커플드 인덕터를 적용한 고효율 2상 인터리브드 벅 컨버터 설계에 관한 연구

강현지 건국대학교 대학원 2020 국내석사

본 논문은 커플드 인덕터를 적용한 고효율 2상 인터리브드 벅 컨버터 설계에 관하여 기술한다. 고효율 및 고전력밀도의 DC/DC 컨버터가 ESS, UPS, 전기자동차 충전기 등 많은 전력변환시스템에 요구되어지고 있다. 그 중 ESS에 적용할 DC/DC 컨버터는 ESS의 용량이 커짐에 따라 전류의 크기 또한 증가하므로 수동 소자의 용량 및 크기가 커지는 문제가 발생한다. 따라서 이러한 문제를 보완하기 위하여 벅 컨버터에 2상 인터리브드 방식을 적용하였다. 이는 수동 소자가 부담하는 전류의 용량을 줄임으로서 부피를 저감할 수 있다. 또한 2상 인터리브드 벅 컨버터에 단상 인덕터 2개 대신 커플드 인덕터를 적용함으로써 코어의 개수를 줄일 수 있고 전류 리플을 저감시킬 수 있는 장점이 존재한다. 고효율을 달성하기 위해서 SiC 기반의 스위치 및 다이오드를 사용하였다. 따라서 본 논문에서는 SiC MOSFET 기반의 2상 인터리브드 벅 컨버터에 적용할 커플드 인덕터 설계 방법에 대하여 제안한다. 커플드 인덕터를 설계 후 2상 인터리브드 벅 컨버터에 적용하여 설계한 전류 정격에서 정상 동작 여부를 확인하였으며 모의실험과 실험을 통하여 제안한 커플드 인덕터의 이론적 설계 방법 및 실제 설계값이 타당함을 증명하였다. This paper describes the design of a high-efficiency two-phase interleaved buck converter using a coupled inductor. DC/DC converters with high efficiency and high power density are required in many power conversion systems such as ESS, UPS, and electric vehicle chargers. Among them, the DC/DC converter to be applied to the ESS increases the size of the current as the capacity of the ESS increases, so that the capacity and size of the passive element increases. Therefore, to compensate for this problem, a two-phase interleaved method was applied to the buck converter. This can reduce the volume by reducing the capacity of the current that the passive element bears. In addition, by applying a coupler inductor instead of two single-phase inductors to a two-phase interleaved buck converter, there is an advantage of reducing the number of cores and reducing current ripple. In order to achieve high efficiency, SiC-based switches and diodes were used. Therefore, this paper proposes a method of designing a coupled inductor to be applied to a SiC MOSFET-based two-phase interleaved buck converter. After designing the coupler inductor, it was applied to a two-phase interleaved buck converter to check whether it operates normally at the designed current rating, and through simulation and experiment, it was proved that the theoretical and practical design values ​​of the proposed coupler inductor are valid.

