[논문]배터리 충·방전기 시스템에 적용되는 3상 양방향 절연형 인터리브드 DC-DC 컨버터의 병렬운전

조현식; 이재도; 차한주

doi:10.6113/tkpe.2014.19.1.15

배터리 충·방전기 시스템에 적용되는 3상 양방향 절연형 인터리브드 DC-DC 컨버터의 병렬운전
Parallel Operation of Three-Phase Bi-Directional Isolated Interleaved DC-DC Converters for The Battery Charge/Discharge System 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.19 no.1, 2014년, pp.15 - 22

조현식 (Dept. of Electrical Eng., Chungnam National University) , 이재도 (Dept. of Electrical Eng., Chungnam National University) , 차한주 (Dept. of Electrical Eng., Chungnam National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, parallel operation of dc-dc converters has been widely used in distributed power systems. In this paper, a control method to achieve parallel operation of three-phase bi-directional isolated interleaved dc-dc converters is discussed for the battery charging and discharging system which consists of the 32 battery charger/dischargers and two three-phase bi-directional isolated interleaved dc-dc converters. In the boost mode, the battery energy is delivered to the grid, whereas the grid energy is transferred to the battery in the buck mode operation. The average current sharing control method is employed to obtain an equal conducting of each phase current in the three-phase dc-dc converter. By using the proposed method, the imbalance factor is gratefully reduced from 8 percent to 1 percent. Two 2.5kW three-phase bi-directional dc-dc converter prototype have been built and the proposed method has been verified through experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는, 배터리 충·방전기 시스템에 적용되는 2.5kW급의 3상 양방향 절연형 인터리브드 DC-DC 컨버터의 병렬제어 방법에 대하여 서술하였다.
서론에서 언급한 부하 분담방식의 제어기법들은 상호간의 긴밀한 통신연결이 필요하다. 이 연결이 전체시스템의 유연성을 제한하지만, 다수의 모듈이 아니라 하나의 제어기에서 제어를 하고 각 모듈에 대한 지령값을 각각 생성할 수 있기 때문에 본 논문에서는 이 방식을 채택하였다.

제안 방법

본 논문에 이 제어기법을 적용한 구조도는 그림 3과 같다. 각 컨버터들의 전류들의 합을 평균내어 이를 전류제어기의 지령값으로 사용하며 V_L을 12V로 제어하는 전압제어기의 출력에 전류제어기의 출력값을 더하여 각 컨버터들의 duty를 제어한다.
을 12V로 만드는 듀티를 제어하는 구조이다. 그리고 평균전류 분담 기법을 통한 전류제어기의 출력이 병렬로 더해져 컨버터 A와 B의 듀티를 제어하여 각 컨버터 전류인 I_A와 I_B의 평형을 이루게 한다. 부스트 모드의 전압 제어기의 구조도를 그림 7에 나타낸다.
따라서 본 논문에서는 3상 양방향 절연형 인터리브드 DC-DC컨버터를 사용하여 배터리 충·방전기 시스템에 적용하였다.
그러므로 두 컨버터의 전압제어기의 출력은 각각 같다. 본 논문에서 사용되는 전압제어기는 V_L을 12V로 제어한다. 전압제어기는 DC-DC 컨버터가 하나만 있을 경우에는 정상적으로 동작을 하지만 두 개 이상의 DC-DC 컨버터를 제어 할 경우에는 앞절에서 언급한 이유 때문에 전류의 불평형이 발생하게 된다.
본 논문에서는 병렬제어기의 방법들을 서술하고 평균 전류 분담 제어 기법을 사용하여 배터리 충·방전기 시스템에 적용되는 3상 양방향 절연형 인터리브드 DC-DC 컨버터의 병렬운전을 구현하고 이를 시작품을 제작하여 실험을 통하여 검증하였다.
따라서 이러한 전류의 불평형을 보상해 줄 수 있는 전류제어기가 필요하다. 본 논문에서는 이러한 전류제어기를 평균전류 분담 기법을 사용하여 전압제어기에 병렬로 추가하여 구현하였다.
이 때 2병렬로 3상 양방향 컨버터가 적용이 될 때 발생하는 전류 불평형을 개선하였다. 여러 분야에서 사용되어지고 있는 병렬운전 기법에 대하여 서술하였으며, 평균전류 분담 기법을 적용하여 저전압측의 전압을 제어하는 PI제어기에 병렬로 전류를 제어하는 PI제어기를 구현하여 이를 시작품을 제작하여 실험을 통해 증명하였고, 전류의 불평형률을 8%에서 1%이하로 개선하였다.

