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 고압 DC 전원 공급 장치는 X-ray, 플라즈마, 전기 집진기, 그리고 커패시터 충전 등 여러 어플리케이션 분야에서 사용되고 있다. 하지만 이러한 고압 전원 공급 장치는 출력 리플 전압 증가로 인한 신뢰성 저하 및 부피 증가로 인한 전력 밀도 감소 문제점 등을 가지고 있다. 이로 인해 최근 고압 전원 공급 장치의 소형화, 고효율, 그리고 신뢰성을 확보하기 위해 출력 전압 리플을 줄이거나 전력 밀도를 향상시키는 연구가 진행되고 있다.


(a)

(b)

Fig. 1. System structure of the parallel resonant converter applied with a voltage multiplier. (a) Conventional system structure. (b) Proposed system structure.


 Fig. 1 (a)는 2차 측 단에 배압회로가 적용된 일반적인 병렬 공진형 컨버터 구조를 보여주고, Fig. 1 (b)는 전력 밀도를 향상시키기 위해 기존 (a)와 달리 1차 측 공진 커패시터를 2차 측 단으로 등가화 시킨 병렬 공진형 컨버터의 구조를 보여주고 있다. 병렬 공진형 컨버터가 사용되는 X-ray에서는 높은 출력 전압으로 인해 2차 측 변압기에 상당한 양의 기생 커패시터 성분을 가지게 되어 변압기에서 발생되는 기생 커패시터 성분을 공진 커패시터로 대체하여 사용 가능하다.


Fig. 2. Experimental setup for the proposed parallel resonant converter system.


Fig. 2 은 X-ray 어플리케이션에서 사용되는 시스템 구조를 보여준다. AC-DC 단, Controller, DC-DC 1차 측, 그리고 배압회로를 사용한 DC-DC 2차 측으로 구성되어 있고, 2차 측의 배압회로를 거쳐 최종적으로 출력 전압 100kV와 출력 전류 17mA를 가지게 된다.

           

                                    (a)
                                                                             (b)


(c)

Fig. 3. Experimental test wave-forms. (a) Gate input voltage Vgs and switching drain-source voltage Vds, (b) Resonant inductor current ILr at full-load, (c) Feedback voltage for predicting the real output voltage and output current.


Fig. 3은 제안한 구조의 실험 결과를 보여준다. Fig. 3  (a)의 경우 스위칭 소자의 입력 게이트 전압 Vgs와 스위치 양단에 걸리는 Vds전압을 확인 할 수 있다. 또한  Fig. 3  (b)는 정격 부하 조건에서의 1차 측 공진 인덕터 전류 ILr을 보여준다. 이때 컨버터의 정상 동작 확인과 최종 출력 전압과 출력 전류가 나오는 것을 확인하였다. Fig. 3  (c)는 정격 출력 전압일 때의 출력 전압 Vout및 출력 전류 Iout의 feedback sensing 파형을 보여준다. 이러한 전압 파형을 통해 제안한 구조의 정격 출력 전압 100kV와 출력 전류 17mA가 정상적으로 출력되는 것을 확인하였고, 제안한 구조의 타당성을 검증하였다.


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직류 마이크로그리드 시스템은 태양광 발전, 풍력 발전과 같은 신재생 에너지원으로부터 전기 에너지를 생산하며, 에너지 저장장치를 이용하여 전력을 관리하고, 필요에 따라 부하에 전력을 적절하게 공급할 수 있다. 직류 마이크로그리드 시스템을 구성하는 각각의 컨버터는 컨버터가 단독운전 할 경우 안정적으로 동작한다. 하지만, 컨버터를 통합하여 직류 마이크로그리드 시스템을 구성하여 통합운전을 할 경우 Fig. 1과 같이 시스템을 구성하는 컨버터 간의 상호작용이 발생하여 시스템이 불안정해질 수 있다. 또한, Utility grid에서 발생하는 입력 고조파로 인하여 시스템이 불안정해질 수 있다.


