[논문]수소연료전지 하이브리드 철도차량용 DC/DC 컨버터를 위한 부스트 컨버터 토폴로지 비교 및 분석

강동훈; 이일운; 이우석; 윤덕현

doi:10.6113/tkpe.2020.25.4.269

수소연료전지 하이브리드 철도차량용 DC/DC 컨버터를 위한 부스트 컨버터 토폴로지 비교 및 분석
Comparison and Analysis of Boost Converter Topologies for the DC/DC Converter in Hydrogen Fuel Cell Hybrid Railway Vehicle 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.25 no.4, 2020년, pp.269 - 278

강동훈 (Dept. of Electrical Engineering, Myongji University) , 이일운 (Dept. of Electrical Engineering, Myongji University) , 이우석 (Dept. of Electrical Engineering, Myongji University) , 윤덕현 (Dept. of Electrical Engineering, Myongji University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, two types of DC/DC converters in a hydrogen fuel cell hybrid railway vehicle system, which serve to charge high-voltage battery and supply power to an inverter for driving a driving motor, were compared and analyzed. A two-level interleaving boost converter and a three-level boost converter were compared and analyzed, and a theoretical design method was proposed to have an efficiency characteristic of over 95%. In addition, a digital controller design method considering the digital phase delay component of DSP (TMS320F28335) is presented. Finally, the validity of the theoretical design of the converter with 20kW power was verified through static and dynamic experiments respectively.

주제어

표/그림 (28)

그림 Fig. 1. Hydrogen fuel cell railway system.
그림 Fig. 3. Hybrid railway vehicle operating mode.
그림 Fig. 2. Proposed DC/DC converter.
표 TABLE I SPECIFICATIONS OF DC/DC CONVERTER
그림 Fig. 4. Waveforms of the 3-level boost converter.
그림 Fig. 6. Waveforms of the 2-level interleaving boost converter.
그림 Fig. 5. Operational modes of the 3-level boost converter.
그림 Fig. 7. Operational modes of the 2-level boost converter.
그림 Fig. 8. Designed inductors by DC/DC converter.
그림 Fig. 9. Control block diagram of 3-level boost converter.
그림 Fig. 10. Control block diagram of 2-level boost converter.
그림 Fig. 11. Block diagram of current PI controller.
그림 Fig. 12. Block diagram of voltage balancing PI controller.
표 TABLE II SELECTION CRITERIA OF SEMICONDUCTOR DEVICE
표 TABLE III PARAMETERS OF CORE BY DC/DC CONVERTER
표 TABLE IV GAINS OF PI CONTROLLER BY DC/DC CONVERTERS
표 TABLE V CALCULATION OF DIGITAL TIME DELAY
그림 Fig. 13. Sampling and hold time delay of TMS320F28335.
그림 Fig. 15. DC/DC converter prototype; 3-level boost converter (Left), 2-level interleaving boost converter (Right).
그림 Fig. 14. Computation time delay of TMS320F28335 (DSP).
그림 Fig. 17. Waveforms of 3-level boost converter at 1200V output and 20kW load. Ch1: Output voltage, Ch2 : Output voltage (Top), Ch3 : Output voltage (Bottom), Ch4 : Intput current.
그림 Fig. 16. Bode plot and step response of DC/DC converters.
그림 Fig. 18. Waveforms of 2-level interleaving boost converter at 1200V output and 20kW load. Ch1: Input current, Ch2: Inductor current (A phase), Ch3 : Inductor current (B), Ch4: Output voltage.
그림 Fig. 19. Start-up waveforms of 2-level interleaving boost converter (8kHz Sampling). Ch1: Input current, Ch2: Reference of input current, Ch3: Inductor current (A), Ch4: Inductor current (B).
그림 Fig. 21. The Measured power efficiency at 1200V output voltage and 20kW output load.
그림 Fig. 20. Start-up waveforms of 3-level boost converter by sampling frequency.
그림 Fig. 22. The efficiency curve of DC/DC converters for various output load at 1200V output voltage.
표 TABLE VI COMPARISON OF EXPERIMENTAL RESULT

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

3-레벨 부스트 컨버터와 2-레벨 인터리빙 부스트 컨버터 설계의 타당성을 검증하기 위해 실험을 진행하였다.
따라서 본 논문에서는 큰 스위칭 손실을 저감하기 위해 스위칭 소자의 전류 및 전압 스트레스가 낮은 특징을 갖는 토폴로지 2가지를 비교하였다.
본 논문에서는 수소연료전지 하이브리드 철도차량용 DC/DC 컨버터 개발을 위해 산업계에서 많이 응용되고 있는 2-level 인터리빙 부스트 컨버터와 3-level 부스트 컨버터 중, 어느 토폴로지가 동일한 실험 조건에서 전력 밀도와 동적특성이 더 우수한지에 대해 비교한다.
본 논문에서는 수소연료전지 하이브리드 철도차량용 DC/DC 컨버터에 적용할 수 있는 두 가지 부스트 컨버터를 비교하였다.
실험결과를 토대로 어떤 토폴로지가 우수한 성능을 갖는지에 대한 연구결과를 본 논문에서 발표한다.

