낮은 소비전력을 갖는 고전류 Pulse DC-DC Converter와 차량용 DC-Link 커패시터 모듈의 전류 시험기 응용 = Application of a High-Pulse Current DC-DC Converter with Low-Power Operation and a Current Test System for Vehicle DC-Link Capacitor Module

국문 초록 (Abstract)

전기자동차 견인용 모터 구동 인버터에 사용되는 DC-Link 커패시터 모듈(병렬 연결된 필름 커패시터를 Busbar로 체결한 구조)은 고전압 · 고전류 환경에서 안정적으로 동작할 수 있는 높은 신뢰성이 요구된다. 이에 따라 부품 자체의 신뢰성뿐 아니라 실차와 유사한 조건에서의 전류 인가 시험이 필수적이다. 그러나 주로 사용되고 있는 시험기는 고전압 · 고전류 시험은 가능하지만, 주로 정현파(Sinusoidal)의 출력 전류가 발생되도록 설계 되어있기 때문에 전기자동차 견인용 모터 구동 인버터에서 발생되는 구형파(Pulse) 전류를 묘사하기 어렵다. 주로 사용되는 상용 시험기는 구형파 전류를 발생하지 못하기 때문에 과소평가 및 과대평가가 발생할 수 있으며, 시험기 손실과 발열 증가에 따른 운영 비용이 증가한다는 문제가 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 전기자동차 견인용 모터 구동 인버터 회로를 직접 구현하지 않고 낮은 소비전력으로 DC-Link 커패시터 모듈에 구형파 및 DC 고전류를 정밀하게 인가할 수 있는 DC-DC 컨버터 기반의 전류 시험기를 제안한다. 제안 장비는 고효율 전력 변환부, Bias 전압 인가부, 전류 궤환부로 구성된다. 그리고 시험하고자 하는 전압 및 전류를 설정하면 디지털 제어를 통해 실차 조건과 유사한 파형을 광범위하게 조절할 수 있다. 또한 전류 궤환 회로를 통해 시험기 동작 시 입력 전력을 크게 저감할 수 있고, 동기식 스위칭 방식을 이용해 전력 변환부의 손실을 최소화하여 시험기 구동 시 시험기 자체의 효율을 높일 수 있다.
전류 시험기 성능 검증은 실제 차량에 사용되는 DC-Link 커패시터 모듈을 대상으로 시험을 진행하였다.
제안 회로는 전류 궤환 회로를 활용하여 기존 정현파 기반의 시험 장비보다 더 낮은 입력 소비전력을 사용할 수 있고, 동일 조건에서 기동 시 기존 시험 장비보다 안정적인 동작 및 낮은 소비전력의 장점을 갖는다.
결론적으로 본 연구는 전기자동차 견인용 모터 구동 인버터에 사용되는 DC-Link 커패시터 모듈에 구형파 및 DC 고전류를 낮은 소비전력을 사용하여 인가할 수 있는 시험기 구현을 위한 회로를 제안한다. 또한 실제 차량에 사용되는 DC-Link 커패시터 모듈을 사용하여 시험의 타당성을 확인한다. 이는 기존 정현파 중심의 평가에서 발생되는 문제점을 보완할 수 있고, 실차 조건과 유사한 구형파 전류 기반의 신뢰성 평가를 제공할 수 있다. 그리고 시험 전류량을 각 커패시터 모듈 조건에 따라 설정할 수 있기 때문에 다양한 커패시터 모듈 시험에 응용할 수 있다는 장점을 갖는다.
이에 본 논문에서는 전기자동차 견인용 모터 구동 인버터 회로를 구현하지 않고, DC-Link 커패시터 모듈 시험을 위한 구형파 전류 시험기 및 DC 고전류 시험기 동작 원리를 설명하고 모의실험을 통해 동작을 검증한다. 그리고 모의실험 결과를 토대로 구현을 위한 회로를 제안한다. 그리고 실제 구현된 DC-Link 커패시터 모듈 전류 시험기의 실험을 통해 낮은 소비전력을 갖는 전류 시험기의 동작과 타당성을 검증한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The DC-Link capacitor module (a structure in which parallel-connected film capacitors are fastened with Busbar) used in motor-driven inverters for towing electric vehicles requires high reliability to operate stably in high voltage and high current environments. current tests are essential under conditions similar to actual vehicles as well as the reliability of the parts themselves. however, although the mainly used tester can test high voltage and high current, it is difficult to describe the pulse current generated by the motor-driven inverter for electric vehicle towing because it is mainly designed to generate a sinusoidal output current. since the mainly used tester does not generate square wave current, underestimation and overestimation may occur, and there is a problem that the operating cost increases due to the loss of the tester and the increase in heat generation.