Fig. 1. Causes of instability in DC microgrid system


따라서 안정도 분석을 통해 시스템이 불안정할 경우, 안정도를 향상시키는 방법이 필요하다. 안정도 분석을 위해 Fig. 1과 같이 구성된 시스템의 Common Bus를 기준으로 Fig. 2 (a)와 같이 소스 컨버터와 로드 컨버터를 바라보는 방향으로 임피던스 모델링을 수행한다. 이를 bode plot으로 나타내면 Fig. 2 (b)와 같다.

(a)
(b)
Fig. 2. Stability analysis of DC microgrid system 
(a) Configuration of the system, (b) Stability analysis using bode plot


여기서 임피던스 중첩현상 발생 유, 무를 통해 직관적으로 안정도를 판단할 수 있는 Middlebrook’s stability criterion을 적용한다. 이 기법은 임피던스 중첩이 발생하면 시스템이 불안정하며, 중첩이 발생하지 않으면 시스템이 안정하다는 것을 의미한다. 이를 통해 Fig. 2를 분석하면 60% 부하에서는 임피던스 중첩이 발생하지 않아 시스템이 안정하며, 80% 이상의 부하에서는 임피던스 중첩이 발생하여 시스템이 불안정하다. 시스템이 불안정해지는 현상을 방지하고 시스템의 안정도를 향상시키기 위해 Fig. 3과 같이 기존 제어기에 가상 임피던스와 비례-공진 제어를 추가한 안정도 향상 제어기법을 제안한다.


Fig. 3. Block diagram of the proposed stability enhancement method


Fig. 4 (a)는 제안한 제어기법 적용 전의 파형으로 컨버터 간의 상호작용 및 입력 고조파로 인하여 시스템이 불안정한 것을 확인할 수 있다. Fig. 4 (b)는 제안한 제어기법 적용 후의 파형으로 이전에 발생한 문제점들이 해결되어 시스템이 안정화된 것을 확인할 수 있다.또한, Fig. 5와 같이 Power analyzer를 이용한 고조파 분석 파형을 통해 제안한 안정도 향상 제어기법 적용시 고조파가 현저하게 저감되는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 제안한 기법에 대한 유효성을 검증하였다.


(a)
(b)
FIg. 4. Experimental results (a) Before applying control method (b) After applying control method


Fig. 5. THD analysis using a power analyzer




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현대 전력전자에서는 신재생 에너지, 전기 자동차 등의 분야에서 저손실을 통한 고효율, 고속 스위칭 과 방열 설비의 최소화를 통한 고밀도, 높은 온도에서도 동작할 수 있는 신뢰성을 요구한다.  이러한 요구사항은 WBG 소자를 사용함으로써 앞선 요구를 만족할 수 있는 중요한 기술이다.


하지만 WBG 소자를 사용함에 있어서 여러 고려사항이 존재하게 된다. WBG 소자는 작은 input 커패시턴스에 의해 빠른 스위칭이 가능하지만, 이때 회로에 존재하는 기생 인덕턴스에 의해 Ringing이 커질 수 있다.  기생 인덕턴스로 인하여 낮은 효율과 방열 설비가 커져 사이즈가 커지며, 불안정한 동작을 유발하게 된다. 따라서 WBG 소자를 사용하려면 기생 인덕턴스를 반드시 줄여야 한다.

            

(a)(b)


Fig. 1. Proposed Two-dimensional Lattice Structure.


Fig. 1.은 제안한 2차원 격자 구조로 수직으로 반대 방향의 전류가 흐르는 영역에 대해 여러 세그먼트로 나누고 전류의 방향을 지그재그로 흘리는 구조이다, 이때 Fig. 1.의 (b) 단면도로  반대방향의 전류는 더욱 가까워 지고, 같은 방향의 전류는 더욱 멀어지게 되어 수직 자속 상쇄와 수평 자속 상쇄를 할 수 있다. 


(a)(b)


Fig. 2. Performance Verification during Turn on. (a) Conventional (b) Proposal


Fig. 2. 는 스위치가 Turn-on 할 때의 파형을 비교한 그림이다. 두개의 파형을 비교해보면 전류의 overshoot는 34A에서 31A로 감소하고, 전류의 undershoot 는 -10.6A에서 -6.8A로 감소한다. 전체적인 스파이크의 크기는 약 16% 감소한다. 


