[논문]배터리 기반 고전압 충전기 설계

조찬기; 가재예; 최시훈; 류홍제

문제 정의

본 논문에서는 5.4kW급 리튬 폴리머 배터리 기반의 HEMP용 고전압 충전기의 설계를 다루며, 단상 충전기와 삼성 충전기의 비교 시뮬레이션을 통해 제안하는 형태의 삼상 충전기가 갖는 장점들을 설명한다. 삼상 충전기의 경우 단상 충전기일 때 보다 하나의 스위치가 부담하는 전류량이 감소하게 되어 충전기의 장시간 구동에 적합하고, 리튬 폴리머 배터리의 부담과 스위치 양단에서 턴 오프 시 발생하는 스파이크 전압의 크기를 줄일 수 있는 장점을 갖는다.

제안 방법

단상 고전압 커패시터 충전기의 시뮬레이션에서 확인된 문제점들은 스위치로 흐르는 높은 전류로부터 야기되었다고 예상하여 다음과 같이 삼상 고전압 커패시터 충전기를 설계하고 시뮬레이션 결과를 비교해보았다.
본 논문에서는 LiPo 배터리를 이용한 고밀도 고전압 커패시터 충전기의 단상과 삼상 구조의 설계 방법과 설계한 충전기의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 각 구조별 특징을 비교하였다. 그 결과 델타 Y 결선을 이용한 삼상 구조의 LCC 공진 컨버터가 LiPo 배터리 전압원과 같은 낮은 입력 전압과 높은 입력 전류 조건에서 단상 구조의 LCC 공진 컨버터보다 스위치 별 전류 부담을 줄일 수 있음을 확인하였고, 설계한 삼상 LCC 공진 컨버터를 구현하여 저항 및 커패시터 충전 실험을 통해 배터리 기반의 HEMP용 고밀도 고전압 충전기의 정상 동작을 확인하였다.
4kW급 충전기의 시스템 사양은 표 1과 같다. 시스템의 사양을 만족시키도록 단상과 삼상 컨버터를 설계하고 그 성능을 시뮬레이션으로 확인하였으며, 단상 혹은 삼상의 구조 중 HEMP 구동용 5.4kW급 충전기에 적합한 구조를 선정하기 위해 시뮬레이션 결과를 비교하였다.
삼상 고전압 커패시터 충전기의 설계는 델타 결선된 변압기의 누설 인덕턴스 값을 측정한 후 동일한 직렬 공진 특성 임피던스를 갖도록 직렬 공진 커패시턴스를 계산하는 과정으로부터 시작된다. 이 후 시뮬레이션을 이용해 삼상 고전압 커패시터 충전기의 설계값들을 확인하였으며 표 3은 그 결과를 나타낸다.
제안하는 삼상 고전압 커패시터 충전기는 그림 3과 같이 3개의 변압기가 사용되었으며 변압기의 1차 측은 델타결선, 2차 측은 Y결선으로 구성된다. 이러한 구조는 두 가지 이유로 메인 스위치에 흐르는 전류량을 감소시킨다.

대상 데이터

HEMP 구동을 위한 고전압 커패시터 충전기와 같이, 저전압 고전류의 입력으로부터 고전압의 출력을 달성하기 위해서는 단상 충전기보다 삼상 충전기를 이용해 메인 스위치의 전류 손실을 줄이고 턴 오프 시 발생하는 스파이크 전압의 크기도 감소시킬 수 있음을 시뮬레이션 결과로 확인하였다. 삼상 충전기는 단상 충전기보다 2개의 스위치와 2개의 변압기를 추가적으로 사용되어야 하지만 대용량의 전류를 이용하기 용이하며 동일 용량의 출력 조건에서 팬과 같은 냉각 소자들을 사용하지 않을 수 있어 고밀도화에 적합하다고 판단되어, 본 논문에서는 HEMP용 고전압 커패시터 충전기로 삼상 구조를 선택하였다.
설계한 단상 충전기는 풀브릿지 구조로 4개의 스위치를 이용하였으며, 그림 1과 같이 LCC 공진 컨버터 회로와 출력 정류부의 배압 회로로 구성된다. LCC 공진 컨버터 부는 직렬 공진 커패시터(C_s)가 병렬 공진 커패시터(C_p)보다 큰 값을 갖는다는 점과 공진 전류는 사다리꼴 형태로 도통한다는 점을 바탕으로 설계^[3]하였고 그 내용을 간략히 정리하면 다음과 같다.
제안하는 HEMP 구동용 고밀도 고전압 삼상 커패시터 충전기는 삼상 델타 Y 변압기 구조로 제작되었으며 실제 실험 파형은 그림 5와 그림 6과 같다. 충전기 구동에 따라 입력 전압원인 LiPo 배터리로부터 최대 150A의 전류를 사용하는 것을 확인하였고, 메인 스위치의 양단 전압에서 발생하는 턴 오프 피크 전압은 시뮬레이션 결과보다 더 높게 측정되는데 이는 PCB 및 도선의 인덕턴스에 의한 영향이며 이웃한 메인 스위치의 턴 오프 순간마다 피크 전압이 발생함을 알 수 있다.

