[논문]플라나변압기와 SiC 기반의 전기자동차용 3kW 고전력밀도 DC-DC 컨버터 개발

김상진; 석채영; 라마단; 최세완; 유병우; 박상훈

doi:10.6113/tkpe.2021.26.2.112

플라나변압기와 SiC 기반의 전기자동차용 3kW 고전력밀도 DC-DC 컨버터 개발
Development of Planar Transformer and SiC Based 3 kW High Power Density DC-DC Converter for Electric Vehicles 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.26 no.2, 2021년, pp.112 - 119

김상진 (Dept. of Electrical & Information Eng., Seoul National University of Science and Technology) , 석채영 (Dept. of Electrical & Information Eng., Seoul National University of Science and Technology) , 라마단 (Dept. of Electrical & Information Eng., Seoul National University of Science and Technology) , 최세완 (Dept. of Electrical & Information Eng., Seoul National University of Science and Technology) , 유병우 (VS PE Development Division, LG Electronics Co., Ltd.) , 박상훈 (VS PE Development Division, LG Electronics Co., Ltd.)

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes a design method of high-power-density and high-efficiency low-voltage DC-DC converters using SiC MOSFET and the optimized planar transformer design procedure based on the figure-of-merit. The secondary rectifying circuit of the phase-shifted full-bridge converter is compared to achieve high power density and high efficiency, and the phase-shifted full bridge converter with a current-doubler rectifier is selected. The planar transformer is designed by the proposed optimized design procedure and verified by FEA simulation. To validate the proposed design method, experimental results from a 3 kW prototype are provided. The prototype achieved 95.28% maximum efficiency and a power density of 2.98 kW/L.

주제어

표/그림 (22)

그림 Fig. 1. Trend of low voltage DC-DC converter^[2].
그림 Fig. 2. Circuit diagram. (a) Primary full-bridge, (b) Current doubler rectifier, (c) Center-tap rectifier.
그림 Fig. 3. Operating waveform and circuit diagram. (a) Center-tap rectifier, (b) Current doubler rectifier.
그림 Fig. 4. PCB winding arrangement. (a) Center-tap, (b) Current doubler.
그림 Fig. 5. Phase shift full bridge converter with current doubler rectifier.
그림 Fig. 6. Operating waveform of PSFB-CD.
표 TABLE Ⅰ COMPARISON OF PSFB-CD AND PSFB-CT
그림 Fig. 7. Footprint of magnetic components according to switching frequency.
그림 Fig. 8. Effective duty and duty loss according to turn ratio.
그림 Fig. 9. SR switch voltage rating according to turn ratio.
그림 Fig. 10. Proposed planar transformer structure with PCB winding.
그림 Fig. 11. PCB winding layer design. (a) Top layer, (b) 2^nd layer, (c) 3^rd layer, (d) Bottom layer.
그림 Fig. 12. Planar transformer design optimization flow chart.
그림 Fig. 13. Footprint vs. total loss design point of the planar transformer.
그림 Fig. 14. Footprint vs. total loss design point of the planar transformer.
그림 Fig. 15. Maxwell simulation result of the proposed planar transformer. (a) Flux density of the core, (b) Current density of the pcb winding.
그림 Fig. 16. Photograph of the proposed planar transformer.
그림 Fig. 17. Prototype of the proposed 3 kW LDC.
표 TABLE Ⅱ SPECIFICATION OF THE PROTOTYPE
그림 Fig. 18. Experimental waveforms at V_in = 240 V, V_o = 13.8 V. (a) P_o = 220 W, (b) P_o = 3 kW.
그림 Fig. 19. Experimental waveforms at V_in = 420 V, V_o = 13.8 V. (a) P_o = 220 W, (b) P_o = 3 kW.
그림 Fig. 20. Measured efficiency.

