[논문]커플드 인덕터를 적용한 고효율 2상 인터리브드 벅 컨버터 설계

강현지; 김진우; 이성민; 조영훈

doi:10.6113/tkpe.2020.25.5.350

[국내논문] 커플드 인덕터를 적용한 고효율 2상 인터리브드 벅 컨버터 설계
High Efficiency Two-Phase Interleaved Buck Converter with Coupled Inductor Design 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.25 no.5, 2020년, pp.350 - 357

강현지 (Division of Electrical Engineering, Konkuk University) , 김진우 (Division of Electrical Engineering, Konkuk University) , 이성민 (Division of Electrical Engineering, Konkuk University) , 조영훈 (Division of Electrical Engineering, Konkuk University)

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents the design of an 18 kW two-phase interleaved buck converter that uses a coupled inductor for an electric vehicle rapid charger. The designs of a two-phase coupled inductor for current ripple and physical size reduction and a two-phase interleaved buck converter based on silicon carbide metal - oxide - semiconductor field-effect transistor for high efficiency were described in detail. The operating principle of the two-phase interleaved buck converter was analyzed, and the coupled inductor was investigated using a magnetized equivalent circuit. Simulation and experiments were conducted to verify the validity of the proposed two-phase interleaved buck converter, and the theoretical design method and experimental results were confirmed.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig 1. Current waveforms of inductor (red) and coupled inductor (blue) at the same inductance (400uH).
그림 Fig. 4. Switching operation during $T_s$
그림 Fig. 2. Two-phase interleaved buck converter with coupled inductor.
그림 Fig. 3. Two-phase interleaved buck converter with coupled inductor equivalent circuit.
그림 Fig. 5. Switching diagrams of the two-phase interleaved buck converter with coupled inductor during $T_s$.
그림 Fig. 6. Coupled inductor phase current waveforms during $T_s$.
그림 Fig. 7. Coupled inductor structure.
표 TABLE Ⅰ COUPLED INDUCTOR DESIGN CONDITION
표 TABLE Ⅱ COUPLED INDUCTOR DESIGN CONDITION
그림 Fig. 8. Magnetic flux path.
그림 Fig. 9. Cross-section of EE core.
그림 Fig. 10. Current ripple of coupled inductor compared to current ripple of non-coupled inductor.
그림 Fig. 12. Coupled inductor phase current and output current simulation result at 18 kW.
그림 Fig. 11. Magnetization equivalent circuit.
그림 Fig. 13. Experimental setup.
표 TABLE Ⅲ EXPERIMENT SYSTEM CONDITION AND COUPLED INDUCTOR PARAMETERS
그림 Fig. 14. Coupled inductor phase current and output current waveform with an coupled inductor designed at 18 kW.
그림 Fig. 15. Efficiency per output power at a switching frequency of 30 kHz.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 커플드 인덕터를 적용한 2상 인터리브드 벅 컨버터의 성능 및 효율을 검증하기 위해 설계 과정을 기반으로 시스템을 제작하였다. 실험을 위한 시스템은 그림 13과 같이 구성하여 진행하였다.
본 논문에서는 커플드 인덕터를 적용한 SiC MOSFET 기반 2상 인터리브드 벅 컨버터를 제안하였다. 설계 과정을 따라서 제작한 커플드 인덕터가 정격 부하 조건인 18kW에서도 정상 동작함을 확인하였다.

가설 설정

스위치의 온오프 상태에 따른 모드별 회로 동작을 해석하기 위해 각 모드마다 회로 동작을 구분하여 그림 5에 나타내었다. 각 동작 모드에서 인덕터 전류를 수식적으로 풀어내기 위해 식 (2), (3)을 전제로 하였으며, 모든 소자들이 이상적으로 동작하며 커플드 인덕터의 1, 2 차측이 동일한 인덕턴스를 가진다는 것을 가정하였다.

