본 논문은 철도차량에 사용되는 보조전원장치(APS)의 고효율화 및 경량화를 위한 방안으로 새로운 철도차량용 보조전원장치의 회로 구조를 제안한다. 제안하는 회로 구조는 기존의 보조전원장치 전력변환 흐름에서 중복 수행되고 있는 전력변환 단계를 단순화 하여, 스위치 소자의 부담을 경감하고 수동소자의 크기를 줄여 전력밀도를 높이는 것을 목적으로 하고 있다. 본 연구에서 제안하는 회로 구조는 기존 철도차량용 보조전원장치에 널리 이용되는 멀티레벨 컨버터를 기본 회로로 하고 있으며, 기존 회로의 1차 측 구조에 커패시터 소자를 추가하여 전력변환 스위치의 소프트스위칭 조건을 용이하게 하는 효과를 얻음과 동시에 추가되는 커패시터를 별도의 저전압 전원소스로 활용하고자 한다. 판토그래프 단에 위치하는 새로운 전원소스를 활용하여 철도차량에 탑재되는 배터리 충전용 컨버터의 에너지를 직접 공급받음으로써, 기존 주 전력변환 컨버터 용량 및 사이즈가 절감되는 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 전력변환 단계의 축소로 에너지 변환 효율도 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 도시철도차량에서 사용되는 보조전원장치의 스펙을 적용하여 제안하는 회로를 디자인하고 타당성을 검증하였다.
본 논문은 철도차량에 사용되는 보조전원장치(APS)의 고효율화 및 경량화를 위한 방안으로 새로운 철도차량용 보조전원장치의 회로 구조를 제안한다. 제안하는 회로 구조는 기존의 보조전원장치 전력변환 흐름에서 중복 수행되고 있는 전력변환 단계를 단순화 하여, 스위치 소자의 부담을 경감하고 수동소자의 크기를 줄여 전력밀도를 높이는 것을 목적으로 하고 있다. 본 연구에서 제안하는 회로 구조는 기존 철도차량용 보조전원장치에 널리 이용되는 멀티레벨 컨버터를 기본 회로로 하고 있으며, 기존 회로의 1차 측 구조에 커패시터 소자를 추가하여 전력변환 스위치의 소프트스위칭 조건을 용이하게 하는 효과를 얻음과 동시에 추가되는 커패시터를 별도의 저전압 전원소스로 활용하고자 한다. 판토그래프 단에 위치하는 새로운 전원소스를 활용하여 철도차량에 탑재되는 배터리 충전용 컨버터의 에너지를 직접 공급받음으로써, 기존 주 전력변환 컨버터 용량 및 사이즈가 절감되는 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 전력변환 단계의 축소로 에너지 변환 효율도 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 도시철도차량에서 사용되는 보조전원장치의 스펙을 적용하여 제안하는 회로를 디자인하고 타당성을 검증하였다.
This paper introduces auxiliary power supply systems (APS) for railroad applications and proposes a new power conversion structure for highly-efficient and lightweight APS systems. The proposed structure focuses on an improvement of the power density in APS. It eliminates unnecessary power conversio...
This paper introduces auxiliary power supply systems (APS) for railroad applications and proposes a new power conversion structure for highly-efficient and lightweight APS systems. The proposed structure focuses on an improvement of the power density in APS. It eliminates unnecessary power conversion stages in the conventional APS structure by modulating the dc/dc converter circuit and the structure of the system. The dc/dc converter circuit used in the proposed structure is based on a multi-level half-bridge converter, a widely used topology in railroad APS applications; a flying capacitor is newly added to the conventional circuit. The added capacitor is used not only to enhance the soft switching condition of the switches, but also so that the new pantograph will have a side voltage source of a battery charger in the APS structure. Since the battery charger uses the pantograph side voltage source in the proposed structure, rather than using the output of the main dc/dc converter in the conventional structure, the size and efficiency of the main dc/dc converter are reduced and increased, respectively. To verify the effectiveness of the proposed structure, simulation results will be presented with metropolitan transit APS specifications.
