[논문]변압기 없는 고승압 직류 컨버터용 대칭형 Cockcroft-Walton 회로

차대중; 백지은; 고광철

doi:10.5207/jieie.2015.29.8.070

변압기 없는 고승압 직류 컨버터용 대칭형 Cockcroft-Walton 회로
Symmetrical Cockcroft-Walton circuit for Transformerless High Step-Up DC-DC Converter 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.29 no.8, 2015년, pp.70 - 75

차대중 , 백지은 (한양대 일반대학원 전기공학과) , 고광철

Abstract ▼ AI-Helper

High Step-up DC-DC Converters have been demanded for renewable energy applications. Transformer or coupled inductor is generally used to boost output voltage of converters. This methods can relatively obtain high voltage than others, whereas have heavy weight and high cost. To complement these disadvantages, we studied transformerless high step-up DC-DC converter. In various transformerless topologies, Boost converters combined with Cockcroft-Walton have studied. In this paper, we proposed a symmetrical Cockcroft-Walton circuit for transformerless high step-up DC-DC converter. Finally, we simulated proposed converter to compare with existing converter. As a result, proposed converter has higher duty ratio or lower cost than existing transformerless converters which are discussed in this paper.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기존의 연구된 회로 분석을 기반으로, 본 논문에서는 변압기가 없는 고승압 직류 컨버터용 대칭형 CW 회로를 제안한다. 제안하는 컨버터의 출력특성을 검증하기 위해 기존의 두 컨버터의 출력파형과 승압비를 비교하는 시뮬레이션을 하였다.
신재생에너지에 대한 관심이 집중되면서, 고승압 직류 컨버터에 대한 관심과 연구가 높아지고 있다. 본 논문은 낮은 직류전압을 높은 직류전압으로 승압하기 위한 컨버터에 대하여 연구하였으며, 특히 변압기와 인버터가 없는 CW 회로 기반의 컨버터를 연구하였다.
이러한 문제를 줄이기 위해서 본 논문에서는 변압기와 인버터가 없는 CW 회로를 기반으로한 고승압 컨버터에 대하여 연구하였다.

제안 방법

CW 회로 기반의 변압기가 없는 승압형 컨버터에 대한 기존 연구를 살펴보기 위해, 대표적인 두 회로의 분석을 진행하였다.
기존 연구였던 회로 1과 회로 2의 내용을 기반으로 하여, 본 논문에서는 회로 1의 출력 전압을 향상시킨 대칭형 CW 컨버터를 제안하였다. 추가적으로 회로 1-3의 출력 특성을 비교함으로써, 제안한 회로에 대한 타당성을 검증하였다.
본 논문에서 제안한 회로 3(그림 3)의 성능을 비교하기 위해서 그림 1과 그림 2의 회로(각 회로 1, 회로 2)를 추가로 시뮬레이션 하였다. 다음 표 2은 각 회로의 시뮬레이션 파라미터를 보여준다.
그림 3은 본 논문에서 제안하는 변압기가 없는 Full-Wave CW DC-DC 컨버터를 보여준다. 제안하는 컨버터는 Full-Wave CW를 위해, 스위치 S_m2를 공통으로 하고 스위치를 3개와 Oscillating Column 하나를 더 추가하였다.
기존의 연구된 회로 분석을 기반으로, 본 논문에서는 변압기가 없는 고승압 직류 컨버터용 대칭형 CW 회로를 제안한다. 제안하는 컨버터의 출력특성을 검증하기 위해 기존의 두 컨버터의 출력파형과 승압비를 비교하는 시뮬레이션을 하였다.

대상 데이터

회로 3은 본 논문에서 제안하는 회로이며, 전체 CW의 단수는 5단으로 하였다. 위 시뮬레이션 조건에서 L은 회로 1과 회로 3의 L₁과 L₂의 값을 나타내며, C는 CW의 모든 커패시터(C₁ ⋯ C_n, C ′₁⋯ C ′_n, C ″ ₁⋯ C ″ n)의 값을 나타낸다.

데이터처리

기존 연구였던 회로 1과 회로 2의 내용을 기반으로 하여, 본 논문에서는 회로 1의 출력 전압을 향상시킨 대칭형 CW 컨버터를 제안하였다. 추가적으로 회로 1-3의 출력 특성을 비교함으로써, 제안한 회로에 대한 타당성을 검증하였다.