제안 방법

. 2 상 인터리브드 벅 컨버터의 입력단과 출력단에 각각 shunt 저항을 추가하여 흐르는 전류값을 계산하여 효율을 측정하였다. 측정한 효율 그래프는 그림 15에 나타내었다.
2상 인터리브드 벅 컨버터 설계를 위해 회로의 동작 원리를 분석하였다. 스위치의 온오프 상태마다 동작을 해석하였으며 이때 인덕터 전류의 변화를 확인하였다.
2상 인터리브드 벅 컨버터에 적용할 커플드 인덕터는 각 인덕터에 흐르는 전류 용량을 고려하여 설계를 진행하였다. 인덕터 전류의 peak to peak값을 고려하였으며 포화 여부를 고려하여 최대 peak값보다 70∼80%의 여유를 두고 설계를 진행하였다.
2상 인터리브드 벅 컨버터의 입출력 전압, 스위칭 주파수, 전류 리플율 등을 고려하여 스위치, 다이오드 소자와 L값을 선정하였다.
1시간의 열 포화 실험 동안 비이상적인 열 문제나 인덕터의 포화 없이 시스템이 정상 동작함을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 제시한 커플드 인덕터 설계 방법을 실험을 통해 검증하였다.
따라서 전체 시스템의 크기 및 효율 문제를 해결하기 위하여 2상 인터리브드 벅 컨버터에 커플드 인덕터를 적용하였다^[1]. 커플드 인덕터는 1, 2차 측 전류의 방향에 따라서 공통 모드(Common Mode, CM)와 차동 모드 (Differential Mode, DM)로 나뉜다.
여기서 i_L은 커플드 인덕터의 한상당 흐르는 평균 전류이며 위 수식을 이용하여 구한 경계 L값보다 큰 값으로 선정하였다. 또한 커플드 인덕 터의 물리적인 크기를 고려하여 출력 전류 리플율을 20% 내외로 범위를 정한 후 커플드 인덕터의 L값을 선정하였다.
본 논문에서는 차동 모드로 제작한 커플드 인덕터를 적용하여 시스템의 물리적인 크기 및 전류 리플을 감소 시켰으며, Silicon Carbide(SiC) MOSFET을 사용하여 2상 인터리브드 벅 컨버터의 고효율 동작을 검증한다^[2].
설계한 인덕터의 포화 여부를 예측하기 위해 그림 11와 같이 커플드 인덕터를 자화 등가회로로 등가화하여 해석하였다^[5]. 식 (23)과 식 (24)로 코어 릴럭턴스 R과 에어갭 릴럭턴스 R_g를 각각 구한 후, 기자력 F=Ni을 이용하여 ϕ값을 구하였다.
스위치 S₁과 S₂의 온오프 상태에 따라 모드를 나누어해석을 진행하였다. 본 논문에서는 duty값이 0.
2상 인터리브드 벅 컨버터 설계를 위해 회로의 동작 원리를 분석하였다. 스위치의 온오프 상태마다 동작을 해석하였으며 이때 인덕터 전류의 변화를 확인하였다. 본 장에서는 스위칭 온오프 상태에 따른 모드를 나누어 인덕터 전류를 수식적으로 해석하였다.