AI 본문요약
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문제 정의

또한 전류더블러정류기에비해PCB권선에흐르는전류가 더큰전류 센터탭정류기는변압기와 인덕터 권선 손실 증가로 인해 전체 자성체의 손실이 약 34% 크다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 논문에서는고효율·고전력밀도달성에더유리한전류더블러정류구조로정 류기를선정하였다.
고속스위칭주파수적용을통한고전력밀도달성을위해실 리콘카바이드(SiC)소자나, 갈륨나이트라이드(GaN)소자와같eWideBand-Gap(WBG)소자의적용이검토될 수 있으며, 시스템 전체 높이를 줄여 전력밀도를 향상시키기위해플라나변압기를적용할 수 있다. 본 논문에서는 SiC MOSFET과 플라나 자성체를 적용한 3kW 급 LDC의 토폴로지 선정 및 자성체 최적 설계 방법에 대해 논의한다.
따라서 본 논문에서는추가회로없이ZVS턴온성취가가능하며LLC 컨버터에비해턴비가작아플라나변압기의부피가작 고 간단한 제어구조를 갖는 위상천이 풀브릿지 컨버터로 토폴로지를 선정하였다. 본논문에서는위상천이 풀 브릿지 컨버터의 2차측 정류기의 비교를 통해 고효율, 고전력밀도달성에유리한정류기를선정하였고, 고주파플라나변압기의최적설계방법을 제안하였다.

제안 방법

각각의 설계변수들은 플라나 변압기의 최대 자속밀도(B_max)와 권선의 전류밀도(J)에 의해 결정되며, 2차측 권선에 흐르는 큰 전류를 분담하기 위해 4층 레이어PCB 3장을 병렬로 연결하여 사용하였다. 플라나코어의높이는 제한조건으로 인해 28.
98kW/L의높은전 력밀도를갖는3kW급LDC를개발하였다. 높은전력밀도달성을위해플라나변압기, 플라나인덕터를설계하여적용하였으며, FoM개념을이용하여변압기의손실및 단면적 측면에서 플라나 변압기의 최적 설계지점을도출하였다.또한실험검증을통해3kW동작을확인하 였으며, 95.
PCB 권선의 손실은 DC저항 손실과 AC저항 손실의 합으로나 타낼 수 있고, 여기서AC저항손실은(2m-1)²에비례하므로 m의 최소화를 통해 AC손실을 줄여야 한다. 따라서본논문에서는m을최소화하기위해그림11과같 이PCB권선을구성하여모든레이어의m을1로설계 하였다. 1층과 4층 레이어에는 큰 전류 가도 통하는 2차측권선을배치하였고, 2층과 3층 레이어에는 1차 측 권선을 배치하였다.
그래프에 존재하는 모든 점은 그림 13의 Pareto-front의 설계점이므로 변압기의 단면적 및 코어 손실 제한 값을 만족하며, FoMeP_{TR, total}과FP의곱으로정의되므로 FoM이 최소가 되는 설계점이 최적의 설계점이라할 수 있다.따라서본논문에서는그림14에나 타낸것과같이FoM이최소가되는설계점을도출하였 고, 설계결과에따라변압기의최대자속밀도는100mT, PCB권선의전류밀도는30A/mm²으로선정하였다.
1차측·2차측스위치, 입력·출력EMI 필터, 보조전원 및 제어보드 공간을 제외하면 자성체의 단면적이8700mm²이하가되어야한다.따라서약220kHz이 상의 스위칭 주파수를 적용해야 목표 전력밀도를 달성할 수 있으므로, 메인보드와자성체의연결을 고려하여 250kHz로스위칭주파수를선정하였다.
본논문의응용은저전압·대전류응용이므 로, 소자 수가 많고 큰 도통 손실을 갖는풀브릿지정류기는제외하였다.또한, lowprofile특성으로높은전력밀도를달성에유리한플라나변압기를사용하고, 4층 레이어 PCB를 사용한다는 것을 가정하고 비교를 진행하였으며, 변압기의 단 면적과 권선 손실을 기준으로두정류기의비교하였다.
본 논문에서는 SiC MOSFET을 사용하여 입·출력 EMI필터및제어보드를포함하여2.98kW/L의높은전 력밀도를갖는3kW급LDC를개발하였다. 높은전력밀도달성을위해플라나변압기, 플라나인덕터를설계하여적용하였으며, FoM개념을이용하여변압기의손실및 단면적 측면에서 플라나 변압기의 최적 설계지점을도출하였다.
Pareto-front상각각의설계점들은해당하는 변압기의 단면적에서 변압기의 총 손실이 최소가 되는설계점이므로모든설계점이최적의설계점이될수있 다.하지만Pareto-front상의설계점들중효율과전력밀 도 관점에서 가장 유리한 최적의 설계점 도출을 위해본 논문에서는 FoM을 정의하여 최적의 설계점을 도출하였으며, FoMe식(6)와같이정의된다^{[11], [12}].