This paper introduces auxiliary power supply systems (APS) for railroad applications and proposes a new power conversion structure for highly-efficient and lightweight APS systems. The proposed structure focuses on an improvement of the power density in APS. It eliminates unnecessary power conversion stages in the conventional APS structure by modulating the dc/dc converter circuit and the structure of the system. The dc/dc converter circuit used in the proposed structure is based on a multi-level half-bridge converter, a widely used topology in railroad APS applications; a flying capacitor is newly added to the conventional circuit. The added capacitor is used not only to enhance the soft switching condition of the switches, but also so that the new pantograph will have a side voltage source of a battery charger in the APS structure. Since the battery charger uses the pantograph side voltage source in the proposed structure, rather than using the output of the main dc/dc converter in the conventional structure, the size and efficiency of the main dc/dc converter are reduced and increased, respectively. To verify the effectiveness of the proposed structure, simulation results will be presented with metropolitan transit APS specifications.
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문제 정의
본 논문에서는 보조전원장치의 경량화 및 효율 향상을 위해 ‘DC/DC 컨버터 타입’구조[Fig. 2(C)]를 기본 모델로, 고주파 구동을 위해 적합한 DC/DC 컨버터 토폴로지에 대해 연구해보고 보조전원장치 성능 개선을 위한 새로운 구조 및 회로를 제안하고자 한다.
본 논문에서는 철도차량용 보조전원장치의 경량화 및 효율향상을 위한 새로운 컨버터 구조를 제안하였다. 제안하는 전력변환 구조는 기존 보조전원장치에서 두 번의 전기적 절연과 전력변환 단계를 거치던 배터리 충전용 에너지의 전력변환 단계를 한 번으로 단축시켜, 시스템 전반의 효율을 높이는 효과와 함께 주 변압기가 감당하는 전력량을 줄여 수동소자의 사이즈를 절감하는 효과도 얻을 수 있다.
전력변환 구조를 단순화 하면서도 배터리용 전력변환 컨버터의 입력전압을 최소화하기 위해 본 논문에서는 주 전력변환 컨버터에 적용되는 멀티레벨 컨버터 회로의[Fig. 3(b)] 플라잉커패시터(Ca)를 활용하는 방법을 제안하고자 한다. [Fig.
이는 주 전력변환 컨버터에 사용되는 수동소자의 사이즈 증가 및 전력반도체 소자의 용량 증가를 요구할 뿐만 아니라 전체 시스템의 효율을 크게 저하시키는 결과를 낳게 된다. 제안하는 전력변환장치 시스템 구조 및 회로구성은 배터리 충전용 에너지를 주 전력변환 컨버터의 출력에서 공급받지 않고 판토그래프 단에서 바로 공급받을 수 있게 하여, 철도차량용 보조전원장치 전체 시스템의 효율 향상을 얻고자 한다.
제안 방법
2(c)]의 구조를 기존 시스템 구조로 선정하여 비교하였다. 기존 시스템의 토폴로지 선정은 제안하는 시스템의 토폴로지 선정과 동일하게 하여 회로적 특성을 배제하고 제안하는 구조가 가지는 특성을 확인하였다.
배터리 충전 전원 및 제어전원을 공급하는 배터리용 전력변환 컨버터, battery power converter,의 경우 제어전원과 인버터 출력 전원과의 전기적 분리를 위해 절연 특성이 필요하며, 주 전력변환 컨버터의 출력으로 공급되는 700V 크기의 DC link 전압을 100V로 낮추어 줄 수 있는 step-down 형태의 컨버터 사용이 필요하다. 본 논문에서 제안하는 보조전원장치 고효율/경량화를 위한 구조의 경우, 배터리용 전력변환 컨버터로 사용되는 회로의 특성에 무관하게 적용이 가능하므로 본 논문에서는 배터리용 전력변환 컨버터의 선정에 대해서는 다루지 않고 블록으로 표현하겠다.
