넓은 출력 범위에도 고효율 동작 가능한 절연형 DC-DC 컨버터 및 EV 배터리 충전 시스템에의 응용 = A High Efficiency Isolated DC-DC Converter for Wide Output Range Operation and Its Application to EV Battery Charging Systems

국문 초록 (Abstract)

전기자동차 산업의 급속한 성장과 함께, 차량 내 고전력 전장 부품의 수요가 증가하고 있다. 이에 따라 전력변환 시스템의 고효율화와 고밀도화 구현에 대한 요구가 증가하고 있다.
특히 On-Board Charger(OBC)와 같은 EV 충전 시스템에 적용되는 절연형 DC-DC 컨버터는 고전압 배터리의 특성상 250V~400Vdc의 넓은 범위의 출력 전압 조건에서도 안정적인 전력 전달 및 높은 효율을 유지하는 것이 핵심 설계 요소이다.
그러나 기존 절연형 DC-DC 컨버터를 단일 운용 시 넓은 출력 조건에서 고효율 동작을 안정적으로 유지하기에 한계가 있다. 대표적인 예로, 위상천이 풀 브리지(Phase Shift Full Bridge, PSFB) 컨버터는 경부하 조건에서 영 전압 스위칭 동작 범위가 제한되고, 1차 측 순환 전류로 인한 도통 손실 증가, 고전압 출력 시 2차 측 소자의 높은 전압 스트레스 등의 한계가 있다.
LLC 공진 컨버터의 경우 공진 주파수 부근에서 고효율 동작이 가능하나, EV 배터리의 충전 전압 범위에 대응하기 위해서는 넓은 스위칭 주파수 변조가 필요하여 전류 스트레스 및 2차 측 다이오드의 하드 스위칭으로 인한 효율 극대화에 한계가 있다.
본 논문에서는 기존 절연형 DC-DC 컨버터 단일 운용 시의 단점을 보완한 절연형 DC-DC 컨버터를 제안한다. 제안 회로는 PSFB와 두 개의 하프 브리지 LLC(Half Bridge LLC, HB-LLC) 공진 컨버터가 1차 측 스위칭 소자를 공유하는 병렬입력·직렬출력 구조이다. PSFB는 배터리 충전 과정의 전류·전압 제어를 담당하며, HB-LLC는 공진 주파수 부근에서 동작하여 전체 출력 범위에서 MOSFET의 ZVS 동작을 보장하며 고효율 동작을 유지하도록 설계했다.
PSIM 기반 모의실험 기반을 바탕으로 제안 회로의 동작 모드를 분석하였으며, 하드웨어를 제작해 EV 배터리 충전 조건(250–400Vdc)에서 최대 3.3 kW 동작 검증을 수행하였다.
실험 결과, 제안된 회로는 전 부하 영역에서 안정적인 소프트 스위칭이 이루어졌고, 최대 효율 97.23%를 달성하였다.
본 연구 결과는 EV 충전기 및 고전압 배터리 시스템에 적용 가능한 넓은 출력 전압 범위 조건에서 고효율 동작이 가능한 제안 절연형 DC-DC 컨버터의 성능을 입증하였으며, 향후 고출력·고효율 전력변환기 설계에 활용 가능한 기술을 제안한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the rapid growth of the electric vehicle industry, the demand for high-power electronic components in vehicles is increasing. Accordingly, there is an increasing demand for high efficiency and high density implementation of power conversion systems.
In particular, insulating DC-DC converters applied to EV charging systems such as On-Board Chargers (OBC) maintain stable power transfer and high efficiency even in a wide range of output voltage conditions of 250V to 400Vdc due to the nature of high voltage batteries.
However, when operating a single existing insulated DC-DC converter, there is a limit to stably maintaining high-efficiency operation under wide output conditions. As a representative example, a phase shift full bridge (PSFB) converter has limitations in the range of zero voltage switching operations under light load conditions, increase of conduction loss due to primary side circulation current, and high voltage stress of the secondary side element during high voltage output.
LLC resonant converter can operate with high efficiency near resonance frequency, but wide switching frequency modulation is required to cope with the charging voltage range of EV battery, which limits current stress and maximization of efficiency due to hard switching of secondary diode.
To overcome this limitation, this paper proposes an insulated DC-DC converter that can operate with high efficiency even under wide output voltage conditions that compensate for the shortcomings of operating a single existing circuit. The proposed circuit is a parallel input and serial output structure in which PSFB and two half-bridge LLC (HB-LLC) resonant converters share the primary switching element. PSFB is in charge of current and voltage control of the battery charging process, and HB-LLC is designed to maintain high efficiency in the entire output range by operating near the resonance frequency.
Based on the PSIM-based simulation, the operation mode of the proposed circuit was analyzed, and hardware was manufactured to verify the maximum 3.3 kW operation under EV battery charging conditions (250–400 Vdc).
As a result of the experiment, the proposed circuit was stably soft-switched in the entire load region and achieved a maximum efficiency of 97.23%.
This study demonstrates the performance of the proposed insulated DC-DC converter capable of high-efficiency operation under a wide output voltage range applicable to EV chargers and high voltage battery systems, and proposes a technology that can be used to design high-power and high-efficiency power converters in the future.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1. 연구 배경 및 목적 1
• 1.2. 개요 4
• Ⅱ. 기존 절연형 DC-DC 컨버터 5
• 2.1. 절연형 DC-DC 컨버터 5
• 2.1.1. 절연형 DC-DC 컨버터의 개념 및 필요성 5
• 2.1.2. 전력변환 효율 및 주요 손실 요인 7
• 2.1.3. 소프트 스위칭 개념 및 구현 원리 9
• 2.2. 위상천이 풀 브리지 컨버터 10
• 2.2.1. 회로 구성 및 동작 원리 10
• 2.2.2. 위상천이 풀 브리지 컨버터 MOSFET 손실 분석 17
• 2.2.3. EV 배터리 충전 시스템에서 위상천이 풀 브리지 컨버터 한계 20
• 2.3. LLC 공진 컨버터 21
• 2.3.1. 회로 구성 및 동작 원리 21
• 2.3.2. 풀 브리지 LLC 공진 컨버터 MOSFET 손실 분석 27
• 2.3.3. EV 배터리 충전 시스템에서 LLC 공진 컨버터 한계 30
• Ⅲ. 제안 절연형 DC-DC 컨버터 31
• 3.1. 제안 절연형 DC-DC 컨버터 31
• 3.1.1. 회로 구성 및 동작 원리 31
• 3.1.2. 제안 절연형 DC-DC 컨버터 설계 41
• 3.1.3. 제안 절연형 DC-DC 컨버터 MOSFET 손실 분석 50
• 3.1.4. MOSFET 전력 손실 비교 53
• 3.1.5. 제안 절연형 DC-DC 컨버터 전력 손실 분석 54
• 3.2. 제안 절연형 DC-DC 컨버터 실험적 검증 69
• 3.2.1. 모의실험 결과 69
• 3.2.2. 하드웨어 구성 및 측정 환경 75
• 3.2.3. 실험 결과 77
• Ⅳ. 결론 81
• Ⅴ. 향후 계획 82
• 참고 문헌 83
• Abstract 85