[논문]전기자동차용 3.2kW급 DC-DC 컨버터를 위한 ISOP 능동클램프 포워드 컨버터 개발

김강산; 김병우; 조우식; 아디히스티라; 최세완; 허동영; 김수홍; 조경래

전기자동차용 3.2kW급 DC-DC 컨버터를 위한 ISOP 능동클램프 포워드 컨버터 개발
Development of ISOP active-clamp forward converter for 3.2kW DC-DC Converter of EV application 원문보기

김강산 (서울과학기술대학교) , 김병우 (서울과학기술대학교) , 조우식 (서울과학기술대학교) , 아디히스티라 (서울과학기술대학교) , 최세완 (서울과학기술대학교) , 허동영 (LG 이노텍) , 김수홍 (LG 이노텍) , 조경래 (LG 이노텍)

본 논문에서는 전기자동차용 저전압 배터리 충전기(Low-voltage DC-DC Converter, LDC)에 적합한 입력 직렬-출력 병렬 구조의 능동 클램프 포워드 컨버터의 모델링 및 제어기 설계를 제안한다. 제안하는 컨버터는 모든 스위치에서 소프트 스위칭을 성취하기 때문에 높은 효율을 달성할 수 있다. 또한 누설 인덕턴스의 영향을 포함한 컨버터의 정확한 소신호 모델을 통하여 모델링 기반의 제어기 설계를 제시한다. 제어기의 시뮬레이션 및 3.2kW급 시작품의 실험을 통하여 제안하는 컨버터의 성능을 검증하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 전기자동차용 3.2kW급 DC-DC 컨버터를 위한 ISOP ACFC를 제안하였다. 제안하는 컨버터는 모든 스위치에서 ZVS 턴 온 및 모든 다이오드에서 ZCS 턴 오프를 성취할 수 있다.

제안 방법

본 논문에서는 [3]를 통하여 누설 인덕턴스를 포함한 모델링 기법을 사용하였다. ACFC 동작에서 누설 인덕턴스의 영향을 고려하여 출력 인덕터 전류, 출력 전압, 자화 전류 및 클램프 커패시터 전압의 변수가 포함된 평균 늦은 변수 상태방정식을 구성하였다. 다음으로 소신호 해석을 통해 늦은 변수 상태방정식을 선형화 하여 듀티에 따른 인덕터 전류, 출력 전압에 따른 인덕터 전류의 식을 구하면 각각 식(1), (2)와 같고 누설 인덕턴스의 영향을 포함한 ACFC 모델을 나타낸다.
제안하는 컨버터는 모든 스위치에서 ZVS 턴 온 및 모든 다이오드에서 ZCS 턴 오프를 성취할 수 있다. 누설 인덕턴스의 영향을 포함하여 보다 정확한 모델링을 통해 제어기 설계를 하였다. 제어기의 시뮬레이션 및 3.
본 논문에서는 PSFB와 비슷한 성능을 달성할 수 있는 ISOP 구조의 능동 클램프 포워드 컨버터(Active Clamp Forward Converter, ACFC)를 3.2kW급 LDC에 적용 하였다. 일반적으로 전기자동차 응용의 요구사항인 높은 신뢰성 및 동 특성을 만족하기 위해서는 높은 제어성능이 필요하기 때문에 소신호 모델에 기초하여 제어기를 설계하였다.
2kW급 LDC에 적용 하였다. 일반적으로 전기자동차 응용의 요구사항인 높은 신뢰성 및 동 특성을 만족하기 위해서는 높은 제어성능이 필요하기 때문에 소신호 모델에 기초하여 제어기를 설계하였다.
누설 인덕턴스의 영향을 포함하여 보다 정확한 모델링을 통해 제어기 설계를 하였다. 제어기의 시뮬레이션 및 3.2kW급 시작품의 실험을 통하여 ISOP ACFC의 타당성 및 성능을 검증하였다.

대상 데이터

ISOP ACFC의 동작 및 동특성을 검증하기 위해 3.2kW, 100kHz의 시작품을 제작하여 실험하였다. 그림 7은 제어기 설계 값을 통해 실험한 동적응답 파형을 나타낸다.

이론/모형

하지만 누설 인덕턴스의 영향을 무시한 모델링은 동특성 및 제어기의 정확도를 떨어뜨리게 된다. 본 논문에서는 [3]를 통하여 누설 인덕턴스를 포함한 모델링 기법을 사용하였다. ACFC 동작에서 누설 인덕턴스의 영향을 고려하여 출력 인덕터 전류, 출력 전압, 자화 전류 및 클램프 커패시터 전압의 변수가 포함된 평균 늦은 변수 상태방정식을 구성하였다.

성능/효과

그림 7은 제어기 설계 값을 통해 실험한 동적응답 파형을 나타낸다. 실험 결과를 통해 부하 변동시의 오버슈트/언더슈트와 입력전압 변동시의 오버슈트/언더슈트가 주어진 사양에 만족하는 것을 확인 할 수 있다.
2kW급 DC-DC 컨버터를 위한 ISOP ACFC를 제안하였다. 제안하는 컨버터는 모든 스위치에서 ZVS 턴 온 및 모든 다이오드에서 ZCS 턴 오프를 성취할 수 있다. 누설 인덕턴스의 영향을 포함하여 보다 정확한 모델링을 통해 제어기 설계를 하였다.

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