본 논문에서 제안하는 새로운 구조 및 적용회로의 타당성 검증을 위해, 아래와 같은 도시철도용 보조전원장치 스펙을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 툴로는 PSIM을 활용하였고, 시뮬레이션에 적용한 회로는 주 전력변환 토폴로지로 ‘플라잉커패시터를 활용한 멀티레벨-컨버터 회로[Fig.
시뮬레이션 툴로는 PSIM을 활용하였고, 시뮬레이션에 적용한 회로는 주 전력변환 토폴로지로 ‘플라잉커패시터를 활용한 멀티레벨-컨버터 회로[Fig. 5.]’, 배터리 충전용 전력변환 토폴로지로 절연특성을 가지는 ‘위상천이 풀브리지 컨버터 회로’를 사용하여 동작을 검증하였다[9-13].
]’, 배터리 충전용 전력변환 토폴로지로 절연특성을 가지는 ‘위상천이 풀브리지 컨버터 회로’를 사용하여 동작을 검증하였다[9-13]. 판토그래프에서 배터리 충전용 에너지를 직접 공급받는 제안 시스템의 장점을 확인하기 위해 저주파 변압기를 모두 DC/DC컨버터로 대체하는 [Fig. 2(c)]의 구조를 기존 시스템 구조로 선정하여 비교하였다. 기존 시스템의 토폴로지 선정은 제안하는 시스템의 토폴로지 선정과 동일하게 하여 회로적 특성을 배제하고 제안하는 구조가 가지는 특성을 확인하였다.
성능/효과
또한 [Table 1]에서 나타난 바와 같이 제안하는 시스템 구조에서 배터리 충전용 에너지가 판토그래프 단에서 직접 공급됨으로써 주 전력변환 컨버터에 사용되는 반도체 소자의 전류 부담이 크게 줄어들게 되었음을 확인할 수 있다. [Table 1]에서 확인되는 바와 같이 배터리 충전용 에너지를 플라잉커패시터를 통해 공급받는 제안된 컨버터 특성으로 인해 플라잉커패시터의 충전에너지가 증가하게 되고, 이로 인해 1차 측 다이오드, Da1으로 흐르는 전류의 크기가 증가하는 결과가 나왔다. 하지만 1차 측 다이오드 전류의 증가량이 기타 반도체 소자들의 전류 감소량 합과는 큰 차이가 있어 전반적인 시스템의 효율 및 안정성 향상에는 크게 영향을 주지 않게 된다.
또한 배터리 충전을 위한 에너지가 주 전력변환 컨버터를 거치지 않고 판토그래프에서 직접 공급될 수 있게 되어, 주 전력변환 컨버터의 전력변환 용량을 줄일 수 있고 이로 인해 반도체 소자의 전류 스트레스를 줄일 수 있어 시스템의 효율향상 및 안전성 향상에도 효과를 얻을 수 있다. 기존 시스템에서 요구되었던 판토그래프와 배터리 사이 절연특성의 경우, 제안하는 시스템의 배터리용 전력변환 컨버터에서 트랜스포머를 사용하는 절연형 타입의 컨버터 구조를 채용함으로써 기존과 동일한 전기적 절연 특성 및 안정성을 얻을 수 있게 된다. 제안하는 회로 구조[Fig.
7(b)]의 시뮬레이션 파형을 통해 확인해 볼 수 있는 바와 같이, 멀티레벨 컨버터의 대칭 동작 특성으로 인해 정상 동작 시, 플라잉커패시터의 전압(VCss)이 일정한 크기를 가지는 전압원 역할을 해주고 있음을 확인할 수 있다. 또한 [Table 1]에서 나타난 바와 같이 제안하는 시스템 구조에서 배터리 충전용 에너지가 판토그래프 단에서 직접 공급됨으로써 주 전력변환 컨버터에 사용되는 반도체 소자의 전류 부담이 크게 줄어들게 되었음을 확인할 수 있다. [Table 1]에서 확인되는 바와 같이 배터리 충전용 에너지를 플라잉커패시터를 통해 공급받는 제안된 컨버터 특성으로 인해 플라잉커패시터의 충전에너지가 증가하게 되고, 이로 인해 1차 측 다이오드, Da1으로 흐르는 전류의 크기가 증가하는 결과가 나왔다.
