[논문]주파수 변조 방식 3상 인터리브드 양방향 DC-DC 컨버터의 과도상태 과전류를 최소화하기 위한 스위칭 기법

배종우; 정혜수; 정재헌; 노의철

doi:10.6113/tkpe.2016.21.6.530

주파수 변조 방식 3상 인터리브드 양방향 DC-DC 컨버터의 과도상태 과전류를 최소화하기 위한 스위칭 기법
A Switching Method for Minimizing the Over Current in Transient Response of 3-phase Interleaved Bidirectional DC-DC Converter with Frequency Modulation 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.21 no.6, 2016년, pp.530 - 537

배종우 (Dept. of Electrical Eng., Pukyong National University) , 정혜수 (Dept. of Electrical Eng., Pukyong National University) , 정재헌 (Dept. of Electrical Eng., Pukyong National University) , 노의철 (Dept. of Electrical Eng., Pukyong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This work deals with a switching method for minimizing overcurrent in a three-phase interleaved bidirectional DC-DC converter with frequency modulation. Generally, a three-phase interleaved DC-DC converter is used to reduce a current ripple component. The combined operation of three-phase and two-phase converters can significantly reduce the ripple component. However, the conventional PWM method cannot solve severe overcurrent during phase transfer or frequency variation for power control. To overcome this problem, this work proposes a new PWM switching method. A 3 kW DC-DC power converter is designed and implemented, and the converter is operated in discontinuous current mode with varying switching frequencies for power control. Simulation and experimental results show the validity of the proposed switching method. The proposed switching method can be widely used in the field of current ripple reduction for three-phase interleaved bidirectional DC-DC converters.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 3상과 2상 동작 모드를 갖는 주파수 변조 방식의 3상 인터리브드 양방향 DC-DC 컨버터의 매끄러운 상전환 동작을 위한 스위칭 기법에 대하여 다루었다.
본 논문에서는 상전환 혹은 부하 변동 발생 시 각 상의 주파수와 위상을 보상함으로써 상전환으로 인한 과전류 발생을 최소화하기 위한 새로운 스위칭 기법을 제안하였으며 실험을 통하여 제안하는 방식의 타당성을 검증하였다.
배터리 전압에 대하여 동작하는 상수에 따른 배터리 전류의 리플 크기를 분석함으로써 리플 크기를 최소화하는 동작 구간을 설정하였다. 부하 급변 혹은 상전환시 발생하는 배터리 전류의 과다한 증가를 억제하기 위하여 PWM 신호를 보상하는 알고리즘을 제시하였다. 3 [kW] 정격으로 설계된 3 상 인터리브드 컨버터에 제안하는 스위칭 기법을 적용함으로써 배터리 전류의 리플 크기가 저감된 것은 물론 부하의 급격한 변동이나 상전환 발생에도 배터리측 전류에 과전류가 거의 없는 것을 실험을 통하여 확인하였다.

가설 설정

(d) Mode IV (t3 ∼ t4) : iL이 영 (Zero) 이 되면 다시 LC 직렬공진이 발생하며 Vs2가 VDC 까지 상승한다.
배터리의 시정수가 크므로 VB는 스위치의 스위칭 한 주기 동안 일정하고 LC공진 주기는 스위칭 한 주기와 비교하여 짧기 때문에 충·방전 전력에 영향을 미치지 않는다고 가정하였다.

