[논문]전기자동차 탑재형 대용량 배터리 충전기를 위한 위상 변조 제어되는 듀얼 풀 브리지 컨버터

김동한; 강동훈; 장희범; 이일운

문제 정의

6 kW 충전기의 배터리 충전 프로파일 기준으로 설계하고 시뮬레이션으로 전력손실을 계산, 비교, 분석을 수행하였다. 다음 단계로 제품을 제작하여 그 우수성을 확인하고자 한다.
본 논문에서 6.6 kW급 이상이 대용량 탑재형 배터리 충전기를 위한 하나의 DC-DC 컨버터 토폴로지를 소개하였다. 제안한 컨버터는 대용량 응용에서 낮은 변압기 턴 비, 순환 전류 제거, 넓은 영전압 스위칭 범위 등의 장점을 갖는다.
6kW급이 있었나, 향후 전력반도체 기술의 발전과 전기자동차 대중화에 따른 충전 시간 단축을 위해 보다 큰 용량을 가진 탑재형 충전기에 대한 연구가 수행되어야 한다. 본 논문에서는 6.6kW급 이상의 대용량 탑재형 충전기에 적용될 수 있는 대용량 DC-DC 컨버터 기술을 소개한다.
본 논문에서는 전기자동차 대용량 탑재형 배터리 충전기를 위한 소프트 스위칭 기술이 반영된 DC-DC 컨버터가 발표되어진다. 제안된 컨버터는 기존 위상 변조되는 풀 브리지 컨버터 회로를 기반으로 하지만, 기존 회로에 존재하던 순환 전류가 최소화되어 지고, 변압기 턴 비 또한 훨씬 작게 설계될 수 있어 이론적으로 변압기 일차측에서 도통 손실이 약 50% 이상 개선될 수 있는 장점을 갖는다.

제안 방법

그리고, 탑 스위치들과 버톤 스위치들은 상호 보완적으로 스위칭하고 있는 것을 볼 수 있다. 두 풀 브리지 인버터부 살펴 보면, 아래 있는 풀 브리지 인버터부가 위에 있는 풀 브리지 인버터부보다 위상이 빠르게 운전되고 있음을 볼 수 있는데, 이렇게 두 인버터부의 위상을 다르게 하고 그 위상 차이를 이용하여 제안 회로의 그 출력 전압 또는 출력 전류가 제어되도록 하였다. 제안 회로의 그 동작 파형을 상세히 분석한 결과 한 스위칭 주기 동안 16개의 동작 모드를 가지는 것으로 조사되었고, 동작 모드 각각에서의 그 이론적 동작 파형은 그림 2에서 보여 진다.
제안 컨버터의 그 성능을 확인하기 위해, 그림 5에 있는 6.6 kW 배터리 충전기의 충전 프로파일을 기준으로 변압기, 전력반도체 스위치, 정류단 다이오드, 출력 필터 인덕터 등을 포함한 부품들을 기존 풀 브리지 컨버터, 기존 풀 브리지 컨버터의 두 개 병렬 운전, 그리고 제안 컨버터 입각해서 설계하고, 또한 각각을 PSIM으로 시뮬레이션을 수행하였다. 설계한 부품들의 datasheet 내용과 시뮬레이션을 통해 측정한 전압, 전류스트레스들로부터 전력손실을 계산하였고, 그림 6은 그 결과를 보여준다.
제안된 컨버터는 변압기 일차측에서 두 개의 풀 브리지 인버터가 병렬로 연결된 구조를 취하고, 변압기 이차측에서는 두 개의 풀 브리지 정류기가 두 개의 정류단 다이오드를 공유하면서 병렬로 연결된 구조로 구성되어 있다. 제안 회로에서 그 출력 전압 혹은 출력 전류는 일차측에 있는 두 개의 풀 브리지 인버터부가 위상 변조되면서 제어되어 진다.
6 kW급 이상의 탑재형 충전기를 위한 본 논문에서 발표는 DC-DC 컨버터를 보여 준다. 제안된 컨버터는 변압기 일차측에서 두 개의 풀 브리지 인버터가 병렬로 연결된 구조를 취하고, 변압기 이차측에서는 두 개의 풀 브리지 정류기가 두 개의 정류단 다이오드를 공유하면서 병렬로 연결된 구조로 구성되어 있다. 제안 회로에서 그 출력 전압 혹은 출력 전류는 일차측에 있는 두 개의 풀 브리지 인버터부가 위상 변조되면서 제어되어 진다.
6 kW급 이상이 대용량 탑재형 배터리 충전기를 위한 하나의 DC-DC 컨버터 토폴로지를 소개하였다. 제안한 컨버터는 대용량 응용에서 낮은 변압기 턴 비, 순환 전류 제거, 넓은 영전압 스위칭 범위 등의 장점을 갖는다. 그 가능성을 확인하기 위해 6.

