[논문]저압 직류 배전용 양극성 DC-DC 컨버터에 관한 연구

이정용; 김호성; 조진태; 김주용; 조영훈

doi:10.6113/tkpe.2019.24.4.229

저압 직류 배전용 양극성 DC-DC 컨버터에 관한 연구
A Study on Bipolar DC-DC Converter for Low Voltage Direct Current Distribution 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.24 no.4, 2019년, pp.229 - 236

이정용 (Dept. of Electrical Engineering, Konkuk University) , 김호성 (Power Conversion and Control Research Center, HVDC Research Division, KERI) , 조진태 (Smart Power Distribution Lab. Power Distribution ICT Group, KEPCO) , 김주용 (Smart Power Distribution Lab. Power Distribution ICT Group, KEPCO) , 조영훈 (Dept. of Electrical Engineering, Konkuk University)

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes a DC-DC converter topology of solid-state transformer for low-voltage DC distribution. The proposed topology consists of a voltage balancer and bipolar DC-DC converter. The voltage and current equations are obtained on the basis of switching states to design the controller. The open-loop gain of the controller is achieved using the derived voltage and current equations. The controller gain is selected through the frequency analysis of the loop gain. The inductance and capacitance are calculated considering the voltage and current ripples. The prototype is fabricated in accordance with the designed system parameters. The proposed topology and designed controller are verified through simulation and experiment.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Configuration of solid state transformer for LVDC.
그림 Fig. 2. Configuration of LVDC (a) Unipolar, (b) Bipolar.
그림 Fig. 3. Proposed bipolar DC-DC converter topology.
그림 Fig. 4. Voltage balancer operating waveform.
그림 Fig. 5. Current path of voltage balancer (a) Mode 1, (b) Mode 2.
그림 Fig. 6. Proposed bipolar DC-DC converter topology.
그림 Fig. 7. Control strategy (a) for voltage balancer, (b) for bipolar DC-DC converter.
표 TABLE Ⅰ SYSTEM PARAMETERS OF PROPOSED CONVERTER
그림 Fig. 8. The output waveform of voltage balancer in unbalance load condition.
그림 Fig. 9. The simulation results of LVDC DC-DC converter (a) Under balance load condition, (b) Under unbalance load condition.
표 TABLE Ⅱ SYSTEM PARAMETERS
그림 Fig. 10. The LVDC bipolar DC-DC converter prototype.
그림 Fig. 11. Experimental results under 9kW balance load condition.
그림 Fig. 12. Experimental results under 4.5kW unbalance load condition.
그림 Fig. 13. Efficiency measurement result of the prototype.
표 TABLE Ⅲ DESIGNED INDUCTOR PARAMETERS

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 SST의 직류 배전용 양극성 전압을 제어하기 위한 DC-DC 컨버터를 위한 회로를 제안한다. 제안된 회로는 SST의 절연형 컨버터에서 출력된 양극 전압을 균등하게 제어하는 전압 균형회로와 ±750V 출력이 가능한 양극성 컨버터 회로로 구성되어 있다.
본 논문에서는 저압 직류 배전용 반도체 변압기의 DC-DC 변환부에 들어갈 양극성 컨버터 토폴로지를 제안하였다. LVDC 배전용 양극성 DC-DC 컨버터의 전압 균형회로와 양극성 DC-DC 컨버터에 대한 회로 해석을 통해 제어기를 설계하였다.

가설 설정

실험에서 사용한 제어기 이득은 앞장에서 설계한 값과 다르다. 앞선 장에서 이상적인 상황 및 소자를 가정한 분석으로 제어기를 설계하였다. 하지만 실제 시스템을 제어할 때에는 디지털 제어기 PWM 업데이트 및 연산 과정에서 시지연이 발생하고, 센싱 노이즈 및 필터의 기생 저항성분에 의해 모델링 오차가 발생한다.
그림 4는 스위칭 상태에 따른 전류의 흐름을 보여준다. 전류의 흐름은 스위칭 상태에 따라 2가지 모드로 구분되며, 전압 균형 회로의 동작 분석을 위하여 몇 가지 가정을 하였다. 첫째, 모든 인덕터와 커패시터는 이상적이며, 정상상태에서 각 모드마다 출력되는 전압은 변하지 않는다.

