[논문]Solid State Transformer를 위한 양방향 Dual Active Bridge DC/DC 컨버터 최적 설계

최현준; 박화평; 정지훈

Solid State Transformer를 위한 양방향 Dual Active Bridge DC/DC 컨버터 최적 설계
Design Optimization of Bi-directional Dual Active Bridge DC/DC Converter for Solid State Transformer 원문보기

최현준 (울산과학기술대학교) , 박화평 (울산과학기술대학교) , 정지훈 (울산과학기술대학교)

본 논문에서는 양방향 DC-DC Dual Active Bridge (DAB) 컨버터의 수학적 모델로부터 컨버터의 변압기와 결합 인덕터의 최적 설계 방법을 제안한다. DAB컨버터는 1차 측과 2차 측이 동일한 구조를 가진 고효율 절연형 컨버터로써, Soft Switching이 쉽게 구현되고, 양방향으로 Power를 전달 할 수 있는 장점으로 널리 사용되고 있다. 본 논문에서 제안하는 컨버터는 Solid State Transformer (SST) 용으로 변압기 1차 측과 2차 측의 턴 비가 동일한 구조로써, 최대의 ZVS영역을 확보하고, 전력 변환 효율을 극대화 할 수 있다. 3.3 kW급 시제품을 제작하여 제안하는 컨버터의 타당성을 검증하고자 한다.

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문제 정의

본 논문에서 DAB 컨버터의 최적 설계 방법을 제시하였다. DAB 컨버터는 양방향 전력 변환이 가능한 토폴로지로써 고효율의 절연형 DC/DC 컨버터이다.
본 논문에서는 SST를 위한 DAB 컨버터의 최적화 설계 방법을 제안한다. DAB 컨버터는 스위치의 위상을 변화 시키면서 동작하고 결합 인덕터에 걸리는 전압 차에 따라서 출력을 제어한다.

가설 설정

이상적인 변압기의 경우 자화 인덕턴스(L_m)는 무한대라 가정한다. 하지만 실질적으로 L_m이 일정 크기 이상이 되면 작은 전류에도 변압기의 포화를 쉽게 야기하고, 양단의 전력 전달을 방해한다.

제안 방법

DAB 컨버터에서 최대의 ZVS 영역을 확보하기 위하여 전압 이득과, 위상 천이, Dead Time 등 을 고려해야 하고, 상기 사항을 고려한 결합 인덕턴스의 설계가 필요하다. 뿐만 아니라 자화 인덕터의 포화로 발행하는 변압기 전류의 발산을 막기 위해 적절한 자화 인덕턴스를 설계하고, EE Core를 이용한 고주파 변압기의 설계 방법을 제시한다.
그림 2는 결합 인덕터에 흐르는 전류로 자화 인덕턴스 전류를 무시했을 때, 1차 측에서 관측되는 출력 전류의 파형을 나타내었다. 위의 파형을 토대로, 최대 ZVS 영역을 만족하는 Dead Time을 설계하고, 출력 측 전력을 고려하여 결합 인덕턴스 설계할 수 있다. 이 때, d는 위상 천이 각도이고 n은 턴 비이다.
DAB 컨버터는 ZVS가 가능하기 때문에 높은 효율을 얻을 수 있다. 최대의 ZVS 영역을 확보하고, 높은 전력 변환 효율을 얻기 위해 최적 설계 방법을 제시하였으며, 3.3 kW급 시제품을 제작하여 제안하는 컨버터의 성능을 확인하였다.
출력전력을 고려하여 결합 인덕턴스(L_s)의 최적화 설계를 진행하였다. 전압 이득을 위해 사용했던 식 (3)의 상수 k를 이용하여 전력의 최댓값을 나타내면 식 (6)과 같이 나타낼 수 있다.

대상 데이터

제안된 DAB 컨버터는 SST용 양방향 DC DC 컨버터로 턴 비가 1:1로 고정되어 있고, 그림 1에서 보듯이 1차 측과 2차 측이 모두 Full Bridge 스위치단으로 구성되어 있다. DAB 컨버터는 스위치의 동작에 따라서 1차 측에서 2차 측으로 또는 2차 측에서 1차 측으로 전력의 전달 방향이 결정 된다.

성능/효과

그림 5는 제안한 컨버터의 효율 그래프이다. 제안하는 컨버터는 전 부하에서 94.6% 이상의 효율을 보이며 1.5 kW에서 최고 효율 96.2%가 측정되었다.
제안한 최적화 설계 방법을 토대로 표 1과 같이 3.3 kW급 시제품을 만들어 제안하는 컨버터의 타당성을 검증하였다. 설계 시 20~30%의 여유 한계를 두고 설계하였다.

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