제안 방법

2-레벨 인터리빙 부스트 컨버터와 3-레벨 부스트 컨버터를 이론적으로 설계하였고, 특히 디지털 시지연을 고려한 제어기를 이론적으로 설계하였고, 시뮬레이션을 통해 설계의 타당성을 확인하였다.
2-레벨 인터리빙 부스트 컨버터의 코어는 낮은 스위칭 주파수로 인해 페라이트코어의 사용에 어려움이 있어 높은 최대자속밀도를 갖는 나노크리스탈 코어를 사용하였고, 수식 (2)와 6.0mm2의 권선 단면적을 갖는 동선의 굵기를 고려하여 55T으로 설계되었다.
3-레벨 부스트 컨버터는 30kHz, 60kHz의 샘플링 주파수 두 가지를 비교하였다.
3-레벨 부스트 컨버터의 코어는 높은 스위칭 주파수를 갖는 특성으로 인해 페라이트 코어를 사용하였고, 수식 (2)와 7.0mm2의 권선 단면적을 갖는 동선의 굵기를 고려하여 55T으로 설계되었다.
DC/DC 컨버터의 효율이 95%이상을 만족하도록 각 토폴로지별로 스위칭 주파수를 선정하였다.
각 토폴로지별 인덕터의 전류제어를 위한 시스템의 감쇠비는 오버슛이 없으며 빠른 응답속도를 갖는 특징인 임계감쇠(ζ=1)로 설계하였다.
각 토폴로지별로 시지연 성분이 반영된 제어기의 위상 여유가 60deg 수준을 만족하도록 제어기의 대역폭을 설계하였다.
각 토폴로지별로 위상 여유가 60deg 수준을 만족하도록 전류제어기의 대역폭을 설계하였다.
각 토폴로지별로 입력 전류 리플 사양을 만족하기 위하여 인덕터를 설계하였다.
각 토폴로지별로 입력전압이 600V이고 출력전압이 1200V, 20kW의 부하 조건에서 효율을 측정하였다.
두 가지 토폴로지 모두 코어 크기를 저감하기 위하여 설계된 인덕턴스의 절반을 2-직렬구조로 설계하였다.
두 가지 토폴로지의 제어기 설계를 위해서 디지털 제어에 의한 시지연 성분을 고려하였다.
따라서 본 논문에서는 3-레벨 부스트 컨버터를 스위칭 주파수(30kHz)와 동일한 샘플링 주파수를 갖는 경우와 인덕터 전류의 주파수를 고려한 60kHz의 샘플링 주파수를 갖는 경우에 대해서 설계하여 그 성능을 비교하였다.
또한, 반도체 소자의 package(TO-247)를 고려하여 소자 1개당 발생하는 손실이 15W이하 수준을 만족하도록 병렬화 설계를 하였다.
반도체소자 1개의 손실이 15W이하를 만족하도록 스위치는 2-병렬, 다이오드는 4-병렬 구조로 설계하였다.
스위치는 IXBH42N170, 다이오드는 C2M0045170D로 선정하였고, 전력 반도체소자 1개의 손실이 15W이하를 만족하도록 스위치는 4-병렬, 다이오드는 2-병렬 구조로 설계하였다.
식 (1)은 토폴로지별 출력 전압 리플 사양을 만족하기 위한 커패시터 설계 수식으로 이를 고려하여 3-레벨 부스트 컨버터는 상단과 하단 커패시터를 2병렬(44uF)으로 설계하였고, 2-레벨 인터리빙 부스트 컨버터는 출력 커패시터를 4병렬 (88uF)로 설계하였다.
이를 고려하여 3-레벨 부스트 컨버터의 스위칭 주파수는 30kHz, 2-레벨 인터리빙 부스트 컨버터의 스위칭 주파수는 8kHz로 설계하였다.
이를 위해 기존의 250kW급 전력용량을 20kW으로 축소한 부스트 컨버터를 설계하고 분석하였으며, 설계를 바탕으로 컨버터를 제작하여 이론적인 분석의 타당성을 검증하였다.
즉, 동작 전 구간에서 목표 성능을 만족하기 위해 시비율이 0.5보다 작은 경우를 기준으로 설계하였다.