설계 과정을 따라서 제작한 커플드 인덕터가 정격 부하 조건인 18kW에서도 정상 동작함을 확인하였다. 이를 통해 본 논문에서 제안한 커플드 인덕터의 설계 방법에 대해 검증하였다. 또한 SiC MOSFET을 사용하여 2상 인터리브드 벅 컨버터의 효율이 약 2kW 조건에서부터 99% 이상을 유지함을 확인하였다.
인덕터 상당 평균 전류가 최대 20A, 인덕터 peak 전류가 최대 25A까지 흘렀으나 포화가 일어나지 않았음을 확인하였다. 이후 정격 부하 조건에서 1시간의열 포화 실험을 추가로 진행하였다. 정격 부하 조건 도달 후 스위치는 대략 20분 경과, 커플드 인덕터 코어&와이어는 대략 30분 경과 이후 온도가 포화하였다.
인덕터 전류의 peak to peak값을 고려하였으며 포화 여부를 고려하여 최대 peak값보다 70∼80%의 여유를 두고 설계를 진행하였다.
그림 2은 커플드 인덕터를 적용한 2상 인터리브드 벅컨버터 회로도이다. 제안하는 2상 인터리브드 벅 컨버터는 스위치 S₁, S₂, 다이오드 D₁, D₂, 출력 커패시터 C, 그리고 L₁, L₂의 인덕턴스를 가지는 차동모드(DM) 커플드 인덕터로 구성되어 있다. 커플드 인덕터의 1차 측과 2차 측에 흐르는 전류의 평균값은 각각 i_L1, i_L2이며, 이때 걸리는 전압은 각각 v_L1, v_L2이다.
또한 공극이 고정되므로 공극의 유동적인 변화가 불가능하게 된다는 문제점이 발생한다. 추가 가공 없이 EE 코어를 사용하여 커플링 계수 0.33으로 사용하여도 전류 리플 저감에는 효과적이며, 본 논문에서 제안하는 시스템 사양에 적합하므로 EIE 구조 등 다른 커플드 인덕터 구조와 비교하여 제작의 편리성에 초점을 맞춰 커플드 인덕터의 구조를 선정하였다.
출력 전류를 기준으로 약 5A에서부터 정격 조건인 40A까지 구간마다 시스템 전체 효율을 측정하였다^[6]. 2 상 인터리브드 벅 컨버터의 입력단과 출력단에 각각 shunt 저항을 추가하여 흐르는 전류값을 계산하여 효율을 측정하였다.
커플드 인덕터의 1차 측과 2차 측에 흐르는 전류의 평균값은 각각 i_L1, i_L2이며, 이때 걸리는 전압은 각각 v_L1, v_L2이다. 커플드 인덕 터를 적용한 2상 인터리브드 벅 컨버터 회로 해석의 편의를 위해 커플드 인덕터를 누설 인덕터 L_lk1, L_lk2, 자화 인덕터 L_m, 그리고 1:1 변압기로 등가화하였으며 이를 그림 3에 나타내었다.
커플드 인덕터를 적용한 2상 인터리브드 벅 컨버터를 설계하기 위해 실험 조건을 고려하여 2상 인터리브드 벅 컨버터와 커플드 인덕터의 설계를 진행하였다.
커플드 인덕터를 적용한 2상 인터리브드 벅 컨버터에 대해 모의실험과 실험을 진행하였다. 표 3는 2상 인터리브드 벅 컨버터의 시스템 사양과 설계한 커플드 인덕 터의 제작 사양을 나타낸다.
커플드 인덕터를 적용할 시스템의 전류 용량을 고려하여 코어 및 코어 스택을 결정하였다. 코어는 식 (20)과 식 (21)을 이용하여 선정하였다.

