[논문]넓은 충전전압 범위를 갖는 50kW급 고효율 급속충전기 개발

박준성; 김민재; 정헌수; 김주하; 최세완

doi:10.6113/tkpe.2016.21.3.267

넓은 충전전압 범위를 갖는 50kW급 고효율 급속충전기 개발
Development of 50kW High Efficiency Fast Charger with Wide Charging Voltage Range 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.21 no.3, 2016년, pp.267 - 274

박준성 (Korea Automotive Technology Institute) , 김민재 (Dept. of New Energy Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology) , 정헌수 (ADT) , 김주하 (VCTech) , 최세완 (Dept. of Electrical & Information Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a fast charger for electric vehicle with wide charging voltage range is proposed. To achieve high efficiency, three-level topologies are employed for the AC-DC and DC-DC converters. Given that the output range of the DC-DC converter in fast chargers is quite wide, the circulating current of conventional three-level converter will increase under low voltage condition. The proposed hybrid switching method mitigates this issue. When a coupled inductor is used on the output side, the circulating current is further reduced, and the switches $S_2$, $S_3$, $S_6$, and $S_7$ achieve turning-off under the ZCS condition. Experimental results from a 50 kW prototype are provided to validate the proposed charger, and a rated efficiency of 95.9% is obtained.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 넓은 충전전압 범위를 갖는 급속충전기를 개발하였다. 고효율을 얻기 위하여 AC-DC 컨버터 및 DC-DC 컨버터 모두 3레벨 토폴로지를 적용하였으며 하이브리드 스위칭 기법으로 낮은 전압에서 순환전류를 감소시켰다.
이 논문은 산업통상자원부 산업기술혁신사업 글로벌전문기술개발사업(주력및신산업) “자동접이식 구조와 수납공간이 있는 교통약자를 위한 경량(배터리 제외 25kg이하) e-Mobility 및 충전거치 시스템 개발(과제번호 : 10048788)”의 지원을 받아 수행된 연구결과임.