커플드 인덕터를 이용한 직류 마이크로그리드의 전압 밸런서 및 반도체 직류 차단기에 관한 연구

박정민 성균관대학교 일반대학원 2021 국내박사

마이크로 그리드란 신재생 에너지원이 연계되어 단록 제어 및 부하가 제어될 수 있는 소규모 배전망을 의미한다. 주로 산간 및 오지와 같은 불완전한 그리드(Weak grid)에 적용되어 강인한 그리드(Robust grid)를 구축하기 위해 적용된다. 이 중, 본 논문에서는 직류 배전망을 이용한 양극성 직류 마이크로그리드에서, 발생되는 배전망 전압 변동 및 사고에 대응하기 위해 전압 밸런서, 직류 차단기 및 사고검출 알고리즘을 제안한다. 다양한 전력변환장치가 연계된 직류 마이크로그리드에서, 부하 변동 또는 재생에너지원의 간헐적인 출력으로 인해 배전망 전압이 변동될 수 있다. 변동이 지속될 경우 양극성 직류 마이크로그리드를 구성하는 전압 버스 간 전압편차가 발생하며, 이는 배전망의 안정성을 저해시키는 요소가 된다. 이를 보완하기 위해, 전압 밸런서를 활용한 전압 편차를 줄이는 방안이 제안되었다. 기존 연구에서 사용된 대표적인 전압 밸런서 회로는 하프-브릿지 형태의 전압 밸런서로써, 적은 소자로 구성이 가능하며 제어 구성 또한 단순한 구조를 갖지만, 부하 불평형 시 발생하는 불평형 전류의 리플을 저감시키기 위해 비교적 큰 인덕턴스가 필요하며 이로 인한 인덕터 부피 증가의 문제점을 갖는다. 이를 보완하기 위해 제안된 풀-브릿지 형태의 전압 밸런서는 이러한 문제를 일정 부분 해결할 순 있지만, 회로 내 스위칭 폴 증가로 인한 자성소자 수 또한 증가한다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 커플드 인덕터를 갖는 풀-브릿지 형태의 전압 밸런서를 제안한다. 제안하는 전압 밸런서에 적용되는 커플드 인덕터는 다 수의 자성소자를 하나의 자성 코어로 구성하여 인덕터 부피 및 전류 리플 저감에 필요한 인덕턴스를 저감시킬 수 있다. 직류 마이크로그리드 구성 시, 전압 변동과 더불어, 배전망 내 발생할 수 있는 사고에 대한 대비 및 이를 차단할 수 있는 방안 또한 고려되어야 한다. 교류 마이크로그리드에 비해 낮은 낮은 선로 임피던스와 제로 크로싱 지점(Zero crossing points) 부재로 인해 단 시간 내 급격히 증가하는 단락 사고 전류가 발생한다. 이로 인해 높은 수준의 보호기기 성능이 요구되며, 사고 발생 지점을 판단하는 기술이 요구된다. 기존 제안된 직류 차단기는 크게 기계식 차단기와 반도체 차단기가 있으며, 이 중 반도체 차단기의 경우 사고감지 후 차단까지 소요되는 시간 지연(Time delay)이 수 십 ~ 수 백 µs 이내에 차단할 수 있어 빠르게 상승하는 사고전류 최대값에 도달하기 전 안전하게 차단할 수 있다. 이를 위해, 본 논문 구성 중 한 부분으로, 새로운 형태의 반도체 차단기를 제안한다. 제안한 반도체 차단기는 사고전류 발생 시 이를 안전하게 환류 할 수 있는 환류 경로를 가진다. 이를 위해 커플드 인덕터를 활용하여 반도체 차단기 회로를 구성되며, 추가적인 커패시터와 저항을 직렬 연결하여 RLC 직렬 회로 기반의 반도체 직류 차단기가 구현된다. 더불어 차단기 동작 및 사고검출 위한 알고리즘이 함께 고려된다. 제안하는 사고검출 알고리즘은 제안하는 반도체 직류 차단기가 단락 사고를 검출하여 동작하기 위해 적용되며, 배전망의 사고 신호와 입력 전류 및 부하 전압의 급변동을 감지하여 동작한다. 제안하는 요소들을 바탕으로, 시뮬레이션 및 실험 결과를 통해 전압변동 억제 및 사고 차단의 유효성을 확인한다. 사고 검출 알고리즘 및 보호협조 방안이 함께 고려되어 본 논문에서 제안하는 요소들의 타당성을 검증한다. This paper proposes the voltage balancer, the solid-state circuit breaker and the fault detection algorithm to against voltage fluctuation and line-toground short circuit. In a DC microgrid with power conversion converters, voltage fluctuation can be occurred by load fluctuations and intermittent renewable energy sources. Also, these problems in the DC microgrid can cause power surges, as they cause voltage unbalance in voltage buses. To complement this, a voltage regulation method for a DC bus using a Voltage Balancer(VB) has been proposed. In presented VB, namely half-bridge VB, it has an advantage in an aspect of simple circuit configuration with less circuit components. However, a half-bridge VB uses only one inductor, and cause increased inductance. A full-bridge type VB for compensating problem of a half-bridge VB has been proposed, but it has a disadvantage in that the number of magnetic elements increases due to an increased switching poles in the circuit. As a solution to this, this paper proposes a full-bridge type voltage balancer with a coupled inductor. The coupled inductor applied to the proposed voltage balancer can reduce the inductance required to reduce the inductor volume and current ripple by configuring a number of magnetic elements into one magnetic core. In a DC microgrid, the absence of zero crossing points and lower line impedances compared with AC microgrid bring out high fault current magnitude under pole-to-ground short-circuit fault. Therefore, the solid-state circuit breaker (SSCB) has become a solution in an aspect of the quick and isolation to fault section. With traditional circuit configuration in SSCBs, power semiconductor devices such as diodes or SCRs are employed to block an instantaneous short circuit current and a voltage spike. One drawback of the study relies on the reliability issue by complex circuit configuration or costrelated problem. In this paper, novel DC SSCB circuit is presented without additional power semiconductor devices except for a role of the main switch to complement mentioned problems. Proposed circuit is combined with an insulated gate bipolar transistor(IGBT) module and the two-winding CI based on series RLC resonance to commutate sinusoidal current through zero crossing points. In addition, the fault detection algorithms for the proposed SSCB operation and line-to-ground short circuit fault are considered together. According to proposed circuit configuration, a prototype scale is implemented to confirm the feasibility and effectiveness.

