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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 배터리 충전 전류의 리플을 저감시킬 수 있는 듀얼 인덕터 방식의 양방향 컨버터를 제안한다. 제안하는 양방향 컨버터는 기존 양방향 컨버터와 비교하여 1개의 인덕터, 2개의 스위치, 1개의 다이오드가 추가된다.
- 본 논문에서는 듀얼 인덕터 방식의 양방향 컨버터를 제안하였다. 제안된 컨버터는 기존의 양방향 컨버터에 사용되는 단일 인덕터를 듀얼로 사용함으로써 승압(Boost)과 강압(Buck) 모드에 최적화된 인덕턴스 값을 제공할 수 있다.
제안 방법
- 강압(Buck)동작 시에도 제안된 컨버터와 기존 양방향 컨버터는 동일한 입·출력 관계비를 가지지만, 제안하는 컨버터는 인덕터가 추가됨으로써 전류 리플율과 실효치를 저감시킬 수 있는 장점을 가지게 된다.
- 본 논문에서 제안하는 양방향 컨버터의 타당성을 검증하기 위하여 PSIM 시뮬레이션과 시작품 실험을 수행한다.
- 본 논문에서는 제안하는 양방향 컨버터에 이와 같은 기준을 적용시켜 구동 구간에서는 1[kW](실험 500[W]), 회생 제동일 때에는 250[W]인 CCM으로 설계 하였다. 인덕턴스 값은 넓은 부하범위에서 CCM 동작을 보장하기 위해 부스트 모드의 인덕터 L1 은 5.
- 기존 양방향컨버터에서 인덕터는 승압과 강압의 두 모두에서 동일한 값으로 사용되므로 승압용에 최적화 되어 설계될 경우 강압 동작에서는 전류 리플이 증가하게 되고, 강압용에 최적화하여 설계될 경우에는 인덕터 손실이 증가하는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해서 제안하는 양방향 컨버터는 승압과 강압 모드에 각각 최적화된 인덕턴스 값을 제공하기 위해 부스트 모드에 최적화된 인덕터L1을 설계하고 벅 모드 동작에는 인덕터 L2가 직렬 결합되어 벅모드에 최적화된 인덕턴스 값을 가지도록 구성한다.
- 제안된 컨버터를 해석하기 위해 배터리 방전 시 동작되는 승압(Boost) 모드와 배터리 충전 시 동작되는 강압(Buck) 모드의 동작원리를 모드별로 나누어 설명한다. 제안된 듀얼 인덕터 방식의 양방향 컨버터는 두 개의 인덕터를 사용하여 부스트 모드일 때는 L1, 벅 모드일 때는 L1+L2의 조합으로 각 모드에 최적 설계된 인덕터로 동작한다.
- 제안된 양방향 컨버터는 추가된 스위치와 인덕터를 통해 부스트 모드와 벅 모드에 최적화된 인덕턴스 값으로 동작할 수 있다. 따라서 기존 양방향 컨버터의 벅 모드보다 인덕터 전류 리플을 감소시킬 수 있어 배터리 충전 시 온도를 낮춰 수명을 연장에 도움을 준다[20].
- 따라서 기존 양방향 컨버터의 벅 모드보다 인덕터 전류 리플을 감소시킬 수 있어 배터리 충전 시 온도를 낮춰 수명을 연장에 도움을 준다[20]. 제안된 양방향 컨버터의 설계 가이드라인을 제시하고 시뮬레이션과 실험을 통해 제안 양방향 컨버터와 기존 양방향 컨버터의 인덕터 전류 리플을 비교하여 제안 회로의 타당성을 검증한다.
- 본 논문에서는 듀얼 인덕터 방식의 양방향 컨버터를 제안하였다. 제안된 컨버터는 기존의 양방향 컨버터에 사용되는 단일 인덕터를 듀얼로 사용함으로써 승압(Boost)과 강압(Buck) 모드에 최적화된 인덕턴스 값을 제공할 수 있다.
- 제안된 컨버터는 주 스위치(S1, S2)와 다이오드(D1), 부스트 모드 인덕터(L1), 벅 모드 인덕터(L1+L2), 입·출력 커패시터(C1, C2), 배터리 입력단과 부스트 모드 보조 스위치(Sa1), 벅 모드 보조 스위치(Sa2)로 구성된다.
- 제안된 컨버터를 해석하기 위해 배터리 방전 시 동작되는 승압(Boost) 모드와 배터리 충전 시 동작되는 강압(Buck) 모드의 동작원리를 모드별로 나누어 설명한다. 제안된 듀얼 인덕터 방식의 양방향 컨버터는 두 개의 인덕터를 사용하여 부스트 모드일 때는 L1, 벅 모드일 때는 L1+L2의 조합으로 각 모드에 최적 설계된 인덕터로 동작한다.