제안 방법

b 상과 c 상도 동일한 원리로 보상한다. 먼저 DC-Link 전압과 배터리 전압 그리고 각 상의 인덕터 전류를 측정한 후 조건에 따라 Phase_select(), Phase_change() 함수를 통하여 운전하는 상의 개수와 상전환 발생 여부를 결정한다. 각 조건이 그림 9 에 해당하는 경우는 A-2, 그림 10 에 해당되는 경우는 A-1이며 각각 식 (14) ∼ (17) 을 이용하여 보상된 값을 레지스터에 적용한다.
배터리 전압에 대하여 동작하는 상수에 따른 배터리 전류의 리플 크기를 분석함으로써 리플 크기를 최소화하는 동작 구간을 설정하였다. 부하 급변 혹은 상전환시 발생하는 배터리 전류의 과다한 증가를 억제하기 위하여 PWM 신호를 보상하는 알고리즘을 제시하였다.
배터리가 176 [V]에서 280 [V]까지 충전할 때 부하 명령치가 2.4 [kW] → 1.2 [kW] 로 변하는 경우와 1.2 [kW] → 2.4 [kW] 로 변하는 경우, 그리고 부하는 일정하고 배터리의 전압이 변하여 상전환이 발생 (그림 6 의 222 [V]지점) 하는 3 가지 경우에 대하여 수행하였다.
앞서 구한 배터리 전압과 동작하는 상수에 따른 배터리 전류 리플의 크기를 매트랩을 이용하여 그림 6 에 그래프로 나타내었다. 본 논문의 시스템은 3 상 동작 시 최대 3 [kW] 출력이 되도록 설계하였다. 따라서 2 상으로 동작하는 경우 시스템 최대 출력은 2 [kW] 가 된다.
상전환이 일어나거나 부하가 급변할 경우 발생하는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 스위칭 보상기법을 제안하였으며. 제안하는 보상기법은 부하변동과 상전환이 동시에 발생하는 경우, 상전환만 발생하는 경우, 그리고 부하만 변동하는 경우의 3 가지를 모두 고려하였다.
실험에 사용된 IGBT 는 SEMIKRON 사의 SKM 40 GD 123D 이며 제안하는 스위칭 기법은 TI 사의 TMS 320F 28335 를 이용하여 구현하였다. 시스템 스위칭 주파수의 최대값은 상당 스위칭 보상 알고리즘의 수행 시간이 약 5 [uS] 인 것을 고려하여 각 상 스위칭 시작 지점간의 거리의 약 2 배 여유를 두고 결정하였다. 또한 실제 시스템의 배터리를 사용하는 경우 시정수가 매우 커서 측정에 많은 시간이 소요되기 때문에 배터리를 대신하여 전해 커패시터를 병렬로 연결하여 사용하였다.
상전환이 일어나거나 부하가 급변할 경우 발생하는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 스위칭 보상기법을 제안하였으며. 제안하는 보상기법은 부하변동과 상전환이 동시에 발생하는 경우, 상전환만 발생하는 경우, 그리고 부하만 변동하는 경우의 3 가지를 모두 고려하였다.

대상 데이터

본 논문에서 다루는 시스템은 배터리 전압과 부하 크기에 따라 그림 1의 3상 양방향 컨버터가 3상 혹은 2상 모드로 동작한다. 먼저 충·방전 전력과 주파수 관계에 대하여 설명하면 다음과 같다.
사용된 배터리 전압 변동 범위는 176 [V] ∼ 280 [V] 이다.
그림 13 은 실험에 사용한 시스템의 하드웨어이며 표 1에 실험에 사용된 소자의 파라미터를 나타내었다. 실험에 사용된 IGBT 는 SEMIKRON 사의 SKM 40 GD 123D 이며 제안하는 스위칭 기법은 TI 사의 TMS 320F 28335 를 이용하여 구현하였다. 시스템 스위칭 주파수의 최대값은 상당 스위칭 보상 알고리즘의 수행 시간이 약 5 [uS] 인 것을 고려하여 각 상 스위칭 시작 지점간의 거리의 약 2 배 여유를 두고 결정하였다.

성능/효과

부하 급변 혹은 상전환시 발생하는 배터리 전류의 과다한 증가를 억제하기 위하여 PWM 신호를 보상하는 알고리즘을 제시하였다. 3 [kW] 정격으로 설계된 3 상 인터리브드 컨버터에 제안하는 스위칭 기법을 적용함으로써 배터리 전류의 리플 크기가 저감된 것은 물론 부하의 급격한 변동이나 상전환 발생에도 배터리측 전류에 과전류가 거의 없는 것을 실험을 통하여 확인하였다. 제안한 상전환 모드를 가지는 주파수 변조 방식 컨버터의 스위칭 기법은 배터리를 사용하는 에너지 저장 시스템의 컨버터 신뢰도 향상 및 배터리 수명 연장에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
4 [kW] 로 증가할 때 인덕터와 배터리 전류의 실험 결과 파형이다. 실험을 통해 부하 급변 혹은 상전환 발생 시 배터리 전류가 과전류 없이 변하는 것을 알 수 있다. 또한 각 상 인덕터 전류도 임계모드로 동작하는 것을 알 수 있다.

