[논문]배터리 충·방전용 3상 인터리브드 양방향 DC-DC 컨버터의 새로운 소프트 스위칭 방법

정재헌; 서보길; 권창근; 노의철; 김인동; 김흥근; 전태원

doi:10.6113/tkpe.2014.19.4.383

배터리 충·방전용 3상 인터리브드 양방향 DC-DC 컨버터의 새로운 소프트 스위칭 방법
New Soft-Switching Method of 3-phase Interleaved Bidirectional DC-DC Converter for Battery Charging and Discharging 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.19 no.4, 2014년, pp.383 - 390

정재헌 (Dept. of Electrical Eng., Pukyong National University) , 서보길 (Dept. of Electrical Eng., Pukyong National University) , 권창근 (Dept. of Electrical Eng., Pukyong National University) , 노의철 (Dept. of Electrical Eng., Pukyong National University) , 김인동 (Dept. of Electrical Eng., Pukyong National University) , 김흥근 (Dept. of Electrical Eng., Kyungpook Natioinal University) , 전태원 (Dept. of Electrical Eng., University of Ulsan)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with novel soft-switching method for a bidirectional DC-DC converter in battery charging and discharging system. The proposed soft-switching method provides ZVS and ZCS at turn-on, and ZVS at turn-off of the switch in both charging and discharging operation modes. The soft switching condition can be obtained in wide load range, and provide low switching loss as well as low voltage spike at turn-off of the switch. Proposed method is analyzed in charging and discharging mode. Simulation and experimental results validate the usefulness of the proposed soft-switching method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 3상 인터리브드 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭 손실의 최소화를 위한 LC공진을 이용한 새로운 스위칭 신호 생성 기법을 제시하였다. 기존의 인터리브드 방식과 비교하여 컨버터가 전류 불연속 모드에서 동작하기 때문에 경부하시 스위치 소자의 도통 손실이 감소하며, 충전과 방전 시 하나의 스위치 소자만 스위칭하기 때문에 스위칭 손실 또한 감소한다.
그리고 [2]의 시스템은 전류 연속모드에서 동작하기 때문에 하드스위칭을 하게 되어 스위칭 손실이 크다는 단점이 존재하며, DAB(Dual Active Bridge)방식을 응용한 토폴로지^[3]-[4]는 스위치 소자의 ZVS 조건을 만족하는 구간에 제한이 있다는 단점이 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 본 논문에서는 LC공진을 이용한 새로운 방식의 소프트 스위칭 방법을 제안하고자 한다.

가설 설정

여기서 i_L은 인덕터 전류, V_S1과 V_S2는 각각 상단부 및 하단부 스위치의 양단 전압을 나타낸다. V_DC = 2⨯V_B인 경우를 가정하였으며 이 때 i_L이 증가하는 구간과 감소하는 구간에서 iL의 기울기는 동일하다.
V_DC는 계통 연계형 PWM 컨버터의 DC-link 전압으로 계통의 역률을 제어한다는 가정 하에 400 [V]로 결정하였으며, L의 값은 배터리 전압이 최저인 200 [V]에서 3 [kW]로 충전, 방전 시 임계모드가 되도록 식 (15)를 이용하여 500 [uH]로 결정하였다.
그림 1은 제안하는 양방향 DC-DC 컨버터 회로도이다. V_DC는 계통연계형 인버터의 DC-link단 전압이며 400 [V]로 가정하였다. V_B는 배터리 전압을 나타내며, V_B의 변동 범위는 200 ∼ 280 [V]이다.

