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문제 정의
- 본 논문에서는 넓은 범위의 입력 정류전압(220Vrms, 380Vrms, 460Vrms, 575Vrms)에 대하여 출력전압을 500V로 일정하게 제어하는 DC-DC 컨버터를 설계하였다. 또한 추가적인 소자 없이 인덕터의 설계와 스위칭 주파수의 선정을 통하여 영전압 스위칭(ZVS)을 달성하였다.
- 본 논문에서는 넓은 범위의 입력 정류전압(220Vrms, 460Vrms, 575Vrms)에 대하여 추가적인 소자없이 인덕터의 설계를 통하여 영전압 스위칭(ZVS)이 가능한 인덕터를 설계하였다. 이를 통하여 20kW의 양방향 3상 인터리브드 DC-DC 컨버터를 구성하고, 스위칭 주파수를 10 [kHz]- 18 [kHz]의 범위에서 전구간에서 소프트 스위칭을 달성할 수 있도록 선정하였다.
제안 방법
- 이론적으로는 하드웨어의 조건이 동일하다고 가정하지만, 실제로 스위칭 소자의 손실, 인덕터의 권선저항 등의 다양한 요인에 의해서 입력전류가 정확히 1/3로 분배된다고 할 수 없다. 따라서 각 상별로 상전류의 지령치와 현재 측정치를 비교하여 오차를 산출하고 PI제어기를 거쳐 계산된 값을 산출한다. 이 계산된 값은 입력전압과 출력전압의 비율에 맞는 펄스폭 변조방식(PWM)의 인가시간이며, 결과적으로 스위치의 스위치의 듀티비가 된다.
- 입력전압의 전 범위에서 소프트 스위칭이 가능한 인덕터를 설계하기 위해서는 각 전압의 최대값과 최소값에서 인덕터를 계산하여 모두 적용이 가능한 인덕터를 선정하여야 한다. 또한 전 범위의 입력전압에서 소프트 스위칭 동작하는 인덕터 값을 하나로 설계하기 위해 전류의 리플과 관련이 있는 스위칭 주파수(fsw)를 10kHz~20kHz 이내의 범위에서 시뮬레이션과 실험을 통하여 표 1과 같이 변경하여 적용하였다. 스위칭 주파수의 범위를 이와 같이 변경하여 적용하는 경우 소프트 스위칭이 가능한 인덕터의 범위를 구할 수 있다.
- 이를 통하여 20kW의 양방향 3상 인터리브드 DC-DC 컨버터를 구성하고, 스위칭 주파수를 10 [kHz]- 18 [kHz]의 범위에서 전구간에서 소프트 스위칭을 달성할 수 있도록 선정하였다. 또한 제작한 실험세트로 실험 및 효율측정을 수행하여 제안하는 방법의 고효율 운전을 검증하였다.
- 설계한 컨버터의 효율분석을 위하여 N4L사의 전력분석기 PPA5520 모델을 이용하여 효율측정을 수행하였다. 부스트 모드와 벅 모드에서 출력 전압을 동일하게 500V로 제어하며 부하의 조정을 통하여 출력 정격을 6kW와 12kW로 구분하여 효율을 측정하였다. 이 때 스위칭 주파수는 표 2에 명시한 바와 같이 소프트 스위칭이 이루어지는 범위에서 조정하였다.
- 부하는 저항부하 20Ω으로 약 12kW의 정격의 운전시 부스트 모드와 벅 모드에서의 소프트 스위칭 동작을 검증하였다.
- 실험을 통해 스위칭 주파수 증가에 따라 인덕터에서의 전류리플이 작아지게 되고, 음의 전류 구간의 마진이 줄어들기 때문에 소프트 스위칭이 이루어지지 않는 구간을 확인하였다. 반면에 출력 정격이 높아지면 전류의 평균값이 증가하고 전류리플의 크기 또한 커지게 된다.
- 제어부는 TMS320F028335를 사용하였고, 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환부는 그림 5와 같이 구성하였다. 실험조건은 입력전압을 220Vrms, 460Vrms, 575Vrms의 다이오드 정류전압으로 인가하고, 출력전압을 500V로 제어하였다. 부하는 저항부하 20Ω으로 약 12kW의 정격의 운전시 부스트 모드와 벅 모드에서의 소프트 스위칭 동작을 검증하였다.
- )에 대하여 추가적인 소자없이 인덕터의 설계를 통하여 영전압 스위칭(ZVS)이 가능한 인덕터를 설계하였다. 이를 통하여 20kW의 양방향 3상 인터리브드 DC-DC 컨버터를 구성하고, 스위칭 주파수를 10 [kHz]- 18 [kHz]의 범위에서 전구간에서 소프트 스위칭을 달성할 수 있도록 선정하였다. 또한 제작한 실험세트로 실험 및 효율측정을 수행하여 제안하는 방법의 고효율 운전을 검증하였다.
- 그림 2는 3상 인터리브드 DC-DC 컨버터의 전류제어기의 구조를 나타낸다. 인터리브드 컨버터의 각 상의 제어를 위하여 3상에 개별적으로 PI제어기를 이용하여 전류제어를 수행한다. 이론적으로는 하드웨어의 조건이 동일하다고 가정하지만, 실제로 스위칭 소자의 손실, 인덕터의 권선저항 등의 다양한 요인에 의해서 입력전류가 정확히 1/3로 분배된다고 할 수 없다.
대상 데이터
- 따라서 인덕터를 106μH와 212μH 사이에서 회로의 전도손실을 줄이기 위해 비교적 작은 값인 130μH로 선정하였다.
