AC저항을 나타내었다. 본 논문에서 설계된 변압기를 직접 제작하여 측정된 파라메타를 표 2에 나타내었고, 설계된 변압기를 제작, 측정된 파라메타를 적용하여 부하(N²R_ac)변화에 따른 전압이득특성 G(V_o/V_in)을 알아보기 위하여 Math-CAD시뮬레이션 결과를 그림 7에 나타내었다. 부하가 단락(N²R_ac1=N²R_ac2=0)일 때의 주파수를 기준으로 규준화주파수를 fn(fs/fr)으로 나타내었다.
)가 턴-오프 했을 때에는 입력 측 전류는 흐르지 않기 때문에 입력리플전류가 증가하게 되어 입력커패시터의 전류스트레스가 증가하게 되고 용량 및 부피가 커지는 단점을 가지고 있고, 1차측에 흐르는 전류가 증가하기 때문에 단일변압기로 변압기 설계 시 1차 측 권선의 두께가 두꺼워지고 권선의 손실 증가와 변압기 창면적의 제한이 많아 변압기의 크기 저감 및 최적설계 하는데 제약을 받게 된다. 이러한 기존 단일변압기를 적용한 LLC 공진컨버터에서의 단점을 보완하기 위하여 그림 4에서 나타낸 것처럼 Two Tank LLC 공진컨버터를 적용하였다. 적용된 컨버터는 슬림화를 위하여 두 개의 변압기를 각각의 독립된 공진탱크회로를 구성함으로써 주 스위칭소자(Q₁)이 턴 온/ 오프에 상관없이 모든 주기에 입력전류(I_in)가 전달되어 입력최대전류 및 리플전류를 줄여 입력커패시터의 용량 및 부피를 줄일 수 있는 장점을 가지고 있고, 변압기에 흐르는 실효전류를 절반으로 줄임으로써 권선에 발생하는 발열을 최소화 할 수 있어 집적화 및 고 전력밀도에 용이하다.
2kW 정격출력용량을 가지는 Interleaved 승압 컨버터와 Two Tank LLC 공진컨버터로 구성된 Two Stage DC/DC 컨버터를 제작하였고, 적용 실험하였다. 입력전압 270V_DC, 400V_DC, 450V_DC, 575V_DC의 4가지의 실험조건으로 실험 및 효율 측정 하였으며, Two Tank LLC 공진컨버터의 출력전압은 575V_DC, 출력용량 2.2kW(575V_DC/3.7A)에 대하여 실험하였다. 적용된 2단 구성 태양광 발전 DC/DC 컨버터의 실험조건과 주요 정격에 대하여 표 3에 나타내었다.

대상 데이터

코어의 재질 및 투자율에 따라서 포화자속밀도, 전류자속밀도, 허용주파수, 코어의 온도, 손실이 달라지므로 적합한 형상 및 재질의 선택하는 것이 중요하다. 본 논문에서 선택한 코어는 낮은 코어 손실 특성을 가지고 있는 트로이달형 분말코아로써 재질은 높은 포화자속밀도와 낮은 코아손실의 특징이 있는 High Flux재질이며 창성 社의 CH400060모델을 적용하였고, 적용된 코아의 지름은 4cm이며 단면적의 크기는 1.072cm²이고, 여기서 인덕턴스계수(A_L)은 코아의 자로면적과 투자율에 따라 결정되며 재질과는 아무런 관계가 없다. 적용된 코아의 인덕턴스계수를 이용하여 턴수를 구할 수 있는데, 식 (2)를 이용하여 구할 수 있다.
본 논문에서는 2.2kW 정격출력용량을 가지는 Interleaved 승압 컨버터와 Two Tank LLC 공진컨버터로 구성된 Two Stage DC/DC 컨버터를 제작하였고, 적용 실험하였다. 입력전압 270V_DC, 400V_DC, 450V_DC, 575V_DC의 4가지의 실험조건으로 실험 및 효율 측정 하였으며, Two Tank LLC 공진컨버터의 출력전압은 575V_DC, 출력용량 2.

