[논문]고효율 특성을 갖는 양방향 공진컨버터

박준형; 이승민; 김은수; 황인갑; 공영수

doi:10.6113/tkpe.2013.18.5.429

고효율 특성을 갖는 양방향 공진컨버터
High Efficiency Resonant Converter for Bidirectional Power Transfer 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.18 no.5, 2013년, pp.429 - 436

박준형 (Electrical & Electronics Engineering, Jeonju University) , 이승민 (Electrical & Electronics Engineering, Jeonju University) , 김은수 (Electrical & Electronics Engineering, Jeonju University) , 황인갑 (Electrical & Electronics Engineering, Jeonju University) , 공영수 (National Forensic Service)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, For achieving the high gain and resonant characteristics in both of the power flow directions, a bidirectional resonant dc-dc converter with auxiliary switches is proposed. Auxiliary switches are connected in the primary and secondary side of the bidirectional resonant dc-dc converter, respectively. A 800W prototype bidirectional resonant dc-dc converter for interfacing the 400V DC buses in the energy storage system is built and tested to verify the validity and applicability of this proposed converter.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 800W 정격출력용량을 갖는 제안된 양방향 전력수수 가능한 공진컨버터를 적용 실험하였다. 순방향 동작모드시 입력전압(V_in) 200∼280V 조건에서 출력전압(V_o) 및 전류I_o), 최대정격출력용량(Po)[400V, 2A 800W]에 대해 각각 실험하였다.
본 논문에서는 간단한 보조 스위치 및, 커패시터를 이용한 회로 구성으로 800W급 태양광 발전 계통 연계용 높은 이득특성을 갖는 양방향 전력수수가 가능한 공진컨버터를 제안하였다. 적용 가능성을 확인하기 위해, 800W급의 시제품을 제작하여 실험하였고, 입력전압(V_in) 200V_dc ∼ 280V_dc 와 출력전압(V_o) 300V_dc ∼ 400V_dc 의 조건에서 순방향 및 역방향의 일정한 전력 전달을 확인하였고, 각각의 효율을 측정해본 결과 최고 97.
본 논문에서는 별도의 승 강압컨버터(Buck/Boost Converter)를 적용하지 않고 이득특성을 개선할 수 있는 새로운 DC/DC컨버터를 제안함으로써 전력변환손실을 최소화 할 수 있고 단가를 저감 할 수 있는 800W 양방향 전력수수 가능한 공진컨버터에 대해 적용 실험하였다.

제안 방법

순방향 동작모드시 입력전압(V_in) 200∼280V 조건에서 출력전압(V_o) 및 전류I_o), 최대정격출력용량(Po)[400V, 2A 800W]에 대해 각각 실험하였다. 그리고 역방향 동작모드시 출력전압(V_o) 400V 입력조건에서 입력단으로 출력되는 제어 전압(V_in)조건에서 최대정격용량 300V/2.67A, 350V/2.29A, 400V/2.0A에 대해 각각 실험하였다. 적용된 그림 4의 제안된 컨버터의 실험조건과 주요정격에 대해 표 1과 표 2 에 나타내었다.
순방향 동작모드시 입력전압(Vin) 200∼280V 조건에서 출력전압(Vo) 및 전류Io), 최대정격출력용량(Po)[400V, 2A 800W]에 대해 각각 실험하였다.
제안된 양방향 전력수수 가능한 공진컨버터는 그림 4와 같이 1차측과 2차측에 각각 공진커패시터, 블록킹 커패시터와 보조스위치로 구성되어 있다. 순방향 동작모드와 역방향 동작모드에서 설명했듯이 높은 이득특성을 갖는 LLC 공진이득특성을 얻기 위해서는 1차측 보조스위치(S_A1, S_A2)와 2차측 보조스위치 (S_A3, S_A4)를 턴-온, 턴-오프 동작시킴으로써 블록킹 커패시터(C_B1, C_B2, C_B3, C_B4)와 공진커패시터(C_r1, C_r2, C_r3, Cr₄)의 연결동작에 의해 그림 2(a)와 같이 높은 이득특성을 갖는 LLC 공진컨버터처럼 동작을 하게 된다.
)로 구성된 보조수단을 포함하고 있다. 제안된 양방향 전력수수가 가능한 LLC 공진컨버터의 순방향 및 역방향 전력전달 시 양방향보조스위치(S_A1,S_A2, S_A3,S_A4 또는 S_Ap1, S_Ap2)를 턴-온, 턴-오프 제어하게 함으로 1차측 및 2차측 공진커패시터(C_r1,C_r2, C_r3,C_r4)와 1차측 및 2차측 블록킹 커패시터(C_B1,C_B2,C_B3,C_B4)를 차단 또는 병렬로 연결하여 줌으로써 순방향 및 역방향 전력전달 동작 시 그림 2(a)와 같이 LLC 공진컨버터 이득특성을 갖도록 하여 줌으로써 높은 이득특성 및 영전압스위칭(ZVS)과 영전류스위칭(ZCS) 동작이 가능하도록 하여 고효율특성을 갖는 양방향 전력수수 가능한 공진컨버터를 제안하였다. ^[4]

성능/효과

02%의 높은 효율을 확인할 수 있었다. 또한 제안된 컨버터에 대한 전압이득 특성표와 비교해본 결과 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
적용 가능성을 확인하기 위해, 800W급의 시제품을 제작하여 실험하였고, 입력전압(Vin) 200Vdc ∼ 280Vdc 와 출력전압(Vo) 300Vdc ∼ 400Vdc 의 조건에서 순방향 및 역방향의 일정한 전력 전달을 확인하였고, 각각의 효율을 측정해본 결과 최고 97.02%의 높은 효율을 확인할 수 있었다.

