선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문에서는 50 kW 정격, 50〜450 V의 넓은 가변 범위의 충전 전압을 공급할 수 있는 전기 자동차 급속 충전기의 고효율 달성을 위해 1단 방식의 DC-DC 컨버터와 2단 방식의 DC-DC 컨버터의 손실을 분석하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 이러한 1단 방식의 위상 천이 풀브릿지 DC-DC 컨버터와 LLC 공진형 풀브릿지 컨버터에 벅 컨버터를 연결한 2단 방식을 비교 분석하였다. 손실 분석의 대상은 다이오드, IGBT, SiC MOSFET과 같은 핵심 부품 소자이며 각 소자에서 발생하는 손실 계산 기법을 설명하고 분석하였으며, 계산은 소자의 데이터시트에서 제공하는 조건들을 최대한 반영하여 진행하였다.
- 본 논문에서는 이러한 1단 방식의 위상 천이 풀브릿지 DC-DC 컨버터와 LLC 공진형 풀브릿지 컨버터에 벅 컨버터를 연결한 2단 방식을 비교 분석하였다. 손실 분석의 대상은 다이오드, IGBT, SiC MOSFET과 같은 핵심 부품 소자이며 각 소자에서 발생하는 손실 계산 기법을 설명하고 분석하였으며, 계산은 소자의 데이터시트에서 제공하는 조건들을 최대한 반영하여 진행하였다. 그리고 PSIM에서 제공하는 Thermal Module을 이용하여 각 소자에서 발생하는 손실 값을 시뮬레이션으로 확인하여 두 토폴로지의 효율을 비교 분석하였다.
- 손실 분석의 대상은 다이오드, IGBT, SiC MOSFET과 같은 핵심 부품 소자이며 각 소자에서 발생하는 손실 계산 기법을 설명하고 분석하였으며, 계산은 소자의 데이터시트에서 제공하는 조건들을 최대한 반영하여 진행하였다. 그리고 PSIM에서 제공하는 Thermal Module을 이용하여 각 소자에서 발생하는 손실 값을 시뮬레이션으로 확인하여 두 토폴로지의 효율을 비교 분석하였다.
- IGBT와 다이오드와 같은 전력 반도체 소자들은 소자 온도에 따라 다른 특성을 나타낸다. 따라서 소자의 손실 분석은 제조사의 데이터시트에서 제공하는 특정 온도에 따른 파라미터를 사용하여 진행하였다. 따라서 본 논문에서는 악조건을 가정하여 소자의 온도가 125 ℃ 일 때의 파라미터 값들을 반영하여 손실 분석을 진행하였다.
- 따라서 소자의 손실 분석은 제조사의 데이터시트에서 제공하는 특정 온도에 따른 파라미터를 사용하여 진행하였다. 따라서 본 논문에서는 악조건을 가정하여 소자의 온도가 125 ℃ 일 때의 파라미터 값들을 반영하여 손실 분석을 진행하였다.
- 위상 천이 풀브릿지 DC-DC 컨버터는 ZVS를 통해 소프트 스위칭하기 때문에 스위칭 손실을 고려하지 않고 전도 손실만을 고려하여 손실 분석을 진행하였다.
- 2 절의 내용으로부터 1단 방식이 적용된 모델의 손실 계산이 표 2와 같이 가능하다. 전도 손실 계산에 이용된 VCE,sat, VFWD, VRD와 같은 소자의 온 드롭 수치는 제조사에서 제공하는 데이터시트의 전류 크기에 따른 온 드롭 특성그래프를 참고하였다. 악조건인 125 ˚C 일 때의 값을 반영하였으며, 구간 별 평균 전류 값에 따른 온 드롭 값을 반영하였다.
- LLC 공진형 풀브릿지 DC-DC 컨버터는 공진 커패시터 Cr과 변압기의 누설 인덕터 Llk, 변압기의 자화 인덕터 Lm을 공진 요소로 이용하는 공진형 컨버터로서, 1차 측 스위치의 ZVS 및 2차 측 다이오드의 ZCS를 보장하기 때문에 시스템 효율이 우수하다는 장점을 갖는다. LLC 공진형 풀브릿지 DC-DC 컨버터의 경우 제어 가능한 출력 전압의 범위가 넓지 않기 때문에 2단 방식으로 벅 컨버터를 연결하여 넓은 출력 전압 범위를 제어할 수 있도록 하였다. 벅 컨버터의 경우 소프트 스위칭이 아닌 하드 스위칭을 하기 때문에 스위칭 손실이 크다는 단점이 있다.
- 벅 컨버터의 경우 소프트 스위칭이 아닌 하드 스위칭을 하기 때문에 스위칭 손실이 크다는 단점이 있다. 벅 컨버터의 스위칭 손실을 저감하기 위해 스위칭 구간에서 에너지 손실이 적은 SiC MOSFET을 사용하여 고효율을 달성할 수 있도록 하였다.
