[논문]3상 인터리브드 양방향 DC-DC 컨버터의 전류리플을 저감하기 위한 새로운 제어기법

정재헌; 김지현; 노의철; 김흥근; 전태원

doi:10.6113/tkpe.2016.21.3.260

3상 인터리브드 양방향 DC-DC 컨버터의 전류리플을 저감하기 위한 새로운 제어기법
New Control Method for the Current Ripple Reduction of 3-phase Interleaved Bidirectional DC-DC Converter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.21 no.3, 2016년, pp.260 - 266

정재헌 (Dept. of Electrical Eng., Pukyong National University) , 김지현 (Dept. of Electrical Eng., Pukyong National University) , 노의철 (Dept. of Electrical Eng., Pukyong National University) , 김흥근 (Dept. of Electrical Eng., Kyungpook National University) , 전태원 (Dept. of Electrical Eng., University of Ulsan)

Abstract ▼ AI-Helper

A new method for the current ripple reduction of a three-phase interleaved bidirectional DC-DC converter is proposed. The converter used in this study operates in discontinuous mode to minimize the switching losses. All the switches are turned on at ZVS and ZCS conditions, and turned off at ZVS condition. The charging and discharging power of the battery is controlled by varying the switching frequency while maintaining the discontinuous mode operation. A 3 kW 20 kHz power converter is designed and implemented. Simulation and experimental results show the validity of the proposed method. The proposed control method can be used to reduce the battery ripple current significantly.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 3상 인터리브드 양방향 DC-DC 컨버터의 전류리플을 저감하기 위한 새로운 제어기법을 제안하였다.
본 논문에서는 3상 인터리브드 양방향 DC-DC 컨버터의 전류리플을 줄이기 위한 새로운 기법인 상 제어 기법을 제안하고자 한다. 제안하는 상 제어 기법은 스위칭 주파수를 제어함으로써 부하를 조절한다.

가설 설정

5 kW인 경우에 대한 배터리 전압, DC링크단 전압, 인덕터 전류 및 배터리 전류의 시 뮬레이션 결과 파형이다. 동일한 부하조건에서 리플 크기를 비교하기 위해 2상 동작의 출력도 3.5 kW로 가정 하였다. 그림 12-(c)와 (b)에서 알 수 있듯이 3상으로 동작 시 배터리 전압이 3상으로 동작 시는 267 V, 2상으로 동작 시는 200 V일 때 전류 리플의 크기가 가장 작은 것을 알 수 있다.

제안 방법

전류 임계 모드로 동작하여 시스템에서 발생하는 스위치 손실을 최소화 하였다. 경부하 시 운전되는 상의 개수를 줄여 출력 전류 리플의 크기를 최소화 하였고, 전력 반도체 소자의 최대 스위칭 주파수에 따른 최소 부하의 크기를 확장할 수 있도록 하였다.
63 kW로 증가한다. 또한 2상으로 동작하는 경우 동일한 출력 전력에서 3상 동작 시와 비교하여 스위칭 주파수가 낮기 때문에 주파수제어를 사용할 수 있는 경부하 구간이 확장되는 것을 실험과 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
본 논문에서는 스위칭 주파수를 가변하여 충·방전 전력을 제어하는 기법을 이용하였다.
설계된 인덕턴스 값을 적용하여 176 V ∼ 280 V의 운전 범위를 가지는 배터리를 이용한 3상 인터리브드 양방향 DC-DC 컨버터의 전류 리플 크기를 분석하였으며 VB가 176 V ∼ 231 V 구간에서는 2상으로, 231 V ∼280 V 구간에서는 3상으로 동작하도록 하였다.
시스템의 충⋅방전 원리는 동일하므로 제안하는 시스템은 단상 방전모드인 경우를 이용하여 동작원리를 설명하도록 한다.
제안하는 상 제어 기법은 스위칭 주파수를 제어함으로써 부하를 조절한다. 전류 임계 모드로 동작하여 시스템에서 발생하는 스위치 손실을 최소화 하였다. 경부하 시 운전되는 상의 개수를 줄여 출력 전류 리플의 크기를 최소화 하였고, 전력 반도체 소자의 최대 스위칭 주파수에 따른 최소 부하의 크기를 확장할 수 있도록 하였다.
정격 3.5 kW, 최대 스위칭 주파수가 20 kHz로 동작하는 컨버터에서 각 상이 전류 임계모드로 동작할 때의인덕턴스 값을 설계하였다. 배터리 전류 리플 Δi_B를 30% 이내로 하는 인덕터 L의 설계값은 1.
본 논문에서는 3상 인터리브드 양방향 DC-DC 컨버터의 전류리플을 줄이기 위한 새로운 기법인 상 제어 기법을 제안하고자 한다. 제안하는 상 제어 기법은 스위칭 주파수를 제어함으로써 부하를 조절한다. 전류 임계 모드로 동작하여 시스템에서 발생하는 스위치 손실을 최소화 하였다.
제안하는 시스템에서 배터리의 전압변동 범위는 176 V ∼ 280 V이므로 176 V ∼ 267 V 와 267 V ∼ 280 V 두 구간에 대해 전류 리플의 크기를 분석하였다.
시스템 설계’ 내용을 근거로 설계한 시스템 파라미터를 표 1에 나타내었다. 표 1의 파라미터 값을 이용하여 전류 리플 크기 분석을 확인하기 위한 시뮬레이션과 실험을 수행하였다.

