[논문]태양광 최대 전력 추종기를 위한 고효율 무손실 스너버

장두희; 강정일; 한상규

doi:10.6113/tkpe.2013.18.5.485

[국내논문] 태양광 최대 전력 추종기를 위한 고효율 무손실 스너버
High Efficiency Lossless Snubber for Photovoltaic Maximum Power Point Tracker 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.18 no.5, 2013년, pp.485 - 491

Abstract ▼ AI-Helper

A new passive lossless snubber for boost converter based on magnetic coupling is proposed. It is composed of a winding coupled with boost inductor, one snubber inductor, two snubber capacitor and three additional diodes. Especially, the snubber inductor can not only limit the reverse recovery current of output diode but also minimize switch turn-on losses greatly. Moreover, all of the energy stored in the snubber is transferred to the load in the manner of resonance. To confirm the validity of proposed system, theoretical analysis, design consideration, and verification of experimental results are presented.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 논문에서는 상기 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 구조의 무손실 스너버를 제안한다. 특히 제안된 회로는 스너버 캐패시터에 저장된 에너지가 모두 출력측으로 회생되므로 시스템 효율 측면에서 매우 유리하며 작은 용량의 수동 소자만으로 구현이 가능 하므로 시스템 제작단가 측면에서 유리한 장점을 가진다.
그러나 스위치의 스위칭 손실 및 다이오드의 느린 역회복 특성에 의하여 효율이 저감되는 문제점을 갖는다. 따라서 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 구조의 무손실 스너버를 제안하였다. 제안 무손실 스너버는 수동 소자만으로 구성되어 시스템 제작단가 상승이 크지 않으며, 스위치 턴 온 및 턴 오프시 전력 소모 없이 스너빙이 가능한 장점을 갖는다.

가설 설정

2) 입력 전압 V_in는 일정하다.
4) L_m, L_s의 초기 전류는 각각 I_Lm, I_Ls이다.
제안 무손실 스너버가 적용된 부스트 컨버터의 입출력 전압 변환비를 도출한다. 입출력 전압 변환 비 도출을 위하여 모드 5, 6, 7 구간은 전체 주기에 있어 매우 짧은 시간이므로 고려하지 않는다고 가정하였다.

제안 방법

제안 무손실 스너버가 적용된 부스트 컨버터의 입출력 전압 변환비를 도출한다. 입출력 전압 변환 비 도출을 위하여 모드 5, 6, 7 구간은 전체 주기에 있어 매우 짧은 시간이므로 고려하지 않는다고 가정하였다.
제안 무손실 스너버의 효율 상승 및 각 소자의 스트레스를 최소화하기 위하여 각 소자들의 설계를 수행한다. 설계 파라미터는 커플 인덕터의 턴 비, C_s1, C_s2, L_s이다.
5kW급 시작품을 제작하였고, 실험에 사용된 소자들은 표 1에 나타내었다. 실험은 기존 부스트 컨버터와 제안 무손실 스너버를 적용한 부스트 컨버터의 성능을 비교 하였으며, 이를 통하여 제안 무손실 스너버의 우수성을 검증하였다.
제안 무손실 스너버는 수동 소자만으로 구성되어 시스템 제작단가 상승이 크지 않으며, 스위치 턴 온 및 턴 오프시 전력 소모 없이 스너빙이 가능한 장점을 갖는다. 제안 시스템의 타당성을 검증하기 위하여 모드 해석 및 입출력 전압 변환비를 도출 하였고, 설계 가이드를 제시 하였다. 1.

대상 데이터

제안 시스템의 타당성 및 우수성 검증을 위해 1.5kW급 시작품을 제작하였고, 실험에 사용된 소자들은 표 1에 나타내었다. 실험은 기존 부스트 컨버터와 제안 무손실 스너버를 적용한 부스트 컨버터의 성능을 비교 하였으며, 이를 통하여 제안 무손실 스너버의 우수성을 검증하였다.

