[논문]친환경 자동차 HDC를 위한 고승압 소프트스위칭 양방향 컨버터

오세철; 박준성; 권민호; 최세완

doi:10.6113/tkpe.2012.17.4.322

친환경 자동차 HDC를 위한 고승압 소프트스위칭 양방향 컨버터
High Gain Soft switching Bi-directional Converter for Eco-friendly Vehicle HDC 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.17 no.4, 2012년, pp.322 - 329

오세철 (Dept. of Electrical and Information Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology) , 박준성 (Dept. of Electrical and Information Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology) , 권민호 (Dept. of Electrical and Information Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology) , 최세완 (Dept. of Electrical and Information Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a non-isolated bidirectional soft-switching converter with high voltage for high step-up/down and high power applications. Compared to the conventional boost converter the proposed converter can achieve approximately doubled voltage gain using the same duty cycle. The voltage ratings of the switch and diode are reduced to half, which result in the use of devices with lower $R_{DS(ON)}$ and on drop leading to reduced conduction losses. Also, voltage ratings of the passive components are reduced, and therefore the total energy volume is reduced to half. Further, the switch is turned on with ZVS in the CCM operation which results in negligible surge caused leading to reduced switching losses. The validity of the proposed converter is proved through a 10kW prototype.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 고승압, 대전력 응용에 적합한 고승압 소프트스위칭 양방향 컨버터를 제안하고 최적의 스위칭 기법을 제시한다 . 제안한 컨버터는 소자 수는 증가했지만 다음과 같은 장점을 갖는다.
본 논문에서는 소프트스위칭 고승압 컨버터^[7,8]에 양방향 동작을 적용한 HDC를 제안하고 최적의 스위칭기법을 제시한다. 제안한 양방향 소프트스위칭 고승압 컨버터는 소프트스위칭 고승압 컨버터^[7,8]와 동일한 장점을 가지며 또한 10kW급 시작품으로 기존 하프브리지 방식과의 비교를 통하여 제안한 방식의 타당성을 검증하고자 한다.

제안 방법

그림 11은 기존 2상 양방향 컨버터와 제안한 2상 양방향 컨버터의 저전압측 전압 변동에 따른 효율을 비교하기 위해 전력 분석기(YOKOGAWA WT3000)를 이용하여 측정하였다. 그림 11(a)는 승압모드시 측정 효율을 나타·내며 그림 11(b)는 강압모드시 측정 효율을 나타낸다.
그림 7과 그림 8과 같이 시작품 설계시 소자의 정격 마진을 고려하여 전압, 전류정격은 약 1.5∼2배로 선정하였으며 인덕터의 DC-bias를 고려하여 인덕턴스를 선정하였다.
제안한 컨버터는 기존의 하프브리지 양방향 컨버터와 마찬가지로 동일하게 인터리빙 기법을 이용할 수 있다. 본 절에서는 기존의 2상 하프브리지 양방향 컨버터와 제안하는 2상 고승압 소프트스위칭 양방향 컨버터를 아래와 같은 사양으로 설계하여 비교한다.
제안하는 컨버터는 그림 1에서 보듯이 고전압과 저전압측에 각각 2개의 스위치, 저전압측 필터 인덕터 L_f와 커패시터 C_f, 보조 인덕터 L_k와 커패시터 C_k, 그리고 직렬 연결된 출력 커패시터 C₁과 C₂로 구성되며 필터 인덕터와 보조 인덕터, 스위치 내부의 커패시터를 이용하여 DCM에서 뿐만아니라 CCM에서도 자연적으로 ZVS 및 ZCS를 성취할 수 있다. 또한 고전압측의 스위치 레그는 승압비를 높이고 소자들의 전압정격을 출력전압의 약 1/2로 낮추는 역할을 한다.
에 양방향 동작을 적용한 HDC를 제안하고 최적의 스위칭기법을 제시한다. 제안한 양방향 소프트스위칭 고승압 컨버터는 소프트스위칭 고승압 컨버터^[7,8]와 동일한 장점을 가지며 또한 10kW급 시작품으로 기존 하프브리지 방식과의 비교를 통하여 제안한 방식의 타당성을 검증하고자 한다.
대전류 응용에서 인터리빙 기법을 이용하면 전류분담이 가능하고 수동소자의 크기가 줄어드는 장점이 있다. 제안한 컨버터는 기존의 하프브리지 양방향 컨버터와 마찬가지로 동일하게 인터리빙 기법을 이용할 수 있다. 본 절에서는 기존의 2상 하프브리지 양방향 컨버터와 제안하는 2상 고승압 소프트스위칭 양방향 컨버터를 아래와 같은 사양으로 설계하여 비교한다.

데이터처리

제안한 컨버터의 타당성을 입증하기 위해 3절의 설계 사양으로 제안한 컨버터와 기존 컨버터를 제작한 후 동작 검증 및 효율 비교 분석하였다.