제안 방법

기존의 방식^[1]과는 달리 인덕터 전류(i_La, i_Lb, i_Lc)가 전류 불연속모드에서 동작하도록 하였으며 하단 스위치(S2a, S2b, S2c)에만 병렬로 ZVS용 커패시터(C_Sa, C_Sb, C_Sc)를 추가하였다. 그리고 선로에 의한 표류 인덕턴스(stray inductance)를 최소화하기 위하여 6 개의 IGBT가 1 개의 모듈에 들어있는 소자를 사용하여 시스템을 구성하였다.
V_B는 배터리 전압을 나타내며, V_B의 변동 범위는 200 ∼ 280 [V]이다. 기존의 방식^[1]과는 달리 인덕터 전류(i_La, i_Lb, i_Lc)가 전류 불연속모드에서 동작하도록 하였으며 하단 스위치(S2a, S2b, S2c)에만 병렬로 ZVS용 커패시터(C_Sa, C_Sb, C_Sc)를 추가하였다. 그리고 선로에 의한 표류 인덕턴스(stray inductance)를 최소화하기 위하여 6 개의 IGBT가 1 개의 모듈에 들어있는 소자를 사용하여 시스템을 구성하였다.
시뮬레이션과 실험을 통하여 스위치의 턴-온 시 ZCS 및 ZVS 스위치 턴-오프 시 ZVS가 되는 것을 확인 하였다. 또한 V_B를 동작 전압 범위 내에서 20 [V]구간으로 구분 하여 모든 구간에서 1 [kW], 2 [kW], 3 [kW]의 전력으로 충전 하는 경우의 효율을 측정 하였다. 측정된 효율 값을 이용하여 충전 전력이 1 [kW], 2 [kW], 3 [kW]인 경우에 대한 평균 효율을 계산하였는데 각각 95.
제안하는 시스템의 하드웨어는 [1]과 유사하지만 ZVS 용 커패시터의 갯수를 6 개에서 3 개로 50 [%] 줄였으며, 동작도 [1]과는 달리 경부하와 무부하시 도통 손실을 저감하기 위하여 전류 불연속 모드로 동작한다. 또한 충전시는 벅컨버터, 방전 시는 부스트컨버터로 동작하는데 각 모드에 해당하는 스위치 소자만 스위칭을 하기 때문에 스위칭 손실을 최소화 하였으며 전체 부하 구간에서 스위치의 턴-오프 시 ZVS, 턴-온 시 ZVS와 ZCS가 되도록 하였다. 제안하는 새로운 소프트 스위칭 방식을 충전 모드와 방전 모드로 구분하여 분석하였으며 시뮬레이션과 실험을 통하여 그 효용성을 입증하였다.
제어보드와 게이트 드라이버를 제외한 컨버터의 효율을 다음과 같은 방법으로 측정하였다. 먼저 V_B를 사용 전압 범위 내에서 20 [V] 구간(200 [V], 220 [V], 240 [V], 260 [V], 280 [V])으로 구분하였으며 각 구간에서 충전 전력이 1 [kW], 2 [kW], 3 [kW]인 경우에 대하여 효율을 측정하였다. 또한 각 충전 전력에 대한 효율의 평균값을 계산하여 구하였는데, 충전 전력이 1 [kW], 2 [kW], 3[kW]인 경우에 96.
본 논문에서는 충·방전 각 모드에서 스위치가 턴-온 시 ZVS 와 ZCS, 턴-오프 시 ZVS가 되도록 하였으며, 이러한 소프트 스위칭은 전부하 영역에서 이루어진다.
기존의 인터리브드 방식과 비교하여 컨버터가 전류 불연속 모드에서 동작하기 때문에 경부하시 스위치 소자의 도통 손실이 감소하며, 충전과 방전 시 하나의 스위치 소자만 스위칭하기 때문에 스위칭 손실 또한 감소한다. 상단 및 하단의 스위치에 모두 커패시터를 추가한 기존의 방식과는 달리 하단 스위치에만 병렬로 커패시터를 추가하여 각 모드에서 동작하는 스위칭 소자의 턴-오프 시 ZVS, 턴-온시 ZVS 및 ZCS가 되도록 하였다.
또한 충전시는 벅컨버터, 방전 시는 부스트컨버터로 동작하는데 각 모드에 해당하는 스위치 소자만 스위칭을 하기 때문에 스위칭 손실을 최소화 하였으며 전체 부하 구간에서 스위치의 턴-오프 시 ZVS, 턴-온 시 ZVS와 ZCS가 되도록 하였다. 제안하는 새로운 소프트 스위칭 방식을 충전 모드와 방전 모드로 구분하여 분석하였으며 시뮬레이션과 실험을 통하여 그 효용성을 입증하였다.
제안하는 시스템의 하드웨어는 [1]과 유사하지만 ZVS 용 커패시터의 갯수를 6 개에서 3 개로 50 [%] 줄였으며, 동작도 [1]과는 달리 경부하와 무부하시 도통 손실을 저감하기 위하여 전류 불연속 모드로 동작한다. 또한 충전시는 벅컨버터, 방전 시는 부스트컨버터로 동작하는데 각 모드에 해당하는 스위치 소자만 스위칭을 하기 때문에 스위칭 손실을 최소화 하였으며 전체 부하 구간에서 스위치의 턴-오프 시 ZVS, 턴-온 시 ZVS와 ZCS가 되도록 하였다.
제안하는 양방향 DC-DC 컨버터의 동작은 충전모드와 방전모드로 구별되는데 충전모드에서는 DC-link에서 배터리로 에너지가 전달되며 벅컨버터로 동작을 한다. 상단 스위치(S1a, S1b, S1c)는 임의의 듀티로 스위칭을 하며, 하단 스위치(S2a, S2b, S2c)는 오프를 유지함으로서 벅컨버터의 환류 다이오드역할을 한다.
2 [nF]의 커패시터를 사용하기 위하여 150 [kHz]로 결정하였다. 충전 시와 방전 시 각 부 파형이 동일하기 때문에 충전시를 기준으로 시뮬레이션을 수행하였으며, 배터리 전압이 최대인 280 [V]에서 3 [kW]와 1 [kW] 전력으로 충전하는 경우와 배터리 전압이 최저인 200 [V]에서 동일한 전력으로 충전하는 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다.