제안 방법

G_vi(s)는 전압과 인덕터 전류의 전달함수이고, G_id(s)는 인덕터 전류와 듀티의 전달함수이다. G_vi(s)와 G_id(s)는 앞 장에서 구한 스위칭 동작별 전압, 전류 방정식을 이용해 도출하였으며, 이 전달함수가 포함된 개루프 루프 이득을 주파수 분석하여 제어기를 설계하였다.
본 논문에서는 저압 직류 배전용 반도체 변압기의 DC-DC 변환부에 들어갈 양극성 컨버터 토폴로지를 제안하였다. LVDC 배전용 양극성 DC-DC 컨버터의 전압 균형회로와 양극성 DC-DC 컨버터에 대한 회로 해석을 통해 제어기를 설계하였다. 시뮬레이션과 실험을 이용하여 설계한 제어기와 제안한 컨버터 토폴로지의 타당성을 검증하였다.
5kW, R₂의 부하가 0kW로 100% 부하 불평형 조건일 때 리플 전류가 20%이내의 값을 갖도록 L_f를 선정하였다. 또한 커패시터의 용량은 모드별 커패시터 전류 관계식 (2), (4)를 이용해 v_in/2의 전압이 제어될 때 컨버터의 최대 출력 및 dc링크의 전압 리플 등을 고려하여 선정하였다. 선정한 인덕턴스는 1.
. 본 논문에서는 2레벨 전압 균형 회로를 선정하였다. 전압 균형 회로는 높은 입력 전압에 의한 스위치의 전압 정격을 확보하기 위해 두 개의 스위치를 직렬로 연결하였다.
양의 극전압 출력에는 21.6Ω 저항부하를 연결하여 37.5kW, 음의 극전압 출력에는 80Ω 저항부하를 연결하여 10kW 조건으로 시뮬레이션을 수행하였다.
외측 전압 제어기는 내측 전류 제어기를 폐루프 전달함수로 등가화 하여 구한 루프 이득이 전류제어기의 대역폭보다 1/20미만이 되도록 설계하였다. 전압 제어기 루프 이득의 대역폭은 76.
전류 리플 관계식 (6)을 이용해 R₁의 부하가 37.5kW, R₂의 부하가 0kW로 100% 부하 불평형 조건일 때 리플 전류가 20%이내의 값을 갖도록 L_f를 선정하였다. 또한 커패시터의 용량은 모드별 커패시터 전류 관계식 (2), (4)를 이용해 v_in/2의 전압이 제어될 때 컨버터의 최대 출력 및 dc링크의 전압 리플 등을 고려하여 선정하였다.
전류 제어기의 루프 이득이 스위칭 주파수의 1/10 미만의 대역폭을 갖도록 설계하였다^[10] . 선정한 비례적분 제어기의 비례이득(K_pc)은 0.
본 논문에서는 2레벨 전압 균형 회로를 선정하였다. 전압 균형 회로는 높은 입력 전압에 의한 스위치의 전압 정격을 확보하기 위해 두 개의 스위치를 직렬로 연결하였다. 그림 4는 전압 균형 회로의 동작 파형을 보여주고 있다.
그림 7(b)는 양의 극전압 제어기 구조이다. 전압 균형 회로에서 제어된 전압에서 발생할 수 있는 주기적인 외란을 보상하기 위해 전향 보상기를 추가하였다. 전향 보상기의 듀티는 식 (8)과 같다.
전압 균형회로는 평형 부하 조건에서 별도의 제어를 하지 않아도 전압 균형이 이루어지기 때문에 불균형 부하 조건에 대한 시뮬레이션만 진행하였다.
제안된 회로는 SST의 절연형 컨버터에서 출력된 양극 전압을 균등하게 제어하는 전압 균형회로와 ±750V 출력이 가능한 양극성 컨버터 회로로 구성되어 있다.
제안된 회로는 SST의 절연형 컨버터에서 출력된 양극 전압을 균등하게 제어하는 전압 균형회로와 ±750V 출력이 가능한 양극성 컨버터 회로로 구성되어 있다. 제안된 회로를 수식적으로 분석하여 컨버터의 모델링을 수행하였고, 그 결과를 바탕으로 안정적인 제어기를 설계하였다. 제안하는 DC-DC 컨버터 동작, 전압 균형알고리즘, 그리고 부하 조건에 따른 컨버터 제어알고리즘의 성능은 75kW급 컨버터의 시뮬레이션과 시작품 실험을 통하여 검증하였다.
제안된 회로를 수식적으로 분석하여 컨버터의 모델링을 수행하였고, 그 결과를 바탕으로 안정적인 제어기를 설계하였다. 제안하는 DC-DC 컨버터 동작, 전압 균형알고리즘, 그리고 부하 조건에 따른 컨버터 제어알고리즘의 성능은 75kW급 컨버터의 시뮬레이션과 시작품 실험을 통하여 검증하였다.
제안하는 컨버터 검증을 위해 최대 75kW 정격을 갖도록 시작품을 제작하였다. 그러나 실험실 사양으로 인하여 전압 레벨을 1/2로 낮추고, 최대 10kW의 부하조건에서 컨버터의 동작을 검증하였다.
전압 균형 회로를 통해 제어된 전압을 입력받아 양극성 DC-DC 컨버터가 직류 배전용 전압으로 출력한다. 제안한 양극성 DC-DC 컨버터는 두 개의 동기 벅 컨버터가 대칭되는 구조를 가지고 있다.
효율 측정은 YOKOGAWA에서 생산한 WT1800 전력 분석기를 이용하였다. 제어보드의 전원 및 강제 공랭을 위해 설치한 팬에서 소비되는 전력을 모두 고려하여 효율 곡선을 제작하였다. 9kW에서 최대 98.

