[논문]듀얼 하프브릿지를 이용한 공진형 양방향 AC-DC 전력변환기 해석 및 설계

변병주; 최중묵; 한동화; 이영진; 서현욱; 최규하

doi:10.6113/tkpe.2013.18.2.184

듀얼 하프브릿지를 이용한 공진형 양방향 AC-DC 전력변환기 해석 및 설계
Design and Analysis of Resonant Bidirectional AC-DC Converter using Dual Half-Bridge Converter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.18 no.2, 2013년, pp.184 - 191

변병주 (Dept. of Electrical Eng., Konkuk University) , 최중묵 (Dept. of Electrical Eng., Konkuk University) , 한동화 (Dept. of Electrical Eng., Konkuk University) , 이영진 (Dept. of Electrical Eng., Konkuk University) , 서현욱 (Dept. of Electrical Eng., Konkuk University) , 최규하 (Dept. of Electrical Eng., Konkuk University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, bidirectional AC-DC converter using dual half-bridge converter is proposed. A transformer leakage inductance in the dual half-bridge converter is used for making resonance with the capacitor of the voltage-doubler, which can help the switched current to be sinusoidal without extra inductive component and also the switching loss can be reduced through operation such as ZVS, ZCS. Both circuit analysis and design guideline are described, and also the feasibility for the proposed converter is shown through the hardware implementation and the experimental results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서 제안된 듀얼 하프브릿지를 사용한 양방향 AC-DC 컨버터 시스템을 동작을 검증하기 위하여 시뮬레이션을 하였다. 시뮬레이션 툴은 PSIM 9.
본 논문에서는 듀얼 하프브릿지를 사용한 양방향 AC-DC 컨버터에 이론적인 해석과 설계방법에 대하여 제시하였다. 또한 제시된 듀얼 하프브릿지 공진형 컨버터의 이론적인 해석을 통하여 수동소자들과 공진주파수 간에 관계를 정의하였다.

가설 설정

본 논문에서 제안하는 컨버터의 공진주파수와 더블러 커패시터와 변압기의 누설인덕턴스와의 관계를 나타내기 위해서 하프브릿지의 SW₁은 온, SW₂는 오프인 경우를 가정하고 그림 4과 같이 등가회로를 구성해 보았다. 그림 4(a)는 2차측의 회로를 1차측으로 등가화 시킨 회로이다.