대상 데이터

시뮬레이션과 동일한 시스템 파라미터로 하드웨어를 제작하였으며, 그림 7에 실험을 위해 제작된 하드웨어 구성을 나타내었다. 실험에서 사용된 IGBT 모듈은 6개의 IGBT가 하나의 모듈에 들어있는 SEMIKRON사의 SKM 40 GD 123D를 사용하였다. 제어에 사용된 MCU는 TI(Texas Instruments)사의 TMS320F28335이다.
실험에서 사용된 IGBT 모듈은 6개의 IGBT가 하나의 모듈에 들어있는 SEMIKRON사의 SKM 40 GD 123D를 사용하였다. 제어에 사용된 MCU는 TI(Texas Instruments)사의 TMS320F28335이다.

성능/효과

먼저 V_B를 사용 전압 범위 내에서 20 [V] 구간(200 [V], 220 [V], 240 [V], 260 [V], 280 [V])으로 구분하였으며 각 구간에서 충전 전력이 1 [kW], 2 [kW], 3 [kW]인 경우에 대하여 효율을 측정하였다. 또한 각 충전 전력에 대한 효율의 평균값을 계산하여 구하였는데, 충전 전력이 1 [kW], 2 [kW], 3[kW]인 경우에 96.82 [%], 97.37 [%], 97.51 [%]이며 전구간 평균 효율은 97.23 [%]로 계산되었다. 그림 10에 각 구간에서 측정한 효율을 그래프로 나타내었다.
42 [%]로 계산되었다. 또한 측정된 효율의 전체 평균은 96.73 [%]로 측정 되었으며, 충전 전력이 정격의 약 33 [%]인 1 [kW]에서의 시스템 효율은 95.63 [%]로서 입·출력 전력이 낮은 경 부하 구간에서도 전 구간 평균 효율과 비교하여 1 [%]의 차이만 있는 것을 확인 하였다.
본 논문에서 제안한 soft-switching 기법에 의한 스위칭 주파수는 기본적으로 일정하지만 일정한 스위칭 주파수를 갖는 일반적인 방법과는 다소 다르게 스위칭 시점이 미세하게 변동한다. 이러한 스위칭 신호 생성 방법을 설명하기 위하여 그림 4에 충전 모드 시 Mode IV 의 iL, V_S1, V_S2, S1에 인가되는 게이트 신호인 S1_{_sig}, 그리고 공진 전류의 영점에서 발생하는 신호인 S_{ZD_sig}와 제어기의 PWM 모듈에 설정된 주기 S_{MCU_sig}를 나타내었다.
전압 스케일은 200 [V/DIV]이며, 전류 스케일은 5 [A/DIV], 그리고 시간 축 스케일은 10 [uS/DIV]이다. 시뮬레이션 결과와 거의 유사한 것을 확인 할 수 있으며 V_S1과 i_L이 영인 점에서 S1이 턴-온하여 ZVS, ZCS가 되는 것을 확인 할 수 있으며 V_S1이 영인 점에서 S1이 턴-오프 하여 ZVS가 되는 것을 확인 할 수 있다.
시뮬레이션과 실험을 통하여 스위치의 턴-온 시 ZCS 및 ZVS 스위치 턴-오프 시 ZVS가 되는 것을 확인 하였다. 또한 V_B를 동작 전압 범위 내에서 20 [V]구간으로 구분 하여 모든 구간에서 1 [kW], 2 [kW], 3 [kW]의 전력으로 충전 하는 경우의 효율을 측정 하였다.
또한 V_B를 동작 전압 범위 내에서 20 [V]구간으로 구분 하여 모든 구간에서 1 [kW], 2 [kW], 3 [kW]의 전력으로 충전 하는 경우의 효율을 측정 하였다. 측정된 효율 값을 이용하여 충전 전력이 1 [kW], 2 [kW], 3 [kW]인 경우에 대한 평균 효율을 계산하였는데 각각 95.63 [%], 97.15 [%], 97.42 [%]로 계산되었다. 또한 측정된 효율의 전체 평균은 96.
효율 측정 결과를 통하여 정격 충전 전력의 약 33 [%]인 1 [kW]로 충전하는 경우 시스템 효율은 전부하 구간에서의 평균 효율과 0.4 [%]정도의 차이만 있다는 것을 확인 할 수 있다.