대상 데이터

부스트 모드에서는 저압 배터리로부터 에너지를 받아 고압측의 전압인 V_H로 전달하며 벅 모드에서는 V_H에서 에너지를 저압 배터리에 전달한다. 마스터 제어기는 전체의 동작을 CAN 통신을 통하여 제어를 하며 배터리의 정보를 수집한다.
본 논문에서 사용한 3상 양방향 절연형 인터리브드 DC-DC 컨버터는 양 방향 전력변환이 가능한 컨버터로 벅 모드와 부스트 모드의 두 가지 모드로 동작 가능하며 구조도를 그림 2에 나타내었다. 이 컨버터는 연료전지와 같은 낮은 출력전압 특성을 갖는 에너지원을 입력으로 하며, 입력단에서 전류원으로 동작하는 3개의 DC 부스트 인덕터(L₁∼L₃) 및 3개의 MOSFET 주스위치(S₁~S₃)로 구성된 3상 DC-DC 부스트 컨버터부, 3개의 MOSFET 보조스위치(S_c1∼S_c3)와 공통 클램프 커패시터(C_c)로 구성된 3상 능동클램프부, 변압기의 누설인덕턴스를 포함하며 △-△ 결선된 3상 고주파변압기, 부스트 컨버터부 및 변압기를 거치며 승압 변환된 고전압 고주파전력을 정류하여 DC-링크에 공급해 주는 풀브리지 3상 고주파정류부(Buck converter) 및 평활용 커패시터(C_dc)로 구성되어 있다.
제안된 병렬 제어기의 성능을 검증하기 위하여 2.5kW급 양방향 3상 절연형 인터리브드 DC-DC 컨버터의 시작품을 제작하였다. 그림 11는 제작된 시작품을 나타내며 표 1은 시작품에 대한 파라미터들을 나타낸다.

이론/모형

평균전류 분담 제어기법은 일반적으로 병렬로 연결된 여러개의 DC-DC컨버터와 인버터에 사용이 된다. 이 방법을 사용하기 위해서는 컨버터의 전체전류인 I_BAT를 측정을 해야 하기 때문에 대규모의 시스템에서는 사용할 수 없고, 집중형 제어보드가 필요하다는 단점이 있지만, 본 논문의 시스템은 집중형 제어보드를 사용하고 컨버터의 전체전류를 측정하며, 대규모의 시스템이 아니고, 응답성이 빠른 장점이 있기 때문에 평균전류 분담 제어기법을 사용하였다. 평균전류 분담 제어 기법은 각 컨버터의 전류(I_N)들과 그들의 합인 I_BAT로 구성된다.