제안 방법

1.1 출력단 필터 설계
계통연계형 인버터의 출력단 필터설계는 필터 인덕터를 먼저 설계를 한후 커패시터를 설계를 한다. 필터 인덕터의 경우 THD와 정격전류, 필터링 하고자 하는 주파수를 이용하여 인덕터를 하며 필터 인덕터와 필터 커패시터를 설계하는 식은 아래 (9),(10)과 같다.
또한 제시된 듀얼 하프브릿지 공진형 컨버터의 이론적인 해석을 통하여 수동소자들과 공진주파수 간에 관계를 정의하였다. 그리고 시뮬레이션을 통하여 양방향 동작을 검증하였으며 실험을 통해 단방향 동작을 검증하였다. 제안된 방법에 대한 결과를 정리하면 다음과 같다.
대상 Hard switching 컨버터는 풀브리지 타입으로 구성하였으며 동일 변압기를 사용하였다. 또한 이를 개선한 스위치 4개인 병렬형 Hard switching 컨버터의 효율을 비교하였다. 두 기존 컨버터의 경우 저전력에서 제안된 컨버터에 비하여 손실이 큼을 알 수 있다.
본 논문에서는 듀얼 하프브릿지를 사용한 양방향 AC-DC 컨버터에 이론적인 해석과 설계방법에 대하여 제시하였다. 또한 제시된 듀얼 하프브릿지 공진형 컨버터의 이론적인 해석을 통하여 수동소자들과 공진주파수 간에 관계를 정의하였다. 그리고 시뮬레이션을 통하여 양방향 동작을 검증하였으며 실험을 통해 단방향 동작을 검증하였다.
본 논문에서 제안하는 듀얼 하프브릿지를 사용한 양방향 전력 변환장치는 양방향 PWM 컨버터와 듀얼 하프브릿지 DC-DC 컨버터로 구성되는데, 후자의 경우 하프브리지 구조에 전압더블러 정류기 그리고 고주파 변압기로 구성된다. 또한 추가적인 공진탱크를 사용하지 않고 변압기 누설 인덕턴스와 전압 더블러 커패시터의 공진을 이용하여 ZVS와 ZCS 동작을 가능하게 하여 스위칭 손실을 감소하도록 설계하였다. 그리고 회로해석을 하였으며 설계된 전력변환장치는 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다.
본 논문에서 제안하는 듀얼 하프브릿지를 사용한 양방향 전력 변환장치는 양방향 PWM 컨버터와 듀얼 하프브릿지 DC-DC 컨버터로 구성되는데, 후자의 경우 하프브리지 구조에 전압더블러 정류기 그리고 고주파 변압기로 구성된다. 또한 추가적인 공진탱크를 사용하지 않고 변압기 누설 인덕턴스와 전압 더블러 커패시터의 공진을 이용하여 ZVS와 ZCS 동작을 가능하게 하여 스위칭 손실을 감소하도록 설계하였다.
시뮬레이션 결과를 바탕으로 듀얼 하프브릿지를 사용한 양방향 AC-DC 컨버터의 실험을 위해 하드웨어를 만들었다. 시스템의 사양의 경우, 정격전력은 1[kW], 정격입력 전압은 220[Vac], 정격출력 전압은 360[V]이다.
그리고 실험에 쓰인 스위치의 경우 세미피아社의 IGBT 모듈인 SKM75GB128D를 사용하였다. 실험은 계통에서 전력을 부하에 전달하는 경우와 계통으로 발전을 하는 두가지 경우로 나누어서 진행을 하였다. 계통에서 전력을 전달하는 경우 양방향 PWM 컨버터에서는 입력단 전류제어와 출력단 직류링크단 제어를 하며 제안된 컨버터의 경우 일정 듀티로 스위칭을 하게 된다.
또한 직류링크단에 전압을 일정하게 제어함으로서 양방향으로 전력을 제어하게 해준다. 여기서 양방향 공진형 AC/DC 컨버터에 대하여 분석하기 앞서, 계통연계형 인버터의 경우는 많은 연구가 이루어져 있는 것이므로 본 논문에서는 시스템에 대한 해석의 경우 계통연계형 인버터에 대하여는 다루지 않고, 제안된 공진형 DC/DC 컨버터에 대해서 주로 다루었다.
제안된 공진형 DC/DC 컨버터는 여기서 공진 커패시터의 경우 전압 더블러를 역할을 수행하며 공진 인덕터의 경우 변압기의 누설인덕턴스를 이용하여 에너지를 전달하는 공진을 사용한다. 이 구조의 경우 양쪽이 같은 구조를 취하고 있는데, 기본적인 동작원리의 경우 LC 직렬 공진이며 여기서 공진인덕터의 경우 변압기의 누설인덕턴스를 이용함으로써 컨버터의 부피를 감소시킬 수 있다는 장점을 갖고 있다.