(a)(b)


Fig. 3. Performance Verification during Turn off. (a) Conventional (b) Proposal


Fig. 3. 은 스위치가 Turn-off 할 때의 파형을 비교한 그림이다. 두개의 파형을 비교해보면 전류의 overshoot는 43A에서 38A로 감소하고, 전류의 undershoot 는 -20A에서 -13.5A로 감소한다. 전압의 overshoot 는 380V 에서 359V로 감소한다.


(a)(b)


Fig. 4. Performance Verification through Comparison of Switching Energy  . (a) Eon (b) Eoff


Fig. 4. 는 제안한 2차원 격자구조 적용 유무에 따른 스위칭 에너지에 대한 비교이다. 전구간에서 스위칭 에너지가 약 11%정도 감소한 것을 확인 할 수 있다. 따라서 2차원 격자 구조를 사용함으로써 스위치의 전압, 전류에 대해 Ringing과 손실이 감소한다.


본 기술은 대한민국 특허법 및 국제 특허협력조약에 의해 보호 받으며, 독점적 권리는 한양대학교 전력전자연구실에 있습니다. 

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선이 없는 편의성 때문에 무선 전력 전송 기술이 실생활에서 널리 사용되고 있다. 하지만 무선 충전 시에 디바이스를 여전히 패드에 고정해야 한다는 점과 수신부의 위치에 따라 전력 전송 효율이 감소하거나 충전이 되지 않는 단점으로 인해 기존의 무선 전력 전송은 사용자가 사용하는 디바이스의 위치 자유도에 대한 제한이 있다. 그리하여 이를 해소하기 위해 모든 방향으로 자기장을 형성하여 수신부에 전력 전송할 수 있는 무방향성 무선 전력 전송 기술이 제시되었다.

Fig. 1. Magnetic flux density vector expression when using the current phase difference control method.


Fig. 1을 통해 다수의 수신부를 갖는 상황에서 각 송신부 전류 크기는 동일, 위상차는 90°로 만드는 송신부 전류 위상차 제어 기법이 적용되면 회전하는 자기장이 형성되어 각 수신부에 자기장이 쇄교되어 동시에 전력 전송이 됨을 확인할 수 있다.

여러 수신부에 전력을 전송할 때 수신부 간의 거리가 서로 멀 때는 효율에 문제가 없다. 하지만 수신부 간 거리가 가까워짐에 따라 효율이 감소한다. 이는 수신부 간 거리가 가까워짐에 따라 수신부 간의 상호 인덕턴스가 증가하여 효율이 감소하는 것을 의미한다.


Fig. 2. Multi-output omnidirectional WPT system with additional canceling capacitors.


Fig. 2는 수신부 간 상호 인덕턴스에 대한 영향을 줄이기 위해 수신부 측에 상쇄 커패시터를 추가한 경우를 보여준다. 이를 통해 효율 개선을 기대할 수 있다.


(a)                                                                                   (b)

Fig. 3. Experimental results : efficiency against azimuth angle (a) before reduction (b) after reduction.


Fig. 3은 실험상의 효율 결과를 보여준다. 방위각이 0°에 가까울수록 수신부 간의 거리가 가까워짐을 의미한다. Fig. 3 (a) 를 통해 저감 전의 효율 결과를 보면 수신부 간의 거리가 가까워져 상호 인덕턴스가 증가하여 실험상의 효율이 급감하나 Fig. 3 (b) 를 통해 저감 후에는 효율 개선이 된 것을 확인할 수 있다. 



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최근 수신부의 높은 위치 자유도와 이동성을 요구하는 웨어러블 기기 및 모바일 기기, 전기자동차 시장의 성장으로 무선 전력 전송에 대한 관심이 증가하고 있다. 무선 전력 전송 기술은 전선 없이 전기에너지를 자기장의 형태로 부하에 전달하는 기술이다. 유선 전력 전송 기술과 비교하여 무선 전력 전송 기술의 가장 큰 장점은 수신부의 높은 위치 자유도에 있다.

