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문제 정의
- 본 논문에서는 EV의 배터리 충전을 위한 절연형 PFC 컨버터와 비절연형 DC-DC 컨버터로 2단으로 구성된 회로를 제안한다. 절연형 컨버터를 입·출력 전압변동 폭이 적은 PFC 컨버터로 선정하고 AC 전원을 DC 전압으로 역률 제어가 포함된 간단한 알고리즘을 통해 승압 후 출력전압 범위가 넓은 비절연형 컨버터인 Buck 컨버터를 구성한다.
제안 방법
- 3상 절연형 PFC 컨버터의 출력을 받아 배터리에 전력을 보내는 Buck 컨버터의 동작 모드로 분석하기로 한다. 파형에 관한 전압 및 전류에 대해서 그림 5를 통해 그에 해당하는 기호를 살펴볼 수 있다.
- 그림 3과 그림 4를 통해 제안하는 PFC 컨버터의 동작 모드 별로 전류의 흐름을 파악하고 관련 파형을 분석하고자 한다. 모드와 상관없이 공통되는 내용을 아래와 같이 정리 하였다.
- 그림 6과 그림 7를 통해 제안하는 Buck 컨버터의 동작 모드 별로 전류의 흐름을 파악하고 관련 파형을 분석하고자 한다.
- 이는 컨버터의 효율이 종합적으로 낮아질 것으로 예상된다. 두 번째는 제안하는 회로와 달리 하나의 Buck 컨버터가 아닌 세 개의 Buck 컨버터를 구성하여 각각 출력전력을 제어하는 것이다. 이는 PWM의 채널을 2개 더 사용해야 되고 현재 사용하는 DSP 1대로는 제어가 불가능하다.
- 복잡한 3상 절연형 PFC 컨버터를 분석하기 위해서는 하나의 세트인 단상 절연형 PFC 컨버터의 동작 모드로 분석하기로 한다. 파형에 관한 전압 및 전류에 대해서 그림 2를 통해 그에 해당하는 기호를 살펴볼 수 있다.
- 여기서 두 번째 단인 Buck 컨버터의 제어기가 3상 절연형 PFC 컨버터의 출력을 받기 전부터 동작하게 되면 적분치가 계속 상승하는 것을 방지하기 위해서 출력전류 제한 및 Duty 제한의 입·출력 양단을 통해 Anti-Windup 제어기를 적용하였다.
- 절연형 PFC 컨버터는 입력 AC 전압과 출력 DC 전압만을 이용한 출력전압 및 역률 제어알고리즘과 배터리 전압을 대응하는 비절연형 Buck 컨버터는 출력 전류 및 전압 제어 알고리즘을 실험을 통해서 확인하였다.
- 절연형 컨버터를 입·출력 전압변동 폭이 적은 PFC 컨버터로 선정하고 AC 전원을 DC 전압으로 역률 제어가 포함된 간단한 알고리즘을 통해 승압 후 출력전압 범위가 넓은 비절연형 컨버터인 Buck 컨버터를 구성한다.
- 제안한 회로의 동작성을 분석하기 위해서는 MOSFET의 Drain-source 간의 캐패시턴스와 다이오드의 unction 캐패시턴스를 확인해야 한다. MOSFET의 Drain-source 간의 캐패시턴스는 간략히 아래의 식 (21)과 같이 표현할 수 있다.
- 이를 해결하기 위해서 2가지의 방법으로 해결할 수 있다. 첫 번째는 3상 불균형 전압을 감안하여 단상 절연형 PFC 컨버터 출력을 높게 마진을 잡고 설계를 하는 것이다. 이는 컨버터의 효율이 종합적으로 낮아질 것으로 예상된다.
대상 데이터
- 단방향 충전기 회로의 일반적인 기본 구성은 EMI filter와 Diode Rectifier, PFC 컨버터, DC-DC 컨버터로 구성이 되어 있으며 DC-DC 컨버터의 출력이 배터리로 연결되어 전력을 공급하게 된다. 배터리와의 절연을 위해서 비절연형 PFC 컨버터와 절연형 DC-DC 컨버터를 구성된다. 비절연형 PFC 컨버터를 통해 AC 전원을 DC 전압으로 역률 제어가 포함된 알고리즘으로 승압 후 절연형 DC-DC 컨버터를 통해 배터리 전압을 대응하게 된다.
성능/효과
- 일 때의 파형이다. 50 VDC에서 450 VDC까지 제어가 가능하고, 출력 전압이 50 VDC에서 최대출력전류 30 A로 출력이 됨을 확인하였고, 출력 전압이 450 VDC에서 최대출력전력 10kW가 출력됨을 확인 할 수 있었다.
- 이는 PWM의 채널을 2개 더 사용해야 되고 현재 사용하는 DSP 1대로는 제어가 불가능하다. 그러므로 3상 불균형이 크지 않는 한 제안하는 충전기 회로는 간단한 알고리즘을 적용하여 역률 제어가 가능한 최적의 새로운 회로임을 알 수가 있다.
- 3kW로 동작하고 있는 단상 절연형 PFC 컨버터의 1차측 스위칭 파형과 전력파형 그래프이다. 스위칭 파형의 경우 PCB로 인한 인덕턴스 성분에 의한 것을 제외하고는 모드별 분석의 파형과 유사하게 측정되었고, 전력파형의 경우 2차측 스위치의 Duty는 선간전압의 Zero Crossing 되는 지점에서 최대로 동작하는 것으로 보아 역률 제어가 잘 됨을 확인할 수 있다.
- 제안된 충전기 회로 중 단상 절연형 PFC 컨버터를 동작을 확인하였다. 최대 출력 3.
- 제안하는 충전기 회로는 일반적인 충전기 회로에 비해 출력 전압 범위가 넓은 장점을 가졌고, ZVS 조건을 만족되는 DCM 동작을 하기 때문에 스위칭 손실을 줄일 수 있다는 것이 큰 장점이다. DCM 동작을 통해 1차측 스위치를 IGBT로 교체하여 사용할 수 있다.
- 그림 16은 제안하는 충전기 회로의 첫 번째 단인 3상 절연형 PFC 컨버터의 측정된 AB선간전압과 각 선간전류의 파형과 측정된 링크전압과 각 선간전류의 파형이다. 첫 번째 파형을 통해 AB선간전압과 AB선간전류는 동상으로 움직이는 것을 확인할 수 있었고, 두 번째 파형을 통해 링크 전압은 목표 전압인 500VDC로 잘 제어됨을 확인할 수 있었다.
- 35%까지 측정되었다. 출력전압이 증가 함에 따라 효율이 증가함을 알 수가 있었다.
후속연구
- 전기자동차 중 HEV(Hybrid Electric Vehicle), PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)의 경우 기존의 내연기관 보다 높은 연비를 달성할 수 있으며 특히 순수한 EV(Electric Vehicle) 의 경우 배터리만을 전원으로 사용하기 때문에 이산화탄소 및 온실가스의 배출이 거의 없고, 화석연료를 사용하지 않는 장점을 가지고 있다. 향후 미래를 위한 친환경적 순수한 EV의 기술발전이 더 요구되고 이에 상응하는 배터리 충전기인 컨버터의 연구가 필요할 것으로 생각이 된다.
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