이와 같이 플라잉커패시터의 전압이 입력전압의 절반 크기로 줄어드는 특징을 갖기 때문에 플라잉커패시터 전압을 입력 전원으로 하는 배터리용 전력변환 컨버터를 구성할 경우, 이 컨버터는 판토그래프 전압을 입력 전원으로 구성하였을 때 발생하는 전압 스트레스를 피하는 효과를 얻을 수 있다. 또한 배터리 충전을 위한 에너지가 주 전력변환 컨버터를 거치지 않고 판토그래프에서 직접 공급될 수 있게 되어, 주 전력변환 컨버터의 전력변환 용량을 줄일 수 있고 이로 인해 반도체 소자의 전류 스트레스를 줄일 수 있어 시스템의 효율향상 및 안전성 향상에도 효과를 얻을 수 있다. 기존 시스템에서 요구되었던 판토그래프와 배터리 사이 절연특성의 경우, 제안하는 시스템의 배터리용 전력변환 컨버터에서 트랜스포머를 사용하는 절연형 타입의 컨버터 구조를 채용함으로써 기존과 동일한 전기적 절연 특성 및 안정성을 얻을 수 있게 된다.
시뮬레이션을 통해 확인해 본 바와 같이 철도차량용 보조전원장치 스펙으로 구성 시에 주 전력변환 회로 상에서 2차 측에 흐르는 전류의 실효값은 약 13% 감소하는 것을 확인할 수 있었고 주 변환기가 담당하는 전력량 역시 150kW에서 배터리 충전용 전력을 제외한 130kW로 약 13% 줄일 수 있을 것이라 확인되었다. 또한 제안하는 구조 적용 시 감소하는 소자의 전류 부담은 도통손실로 인해 발생하는 열을 줄여 시스템 안정성 향상에 기여할 수 있으며, 전류 스트레스의 감소로 반도체 소자 선정 시 가격이나 사이즈 측면에서 장점을 가질 수 있다. 본 논문에서 제안하는 구조의 적용을 통해 확인할 수 있는 시스템 경량화, 고효율화와 같은 장점들은 기존의 철도차량용 보조전원장치 뿐만 아니라, 멀티레벨 구조를 적용해야하는 높은 입력전원 환경에서 다양한 절연형태의 부하를 요구하는 기타 산업에서도 널리 활용될 수 있을 것이라 기대해 볼 수 있다.
제안하는 전력변환 구조는 기존 보조전원장치에서 두 번의 전기적 절연과 전력변환 단계를 거치던 배터리 충전용 에너지의 전력변환 단계를 한 번으로 단축시켜, 시스템 전반의 효율을 높이는 효과와 함께 주 변압기가 감당하는 전력량을 줄여 수동소자의 사이즈를 절감하는 효과도 얻을 수 있다. 시뮬레이션을 통해 확인해 본 바와 같이 철도차량용 보조전원장치 스펙으로 구성 시에 주 전력변환 회로 상에서 2차 측에 흐르는 전류의 실효값은 약 13% 감소하는 것을 확인할 수 있었고 주 변환기가 담당하는 전력량 역시 150kW에서 배터리 충전용 전력을 제외한 130kW로 약 13% 줄일 수 있을 것이라 확인되었다. 또한 제안하는 구조 적용 시 감소하는 소자의 전류 부담은 도통손실로 인해 발생하는 열을 줄여 시스템 안정성 향상에 기여할 수 있으며, 전류 스트레스의 감소로 반도체 소자 선정 시 가격이나 사이즈 측면에서 장점을 가질 수 있다.