무선 전력 전송을 구현하는 방법으로 평면 코일을 적용한 구조 연구가 진행 되고 있으나, 이는 송신 코일과 수신 코일이 동일 축상에 위치 해야 하는 한계점을 가지고 있다. 이러한 평면 코일의 한계를 극복하기 위해서 세 개의 코일이 중심을 공유하고 직교하는 구조를 적용하여 임의의 공간에 위치한 수신부로 전력 전송이 가능한 기술이 무방향성 무선 전력 전송 기술이다. 

제안한 spherical flux concentration 구조의 무방향성 무선 전력 전송 기술은 송신부 내부에 수신부 방향으로 돌출된 페라이트 코어를 삽입하여 송신부와 수신부간의 자속 쇄교량이 증가시키고 이를 통해 전력 전송 거리를 증가시키며 높은 전력 전달 효율의 달성을 가능케 한다. 

Fig. 1 Transmitter of omnidirectional wireless power transfer system using spherical flux concentration.


Fig. 1은 spherical flux concentration 구조를 적용하여 3차원 공간에서의 무방향성 무선 전력 전송용 송신부를 구현한 것이다. 코일은 반지름의 길이가 동일한 Helix 형태로 권선하며 xy-평면 코일, yz-평면 코일, zx-평면 코일 세 개가 중심을 공유하고 직교한다. 그림에서 는 각 평면 코일의 양의 법선 방향을 나타낸다. 세 개의 송신 코일 내부에는 본 논문에서 제안하는 구조의 페라이트 코어가 삽입된다. 삽입된 코어는각 평면 코일의 법선 방향으로 코어의 부채꼴 부분이 돌출 하도록 코어를 배치한다.

 

(a) 
(b) 

Fig. 2 Magnetic flux density based on FEA in (a) conventional WPT system , (b) proposed WPT system.


Fig .2은 FEA(Finite Element Analysis) 시뮬레이션을 사용하여 3차원 공간상에 놓인 송신부와 수신부 사이의 자속밀도 분석 결과를 보여준다. Fig .2 (a)는 기존 송신부 구조를 적용한 경우이며 Fig. 2 (b)는 제안한 송신부 구조를 적용한 경우이다. Fig. 2 (a)의 수신부 중심부분 면적 S1 과 Fig . 2 (b)의 면적 S2 에서의 자속 밀도를 비교해 보면 spherical flux concentration 구조를 적용 했을 때 자속 밀도가 크게 나타남을 알 수 있다. 


Fig. 3 Efficiency against power transmission distance.


Fig. 3은 전송거리에 따른 전력 전달 효율을 보여준다. 제안한 spherical flux concentration 구조가 높은 전력 전달 효율을 달성하고 있음을 알수 있으며 특히 전송 거리 증가시 효율 감소도가 작음을 확인할 수 있다.


본 기술은 대한민국 특허법 및 국제 특허협력조약에 의해 보호 받으며, 독점적 권리는 한양대학교 전력전자연구실에 있습니다. 

본 기술의 이용 및 활용에 대한 사항은 아래 "기술 문의"로 연락 바랍니다. 


  • 웨비나 링크     -   https://www.youtube.com/watch?v=9W1Kw0a4JR8 
  • 관련 논문         -   http://www.dbpia.co.kr/journal/articleDetail?nodeId=NODE09264650 
  • 기술 문의         -   Tel +82-2-2220-2897  Email rykim@hanyang.ac.kr 


  

현대 산업에 있어서, 전력 변환 시스템의 고전력 밀도, 고효율화에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있으며, 특히 최근 Silicon (Si) 전력 반도체 소자의 한계를 극복한 Wide Band Gap (WBG) 전력 반도체 소자의 등장으로 전력 변환 시스템의 더 높은 전력 밀도와 고효율을 기대 할 수 있게 되었다. WBG 전력 반도체 소자의 안정적이고 효율적인 구동을 위해서는 빠른 di/dt 및 dv/dt, 좁은 구동 전압 범위, 낮은 문턱 전압 등 기존의 Si 전력 반도체 소자와 다른 기술적 고려가 필요하다.  