후속연구

제안한 소프트스위칭 기법은 배터리나 슈퍼커패시터와 같은 에너지 저장 시스템에서 사용되는 양방향 DC-DC 컨버터의 고효율화 구현에 많은 기여를 할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 제안하는 양방향 DC-DC 컨버터의 동작은 어떻게 구별되는가?	제안하는 양방향 DC-DC 컨버터의 동작은 충전모드와 방전모드로 구별되는데 충전모드에서는 DC-link에서 배터리로 에너지가 전달되며 벅컨버터로 동작을 한다. 상단 스위치(S1a, S1b, S1c)는 임의의 듀티로 스위칭을 하며, 하단 스위치(S2a, S2b, S2c)는 오프를 유지함으로서 벅컨버터의 환류 다이오드역할을 한다.
	하드스위칭을 하게 되어 스위칭 손실이 크다는 단점이 존재하는 시스템의 문제를 개선하기 위하여 본 논문에서는 어떤 방법을 제안하는가?	그리고 [2] 의 시스템은 전류 연속모드에서 동작하기 때문에 하드스위칭을 하게 되어 스위칭 손실이 크다는 단점이 존재하며, DAB(Dual Active Bridge)방식을 응용한 토폴로지[3]-[4]는 스위치 소자의 ZVS 조건을 만족하는 구간에 제한이 있다는 단점이 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 본 논문에서는 LC공진을 이용한 새로운 방식의 소프트 스위칭 방법을 제안하고자 한다.
	충·방전 시스템에서 에너지를 저장하는 주요 소자는 무엇인가?	최근 에너지를 효과적으로 활용하기 위하여 에너지 충·방전 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 에너지 충·방전 시스템에서 에너지를 저장하는 주요 소자는 배터리나 슈퍼커패시터를 들 수 있다. 그런데 배터리를 에너지 저장소자로 구성하는 경우 배터리의 입·출력 전류의 리플은 배터리의 수명과 직접적인 관련이 있기 때문에, 배터리의 입·출력 전류의 리플을 줄이는 것을 목적으로 한 다양한 토폴로지의 전력 변환장치가 연구되고 있다[1]-[7].

참고문헌 (7)

Junhong Zhang, Jih-Sheng Lai, Rae-young Kim, Wensong Yu, "High-power density design of a soft-switching high-power bidirectional DC-DC converter," IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 22, No. 4, pp. 1145-1153, Jul. 2007.
W. J. Lee, J. K. Eom, B. M. Han, H. J. Cha, "Design and Experiment of Three-phase Interleaved DC-DC Converter for 5kW Lead-Acid Battery Charger," Journal of Power Electronics, Vol. 16, No. 3, pp. 227-233, Jun. 2011.

원문보기 상세보기
Zhan Wang, Hui Li, "A soft switching three-phase current-fed bidirectional dc-dc converter with high efficiency over a wide input voltage range," IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 27, No. 2, pp. 669-684, Feb. 2012.

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M. H. Kwon, K. I. Han, J. S. Park, S. W. Choi, "A Bidirectional Three-phase Push-pull Zero-Voltage Switching DC-DC Converter," Journal of Power Electronics, Vol. 18, No. 4, pp. 403-411, Aug. 2013.

원문보기 상세보기
R. Ayyanar, N. Mohan, "A novel full-bridge DC-DC converter for battery charging using secondary-side control combines soft switching over the full load range and low magnetics requirement," IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 37, No. 2, pp. 559-565, Mar. 2001.

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P. J. Grbovicc, P. Delarue, P. Le Moigne, P. Bartholomeus, "A Bidirectional Three-level DC-DC Converter for the Ultracapacitor Applications," IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol. 57, No. 10, pp. 3415-3430, Oct. 2010.

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J. Dudrik, N.-D. Trip, "Soft-switching PS-PWM DC-DC converter for full-load range applications," IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol. 57, No. 8, pp. 2807-2814, Aug. 2010.

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표제어: PCR

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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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