제안 방법

본 논문에서는 넓은 충전전압 범위를 갖는 급속충전기를 개발하였다. 고효율을 얻기 위하여 AC-DC 컨버터 및 DC-DC 컨버터 모두 3레벨 토폴로지를 적용하였으며 하이브리드 스위칭 기법으로 낮은 전압에서 순환전류를 감소시켰다. 또한 출력단에 커플인덕터를 사용하여 순환전류를 더욱 줄이고 ZCS 턴오프를 성취시켰다.
본 논문에서는 AC-DC 컨버터의 효율을 높이기 위해 3레벨 구조의 토폴로지를 사용하였으며 절연형 DC-DC 컨버터 역시 스위치 전압정격 감소와 고주파 스위칭을 위해 3레벨 풀브리지 컨버터를 적용하였다. 그리고 충전 전압이 낮을 때는 하프브릿지, 충전전압이 높을 때는 풀브릿지 스위칭을 하는 하이브리드 스위칭기법을 적용하여 넓은 배터리 전압에서 순환전류에 의한 도통손실을 저감하였다.
제안하는 급속충전기는 표 1과 같은 설계 사양을 가지며, 그림 2와 같이 AC-DC 컨버터에 T-type 3레벨 토폴로지를 사용하고 절연형 DC-DC 컨버터는 7개의 3레벨 풀브리지 컨버터 모듈로 구성된다. 또한 DC-DC 컨버터에 커플인덕터를 출력필터로 사용하여 순환전류를 줄이고 스위치 S₂, S₃, S₆, S₇의 ZCS 턴오프를 성취시켜 고효율을 달성할 하였다.
고효율을 얻기 위하여 AC-DC 컨버터 및 DC-DC 컨버터 모두 3레벨 토폴로지를 적용하였으며 하이브리드 스위칭 기법으로 낮은 전압에서 순환전류를 감소시켰다. 또한 출력단에 커플인덕터를 사용하여 순환전류를 더욱 줄이고 ZCS 턴오프를 성취시켰다. 50kW급 시작품을 통해 정격효율 95.
본 논문에서는 AC-DC 컨버터의 효율을 높이기 위해 3레벨 구조의 토폴로지를 사용하였으며 절연형 DC-DC 컨버터 역시 스위치 전압정격 감소와 고주파 스위칭을 위해 3레벨 풀브리지 컨버터를 적용하였다. 그리고 충전 전압이 낮을 때는 하프브릿지, 충전전압이 높을 때는 풀브릿지 스위칭을 하는 하이브리드 스위칭기법을 적용하여 넓은 배터리 전압에서 순환전류에 의한 도통손실을 저감하였다.
제안하는 급속충전기는 표 1과 같은 설계 사양을 가지며, 그림 2와 같이 AC-DC 컨버터에 T-type 3레벨 토폴로지를 사용하고 절연형 DC-DC 컨버터는 7개의 3레벨 풀브리지 컨버터 모듈로 구성된다. 또한 DC-DC 컨버터에 커플인덕터를 출력필터로 사용하여 순환전류를 줄이고 스위치 S₂, S₃, S₆, S₇의 ZCS 턴오프를 성취시켜 고효율을 달성할 하였다.
제안하는 절연형 DC-DC 컨버터는 3레벨 구조로 듀티 제어 방식을 사용한다. 스위치 전압정격이 입력전압의 절반이 되어 600V MosFET 사용이 가능하며 고주파 스위칭(50kHz)으로 변압기, 인덕터, 필터 커패시터 등의 수동소자 부피를 줄일 수 있다.
그림 11(b)와 같이 스위칭 방법이 절환되는 시점에서도 과도상태가 없는 것을 확인할 수 있다. 제안한 급속충전기는 YOKOGAWA사의 WT3000을 이용하여 그림 12와 같이 효율을 측정하였다. 그림 12(a)는 AC-DC 컨버터의 부하 증가에 따른 효율이며 30kW에서 최대 98.

대상 데이터

그림 2와 같이 제안하는 급속충전기의 타당성을 검증 하기 위해 AC-DC 컨버터 1대와 절연형 DC-DC 컨버터 7대의 모듈로 구성된 50kW 시작품을 제작하였다. 시작품에 사용된 소자는 표2와 같다.
시작품에 사용된 소자는 표2와 같다. 제어기는 DSP와 FPGA 기반의 디지털제어기로 DSP는 TI사의 TMS320F28335, FPGA는 Xilinx사의 Spartan-3E XC3S500E를 사용하였다.

이론/모형

풀브릿지 동작의 경우 전압이 낮은 100～230V에서 듀티가 매우 작고 순환전류가 크기 때문에 효율이 낮다. 따라서 회로를 변경 시키지 않고 스위칭을 통해 100～230V의 출력전압 범위에서 순환전류 감소 및 효율을 상승시키기 위해 하이브리드 스위칭 기법을 적용하였다. 그림 7은 3레벨 풀브릿지 컨버터의 2가지 스위칭 기법에 대해 나타낸다.