본 기술은 WBG 전력 반도체 소자를 적용한 전력 변환 시스템의 높은 전력 밀도와 고효율을 달성하고 운전 신뢰성을 향상시키기 위한 기술로 특히 인쇄 회로 기판 (PCB) 상의 기생 인덕턴스를 최소화가 위한 수직 격자 루프 구조 (Vertical Lattice Loop Structure)에 관한 것이다. 수직 격자 루프 구조를 통해 기생 인덕턴스가 작아짐으로써 전력 반도체 소자의 스위칭시 나타나는  공진 현상이 저감되고 ringing과 overshoot가 감소되게 된다.


 

Fig. 1. Conceptual configuration of Vertical Lattice Loop Structure where arrow line depict current loop.


Fig. 1은 수직 격자 루프 구조의 기본적인 컨셉을 보여준다. 수직 격자 루프는 기준 루프(Reference loop)와 반복 루프(Iteration loop) 로 이루어지게 된다. 이때 기준 루프는 수평적으로 최단 거리를 가지도록 회로를 구성하며 수직적으로 서로 다른 방향의 전류로 생성되도록 구성된다. 반복 루프는 위의 기준 루프와 동일한 구조를 같으며 수직적으로 반복되어 구성된다. 이를 통해  전류 방향이 같은 도체 사이에 전류 방향이 다른 루프를 가지는 수직 격자 루프 구조가 생성된다.  

 

(a)
(b)
Fig. 2. drain-source voltage and drain current waveform during turn-on. (a) without Vertical Lattice Loop Structure, (b) with Vertical Lattice Loop Structure.

 

Fig. 2는 전력회로 스위칭시 전력 반도체 소자의 drain-source 전압 및 drain 전류 파형을 나타내고 있다. Fig. 2. (a)는 수직 격자 루프 구조를 적용되지 않은 경우이고 Fig. 2. (b)는 수직 격자 루프 구조를 적용한 경우이다. 두 파형을 비교해보면 ringing 과 overshoot의 차이를 볼 수 있다 drain 전류 ringing의 크기는 39A에서 29A로 감소되었고, drain-source 전압 ringing의 크기는 210V에서 140V로 감소됨을 알 수 있다.


(a)

(b)

Fig. 3. GaN switching energy analysis (a) turn-on (b) turn-off.


Fig. 3은 전력회로 스위칭에 따른  turn-on 및 turn-off 에너지를 보여준다. Fig. 3. (a)는 turn-on 시 스위칭 에너지를 나타내고 Fig. 3. (b)는 turn-off 시 스위칭 에너지를 나타낸다. turn-on 시 수직 격자 루프 구조 적용하였을 때, 기존 대비 최소 25% 이상 감소하였고, turn-off 시 수직 격자 루프 구조 적용하였을 때, 기존 대비 최소 15% 이상 감소를 확인 할 수 있다.


본 기술은 대한민국 특허법 및 국제 특허협력조약에 의해 보호 받으며, 독점적 권리는 한양대학교 전력전자연구실에 있습니다. 

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기존 변압기에 비해 크기와 무게를 줄일 수 있으며 전압변동보상, 단위역률제어와 같은 스마트한 기능을 구현할 수 있는 반도체 변압기 ((solid state transformer, SST)에 대한 관심이 날로 증가하고 있다. SST 중에서 가장 널리 사용되는 3 단 구조의 경우, AC-DC 정류를 위한 AC-DC Active Front End (AFE) 정류기가 필요하며 MV(Medium Voltage) 전압 레벨에서 운전되기 때문에 멀티 레벨 컨버터가  주로 AFE 정류기로 적용된다. 

