[논문]무선전력충전시스템을 위한 브리지리스 단일전력단 교류-직류 컨버터

김민지; 유상재; 유경종; 우정원; 김은수; 황인갑

doi:10.6113/tkpe.2020.25.1.44

무선전력충전시스템을 위한 브리지리스 단일전력단 교류-직류 컨버터
A Bridgeless Single Stage AC-DC Converter for Wireless Power Charging System 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.25 no.1, 2020년, pp.44 - 53

김민지 (Electrical & Electronics Engineering, Jeonju University) , 유상재 (Electrical & Electronics Engineering, Jeonju University) , 유경종 (Electrical & Electronics Engineering, Jeonju University) , 우정원 (Electrical & Electronics Engineering, Jeonju University) , 김은수 (Electrical & Electronics Engineering, Jeonju University) , 황인갑 (Electrical & Electronics Engineering, Jeonju University)

Abstract ▼ AI-Helper

A bridgeless single-stage AC-DC converter for wireless power charging systems is proposed. This converter is composed of a PFC stage and a three-level hybrid DC-DC stage. The proposed converter can control the wide output voltage (200-450 VDC) by the variable link voltage and the pulse-width voltage applied to the primary resonant circuit due to the phase-shifted modulation at a fixed switching frequency. Moreover, the input power factor and the total harmonic distortion can be improved by using the proposed converter. A 1 kW prototype was fabricated and validated through experimental results and analysis.

주제어

표/그림 (27)

그림 Fig. 1. Conventional two-stage WPT converter.
그림 Fig. 2. (a) Single stage WPT converter and (b) its two-level terminal voltage waveform (V_AC).
그림 Fig. 4. Operating waveforms of the proposed bridgeless single stage AC-DC converter for WPT: (a) Gate signals, boost inductor current (I_B), the primary/secondary voltage and current (V_AC/I_TP,V_GH/I_TS), (b) AC line input voltage/current (V_a,I_a) link voltage (V_Link) and boost inductor current (I_B).
그림 Fig. 3. (a) The proposed single stage WPT converter and (b) its three-level terminal voltage waveform (V_AC).
그림 Fig. 5. Operating mode 1(t₀-t₁).
그림 Fig. 6. Operating mode 2(t₁-t₂).
그림 Fig. 7. Operating mode 3(t₂-t₃).
그림 Fig. 8. Operating mode 4(t₃-t₄).
그림 Fig. 10. Simulation results of the input power factor (PF) and total harmonics distortion (THD_i) due to phase-shift (D_P).
$Fig. 11. Instantaneous average reset current (<<TEX>$i_{Link1}$</TEX>>, <<TEX>$i_{Link2}$</TEX>>) according to <TEX>${\phi}_{cr}$</TEX> with respect to the phase-shift (<TEX>$D_P$</TEX>).$ 그림 Fig. 11. Instantaneous average reset current (<$i_{Link1}$>, <$i_{Link2}$>) according to ${\phi}_{cr}$ with respect to the phase-shift ($D_P$).
그림 Fig. 9. (a) An equivalent circuit of bridgeless single stage AC-DC PFC converter and (b) its operating waveforms.
그림 Fig. 12. Simulation results of ∅_cr with respect to the phase-shift modulation(D_P).
그림 Fig. 13. Simulation of V_Link voltage with respect to the phase-shift modulation(D_P).
표 TABLE I BOOST INDUCTOR DESIGN CONDITION
그림 Fig. 14. Loosely coupled transformer for WPT.
그림 Fig. 15. Equivalent circuits of three-level hybrid AC-DCconverter and its input/output voltage waveforms (VAC,VGH).
표 TABLE II PARAMETERS DUE TO COUPLING OF THE TRANSFORMER PRIMARY AND SECONDARY FOR WPT
그림 Fig. 16. Voltage gain simulation of the resonant circuit when the coils are aligned.
표 TABLE III MAIN INPUT/OUTPUT SPECIFICATIONS AND THE USED DEVICES
그림 Fig. 17. Experimental waveforms.
그림 Fig. 18. Experimental waveforms.
그림 Fig. 19. Experimental waveforms.
그림 Fig. 20. Experimental waveforms.
그림 Fig. 21. Experimental waveforms.
그림 Fig. 22. Experimental waveforms.
그림 Fig. 23. Measured link voltage of the proposed converter upon load variation for each output voltage.
그림 Fig. 24. Efficiency and THD characteristics of the proposed single-stage AC/DC converter for WPT.

