[논문]ESS 배터리 충방전 시스템을 위한 8kW급 LLC 절연형 컨버터 설계

김진우; 백승훈; 조영훈; 구태근

doi:10.6113/tkpe.2018.23.3.161

ESS 배터리 충방전 시스템을 위한 8kW급 LLC 절연형 컨버터 설계
8kW LLC Isolated Converter Design for ESS Battery Charge/Discharge System 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.23 no.3, 2018년, pp.161 - 167

김진우 (Dept. of Electrical Eng., Konkuk University) , 백승훈 (Dept. of Electrical Eng., Konkuk University) , 조영훈 (Dept. of Electrical Eng., Konkuk University) , 구태근 (Sungshin Electric Co. Ltd. Research Institute)

Abstract ▼ AI-Helper

In battery-operated systems, an isolated converter is used to interface the utility grid with the system to increase stability when charging and discharging batteries. Systems such as vehicle-to-grids (V2Gs), on-board chargers, and energy storage systems (ESSs) have recently become popular, and the roles of isolated converters have become important considerations in fabricating such devices. A fixed-frequency LLC converter, which is a type of isolated converter, presents the advantages of high efficiency and high power density by performing zero-voltage switching (ZVS) over wide frequency ranges. However, the magnetizing inductance of the LLC converter should be designed to enable ZVS in all switching devices. Therefore, in this study, the operating characteristics of the LLC circuit are analyzed, and an optimal design method for ZVS operation is established. Moreover, an 8 kW LLC high-efficiency and high-power-density resonant converter is designed and tested for ESS application. The LLC converter achieves 98% efficiency at rated power.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 배터리 충방전 시스템을 위한 절연형 LLC컨버터의 이론적인 해석과 WBG 소자를 적용하여 설계를 진행하였다. 또한 스위치의 ZVS턴 온을 위한 적절한 자화 인덕턴스 값을 선정하는 방법에 대해 기술 하였다. 그리고 설계한 결과를 모의 해석과 실험을 통해 확인하였으며, 그 결과가 타당함을 검증하였다.
본 논문에서는 배터리 충방전 시스템을 위한 절연형 LLC컨버터의 이론적인 해석과 WBG 소자를 적용하여 설계를 진행하였다. 또한 스위치의 ZVS턴 온을 위한 적절한 자화 인덕턴스 값을 선정하는 방법에 대해 기술 하였다.

제안 방법

또한 부하는 방전 시 1.5kW∼8kW, 충전 시 1kW∼4kW 영역에서 선형 저항부하를 사용하여 실험하였다.
모의 해석은 Powersim사의 PSIM을 사용하여 표 1의 제정수에 해당하는 변압기를 사용한 LLC컨버터의 공진 전류 및 소프트 스위칭을 검토하였다. 그림 8(a)는 스위치 S₁의 게이트 전압 V_{gs_s1}과 양단 전압 V_{ds_s1}을 나타내며, ZVS턴 온을 하고 있음을 확인할 수 있다.
따라서 LLC컨버터는 설계한 특정 부하 영역에서 높은 효율을 가질 수 있으며, 고주파 대역에서 동작하므로 전력밀도 또한 매우 높다. 본 논문에서는 ESS충방전 시스템을 위한 절연형 컨버터의 설계와 실험이 진행되었으며, WBG 소자인 SiC소자를 사용하여 높은 전력밀도와 효율을 갖도록 제작하였다^[11] .

대상 데이터

3상 슬라이닥스와 3상 다이오드 정류기를 사용하여 배터리 방전 시 입력전압 480V, 충전시 입력전압 630V를 인가하였다. 시스템에 적용된 전력용 반도체는 WBG 소자로써, Sic소자인 Cree사의 C2M0040120D를 사용하였다. 또한 부하는 방전 시 1.
5kW∼8kW, 충전 시 1kW∼4kW 영역에서 선형 저항부하를 사용하여 실험하였다. 제어보드는 TI 사의 DSP TMS320F28335를 이용해 실험을 진행하였다.