성능/효과

5kHz이다. 그림 9(b)에서 나타낸 것처럼 Two Tank LLC 공진컨버터의 효율특성에서는 입력전압범위(270V_DC-575V_DC)에서는 Interleaved 승압컨버터가 출력전압을 430V_DC로 제어하기 때문에 입력전원 전압이 450V_DC 일 때 최대정격부하인 2.2kW에서 97%, 최대효율은 1.5kW에서 97.5%, 평균효율은 96.81%의 높은 효율을 보였고, 입력전압 575V_DC 일 때 최대정격부하인 2.2kW에서 98.2%, 최대효율은 1.9kW에서 98.42%, 평균효율은 97.8%의 높은 효율을 보였다. Two Tank LLC공진컨버터에 적용된 스위칭소자의 Rds(0.
그림 9(c)에서처럼 입력전원전압이 270V_DC 일 때 두 개의 컨버터가 모두 동작하여 최대효율은 1.1kW에서 95.6%, 평균효율은 93.84%의 효율특성을 얻었고, 입력전원전압 575V_DC 일 때 Interleaved 승압컨버터는 동작을 멈추고, Two Tank LLC 공진컨버터만 동작시켜서 최대정격부하인 2.2kW에서 97.7%, 최대효율은 1.9W에서 97.9%, 평균효율은 96.62%의 높은 효율특성을 보였다.
본 논문에서 비절연형 컨버터와 절연형 컨버터를 이용하여 2단으로 구성된 태양광발전용 DC/DC컨버터 주 회로 및 동작특성에 대해 검토하였다. 높은 입력전압범위(430VDC-575VDC)에서는 Two Tank LLC공진컨버터만 동작시켜 전체시스템 효율을 개선시킬 수 있음을 보였다.
)는 모든 부하범위에서 항상 영전압스위칭(ZVS) 동작됨을 확인할 수 있다. 또한 효율측정 결과 Interleaved 승압컨버터의 출력전압을 430V_DC로 제어 하므로 입전원 전압이 430V_DC 이상 일 때는 Interleaved 승압컨버터는 동작을 멈추고 Two Tank LLC공진컨버터만 동작하여 전체적인 평균효율을 개선할 수 있었다.
실험결과 그림 8에서 보듯이 Two Tank LLC공진컨버터의 단자전류 (I_T1)는 단자전압(V_ab)에 대하여 항상 지상전류가 흐르고 있기 때문에 주 스위칭소자(Q₁, Q₂)는 모든 부하범위에서 항상 영전압스위칭(ZVS) 동작됨을 확인할 수 있다. 또한 효율측정 결과 Interleaved 승압컨버터의 출력전압을 430V_DC로 제어 하므로 입전원 전압이 430V_DC 이상 일 때는 Interleaved 승압컨버터는 동작을 멈추고 Two Tank LLC공진컨버터만 동작하여 전체적인 평균효율을 개선할 수 있었다.
앞서 서술한 동작제어특성을 갖는 Two stage DC/DC 컨버터 효율특성과 기존 동작제어방식을 갖는 Two stage DC/DC 컨버터 효율특성과 비교하기 위하여 그림 2의 동일회로에 대하여 Interleaved 승압컨버터는 넓은 입력전압(270V_DC-575V_DC) 범위에서 575V_DC로 일정출력전압 및 전력제어를 하고 Two Tank LLC 공진컨버터는 일정 575V_DC 입력전압조건에서 출력전압 575V_DC로 동작제어 되었을 때의 기존 제어방식과 제안된 제어방식에 대한 주회로 효율특성을 비교하면, 두 개의 컨버터 동작 시와 하나의 컨버터 동작 시의 여부에 따라 제안된 제어방식이 1~2%정도 효율특성이 개선됨을 별도의 실험을 통해 알 수 있었다.
이와 같이 동작되는 Interleaved 승압컨버터는 넓은 입력전압(270V_DC-575V_DC)에서 일정한 출력전압(430V_DC)을 제어하기 위하여 PWM제어IC(UCC28220)를 적용하였고, 그림 9(a)에 나타낸 효율측정 실험결과처럼 입력전압 270V_DC 일 때 최대효율은 1.1kW에서 97.91%, 평균효율은 97.22%의 효율특성을 보였고, 입력전압 400V_DC일 때 최대효율은 1.7kW에서 98.5%, 평균효율은 97.8%의 높은 효율을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	절연형 DC/DC 컨버터만을 구성하여 발전시스템에 적용했을 때 장단점은?	태양광발전 PCS 전력변환장치들 중에 비 절연형 승압컨버터만 구성하여 발전시스템을 적용하였을 경우에는 부품 수 감소와 고 효율특성을 얻을 수 있지만 계통연계 시 전기적인 절연을 위해 50/60Hz 변압기를 사용하여 PCS를 구성하기 때문에 중량 및 부피가 증가되는 문제점을 가지게 된다.[1] 절연형 DC/DC 컨버터만을 사용할 경우 고주파 변압기를 적용함으로써 계통 연계 시 50/60Hz 큰 사이즈의 변압기가 사용되지 않아 무게 및 부피가 작아지는 장점을 가지고 있지만, 넓은 입력전압범위에서 대응하기 위해서는 작은 값의 자화인덕턴스를 갖는 변압기 적용에 의한 효율 감소 등의 단점을 갖는다. 최근 비절연형 승압컨버터와 함께 절연형 고주파 DC/DC 컨버터로 구성된 PCS를 위한 2단구성(Two Stage)의 DC/DC 컨버터가 사용되고 있다.
	태양광발전 PCS 전력변환장치들 중에 비 절연형 승압컨버터만 구성하여 발전시스템을 적용할 때 장단점은?	태양광 일사량에 따라 태양광모듈전압(270VDC~575VDC)이 넓은 범위로 가변하게 되는데, 일정한 출력전압 및 MPPT 제어를 하기 위해서는 전력변환장치를 사용해야 한다. 태양광발전 PCS 전력변환장치들 중에 비 절연형 승압컨버터만 구성하여 발전시스템을 적용하였을 경우에는 부품 수 감소와 고 효율특성을 얻을 수 있지만 계통연계 시 전기적인 절연을 위해 50/60Hz 변압기를 사용하여 PCS를 구성하기 때문에 중량 및 부피가 증가되는 문제점을 가지게 된다.[1] 절연형 DC/DC 컨버터만을 사용할 경우 고주파 변압기를 적용함으로써 계통 연계 시 50/60Hz 큰 사이즈의 변압기가 사용되지 않아 무게 및 부피가 작아지는 장점을 가지고 있지만, 넓은 입력전압범위에서 대응하기 위해서는 작은 값의 자화인덕턴스를 갖는 변압기 적용에 의한 효율 감소 등의 단점을 갖는다.
	2단 구성방식 DC/DC 컨버터가 PCS에 적용되는 방식에서 넓은 입력전압 및 부하범위에서 비절연형 승압컨버터와 LLC 공진컨버터 모두 다 동작할 때 발생하는 문제점은?	그림 1에서 나타내듯이 효율 개선 및 최적회로설계를 위해 비절연형 승압컨버터에서는 일정출력전압 또는 MPPT제어를 하고 LLC 공진컨버터는 듀티(Duyt)와 스위칭주파수가 변동이 없는 고정 시비율로 동작하도록 하여 제어설계의 복잡성을 줄이고 회로가 갖는 스트레스를 분담할 수 있도록 구성된 2단 구성방식 DC/DC 컨버터가 PCS에 적용되고 있다.[1,2] 하지만 넓은 입력전압 및 부하범위에서 비절연형 승압컨버터와 LLC 공진컨버터 모두 다 동작을 하게 되면 각 컨버터에 적용된 스위칭소자 및 부품에 손실들이 발생하며 전압, 전류 스트레스를 각각 부담하여 부품단가상승과 전체적인 평균효율을 감소시키는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 단점을 보완하고자, 그림 2에 나타내듯이 낮은 태양광모듈 전압범위(270VDC~430VDC)에서는 Interleaved 승압컨버터와 Two tank LLC 공진컨버터가 모두 동작하고, MPPT 전력제어를 위한 태양광모듈 전압범위(430VDC~575VDC)에서는 비 절연형 승압컨버터는 동작을 멈추고 LLC 공진컨버터만 스위칭주파수 제어를 통해 일정출력전압(Vo=575VDC) 제어 또는 MPPT 전력제어를 하게 된다.

