V2X 기능을 위한 LLLC+Buck 컨버터 기반의 22kW 양방향 탑재형 충전기 설계

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The adoption of electric vehicles (EVs) has been rapidly increasing due to environmental policies and growing consumer demand for electrified transportation. Accordingly, advancements in battery technology have led to increased energy capacity in EV battery systems. This trend enables higher power delivery through vehicle-to-everything (V2X) technologies. To support critical loads during power outages or to operate multiple high-power appliances simultaneously, bidirectional on-board chargers (OBCs) capable of three-phase, high-power discharging in the range of 10–20 kW, as well as compatibility with general-purpose loads, are required.

Conventional bidirectional OBCs commonly employ isolated DC–DC converters based on the CLLC topology, which enables soft switching over a wide load range and limits switch voltage stress to the input and output voltages, making it suitable for high-efficiency designs. However, when operating with a fixed input voltage, it is difficult to achieve a wide output voltage range while simultaneously securing the desired voltage gain in both forward and reverse power flow directions. To address this limitation, various approaches have been proposed, including asymmetric resonant parameter design, variable input voltage control, and reconfigurable converter structures. Nevertheless, these methods still face challenges in meeting the requirements of bidirectional 22 kW-class chargers in both power flow directions and in accommodating arbitrary loads required for V2X operation.

As an alternative, a two-stage structure combining a fixed-frequency LLC converter and a buck converter can be considered. In [6], a quasi-two-stage topology employing a unidirectional buck converter is proposed, in which the LLC converter operates independently in the forward direction, while a fixed-frequency LLC converter and a reverse-direction buck converter are used to realize voltage gain in the reverse direction. However, in this approach, the LLC converter operates in an uncontrolled manner during reverse operation, making it difficult to compensate for resonant parameter variations. In addition, the output voltage of the LLC converter must be maintained lower than the battery voltage, restricting reverse operation to single-phase mode with limited maximum output power.

To overcome these issues, a topology combining an LLC–SRC converter with a bidirectional buck converter has been proposed. This structure supports a wide output voltage range at a fixed link voltage and maintains high efficiency regardless of the power flow direction. However, the design of the resonant tank is complex, and the output voltage of the LLC–SRC converter varies depending on operating conditions.

In this paper, a bidirectional DC–DC converter based on an LLLC converter combined with a buck converter is proposed to overcome the limitations of conventional two-stage structures. The proposed LLLC converter incorporates an auxiliary inductor on the primary side of the LLC converter for reverse operation, enabling below-resonance operation in both power flow directions. This allows stable output voltage regulation under all load conditions. Furthermore, to mitigate switching losses and surge voltage issues caused by hard switching in the buck converter, an IGBT-based zero-voltage transition (ZVT) auxiliary circuit is applied. The loss reduction and soft-switching effects are experimentally analyzed, and the performance differences with and without the ZVT circuit are compared. Finally, the feasibility of the proposed DC–DC converter structure is verified through a 22 kW prototype incorporating a three-phase inverter-based power factor correction (PFC) circuit.

국문 초록 (Abstract)

