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Solid State Transformer를 위한 양방향 Dual Active Bridge DC-DC 컨버터의 설계 기법
Practical Design Methodology of Dual Active Bridge Converter as Isolated Bi-directional DC-DC Converter for Solid State Transformer 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.22 no.2, 2017년, pp.102 - 108  

최현준 (School of Electrical & Computer Eng., UNIST) ,  이원빈 (School of Electrical & Computer Eng., UNIST) ,  정지훈 (School of Electrical & Computer Eng., UNIST)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Proper design guides are proposed for a practical dual-active bridge (DAB) converter based on the mathematical model on the steady state. The DAB converter is popular in bidirectional application due to its zero-voltage capability and easy bidirectional operation for seamless control, high efficienc...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한 본 논문에서는DAB 컨버터의 소신호 모델을 토대로 실제 DAB 컨버터의 동특성 및 안정성의 향상을 위한 적절한 제어기설계 방안에 대해 제안하고자 한다. 3.3 kW급 DAB 컨버터의 시작품을 구성하고 실험을 통하여 제안한 설계기법의 적절성 및 제어기 설계 방안의 타당성을 검증하고자 한다.
  • 이를 통해 DAB 컨버터의 최대ZVS 영역을 확보하기 위해 전압 이득과 위상 천이를고려한 데드타임을 설계하고, 적절한 결합 인덕턴스를설계하는 방법을 제안하고자 한다. 또한 본 논문에서는DAB 컨버터의 소신호 모델을 토대로 실제 DAB 컨버터의 동특성 및 안정성의 향상을 위한 적절한 제어기설계 방안에 대해 제안하고자 한다. 3.
  • 본 논문에서는 SST를 위한 DAB 컨버터의 최적화설계 방법을 제안하고자 한다. 변조의 복잡성 등을 고려하여 위상천이 방식의 제어방법만을 이용하였다.
  • 본 논문에서는 SST에 적용하기 위한 DAB 컨버터에대하여 수학적 분석을 통한 실제적인 설계방법에 대하여 제안하였다. 최대의 영전압 영역을 확보하고 효율을증가시키기 위하여 결합인덕턴스 및 데드타임에 대한설계방법을 제안하였고, 변압기 포화 현상을 막기 위해서 자화 인덕턴스에 대한 설계 방법 또한 제안하였다.
  • 또한모델의 간소화를 위해 턴 비는 1:1으로 가정하고 자화인덕턴스는 무한대라고 가정하여 DAB 수학적 모델링 및분석을 진행하였다. 이를 통해 DAB 컨버터의 최대ZVS 영역을 확보하기 위해 전압 이득과 위상 천이를고려한 데드타임을 설계하고, 적절한 결합 인덕턴스를설계하는 방법을 제안하고자 한다. 또한 본 논문에서는DAB 컨버터의 소신호 모델을 토대로 실제 DAB 컨버터의 동특성 및 안정성의 향상을 위한 적절한 제어기설계 방안에 대해 제안하고자 한다.

가설 설정

  • 의 최소값 중 하나를 선택 하는 이유는전력이 전달되는 방향에 따라서 결합 인덕터에 흐르는전류의 첨두값이 변하기 때문이다. 데드타임이 실제uSec 단위로 매우 짧기 때문에 Coss에 흐르는 전류(ic)는 데드타임 동안 거의 일정하다고 가정을 한다. 결과적으로 MOSFET의 영전압 스위칭의 경우 최소한의 데드타임에 의해서 결정될 수 있고, 최소 데드타임은 다음과같이 나타낼 수 있다.
  • 변조의 복잡성 등을 고려하여 위상천이 방식의 제어방법만을 이용하였다. 또한모델의 간소화를 위해 턴 비는 1:1으로 가정하고 자화인덕턴스는 무한대라고 가정하여 DAB 수학적 모델링 및분석을 진행하였다. 이를 통해 DAB 컨버터의 최대ZVS 영역을 확보하기 위해 전압 이득과 위상 천이를고려한 데드타임을 설계하고, 적절한 결합 인덕턴스를설계하는 방법을 제안하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
50/60 Hz 변압기의 단점은? SST는 양방향전력 변환 장치로, 기존 50/60 Hz 변압기의 대체방안으로 고려되고 있으며 전 세계적으로 연구가 활발히 진행중에 있다. 기존 50/60 Hz 변압기의 경우, 부피와 무게의 한계로 활용성이 매우 제한적이고 제어가 불가능하다는 단점이 있다. SST는 위의 단점을 해결하는 동시에능동적으로 전력을 제어함으로써 높은 전력 밀도를 달성할 수 있고, 뿐만 아니라 전력의 품질을 향상시키며,시스템을 보호할 수 있는 등 다양한 장점을 가지고 있다[2].
SST의 장점은? 기존 50/60 Hz 변압기의 경우, 부피와 무게의 한계로 활용성이 매우 제한적이고 제어가 불가능하다는 단점이 있다. SST는 위의 단점을 해결하는 동시에능동적으로 전력을 제어함으로써 높은 전력 밀도를 달성할 수 있고, 뿐만 아니라 전력의 품질을 향상시키며,시스템을 보호할 수 있는 등 다양한 장점을 가지고 있다[2].
DAB 컨버터의 단점을 보완하기 위해 제시할 수 있는 방법은? 하지만 DAB 컨버터는 공진형 컨버터에 비하여 고부하 영역에서 전류의 실효값과 순환전류가 커서 도통손실이 증가하고, 저부하 영역에서 소프트 스위칭이 이루어지지 않는 등 전력변환효율이 감소하는 단점이 존재한다. 이런 단점을 보상하기 위해서 펄스 폭변조 방식과 위상천이 방식을 사용하거나, 각각의 스위치를 독립적으로 제어하는 Extended Phase shift 등의스위칭 방법이 제안되었으나, 제어의 최적화가 어렵고복잡하다는 단점이 여전히 존재한다. 따라서 단점을 최대한 보상할 수 있는 컨버터의 설계가 필요하다.
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참고문헌 (6)

  1. H. Bevrani, A. Ghosh, and G. Ledwich, "Renewable energy sources and frequency regulation: Survey and new perspectives," IET Renew. Power Gener., Vol. 4, No. 5, pp. 438-457, Sep. 2000. 

  2. X. Yu, X. She, X. Zhou, and A. Q. Huang, "Power management for DC microgrid enabled by solid-state transformer," IEEE Trans. Smart Grid, Vol. 5, No. 2, pp. 954-965, Mar. 2014. 

  3. R. T. Naayagi, A. J. Forsyth, and R. Shuttleworth, "High-power bidirectional DC-DC converter for aerospace applications," IEEE Trans. Power Electron., Vol. 27, No. 11, pp. 4366-4379, Nov. 2012. 

  4. C. Mi, H. Bai, C. Wang, and S. Gargies, "Operation, design and control of dual h-bridge-based isolated bidirectional dc-dc converter," Power Electronics, IET, Vol. 1, No. 4, pp. 507-517, Dec. 2008. 

  5. H. Qin, J. W. Kimball "Generalized average modeling of dual active bridge DC-DC converter," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 27, No. 4, pp. 2078-2084, Apr. 2012. 

  6. H. D. Venable, "The k-factor: A new mathematical tool for stability analysis and synthesis" 

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