[논문]HEV용 풀-브릿지 DC-DC 컨버터 디지털 제어에 관한 연구

장동욱; 정중기; 김희준

HEV용 풀-브릿지 DC-DC 컨버터 디지털 제어에 관한 연구
Study on a digital controlled Full-Bridge DC-DC converter for HEV 원문보기

장동욱 (한양대학교 전자전기제어계측공학과) , 정중기 (한양대학교 전자전기제어계측공학과) , 김희준 (한양대학교 전자컴퓨터공학부)

본 논문은 친환경 하이브리드 자동차의 높은 배터리 전압을 자동차 전장에 사용할 수 있게끔 낮은 전압으로 변환 시키는 DC-DC 컨버터 회로에 관한 연구이다. 자동차의 전장들이 증가함에 따라 전력변환회로의 용량도 증가하는 추세이며, 높은 용량의 전력변환회로를 구현하기 위하여 풀-브릿지 컨버터 토폴로지를 선택하여 실험 회로를 구현해 보았다. 회로의 효율을 향상시키기 위하여 영전압 스위칭 방식과 동기정류기를 적용하였으며 대전류 출력에 적합한 배전류 정류 회로를 사용하였다. 각각 아날로그 제어 IC와 MCU를 사용하는 두 종류의 800W급 풀-브릿지 DC-DC 컨버터 실험 회로를 제작 후 실험하였으며 MCU를 사용한 디지털 제어를 적용한 실험 회로의 최대 효율이 90.5%로 아날로그 IC를 사용한 실험 회로의 최대 효율 86%보다 높은 것을 확인 할 수 있었다.

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문제 정의

이와 같이 전기에너지를 동력으로 사용하는 하이브리드 자동차의 특성으로 인하여 자동차 전장들의 효율은 물론 전력변환회로의 효율이 자동차의 주행거리에 끼치는 영향이 매우 크다는 것을 알 수 있으며, 효율이 높은 자동차 전장 제품과 전력변환회로 개발이 매우 중요한 것을 알 수 있다. 이러한 하이브리드 자동차에 필요한 고효율 DC-DC 컨버터를 위해 디지털 제어를 사용한 회로의 우수성을 확인하고자 하였다.

제안 방법

하지만 기존의 아날로그 PWM 컨트롤러 IC에서는 데드 타임의 정확한 설정이 어려워 넓은 부하 범위에서의 소프트 스위칭이 구현이 힘들다. 따라서 위 논문에서는 정확하고 세밀한 데드타임을 설정하고자 MCU를 이용하여 실험 회로를 구현하였다. 논문에서 사용된 MCU는 MicroChip사의 dsPIC30F2020이며 SMPS에 사용되기 편리하게끔 PWM 전용 출력 포트 8개가 제공되며 Phase-Shift 풀-브릿지 컨버터에서 사용되는 상보대칭의 PWM 신호를 만들어내는 Complementary PWM Mode가 있어 선택하였다.
본 논문에서는 풀-브릿지 DC-DC 컨버터를 두 가지 제어 방식으로 구성해 보았다. 실험 결과 아날로그 PWM 컨트롤러 UCC2895를 사용한 실험 회로 보다 dsPIC30F2020을 사용해 정확한 데드타임을 적용한 실험 회로의 효율이 더 높은 것을 알 수 있었다.
위와 같은 소프트 스위칭 이외에 배전류 정류방식을 적용하였다. 출력 필터 인덕터의 수가 증가하지만 인덕터의 용량을 줄일 수 있고 인덕터에 흐르는 전류가 절반으로 작아지기 때문에 발열 및 포화를 방지 할 수 있는 장점이 있으며 전류 리플의 크기 또한 각각의 인덕터에 흐르는 전류가 상쇄 되면서 작아져 좋은 품질의 출력을 만들 수 있다는 장점을 가진다.