커플드-인덕터를 적용한 단극성 LVDC 배전 시스템용 양방향 DC/DC 컨버터에 대한 연구

박윤지 성균관대학교 일반대학원 2019 국내석사

최근 LED 조명 및 전기자동차 등 DC전원을 사용하는 디지털 부하가 급속히 증가하고 있다. 특히, 태양광발전이나 연료전지와 같은 신재생 에너지원의 수요가 점차 커지면서 직류 전력 시스템에 대한 필요성이 증가하고 있다. 다양한 신재생 에너지원과 에너지 저장장치를 효과적으로 활용하기 위해 시스템을 효율적으로 통합하고 운영하는 기술이 필요하다. 전력전자 기반의 직류 배전 시스템은 이러한 시스템의 통합이 용이하며 전체 시스템의 효율 향상이 가능하다. 이 때 직류 배전망에 구성되는 에너지 저장장치용 양방향 DC/DC 컨버터가 필수적이다. 에너지 저장장치에서 DC/DC 컨버터는 배터리의 충, 방전 동작을 위하여 양방향 전력 변환 장치가 필요하다. 기존에는 고승압 어플리케이션에 전류원 컨버터가 주로 적용되었다. 전류원 컨버터는 전압원 컨버터에 비하여 적은 권선비로 넓은 승압 범위를 가지는 장점을 갖는다. 제안하는 DC/DC 컨버터는 전류원으로 동작할 수 있도록 배터리단과 스위치 사이에 커플드-인덕터로 구성하여 고정 주파수 제어를 통해 광범위한 전류 및 배터리 전압에서 DC Bus 전압을 제어할 수 있다. DC Bus단은 스위치 4개로 구성하여 양방향 동작을 수행할 수 있도록 하였으며 시스템의 안정성을 확보하고 다양한 전력원과의 연계를 위하여 절연형 컨버터로 구성하였다. 직류 배전망에서 AC/DC 컨버터가 전압 제어를 수행하고 있다. 이 때 전압강하는 AC/DC 컨버터 작동 중에 부하 전류가 제한 될 때 발생한다. 설계된 컨버터는 직류배전용 최종전압 380[Vdc-bus]를 제어하며 잉여 전력 발생시 Boost동작을 통하여 계통 측으로 회생한다. 충전 모드의 경우 DC Bus 380[Vdc] 전압을 입력으로 하여 배터리 뱅크를 충전하는 장치로 사용된다. 따라서 양방향 DC/DC 컨버터는 배터리 충, 방전 모드를 수행하며 정전압, 정전류 제어를 통해 배터리를 충전한다. 본 논문에서의 커플드-인덕터를 적용한 단극성 LVDC 배전 시스템용 양방향 DC/DC 컨버터는 PSIM 시뮬레이션 및 실험 결과를 통하여 연구의 타당성을 검증하였다.