대상 데이터

WT3000을 이용하여 측정하였다. 최고효율은 V_in=240V, P_o=1.
반면, [7], [8]에서는 위상천이 풀브릿지 컨버터에 고속 스위칭을 적용하여 높은 전력 밀도를 달성하였다. 따라서 본 논문에서는추가회로없이ZVS턴온성취가가능하며LLC 컨버터에비해턴비가작아플라나변압기의부피가작 고 간단한 제어구조를 갖는 위상천이 풀브릿지 컨버터로 토폴로지를 선정하였다. 본논문에서는위상천이 풀 브릿지 컨버터의 2차측 정류기의 비교를 통해 고효율, 고전력밀도달성에유리한정류기를선정하였고, 고주파플라나변압기의최적설계방법을 제안하였다.
시작품은 플라나 변압기, 인덕터, 입력·출력노이즈필터(HVEMI filter, LVEMI filter), 보조전원용SMPS, TMS320F280040C기반제어보드(controlboard)및동기정류스위치로구성된다.시 작품은 입·출력필터 및 SMPS, 제어보드를 포함하여 160×220×28.6로 제작되어 2.98kW/L의 높은 전력 밀도를 달성하였다. 표2는제작된 시작품의 상세사양을 나타낸다.
LDC의 제작 사진이다. 시작품은 플라나 변압기, 인덕터, 입력·출력노이즈필터(HVEMI filter, LVEMI filter), 보조전원용SMPS, TMS320F280040C기반제어보드(controlboard)및동기정류스위치로구성된다.시 작품은 입·출력필터 및 SMPS, 제어보드를 포함하여 160×220×28.

성능/효과

그림18(a)에측정한파형은지상레그스위치 의드레인-소스전압(V_DS4), 게이트-소스전압(V_GS4), 누설 인덕터 전류(i_Lk), 2차측 전압(V_sec)이다. V_DS4와 V_GS4 파형을 통해 지상레그 스위치가 약 7% 부하(P_o=220W) 에서ZVS턴온을성취하는것을확인할 수 있다. 그림 19(a)는 입력전압이 420V인 상황에서의 실험파형을 보여준다.
출력인덕터 의개수가적은센터탭정류기는전류더블러정류기에 비해인덕터의단면적이 작지만, 변압기의 단 면적 차이로 인해 전체 자성체단면적의총합은 전류더블러정류기에비해약29%크다는것을확인할 수 있다.또한 전류더블러정류기에비해PCB권선에흐르는전류가 더큰전류 센터탭정류기는변압기와 인덕터 권선 손실 증가로 인해 전체 자성체의 손실이 약 34% 크다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 논문에서는고효율·고전력밀도달성에더유리한전류더블러정류구조로정 류기를선정하였다.
높은전력밀도달성을위해플라나변압기, 플라나인덕터를설계하여적용하였으며, FoM개념을이용하여변압기의손실및 단면적 측면에서 플라나 변압기의 최적 설계지점을도출하였다.또한실험검증을통해3kW동작을확인하 였으며, 95.28%의최고효율을달성하였다.
WT3000을 이용하여 측정하였다. 최고효율은 V_in=240V, P_o=1.8kW 상황에서 95.28%를달성하였으며, 3kW 정격출력에서는 94.03%의 고효율을 달성하였다.

참고문헌 (12)

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상세보기
A. M. Naradhipa, S. Kim, D. Yang, S. Choi, I. Yeo, and Y. Lee, "Power density optimization of 700 kHz GaN-based auxiliary power module for electric vehicles," To be published in IEEE Transactions on Power Electronics, May 2021.
R. Muhammad, S. Kim, C. Suk, S. Choi, B. Yu, and S. Park, "Integrated planar transformer design of 3-kW auxiliary power module for electric vehicles," in 2020 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Detroit, USA, pp. 1239-1243, 2020.

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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