본 논문에서는 철도차량용 보조전원장치의 경량화 및 효율향상을 위한 새로운 컨버터 구조를 제안하였다. 제안하는 전력변환 구조는 기존 보조전원장치에서 두 번의 전기적 절연과 전력변환 단계를 거치던 배터리 충전용 에너지의 전력변환 단계를 한 번으로 단축시켜, 시스템 전반의 효율을 높이는 효과와 함께 주 변압기가 감당하는 전력량을 줄여 수동소자의 사이즈를 절감하는 효과도 얻을 수 있다. 시뮬레이션을 통해 확인해 본 바와 같이 철도차량용 보조전원장치 스펙으로 구성 시에 주 전력변환 회로 상에서 2차 측에 흐르는 전류의 실효값은 약 13% 감소하는 것을 확인할 수 있었고 주 변환기가 담당하는 전력량 역시 150kW에서 배터리 충전용 전력을 제외한 130kW로 약 13% 줄일 수 있을 것이라 확인되었다.
후속연구
이러한 문제에 대한 대책으로 제어 방법이 단순한 부스트-컨버터를 LLC 컨버터와 함께 직렬로 구성하여 LLC 컨버터의 제어범위를 최소화하는 설계 방법이[1] 있으나, 이와 같이 2-stage 방식으로 구성 할 경우 사용되는 소자 수가 증가하여 전력밀도 향상이 제한적이다. 또한, 부스트 컨버터에는 추가적인 인덕터가 필요로 할 뿐만 아니라 하드스위칭 특성으로 인해 고주파 구동 시에 손실이 크게 증가한다는 한계점이 있다. 이에 따라 높은 DC입력전압 조건에서 부하변동이 큰 스펙이나 단순한 제어가 필요한 환경에서는 소프트 스위칭 셀을 적용한 멀티레벨 컨버터가 주목받고 있다.
또한 제안하는 구조 적용 시 감소하는 소자의 전류 부담은 도통손실로 인해 발생하는 열을 줄여 시스템 안정성 향상에 기여할 수 있으며, 전류 스트레스의 감소로 반도체 소자 선정 시 가격이나 사이즈 측면에서 장점을 가질 수 있다. 본 논문에서 제안하는 구조의 적용을 통해 확인할 수 있는 시스템 경량화, 고효율화와 같은 장점들은 기존의 철도차량용 보조전원장치 뿐만 아니라, 멀티레벨 구조를 적용해야하는 높은 입력전원 환경에서 다양한 절연형태의 부하를 요구하는 기타 산업에서도 널리 활용될 수 있을 것이라 기대해 볼 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철도차량에 탑재되는 전력변환장치는 어떻게 구분되는가?
최근 산업 전 분야의 탄소 배출 절감에 대한 노력은 철도 산업에도 영향을 주고 있으며, 이에 따라 최근 철도차량 기술개발은 전장품의 고효율화 및 경량화에 초점이 맞추어 진행되고 있다. 철도차량에 탑재되는 전력변환장치의 경우 크게 기동모터에 에너지를 공급하는 추진인버터장치와 냉난방기, 제동장치, 축전기, 제어장치 등 기타 전기장치 전반에 에너지를 공급하는 보조 전원장치로 구분된다. 위 두 전력변환장치 중 추진인버터장치는 모터 구동을 위한 인버터로만 구성되어 있어 구성이 단순하고 회로 특성 보다는 제어의 영향을 크게 받는 특징을 가진다.
Isolated-type DC/DC converter의 장단점은?
2(b)]의 경우 기존 구조의 60Hz 주 변압기의 사이즈 절감을 위해 고주파 구동이 가능한 절연형 DC/DC 컨버터, ‘Isolated-type DC/DC converter’,를 사용하고 있다. 컨버터의 스위칭 주파수를 수 kHz 대역으로 높여 동작시킴으로써 주 변압기의 사이즈 절감에 큰 효과를 얻을 수 있는 방식이지만, 배터리 충전용 변압기로 사용되는 60Hz 저주파 변압기로 인해 사이즈 절감에 제약이 있다[1].
