[논문]Split-Capacitor Dual-Active-Bridge 컨버터

김기수; 박시호; 차헌녕; 최병조

doi:10.6113/tkpe.2018.23.5.352

Split-Capacitor Dual-Active-Bridge 컨버터
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전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.23 no.5, 2018년, pp.352 - 358

김기수 (School of Energy Eng., Kyungpook Nat'l Univ.) , 박시호 (School of Energy Eng., Kyungpook Nat'l Univ.) , 차헌녕 (School of Energy Eng., Kyungpook Nat'l Univ.) , 최병조 (School of Electronics Eng., Kyungpook Nat'l Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper

A split-capacitor (SC) dual-active-bridge (DAB) converter is proposed in this study. The DC-link capacitors of input and output are split in the proposed converter. The primary and secondary windings of transformer are connected to the midpoints of the DC-links. Hence, the SC DAB converter can inherently prevent transformer from saturation. Although the switch current stress of the proposed converter is twice that of the conventional DAB converter, the switch voltage stress is reduced by half. Therefore, the proposed converter can reduce switching loss and achieve high efficiency in a high switching frequency. Given the SC structure, the proposed converter can readily be connected to neutral-point-clamped- or half-bridge-type converters. The topology of the proposed converter is presented and the operating principle is analyzed in detail. A 3-kW hardware prototype was built and tested to verify the performance of the proposed converter.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Traditional DAB converters.
그림 Fig. 2. Proposed converter.
그림 Fig. 3. Key waveforms.
그림 Fig. 4. Operation modes.
표 TABLE I COMPARISON AMONG CONVENTIONAL AND SC DAB CONVERTERS
표 TABLE II COMPARISON OF SWITCH LOSS FOR PRIMARY SIDE
그림 Fig. 5. SC DAB converter connected with three-phase NPC inverter.
표 TABLE III ELECTRICAL SPECIFICATION OF THECONVENTIONAL AND PROPOSED CONVERTERS
그림 Fig. 6. Switch voltages of the proposed converter.
그림 Fig. 7. Transformer currents with mismatched duty ratio.
그림 Fig. 8. Efficiency curves.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 Split-capacitor(SC) 구조를 가진 새로운 DAB 컨버터를 제안한다. 제안한 컨버터는 기존 Series-capacitor DC-DC 컨버터 구조^[8]를 변압기 양단에 연결하여 도출된다.
본 논문에서는 기존 DAB 컨버터에서 풀브리지 구조를 SC 구조로 바꾼 새로운 DAB 컨버터를 제안하였다. 제안한 컨버터는 기존 DAB 컨버터에 비해 다음과 같은 특징을 가지고 있다.
스위치 S₁, S₂, S₅, S₆은 각각 S₃, S₄, S₇, S₈과 서로 상보적으로 동작한다. 본 논문에서는 해석의 편의를 위해 가장 기본적인 SPS PWM 방식을 예로 들어 설명한다. 따라서, S₁과 S₂는 서로 180°의 위상차를 가지며, S₅와 S₆ 또한 180°의 위상차를 가진다.
본 논문은 기본적인 SPS PWM 방식을 이용하여 설명되었으며 3-kW의 시제품을 제작하여 제안한 컨버터를 검증하였다.
495로 설정하였다. 이는 시비율이 0.5인 SPS PWM 방식의 동작모드와 거의 일치하기 때문에, 본 논문에서는 설명의 편의를 위해 시비율이 0.5로 설정된 SPS PWM 방식으로 제안한 컨버터를 설명한다. 그림 3은 제안한 컨버터의 주요 파형을 나타내며 그림 4는 제안한 컨버터의 동작모드를 나타낸다.