참고문헌 (7)

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오은태, 윤수영, 이윤재, 유광민, 채영준, 한병문, 이준영 "연료전지 계통 연계형 고효율 DC-DC컨버터", 전기학회논문지, 제58권 제12호 2009.12, pp. 2410-2415

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윤광호, 정봉근, 심치화, 품소피악, 김은수 "Symmetrical Voltage Doubler Rectifier(SVDR)가 적용된 LLC공진컨 버터", 2010 전력전자 추계학술대회 논문집 pp.58-59
Soeren Baekhoej Kjaer, Member, IEEE, John K. Pedersen, Senior Member, IEEE, and Frede Blaabjerg, Fellow, IEEE "A Review of Single-Phase Grid-Connected Inverters for Photovoltaic Modules" IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 41, NO. 5, 2005, pp.1292-1306

상세보기
L. Balogh, R. Redl, "Power factor correction with interleaved boost converters in continuous inductor current mode", in Proc. IEEE APEC'93, pp. 168-174, 1993.
Lohner, A. Meyer, T. Nagel, A. ' A new panel-integratable inverter concept for grid-connected photovoltaic systems', Industrial Electronics, 1996. ISIE '96., Proceedings of the IEEE International Symposium on
김주훈, 강성인, 김은수, 허동영, 정용채, "두개의 변압기와 공진 탱크로 구성된 LLC 공진 컨버터", 전력전자학회 논문지, 제14권 제5호, pp. 406-414, 2008. 10.

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저자의 다른 논문 :

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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