위상천이 풀브리지 컨버터의 역방향 전력 공급 시 전압 스트레스 최소화를 위한 새로운 제어기법 = New Control Scheme for Minimizing Voltage Stress at Reverse Powering of Phase-Shifted Full-Bridge Converters

국문 초록 (Abstract)

내연기관 차량의 온실가스 감축과 재생에너지 확산으로 배터리 기반 전력 시스템(전기차 온보드 충전기(On-Board Charger, OBC), 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS), DC 마이크로그리드 등)이 빠르게 확대 되고 있다. 이러한 응용에서 절연형 양방향 DC/DC 컨버터는 핵심 구성요소이며, 대표 토폴로지로 위상천이 풀브리지(Phase-Shift Full-Bridge, PSFB), 듀얼 액티브브리지(Dual Active Bridge, DAB), CLLC 등이 사용된다.[1] 이 중 PSFB는 출력 필터 인덕터의 존재로 인해 RMS 전류가 상대적으로 낮아 배터리 기반 양방향 절연형 토폴로지에 적합하며, 구현 난이도 또한 낮아 산업적으로 널리 채택된다. 그러나 기존 PSFB 역방향 동작 시, 전력전달을 시작하는 전환 구간에서 2차측 동기 정류기(Synchronous Rectifier, SR) 중 하나가 턴오프되면 변압기의 단락이 해제되고 1차측 변압기가 2차측 출력 인덕터와 직렬로 연결될 때, 변압기를 통해 2차측으로 투영된 1차측 변압기 전류가 출력 인덕터 전류와 불일치하면, 전류 정합이 강제로 이루어지며 저전압측 스위치에 전압 스파이크가 발생한다.
이를 완화하기 위해 활용되어 온 사전충전(Pre-Charge) 기법은 전력전달 개시 직전 1차측 변압기 전류를 미리 상승시켜 저전압측에 발생하는 전압 스파이크를 억제한다. 다만 이 구간이 필요 이상으로 길어지면 순환전류와 역방향 전력손실이 증가한다. 이를 경감하고자 제시된 공동충전(Co-Charge) 기법은 전류 정합 시점을 경계로 Pre-Charge를 종료하고, 직후 구간을 1차측 변압기 전류와 출력 인덕터 전류의 공동충전 구간으로 운전함으로써 불필요한 순환전류와 역방향 전력을 줄인다. 그러나 Pre-Charge와 Co-Charge의 길이와 경계는 통상 입·출력전압, 인덕턴스, 변압기 권선비 등 회로 파라미터 계산으로 사전 설정되며, 실제 장치의 부하·온도·자화 상태 변화와 소자 편차 및 온도 의존성으로 파라미터가 변동하면 경계가 쉽게 일탈하여 추가 보정 제어가 요구되는 한계를 지닌다.
본 논문은 이러한 파라미터 계산 의존성을 제거하기 위해, SR 전류의 영전류(Zero-Current) 시점을 실시간 경계 트리거로 사용하여 Pre-Charge와 Co-Charge의 구간 길이와 경계를 주기(Cycle-by-Cycle)로 자동 결정하는 경계 기반 Co-Charge 제어를 제안한다. 제어는 출력 전압 루프에서 생성되는 충전 구간 펄스와 SR 영전류에서 자동 종료되는 Pre-Charge 펄스를 게이팅 신호로 체계화함으로써, 파라미터 변화에 의존하지 않는 경계의 자가 정렬을 구현한다. 그 결과, 스파이크 억제를 유지하면서 순환전류와 역방향 전력을 저감하고, 효율 향상과 1차측 영전압 스위칭(Zero-Voltage Switching, ZVS) 유지를 동시에 달성한다.
제안 기법은 PSIM 시뮬레이션과 1 kW(입력 48 V, 출력 400 V) PSFB 프로토타입을 이용한 하드웨어 실험으로 검증하였다. 두 검증 모두에서 저전압측 스파이크 완화, 순환전류·역방향 전력 감소, 전체 효율 향상이 확인되었고, 부하·온도 변화 조건 전반에서 추가 보정 제어 없이 안정적으로 동작하였다. 본 연구는 계산식 의존과 보정 부담을 줄이면서, 마이크로컨트롤러 기반 실시간 제어기에 즉시 적용 가능한 견고한 Co-Charge 경계 제어 방법을 제시한다

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 내용 4
• II. 절연형 양방향 토폴로지 5
• III. PSFB 컨버터 역방향 전력전달 분석 10
• 3.1 PSFB 컨버터의 개요 10
• 3.2 PSFB의 동작 분석 10
• 3.2.1 PSFB의 정방향 동작 분석 12
• 3.2.2 PSFB의 역방향 동작 분석 18
• 3.3 기존 PSFB 역방향 동작의 한계 및 문제점 22
• IV. 기존 전압 스파이크 억제 기법 23
• 4.1 Pre-Charge 제어 기법 23
• 4.1.1 Pre-Charge 기법의 개요 23
• 4.1.2 Pre-Charge 기법의 동작 분석 24
• 4.1.3 Pre-Charge 기법의 한계 31
• 4.2 Co-Charge 제어 기법 33
• 4.2.1 Co-Charge 기법의 개요 33
• 4.2.2 Co-Charge 기법의 동작 분석 34
• 4.2.3 Co-Charge 기법의 한계 41
• V. 제안된 경계 기반 전류 정합 제어 알고리즘 45
• 5.1 제안된 알고리즘의 개념 및 구성 45
• 5.2 제안된 알고리즘의 동작 원리 47
• 5.2.1 제어 펄스의 생성 원리 48
• 5.2.2 제어 펄스를 이용한 스위칭 메커니즘 50
• VI. 시뮬레이션 및 실험 결과 53
• 6.1 PSIM 기반 시뮬레이션 검증 53
• 6.2 하드웨어 설계 사양 55
• 6.3 실험 파형 및 결과 해석 56
• VII. 결 론 60