대상 데이터

시스템의 제어신호를 처리하기 위하여 DSP28335를 사용하였다. 그리고 실험에 쓰인 스위치의 경우 세미피아社의 IGBT 모듈인 SKM75GB128D를 사용하였다. 실험은 계통에서 전력을 부하에 전달하는 경우와 계통으로 발전을 하는 두가지 경우로 나누어서 진행을 하였다.
그림 13은 Hard switching 컨버터와 제안된 공진형 컨버터의 입력전력에 따른 효율을 나타내고 있다. 대상 Hard switching 컨버터는 풀브리지 타입으로 구성하였으며 동일 변압기를 사용하였다. 또한 이를 개선한 스위치 4개인 병렬형 Hard switching 컨버터의 효율을 비교하였다.
스위칭 주파수는 20[kHz]로 선정하였으며, 공진주파수는 26[kHz]로 선정하여 소자 선정을 하였다. 변압기의 누설인덕턴스는 4.59[uH]로 선정하였고, 등가 커패시터의 크기는 7.4[uF]으로 선정하였다.
본 논문에서는 실제적으로 높은 출력이 요구되는 곳에 이용하기 위한 목적으로 그림 5의 EE 코어를 선정하였고, 이 코어의 재질이 고주파에서 특성이 좋고, 온도 특성도 상대적으로 안정적이며 경제적인 페라이트 코어로 선정하였다. 변압기의 누설인덕턴스의 경우 변압기의 형상을 고려하여야 하는데, 그 이유는 누설인덕턴스의 경우 코어의 형상에 따라서 결정되는 변수이기 때문이다.
0을 사용하였다. 스위칭 주파수는 20[kHz]로 선정하였으며, 공진주파수는 26[kHz]로 선정하여 소자 선정을 하였다. 변압기의 누설인덕턴스는 4.
시스템의 제어신호를 처리하기 위하여 DSP28335를 사용하였다. 그리고 실험에 쓰인 스위치의 경우 세미피아社의 IGBT 모듈인 SKM75GB128D를 사용하였다.

데이터처리

또한 추가적인 공진탱크를 사용하지 않고 변압기 누설 인덕턴스와 전압 더블러 커패시터의 공진을 이용하여 ZVS와 ZCS 동작을 가능하게 하여 스위칭 손실을 감소하도록 설계하였다. 그리고 회로해석을 하였으며 설계된 전력변환장치는 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다.

성능/효과

1) 제안된 방법은 공진형 스위칭 방법을 통하여 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다. 실험 결과 저전력에서 최대 52[%] 감소하였고 정격에서 최대 48[%] 감소하였다.
2) 전체시스템의 부피는 공진탱크를 사용하지 않고 스위치 개수를 줄여 15[%] 감소하였다.
3) 영전류 스위칭을 위해 공진 주파수는 스위칭 주파수보다 높아야한다. 스위칭 주파수와 공진주파수는 완전히 일치할 수는 없지만 공진전류가 상승분을 고려할 때 스위칭 주파수와 공진주파수 비율 K factor는 0.
그림 8의 경우 시스템의 전압과 전류를 나타내고 있다. 계통으로 전력이 발전되고 있기 때문에 전류의 위상이 계통의 위상과 반대로 나타나는 것을 확인 할 수 있으며, 계통에서 전력을 소비하는 경우에 보이지 않던 부하측 전류에 계통의 주파수에 2배인 120[Hz] 리플이 실리는 것을 확인 할 수 있다.
1) 제안된 방법은 공진형 스위칭 방법을 통하여 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다. 실험 결과 저전력에서 최대 52[%] 감소하였고 정격에서 최대 48[%] 감소하였다.
제안된 컨버터는 부하전력이 낮은 경우에서도 90[%] 초반에 이르는 효율을 보여주고 있으며, 정격용량에서는 95.6[%]에 이르는 효율을 보여주고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지 저장 시스템 중 최근 가장 주목 받는 분야는?	태양광, 연료전지 그리고 다양한 배터리들은 각각 전압레벨이 다른 직류 전원이기 때문에 DC/DC 컨버터를 사용하여 승압 또는 강압을 하여 사용한다. 에너지 저장 시스템 중 최근 가장 주목 받는 분야는 배터리를 사용한 시스템인데 그 중 하나인 Battery Energy Storage System(BESS)에서 구조의 집적화를 위해 컨버터를 양방향으로 설계하게 된다[1]. 또 다른 예로 전기자동차 충전시스템의 응용기술인 Vehicle To Grid(V2G)는 계통으로부터 전력을 배터리로 충전과 방전하는 기술인데 이곳에서도 계통의 전력품질 향상과 충방전 운전을 위하여 양방향 AC/DC 컨버터가 사용된다.
	양방향 AC/DC 컨버터는 무엇으로 구성되어 있는가?	양방향 AC/DC 컨버터의 경우 계통연계형 인버터와 DC/DC 컨버터로 구성이 되어 있다. 계통연계형 인버터는 신재생에너지와 배터리와 같은 직류전원과 계통을 연계시 가장 많이 사용되는 전력전자 시스템으로서 많은 연구가 진행되었다[2]-[4].
	본 논문에서는 듀얼 하프브릿지를 사용한 양방향 AC-DC 컨버터에 이론적인 해석과 설계방법에 대하여 제시하였다. 또한 제시된 듀얼 하프브릿지 공진형 컨버터의 이론적인 해석을 통하여 수동소자들과 공진주파수 간에 관계를 정의하였다. 그리고 시뮬레이션을 통해 양방향 동작을 검증하고, 실험을 통해 단방향 동작을 검증하였다, 이에 대한 결과는?	1) 제안된 방법은 공진형 스위칭 방법을 통하여 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다. 실험 결과 저전력에서 최대 52[%] 감소하였고 정격에서 최대 48[%] 감소하였다. 2) 전체시스템의 부피는 공진탱크를 사용하지 않고 스위치 개수를 줄여 15[%] 감소하였다. 3) 영전류 스위칭을 위해 공진 주파수는 스위칭 주파수보다 높아야한다. 스위칭 주파수와 공진주파수는 완전히 일치할 수는 없지만 공진전류가 상승분을 고려할 때 스위칭 주파수와 공진주파수 비율 K factor는 0.8보다 크게 설계 되어야 한다.