대상 데이터

전력용 반도체 소자는 Rohm에서 제작한 BSM120D12P2C005 하프브릿지 full-SiC MOSFET모듈을 사용하였으며, 게이트 드라이버는 사용한 SiC MOS FET전용 게이트 드라이버 모듈을 사용하였다. 시작품에 사용된 인덕터의 코어는 창성코어에서 생산한 메가 플럭스(Megaflux) 코어 CK1033060이며 인덕터의 설계 사양은 표 3과 같으며, 직경 3.66mm의 리츠(Litz)와이어를 이용하여 제작하였다.
그림 10은 시스템 사진이다. 실험에 사용한 디지털 제어보드는 TI에서 제작한 TMS320F28335를 기반으로 제작되었으며, ADC, DAC, PWM 등의 부가기능 사용을 위한 추가 회로 또한 구성되어있다.
양극성 DC-DC 컨버터는 대칭된 두 동기 벅 컨버터가 같은 최대 출력을 갖기에 인덕터와 커패시터 그리고 스위치를 동일한 소자로 선정하였다. 따라서 두 동기 벅 컨버터의 제어기 구조 및 이득 또한 동일하게 선정되었다.
전압 균형회로와 양극성 DC-DC 컨버터 모두 동일한 전력용 반도체 소자를 사용하였다. 전력용 반도체 소자는 Rohm에서 제작한 BSM120D12P2C005 하프브릿지 full-SiC MOSFET모듈을 사용하였으며, 게이트 드라이버는 사용한 SiC MOS FET전용 게이트 드라이버 모듈을 사용하였다. 시작품에 사용된 인덕터의 코어는 창성코어에서 생산한 메가 플럭스(Megaflux) 코어 CK1033060이며 인덕터의 설계 사양은 표 3과 같으며, 직경 3.
전압, 전류 측정을 위해 사용된 센서는 LEM의 LV-25P와 LA-55P가 사용되었다. 전압 균형회로와 양극성 DC-DC 컨버터 모두 동일한 전력용 반도체 소자를 사용하였다. 전력용 반도체 소자는 Rohm에서 제작한 BSM120D12P2C005 하프브릿지 full-SiC MOSFET모듈을 사용하였으며, 게이트 드라이버는 사용한 SiC MOS FET전용 게이트 드라이버 모듈을 사용하였다.
전압, 전류 측정을 위해 사용된 센서는 LEM의 LV-25P와 LA-55P가 사용되었다. 전압 균형회로와 양극성 DC-DC 컨버터 모두 동일한 전력용 반도체 소자를 사용하였다.
출력 커패시터 Co1과 Co2의 용량은 전압 제어가 정상상태일 때 1% 미만의 전압 리플 및 전부하 제어 시 안정적인 전력공급을 고려하여 선정되었으며 선정된 인덕턴스는 1.25mH, 커패시턴스는 750μF이다.

데이터처리

5kW 음의 극전압 부하는 무부하로 시뮬레이션한 결과이다. 시뮬레이션 결과를 통해 시스템의 관계식을 이용한 제어기 설계의 안정성과 제안한 컨버터 토폴로지의 정상 동작을 검증하였다.
LVDC 배전용 양극성 DC-DC 컨버터의 전압 균형회로와 양극성 DC-DC 컨버터에 대한 회로 해석을 통해 제어기를 설계하였다. 시뮬레이션과 실험을 이용하여 설계한 제어기와 제안한 컨버터 토폴로지의 타당성을 검증하였다. 차후 부하 급변실험을 통해 제어기의 동특성을 검증할 것이며 단락 사고 발생에 대한 검출 및 보상 알고리즘을 구현할 것이다.

