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철도차량 보조전원장치의 고효율-경량화를 위한 전력변환회로 연구
Research on Power Converters for High-Efficient and Light-Weight Auxiliary Power Supplies (APS) in Railway System 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.20 no.3 = no.100, 2017년, pp.329 - 338  

이재범 (Propulsion System Research Team, Korea Railroad Research Institute) ,  조인호 (Propulsion System Research Team, Korea Railroad Research Institute)

초록
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최근 철도차량용 보조전원장치는 시스템의 경량화를 위해 기존 60Hz 저주파 변압기를 제거하고 고주파 구동과 절연 특성을 갖는 '절연형 dc/dc 컨버터'를 적용하는 구조가 주목받고 있다. 본 논문에서는 '절연형 dc/dc 컨버터를 적용한 보조전원장치 구조'에 대해서 설명하고, 다양한 분석을 통해 보조전원장치의 고효율 및 경량화에 적합한 dc/dc 컨버터 및 구조를 제안하고자 한다. 대용량 IGBT 소자의 고주파 스위칭(경량화)을 위해 필수적인 '영전압-영전류-스위칭'특성을 갖는 '공진형 컨버터'를 활용하여 다양한 보조전원장치용 전력변환장치 구조(1-Stage와 2-Stage)를 제안하였고, 각각의 구조에 적합한 컨버터 회로를 선정한 후 설계 및 시뮬레이션을 통해 비교하였다. 1-Stage 구조의 경우 공진형 컨버터만을 사용하였고, 2-Stage 구조의 경우 공진형 컨버터와 공진형 컨버터의 입력전압 변동을 최소화하는 Pre-regulator를 적용하였다. Pre-regulator로서 감압 컨버터 또는 승압 컨버터를 각각 적용하여 서로 다른 2-Stage 구조를 구성하고 각 방식의 손실을 비교하였다. 회로에 사용되는 소자들의 전압 및 전류 스트레스를 고려하여 소자를 선정하고 시뮬레이션을 통해 동작을 검증하였으며, 손실 분석을 통해 고효율 및 경량화에 가장 적합한 구조 및 회로를 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

A recent trend of technical development in auxiliary-power-supplies (APS) is to replace 60Hz low frequency transformers with isolated type dc/dc converters. This paper introduces the technical trend in APS structures and proposes a power converter circuit suitable for high-efficient and light-weight...

