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문제 정의
- 본 논문에서는 2상 인터리브드 컨버터에 양방향 동작 및 SiC-FET를 적용한 HDC를 제안하고, 주요 소자 설계방안을 제시한다. 50kW급 시작품으로 제안한 방식의 타당성을 검증한다.
- 본 논문에서는 대전력 응용에 적합한 고 전력밀도 양방향 컨버터를 제안하고, 주요 요소인 주파수, 인덕턴스 선정 근거를 제안한다. 기존 대전력 양방향 컨버터는 낮은 구동 주파수로 수동 소자의 고밀도화에 적합하지 않다.
제안 방법
- 기존 IGBT가 10kHz의 스위칭 주파수로 동작하는 경우와 SiC-FET가 10kHz ∼ 100kHz의 주파수로 동작하는 경우, 입력전압의 변화에 따라 다음의 조건에서 손실을 분석하였다.
- 1장에서 살펴본 것과 같이 SiC-FET는 기존 Si 반도체보다 우수한 성능을 가진다. 기존 Si-IGBT와의 차이를 손실분석을 통해 비교하고 스위칭 주파수 상향의 효과를 비교한다. 기존 IGBT가 10kHz의 스위칭 주파수로 동작하는 경우와 SiC-FET가 10kHz ∼ 100kHz의 주파수로 동작하는 경우, 입력전압의 변화에 따라 다음의 조건에서 손실을 분석하였다.
- 2에서 다룬 인터리브드 구동 방식은 2개의 단상 컨버터를 병렬로 연결하므로 컨버터 구동에 사용되는 인덕터도 2개가 필요하다. 본 논문에서는 두 개의 인덕터를 커플링 함으로써 하나의 커플드 인덕터로 사용 가능하다. 이와 같은 커플드 인덕터 적용 방법으로 크게 CM(Common Mode)방식과 DM 방식으로 나눌 수 있다 [8] .
- 제안 양방향 HDC의 인덕턴스 선정에 있어서 인덕터 의 누설 인덕턴스의 전류 리플은 스위칭 손실과 관계가 깊으며, 인덕터의 자화 인덕턴스의 전류 리플은 인덕터 손실과 관계가 깊으므로 인덕턴스의 선정이 매우 중요하다. 선정을 위한 비교조건으로는 3.1.1의 SiC-FET를 적용하며, 입력전압 320V, 출력전압 700V, 부하조건 17kW, 자화 인덕턴스와 누설인덕턴스의 비율(Ln=Llk/Lm)이 0.4인 경우에 대한 손실을 분석한다. 그림 7(a)는 누설인덕턴스 증가에 따른 스위칭 손실을 나타내며, 그림 7(b)는 인덕터 손실을 나타낸다.
- 제안하는 컨버터는 그림 1에서 나타나듯이 4개의 SiC-FET(Silicon Carbide Field Effect Transistor)를 적용한 고속 스위칭 구동 방식과 하나의 DM 커플드 인덕터를 적용한 인터리브드 구동방식이며, 고속 스위칭을 통해 커플드 인덕터의 누설 인덕터로 전력을 전달한다.
- 그림 11는 제안 양방향 컨버터의 부하 변동에 따른 이론적 효율과 측정 효율을 비교하였다. 효율 비교를 위해 전력 분석기(YOKOGAWA WT1600)을 이용하여 측정하였다. 제안 컨버터의 승압 모드 동작 시 실험효율과 이론효율은 전반적으로 유사한 효율의 그래프를 보이며 최대 부하조건인 50kW에서 모든 입력 전압에 대해 97.
대상 데이터
- 결론적으로 인덕턴스의 설계는 손실을 고려한 최소의 인덕턴스를 선정하는 것이 중요하며, 고 전력밀도 구현을 위해 턴 수가 적을수록 인덕터의 체적 저감에 유리하므로 인덕터 손실과 전체 손실이 감소되는 폭이 평형을 이루는 구간이 14∼16uH로 누설 인덕턴스를 선정하는 것이 유리하다. 따라서 제안 시스템은 15uH의 누설 인덕턴스를 선정하였다.
- 모든 입력 전압에 대해 스위칭 주파수 40kHz∼60kHz구간에서 전체 손실이 가장 적음을 볼 수 있다. 이 중, 3.1.3절의 커패시터 고밀도화에 적합하며, 전체 손실이 적은 60kHz의 스위칭 주파수를 선정한다.
- 제안 컨버터는 차세대 전력 반도체 소자인 SiC-FET를 적용하였다. SiC-FET는 높은 전류밀도와 고 내압을 가지고 있으며, 그림 2(a)과 같이 우수한 턴-오프 특성으로 고주파 구동에 용이하며, 그림2(b)와 같이 뛰어난 온도특성으로 인해 고온에서도 낮은 도통 저항을 유지 한다 [6] .