- 2단 방식으로 연결된 벅 컨버터의 스위치로 SiC MOSFET 소자를 사용하였으며, 일반적으로 SiC MOSFET 소자의 전류 정격이 110 A 정도의 출력 전류를 갖는 본 급속 충전기 사양에 맞지 않기 때문에 1200 V /120 A 정격을 갖는 Rohm사의 BSM120D12P2C005 SiC MOSFET 소자 2개를 병렬로 연결하여 사용하였다. 1단 방식과 마찬가지로 IGBT와 다이오드, MOSFET과 같은 전력 반도체 소자들은 소자 온도에 따라 다른 특성을 나타내기 때문에 소자의 온도가 125 ˚C 일 때의 파라미터 값들을 반영하여 손실 분석을 진행하였다.
- LLC 공진형 풀브릿지 DC-DC 컨버터의 IGBT에서 발생하는 전도 손실은 식 (1), 식 (2)에서와 마찬가지로 계산할 수 있다. LLC 공진형 컨버터 역시 ZVS를 통한 소프트 스위칭이 보장되기 때문에 스위칭 손실을 고려하지 않고 전도 손실만을 고려하여 손실을 분석하였다. 전도 손실을 계산하기 위해 소자에 흐르는 전류 파형에 관한 상세한 정보를 알아야하며, 그림 4에 LLC 공진형 풀브릿지 DC-DC 컨버터의 변압기 1차 측 전류의 반주기 파형을 나타내었다.
- 2 절의 내용으로부터 2단 방식이 적용된 모델의 손실 계산이 표 4와 같다. IGBT와 다이오드 전도 손실 계산에 이용된 VCE,sat, VFWD, VRD와 같은 소자의 온 드롭 수치는 제조사에서 제공하는 데이터시트의 전류 크기에 따른 온 드롭 특성 그래프를 참고하였다. 벅 컨버터의 SiC MOSFET과 다이오드의 전도 손실 및 스위칭 손실 계산에 이용된 도통 저항 RDS(on), 온 드롭 VF, 에너지 손실 Eon,FET, Eoff,FET, Eoff,D와 같은 수치들 역시 제조사에서 제공하는 데이터시트를 참고하였다.
- 그림 5와 그림 6은 손실 분석에 사용된 1단 방식의 DC-DC 컨버터와 2단 방식의 DC-DC 컨버터의 PSIM 회로도를 나타낸다. PSIM 시뮬레이션에서 제공하는 Thermal module을 사용하여 전력 반도체 소자들의 손실 분석을 진행하였으며, 2 절과 3 절에서 설명하고 계산한 손실 값들과 함께 표 5와 표 6에 정리하였다. 그 결과, 2 절과 3 절에서 계산한 전력 반도체 소자의 손실 값들이 시뮬레이션에서 나타난 손실 값들과 거의 일치하여 계산 과정의 타당성을 확인하였다.
대상 데이터
- 위상 천이 풀브릿지 DC-DC 컨버터의 사양은 표 1과 같다. 변압기 1차 측의 스위치로 1200 V / 300 A 정격인 Infineon사의 FF300R12KT4 IGBT 소자를 사용하였으며, 변압기 2차 측의 정류단 다이오드로 1200 V / 300 A 정격의 IXYS사의 MEE250-012DA 소자를 사용하였다.
- LLC 공진형 풀브릿지 DC-DC 컨버터에 벅 컨버터를 연결한 2단 방식의 DC-DC 컨버터의 사양은 표 3과 같으며, 1단 방식과 비교했을 때 스너버 회로가 필요하지 않다는 장점이 있다. 1단 방식과 마찬가지로 변압기 1차 측의 스위치로 1200 V / 300 A 정격의 Infineon사의 FF300R12KT4 IGBT 소자를 사용하였으며, 변압기 2차 측 정류단의 다이오드로 1200 V / 300 A 정격의 IXYS사의 MEE250-012DA 소자를 사용하였다. 2단 방식으로 연결된 벅 컨버터의 스위치로 SiC MOSFET 소자를 사용하였으며, 일반적으로 SiC MOSFET 소자의 전류 정격이 110 A 정도의 출력 전류를 갖는 본 급속 충전기 사양에 맞지 않기 때문에 1200 V /120 A 정격을 갖는 Rohm사의 BSM120D12P2C005 SiC MOSFET 소자 2개를 병렬로 연결하여 사용하였다.