성능/효과

또한 스위치의 ZVS턴 온을 위한 적절한 자화 인덕턴스 값을 선정하는 방법에 대해 기술 하였다. 그리고 설계한 결과를 모의 해석과 실험을 통해 확인하였으며, 그 결과가 타당함을 검증하였다. 본 논문에서 기술한 이론을 토대로 제작한 컨버터는 방전 모드 에서 정격부하인 8kW와 6.
이는 공진 전류가 데드타임 구간에 진입 시 Mode 3 과 같이 전류가 양의 크기를 가지며 자화 전류와 같아지기 위함이다. 따라서 본 논문에서는 F_x가 거의 1에 근사하고, 인덕티브 모드에서 동작하도록 스위칭 주파수는 공진주파수보다 약간 크게 설정하였다.
전력반도체의 고주파 대역에서의 동작은 시스템의 수동소자인 인덕터와 커패시터의 크기를 줄여 전력밀도를 매우 높일 뿐만 아니라 수동소자 개수를 줄여 전체 시스템의 원가절감에도 영향을 미친다. 또한 WBG 소자들은 기존의 Si 소자보다 고온에서의 동작 특성이 우수하며, 절연 전압이 높다. 따라서 이러한 WBG 소자의 개발은 전력변환시스템 성능향상에 큰 영향을 주고 있으며, 국내외로 우주, 항공, 군용 등의 다양한 프로젝트를 통해 연구되고 있다^[1] .
1C)으로 충전되는 것을 고려해 저전력 구간에서 실험하였다. 배터리 방전 시 LLC컨버터의 최고 효율은 6.6kW 부하에서 98.34%, 최저효율은 1.5kW 부하에서 95.4%로 측정되었다. 배터리 방전 시 정격부하인 8kW 와 V2G 시스템 등에서 가장 흔하게 사용되는 정격인 6.
4%로 측정되었다. 배터리 방전 시 정격부하인 8kW 와 V2G 시스템 등에서 가장 흔하게 사용되는 정격인 6.6kW 조건에서 높은 효율을 가지는 것을 확인할 수 있다. 배터리 충전 시 효율은 4kW(0.
6kW 조건에서 높은 효율을 가지는 것을 확인할 수 있다. 배터리 충전 시 효율은 4kW(0.5C)에서 96.92%로 최고 효율이 측정되었다.
그리고 설계한 결과를 모의 해석과 실험을 통해 확인하였으며, 그 결과가 타당함을 검증하였다. 본 논문에서 기술한 이론을 토대로 제작한 컨버터는 방전 모드 에서 정격부하인 8kW와 6.6kW에서 효율 98.3% 이상이 됨을 확인하였고, 4kW 충전 모드에서 최고 효율 96.92%를 가지는 것을 확인하였다. 고정주파수 LLC컨버터는 절연의 역할을 담당하므로 입력단과 출력단의 전압, 전류 제어를 위해 인버터, DC-DC컨버터를 연계하여 추후에 실험을 더 진행할 예정이다.
5kW 그리고 8kW 부하조건에서 측정한 변압기의 전류, 전압 파형이다. 실험 결과를 살펴보면, 변압기에 인가되는 전압이 반전될 때 공진 전류의 방향이 스위칭 구간에 흐르는 전류의 방향과 동일한 방향으로 유지되며 흐르는 것으로 보아 전 구간에서 스위치가 ZVS가 턴 온이 되고 있음을 알 수 있다. 또한 그림 8 (b)와 그림 11을 비교해 보았을 때, 모의 해석 결과와 실험 결과가 일치함을 확인할 수 있다.