AI 본문요약
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제안 방법

)을 제어 실험하였다. 1, 2차측 공진회로부에 적용된 공진커패시터(C_r1: 34.62 nF, C_r2: 37.43 nF)는 누설인덕턴스(L_l1: 98.99 uH, L_l2: 92.79 uH) 값과 공진주파수 85 kHz를 맞추어 설정했다.
PFC단의 입력역률개선을 위해서는 승압인덕터전류(I_B)가 불연속모드로 동작되도록 승압인덕터(L_B) 설계가 필요하고^[5], PFC단 출력전압인 링크전압(V_Link)과 DC-DC단 출력전압(Vo)을 넓은 범위로 제어하기 위한 최대 PFC단 링크전압을 설정할 수 있도록 승압인덕터(L_B) 최적설계가 필요하다. 따라서 승압인덕터(L_B) 설계를 위한 수식유도와 SS보상회로의 이득특성을 분석하였으며, 1 kW 시제품제작과 실험을 통해 적용 가능성을 검증하였다.
무선전력전송에 사용된 비접촉 커플러변압기(T)는 그림 14에 도시된 바와 같이, PL13 자성체(Core)을 사용하여 커플러변압기 1차측 송신패드(30cm*30cm) 및 2차측 수신패드(20cm*20cm)를 사각형태의 Square 권선방식으로 제작하였다. 이때의 파라미타 값을 표 2에 나타냈다.
하지만, 2레벨 PWM 스위칭에 의한 제어방식은 최소 듀티 이상 동작해야 하고, 최대듀티 또한 제한되어 동작됨으로 출력전압(V_o) 제어범위가 작고, 효율특성이 개선되지 못하고 있다. 본 논문에서는 그림 3에 나타낸 바와 같이 넓은 출력전압 제어범위를 갖고, 주스위칭소자 또한 영전압스위칭을 구현할 수 있도록 위상제어(D_P: Phase shift control)를 통해서 0 듀티에서부터 최대듀티(D_Pmax)까지 제어 가능한 3레벨 하이브리드 단일전력단 AC-DC 컨버터를 제안했다. 제안된 컨버터는 일정 스위칭주파수에서 위상제어(D_P)에 의해 동작되며, 브리지다이오드가 없는 PFC단과 CLLC 공진회로인 SS(SeriesSeries) 보상회로가 적용된 3레벨 하이브리드 DC-DC단이 하나로 통합, 구성되어 있다.
본 논문에서는 넓은 출력전압 제어범위(200 VDC∼450 VDC)를 갖는 1 kW 무선전력충전시스템을 위한 브리지리스 단일전력단 AC-DC 컨버터의 동작특성을 비교하기 위해 표 3에 실험에 적용된 입출력 사양 및 적용소자를 적용하여 시제품을 제작하였고, dsPIC33FJ16GS502 16bit DSP를 사용하여 고정 일정스위칭주파수(fs : 85 kHz)에서 위상제어(DP)를 통해 출력전압(VO)을 제어 실험하였다.
따라서 교류입력전압(V_a: 110_rms)과정격출력용량(1 kW) 조건에서 안정된 브리지리스 단일전력단 AC-DC 컨버터 출력전압(200 V_DC∼450 V_DC) 제어를 위해서는 최대듀티(Maximum Duty, D_Pmax)를 제한할 필요성이 있다. 본 논문의 실험에서는 최대듀티(D_Pmax) 0.4 및 링크전압(V_Link)을 550V로 제한하기 위해 16 uH의 승압인덕터(L_B)값을 선정하였다
제안된 브리지리스 단일전력단 AC-DC 컨버터는 입력필터(LFa/LFb, CF) 및 승압인덕터(LB), 브리지리스다이오드, 링크커패시터(C1, C2) 및 순환다이오드(D1, D2), 주스위칭소자(Q1∼Q6)를 갖는 3레벨 하이브리드 풀-브리지 컨버터로 구성되며, 무선전력전송을 위한 1, 2차측 커플러와 공진커패시터(Cr1/Cr2)를 포함한 SS 공진보상회로를 갖는 충전시스템 주회로를 그림 3(a)에 나타냈다.
본 논문에서는 그림 3에 나타낸 바와 같이 넓은 출력전압 제어범위를 갖고, 주스위칭소자 또한 영전압스위칭을 구현할 수 있도록 위상제어(D_P: Phase shift control)를 통해서 0 듀티에서부터 최대듀티(D_Pmax)까지 제어 가능한 3레벨 하이브리드 단일전력단 AC-DC 컨버터를 제안했다. 제안된 컨버터는 일정 스위칭주파수에서 위상제어(D_P)에 의해 동작되며, 브리지다이오드가 없는 PFC단과 CLLC 공진회로인 SS(SeriesSeries) 보상회로가 적용된 3레벨 하이브리드 DC-DC단이 하나로 통합, 구성되어 있다. 그림 3(b)는 그림 3(a) 주회로의 1차측 공진회로부 양단(A-C)의 파형으로 위상제어(DP)에 따라 링크전압(V_Link)과 V_Link/2 링크전압이 인가된다.
커플러 1차측 권선에 대해 2차 측권선을 5cm 옮겼을 때 [Misalignment(5 cm)] 공진주파수(fr3’: 73.5 kHz) 및 이득특성이 달라짐으로 동작스위칭주파수(fs)를 fr3’ 부근의 고정된 스위칭주파수(fs: 74 kHz)에서 위상제어(DP)를 통해 출력전압(Vo: 200 VDC∼300 VDC)이 어느 정도제어 가능한지 실험 구현하였다.

