[논문]단일 커패시터 클램핑 회로가 적용된 전기자동차 충전기용 위상천이 풀브릿지 컨버터

이민수; 임천용; 김건우; 박무현; 문건우

[국내논문] 단일 커패시터 클램핑 회로가 적용된 전기자동차 충전기용 위상천이 풀브릿지 컨버터
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이민수 (KAIST 전기 및 전자공학부) , 임천용 (KAIST 전기 및 전자공학부) , 김건우 (KAIST 전기 및 전자공학부) , 박무현 (KAIST 전기 및 전자공학부) , 문건우 (KAIST 전기 및 전자공학부)

본 논문에서는 전기자동차(EV) 충전기용 위상천이 풀브리지(PSFB) 컨버터의 정류기 다이오드 전압 스트레스를 저감하기 위한 새로운 형태의 클램핑 회로를 제안한다. 제안하는 회로는 하나의 커패시터로 구성된 매우 단순한 구조임에도 불구하고, 정류기 다이오드의 전압 스트레스를 큰 폭으로 감소시킨다. 뿐만 아니라, 해당 회로는 프리휠링 구간의 전류를 감소시키며, 출력 인덕터의 사이즈 또한 줄일 수 있다는 장점을 지닌다. 따라서 제안된 컨버터는 정류기 다이오드의 도통손실을 큰 폭으로 저감하여 고효율을 달성할 수 있으며, 간단한 구조의 클램핑 회로와 줄어든 출력 필터 사이즈에 의해서 고밀도화를 달성할 수 있다. 제안된 컨버터의 타당성은 3.3kW, $270-420V_{DC}$의 CC-CV 모드 충전 조건하에서 실험하여 검증되었다.

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문제 정의

본 논문에서는 EV 충전기용 위상천이 풀브리지 컨버터에서 나타나는 정류기 다이오드의 전압 스트레스를 줄이기 위한 새로운 형태의 단일 커패시터 클램핑 회로가 제안되었다. 제안하는 회로는 정류기 다이오드의 낮은 도통손실과 작은 출력 필터에 의해 모든 출력 조건에서 고효율을 달성할 수 있으며, 매우 단순한 클램핑 회로와 줄어든 출력 필터의 사이즈를 통해 고밀도화를 달성할 수 있다.
본 논문에서는 새로운 형태의 단일 커패시터 클램핑 회로를 제안한다. 제안하는 회로는 그림 1에 표현되어있으며, 기존의 PSFB 컨버터에서 하나의 커패시터만이 추가된 매우 단순한 구조를 가진다.

제안 방법

3kW의 프로토타입을 제작하였으며, 또한 기존 PSFB 컨버터의 프로토타입을 함께 구현하여, 효율과 설계조건을 비교하였다. 제안된 컨버터는 2uF의 필름 커패시터를 활용하여 클램핑 회로를 구성하였으며, 650V의 다이오드와 기존의 절반의 부피인 출력 인덕터를 활용할 수 있다.
제안된 컨버터의 유효성을 확인하기 위해 CC-CV 충전 알고리즘을 사용하여 385V 입력, 270-420V 출력 및 100kHz 스위칭 주파수 사양을 갖춘 3.3kW의 프로토타입을 제작하였으며, 또한 기존 PSFB 컨버터의 프로토타입을 함께 구현하여, 효율과 설계조건을 비교하였다. 제안된 컨버터는 2uF의 필름 커패시터를 활용하여 클램핑 회로를 구성하였으며, 650V의 다이오드와 기존의 절반의 부피인 출력 인덕터를 활용할 수 있다.
제안하는 회로는 정류기 다이오드의 낮은 도통손실과 작은 출력 필터에 의해 모든 출력 조건에서 고효율을 달성할 수 있으며, 매우 단순한 클램핑 회로와 줄어든 출력 필터의 사이즈를 통해 고밀도화를 달성할 수 있다.

성능/효과

85A 출력조건 하에서의 실험 파형이다. 기존의 PSFB 컨버터의 정류기 다이오드 전압은 1094V까지 공진 하는 반면, 제안된 컨버터의 다이오드 전압은 536V로 클램핑되는 것을 확인할 수 있다.
그림 6은 CC-CV 충전 모드에서 효율을 측정한 결과이다. 기존의 컨버터는 순방향 전압 강하가 큰 다이오드와 큰 출력 필터로 인해 전반적으로 효율이 낮은 반면, 제안된 컨버터 기존의 컨버터의 문제를 해결하여 전 범위에서 높은 효율을 달성할 수 있다.
제안하는 회로는 그림 1에 표현되어있으며, 기존의 PSFB 컨버터에서 하나의 커패시터만이 추가된 매우 단순한 구조를 가진다. 하지만 이런 단순한 회로에도 불구하고, 제안된 회로는 정류기 다이오드의 전압 스트레스를 큰 폭으로 감소시키며, 프리휠링 전류를 줄이고, 출력 필터의 사이즈 또한 감소시킬 수 있다는 장점을 지닌다.

후속연구

동작 범위 내에서 최대 출력 인덕턴스를 비교해보면 제안하는 컨버터의 값이 절반 가까이 줄어들며, 다른 조건이 모두 같으므로 보다 작은 사이즈의 코어를 활용할 수 있다.
제안하는 회로는 정류기 다이오드의 낮은 도통손실과 작은 출력 필터에 의해 모든 출력 조건에서 고효율을 달성할 수 있으며, 매우 단순한 클램핑 회로와 줄어든 출력 필터의 사이즈를 통해 고밀도화를 달성할 수 있다. 또한 제안하는 회로는 EV 충전기뿐만 아니라 높은 출력 전압을 갖는 다른 어플리케이션에도 적용이 가능하기에 다양한 산업 군에서 높은 활용도가 기대된다.

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