[논문]절연형 풀브리지 DC-DC 컨버터에서의 변압기 포화에 관한 연구

김정훈; 차헌녕

doi:10.6113/tkpe.2020.25.4.261

절연형 풀브리지 DC-DC 컨버터에서의 변압기 포화에 관한 연구
Study on Transformer Saturation in Isolated Full-Bridge DC-DC Converters 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.25 no.4, 2020년, pp.261 - 268

김정훈 (School of Energy Eng., Kyungpook Nat'l University) , 차헌녕 (School of Energy Eng., Kyungpook Nat'l University)

Abstract ▼ AI-Helper

Transformer saturation in full bridge (FB) isolated DC-DC converters is caused by uneven switching speeds and voltage drops in semiconductor devices and mismatched gate signals. In order to prevent transformer saturation, most popular and widely used approach is to insert a capacitor in series with the transformer windings. This study conducts extensive analyses on transformer saturation and the effect of DC blocking capacitors when they are placed in the primary or secondary windings of a transformer. The effect of the DC blocking capacitors is verified in voltage-fed and current-fed FB converters.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Conventional isolated FB converters.
그림 Fig. 2. Conventional isolated FB converters with DC blocking capacitor.
그림 Fig. 3. Key waveforms of duty cycle PWM V-fed converter with DC blocking capacitor in the (a) Primary winding, (b) Secondary winding of the transformer.
그림 Fig. 4. Key waveforms of PSPWM V-fed converter with DC blocking capacitor in the (a) Primary winding, (b) Secondary winding of the transformer.
그림 Fig. 5. Key waveforms of duty cycle PWM C-fed converter with DC blocking capacitor in the (a) Primary winding, (b) Secondary winding of the transformer.
그림 Fig. 6. Key waveforms of PSPWM C-fed converter with DC blocking capacitor in the (a) Primary winding, (b) Secondary winding of the transformer.
표 TABLE I ELECTRICAL SPECIFICATIONS OF THE HARDW ARE PROTOTYPE
그림 Fig. 7. Experimental waveforms of duty cycle PWM V-fed converter with (a) Mismatches in gate signals, (b) Capacitor in the primary winding, (c) Capacitor in the secondary winding of the transformer.
그림 Fig. 8. Experimental waveforms of PSPWM V-fed converter with (a) Mismatches in gate signals, (b) Capacitor in the primary winding, (c) Capacitor in the secondary winding of the transformer.
그림 Fig. 9. Experimental waveforms of duty cycle PWM C-fed converter with (a) Mismatches in gate signals, (b) Capacitor in the primary winding, (c) Capacitor in the secondary winding of the transformer.
그림 Fig. 10. Experimental waveforms of PSPWM C-fed converter with (a) Mismatches in gate signals, (b) Capacitor in the primary winding, (c) Capacitor in the secondary winding of the transformer.

AI 본문요약
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문제 정의

이 외에 펄스폭변조(PWM) 제어 방법 또한 DC 블로킹 커패시터의 위치에 영향을 준다. 본 논문에서는 절연형 풀브리지 DC-DC 컨버터에서 변압기 포화문제를 해결하기 위해 사용되는 DC 블로킹 커패시터의 효과에 대해 소개한다. 전압형 컨버터와 전류형 컨버터에서 듀티비 PWM 제어와 위상천이 PWM 제어에 따른 DC 블로킹 커패시터의 효과를 분석하고, 1kW 시제품을 제작하여 실험을 통해 증명한다.
본 논문에서는 절연형 풀브리지 타입 DC-DC 컨버터에서의 변압기 포화 문제에 관한 연구를 소개하였다. DC 성분에 의한 변압기 코어의 포화를 방지하기 위해 사용되는 DC 블로킹 커패시터는 회로방식과 PWM 제어 방법에 따라 달리 연결하여 사용할 수 있다.

가설 설정

듀티비 PWM과 마찬가지로 그림 8(a)에서 게이트 신호 불평형 시 변압기 포화현상으로 1차측 전류가 크게 증가한다. 커패시터를 변압기 1차측에 연결 시(그림 8(b)) 포화가 방지되지만 2차측에 연결 시(그림 8(c)) 효과가 없다.
는 DC 블로킹 커패시터의 커패시턴스, 전류, 전압의 변화량을 각각 나타낸다. 절연형 풀브리지 DC-DC 컨버터에서 변압기 포화 방지를 위해 사용하는 DC 블로킹 커패시터의 효과를 분석 시 다음과 같이 가정한다.

제안 방법

본 논문에서는 분석한 결과를 검증하기 위해 표 1에 명시된 사양에 맞춰 1kW 절연형 풀브리지 컨버터 시제품을 제작하여 실험하였다. 시제품은 전압형 컨버터와 전류형 컨버터 두 종류이며 두 개의 시제품 모두 듀티비 PWM과 위상천이 PWM 제어를 각각 이용하여 실험하였다.
본 논문에서는 절연형 풀브리지 DC-DC 컨버터에서 변압기 포화문제를 해결하기 위해 사용되는 DC 블로킹 커패시터의 효과에 대해 소개한다. 전압형 컨버터와 전류형 컨버터에서 듀티비 PWM 제어와 위상천이 PWM 제어에 따른 DC 블로킹 커패시터의 효과를 분석하고, 1kW 시제품을 제작하여 실험을 통해 증명한다.

대상 데이터

본 논문에서는 분석한 결과를 검증하기 위해 표 1에 명시된 사양에 맞춰 1kW 절연형 풀브리지 컨버터 시제품을 제작하여 실험하였다. 시제품은 전압형 컨버터와 전류형 컨버터 두 종류이며 두 개의 시제품 모두 듀티비 PWM과 위상천이 PWM 제어를 각각 이용하여 실험하였다. 변압기의 권선비는 각각 1:1로 설정하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DC 블로킹 커패시터의 특징은 무엇인가?	다른 방법으로는 변압기와 직렬로 커패시터를 삽입하는 것이다. DC 블로킹 커패시터를 사용 시 시스템의 부피와 손실이 증가하고 응답속도가 느려진다는 단점이 있다. 또한 큰 전류가 흐르는 대용량에서 DC 블로킹 커패시터의 사용은 현실적으로 어렵다.
	절연형 DC-DC 컨버터에서 고주파 변압기가 포화가 발생하면 어떤 문제가 발생하는가?	풀브리지 타입의 절연형 DC-DC 컨버터에서 고주파 변압기는 반도체 소자의 스위칭 속도 및 전압강하, 게이트 신호의 불평형 등 다양한 원인으로부터 포화가 발생한다. 이러한 원인으로부터 변압기에 DC 성분이 인가된다. 그 결과 변압기 코어는 포화로 이어져 비선형의 자화전류를 생성한다[4]-[6]. 이러한 변압기의 포화문제를 방지하기 위해 다양한 연구들이 소개되었다[4],[7]-[10].
	절연형 컨버터가 여러 시스템에서 중요한 이유는 무엇인가?	배터리 충전, 송배전 전력시스템 등 전압 및 전류 제어 시 시스템의 안전을 위해 절연형 컨버터는 필수적으로 사용된다[1]-[3]. 절연형 컨버터의 대표적인 절연 방법은 고주파 변압기를 사용하여 입력단과 출력단을 분리하는 것이다.

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