이론/모형

)에 따라 넓은 출력전압(VO)을 제어할 수 있다. 따라서 제안된 단일전력단 3레벨 하이브리드 AC-DC 컨버터의 이득특성은 FHA(Fundamental Harmonic Approximation) 통해 구할 수 있다^[6]-[8]. 그림 15처럼 1차측 공진회로부 단자전압(V_AC)은 식 (10)과 같이 표현할 수 있다.

성능/효과

PFC AC-DC단 등가부하저항(RLink)과 위상제어(DP)에 따라 임계각(∅cr)값이 달라짐을 확인할 수 있다.
PFC 단 승압인덕터전류(IB) 동작파형을 보면 모든 출력전압(V_O) 및 부하조건에서 불연속모드(DCM)로 동작하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 무선전력전송에 사용된 커플러변압기(T) 특성상 자화인덕턴스(L_m)값이 작아 PFC AC-DC단 링크전압(V_Link)이 증가할수록 많은 자화전류가 흘러 효율특성에 영향을 주는 것을 확인할 수 있다.
)이 낮아지게 되면 도통손실이 감소되어 효율이 개선되는 것을 그림 24의 실험 결과를 통해 알 수 있다. 그림 10의 시뮬레이션 및 실험 결과로부터 입력역률(P_F) 및 전고조파왜형율(THD_i)는 PFC AC-DC단 링크등가부하저항(R_Link)과 위상제어(D_P)가 증가할수록개선이 되는 것 또한 확인할 수 있었다.
따라서 D2T구간에 승압인덕터 전류(IB)가 모두 리셋되지 못함으로 D3T에서 완전히 리셋되는 시간이 늘어남(π/2-∅cr구간이 늘어남)으로, 임계각(∅cr) 값이 작아지는 것을 확인할 수 있다.
또한 고정된 스위칭 주파수에서 위상제어(DP)를 통해 1, 2차측 커플러가 일치되었을 때(Misalignment 0cm), 넓은 출력전압범위 (200VDC∼450VDC)로 제어동작 가능함과 입력역률, 전고조파왜형률(THDi) 저감 및 개선됨을 확인하였다.
) 및 부하조건에서 불연속모드(DCM)로 동작하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 무선전력전송에 사용된 커플러변압기(T) 특성상 자화인덕턴스(L_m)값이 작아 PFC AC-DC단 링크전압(V_Link)이 증가할수록 많은 자화전류가 흘러 효율특성에 영향을 주는 것을 확인할 수 있다.
무선전력전송을 위한 브리지리스 단일전력단 AC-DC 컨버터에 대한 설계 및 주회로 동작특성을 분석하였으며 이를 검증하기 위해 1 kW 시제품을 제작하여 실험구현하여 적용 가능함을 보였다. 또한 고정된 스위칭 주파수에서 위상제어(D_P)를 통해 1, 2차측 커플러가 일치되었을 때(Misalignment 0cm), 넓은 출력전압범위 (200V_DC∼450V_DC)로 제어동작 가능함과 입력역률, 전고조파왜형률(THD_i) 저감 및 개선됨을 확인하였다.
) 변화에 따른 시뮬레이션 결과를 나타냈다. 위상제어(D_P) 및 링크전압(VLink) 이 증가할수록 입력역률(PF)과 전고조파왜형률(THDi) 이 저감됨을 확인할 수 있다.식 (1) 및 식 (2)와 교류입력전압(Va) 실효값을 통해 입력역률(PF)과 전고조파왜형률(THDi)를 구할 수 있다.
) 변화에 따른 시뮬레이션 결과를 나타냈다. 위상제어(D_P) 및 링크전압(VLink) 이 증가할수록 입력역률(PF)과 전고조파왜형률(THDi) 이 저감됨을 확인할 수 있다.식 (1) 및 식 (2)와 교류입력전압(Va) 실효값을 통해 입력역률(PF)과 전고조파왜형률(THDi)를 구할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2레벨 PWM 스위칭에 의한 제어방식의 문제점은?	하지만, 그림 2(b)에서처럼 그림 2(a)의 주회로 주스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4) PWM(Pulse Width Modulation) 듀티제어(D: Duty control)에 따라 AC-DC 단 입력역률개선과 1차측 공진회로부 양단(A-C)에 2레벨 PWM 전압파형(VAC)이 인가되어 출력전압(Vo)을 제어한다. 하지만, 2레벨 PWM 스위칭에 의한 제어방식은 최소 듀티 이상 동작해야 하고, 최대듀티 또한 제한되어 동작됨으로 출력전압(Vo) 제어범위가 작고, 효율특성이 개선되지 못하고 있다. 본 논문에서는 그림 3에 나타낸 바와 같이 넓은 출력전압 제어범위를 갖고, 주스위칭소자 또한 영전압스위칭을 구현할 수 있도록 위상제어(DP: Phase shift control)를 통해서 0 듀티에서부터 최대듀티(DPmax)까지 제어 가능한 3레벨 하이브리드 단일전력단 AC-DC 컨버터를 제안했다.
