[논문]11kW 양방향 충전기를 위한 CLLLC 공진 컨버터 설계

이우석; 이상연; 최승원; 이준영; 이일운

11kW 양방향 충전기를 위한 CLLLC 공진 컨버터 설계
Design of CLLLC Resonant converter for 11kW Bidirectional Charger 원문보기

이우석 (명지대학교) , 이상연 (명지대학교) , 최승원 (명지대학교) , 이준영 (명지대학교) , 이일운 (명지대학교)

본 논문은 11kW급 양방향 탑재형 충전기를 위한 CLLLC 공진 컨버터 설계에 대하여 발표한다. CLLLC 공진 컨버터의 공진 탱크 설계하였으며, 고효율화를 위하여 SiC-MOSFET을 사용하고, 배터리 전압에 따라 링크전압 가변 알고리즘과 동기정류기를 적용하였다. 그 결과를 바탕으로 프로토타입을 제작하여 실험한 결과를 발표한다.

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문제 정의

본 논문에서는 11kW급 양방향 충전기를 위한 CLLLC 공진 컨버터 설계에 관하여 기술하였으며, 고효율화를 위하여 링크전압 가변 알고리즘과 동기 정류기를 적용하여, 11kW급 프로토타입을 제작하여 성능을 검증하였다. 충전모드에서 출력전압 413V, 11kW 부하 조건에서 최대 97.
본 논문에서는 OBC의 양방향 동작을 위하여 양방향 동작이 가능한 11kW급 양방향 CLLLC 공진 컨버터의 전압이득 특성을 분석하고, 고효율을 위한 동작 방안을 제안하고 시제품 제작하여 그 타당성을 검증한 결과를 발표한다.

제안 방법

ZVS 동작을 보장하기 위하여 자화 인덕턴스(L_m)를 설계한다. 자화 인덕턴스의 최대값은 수식(6)을 통하여 계산되며, 본 논문에서는 100uH를 사용하였다.
변압기 턴비가 결정되면 다음은 공진주파수를 선정한다. 공진주파수는 스위칭 주파수 동작 범위와 스위칭 손실을 고려하여 140kHz로 설계하였으며, 수식(4)를 통하여 계산되며, 1차측 공진 파라미터는 인덕터는 24uH, 캐패시터는 55nF으로 설계하였다. 2차측 공진 파라미터는 1차측과 대칭 구조가 되도록 설계하며, 수식(5)와 같이 계산된다.
방전모드 제어알고리즘은 배터리 전압에 따라 링크전압 지령을 650~900V까지 지령이 입력되고, 5kW 이상의 부하 조건에서 동기 정류기 동작을 하도록 하였으며, 스위칭 주파수는 80~300kHz 범위로 제한하였다.
위 문제를 개선하기 위하여 배터리 전압에 따라 링크 전압 가변 알고리즘을 적용하여 CLLLC 공진 컨버터가 항상 공진주파수 영역에서 동작하도록 하였다. 본 논문에서 그림 4와 같이 배터리 전압 213V~413V에서 CLLLC 공진 컨버터의 스위칭 주파수가 공진주파수 영역에서 동작하도록 링크 전압을 선형적으로 650V~900V로 가변하도록 하였다.
위 문제를 개선하기 위하여 배터리 전압에 따라 링크 전압 가변 알고리즘을 적용하여 CLLLC 공진 컨버터가 항상 공진주파수 영역에서 동작하도록 하였다. 본 논문에서 그림 4와 같이 배터리 전압 213V~413V에서 CLLLC 공진 컨버터의 스위칭 주파수가 공진주파수 영역에서 동작하도록 링크 전압을 선형적으로 650V~900V로 가변하도록 하였다.
충전모드 제어알고리즘은 배터리 전류, 전압을 제어함으로써, CC-CP-CV로 충전하도록 제어알고리즘을 구현하고 5kW 이상의 부하 조건에서 동기 정류기 동작을 하도록 하였으며, 스위칭 주파수는 80~300kHz 범위로 제한하였다.
표 1의 설계 사양을 바탕으로 CLLLC 공진 컨버터의 손실분석을 진행하여 손실과 효율을 예측하였다. 그림 5는 입력 900V, 출력 413V, 11kW 부하 조건에서 손실분석 결과를 보여 준다.

대상 데이터

2차측 스위치의 걸리는 전압 스트레스는 413V 이며, RMS 전류는 25A, Peak 전류는 50A이다. 이를 바탕으로 스위치의 전압 스트레스 90% 마진, RMS 전류 50% 마진, Peak 전류의 70% 마진을 가지고 반도체 소자를 선정하였다.

이론/모형

CLLLC 공진 컨버터의 전압 이득은 기본 고조파 근사법 (Fundamental Harmonic Approximationm, FHA)을 이용하여 그림 2와 같이 나타낼 수 있다. 이를 통하여 CLLLC 공진 컨버터의 전압 이득식을 계산하면 충전모드는 수식(1), 방전모드는 수식(2)로 나타낼 수 있다.

성능/효과

그림 9은 CLLLC 공진 컨버터의 방전모드의 출력전압 및 부하별 효율 보여준다. 배터리전압 413V, 출력전압 900V 11kW 부하 조건에서 최대 96.51% 효율을 달성하고, 배터리 전압 213V~413V 조건에서 전부하구간에서 81% 이상의 효율로 동작하며, 또한 배터리 전압에 상관없이 일정한 효율범위에서 동작하는 것을 확인할 수 있다.
그림 5는 입력 900V, 출력 413V, 11kW 부하 조건에서 손실분석 결과를 보여 준다. 손실분석 결과 총 270W의 손실이 발생하며, 예측효율은 97.6% 효율이 예측된다.
(A) 1차측 공진전류, 2차측 공진전류, 1차측 스위치 Q₂V_DS 파형, 입력전압을 보여주고, (B) 1차측 공진전류, 2차측 공진전류, 2차측 스위치 M₂V_DS 파형, 배터리전압 보여준다. 주요 동작파형을 통하여 CLLLC 공진 컨버터가 충ㆍ방전모드에서 정상적으로 동작하는 것을 확인 할 수 있으며, ZVS 동작을 확인 할 수 있다.
본 논문에서는 11kW급 양방향 충전기를 위한 CLLLC 공진 컨버터 설계에 관하여 기술하였으며, 고효율화를 위하여 링크전압 가변 알고리즘과 동기 정류기를 적용하여, 11kW급 프로토타입을 제작하여 성능을 검증하였다. 충전모드에서 출력전압 413V, 11kW 부하 조건에서 최대 97.53% 효율을 달성하고, 전부하 구간에서 85% 이상의 효율로 동작하는 것을 확인하였으며, 방전모드에서 배터리전압 413V, 11kW 출력조건에서 최대 96.51% 효율을 달성함을 확인하고, 모든 배터리 전압에서 81% 이상의 효율로 동작하는 것을 확인하였다. 향후 고효율의 양방향 탑재형 충전기에 고효율화를 위한 방안으로 링크 전압 가변 알고리즘과 동기 정류기를 사용한 CLLLC 공진형 컨버터가 타당한 것을 확인하였다.
51% 효율을 달성함을 확인하고, 모든 배터리 전압에서 81% 이상의 효율로 동작하는 것을 확인하였다. 향후 고효율의 양방향 탑재형 충전기에 고효율화를 위한 방안으로 링크 전압 가변 알고리즘과 동기 정류기를 사용한 CLLLC 공진형 컨버터가 타당한 것을 확인하였다.

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