[논문]모드절환을 고려한 양방향 DC-DC 컨버터의 디지털 전압 제어기 설계

조영창; 임지훈; 송승호; 최주엽; 이국선; 최익; 권태석; 이상준; 이현동

모드절환을 고려한 양방향 DC-DC 컨버터의 디지털 전압 제어기 설계
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조영창 (광운대학교 전기공학과) , 임지훈 (광운대학교 전기공학과) , 송승호 (광운대학교 전기공학과) , 최주엽 (광운대학교 전기공학과) , 이국선 (광운대학교 제어계측공학과) , 최익 (광운대학교 제어계측공학과) , 권태석 (현대모비스) , 이상준 (현대모비스) , 이현동 (현대모비스)

HEV(Hybrid Electrical Vehicle)의 배터리와 전동기/발전기용 인버터 사이에 전력의 흐름에 따라 바뀌어 동작하는 양방향 컨버터가 장착된다. 이 컨버터는 낮은 배터리의 전압을 승압해 DC-Link 전압을 높혀줌으로써 전동기의 전류용량을 낮춰 줄 수 있으며 그에 따른 전동기의 부피를 감소시키고 손실을 줄이는 역할을 한다. 본 논문에서는 HEV에서 사용되는 양방향 컨버터의 모드 절환을 포함한 디지털 제어 방법을 소개하고, 시뮬레이션을 통해 검증하였다.

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

문제 정의

최대 부하 시험 조건에서의 시뮬레이션 결과, Step 부하 모드 절환 시에는 78[%], Slope 부하 모드 절환 시에는 95[%]만큼의 전압 리플 감소를 확인할 수 있었다. 본 논문을 통해 아날로그 제어기로는 구현하기 복잡한 duty 초기값 계산 및 CCM/DCM에 따른 Gain 값 선정을 간단하게 구현 할 수 있는 디지털 제어기를 제안했으며, 현재 TI사의 TMS320F2812 을 이용한 실험을 진행 중이다.

제안 방법

시뮬레이션 툴은 PowerSIM 사의 PSIM을 이용하고, DLL(Dynamic Link Library)을 이용해 디지털 제어기를 구현했다. 배터리는 SoC(State of Charge)에 따라 250~270[V]까지 가변하는 모델을 적용하고, 인버터는 가변 전류원으로 모델링하였다. 스위칭 주파수는 10[kHz], DC-Link 전압 지령치는 600[V], 출력 전류는 50[A], 정격 출력이 30[kW]가 되도록 했다.
본 논문에서는 동작영역(CCM/DCM)과 컨버터의 종류(Buck/Boost)를 고려하여 모드 절환 시 발생되는 전압 변동을 최소화하는 디지털 제어기 설계를 제안하고, 시뮬레이션을 통해 검증하도록 한다.
DC-Link 전압 지령치는 일정하다고 가정하면 출력전류의 부호가 전력의 부호를 결정하기 때문에, Idc를 이용하여 양방향 컨버터의 모드를 결정한다. 본 설계에서는 Idc 5를 5회 평균 낸 값의 부호를 판단하여 음의 값일 때는 Buck으로, 양의 값일 때는 Boost로 모드를 절환한다.
배터리는 SoC(State of Charge)에 따라 250~270[V]까지 가변하는 모델을 적용하고, 인버터는 가변 전류원으로 모델링하였다. 스위칭 주파수는 10[kHz], DC-Link 전압 지령치는 600[V], 출력 전류는 50[A], 정격 출력이 30[kW]가 되도록 했다. 또한, 실제와 비슷한 환경을 위하여 Idc 1에 [App]의 노이즈를 추가해 주었다.
앞 서 본론에서 제안한 모드절환이 고려된 디지털 제이기를 시뮬레이션으로 검증하도록 한다. 시뮬레이션 툴은 PowerSIM 사의 PSIM을 이용하고, DLL(Dynamic Link Library)을 이용해 디지털 제어기를 구현했다. 배터리는 SoC(State of Charge)에 따라 250~270[V]까지 가변하는 모델을 적용하고, 인버터는 가변 전류원으로 모델링하였다.
앞 서 본론에서 제안한 모드절환이 고려된 디지털 제이기를 시뮬레이션으로 검증하도록 한다. 시뮬레이션 툴은 PowerSIM 사의 PSIM을 이용하고, DLL(Dynamic Link Library)을 이용해 디지털 제어기를 구현했다.

대상 데이터

본 논문에서 사용한 토폴로지는 가장 기본적인 비절연형 단상 Half-bridge 구조이다. 배터리가 컨버터 좌측 단에 연결되고, Motor와 Generator의 전력의 차이가 컨버터 우측 단으로 입력된다.

이론/모형

본 양방향 컨버터의 전압 제어기는 디지털 방식로 설계되었으며, 널리 사용되는 PI 제어기를 이용했다. 출력은 IGBT 스위치를 PWM(Pulse Width Modulation)으로 구동하기 위한 duty이다.

성능/효과

인덕터 전류의 모양을 확인하면 부하의 변동에 따라 컨버터의 모드가 Boost → Buck → Boost로 변화하였음을 볼 수 있다. 제안된 디지털 전압제어기를 적용하였을 경우 전압의 오버슈트가 178.27[V]에서 38.76[V]까지 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 이 때, 스텝 변화는 CCM에서 이루어졌으므로 duty를 예측해서 적용한 경우의 특성을 보여준다.
최대 부하 시험 조건에서의 시뮬레이션 결과, Step 부하 모드 절환 시에는 78[%], Slope 부하 모드 절환 시에는 95[%]만큼의 전압 리플 감소를 확인할 수 있었다. 본 논문을 통해 아날로그 제어기로는 구현하기 복잡한 duty 초기값 계산 및 CCM/DCM에 따른 Gain 값 선정을 간단하게 구현 할 수 있는 디지털 제어기를 제안했으며, 현재 TI사의 TMS320F2812 을 이용한 실험을 진행 중이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

Boost/Buck 모드의 절환은 무엇에 의해 결정되는가?

) Buck 모드로 동작하며 인버터 단으로 전류가 흘러가는 경우 (배터리의 방전) Boost 모드로 동작한다. 이 때 Boost/Buck 모드의 절환은 DC-Link 단의 전류의 방향에 의해 결정되어 지는데, 모드의 절환 시 추가적인 기타 조건들을 고려하여 적절한 제어를 수행함으로써 안정적인 모드의 변환이 가능하다.

양방향 컨버터는 어떤 모드로 제어가 가능한가?

양방향 컨버터는 Boost와 Buck의 두 가지 모드로 제어가 가능하며, 배터리 방향으로 전류가 들어가는 경우 (즉, 배터리의 충전을 의미 한다.) Buck 모드로 동작하며 인버터 단으로 전류가 흘러가는 경우 (배터리의 방전) Boost 모드로 동작한다.

양방향 컨버터의 역할은?

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