성능/효과

그 결과 제안한 회로 3은 회로 1보다 전체 듀티비에서 승압비가 높았으며, 회로 2의 입력이 AC 임을 감안하였을 때, DC 입력인 제안한 회로가 훨씬 효과적임을 알 수 있다. 위 연구를 기반으로 좀 더 높은 승압비를 가지고, 구조가 간단한 변압기 없는 고승압 CW 컨버터를 연구할 계획이다.
본 논문에서 제안한 대칭형 구조가 회로 1의 출력 전압을 같은 듀티비에서 더 높일 수 있음을 확인할 수 있다. 또한 비교적 높은 출력을 가지는 회로 2의 V_r보다 회로 1과 회로 3의 Vr이 안정적으로 CW에 입력되는 것을 확인할 수 있다.
하지만, 입력 전원이 5kHz가 되기 위해서는 낮은 DC 전압을 다시 교류형태로 바꾸어주는 인버터가 필요하기 때문에, 스위치 개수도 많이 필요하고, 제어도 복잡해진다. 마지막으로, 전압 이득 곡선에서 알 수 있듯이 기존 회로 1보다 본 논문에서 제안한 회로 3의 전압 이득이 더 높다는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서 제안한 대칭형 구조가 회로 1의 출력 전압을 같은 듀티비에서 더 높일 수 있음을 확인할 수 있다. 또한 비교적 높은 출력을 가지는 회로 2의 V_r보다 회로 1과 회로 3의 Vr이 안정적으로 CW에 입력되는 것을 확인할 수 있다.
V_o는 출력 전압이고, V_r은 CW의 입력 전압을 보여준다. 회로 1의 출력은 약 6kV, 회로 2는 약 13.5kV, 마지막으로 제안한 컨버터는 약 8kV의 출력을 가지는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

그 결과 제안한 회로 3은 회로 1보다 전체 듀티비에서 승압비가 높았으며, 회로 2의 입력이 AC 임을 감안하였을 때, DC 입력인 제안한 회로가 훨씬 효과적임을 알 수 있다. 위 연구를 기반으로 좀 더 높은 승압비를 가지고, 구조가 간단한 변압기 없는 고승압 CW 컨버터를 연구할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CW란?	그 중에서 CW(Cockcroft-Walton Voltage Multiplier)는 교류 전원을 직류 전원으로 승압할 때 많이 사용되는 회로로, X-ray, 전자현미경, 레이저, 입자가 속기 등의 많은 산업시스템에 응용되어왔다[8-9]. 최근에는 위에서 언급한 신재생에너지와 같은 응용을 위해 낮은 직류 전압을 매우 높게 승압하는 용도로 사용되기 시작했다[10].
	CW 회로의 문제점은 무엇인가?	하지만 CW 회로의 소스는 교류전력이기 때문에, 낮은 입력의 직류전압을 인버터를 통해서 교류로 변환해야하는 번거로움이 있으며, 안정적으로 높은 승압비을 가지기 위해서 변압기를 필요로 한다[8]. 변압기를 함께 사용할 경우 시스템의 중량이 늘어나며, 고압측 절연문제가 발생한다.
	변압기가 없는 Half-Wave CW DC-DC 컨버터의 특징은 무엇인가?	그림 1은 변압기가 없는 Half-Wave CW DC-DC 컨버터를 보여준다[10]. 이 회로는 직류입력을 고압직류출력으로 변환하며, 가장 큰 특징으로는 DC-DC 변환에서 인버터와 변압기를 사용하지 않고 CW에 적합하게 동작하는 것이다. 또한 일반 Boost 컨버터 처럼 CCM(Continuous Conduction Mode), DCM (Discontinuous Conduction Mode) 운영이 가능하다. 그림 2는 변압기가 없는 Full-Wave CW AC-DC 컨버터이다[11].

참고문헌 (11)

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상세보기
C. M. Young, M. H. Chen, T. A. Chang, C. C. Ko, K. K. Jen, "Cascade Cockcroft-Walton Voltage Multiplier Applied to Transformerless High Step-Up DC-DC Converter", IEEE Trans. Power Electron., 60 (2), pp. 523-537, 2013.
C. M. Young, M. H. Chen, H. L. Chen, J. Y. Chao, C. C. Ko, "Transformerless Signle-Stage High Step-Up AC-DC Converter Based on Symmetrical Cockcroft-Walton Voltage Multiplier with PFC", IEEE Power Electronics and Drive system, pp. 191-196, 2011.

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