성능/효과

10kW의 시작품으로 제안하는 컨버터의 타당성을 검증하였으며 6배 승압시 96%, 6배 강압시 95%의 평균효율을 각각 달성하였다.
그림 11에서 보듯이 승⋅강압비가 3∼6배 일 때 대부분의 부하 영역에서 제안한 컨버터의 효율이 기존 컨버터보다 높게 측정되었으며, 소프트스위칭으로 인해 경부하로 갈수록 효율향상이 현저하게 나타났다.
또한 제안한 컨버터는 승⋅강압 모드 동작시 전 부하영역에서 92%이상의 고효율을 달성하였으며 승압 모드시 최고 효율 97.56%, 강압 모드시 최고 효율 97.14%가 측정되었다.
그림 12는 제안한 컨버터와 기존 컨버터의 측정 효율을 분석하기 위하여 승압 동작시 각부의 손실을 부하상황에 따라 계산하여 나타내었다. 제안한 컨버터는 낮은 스위치 전압정격으로 E_on과 E_off가 작은 소자의 선정이 가능하고 소프트스위칭을 달성하기 때문에 그림 12와 같이 기존 컨버터에 비해 현저히 낮은 스위칭 손실을 가지는 것을 볼 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 높은 승강압비를 갖는 비절연 컨버터로서 결합 인덕터를 사용하는 방법의 장단점은?	기존의 높은 승강압비를 갖는 비절연 컨버터로서 결합 인덕터를 사용하는 방법[3,4]은 작은 듀티 로도 피크 전류를 증대시키지 않고 높은 승압비를 달성할 수 있으나 누설 인덕턴스의 영향으로 인해 고효율을 달성하기 어렵다. 또한 인덕터를 사용하지 않고 높은 승⋅강압비를 얻을 수 있는 스위치드 커패시터 방식[5,6]은 커패시터 개수가 많아지고 출력 전압 조정이 어렵다.
	고전압 직류 변환장치의 역할은?	세계적으로 환경오염 및 석유에너지 고갈에 대한 대책으로 전기자동차, 하이브리드자동차 및 연료전지 자동차등 친환경 자동차에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 고전압 직류 변환장치(High voltage DC-DC Converter; HDC)는 구동용 배터리와 모터 사이에 위치하며 직류 링크 전압을 제어함과 동시에 배터리를 방전 시켜 모터로 전력을 전달하는 부스트 동작과 모터의 회생에너지를 배터리로 충전하는 벅 동작을 수행한다. 이 HDC는 절연이 필요하지 않으므로 구조가 간단하고 소자의 수가 적은 하프브리지 비절연 양방향 DC-DC 컨버터[1]가 주로 사용되어 왔다.
	고전압 직류 변환장치가 하프브리지 비절연 양방향 DC-DC 컨버터로 사용된 이유는?	고전압 직류 변환장치(High voltage DC-DC Converter; HDC)는 구동용 배터리와 모터 사이에 위치하며 직류 링크 전압을 제어함과 동시에 배터리를 방전 시켜 모터로 전력을 전달하는 부스트 동작과 모터의 회생에너지를 배터리로 충전하는 벅 동작을 수행한다. 이 HDC는 절연이 필요하지 않으므로 구조가 간단하고 소자의 수가 적은 하프브리지 비절연 양방향 DC-DC 컨버터[1]가 주로 사용되어 왔다. 한편 일본의 도요다 프리우스의 최근 개발 동향을 보면 표 1과 같이 배터리의 가격과 셀전압의 불균형 문제로 배터리 공칭전압은 점차 낮아지고(<200V) 인버터 및 모터의 효율을 높이기 위해 직류링크 전압(>650V)은 점차 높아지는 추세이다[2].

참고문헌 (9)

Junhong Zhang, J.S. Lai, "High-Power Density Design of a Soft-Switching High-Power Bidirectional dc-dc Converter", IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 4, pp. 1-7, July 2007.
http://www.toyotapriusbattery.com
K. Hirachi, M. Yamanaka, K. Kajiyama, and S. Isokane, "Circuit Configuration of Bidirectional DC/DC Converter Specific for Small Scale Load Leveling System", in Proc. IEE Power Conversion Conf., Vol. 2, pp. 603-609, April 2002.
T. Liang, K. Tseng, "Analysis of integrated boost-flyback step-up converter," in Proc. IEE Electric Power Appl., Vol. 152, No. 2, pp. 217-225, March 2005

상세보기
M. S. Makowski, "Realizability Conditions and Bounds on Systhesis of Switched-Capacitor DC-DC Voltage Multiplier Circuits", IEEE Trans. Circuits Syst. I, Fundam. Theory Appl., Vol. 44, No. 8, pp. 684-691, Aug. 1997.

상세보기
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상세보기
S. Park, S. Choi, "Soft-Switched CCM Boost Converters With High Voltage Gain for High-Power Applications", IEEE Trans. Power Electronics, Vol. 25, No. 5, pp. 1211-1217, May 2010.

상세보기
S. Park, Y. Park, S. Choi, W. Choi, K. Lee "Soft-switched interleaved boost converters for high step-up and high power applications", IEEE Trans. Power Electronics, Vol. 26, No. 10, pp. 2906-2914, Oct. 2011.

상세보기
S. Oh, B. Jung, S. Kim, S. Park, S. Choi, "High Gain Soft switching Bi-direcional converter for Hybrid Electric Vehicle HDC", KIPE Annual Autumn Conference 2011, pp. 1-2, 2011.

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