성능/효과

이에 대한 연구는 많이 진행 되어있고, 여러 토폴로지들이 제안되어 왔다. 3상 DC-DC 컨버터들 중 전압원 방식에 비해 전류원 방식은 입력전류의 리플이 작고 변압기의 턴비가 낮아 배터리의 응용에 더욱 유리하다. 3상 전류원 푸쉬풀 컨버터는 구조가 간단하고 승압비가 큰 장점이 있지만 하드스위칭으로 인한 스위칭 손실과 수동클램프의 손실이 크기 때문에 스위칭 주파수 및 용량을 증대시키기 어렵고 듀티범위가 0.
이 방식은 좋은 출력전압 레귤레이션과 전류분담을 가지지만, 상호모듈간의 중요한 연결이 필요하다. 두 번째 방식은 드룹 제어로써 인버터에 의하여 공급되는 출력전압의 주파수와 크기를 조정하는 방식^[15]이므로 본 논문에서는 첫 번째 방식인 부하분담 방식이 적합하다. 본 논문에서는 병렬제어기의 방법들을 서술하고 평균 전류 분담 제어 기법을 사용하여 배터리 충·방전기 시스템에 적용되는 3상 양방향 절연형 인터리브드 DC-DC 컨버터의 병렬운전을 구현하고 이를 시작품을 제작하여 실험을 통하여 검증하였다.
배터리 충·방전기의 출력이 단계적으로 증가함에 따라서 유입되는 전류가 증가하면 전압제어기의 출력도 단계적으로 증가하는 것을 확인할 수 있고, 병렬로 구성되어 있는 전류제어기가 정상적으로 동작하면서 각 컨버터간의 전류는 평형을 유지함을 확인할 수 있다.
부스트 모드의 회로를 따로 변환하지 않아도 벅 모드로 동작할 수 있기 때문에 본 논문에서 사용한 3상 양방향 절연형 인터리브드 DC-DC컨버터는 배터리 충·방전기 시스템에 사용하기 적합하다.
그림 16는 출력전압 12V에 총 출력전류는 85A에서 제안된 전류제어기를 적용한 후의 파형이다. 평균전류 분담 기법을 사용하여 전압제어기와 병렬로 구성되는 전류제어기를 적용하여 컨버터 A와 B의 전류의 불균형이 0.1A정도로 개선이 되고 이때의 불평형은 1% 미만인 것으로 보아 제안된 전류제어기가 정상적으로 동작한다고 할 수 있다. 그림 17는 저전압 측에 전류가 유입되면 벅 모드로 동작하여 전류를 배터리 측으로 흘려주는 초기 상태의 파형을 나타낸다.
그림 13은 같은 실험 조건에서 제안된 전류제어기를 적용한 후의 파형이다. 평균전류 분담 기법을 사용하여 전압제어기와 병렬로 구성되는 전류제어기를 적용하여 컨버터 A와 B의 전류의 불평형이 1A정도로 개선이 되고 이때의 불평형은 1%인것으로 보아 제안된 전류제어기가 정상적으로 동작한다고 할 수 있다. 그림 14는 저전압 측에 전류가 유입되면 부스트 모드로 동작하여 전류를 고압측으로 흘려주는 초기 상태의 파형을 나타낸다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3상 전류원 푸쉬풀 컨버터의 단점은 무엇인가?	3상 DC-DC 컨버터들 중 전압원 방식에 비해 전류원 방식은 입력전류의 리플이 작고 변압기의 턴비가 낮아 배터리의 응용에 더욱 유리하다. 3상 전류원 푸쉬풀 컨버터는 구조가 간단하고 승압비가 큰 장점이 있지만 하드스위칭으로 인한 스위칭 손실과 수동클램프의 손실이 크기 때문에 스위칭 주파수 및 용량을 증대시키기 어렵고 듀티범위가 0.33이하에서 사용할 수 없기 때문에 별도의 기동회로가 필요하다[4]. 따라서 본 논문에서는 3상 양방향 절연형 인터리브드 DC-DC컨버터를 사용하여 배터리 충·방전기 시스템에 적용하였다.
	3상 DC-DC 컨버터는 어떤 장점이 있는가?	하지만 저전압 대전류의 특성으로 인하여 단상을 기본으로 하는 토폴로지로는 스위치 등 소자의 전류부담이 크고 소자의 선정 및 최적설계가 용이하지 않기 때문에, 대전력 고승압의 특성이 요구되는 응용에서 3상 DC-DC 컨버터가 연구되고 있다. 3상 DC-DC 컨버터는 전류를 분배하여 스위치의 전류정격 부담을 줄일 수 있고 인터리빙으로 입·출력 필터의 부피를 줄일 수 있다. 이에 대한 연구는 많이 진행 되어있고, 여러 토폴로지들이 제안되어 왔다.
	3상 양방향 절연형 인터리브드 DC-DC컨버터는 어떤 장점이 있는가?	따라서 본 논문에서는 3상 양방향 절연형 인터리브드 DC-DC컨버터를 사용하여 배터리 충·방전기 시스템에 적용하였다. 이 컨버터는 모든 스위치가 ZVS(Zero Voltage Switching)동작을 하여 높은 효율을 갖고 3상 구조를 채택하여 전류경로의 분산을 통한 전력전달 능력의 증대 효과 및 입력전류 리플 크기를 줄여주는 인터리브드 효과를 갖는다. 승압·강압 능력이 있는 부스트·벅 컨버터의 구조는 낮은 권선비의 변압기로 높은 승압·강압 전력변환과 에너지원과 부하 사이에 절연이 가능한 구조이다.

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