후속연구

3 [kW] 정격으로 설계된 3 상 인터리브드 컨버터에 제안하는 스위칭 기법을 적용함으로써 배터리 전류의 리플 크기가 저감된 것은 물론 부하의 급격한 변동이나 상전환 발생에도 배터리측 전류에 과전류가 거의 없는 것을 실험을 통하여 확인하였다. 제안한 상전환 모드를 가지는 주파수 변조 방식 컨버터의 스위칭 기법은 배터리를 사용하는 에너지 저장 시스템의 컨버터 신뢰도 향상 및 배터리 수명 연장에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	V2G 시스템의 핵심 구성품은 무엇인가?	아울러 전기자동차와 전력계통이 전력을 주고받을 수 있는 V2G (Vehicle to Grid) 시스템에 대한 연구의 중요성이 대두되고 있다. V2G 시스템의 핵심 구성품은 배터리의 에너지를 충전하거나 방전하기 위한 양방향 DC-DC 컨버터와 계통과 연계하여 교류 전력을 제어 할 수 있는 인버터 시스템이다[1]-[4]. 전기자동차의 핵심 구성품인 배터리는 에너지 충·방전 시 배터리 입·출력 전류 리플의 크기에 따라 배터리의 온도가 변하고 이는 배터리 수명에 큰 영향을 미치기 때문에 배터리 충·방전 시스템으로서 입·출력 전류의 리플을 저감할 수 있는 인터리브드 방식의 컨버터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[5]∼[7].
	인터리브드 방식의 V2G 시스템은 어떻게 입출력전류의 리플을 저감할 수 있는가?	전기자동차의 핵심 구성품인 배터리는 에너지 충·방전 시 배터리 입·출력 전류 리플의 크기에 따라 배터리의 온도가 변하고 이는 배터리 수명에 큰 영향을 미치기 때문에 배터리 충·방전 시스템으로서 입·출력 전류의 리플을 저감할 수 있는 인터리브드 방식의 컨버터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[5]∼[7]. [7] 의 시스템은 인터리브드 방식의 컨버터를 전류임계모드로 동작하는 주파수 변조 방식으로 제어하고, 배터리 전압의 크기에 따라 동작하는 상의 수를 변환하여 배터리 입·출력 전류의 리플 크기를 현저히 감소시킬 수 있다. 그러나 한 상을 기준으로 나머지 상의 위상과 주파수를 동시에 제어하기 때문에 급격한 부하 변동 상황이나 상전환이 발생하는 경우 과전류가 발생하여 스위칭 소자를 파손하거나 배터리에 영향을 주게 된다.
	인터리브드 방식의 컨버터에 대한 연구가 활발한 이유는 무엇인가?	V2G 시스템의 핵심 구성품은 배터리의 에너지를 충전하거나 방전하기 위한 양방향 DC-DC 컨버터와 계통과 연계하여 교류 전력을 제어 할 수 있는 인버터 시스템이다[1]-[4]. 전기자동차의 핵심 구성품인 배터리는 에너지 충·방전 시 배터리 입·출력 전류 리플의 크기에 따라 배터리의 온도가 변하고 이는 배터리 수명에 큰 영향을 미치기 때문에 배터리 충·방전 시스템으로서 입·출력 전류의 리플을 저감할 수 있는 인터리브드 방식의 컨버터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[5]∼[7]. [7] 의 시스템은 인터리브드 방식의 컨버터를 전류임계모드로 동작하는 주파수 변조 방식으로 제어하고, 배터리 전압의 크기에 따라 동작하는 상의 수를 변환하여 배터리 입·출력 전류의 리플 크기를 현저히 감소시킬 수 있다.

참고문헌 (7)

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M. Y. Han and K. S. Lee, "Estimation of state - of - charge and sensor fault detection of a lithium-ion battery in electric vehicles," The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 63, No. 8, pp. 1085-1091, Aug. 2014.

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W. J. Lee, J. K. Eom, B. M. Han, and H. J. Cha, "Design and experiment of three-phase interleaved DC-DC converter for 5kW lead-acid battery charger," The Transactions of The Korean Institute of Power Electronics, Vol. 16, No. 3, pp. 227-233, Jun. 2011.

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J. H. Jung, J. H. Kim, E. C. Nho, H. G. Kim, and T. W. Chun, "New control method for the current ripple reduction of 3-phase interleaved bidirectional DC-DC converter," The Transactions of The Korean Institute of Power Electronics, Vol. 21, No. 3, pp. 260-266, Jun. 2016.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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