[논문]Full-bridge 방식의 절연형 DC/DC 컨버터

허민호; 박성준; 김광헌; 송성근; 김종권

Full-bridge 방식의 절연형 DC/DC 컨버터
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허민호 (전남대학교) , 박성준 (전남대학교) , 김광헌 (전남대학교) , 송성근 (전자부품연구원) , 김종권 (준성ENR)

견인용 시스템에 있어서 구동모터의 효율증대를 위해서는 고압전원이 필수적이며 이를 위해 일반적으로 승압 DC/DC 컨버터 사용하고 있으나, Hard Switching 방식의 PWM 컨버터로는 효율향상에 한계가 있으며 동특성이 저하되는 단점이 있다. 본 논문에서는 새로운 방식의 절연된 차량용 고압 DC/DC 컨버터를 이용하여 효율 및 동특성을 개선하기위해 Full-bridge 컨버터와 Double-half-bridge 컨버터를 이용한 소프트 스위칭방식으로 고효율화를 달성하고 컨버터의 동특성을 향상시켰다.

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문제 정의

본 논문에서는 효율 및 동특성이 우수하며 발전제동이 가능한 새로운 방식의 절연된 차량용 고압 DC/DC 컨버터를 제안하고자 한다. 제안된 절연형 DC/DC 컨버터는 변압기 1차 측에 소프트 스위칭 방식의 Fullbridge 컨버터로 구성하였으며, 변압기 2차 측에 소프트 스위칭 방식의 Dual Half-bridge 컨버터를 구성하였고, ZCS 소프트 스위칭 방식을 구현함으로서 고효율화를 달성하였다.

제안 방법

따라서 동일 스위칭 주파수로 스위칭 하기 위해 1차 및 2차 측에서 본 특성 임피던스를 같게 하려면 변압기의 권수비가 1이 되어야 한다. 또한 그림 1에서 승압비를 높이기 위해 절연형 Series Resonant Circuit를 이용하여 2차측을 직렬로 하는 구조를 취하게 하였다. 따라서 그림 2에서 입출력 승압비는 4배가 되는 구조가 된다.
본 논문에서는 하드스위칭 컨버터에서 치명적인 약점을 보완하기 위해 효율 및 동특성이 우수하며 발전제동이 가능하며 Soft Switching 방식을 이용한 새로운 방식의 절연형 차량용 고압 DC/DC 컨버터를 제안하였으며, 변압기에 존재하는 기생 인덕터 성분을 공진회로에 이용함으로써 기생발진을 최소화 시킬 수 있는 특성을 갖고 있으며, 공진을 위한 인덕터를 누설인덕터로 대체함으로서 고전력 밀도화를 위한 전력회로가 가능함을 증명할 수 있었다. 또한 제동시 발생되는 에너지를 회생제동모드로 동작하여 사용함으로서 발전제동 및 동특성을 개선하였다.
또한 견인용 전기자동차의 특성개선을 위해서는 순시적 양방향 수수가 가능한 DC/DC컨버터의 개발이 필요하다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 순시적 양방향 전력수수 및 Soft Switching 기능을 갖는 DC/DC 컨버터를 그림 1에서 제안하였다. 그림 1의 Soft Switching 방식 컨버터는 L-C resonant Tank 공진에 의해 전압, 전류가 Oscillating하여 부하에 공급되며, 스위치 상태는 영전류 지점에서 바뀐다.
제안된 견인용 DC/DC컨버터는 변압기의 누설 리액터와 변압기 2차측 콘덴서에 의해 공진회로를 구성하는 방식으로 양방향전력 수수시 공진주파수를 같게 하기위해 1:1 고주파 변압기를 사용하였으며, 이로 인해 출력전압은 입력전압의 2배인 구조를 취하고 있다.
본 논문에서는 효율 및 동특성이 우수하며 발전제동이 가능한 새로운 방식의 절연된 차량용 고압 DC/DC 컨버터를 제안하고자 한다. 제안된 절연형 DC/DC 컨버터는 변압기 1차 측에 소프트 스위칭 방식의 Fullbridge 컨버터로 구성하였으며, 변압기 2차 측에 소프트 스위칭 방식의 Dual Half-bridge 컨버터를 구성하였고, ZCS 소프트 스위칭 방식을 구현함으로서 고효율화를 달성하였다. 또한, 컨버터 출력전압제어방식과 달리 에너지수수특성을 인버터 동작 영역으로 전가시켜 동특성을 향상시켰다.

대상 데이터

그림 1의 Soft Switching 방식 컨버터는 L-C resonant Tank 공진에 의해 전압, 전류가 Oscillating하여 부하에 공급되며, 스위치 상태는 영전류 지점에서 바뀐다. 본 연구에서 사용되는 Tank 타입은 콘덴서에 병렬로드를 가진 Series Resonant Circuit를 이용하는 Soft Switching DC/DC컨버터이다.

성능/효과

그림 3은 제안된 소프트 스위칭 방식 DC/DC 컨버터의 전력양방향 특성을 조사하기 위한 시뮬레이션 결과이다. 견인용 전기자동차가 7Hz로 급가속 및 급감속을 행하는 경우의 결과이며, 그림에서 보는바와 같이 밧데리 전류는 정역방향으로 양호하게 변함을 알 수 있었고, 밧데리 전류에 비하여 1단의 컨버터 전류가 정확히 절반이 되게 동작함으로 부하분담이 양호하게 나타났다. 양뱡향 부하 급변 시 출력전압의 오버슈트는 약 20%가 됨을 알 수 있었다.
제안된 절연형 DC/DC 컨버터는 변압기 1차 측에 소프트 스위칭 방식의 Fullbridge 컨버터로 구성하였으며, 변압기 2차 측에 소프트 스위칭 방식의 Dual Half-bridge 컨버터를 구성하였고, ZCS 소프트 스위칭 방식을 구현함으로서 고효율화를 달성하였다. 또한, 컨버터 출력전압제어방식과 달리 에너지수수특성을 인버터 동작 영역으로 전가시켜 동특성을 향상시켰다.
본 논문에서는 하드스위칭 컨버터에서 치명적인 약점을 보완하기 위해 효율 및 동특성이 우수하며 발전제동이 가능하며 Soft Switching 방식을 이용한 새로운 방식의 절연형 차량용 고압 DC/DC 컨버터를 제안하였으며, 변압기에 존재하는 기생 인덕터 성분을 공진회로에 이용함으로써 기생발진을 최소화 시킬 수 있는 특성을 갖고 있으며, 공진을 위한 인덕터를 누설인덕터로 대체함으로서 고전력 밀도화를 위한 전력회로가 가능함을 증명할 수 있었다. 또한 제동시 발생되는 에너지를 회생제동모드로 동작하여 사용함으로서 발전제동 및 동특성을 개선하였다.
3초시의 Soft Switching 특성을 조사하기 위한 파형이다. 이때 출력전압은 320V, 출력은 정격 10kW이며, 스위칭 주파수를 15kHz로 설정한 경우에 스위치 온, 오프시 양호한 ZCS가 됨을 확인 할 수 있었으며, 공진 탱크의 전압도 향상 +가 됨을 확인 할 수 있었다.

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