최근 전기자동차의 보급은 친환경 정책과 소비자의 전기차 수요 증가 등의 이유로 급속히 확대되고 있다. 이에 따라 EV의 핵심 부품인 배터리 시스템도 기술 발전으로 용량이 증가하고 있다. 이러한 변화는 V2X기술을 통해 공급 가능한 전력 용량의 증가로 이어진다. 정전 시 주요 부하를 대체하거나 고전력 기기를 동시에 운용하기 위해서는 3상 기반 10~20 kW급 이상의 고출력 방전 성능뿐만 아니라 일반 부하에도 대응할 수 있는 양방향 OBC가 요구된다. 기존의 양방향 OBC의 절연형 DC-DC 컨버터로 주로 활용되는 CLLC 컨버터는 넓은 부하 영역에서 소프트 스위칭이 가능하며 스위치 내압이 입력 및 출력 전압으로 제한되어 고효율 설계에 적합한 특성을 보인다. 하지만 고정 입력 전압을 사용하는 경우 넓은 출력 전압을 만족하면서 동시에 정·역방향 모두에서 원하는 전압 이득을 확보하기 어려운 단점이 존재한다. 이를 극복하기 위해 공진 파라미터의 비대칭 설계, 가변 입력전압 제어, 가변구조 등과 같은 다양한 제어 방법이 제안되고 있다. 그러나 정·역방향 모두에서 양방향22 kW급 충전기에 대응하도록 설계하기에는 여전히 한계가 존재하고 V2X에 필요한 임의 부하에 대한 대응이 어려운 단점이 존재한다. 이에 대한 대안으로 고정 주파수 LLC 컨버터와 벅 컨버터를 결합한 2단 구조를 고려할 수 있다. 참고 문헌 [6]에서는 단방향 벅 컨버터를 사용하는 준 이단 구조로서, 정방향 시 LLC컨버터 단독으로 동작하고 역방향 시 이득 형성을 위해 고정주파수 LLC 컨버터와 역방향 벅 컨버터를 이용하는 방식이 제안되고 있다. 하지만 본 방식의 경우 역방향 시 LLC 컨버터는 비제어 방식으로 동작하므로 공진 파라미터 편차에 대응하기 어렵다. 또한 LLC 컨버터의 출력전압을 항상 배터리 전압보다 낮게 유지해야 하므로 역방향 시 낮은 Link 전압을 사용하는 단상모드만 가능하고 최대 출력도 제한되는 단점이 발생한다. 이러한 문제를 개선하기 위해 LLC-SRC컨버터와 양방향 벅 컨버터를 결합한 방식이 제안되었다. 제안된 구조는 고정된 Link 전압에서 넓은 출력 전압 범위에 대응할 수 있으며, 동작 방향에 관계없이 높은 효율을 유지한다. 그러나 공진 탱크의 설계가 어렵고 LLC-SRC 컨버터의 출력 전압이 변동된다는 단점이 존재한다. 본 논문은 기존 2단 구조의 한계를 극복하기 위해 LLLC 컨버터와 벅 컨버터 기반의 양방향 DC-DC 컨버터를 제안한다. 제안된LLLC 컨버터는 LLC 컨버터 1차측에 역방향 보조 인덕터를 추가하여 전력전달 방향과 관계없이 양방향 모두 Below-resonace영역에서 설계가 가능하여 전 부하 조건에서 안정된 출력전압을 제공할 수 있다. 또한, 벅 컨버터의 하드 스위칭으로 인한 손실과 서지 전압 문제를 완화하기 위해 IGBT 기반의 ZVT(Zero Voltage Transition) 보조회로를 적용하였다. 이를 통해 손실 저감 및 소프트 스위칭 효과를 실험적으로 분석하고, ZVT 회로 적용 여부에 따른 성능 차이를 비교한다. 3상 인버터 기반 PFC 회로를 적용한 22 kW 시제품 제작을 통해 제안된 DC-DC 컨버터 구조의 타당성을 입증한다.

목차 (Table of Contents)

• 그림목차. iii
• 표목차 vi
• 국문초록vii
• 제 1 장 서 론 1
• 제 1절 연구 배경 1
• 1.1.1 글로벌 친환경 정책으로 인한 전기차 보급 확대 1
• 1.1.2 전기차 세대별 기술 발전과 배터리 성능 향상 3
• 1.1.3 전기차 배터리 발전에 따른 V2X 사업의 확대 4
• 1.1.4 방전 정격 부족에 따른 22 kW 양방향 OBC 개발 필요성 6
• 1.1.5 토폴로지 선정을 위한 비교 분석 7
• 제 2절 연구의 목적 11
• 제 3절 논문의 구성 12
• 제 2 장 본 론 13
• 제 1절 제안하는 3단 구조 양방향 OBC의 특징 13
• 2.1.1 3단 구조 동작 특성 13
• 2.1.2 제안하는 양방향 OBC 제어 알고리즘 15
• 제 2절 LLLC 공진형 컨버터 설계 16
• 2.2.1 LLLC 공진형 컨버터 공진 주파수 선정 16
• 2.2.2 LLLC 공진형 컨버터 공진 파라미터 설계 19
• 제 3절 벅 컨버터 및 반공진 ZVT회로 설계 23
• 2.3.1 벅 컨버터 스위칭 주파수 선정 23
• 2.3.2 반공진 ZVT회로 설계 25
• 제 4절 PFC 인버터 설계 27
• 2.4.1 PFC 인버터 스위칭 주파수 및 인덕터 설계 27
• 2.4.2 입력 필터 캐패시터 설계 29
• 2.4.3 입력 링크 캐패시터 설계 30
• 제 5절 모의 실험 및 손실 분석 31
• 2.5.1 모의 실험 31
• 2.5.2 손실 분석 41
• 제 6절 실험 결과 46
• 2.6.1 프로토 타입 및 실험 파형 46
• 2.6.2 효율 데이터 57
• 2.5.3 반공진ZVT 회로 적용에따른 비교 실험결과 59
• 제 3 장 결 론 65
• 참고 문헌 67