가설 설정

그림 7은 위의 조건에서 포화방지 커패시터가 없는 기존 DAB 컨버터와 제안한 컨버터의 변압기 전류를 나타낸다. 그림 7(a)에 나타난 것처럼 기존 DAB 컨버터는 경부하시에도 포화 문제가 발생하지만 제안한 컨버터는 그림 7(b)와 같이 최대출력에서도 포화 문제가 발생하지 않는다.
1. 비록 스위치의 높은 정격 전류 때문에 도통 손실이 크지만 정격 전압이 작기 때문에 스위칭 손실이 작다.
3. 게이트 신호 불평형에 의한 변압기 포화문제가 발생하지 않는다.
그림 3은 제안한 컨버터의 주요 파형을 나타내며 그림 4는 제안한 컨버터의 동작모드를 나타낸다. 컨버터의 모든 소자는 이상적이라고 가정하였고 PWM데드타임은 무시하였다. 제안한 컨버터의 동작원리는 다음과 같다.

제안 방법

게이트 신호 불평형시의 변압기 포화를 확인하기 위해, 의도적으로 S₁과 S₂의 시비율을 0.495와 0.485로 서로 다르게 설정한 후 실험을 진행하였다. 그림 7은 위의 조건에서 포화방지 커패시터가 없는 기존 DAB 컨버터와 제안한 컨버터의 변압기 전류를 나타낸다.
제안한 컨버터는 기존 DAB 컨버터에 비해 입,출력에 추가적인 커패시터가 필요하지만 기존 DAB 컨버터의 경우 게이트 신호 불평형 시 발생하는 변압기 포화 문제를 방지하기 위해 변압기 양단에 포화방지 커패시터가 반드시 필요하다. 하지만 제안한 컨버터는 DHB 컨버터와 동일하게 커패시터의 Charge balance 조건으로 인해 변압기 포화 문제가 발생하기 않는 장점이 있다.
그림 2는 본 논문에서 제안하는 SC DAB 컨버터 회로를 나타낸다. 제안한 컨버터는 기존 DAB 컨버터와 같은 수의 스위칭 소자를 사용하며 입력 및 출력 단은 DHB 컨버터와 같은 SC 구조를 가진다. 스위치 S₁, S₂, S₅, S₆은 각각 S₃, S₄, S₇, S₈과 서로 상보적으로 동작한다.
본 논문에서는 Split-capacitor(SC) 구조를 가진 새로운 DAB 컨버터를 제안한다. 제안한 컨버터는 기존 Series-capacitor DC-DC 컨버터 구조^[8]를 변압기 양단에 연결하여 도출된다. 제안한 방식은 변압기와 1, 2차 측 스위칭 소자 6개의 정격 전압을 각각 입력전압과 출력전압의 절반으로 줄일 수 있어 스위칭 손실 측면에서 그림 1의 기존 DAB 컨버터들에 비해 장점을 가진다.
제안한 컨버터의 성능 검증을 위해 표 3에 표기한 전기적 사양에 맞춰 시제품을 제작하여 실험을 진행하였다. 식 (10)을 이용하여 구한 ϕ는 약 0.