참고문헌 (10)

S. H. Kim, T. H. Kim, Y. H. Kim, D. S. In, B. K. Kwon, C. H. Choi, "A Development of 2MVA Battery Energy Storage System," The transactions of korea institute of power electronics, Vol. 2, pp. 93-189, April 2012.

원문보기 상세보기
S. B. Kjaer, J. K. Pederson, F. Blaabjerg, "A review of single-phase grid-connected inverters for photovoltaic modules," IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 41, No. 5, pp. 1292-1306, 2005.

상세보기
N.A. Ninad, L.A.C. Lopes, "Operation of Single-phase Grid-Connected Inverters with Large DC Bus Voltage Ripple," Electrical Power Conf., pp. 172-176, Oct. 2007.
K. Hirachi, Y. Tomokuni, "Improved Control Strategy to Eliminate The Harmonic Current Components for Single Phase PWM Current Source Inverter," 19th Int. Telecommunications Energy Conf., pp. 189-194, Oct. 1997.
C. E. Kim, S. K. Han, K. B. Park, G. W. Moon, "A New High Efficiency ZVZCS Bidirectional DC/DC Converter for HEV 42V Power Systems," Journal of Power Electronics, Vol. 6, No. 3, pp. 271-278, July 2006.

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Xiaodong Li, Ashoka K. S. Bhat, "Analysis and Design of High-Frequency Isolated Dual-Bridge Series Resonant DC/DC Converter," IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 25, No. 4, pp. 850-862, 2010.

상세보기
D. H. Han, Y. J. Lee, W. S. Kwon, M. A. Bou-Rabee, G. H. Choe, "Improving the Overall Efficiency for DC/DC Converter with LoV-HiC System," Journal of Power Electronics, Vol. 12, No. 3, May 2012.

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L. Hui, Z. P. Fang, J. S. Lawler, "A Natural ZVS Medium-Power Bidirectional DC-DC Converter With Minimum Number of Devices," IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 39, pp. 525-535, Feb. 2003.

상세보기
Colonel Wm. T.Mclyman, Transformer and Inductor Design Handbook, Marcel Dekker, 2004.
J.M. Choi, D. H. Han, Y. J. Lee, B. H. Jeong, G. H. Choe, "Switch Paralleling Characteristic Analysis for FB Converter in 1[kW] Fuel-Cell System," Journal of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers, pp. 62-70, Sep. 2010.

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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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