대상 데이터

그림 11에 표 1의 파라미터를 이용하여 제작한 실험 세트를 나타내었다. 전력회로는 6 개의 IGBT가 하나의 모듈에 직접된 SEMIKRON사의 SKM 40GD 123D를 사용하였으며 시스템 제어는 TI (Texas Instruments)사의 TMS320F28335를 사용하였다.

성능/효과

3.5 kW 양방향 DC-DC 컨버터 시스템에 대하여 전류 임계모드가 되도록 하는 인덕턴스 값을 설계하였으며 시뮬레이션 및 실험을 통하여 제안한 방식의 타당성을 입증하였다.
따라서 3상으로 운전 시 스위치소자의 최대 스위칭주파수는 20 kHz, 최소부하의 크기를 1 kW, 그리고 배터리 전류 리플 ΔiB를 30 %로 가정하였을 때 L의 설계값은 1.52 mH로 구할 수 있다.
5 kW인 경우 양방향 DC-DC 컨버터의 각 상 인덕터 전류와 배터리 전류에 대한 실험파형이다. 실험 결과 3상으로 동작 시 배터리 전압은 267 V, 2상으로 동작 시는 200 V에서 전류 리플 크기가 가장 작은 것을 알 수 있으며 이는 시뮬레이션 결과와 거의 비슷한 것을 알 수 있다. 각각의 경우 전류 리플이 최소인 지점을 기준으로 배터리 전압이 증가 혹은 감소하면 전류 리플을 증가하는 것을 알 수 있다.

후속연구

제안하는 상 제어 기법을 적용한 양방향 DC-DC 컨버터는 기존의 3상 제어기법을 적용한 컨버터에서 부하 조건에 따라 배터리 전류 리플 성분을 현저히 감소시킴으로써 배터리 수명 연장에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	V2G 기술을 사용할 때의 장점은?	V2G 기술은 전력망과 전기자동차의 에너지저장매체인 배터리를 연계하여 양방향으로 전력을 전송하는 기술이다. 이 기술을 통해 최대전력이 낮고 전기의 가격이 저렴한 야간에는 전기자동차의 배터리를 충전하고, 최대 전력이 높고 전기의 가격이 비싼 주간에는 배터리에 충전된 에너지를 다시 계통으로 되팔 수도 있다.
	V2G 기술은 무엇인가?	그림 1은 에너지 사용 효율을 높이기 위한 기술인 V2G(Vehicle To Grid) 시스템 구성도를 나타낸 것이다[1]. V2G 기술은 전력망과 전기자동차의 에너지저장매체인 배터리를 연계하여 양방향으로 전력을 전송하는 기술이다. 이 기술을 통해 최대전력이 낮고 전기의 가격이 저렴한 야간에는 전기자동차의 배터리를 충전하고, 최대 전력이 높고 전기의 가격이 비싼 주간에는 배터리에 충전된 에너지를 다시 계통으로 되팔 수도 있다.
	스위칭 주파수 가변법의 장단점은?	[3]의 시스템은 배터리의 충·방전전력을 제어 하기 위해서 인덕터 전류를 Level-shift하는 방법을 사용하는데 중부하시에는 높은 효율을 보이는 장점이 있지만 경부하시에 반도체 소자에 흐르는 전류가 중부하 시와 동일하기 때문에 도통손실이 크다는 단점이 있다. 이를 개선하기 위해 스위칭 주파수를 가변하는 방식이 제안되었는데, 전 부하 영역에서 높은 효율을 보이는 장점이 있지만 충·방전전력이 작아질수록 스위칭 주파수가증가하여 IGBT소자 사용이 제한되며, 인덕터와 필터 설계가 어렵다[4].

참고문헌 (7)

J. Y. Choi and E. S. Park, "A study on the V2G application using the battery of electric vehicles under smart grid environment," The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 63P, No. 1, pp. 40-45, Mar. 2014.
A. Jossen, "Fundamentals of battery dynamic," Journal of Power Source, Vol. 154, No. 2, pp. 530-538, Mar. 2006.

상세보기
J. H. Zhang, J. S. Lai, R. Y. Kim, and W. S. 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.
J. B. Baek, W. I. Choi, and B. H. Cho, "Digital adaptive frequency modulation for bidirectional DC-DC converter," IEEE Trans. On Industrial Electronics, Vol. 60, No. 11, pp. 5167-5176, Nov. 2013.

상세보기
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," Journal of Power Electronics, Vol. 16, No. 3, pp. 227-233, Jun. 2011.
J. H. Jung, B. G. Seo, C. K. Keun, E. C. Nho, I. D. Kim, H. G. Kim, and T. W. Chun, "New soft-switching method of 3-phase interleaved bidirectional DC-DC converter for battery charging and discharging," Journal of Power Electronics, Vol. 19, No. 4, pp. 383-390, Aug. 2014.
N. Liqin, D. J. Patterson, and J. L. Hudgins, "High power current sensorless 16-phase interleaved DC-DC converter for hybrid vehicle application," IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 27, No. 3, pp. 1141-1151, Mar. 2012.

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