성능/효과

따라서 본 논문에서는 상기 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 구조의 무손실 스너버를 제안한다. 특히 제안된 회로는 스너버 캐패시터에 저장된 에너지가 모두 출력측으로 회생되므로 시스템 효율 측면에서 매우 유리하며 작은 용량의 수동 소자만으로 구현이 가능 하므로 시스템 제작단가 측면에서 유리한 장점을 가진다.
그림에서 보는 바와 같이 인덕터 L_m에 보조 권선을 연결하고, 다이오드 2개와 커패시터 2개, 보조 인덕터 1개로 구성되어 있다. 제안 무손실 스너버는 출력 다이오드 D_o가 턴 오프 될 때에 보조 인덕터 L_s로 인하여 다이오드의 역회복 특성에 의한 역회복 전류를 최소화할 수 있고, 스위치 M이 턴 온시 인덕터 전류는 보조인덕터 L_s 전류와 같으므로 영전류 근처에서 스위칭을 할 수 있다. 또한 스위치 턴 오프 시에는 스위치에 병렬로 연결된 커패시터 C_s2로 인하여 스위치 드레인-소스 양단 전압의 기울기를 낮출 수 있으며, C_s2에 저장된 에너지는 보조 인덕터와의 공진을 통하여 다시 회생 시키므로 스위치의 스위칭 손실을 크게 저감할 수 있다.
1) 출력 커패시터 C_o는 충분히 크기 때문에 출력전압 V_o는 일정하며, 리플은 고려하지 않는다.
3) 모든 반도체 소자들은 D_o를 제외하고 모두 이상적이다.
5) C_s1의 크기는 C_s2보다 충분히 크고, L_m의 크기는 L_s보다 충분히 크다.
또한 그림 4 (b) 는 스위치 턴 오프시의 파형으로 약 200ns동안 손실이 발생하고 있다. 그리고 스위치 드레인-소스 양단 전압의 기울기는 약 3000V/us 로 매우 급격하게 전압이 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 그림 4 (c)는 기존 부스트 컨버터의 다이오드 턴 오프시의 파형으로 다이오드의 느린 역회복 특성으로 인하여 약 6.
그림 6은 기존 및 제안 무손실 스너버를 적용한 부스트 컨버터의 효율을 비교한 것이다. 기존 부스트 컨버터는 최소 93.2%에서 최대 96%로 나타났고, 제안 무손실 스너버를 적용한 부스트 컨버터의 경우에는 최소 96.7%에서 최대 98.2%로 기존 대비 2.2%의 효율 개선효과를 갖는 것을 확인할 수 있다. 이는 제안 무손실 스너버가 스위치의 턴 온 및 턴 오프 스너빙과 출력 다이오드의 작은 역 회복전류로 인하여 효율이 크게 개선 된 것으로 판단된다.
제안 시스템의 타당성을 검증하기 위하여 모드 해석 및 입출력 전압 변환비를 도출 하였고, 설계 가이드를 제시 하였다. 1.5kW급 시작품을 제작하여 이론적 분석이 타당함을 제시 하였으며, 실험을 통하여 스위치의 우수한 턴 온 및 턴 오프 스너빙, 다이오드의 역회복 전류 억제 기능이 가능함을 확인하였다. 또한 기존 및 제안 부스트 컨버터의 효율 비교 결과 기존 96%, 제안 98.
5kW급 시작품을 제작하여 이론적 분석이 타당함을 제시 하였으며, 실험을 통하여 스위치의 우수한 턴 온 및 턴 오프 스너빙, 다이오드의 역회복 전류 억제 기능이 가능함을 확인하였다. 또한 기존 및 제안 부스트 컨버터의 효율 비교 결과 기존 96%, 제안 98.2%로 기존 대비 2.2%의 효율이 개선됨을 확인 하였다. 따라서 제안 무손실 스너버를 태양광 인버터 시스템에 적용할 경우 효율을 크게 개선 할 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

2%의 효율이 개선됨을 확인 하였다. 따라서 제안 무손실 스너버를 태양광 인버터 시스템에 적용할 경우 효율을 크게 개선 할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 에너지의 장점은?	최근 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 에너지원에 대한 요구가 점차 증가하고 있다. 그중 태양광 에너지는 발전규모의 선택이 자유롭고, 열적 공해, 소음, 방사능, 폭발 위험이 없고 유지 보수가 간편하므로, 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 대체 에너지원으로 각광받고 있다. 특히 계통 연계형 태양광 인버터 시스템은 최대 전력을 발전하는 시간대가 하절기 피크 전력 소비시간대와 유사하므로 주택 및 건물의 지붕이나 옥상, 벽면 등에 설치함으로써 전력 수급 불균형해소에 기여할 수 있고 국토의 효율적 사용이 가능한 전력 공급원으로 그 활용이 가능하다.
	RCD 스너버의 단점은?	또한 저항,커패시터, 다이오드로 구성된 RCD 스너버는 회로가 간단하고 시스템 제작 단가 상승이 크지 않은 장점을 갖는다. 그러나 스너버의 커패시터에 저장된 에너지를 모두 저항에서 소모하므로 높은 효율을 기대하기 어렵다.
	계통 연계형 태양광 인버터 시스템에서 요구되는 것은?	계통 연계형 태양광 인버터 시스템은 태양전지의 최대 전력 점을 추종하는 최대 전력점 추종(Maximum Power Point Tracking, MPPT) 제어와 계통의 전압과 전류의 위상을 보정하며 무효전력을 최소화하는 인버터 구동 기술이 요구된다. 최근에는 이러한 태양광 인버터 시스템의 고 효율화를 위하여 많은 최대 전력점 추종제어 기법과 인버터 구동 기법들이 제시되어 왔지만, 최대 전력점 추종기 전력단의 고 효율화를 위한 연구들은 많이 이루어지지 못한 실정이다.

참고문헌 (5)

M. Jovanovic, Y. Jang, Y. Chang, and K. Fang, "Soft-switching power converters," U.S. Patent 6 987 675, Jan. 17, 2006.
R. Gurunathan and A. Bhat, "Zero-voltage switching DC link single phase pulsewidth-modulated voltage source inverter," IEEE Trans. Power Electron., Vol. 22, No. 5, pp. 1610-1618, Sep. 2007.

상세보기
W. Y. Choi, J. M. Kwon, and B. H. Kwon, "Bridgeless dual-boost rectifier with reduced diode reverse-recovery problems for power-factor correction," IET Power Electron., Vol. 1, No. 2, pp. 194-202, June 2008.

상세보기
H. Bodur and A. Bakan, "A new ZVT-ZCT-PWM DC-DC converter," IEEE Trans. Power Electron., Vol. 19, No. 3, pp. 676-684, May 2004.

상세보기
J.P. Fohringer, F.A. Himmelstoss, "Analysis of a Boost converter with Tapped Inductor and Reduced Voltage Stress Across the Buffer Capacitor," IEEE International Conference on Industrial Technology, Dec. 2006.

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증