이론/모형

앞 절에서 설계한 제어기를 검증하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 PSIM을 이용하였으며, 시뮬레이션에서 사용한 시스템의 인덕턴스와 커패시턴스는 표2와 같이 구성하였다.
참조문헌 [9]의 스위칭 동작 별 전압, 전류 관계식에 근거하여 인덕터 L1, L2의 전류 리플 관계식을 식 (7)을 구할 수 있다. 인덕터의 용량은 정격 37.5kW 조건에서 전류 리플이 5% 이내가 되도록 전류 리플 관계식을 이용하여 선정하였다. 또한 양극 전압이 공급할 수 있는 최대 전력이 37.
그림 13은 평형부하 조건에서 1kW 간격으로 측정한 효율 곡선이다. 효율 측정은 YOKOGAWA에서 생산한 WT1800 전력 분석기를 이용하였다. 제어보드의 전원 및 강제 공랭을 위해 설치한 팬에서 소비되는 전력을 모두 고려하여 효율 곡선을 제작하였다.

성능/효과

제어보드의 전원 및 강제 공랭을 위해 설치한 팬에서 소비되는 전력을 모두 고려하여 효율 곡선을 제작하였다. 9kW에서 최대 98.93%의 효율이 측정되었으며, 더 높은 부하에서 실험을 진행할 경우 더 증가하는 경향을 보이고 있다.
첫째, 모든 인덕터와 커패시터는 이상적이며, 정상상태에서 각 모드마다 출력되는 전압은 변하지 않는다. 둘째, 모든 스위치와 다이오드는 이상적이고 스위칭 시간과 도통 시 발생하는 전압 강하는 고려하지 않았다.
전류의 흐름은 스위칭 상태에 따라 2가지 모드로 구분되며, 전압 균형 회로의 동작 분석을 위하여 몇 가지 가정을 하였다. 첫째, 모든 인덕터와 커패시터는 이상적이며, 정상상태에서 각 모드마다 출력되는 전압은 변하지 않는다. 둘째, 모든 스위치와 다이오드는 이상적이고 스위칭 시간과 도통 시 발생하는 전압 강하는 고려하지 않았다.

후속연구

차후 부하 급변실험을 통해 제어기의 동특성을 검증할 것이며 단락 사고 발생에 대한 검출 및 보상 알고리즘을 구현할 것이다. 나아가 설계된 시스템의 정격실험 조건에서 시스템 검증을 진행할 것이다.
시뮬레이션과 실험을 이용하여 설계한 제어기와 제안한 컨버터 토폴로지의 타당성을 검증하였다. 차후 부하 급변실험을 통해 제어기의 동특성을 검증할 것이며 단락 사고 발생에 대한 검출 및 보상 알고리즘을 구현할 것이다. 나아가 설계된 시스템의 정격실험 조건에서 시스템 검증을 진행할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	직류 배전을 사용했을 때 해결할 수 있는 문제는 무엇인가?	하지만 태양광 발전 및 연료 전지와 같은 신재생 에너지를 이용한 직류전력 생산과 부하 사용이 증가됨에 따라 직류전원을 근간으로 하는 전력의 생산과 소비가 증가하는 추세이다. 직류전원의 활성화에 따라 필연적으로 전력변환장치의 사용이 증가하고, 추가되는 전력변환장치로 인하여 손실증가로 이어진다. 이러한 문제는 직류 배전을 이용해 해결할 수 있다.
	SST의 장점은 무엇인가?	배전 용 변압기는 상용 주파수에서 동작하며, 출력되는 전력은 입력되는 전력의 품질에 의존하게 된다. 반면 SST는 기존 배전용 변압기 동작 주파수 대비 높은 주파수에서 동작이 가능하므로, 시스템의 소형화가 가능하다. 또한 출력 전력 제어가 가능하여 고품질의 전력을 공급할 수 있는 장점이 있다[3],[4] .
	교류의 특징은 무엇인가?	교류는 별도의 능동형 전력변환장치를 이용하지 않고 변압기를 이용해 손쉽게 전압의 크기를 조절하여 장거리 송전이 가능한 장점이 있다. 하지만 태양광 발전 및 연료 전지와 같은 신재생 에너지를 이용한 직류전력 생산과 부하 사용이 증가됨에 따라 직류전원을 근간으로 하는 전력의 생산과 소비가 증가하는 추세이다.

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].

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