주제어

#보조전원장치   #높은 효율   #경량화   #공진형 컨버터  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이를 위해 ‘공진형 컨버터’ 단독으로 사용하는 1-Stage 구조 및 다양한 형태의 Pre-regulator를 병합한 2-Stage 구조를 선정하였다. 각각의 컨버터 회로는 도시철도차량용 보조전원장치 사양으로 설계되었으며, 구체적인 분석을 통해 보조전원장치의 고효율/경량화를 위해 가장 적합한 회로를 제안하고자 한다.
  • 논문에서는 높은 효율을 가지며 고주파 구동을 통한 보조전원장치의 경량화를 위해, 기존 저주파 변압기를 사용하는 구조가 아닌 기존에 비해 30% 경량화 및 2% 효율향상을 가질 수 있는 고주파 DC/DC 컨버터 구조에서 영전압-영전류-스위칭 특성을 갖는 ‘공진형 컨버터’를 적용한 다양한 보조전원장치용 전력변환장치 구조에 대해 검토하고 비교하여 보조전원장치의 고효율/경량화를 위해 가장 적합한 회로를 제안하였다.
  • 본 논문에서는 높은 효율을 가지며 고주파 구동을 통한 보조전원장치의 경량화를 위해, 영전압-영전류-스위칭 특성을 갖는 ‘공진형 컨버터’를 적용한 다양한 보조전원장치용 전력변환장치 구조에 대해 검토하고 비교해 보고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
보조전원장치에 방열팬을 장착할 경우 한계점은 무엇인가? 변압기, 인덕터, 커패시터 등 수동소자의 경우 동작 주파수 증가에 비례하여 인덕턴스와 커패시턴스가 감소하므로 전력변환장치의 수동소자의 크기를 크게 줄일 수 있다. 위 두 가지 연구 방향이 모두 보조전원장치의 경량화를 위해 큰 효과를 얻을 수 있는 좋은 방법이지만, 방열팬의 경우 추가적인 소음이나 유지보수 등의 문제가 발생하여 운영사와의 협의 후에 적용 가능하다는 한계점이 있다. 따라서 최근 보조전원장치의 경량화를 위한 연구는 동작 주파수 증가를 통한 수동소자 크기 절감 연구로 집중되고 있다[3].
전력반도체 분야에서 스위칭 손실 저감을 위해 주목받는 연구는 무엇인가? 전력반도체 분야에서 스위칭 손실 저감을 위해 최근 주목받는 연구는 SiC-기반 소자와 같이 기존 Si-기반 소자에 비해 넓은 Band-Gap을 가져 스위칭 특성이 우수한 반도체 소자를 적용하는 방법이다. SiC-기반 소자 적용 시 기존 반도체 소자 대비 우수한 스위칭 손실 특징으로 인해 더 높은 주파수에서 동작이 가능하며 보조전원장치의 크기를 약 65% 줄일 수 있다(참조 Fig.
철도차량 보조전원장치의 경량화를 위한 연구 방향은 무엇인가? 철도차량 보조전원장치의 경량화를 위한 연구는 크게 두 가지 방향으로 진행되고 있다. 첫째, 보조전원장치에 방열팬을 장착하여 방열판의 크기나 무게를 절감하는 방안이다. 기존 자연냉각 방식에 비해 공기순환성능 및 방열효율을 높여, 기존 소자들의 패키지 크기를 줄이거나 사용되는 소자수를 줄일 수 있다. 둘째, 전력변환회로의 동작 주파수를 증가시켜 수동소자의 크기를 줄이는 방안이다. 변압기, 인덕터, 커패시터 등 수동소자의 경우 동작 주파수 증가에 비례하여 인덕턴스와 커패시턴스가 감소하므로 전력변환장치의 수동소자의 크기를 크게 줄일 수 있다. 위 두 가지 연구 방향이 모두 보조전원장치의 경량화를 위해 큰 효과를 얻을 수 있는 좋은 방법이지만, 방열팬의 경우 추가적인 소음이나 유지보수 등의 문제가 발생하여 운영사와의 협의 후에 적용 가능하다는 한계점이 있다.
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참고문헌 (7)

  1. European Railway Energy Roadmap, http://www.errac.org/wp-content/uploads/2013/07/ERRAC-WP1-Deliverable_final.pdf (Accessed 15 February 2017) 

  2. GE Technology Story, http://www.gereports.kr/futureofwork/wp-content/uploads/2015/07/GE_Technology_Story.pdf?utm_sourceGIF2015&utm_mediumGIF2015_pdf_04&utm_campaignnofdwlds (Accessed 15 February 2017) 

  3. I.H. Cho, S.M. Jung, B.H. Lee (2012) Research on High-Efficiency Power Conversion Structure for Railroad Auxiliary Power Supply( APS) System, Journal of the Korean Society for Railway, 19(3), pp. 297-303. 

  4. C. Shi, H. Wang, S. Dusmez, A. Khaligh (2017) A SiC-Based High-fficiency Isolated Onboard PEV Charger With Ultrawide DCLink Voltage Range, IEEE Transactions on Industry Applications, 53(1), pp. 501-511. 

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  5. J.W Kim, G.W. Moon (2014) A New LLC Series Resonant Converter with a Narrow Switching Frequency Variation and Reduced Conduction Losses, IEEE Transactions on Power Electronics, 29(8), pp. 4278-4287. 

    상세보기 crossref

  6. J.B Lee, J.K. Kim, J.I. Baek, J.H Kim, G.W Moon (2016) Resonant Capacitor On/Off Control of Half-Bridge LLC Converter for High- Efficiency Server Power Supply, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 63(9), pp. 5410-5415. 

    상세보기 crossref

  7. J.H Kim, C.E Kim, J.K Kim, J.B Lee, G.W. Moon (2016) Analysis on Load-Adaptive Phase-Shift Control for High Efficiency Full-Bridge LLC Resonant Converter Under Light-Load Conditions, IEEE Transactions on Power Electronics, 31(7), pp. 4942-4955. 

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