성능/효과

제안한 급속충전기는 YOKOGAWA사의 WT3000을 이용하여 그림 12와 같이 효율을 측정하였다. 그림 12(a)는 AC-DC 컨버터의 부하 증가에 따른 효율이며 30kW에서 최대 98.6%를 달성 하였다. 그림 12(b)는 DC-DC 컨버터 모듈의 출력전압 (100～500V)에 따른 측정효율이며 500V, 정격부하에서 최대효율 97.
그림 8(a)와 같이 기존 풀브릿지 동작은 변압기 1차측에 입력 전압이 걸리지만 하프브리지 동작을 할 경우 그림8(b)와 같이 입력전압의 1/2이 변압기 1차측에 보이게 된다. 따라서 전압 게인은 기존 풀브릿지 동작의 1/2배가 되며 급속충전기의 낮은 출력전압 범위인 100～230V에서 기존 풀브릿지 동작에 비해 순환전류 구간을 감소시켜 낮은 출력전압에서 효율을 상승 시킬 수 있다. 하이브리드 스위칭 기법 적용 시 하프브릿지에서 풀브릿지로 모드 전환 시 컨버터 전압이득이 2배 차이 나므로 이를 보상 하기 위해 제어기에 피드포워드를 사용한다.
스위치 전압정격이 입력전압의 절반이 되어 600V MosFET 사용이 가능하며 고주파 스위칭(50kHz)으로 변압기, 인덕터, 필터 커패시터 등의 수동소자 부피를 줄일 수 있다. 제안한 DC-DC 컨버터는 모든 스위치가 ZVS 턴 온이 가능하며 필터 인덕터에 커플인덕터 방식을 적용하여 순환전류를 줄이고 스위치 S₂, S₃, S₆, S₇의 ZCS 턴오프를 성취시켜 스위치의 도통 및 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 게다가 스위치 턴 오프 전압이 V_in/4 이기 때문에 스위치 턴 오프 시 손실을 더욱 줄일 수 있고 스위치의 ZVS 범위가 늘어나는 장점이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	급속충전기는 무엇으로 구성되는가?	우리나라는 2015년 9월 기준 337기의 급속충전기가 설치되었으며 정부는 2017년까지 600기로 늘릴 예정이다[1]. 급속충전기는 그림 1과 같이 AC-DC 컨버터와 DC-DC 컨버터로 구성되며 DC-DC 컨버터는 전기적 안전 때문에 절연이 요구되며 일반적으로 50kW 이상의 용량을 가져 고효율이 필수적이다. 기존 급속충전기의 AC-DC 컨버터는 대부분 2레벨 구조를 사용하고 있으며 DC-DC 컨버터는 위상천이 풀브리지 컨버터를 사용하고 있다[2].
	급속충전기의 전력변환 효율은 어떤 것에 좌우되는가?	DC-DC 컨버터로 위상천이 스위칭 풀브리지 컨버터는 듀티가 작을수록 순환전류가 커져 효율이 낮아지는데[5] 급속충전기는 출력전압 범위가 넓어 듀티가 작은 영역인 낮은 출력전압에서 효율이 떨어진다. 급속충전기의 전력변환 효율은 절연형 DC-DC 컨버터에 의해 좌우되므로 넓은 전압 범위에서 절연형 DC-DC 컨버터의 고효율 달성이 필수적이다. 따라서 손실 및 EMI발생 측면에서 유리한 공진형 DC-DC 컨버터의 적용이 주로 고려되고 있다.
	3레벨 컨버터의 문제점은 무엇인가?	이를 해결하기 위해 3레벨 컨버터[6]-[11]를 적용하면 기존의 위상천이 풀브릿지 컨버터에 비해 스위치 전압정격을 반으로 낮출 수 있다. 하지만 이 방식 역시 출력전압이 낮아질수록 위상차가 커지고 이에 따라 순환전류가 커져 도통손실이 증가하는 문제점이 있다. 순환전류를 줄이기 위해 보조스위치 또는 커플인덕터를 사용하는 3레벨 컨버터[8]-[11]가 제안되었지만 넓은 출력전압 범위에서는 여전히 효율이 낮은 문제점이 있다.

참고문헌 (12)

http://www.ev.or.kr/web
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상세보기
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상세보기
Y. Shi, and X. Yang, "Wide load range ZVS three-level dc-dc converter: four primary switches, capacitor clamped, two secondary switches, and smaller output filter volume," IEEE Trans. Power Electron., Vol. 31, No. 5, pp. 3431-3443, May. 2016.

상세보기
Fuji Electric Co., Ltd. (2012, Feb.). T-type Advanced 3-level Inverter Module Power dissipation and comparison tables. [Online]. Available: https://www.fujielectric.com/products/semiconductor/model/igbt/technical/3level.html

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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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