	무선충전시스템은 무엇으로 구성되어 있는가?	이들 무선충전시스템(Wireless power charging system)은 그림 1에서와 같이 단상 AC전원을 입력받아 브리지 다이오드정류기를 포함하는 입력역률개선 PFC AC-DC 컨버터와 고주파인버터 및 1, 2차측 공진탱크회로와 고주파정류회로를 포함하는 무선전력전송 DC-DC 공진컨버터, 2단(Two Stage) 전력변환장치로 구성되어 있다[1]-[4].
	2단 구성의 무선충전시스템(Wireless power charging system)의 단점은?	하지만, 이러한 2단 구성의 무선전력충전시스템의 경우 각 컨버터에서의 전력손실로 인해 높은 효율을 달성하기 어렵고, 별도로 개별 전력제어를 해야 하는제어의 복잡성과 단가상승 등 여러 단점을 갖고 있다. 최근 그림 2(a)에 나타낸 바와 같이 무선전력충전시스템의 단가저감 및 간단한 전력제어가 가능한 PFC AC-DC 컨버터와 절연된 DC-DC 공진컨버터를 하나로 통합한 단일전력단 AC-DC 컨버터가 발표되고 있다[5].

참고문헌 (8)

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H. Zeng, S. Yang, and F. Z. Peng, "Design consideration and comparison of wireless power transfer via harmonic current for PHEV and EV wireless charging," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 32, No. 8, pp. 5943-5952, Aug. 2017.

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M. Kim, H. P. Park, and J. H. Jung, "Coil misalignment compensation algorithm for single-stage inductive wireless power transfer system using model-based approach," in IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 3057-3061, 2018.
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S. C. Moon, B. C. Kim, S. Y. Cho, C. H. Ahn, and G. W. Moon, "Analysis and design of a wireless power transfer system with an intermediate coil for high efficiency," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 61, No. 11, pp. 5861-5870, Nov. 2014.

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

상세보기
W. Zhang and C. C. Mi, "Compensation topologies of high-power wireless power transfer systems," IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 65, No. 6, pp. 4768-4778, Jun. 2016.

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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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