데이터처리

제안한 컨버터는 대용량 응용에서 낮은 변압기 턴 비, 순환 전류 제거, 넓은 영전압 스위칭 범위 등의 장점을 갖는다. 그 가능성을 확인하기 위해 6.6 kW 충전기의 배터리 충전 프로파일 기준으로 설계하고 시뮬레이션으로 전력손실을 계산, 비교, 분석을 수행하였다. 다음 단계로 제품을 제작하여 그 우수성을 확인하고자 한다.

성능/효과

낮은 턴 비는 변압기 일차측에서 전류스트레스가 크게 감소하고, 변압기 이차측에서는 전압스트레스가 크게 개선된 것을 의미한다. 결과적으로 제안 컨버터는 기존 풀 브리지 컨버터에 비해 훨씬 낮은 변압기 턴 비를 가질수 있게 되고, 변압기 일차측에서 낮은 전류스트레스 때문에 도통 손실이 감소하고, 변압기 이차측에서는 낮은 전압스트레스 때문에 도통 손실이 감소될 수 있는 장점을 갖게 된다.
그 설계를 분석한 결과, 기존 풀 브리지 컨버터는 약 1mH, 제안 컨버터는 200μH의 인턱터가 필요했다.
그리고 표 1은 2개의 비교 컨버터들과 제안 컨버터의 그 부품 수를 분석한 결과를 보여주고 있다. 전력손실면에서는 제안 컨버터와 기존풀 브리지 컨버터의 두 개 병렬 운전이 매우 우수한 것을 알 수 있고, 부품 수까지 고려한다면 제안 컨버터가 대용량 충전기 응용에서 매우 실용적 일 수 있다는 것을 알 수 있다.
출력 필터단에 사용되는 필터 인턱터 크기 측면에서도 기존 풀 브리지 컨버터보다 훨씬 유리하다. 제안 컨버터의 회로와 그 분석 결과가 논문에서 발표되어 지고, 6.6 kW에서 시뮬레이션 결과를 토대로 그 우수성이 증명되어 진다.
두 풀 브리지 인버터부 살펴 보면, 아래 있는 풀 브리지 인버터부가 위에 있는 풀 브리지 인버터부보다 위상이 빠르게 운전되고 있음을 볼 수 있는데, 이렇게 두 인버터부의 위상을 다르게 하고 그 위상 차이를 이용하여 제안 회로의 그 출력 전압 또는 출력 전류가 제어되도록 하였다. 제안 회로의 그 동작 파형을 상세히 분석한 결과 한 스위칭 주기 동안 16개의 동작 모드를 가지는 것으로 조사되었고, 동작 모드 각각에서의 그 이론적 동작 파형은 그림 2에서 보여 진다.
본 논문에서는 전기자동차 대용량 탑재형 배터리 충전기를 위한 소프트 스위칭 기술이 반영된 DC-DC 컨버터가 발표되어진다. 제안된 컨버터는 기존 위상 변조되는 풀 브리지 컨버터 회로를 기반으로 하지만, 기존 회로에 존재하던 순환 전류가 최소화되어 지고, 변압기 턴 비 또한 훨씬 작게 설계될 수 있어 이론적으로 변압기 일차측에서 도통 손실이 약 50% 이상 개선될 수 있는 장점을 갖는다. 또한 변압기 이차측에서도 전압스트레스가 낮아져 도통 손실 저감에 유리한 다이오드를 정류단에 사용할 수 있다.
그 설계를 분석한 결과, 기존 풀 브리지 컨버터는 약 1mH, 제안 컨버터는 200μH의 인턱터가 필요했다. 즉 인턱턴스 값이 1/5배 감소하는 것을 알 수 있는데, 이는 출력 필터 인덕터 설계시 사용될 수 있는 자성체 부피가 1/5배 감소될 수 있는 것을 나타내기 때문에 제안 컨버터가 기존 풀 브리지 컨버터와 비교해 출력 필터단 설계에서도 매우 유리하다는 것을 알 수 있다.
배터리 충전기 개발에 있어 핵심적인 요구 항목들이 있다. 첫 번째로, 패키징을 쉽게 하고 에너지의 이용률을 높이기 위해 충전기의 크기와 무게를 획기적으로 줄여야 한다. 다음으로, 연료 절약과 온실 가스 감축을 극대화하기 위해 배터리가 충전되는 전 시간 동안 고효율을 달성하고, 유지 할 수 있어야 한다.

후속연구

이 대용량 배터리는 전형적으로 AC-DC 컨버터와 절연형 DC-DC 컨버터로 구성된 탑재형 충전기를 통해 그리드로부터 충전된다. 탑재형 충전기에는 일반적으로 3.3kW급과 6.6kW급이 있었나, 향후 전력반도체 기술의 발전과 전기자동차 대중화에 따른 충전 시간 단축을 위해 보다 큰 용량을 가진 탑재형 충전기에 대한 연구가 수행되어야 한다. 본 논문에서는 6.

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