대상 데이터

2-레벨 인터리빙 부스트 컨버터는 전압 스트레스가 링크 전압이 되어 상대적으로 높은 1700V의 전력 반도체소자로 선정하였다.
3-레벨 부스트 컨버터의 스위치와 다이오드는 모두 1200V의 전압 정격을 갖는 C2M0025120D로 선정하였다.
각 토폴로지별로 커패시터를 설계하기 위하여 출력 전압의 리플 사양과 커패시터에 흐르는 실효치 전류 정격을 고려하였고, 22uF의 용량을 갖는 필름커패시터인 C4AQSBW5220A3NJ로 선정하였다.
제어용 IC는 TI社 의 TMS320F28335를 사용하였다.

성능/효과

(b)는 동일한 조건에서 3-레벨 부스트 컨버터의 효율 데이터를 보여주며, 약 98.97%의 효율로 2레벨 인터리빙 부스트 컨버터에 비해 더 우수한 효율 특성을 보였다.
2-레벨 인터리빙 부스트 컨버터는 2kW 부하 조건에서는 95%의 효율을 만족하지 못하였고, 6kW 이상 부하 조건에서 96% 이상의 효율을 만족하였다.
실험결과, 2-레벨 부스트 컨버터에 더 넓은 대역폭으로 설계가 가능한 3-레벨 부스트 컨버터가 더 우수한 정적 및 동적 성능을 보였다.
전 부하 구간에서의 실험결과를 통해 3-레벨 부스트 컨버터의 더 우수한 효율 성능을 검증하였다.
전류지령에 대한 동적 응답특성 시뮬레이션 결과를보면 2-레벨 인터리빙 부스트 컨버터는 전류제어기의 대역폭이 100Hz, 3-레벨 부스트 컨버터는 30kHz, 60kHz의 샘플링 주파수에 따라 200Hz, 500Hz의 전류제어기 대역폭을 가져 60kHz의 샘플링 주파수를 갖는 3-레벨 부스트 컨버터가 가장 큰 위상 여유를 가지며 우수한 동적 응답특성을 보였다.
특히, 인덕터 전류가 스위칭 주파수보다 2배 빠른 주파수를 갖는 특성으로 인해 60kHz로 샘플링한 경우, 30kHz 샘플링한 경우보다 더 넓은 대역폭으로 제어기를 설계할 수 있어 가장 우수한 동특성을 보였고, 출력 전압이 1200V, 20kW의 최대 부하조건에서 98.97%의 고효율을 달성하였다.

후속연구

본 논문에서 제시한 컨버터의 하드웨어 및 제어기 설계 방법을 실제 250kW급의 실측 용량의 컨버터 설계에 적용해볼 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (9)

V. I. Meleshin, D. V. Zhiklenkov, and A. A. Ganshin, "Efficient three-level boost converter for various applications," in 15th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2012 ECCE Europe, Sep. 2012.
V. Yaramasu and B. Wu, "Three-level boost converter based medium voltage megawatt PMSG wind energy conversion systems," in 2011 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Sep. 2011.
H. M. M. Swamy, K. P. Guruswamy, and S. P. Singh, "Design, modeling and analysis of two level interleaved boost converter," in International Conference on Machine Intelligence Research and Advancement, Dec. 2013.
M. S K Reddy, C. Kalyani, M. Uthra, and D. Elangovan, "A small signal analysis of DC-DC boost converter," Indian Journal of Science and Technology, Vol. 8(S2), pp. 1-6, Jan. 2015.
A. Yada, A. Awasthi, V. Karthikeyan, A. K. Singh, V. Das, and P. Karuppanan, "Small signal modeling and stability analysis of N-phase interleaved boost converter," Indian Institute of Technology (Banaras Hindu University) Varanasi, India, Dec. 2016.
H. S. Khaldi and A. C. Ammari "Fractional-order control of three level boost DC/DC converter used in hybrid energy storage system for electric vehicles," in 2015 6th International Renewable Energy Congress (IREC), Mar. 2015.
H. C. Chen and W. J. Lin, "MPPT and voltage balancing control with sensing only inductor current for photovoltaic-fed, three-level, boost-type converters," IEEE Transactions On Power Electronics, Vol. 29, No. 1, Jan. 2014.

상세보기
Texas Instruments, "Designing a TMS320F280x based digitally controlled DC-DC switching power supply," Application Report SPRAAB3, Jul. 2005.
A. Nouri, I. Salhi, E. Elwarraki, S. E. Beid, and N. Essounbouli, "DSP-based implementation of a self-tuning fuzzy controller for three-level boost converter," Electric Power Systems Research, pp. 286-297, Vol. 146, May 2017.

상세보기

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