대상 데이터

따라서 위 논문에서는 정확하고 세밀한 데드타임을 설정하고자 MCU를 이용하여 실험 회로를 구현하였다. 논문에서 사용된 MCU는 MicroChip사의 dsPIC30F2020이며 SMPS에 사용되기 편리하게끔 PWM 전용 출력 포트 8개가 제공되며 Phase-Shift 풀-브릿지 컨버터에서 사용되는 상보대칭의 PWM 신호를 만들어내는 Complementary PWM Mode가 있어 선택하였다. 그리고 ALTDTRx, DTRx의 Deadtime control 레지스터가 제공되고 있어 데드타임 설정이 편리하다.
본 논문의 디지털 제어의 효율 향상을 확인하기 위하여 아날로그 PWM 컨트롤러 IC인 TI사의 UCC2895를 사용한 실험회로와 dsPIC30F2020을 사용한 실험회로, 과 같이 두 종류의 실험회로를 제작하여 실험하였다.

성능/효과

마지막으로 <그림 6 (a)>는 UCC2895를 사용한 실험 회로의 효율 그래프이며 <그림 6 (b)>는 dsPIC30F2020을 사용한 실험 회로의 효율 그래프를 나타내었다. UCC2895를 사용한 실험 회로는 평균 효율 80%, 40A 부하에서 최대 효율 86%인 것으로 확인되었고 dsPIC30F2020을 사용한 실험 회로는 평균 효율 85%, 40A 부하에서 최대 효율 90.5%인 것으로 확인되었다.
<그림 5>는 2차 측 L1, L2 두 개의 출력 필터 인덕터에 흐르는 IL1, IL2의 전류 파형과 출력 전류 Io의 파형이다. 배전류 정류를 사용하면서 출력 전류의 절반의 전류가 각각 L1, L2에 흐르는 것을 확인할 수 있으며 두 개의 인덕터 전류가 상쇄되어 출력 전류 리플 크기가 작아져 품질이 향상되는 것을 볼 수 있다.
5로 고정되며 두 개의 스위치가 한 쌍으로 위상을 변화하며 다른 한 쌍의 위상과 중첩되는 구간에 따라 출력 전압을 변화시키는 방식이다. 스위치의 시비율을 변화하며 출력 전압을 추종하는 기존의 풀브릿지 DC-DC 컨버터 방식에 비해 스위치들의 게이트 신호에 지연시간을 두는 것만으로도 별도의 추가 회로 없이 영전압 스위칭을 할 수 있다는 장점을 가지고 있어 효율을 쉽게 높일 수 있다. <그림 1>에서 t1~t2 구간에서는 스위치 B의 기생커패시턴스는 충전되고 스위치 A의 기생커패시턴스는 방전을 하게 되며 이때 스위치 A를 턴-온 시킴으로써 소프트 스위칭이 가능하게 된다.
본 논문에서는 풀-브릿지 DC-DC 컨버터를 두 가지 제어 방식으로 구성해 보았다. 실험 결과 아날로그 PWM 컨트롤러 UCC2895를 사용한 실험 회로 보다 dsPIC30F2020을 사용해 정확한 데드타임을 적용한 실험 회로의 효율이 더 높은 것을 알 수 있었다. 이는 부하의 크기에 따라 적절한 데드타임 변화를 주어 1차 측 스위칭 손실을 줄였기 때문으로 판단된다.
이를 위해서 실험 회로에 소프트 스위칭을 적용하였으며 를 통해서 스위치의 VDS와 VGS의 파형으로 소프트 스위칭이 이상 없이 동작하는 것을 확인하였다.

후속연구

이는 부하의 크기에 따라 적절한 데드타임 변화를 주어 1차 측 스위칭 손실을 줄였기 때문으로 판단된다. 앞으로 계속 MCU의 가격이 하락할 것으로 예상되며 이에 따라 MCU의 활용 가치가 더욱 커질 것으로 예상된다.

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