대상 데이터

입출력 전압과 총 전류를 고려하여 스위치와 다이오드 소자를 선정하였다. 고효율을 목적으로 하기 때문에 스위치는 SiC MOSFET, 다이오드는 SiC 쇼트키 다이오드로 선정하였다. 선정한 소자는 표 1에 나타내었다.
입출력 전압과 총 전류를 고려하여 스위치와 다이오드 소자를 선정하였다. 고효율을 목적으로 하기 때문에 스위치는 SiC MOSFET, 다이오드는 SiC 쇼트키 다이오드로 선정하였다.

성능/효과

포화 시점의 온도는 스위치가 대략 84∼85℃, 코어는 최대 42℃, 그리고 커플드 인덕터의 와이어는 52℃ 로 확인하였다. 1시간의 열 포화 실험 동안 비이상적인 열 문제나 인덕터의 포화 없이 시스템이 정상 동작함을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 제시한 커플드 인덕터 설계 방법을 실험을 통해 검증하였다.
이를 통해 본 논문에서 제안한 커플드 인덕터의 설계 방법에 대해 검증하였다. 또한 SiC MOSFET을 사용하여 2상 인터리브드 벅 컨버터의 효율이 약 2kW 조건에서부터 99% 이상을 유지함을 확인하였다.
본 논문에서는 커플드 인덕터를 적용한 SiC MOSFET 기반 2상 인터리브드 벅 컨버터를 제안하였다. 설계 과정을 따라서 제작한 커플드 인덕터가 정격 부하 조건인 18kW에서도 정상 동작함을 확인하였다. 이를 통해 본 논문에서 제안한 커플드 인덕터의 설계 방법에 대해 검증하였다.
또한 약 2kW 부터 정격 조건이 18kW까지 커플드 인덕터의 동작을 검증하였다. 인덕터 상당 평균 전류가 최대 20A, 인덕터 peak 전류가 최대 25A까지 흘렀으나 포화가 일어나지 않았음을 확인하였다. 이후 정격 부하 조건에서 1시간의열 포화 실험을 추가로 진행하였다.
포화 시점의 온도는 스위치가 대략 84∼85℃, 코어는 최대 42℃, 그리고 커플드 인덕터의 와이어는 52℃ 로 확인하였다.
표 2, 3을 비교하여 커플드 인덕터의 설계값과 실제 제작한 값이 일치함을 확인할 수 있었다. 또한 약 2kW 부터 정격 조건이 18kW까지 커플드 인덕터의 동작을 검증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	커플드 인덕터는 1, 2차 측 전류의 방향에 따라 어떻게 나뉘는가?	따라서 전체 시스템의 크기 및 효율 문제를 해결하기 위하여 2상 인터리브드 벅 컨버터에 커플드 인덕터를 적용하였다[1]. 커플드 인덕터는 1, 2차 측 전류의 방향에 따라서 공통 모드(Common Mode, CM)와 차동 모드 (Differential Mode, DM)로 나뉜다. 커플드 인덕터를 공통 모드로 사용할 경우, 출력이 증가함에 따라 자속 밀도 또한 증가하므로 출력전력에 비례하여 코어의 크기가 커지게 된다.
	2상 인터리브드 벅 컨버터에서 전류 리플을 낮추기 위해 인덕턴스를 높이거나 스위칭 주파수를 높일 때의 발생하는 문제점은?	2상 인터리브드 벅 컨버터에서 인덕터 한 상당 흐르는 전류의 리플값을 식 (1)에 나타내었다. 인덕턴스를 높일 경우 인덕터의 사이즈가 커지므로 전체 시스템의 크기가 커지는 문제가 발생하며, 스위칭 주파수를 높이면 스위칭 손실이 발생하므로 손실의 문제가 발생한다. 전류 리플 또한 손실로 이어지기 때문에 효율적인 측면에서도 전류 리플을 줄이는 것이 중요하다.
	급속 충전기의 역할은?	급속 충전기의 효율 및 크기 감소에 대한 관심이 증가하고 있으며 이에 대한 연구가 증가하고 있다. 급속 충전기는 간략하게 계통전력의 3상 380V의 교류전력 전원을 받아 전력을 직류로 변환한 후 전기자동차 배터리의 상태에 맞는 직류 출력을 차량에 공급한다. 이때 직류에서 직류로 전압 강하를 위해 벅 컨버터를 사용한다.

참고문헌 (6)

T. Kang and Y. Suh, "Optimized coupling factor design of multiple-phase coupled inductor for minimum inductor current ripple operation in EV charger systems," in 2017 IEEE 3rd International Future Energy Electronics Conference and ECCE Asia (IFEEC 2017-ECCE Asia), Kaohsiung, pp. 1178-1183, 2017.
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G. Zhu, B. A. McDonald, and K. Wang, "Modeling and analysis of coupled inductors in power converters," in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 26, No. 5, pp. 1355-1363, May 2011.

상세보기
P. L. Wong, P. Xu, P. Yang, and F. C. Lee, "Performance improvements of interleaving VRMs with coupling inductors," in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 16, No. 4, pp. 499-507, Jul. 2001.

상세보기
Y. Yang, H. Li, H. Miao, W. Huang, and X. Sun, "Design of "EIE" shape coupling inductors and its application in interleaved LLC resonant converter," in 2018 IEEE International Power Electronics and Application Conference and Exposition (PEAC), Shenzhen, pp. 1-5, 2018.
W. Yu, H. Qian, and J. Lai, "Design of high-efficiency bidirectional DC-DC converter and high-precision efficiency measurement," in 2008 34th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics, Orlando, FL, pp. 685-690, 2008.

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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