- 따라서 본 논문에서는 배터리 충전 전류의 리플을 저감시킬 수 있는 듀얼 인덕터 방식의 양방향 컨버터를 제안한다. 제안하는 양방향 컨버터는 기존 양방향 컨버터와 비교하여 1개의 인덕터, 2개의 스위치, 1개의 다이오드가 추가된다. 추가 스위치 소자는 벅 모드와 부스트 모드에 따라 단순 ON/OFF 동작만 하게 되므로 스위치 내부 기생 저항 성분에 의한 손실은 발생되지만 스위칭 손실은 크지 않다[19].
- 제안하는 양방향 컨버터의 벅 모드 동작에서 인덕터는 부스트 모드일 때 사용되는 인덕터 L1에 인덕터 L2를 직렬 결합시켜 사용한다. 식 (17)을 이용하면 CCM에서 동작할 수 있는 인덕터 L1+L2의 최솟값을 구할 수 있다.
- 제안하는 양방향 컨버터의 벅 모드 동작은 두 개의 인덕터 L1, L2가 더해져 사용되며 스위치 S2의 동작에 따라 2개의 모드로 나눈다.
- 제안하는 양방향 컨버터의 부스트 모드 동작에서 스위치 Sa1 는 항상 ON, 스위치 S1는 ON/OFF를 하며 기존 부스트 모드와 동일하게 동작을 하게 된다. 부스트 모드 동작은 두 개의 인덕터 중 L1의 인덕터만을 사용하며 이는 부스트 모드에 맞춰 설계된 인덕터이다.
- 제안하는 양방향 컨버터의 부스트 모드와 벅 모드 동작은 기존 양방향 컨버터와 동일한 입·출력 특성을 갖는다.
성능/효과
- 경부하, 정격부하, 과부하의 조건에서 시뮬레이션 및 실험한 결과로부터 강압(Buck) 동작 시 전부하 영역에서 제안된 컨버터가 기존 컨버터보다 전류 리플이 감소됨을 확인할 수 있었다.
- 두 컨버터 모두 경부하로 갈수록 전류 리플율이 커지게 되고, 제안하는 컨버터는 부하 10[%] 조건 이하에서 DCM 구간으로 들어가며, 기존 양방향 컨버터는 부하 40[%] 이하 조건에서는 DCM 구간으로 진입하게 된다. 전반적으로 제안하는 양방향 컨버터가 인덕터 전류 리플율이 저감됨을 확인할 수 있다.
- 전부하 구간에서 제안하는 양방향 컨버터의 인덕터 전류 rms가 더 낮은 경향을 보이며, CCM일 때를 기준으로 제안하는 양방향 컨버터가 기존 양방향 컨버터보다 약 5∼10[%]정도 낮다는 것을 알 수 있다.
- 그림 8은 부하 10∼120[%] 조건에서 제안하는 양방향 컨버터와 기존 양방향 컨버터의 효율을 비교한다. 제안된 양방향 컨버터는 인덕터 전류리플과 rms 저감을 위해 추가된 스위치와 다이오드에 따른 스위칭 및 도통 손실의 증가, 추가된 인덕터에 따른 도통손실의 증가로 인해 효율이 상대적으로 떨어짐을 알 수 있다.
- 그림 4(a)는 과부하 120[%]일 때의 인덕터 전류 파형이다. 제안하는 양방향 컨버터에서 인덕터 전류는 최댓값 1.34[A], 최솟값 1.055[A], 기존 양방향 컨버터는 최댓값 1.78[A], 최솟값 0.623[A]이다. 그림 4(b)는 정격부하 조건에서의 인덕터 전류 파형으로 제안하는 양방향 컨버터는 최댓값 1.
- 2[mH]의 인덕턴스 값(L1+L2)을 이용할 수 있다. 제안하는 양방향 컨버터의 인덕터 전류는 최댓값이 1.088[A], 최솟값이 0.843[A], 기존 양방향 컨버터의 인덕터 전류는 최댓값 1.473[A], 최솟값 0.508[A]로 제안하는 양방향 컨버터가 벅 모드에서 추가된 인덕터로 인해 전류 리플이 감소됨을 확인할 수 있다.
후속연구
- 제안하는 컨버터는 추가된 소자들로 인해 기존 양방향 컨버터에 비해서 인덕터의 부피와 무게가 증가하고 평균 효율이 저하되는 문제점이 발생하지만, 배터리 충전 전류 리플의 실효치를 감소시킬 수 있어 배터리 충전 시 온도 저감과 이에 따른 배터리수명 연장에 효과가 있어 전기자동차 MCU용으로 활용할 수 있다고 판단된다.
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