성능/효과

HEMP 구동을 위한 고전압 커패시터 충전기와 같이, 저전압 고전류의 입력으로부터 고전압의 출력을 달성하기 위해서는 단상 충전기보다 삼상 충전기를 이용해 메인 스위치의 전류 손실을 줄이고 턴 오프 시 발생하는 스파이크 전압의 크기도 감소시킬 수 있음을 시뮬레이션 결과로 확인하였다. 삼상 충전기는 단상 충전기보다 2개의 스위치와 2개의 변압기를 추가적으로 사용되어야 하지만 대용량의 전류를 이용하기 용이하며 동일 용량의 출력 조건에서 팬과 같은 냉각 소자들을 사용하지 않을 수 있어 고밀도화에 적합하다고 판단되어, 본 논문에서는 HEMP용 고전압 커패시터 충전기로 삼상 구조를 선택하였다.
본 논문에서는 LiPo 배터리를 이용한 고밀도 고전압 커패시터 충전기의 단상과 삼상 구조의 설계 방법과 설계한 충전기의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 각 구조별 특징을 비교하였다. 그 결과 델타 Y 결선을 이용한 삼상 구조의 LCC 공진 컨버터가 LiPo 배터리 전압원과 같은 낮은 입력 전압과 높은 입력 전류 조건에서 단상 구조의 LCC 공진 컨버터보다 스위치 별 전류 부담을 줄일 수 있음을 확인하였고, 설계한 삼상 LCC 공진 컨버터를 구현하여 저항 및 커패시터 충전 실험을 통해 배터리 기반의 HEMP용 고밀도 고전압 충전기의 정상 동작을 확인하였다.
4kW, 600V 출력 조건을 만족함을 알 수 있다. 그러나 시뮬레이션 결과의 유의해야 할 사항은, 스위치로 흐르는 140 A_rms의 높은 전류로 인한 스위치 및 PCB의 발열과, 턴 오프 시 스위치 양단 전압에 입력 전압의 3.6배에 달하는 스파이크 전압이 발생한다는 점이다.
그림 4의 시뮬레이션 결과는 5.4kW, 600V 동일 출력 조건에서 삼상 구조의 충전기라면 스위치로 흐르는 전류는 74 A_rms로 단상 충전기보다 0.52배 낮은 전류가 흐르고, 턴 오프 시 스위치 양단의 스파이크성 전압은 입력 전압의 1.1배로 단상 충전기 보다 작게 발생함을 확인하였다.
제안하는 HEMP 구동용 고밀도 고전압 삼상 커패시터 충전기는 삼상 델타 Y 변압기 구조로 제작되었으며 실제 실험 파형은 그림 5와 그림 6과 같다. 충전기 구동에 따라 입력 전압원인 LiPo 배터리로부터 최대 150A의 전류를 사용하는 것을 확인하였고, 메인 스위치의 양단 전압에서 발생하는 턴 오프 피크 전압은 시뮬레이션 결과보다 더 높게 측정되는데 이는 PCB 및 도선의 인덕턴스에 의한 영향이며 이웃한 메인 스위치의 턴 오프 순간마다 피크 전압이 발생함을 알 수 있다. 또한, 66.

후속연구

논문의 순서는 본론에서 단상 풀브릿지 구조의 충전기와 삼상 델타 와이 변압기 구조의 충전기를 비교하여 삼상 충전기의 장점들을 확인하며, 실험 결과를 통해 제안하는 충전기의 출력 전압과 동작 성능을 검증하고, 결론으로 실험 내용들을 정리하며 끝을 맺는다.

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