최근 양방향 DC-DC 컨버터의 적용 사례로써 신재생 에너지, EV Charger, 전력계통 등 양방향 DC-DC 컨버터의 적용이 증가하고 있다. 그에 따라 V2G, V2X 등 양방향 전력 전송이 가능한 DC-DC 컨버터의 수요가 증가하고 있다. 양방향 토폴로지 중에서도 최근 DAB 컨버터가 주목을 받고 있다. 이는 높은 효율과 양방향 전력 전달 기능, 신뢰성을 요구하는 어플리케이션에 사용될 수 있으며, 소프트 스위칭 동작 및 고주파수 동작을 통한 고효율, 고밀도에 적합하다.
그림 1. Bidirectional Dual Active Bridge Converter
DAB컨버터는 1차 측 브릿지의 레그 간 Phase Shift 동작을 통해 1차 측 폴전압 얻을 수 있고, 2차 측 브릿지의 레그 간 Phase Shift를 통해 2차 측 폴전압을 얻을 수 있다. 브릿지 간 Phase Shift 동작인 Outer Phase Shift를 통해서 순방향 전력전달 또는 역방향 전력전달을 가능하게 한다. 이에 대한 DAB 컨버터의 등가 회로도가 오른쪽에 나타나 있다. 이에 따라 변압기에 인가되는 폴전압이 달라지게 되는데, 그것에 의한 Linear B-H의 모양 또한 달라지게 된다. 고전압 영역에서 SPS 모듈레이션을 사용할 경우 더 높은 철손으로 변압기 온도 상승을 야기할 수 있다. 낮은 자속밀도의 변화량을 맞추기 위해 그에따라 변압기 코어의 부피가 증가하게 된다. 따라서 고전압 영역에서 변압기 손실을 줄일 수 있는 모듈레이션 분석 기법이 필요하다.
그림2. Changes in core internal magnetic flux density according to inner phase
DAB 컨버터를 TPS 모듈레이션으로 동작시킬 때, 1차 측 내부 위상과 2차측 내부 위상, 브릿지간 외부 위상을 고려하면, DAB 컨버터의 등가모델을 변압기 폴전압에 대해서 간단화할 수 있다. 이때 DAB 컨버터가 낼 수 있는 파워의 영역에 따라서 저전력 모드, 중 중간 전력 모드, 고전력 모드로 나눌 수 있으며, 각 모드에 따른 정상상태 손실 분석이 필요하다.
그림3. Classification of modes by power
SQP 알고리즘을 이용한 효율 최적화 과정의 첫 번째로, 각 모드에 따른 손실 수식을 결정한다. 변압기의 손실을 나타내는 철손과 동손, 스위치의 손실을 나타내는 오프 손실과 도통 손실을 제어 변수에 대해 수식화하고, 전체 손실을 먼저 구한다. 해당 손실수식은 이후 최적화 과정에서 목점함수로 사용된다.
각 모드에 따른 손실모델을 바탕으로, 해당 손실을 SQP 알고리즘으로 최적화를 진행한다. 해당 모드를 만들기 위한 제어변수의 부등식 제약조건과 ZVS를 위한 부등식 제약조건 하에서, 각 제어변수에 대한 P_Loss의 기울기를 0으로 만드는 동작점을 도출한다. 이에 따라서 손실 최소화를 만족하는 최적 솔루션을 도출할 수 있다.
그림4. SQP optimization process
모듈레이션 기법에 따른 정상상태 효율 비교를 했을 때, SPS 및 DPS 모듈레이션의 경우 경부하 운전 영역에서 낮은 효율을 보이고, 제안하는 모듈레이션의 경우 경부하 및 중부하 운전 영역에서 비교군보다 높은 효율을 보인다.
그림5. Efficiency comparison according to modulation
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- 웨비나 링크 - https://youtu.be/CmyGuZ3LNsc
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- 기술 문의 - Tel +82-2-2220-2897 Email rykim@hanyang.ac.kr
최근 양방향 DC-DC 컨버터의 적용 사례로써 신재생 에너지, EV Charger, 전력계통 등 양방향 DC-DC 컨버터의 적용이 증가하고 있다. 그에 따라 V2G, V2X 등 양방향 전력 전송이 가능한 DC-DC 컨버터의 수요가 증가하고 있다. 양방향 토폴로지 중에서도 최근 DAB 컨버터가 주목을 받고 있다. 이는 높은 효율과 양방향 전력 전달 기능, 신뢰성을 요구하는 어플리케이션에 사용될 수 있으며, 소프트 스위칭 동작 및 고주파수 동작을 통한 고효율, 고밀도에 적합하다.
그림 1. Bidirectional Dual Active Bridge Converter
DAB컨버터는 1차 측 브릿지의 레그 간 Phase Shift 동작을 통해 1차 측 폴전압 얻을 수 있고, 2차 측 브릿지의 레그 간 Phase Shift를 통해 2차 측 폴전압을 얻을 수 있다. 브릿지 간 Phase Shift 동작인 Outer Phase Shift를 통해서 순방향 전력전달 또는 역방향 전력전달을 가능하게 한다. 이에 대한 DAB 컨버터의 등가 회로도가 오른쪽에 나타나 있다. 이에 따라 변압기에 인가되는 폴전압이 달라지게 되는데, 그것에 의한 Linear B-H의 모양 또한 달라지게 된다. 고전압 영역에서 SPS 모듈레이션을 사용할 경우 더 높은 철손으로 변압기 온도 상승을 야기할 수 있다. 낮은 자속밀도의 변화량을 맞추기 위해 그에따라 변압기 코어의 부피가 증가하게 된다. 따라서 고전압 영역에서 변압기 손실을 줄일 수 있는 모듈레이션 분석 기법이 필요하다.
그림2. Changes in core internal magnetic flux density according to inner phase
DAB 컨버터를 TPS 모듈레이션으로 동작시킬 때, 1차 측 내부 위상과 2차측 내부 위상, 브릿지간 외부 위상을 고려하면, DAB 컨버터의 등가모델을 변압기 폴전압에 대해서 간단화할 수 있다. 이때 DAB 컨버터가 낼 수 있는 파워의 영역에 따라서 저전력 모드, 중 중간 전력 모드, 고전력 모드로 나눌 수 있으며, 각 모드에 따른 정상상태 손실 분석이 필요하다.
그림3. Classification of modes by power
SQP 알고리즘을 이용한 효율 최적화 과정의 첫 번째로, 각 모드에 따른 손실 수식을 결정한다. 변압기의 손실을 나타내는 철손과 동손, 스위치의 손실을 나타내는 오프 손실과 도통 손실을 제어 변수에 대해 수식화하고, 전체 손실을 먼저 구한다. 해당 손실수식은 이후 최적화 과정에서 목점함수로 사용된다.
각 모드에 따른 손실모델을 바탕으로, 해당 손실을 SQP 알고리즘으로 최적화를 진행한다. 해당 모드를 만들기 위한 제어변수의 부등식 제약조건과 ZVS를 위한 부등식 제약조건 하에서, 각 제어변수에 대한 P_Loss의 기울기를 0으로 만드는 동작점을 도출한다. 이에 따라서 손실 최소화를 만족하는 최적 솔루션을 도출할 수 있다.
그림4. SQP optimization process
모듈레이션 기법에 따른 정상상태 효율 비교를 했을 때, SPS 및 DPS 모듈레이션의 경우 경부하 운전 영역에서 낮은 효율을 보이고, 제안하는 모듈레이션의 경우 경부하 및 중부하 운전 영역에서 비교군보다 높은 효율을 보인다.
그림5. Efficiency comparison according to modulation
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