성능/효과

2. 기존에 비해 넓은 출력 범위에서 높은 효율을 가질 수 있으며 이는 스위칭 주파수가 높을수록 더 부각된다.
4. 추가적인 소자 없이 수월하게 NPC 혹은 하프브리지 구조의 전력변환기와 연계가 가능하다.
또한 기존 DAB 컨버터는 Neutral-point-clamped (NPC) 혹은 하프브리지 구조를 가진 전력변환기와 연결시 입력 혹은 출력에 두 개의 커패시터를 직렬로 연결하는 것이 요구된다. 따라서, 기존 DAB 컨버터는 포화방지커패시터를 포함하여 총 6개의 커패시터가 요구되지만 제안한 컨버터는 4개의 커패시터만을 이용하여 변압기 포화를 방지하며, 그림 5처럼 NPC 혹은 하프브리지 구조를 가진 전력변환기와 수월한 연결이 가능하다.
하지만 경부하에서는 스위칭 손실에 장점이 있는 제안한 컨버터의 효율이 더 높다. 또한, 100 kHz로 스위칭 주파수가 증가할 시, 중부하에서는 두 컨버터 사이에 효율차이가 줄어들었으며 경부하에서는 효율 차이가 늘어났다. 주파수가 높아질수록 이러한 현상은 더 부각된다.
SPS PWM 방식을 이용하는 제안한 컨버터와 DHB컨버터는 서로 같은 출력 전력과 변압기 전압 및 전류를 가진다. 비록 제안한 컨버터는 DHB 컨버터에 비해 4개 많은 스위치를 사용하지만, 6개 스위치 전압의 정격은 DHB 컨버터 스위치의 절반으로 감소한다. 이로 인해, 3.
이로 인해 제안한 컨버터의 L_lk는 기존의 “1/4”배로 작아질 수 있다. 비록 제안한 컨버터의 스위치 정격 전류 또한 기존 DAB 컨버터보다 두 배만큼 증가하지만 스위치 정격 전압이 절반으로 감소하므로 제안한 컨버터의 경우 온 저항(R_ds(on))과 턴 오프 시간(t_off)이 작은 스위칭 소자를 사용할 수 있다. 제안한 컨버터는 R_ds(on)이 줄어들더라도 스위치 전류가 기존의 두 배 이기 때문에 스위치의 도통 손실은 기존보다 크다.
제안한 컨버터는 기존 Series-capacitor DC-DC 컨버터 구조^[8]를 변압기 양단에 연결하여 도출된다. 제안한 방식은 변압기와 1, 2차 측 스위칭 소자 6개의 정격 전압을 각각 입력전압과 출력전압의 절반으로 줄일 수 있어 스위칭 손실 측면에서 그림 1의 기존 DAB 컨버터들에 비해 장점을 가진다. 또한 제안한 컨버터는 추가적인 소자 없이 게이트 신호의 불평형에 의한 변압기 포화 문제를 방지할 수 있으며 다른 SC 구조를 가진 전력변환기와 연결이 수월하다.
1절에서 언급한 것처럼 제안한 컨버터의 경우 스위치의 R_ds(on)과 t_off는 줄어든다. 제안한 컨버터의 도통 손실은 DHB 컨버터와 큰 차이가 나지 않으며 스위칭 손실은 DHB 컨버터 보다 작기 때문에 제안한 컨버터는 DHB 컨버터에 비해 높은 효율을 달성할 수 있다.
제안한 컨버터의 변압기는 기존 DAB 컨버터의 변압기에 비해 절반의 정격 전압을 가진다. 그러므로 제안한 컨버터는 기존 DAB 컨버터와 동일한 전력을 전달하기 위해서는 기존보다 두 배 큰 변압기 전류가 필요하다.
표 2는 1차 측 스위칭 소자의 손실 비교를 나타내며, 2차 측 스위치 손실도 이와 유사하게 나타난다. 표 2로 부터 제안한 컨버터는 주파수가 증가할수록 기존 DAB 방식보다 작은 손실을 가짐을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존 DAB 컨버터의 스위치 전압 정격은 입력 전압과 같은데 이로인한 단점은 무엇인가?	그러나 기존 DAB 컨버터의 스위치 전압의 정격은 입력 전압(Vin)과 같다. 이는 ZVS가 이루어지지 않는 낮은 부하에서 높은 스위칭 손실을 발생시키는 단점이 있다. 또한 기존 DAB 컨버터는 게이트 신호 불평형 시 변압기 포화 문제가 필연적으로 발생한다.
	DAB 컨버터의 PWM 방식에는 무엇이 있는가?	또한 변압기를 사용하여 입력과 출력을 절연 하였으며 변압기를 중심으로 1차 측과 2차 측이 대칭구조로 이루어져있어 변압기 양단 전압의 위상 천이만을 이용하여 전력을 양방향으로 쉽게 전달 할 수 있다. DAB 컨버터의 PWM 방식으로는 Single-phase-shift(SPS) 방식이 일반적이며 무효전력을 감소시키는 Extended-phase-shift(EPS)와 Dual-phase-shift(DPS) 방식 등이 있다[5].
	하프브리지 구조를 가진 DAB 컨버터의 장점은 무엇인가?	한편 그림 1(b)의 하프브리지 구조를 가진 DAB 컨버터(DHB 컨버터)는 제어와 구조가 단순하고 게이트 신호의 불평형 시에도 입력 및 출력에 위치한 직렬 연결된 커패시터로 인해 변압기 포화 문제가 발생하지 않는다[6],[7]. 하지만 스위칭 소자의 전압과 전류 정격이 모두 큰 단점이 있다.

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].

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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)
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