전기차 배터리 충전 시스템용 공진 인덕터 코어 재질의 비교 분석 = Comparative Analysis of Core Materials for Resonant Inductors in Electric-Vehicle Battery Charging Systems

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 전기차 배터리 충전 시스템용 공진 인덕터에 대해 재질별 물성 차이에 따른 특성 분석을 수행한다. 공진 인덕터용으로 널리 사용되는 N87(Mn-Zn Ferrite)과, 주로 필터 인덕터에 적용되어 온 High-Flux(Fe-Ni), Sendust(Fe-Si-Al) 재질을 대상으로 한다. 세 재질에 대해 각 물성 조합에 따른 와전류 손실 특성, 히스테리시스 손실 특성, 제작 공정에 기인한 코어 기계적 강성 등을 종합적으로 분석함으로써, 배터리 충전 시스템용 공 진 인덕터 재질 선정에 필요한 기초 자료를 제시한다. 코어 선정 과정에서는 일반적인 설계 절차인 Area Product 계산식을 이용하여 코어 크기를 결정하고, 각 재질의 데이터시트를 기반으로 자성 특성을 반영할 수 있는 계수 값을 도출한다. 이를 통해 재질별 특성이 반영된 인덕터 모델을 구 성하고, Maxwell 시뮬레이션을 수행하여 코어 손실 밀도와 권선 손실 밀도 분포를 비교·분석함으로써 재질별 손실 양상의 차이를 정량적으로 검토하고 PSIM Magnetics Model 시뮬레이션으로 부하 조건별 자속밀도의 경향성을 확인한다. 실험은 1kW 급 PSFB 컨버터를 기반하여 수행되며, 동일한 회로 조건에서 재질별로 제작된 공진 인덕터를 적용하여 전체 시스템 손실, 인덕터 코어 발열 양상을 측정·비교한다. 시뮬레이션과 실험 결과를 분석함으로써, 수치해석 기반 재질 평가 결과와 실제 구동 환경에서의 동작 특성이 일치하는지를 확인하고, 이를 바탕으로 재질별 상대적 우위를 도출하여 전기자동차용 배터리 충전 시스템에 적합한 공진 인덕터 재질을 선정한다. 분석 결과, 가장 낮은 손실을 나타낸 N87 인덕터와 비교했을 때 High-Flux 인덕터는 최대 0.9W 정도 높은 손실을 보였으나, 분산 공극 구조와 바인더 적용으로 인한 우수한 기계적 강성과 약 500℃ 수준의 높은 큐리 온도를 확보하고 있어 온도 특성과 기계적 신뢰성 측면에서 유리한 것으로 확인되었다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 01
• 1. 연구 배경 및 필요성 01
• 2. 연구 동향 02
• 3. 연구 목적 및 방법 04
• 4. 논문의 구성 05
• II. 배터리 충전 시스템 06
• 1. 배터리 충전용 DC-DC 컨버터 06
• 2. PSFB 컨버터 모드 해석 11
• 가. Mode 1 12
• 나. Mode 2 12
• 다. Mode 3 12
• 라. Mode 4 13
• 마. Mode 5 13
• 바. Mode 6 13
• III. 공진 인덕터를 위한 재질 분석 14
• 1. 종합적 특성 분석 15
• 2. 와전류 손실 특성 분석 18
• 3. 히스테리시스 손실 특성 분석 19
• IV. 재질 분석 시뮬레이션 22
• 1. Maxwell 시뮬레이션 구성 22
• 2. Maxwell 시뮬레이션 결과 분석 28
• 3. PSIM Magnetics Model 시뮬레이션 구성 33
• 4. PSIM Magnetics Model 시뮬레이션 결과 분석 36
• V. 실험 및 결과 분석 40
• 1. 하드웨어 구성 및 실험 조건 40
• 2. 실험 결과 분석 43
• VI. 결론 48
• 참고문헌 49
• ABSTRACT 53