To solve this problem, we propose a synchronous DC-DC converter based current tester that can precisely apply square waves and DC high current to the DC-Link capacitor module with low power consumption without directly implementing a motor-driven inverter circuit for towing an electric vehicle. the proposed equipment consists of a high-efficiency power conversion unit, a bias voltage application unit, and a current feedback unit. and by setting the voltage and current to be tested, the waveform similar to the actual vehicle condition can be widely adjusted through digital control. in addition, the current feedback circuit can significantly reduce the input power when operating the test machine, and minimize the loss of the power conversion unit using a synchronous switching method to increase the efficiency of the test machine itself when driving the test machine. the performance verification of the current tester was conducted on the DC-Link capacitor module used in the actual vehicle.
The proposed circuit can use lower input power consumption than conventional sine wave based test equipment by utilizing the current feedback circuit, and has the advantage of stable operation and lower power consumption than conventional test equipment when driven under the same conditions.
In conclusion, this research proposes a circuit for implementing a tester that can apply square waves and DC high current to the DC-Link capacitor module used in the motor driven inverter for towing electric vehicles using low power consumption. we also verify the validity of the test using DC-Link capacitor modules used in real vehicles. this can compensate for the problems arising from the existing sinusoidal centered evaluation and provide a square wave current based reliability evaluation similar to the actual vehicle condition. in addition, since the test current amount can be set according to each capacitor module condition, it has the advantage of being applicable to various capacitor module tests.
Therefore, this thesis does not implement a motor-driven inverter circuit for towing an electric vehicle, but explains the square wave current generation and DC high current generator operation principle for DC-Link capacitor module test and verifies the operation through simulation. and based on the simulation results, we propose a circuit for implementation. in addition, the operation and validity of the current tester with low power consumption are verified through an experiment of the actual implemented DC-Link capacitor module current tester.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1. 연구 배경 및 목적 1
• 1.2. 개요 5
• Ⅱ. 차량용 DC-Link 커패시터 모듈 시험을 위한 전류 시험기 회로 6
• 2.1. 커패시터 모듈 시험을 위한 구형파 전류 발생 방법 6
• 2.1.1. 구형파 전류 발생을 위한 회로 6
• 2.1.2. 낮은 소비전력을 갖는 구형파 전류 발생을 위한 회로 및 동작 원리 13
• 2.1.3. 낮은 소비전력을 갖는 구형파 전류 발생을 위한 회로 모의실험 결과 및 분석 24
• 2.2. 커패시터 모듈 내 Busbar 시험을 위한 DC 전류 발생 방법 29
• 2.2.1. DC 전류 발생을 위한 회로 29
• 2.2.2. 낮은 소비전력을 갖는 DC 전류 발생을 위한 회로 및 동작 원리 36
• 2.2.3. 낮은 소비전력을 갖는 DC 전류 발생을 위한 회로 모의실험 결과 및 분석 44
• Ⅲ. 커패시터 모듈 시험을 위한 구형파 및 DC 고전류 시험기 구현을 위한 제안 회로 49
• 3.1. 커패시터 모듈 시험을 위한 구형파 및 DC 고전류 시험기 구현을 위한 제안 회로 49
• 3.1.1. 낮은 소비전력을 갖는 구형파 및 DC 고전류 시험기 구현을 위한 제안 회로 49
• 3.1.2. 낮은 소비전력을 갖는 구형파 및 DC 고전류 시험기 구현을 위한 제안 회로 동작 원리 50
• 3.1.3. 낮은 소비전력을 갖는 구형파 및 DC 고전류 시험기 구현을 위한 제안 회로 모의실험 결과 및 분석 56
• 3.2. 커패시터 모듈 시험을 위한 구형파 및 DC 고전류 시험기 구현 63
• 3.2.1. 제안 전류 시험기 회로 구현 및 실험 64
• 3.2.2. 구현된 전류 시험기 실험 결과 77
• Ⅳ. 결론 78
• Ⅴ. 향후 계획 79
• Reference 80
• Abstract 82