- 기존 IGBT가 10kHz의 스위칭 주파수로 동작하는 경우와 SiC-FET가 10kHz ∼ 100kHz의 주파수로 동작하는 경우, 입력전압의 변화에 따라 다음의 조건에서 손실을 분석하였다. 출력전압 700V, 입력전류리플 40%의 조건의 인덕턴스에 대하여, IGBT는 Infineon사의 FS400R12A2T4와 SiC-FET는 Cree사의 CAS300M12BM2를 사용하여 손실을 분석하였다. 출력 전력 17kW 조건에서 스위칭 손실 비교를 입력전압 280V, 320V, 400V 조건에 따라 그림 5에 나타내었다
데이터처리
- 제안한 컨버터의 타당성을 입증하기 위해 3절의 설계 사양 및 표 2의 리액티브 소자를 바탕으로 50kW급 HDC를 제작한 후 동작 검증 및 효율을 비교분석하였다. 그림 10은 입력전압에 따른 동작 파형으로 각 상의 전류와 스위치 양단 전압 및 출력전압의 결과이다.
이론/모형
- 이러한 문제를 해결하기 위해 큰 내압을 가지며, 스위칭 특성 및 고온 동작 특성이 우수한 SiC-FET를 이용하여 HDC에 부가회로 없이 동작 주파수 향상을 달성할 수 있다. 또한, 입출력 커패시터의 리플 및 RMS 전류를 대폭 감소시킬 수 있는 2상 인터리브드 구동 방식을 적용하여 커패시터의 용량 및 체적 저감이 가능하다. 뿐만 아니라, 2상 인터리브드 구동을 위해 요구되는 2개의 인덕터를 DM(Differential Mode) 커플드 인덕터로 적용하여 인덕터 내부자속상쇄를 통한 인덕터의 고전력밀도화가 가능하다.
성능/효과
- 따라서 일차 측과 이차 측의 전류가 더해진 전류가 자화 인덕터에 흐르게 된다. 그림3(b)와 같이 자화전류는 높은 offset을 가지며, 높은 Bsat레벨을 가지므로 대전류 시스템에서 자기포화 발생가능성이 높다. 반면, DM방식 적용 시에는 그림4(a)과 같이 각 상의 인덕터에 흐르는 전류에 의한 코어 내부자속이 서로 반대 방향으로 생성되어 상쇄된다.
- 2.1장에서 살펴본 것과 같이 SiC-FET는 기존 Si 반도체보다 우수한 성능을 가진다. 기존 Si-IGBT와의 차이를 손실분석을 통해 비교하고 스위칭 주파수 상향의 효과를 비교한다.
- 결론적으로 인덕턴스의 설계는 손실을 고려한 최소의 인덕턴스를 선정하는 것이 중요하며, 고 전력밀도 구현을 위해 턴 수가 적을수록 인덕터의 체적 저감에 유리하므로 인덕터 손실과 전체 손실이 감소되는 폭이 평형을 이루는 구간이 14∼16uH로 누설 인덕턴스를 선정하는 것이 유리하다.
- 모든 입력전압 조건하에서 10kHz의 구동주파수를 가지는 IGBT의 스위칭 손실보다 100kHz의 구동주파수를 가지는 SiC-FET가 더 적은 스위칭 손실을 가짐을 볼 수 있다. 이는 SiC-FET가 작은 Rds(on) : 5mΩ을 가지므로 스위치의 도통손실을 감소시킬 수 있으며, 바디다이오드의 리버스 리커버리가 없으므로(Trr : 0nsec) 스위칭 손실 저감에 용이하다.
- 대전력 시스템에서 인터리브드 기법을 사용하면 전류분담이 가능하며 수동소자의 체적이 줄어드는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 제안 컨버터는 고주파 구동을 적용하여 적은 인턱턴스가 요구되므로 인터리브드 기법에 차동모드 커플드 인덕터의 누설 인덕턴스를 주 인덕터로 사용하며, 코어 내부자속 상쇄를 통한 자화전류 오프셋 저감을 통해 코어의 체적을 대폭 감소하였다. 제안하는 2상 인터리브드 HDC를 아래와 같은 기준으로 설계하였다.
- 전체 시료를 비교한 결과, 40∼60kHz 스위칭 주파수 구간의 전체 손실이 가장 낮은 수준이므로 해당 구간의 스위칭 주파수 선정이 시스템 구성에 유리하다.
- 효율 비교를 위해 전력 분석기(YOKOGAWA WT1600)을 이용하여 측정하였다. 제안 컨버터의 승압 모드 동작 시 실험효율과 이론효율은 전반적으로 유사한 효율의 그래프를 보이며 최대 부하조건인 50kW에서 모든 입력 전압에 대해 97.54% 이상의 효율이 측정되었으며, 최대 98.05%(@Vin =400V)의 효율이 측정되었다.
- 반면, 차세대 전력 반도체인 SiC-FET를 적용하여 구동 주파수를 상승하였으며, DM 커플드 인덕터를 적용한 2상 인터리브드 방식을 적용하여 수동소자 체적저감을 통한 고전력밀도화를 이루었다. 제안하는 컨버터의 타당성을 50kW의 시작품 제작을 통해 입증하였으며, 400V입력전압에 대해 최대 부하 효율 98.1%, 전력밀도 20.87kW/l를 달성하였다.
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