- 1단 방식과 마찬가지로 변압기 1차 측의 스위치로 1200 V / 300 A 정격의 Infineon사의 FF300R12KT4 IGBT 소자를 사용하였으며, 변압기 2차 측 정류단의 다이오드로 1200 V / 300 A 정격의 IXYS사의 MEE250-012DA 소자를 사용하였다. 2단 방식으로 연결된 벅 컨버터의 스위치로 SiC MOSFET 소자를 사용하였으며, 일반적으로 SiC MOSFET 소자의 전류 정격이 110 A 정도의 출력 전류를 갖는 본 급속 충전기 사양에 맞지 않기 때문에 1200 V /120 A 정격을 갖는 Rohm사의 BSM120D12P2C005 SiC MOSFET 소자 2개를 병렬로 연결하여 사용하였다. 1단 방식과 마찬가지로 IGBT와 다이오드, MOSFET과 같은 전력 반도체 소자들은 소자 온도에 따라 다른 특성을 나타내기 때문에 소자의 온도가 125 ˚C 일 때의 파라미터 값들을 반영하여 손실 분석을 진행하였다.
- IGBT와 다이오드 전도 손실 계산에 이용된 VCE,sat, VFWD, VRD와 같은 소자의 온 드롭 수치는 제조사에서 제공하는 데이터시트의 전류 크기에 따른 온 드롭 특성 그래프를 참고하였다. 벅 컨버터의 SiC MOSFET과 다이오드의 전도 손실 및 스위칭 손실 계산에 이용된 도통 저항 RDS(on), 온 드롭 VF, 에너지 손실 Eon,FET, Eoff,FET, Eoff,D와 같은 수치들 역시 제조사에서 제공하는 데이터시트를 참고하였다. 1단 방식과 마찬가지로, 악조건인 125 ˚C 일 때의 값을 반영하였으며, 구간 별 전류의 실효값에 따른 파라미터 값을 반영하였다.
데이터처리
- 1단 방식의 DC-DC 컨버터의 경우 정류단 다이오드의 서지 전압을 저감시키기 위해 구성한 스너버 회로와 정류단 다이오드에서 큰 손실이 발생하여, SiC MOSFET을 사용하여 벅 컨버터의 스위칭 손실을 줄인 2단 방식의 DC-DC 컨버터에 비해 큰 손실이 발생했다. 본문에서 비교한 1단 방식 및 2단 방식의 DC-DC 컨버터의 손실 분석의 타당성은 PSIM 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
성능/효과
- PSIM 시뮬레이션에서 제공하는 Thermal module을 사용하여 전력 반도체 소자들의 손실 분석을 진행하였으며, 2 절과 3 절에서 설명하고 계산한 손실 값들과 함께 표 5와 표 6에 정리하였다. 그 결과, 2 절과 3 절에서 계산한 전력 반도체 소자의 손실 값들이 시뮬레이션에서 나타난 손실 값들과 거의 일치하여 계산 과정의 타당성을 확인하였다. 분석 결과 1단 방식의 DC-DC 컨버터에서 788.
- 그 결과, 2 절과 3 절에서 계산한 전력 반도체 소자의 손실 값들이 시뮬레이션에서 나타난 손실 값들과 거의 일치하여 계산 과정의 타당성을 확인하였다. 분석 결과 1단 방식의 DC-DC 컨버터에서 788.19 W의 손실이 발생하고, 2단 방식의 DC-DC 컨버터에서 684 W의 손실이 발생하였다. 또한 시뮬레이션 결과 1단 방식의 DC-DC 컨버터에서 800.
- 19 W의 손실이 발생하고, 2단 방식의 DC-DC 컨버터에서 684 W의 손실이 발생하였다. 또한 시뮬레이션 결과 1단 방식의 DC-DC 컨버터에서 800.89 W의 손실이 발생하고, 2단 방식의 DC-DC 컨버터에서 692.6 W의 손실이 발생하였다. 따라서 분석 결과와 시뮬레이션 결과 모두 2단 방식의 DC-DC 컨버터가 1단 방식의 DC-DC 컨버터에 비해 손실이 적게 발생하였다.
- 6 W의 손실이 발생하였다. 따라서 분석 결과와 시뮬레이션 결과 모두 2단 방식의 DC-DC 컨버터가 1단 방식의 DC-DC 컨버터에 비해 손실이 적게 발생하였다. 1단 방식의 DC-DC 컨버터의 경우 정류단 다이오드의 서지 전압을 저감시키기 위해 구성한 스너버 회로에서 계산 결과 264.
- 분석 결과와 시뮬레이션 결과 모두 2단 방식의 DC-DC 컨버터가 1단 방식의 DC-DC 컨버터에 비해 적은 손실이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 1단 방식의 DC-DC 컨버터의 경우 정류단 다이오드의 서지 전압을 저감시키기 위해 구성한 스너버 회로와 정류단 다이오드에서 큰 손실이 발생하여, SiC MOSFET을 사용하여 벅 컨버터의 스위칭 손실을 줄인 2단 방식의 DC-DC 컨버터에 비해 큰 손실이 발생했다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.