후속연구

향후 순방향 및 역방향 동작에 있어서 이득특성 개선회로를 통해 모든 입력전압 및 부하범위에서 효율특성을 개선하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지저장시스템의 변환장치에게 요구되는 것은?	최근 태양광발전 전력계통연계시스템(PCS: Power Conditioning System), 축전지 충·방전시스템, 전기자동차 등에 절연형 양방향 DC/DC 컨버터가 에너지저장시스템의 변환장치로 적용이 확대되고 있다. 에너지저장시스템의 변환장치는 높은 효율과 안전성을 요구하므로 기존에는 절연형 고주파 변압기를 적용한 양방향 전력수수 가능한 DC/DC 컨버터에 있어서 전압원 컨버터 또는 전류원 컨버터가 접목된 양방향 전력수수 가능한 DC/DC 컨버터 등이 개발되어 왔다.[1,2] 하지만 기본적으로 이들 전력변환장치들은 하드스위칭(Hard Switching)을 하기 때문에 스위칭손실에 의한 전력변환손실과 집적화를 위해 스위칭주파수를 높이는데 있어서 큰 단점을 가지고 있다.
	전력변환장치들의 단점은?	에너지저장시스템의 변환장치는 높은 효율과 안전성을 요구하므로 기존에는 절연형 고주파 변압기를 적용한 양방향 전력수수 가능한 DC/DC 컨버터에 있어서 전압원 컨버터 또는 전류원 컨버터가 접목된 양방향 전력수수 가능한 DC/DC 컨버터 등이 개발되어 왔다.[1,2] 하지만 기본적으로 이들 전력변환장치들은 하드스위칭(Hard Switching)을 하기 때문에 스위칭손실에 의한 전력변환손실과 집적화를 위해 스위칭주파수를 높이는데 있어서 큰 단점을 가지고 있다. 최근 사이즈 및 스위칭손실, EMI 저감을 위해 소프트스위칭 LLC 공진컨버터가 접목된 양방향 전력수수 가능한 DC/DC 컨버터가 적용되고 있다[3,4].
	본 논문에서는 간단한 보조 스위치 및, 커패시터를 이용한 회로 구성으로 800W급 태양광 발전 계통 연계용 높은 이득특성을 갖는 양방향 전력수수가 가능한 공진컨버터를 제안하였다, 이에 대한 실험 결과는?	본 논문에서는 간단한 보조 스위치 및, 커패시터를 이용한 회로 구성으로 800W급 태양광 발전 계통 연계용 높은 이득특성을 갖는 양방향 전력수수가 가능한 공진컨버터를 제안하였다. 적용 가능성을 확인하기 위해, 800W급의 시제품을 제작하여 실험하였고, 입력전압(Vin) 200Vdc ∼ 280Vdc 와 출력전압(Vo) 300Vdc ∼ 400Vdc 의 조건에서 순방향 및 역방향의 일정한 전력 전달을 확인하였고, 각각의 효율을 측정해본 결과 최고 97.02%의 높은 효율을 확인할 수 있었다. 또한 제안된 컨버터에 대한 전압이득 특성표와 비교해본 결과 일치하는 것을 확인할 수 있었다.

참고문헌 (6)

F. Krismer, J. Biela, J. W. Kolar, "A Comparative Evaluation of Isolated Bi-directional DC/DC Converters with Wide Input and Output Voltage Range," IEEE IAS, pp. 599-606, 2005.
Gang Ma, Wenlong Qu, Gang Yu, Yuanyuan Liu, Ningchuan Liang, and Wenzhong Li, "Zero-Voltage -Switching Bidirectional DC-DC Converter With State Analysis and Soft-Switching-Oriented Design Consideration," IEEE Trans. On Industrial Electronics, Vol. 56, No. 6, pp. 2174-2184, June 2009.

상세보기
Wei Chen, Ping Rong, and Zhengyu Lu, "Snubberless Bidirectional DC-DC Converter With New CLLC Resonant Tank Featuring Minimized Switching Loss," IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 57, No. 9, pp. 3075-3086. Sep. 2010.

상세보기
Georg Pledl, Matthias Tauer, Dominik Buecherl, "Theory of operation, design procedure and simulation of a bidirectional LLC resonant converter for vehicular applications," in Proc. IEEE VPPC(Vehile Power and Propulsion Conference), pp. 1-5, 2010.
Hyung-Jun Chae, Yun-Jae Lee, Su-Young Yun, Eun-Tae Oh, Kwang-min Yoo, Jun-Young Lee "3kw bi-directional DC-DC converter for Energy storage using unregulated BUS converter," Power Electronics Annual Conference, pp. 408-410, July 2009.
"Bidirectional DC/DC Converter", Patent Pending (10-2011-0111497).

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