후속연구

92%를 가지는 것을 확인하였다. 고정주파수 LLC컨버터는 절연의 역할을 담당하므로 입력단과 출력단의 전압, 전류 제어를 위해 인버터, DC-DC컨버터를 연계하여 추후에 실험을 더 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력용 반도체는 무엇인가?	전력용 반도체는 시스템에서 전력의 형태를 제어하도록 변환기능을 가진 소자로써 전력변환장치에 흔히 사용된다. 전력용 반도체는 최근 고주파를 포함한 넓은 대역에서 안정하게 동작하도록 개발되고 있으며, 이러한 넓은 대역폭을 갖는 전력용 반도체를 wide band gap(WBG) 소자라고 부르며, silicon carbide(SiC)와 gallium nitride(GaN) 소자가 이에 해당된다.
	전력반도체의 고주파 대역에서의 동작이 주는 긍정적인 효과는 무엇인가?	전력용 반도체는 최근 고주파를 포함한 넓은 대역에서 안정하게 동작하도록 개발되고 있으며, 이러한 넓은 대역폭을 갖는 전력용 반도체를 wide band gap(WBG) 소자라고 부르며, silicon carbide(SiC)와 gallium nitride(GaN) 소자가 이에 해당된다. 전력반도체의 고주파 대역에서의 동작은 시스템의 수동소자인 인덕터와 커패시터의 크기를 줄여 전력밀도를 매우 높일 뿐만 아니라 수동소자 개수를 줄여 전체 시스템의 원가절감에도 영향을 미친다. 또한 WBG 소자들은 기존의 Si 소자보다 고온에서의 동작 특성이 우수하며, 절연 전압이 높다.
	배터리 충방전 시스템의 비절연형 양방향 DC-DC컨버터를 통한 충방전 제어의 단점은 무엇인가?	일반적인 배터리 충방전 시스템에서는 비절연형 양방향 DC-DC컨버터를 통해 충방전 제어를 수행한다. 하지만 이는 계통과 배터리가 절연되지 않고 직접 연결되어 안전성이 낮으므로, 추가적으로 절연형 컨버터를 DC-DC컨버터와 연계하여 사용하여야 한다. 절연형 컨버터는 내부에 고주파 변압기가 포함되어 계통과 배터리를 분리시켜, 서로 직접적으로 연결된 것이 아닌 변압기를 통해 시스템이 연결되므로 안전하다 [6]-[10] .

참고문헌 (12)

I. O. Lee, “GaN power semiconductor power electronics technology,” KIPE MAGAZINE, Vol. 22, No. 1, pp. 29-34, 2017.
J. H. Jung, H. S. Kim, M. H. Ryu, and J. W. Baek, “Design methodology of bidirectional CLLC resonant converter for high-frequency isolation of DC distribution systems,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 28, No. 4, pp. 1741-1755, Apr. 2013.

상세보기
B. Whitaker, et al., “A high-density, high-efficiency, isolated on-board vehicle battery charger utilizing silicon carbide power devices,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 29, No. 5, pp. 2606-2617, May 2014.

상세보기
J. H. Jung and J. G. Kwon, "Theoretical analysis and op timal design of LLC resonant converter," 2007 European Conference on Power Electronics and Applications, Aalborg, pp. 1-10, 2007.
J. H. Jung, H. S. Kim, J. H. Kim, M. H. Ryu, and J. W. Baek, "High efficiency bidirectional LLC resonant converter for 380V DC power distribution system using digital control scheme," in 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Orlando, FL, pp. 532-538, 2012.
J. W. Kim and G. W. Moon, "A new LLC series resonant converter with a narrow switching frequency variation and reduced conduction losses," in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 29, No. 8, pp. 4278-4287, Aug. 2014.

상세보기
S. Y. Chen, Z. R. Li, and C. L. Chen, "Analysis and design of single-stage AC/DC LLC resonant converter," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 59, No. 3, pp. 1538-1544, Mar. 2012.

상세보기
J. Y. Lee, Y. S. Jeong, and B. M. Han, "An isolated DC/DC converter using high-frequency unregulated LLC resonant converter for fuel cell applications," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 58, No. 7, pp. 2926-2934, Jul. 2011.

상세보기
X. Fang, H. Hu, Z. J. Shen, and I. Batarseh, "Operation mode analysis and peak gain approximation of the LLC resonant converter," in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 27, No. 4, pp. 1985-1995, Apr. 2012.

상세보기
S. H. Cho, C. W. Roh, S. S. Hong, and S. K. Han, "High-efficiency and low-cost tightly-regulated dual-output LLC resonant converter," 2010 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Bari, pp. 862-869, 2010.
I. O. Lee and J. W. Kim, “Research trend of GaN power semiconductor technology in power electronics,” The Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 65, No. 2, pp. 34-43, 2016.
S. A. Rahman, "Resonant LLC converter:operation and design," in Infineon Technologies North America(IFNA) Corp, Sep. 2012.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증