- 그림 6은 제어보드와 전력 변환부 사이의 인터페이스 회로도를 나타낸다. 제어부는 TMS320F028335를 사용하였고, 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환부는 그림 5와 같이 구성하였다. 실험조건은 입력전압을 220Vrms, 460Vrms, 575Vrms의 다이오드 정류전압으로 인가하고, 출력전압을 500V로 제어하였다.
이론/모형
- 설계한 컨버터의 효율분석을 위하여 N4L사의 전력분석기 PPA5520 모델을 이용하여 효율측정을 수행하였다. 부스트 모드와 벅 모드에서 출력 전압을 동일하게 500V로 제어하며 부하의 조정을 통하여 출력 정격을 6kW와 12kW로 구분하여 효율을 측정하였다.
성능/효과
- 460Vrms의 벅 모드에서도 동일하게 정격 6kW 운전시보다 12kW 운전 시 높은 효율을 나타내었으며, 스위칭 주파수를 10kHz∼14kHz로 선정하였을 때 평균적으로 94% 이상의 효율이 측정되었다.
- 반면에 출력 정격이 높아지면 전류의 평균값이 증가하고 전류리플의 크기 또한 커지게 된다. 따라서 스위칭 주파수의 선정폭이 넓어지고 스위칭 손실이 회로 내의 전도손실보다 작은 범위에서 스위칭 주파수를 높게 선정할수록 효율이 개선됨을 확인하였다. 또한 효율 측정결과 같은 정격의 운전 시에 부스트 모드에서는 1-3%정도 낮은 효율을 보였는데, 이는 출력전압을 500V로 일정하게 제어하는 경우 부스트 모드의 입력전류의 평균값이 40∼45A 정도로, 벅 모드의 입력전류의 평균값 20∼25A에 비해 도선과 인덕터에서 발생하는 전도손실이 증가하기 때문이다.
- 따라서 전체 전류 리플의 감소와 입·출력 필터의 용량과 체적을 줄일 수 있는 이점을 가진다. 또한 사용하는 부하에 리플이 적은 양질의 전류를 공급함으로써 신뢰성을 높일 수 있으며, 사용하는 소자의 용량은 낮추고 부하의 수명은 증가시킬 수 있다. 따라서 고용량의 전력변환이 필요한 경우에는 스위치 등의 수동소자의 수가 증가할지라도, 높은 효율 달성이 가능하고 전력용 소자의 스트레스를 최소화 할 수 있는 인터리브드 방식을 주로 사용한다[8]-[9].
- 또한 추가적인 소자 없이 인덕터의 설계와 스위칭 주파수의 선정을 통하여 영전압 스위칭(ZVS)을 달성하였다. 설계된 고효율 양방향 인터리브드 DC-DC 컨버터의 소프트 스위칭 동작과 이에 따른 시스템의 고효율 운전은 제작된 실험세트를 통하여 얻은 실험결과로 그 타당성을 확인하였다.
- 인덕터 전류의 음의 구간으로 인하여 스위치의 기생커패시터의 전압이 방전되며, 스위치의 ON 시점에서는 스위치 양단전압이 0V가 되어 소프트 스위칭 동작이 수행된다. 스위치 ON 시점에서 스위치의 양단 전압과 게이팅 신호를 통해 설계된 인덕터의 값과 스위칭 주파수의 선정에 따른 제안한 컨버터의 ZVS 동작의 확인이 가능하다.
- 그림 8은 부스트 모드로 동작하는 설계된 컨버터의 동작 파형을 나타낸다. 스위치 양단의 전압을 통하여 입력전압이 220Vrms의 교류에서 다이오드 정류기를 거친 값으로 대략 DC 311V에서 맥동을 가지는 정류전압으로 인가됨을 확인할 수 있다. 인덕터 전류는 스위치의 ON, OFF에 따라 상승 또는 하강하는 전류리플을 포함한다.
- 위의 실험 결과를 통하여 130μH로 설계된 인덕터는 벅 모드 동작 시에도 부스트 모드에서와 동일하게 인덕터를 통해 흐르는 전류의 방향이 양의 구간에서 음의 구간으로 바뀌어 벅과 부스트 모드에서 모두 ZVS 동작을 만족하는 것을 확인하였다.
- 이와 같은 방식으로 575Vrms 전압에서는 스위칭 주파수를 18kHz로 설정하였을 때, 98.5%의 최대 효율을 나타내고 평균적으로 98%의 효율을 보이며 운전하는 것을 확인하였다.
- 220Vrms의 정류전압이 인가되는 경우 DC-DC 컨버터는 부스트 모드로 동작하며 선정 가능한 주파수 영역은 10kHz∼16kHz이다. 정격 6kW 운전 시 효율은 92.2%, 정격 12kW 운전 시에는 95.6%로 부스트 모드 운전시의 최대 효율을 나타내었다. 하지만 소프트 스위칭을 위한 스위칭 주파수를 18kHz로 소프트 스위칭 가능 범위를 넘게 설정하는 경우에는 입력 전압의 맥동 범위에서 모두 소프트 스위칭이 가능하지 않아 오히려 효율이 감소하는 결과를 보였다.
- 6%로 부스트 모드 운전시의 최대 효율을 나타내었다. 하지만 소프트 스위칭을 위한 스위칭 주파수를 18kHz로 소프트 스위칭 가능 범위를 넘게 설정하는 경우에는 입력 전압의 맥동 범위에서 모두 소프트 스위칭이 가능하지 않아 오히려 효율이 감소하는 결과를 보였다. 이는 초기 설계 단계의 예측 결과와 일치한다.
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