멀티 레벨 컨버터는 확장 가능한 모듈 컨버터를 직렬로 연결하여 멀티 레벨을 구현하는 방법으로 고압화가 용이한 장점을 지닌다. 따라서  MV (Medium Voltage)와 같은 고압 분야에 널리 사용되고 있으나, 직렬 연결되는 모듈 컨버터가 수가 증가함에 따라 제어 알고리즘이 기하급수적으로 복잡해지며, 특히 다양한 제어 성능을 동시에 구현하기가 어렵다는 단점을 지닌다. 

제안한 계층 기반 모델 예측 제어 기법은 비용 함수를 계층 구조를 통해 분리시켜 제어 변수를 독립적으로 제어함으로써 다양한 제어 성능을 직관적이고 용이하게 구현할 수 있다. 특히 모듈 컨버터가 수가 증가하더라도 복잡성이 최소화되어   MV급 SST용 AFE 정류기의 멀티 레벨 컨버터에 실시간 적용이 가능하다. 


Fig. 1. Block Diagram of hierarchical structure based generalized model predictive control method for Multi Level Converter .


그림 1은 제안한 계층 기반 모델 예측 제어 기법의 블럭도이다. 독립적인 3개의 계층 (Layer)으로 구성되어 있으며, 1st-layer에서는 AC 계통 전류를 제어하며, 2nd-layer에서는 AC-DC AFE 정류기의 출력 전압을, 3rd-layer는 모듈 컨버터를 각각 제어한다. 제안된 방법은 임의의 N 레벨 멀티 레벨 컨버터까지 확장 가능하다.



Fig. 2. Steady-state waveform of single-phase 9 Level converter under proposed model predictive control method .  


그림 2는 제안한 제어 기법을 실시간으로 적용한 단상 9 레벨 컨버터의 AC-DC Active Front End (AFE) 정류기의 정상상태 실험 파형이다. 제어 기법에 의해 모듈 컨버터 DC 전압 vdc1, AFE 정류기 입력 전압 스위칭 파형 vT, AFE 정류기 입력전류  ig가 적절하게 제어됨을 알수 있다. 



Fig. 3. Transient waveform of single-phase 9 Level converter under load reduction.




그림 3은 부하 감소시 모듈 컨버터 DC 전압 vdc1AFE 정류기 입력전류  ig의 과도상태 실험 파형이다. 부하가 감소함에 따라 출력 전압은 과도적으로 증가하게 되며 계통 전류는 감소한다. 증가한 출력 전압은 제어 기법에 의해 감소하여 정상 상태 전압으로 회복된다. 



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Direct current microgrid (DC MG) is a power grid capable of generating, consuming, and storing energy. The increase in renewable energy sources or users requires an increase in the scalability. Therefore, various studies have been conducted to improve the scalability of DC MG. Researches on control structures based on the control hierarchy have been carried out.

However, the conventional control structure generally presents various requirements such as the control and communication function to the controller of the subsystem. In order to reflect such a requirement, it is inevitable to modify a local controller of subsystem, which requires a lot of time and economic effort. It substantially hinders the scalability of the DC MG. Therefore, in this research, the control structure is presented for increasing the scalability of the DC MG by classifying the controller according to the control purpose and object. Through the proposed control structure, the subsystems can be constructed in DC MG by performing only local variable control. Because it has flexibility to cope with conventional control structures based on control hierarchy, it is possible to increase the scalability of the DC MG which is composed of various control structures.

In addition to the control structure, the study on the control method to increase the scalability of the DC MG is needed. In the presence of a higher control entity such as a microgrid central controller (MGCC), it is possible to monitor the global information and to achieve optimal management of DC MG. However, the scalability is low because the operation of all subsystems is predetermined by MGCC and requires promised data transmission to each other. Therefore, various coordinated control methods have been studied to overcome these disadvantages. However, conventional coordinated control methods have drawbacks such as the occurrence of voltage deviation or weak energy management due to the absence of global information. Therefore, in this research, the coordinated control method that can restore the voltage deviation and perform energy management by defining a new variable that determines the operation band by reflecting the energy state of DC MG is presented.

In order to analyze the dynamic characteristics of the proposed control system, small signal analysis was performed. To verify the validity of the proposed method, various experiments were performed using hardware-in-the-loop simulation and lab-scale DC MG.

 

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