추진인버터장치의 특징은?
철도차량에 탑재되는 전력변환장치의 경우 크게 기동모터에 에너지를 공급하는 추진인버터장치와 냉난방기, 제동장치, 축전기, 제어장치 등 기타 전기장치 전반에 에너지를 공급하는 보조 전원장치로 구분된다. 위 두 전력변환장치 중 추진인버터장치는 모터 구동을 위한 인버터로만 구성되어 있어 구성이 단순하고 회로 특성 보다는 제어의 영향을 크게 받는 특징을 가진다. 반면, 보조전원장치는 전기적 절연특성 뿐만 아니라 다양한 부하의 입력사양에 적합한 출력을 공급하여야 하므로 복잡한 구조를 가지며 상대적으로 낮은 에너지 변환 효율을 갖는 특징이 있다.
참고문헌 (14)
J.M. Jo, Y.J. Han, H.S. Jeong, C.Y. Lee, et al. (2012) Development of Ultra Light Auxiliary Power Supply for DC train, Proceedings of The KIEE, 2012(4), pp. 177-178.
http://pdf.directindustry.com/pdf/knorr-bremse-powertech-gmbh/pcs-rail-au-1000-long-distance-train-solutions/81829-240343.html (Accessed 14 June 2016)
Bobert L. Steigerwald (1988) A Comparison of Half-Bridge Resonant Converter Topologies, IEEE Transaction on Power electronics, 3(2), pp. 174-182.
V. Volperian, S. Cuk (1985) A complete dc analysis of the series resonant converter, Proceedings of the IEEE Power electronics Specialists Conference, Cambridge, MA, pp. 85-100.
K. Jin, X. Ruan (2006) Hybrid Full-Bridge Three-Level LLC Resonant Converter-A Novel DC-DC Converter Suitable for Fuel-Cell Power System, IEEE Transaction on Industrial Electronics, 53(5), pp.1492-1503.
X. Ruan, and B. Li (2005) Zero-Voltage and Zero-Current-Switching PWM Hybrid Full-Bridge Three-Level Converter, IEEE Transaction on Industrial Electronics, 52(1), pp.213-220.
S.H. Kwon, K.H. Jin, S.J. Kim, T.H. Lee, et al. (2012) IPMSM Drives Using NPC 3-Level Inverters for the Next Generation High Speed Railway System, Journal of the Korean Society for Railway, 15(2), pp.129-134.
J.A. Sabate, V. Vlatkovic, R.B. Ridley, F.C. Lee (1991) High-voltage, high-power, ZVS, full-bridge PWM converter employing an active snubber, Proceedings of the 6th Applied Power Electronics Conference and Exposition, Dallas, TX, pp. 158-163.
W. Chen, F.C. Lee, M. M. Jovanovic, J.A. Sabate (1995) A comparative study of a class of full bridge zero-voltage- switched PWM converters, Proceedings of the 10th Applied Power Electronics Conference and Exposition, Dallas, TX, pp. 893-899.
R. Redl, N.O. Sokal, L. Balogh (1991) A novel soft-switching full-bridge DC/DC converter: Analysis,design considerations, and experimental results at 1.5 kW, 100 kHz, IEEE Transactions on Power Electronics, 6(3), pp. 408-418.
K.M. Cho, Y.D. Kim, I.H. Cho, G.W. Moon (2012) Transformer Integrated with Additional Resonant Inductor for Phase-Shift Full-Bridge Converter with Primary Clamping Diodes, IEEE Transactions on Power Electronics, 27(5), pp. 2405-2414.
I.H. Cho, K.M. Cho, J.W. Kim, G.W. Moon (2011) A New Phase-Shifted Full-Bridge Converter With Maximum Duty Operation for Server Power System, IEEE Transactions on Power Electronics, 26(12), pp. 3491-3500.
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