[논문]하이브리드 차량 및 전기 차량용 두 개의 인덕터와 하나의 변압기를 갖는 새로운 비절연형 부스트 컨버터

성현욱; 박기범; 김태성; 문건우; 윤명중

[국내논문] 하이브리드 차량 및 전기 차량용 두 개의 인덕터와 하나의 변압기를 갖는 새로운 비절연형 부스트 컨버터
A New Non-isolated Boost Converter with Two-Inductor and One-Transformer for Hybrid Electric Vehicle and Electric Vehicle 원문보기

성현욱 (한국과학기술원) , 박기범 (한국과학기술원) , 김태성 (한국과학기술원) , 문건우 (한국과학기술원) , 윤명중 (한국과학기술원)

하이브리드 차량 및 전기차량 구동 모터의 권선저항에 의한 손실 및 모터의 크기를 줄이기 위해 고효율, 고승압형 DC-DC 컨버터 사용이 요구된다. 기존의 부스트 컨버터는 기생저항 성분에 의해 고승압이 불가능하여 변압기를 사용하여 승압비를 향상시킨 current-fed push-pull, current-fed full bridge, dual inductor-fed 부스트 컨버터 등으로 변형되어 사용되어 왔다. dual inductor-fed 부스트 컨버터의 경우 동일조건하에서 앞서 기술된 2가지 컨버터보다 2배의 승압비를 얻을 수 있으며 1차측 전류 스트레스가 낮은 장점을 가지고 있어 대전력, 고승압 응용에 적합하다. 하지만 변압기의 누설인덕턴스에 의한 써지성 전류/전압을 제한하기 위한 부가적인 snubber회로의 사용으로 효율을 떨어뜨리게 되는 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 이러한 단점을 보완할 수 있는 새로운 2개의 인덕터와 1개의 변압기를 갖는 DC-DC 컨버터를 제안한다. 제안된 컨버터의 동작원리와 모드해석을 실시하고 최종적으로 400W, 42Vdc (Battery)/400Vdc (Electric Motor) 실험결과를 통해 이를 검증한다.

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가설 설정

·t₃～t₀의 동작은 Mode 1~Mode3의 동작과 대칭이다.

제안 방법

본 논문에서는 두개의 인덕터와 하나의 변압기로 구성된 기존의 dual inductor-fed 부스트 컨버터와 부스트 컨버터를 결합하여 변압기의 누설인덕턴스에 의한 써지성 전류문제를 해결하고, 스위치의 전압을 #로 제한하여 부가적인 snubber 회로 없이 고승압이 가능한 컨버터를 제안하였다. 또한 제안된 컨버터 하단의 부스트 회로는 전류 불연속 모드로 동작하므로 기존의 고승압 부스트 회로가 가지고 있는 다이오드 reverse recovery 문제를 해결할 수 있었다.

대상 데이터

400W 급, 스위칭 주파수 48kHz prototype을 제작하여 제안된 컨버터의 동작을 검증하였다. 표 1은 실험 사양에 해당한다.

성능/효과

5이하에서도 동작가능)만으로 출력전압 제어가 가능하고 해석이 간단하다는 장점도 가진다. 400W급 prototype 의 제작 및 실험을 통해, 본론에서 언급한 분석내용과 동일함을 검증하였으며 full load에서 93.6%, 최대 95.3%까지의 효율을 얻을 수 있었다.
제안된 컨버터는 기존의 부스트 컨버터와 dual inductor-fed 부스트 컨버터를 결합하여 앞서 언급한 각각의 문제점을 해결하고, 동시에 기존에 소개된 2-인덕터 부스트 컨버터 topology 보다 큰 승압률을 나타낸다. 또한 제안된 컨버터는 비절연형으로 넓은 입력전압 범위를 갖는 42V 차량 배터리 전원으로부터 시비율 제어만으로 400V DC 출력 전압을 얻을 수 있어 바디만을 접지로 삼는 고승압형 자동차 분야에 적합하다.
로 제한하여 부가적인 snubber 회로 없이 고승압이 가능한 컨버터를 제안하였다. 또한 제안된 컨버터 하단의 부스트 회로는 전류 불연속 모드로 동작하므로 기존의 고승압 부스트 회로가 가지고 있는 다이오드 reverse recovery 문제를 해결할 수 있었다. 제안된 컨버터는 기존의 dual inductor-fed 부스트 컨버터와 비교하여 더 높은 승압비를 얻을 수 있으며, 시비율 제어 (0.
좌측하단파형은 스위치양단 전압과 전류를 나타내며, 우측하단파형은 각각의 출력 캐패시터 전압과 출력전압을 나타낸다. 실험을 통하여 2.2절에서 해석한 내용과 동일한 결과를 얻었으며 약 10배에 가까운 승압비를 단일 stage로 구현이 가능함을 확인하였다.
또한 제안된 컨버터 하단의 부스트 회로는 전류 불연속 모드로 동작하므로 기존의 고승압 부스트 회로가 가지고 있는 다이오드 reverse recovery 문제를 해결할 수 있었다. 제안된 컨버터는 기존의 dual inductor-fed 부스트 컨버터와 비교하여 더 높은 승압비를 얻을 수 있으며, 시비율 제어 (0.5이하에서도 동작가능)만으로 출력전압 제어가 가능하고 해석이 간단하다는 장점도 가진다. 400W급 prototype 의 제작 및 실험을 통해, 본론에서 언급한 분석내용과 동일함을 검증하였으며 full load에서 93.
^[2][3]기존의 dual inductor-fed 부스트 컨버터는 비교적 낮은 소자 스트레스와 고승압의 용이함으로 널리 사용되고 있지만 스위치 턴-오프 시, 변압기의 누설인덕턴스에 의한 과도한 써지성 전류 문제를 가지고 있다. 제안된 컨버터는 기존의 부스트 컨버터와 dual inductor-fed 부스트 컨버터를 결합하여 앞서 언급한 각각의 문제점을 해결하고, 동시에 기존에 소개된 2-인덕터 부스트 컨버터 topology 보다 큰 승압률을 나타낸다. 또한 제안된 컨버터는 비절연형으로 넓은 입력전압 범위를 갖는 42V 차량 배터리 전원으로부터 시비율 제어만으로 400V DC 출력 전압을 얻을 수 있어 바디만을 접지로 삼는 고승압형 자동차 분야에 적합하다.

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