용접기의 전부하 소프트 스위칭 회로 및 병렬화 기법에 관한 연구

최승원 명지대학교 대학원 2021 국내박사

용접기는 조선, 자동차, 건축 등 다양한 산업에서 사용하는 장치이며 용접을 하는 재료의 특성에 따라 다양한 용접 방법이 적용되고 있다. 용접기는 파형 제어 방법과 가스 종류에 따라 다양한 장치가 있지만 기본적으로 전기 에너지를 활용하여 금속을 용융하는 전원 장치이다. 금속을 용융하기 위해서는 수kw부터 수십Kw 용량의 고출력 용접 전원 장치가 필요하다. 과거에는 대형 철심 변압기와 SCR등의 반도체를 사용한 제품들이 주를 이루었지만 최근에는 용접 품질 향상 및 대전력의 용접 전원 장치가 요구되면서 고주파용 변압기 및 고속 반도체가 적용되고 있다. 고주파용 변압기는 철심 변압기보다 더 높은 동작 주파수 특성을 가지는 페라이트 변압기가 적합하다. 페라이트 소재는 고주파용 자성 소재이지만 투자율이 철심보다 낮기 때문에 고전력용 변압기를 위한 대형 코어가 필요하다. 용접기의 부하는 용접 이행 과정으로 개발, 쇼트, 아크, 용융의 비선형 저항 부하로 동작한다. 용접 이행 과정은 연속 동작과 불연속 동작을 하기 때문에 무부하 동작으로 인한 하드 스위칭 노이즈가 발생한다. 본 논문에서는 높은 출력을 얻기 위해 전원 모듈과 변압기를 분산 설계하는 기법과 하드 스위칭 노이즈를 제거하기 위한 전부하 수동형 소프트 스위칭 회로를 제안한다. 고전력을 구현하기 위해서 여러 개의 전원 모듈의 변압기를 결합 인덕터로 자기 결합하여 변압기의 특성 차이에 의한 변압기 전류 불균형을 조절한다. 다수의 전원 모듈은 단일 PWM신호, 단일 전압 센서, 단일 전류센서, 단일 제어기로 제어한다. 변압기의 병렬화 수량만큼 전력이 증가하여 고전력 전원 장치를 구현할 수 있다. 소프트 스위칭 회로는 수동 소자로만 구성하여 영전압 스위칭 동작을 위해서 전력 회로의 스위치에 공진 에너지를 공급한다. 제안한 소프트 스위칭 회로는 설계가 용이하며 무부하와 경부하에서 스위치의 하드 스위칭 노이즈를 경감한다. 두 개 전원 모듈의 실험 결과를 통해서 분산 기법 및 소트프 스위칭 회로 설계 및 타당성을 검증 하였다. Welding machines are devices used in various industries such as shipbuilding, automobiles, and construction, and various welding methods are applied depending on the characteristics of the materials to be welded. The welding machine has various devices depending on the waveform control method and gas type, but it is basically a power supply device that melts metal using electric energy. In order to melt metal, a high-power welding power supply with a capacity of several kW to tens of Kw is required. In the past, large iron core transformers and products using semiconductors such as SCR were mainly used, but in recent years, high-frequency transformers and high-speed semiconductors have been applied as welding quality improvement and high-power welding power supplies are required. The ferrite transformer having a higher operating frequency characteristic is suitable for a high-frequency transformer than an iron core transformer. Ferrite material is a high-frequency magnetic material, but since the permeability is lower than that of an iron core, a large core is required to manufacture a high-power transformer. The welder's load operates as a nonlinear resistance load of development, short, arc, and melting during a welding transition process. Since the welding transition process performs discontinuous and continuous operation, hard switching noise occurs due to no-load operation. In this paper, we propose a passive load sharing technique for welding power supplies to obtain high power and a soft switching circuit to eliminate hard switching noise under entire load conditions. In order to realize high power supplies, the transformers of several power modules are magnetically coupled with a coupling inductor to control the transformer current imbalance due to the difference in characteristics of the transformer. The proposed soft switching circuit consists of only passive elements and supplies resonance energy to the switch of the full bridge circuit for the zero voltage switching operation. It is easy to design and reduces the hard switching noise of the switch at entire load conditions. Through the experimental results of two welding power modules, the design and validity of passive load sharing technique and soft switching circuit were verified.

DC-DC 컨버터용 다중권선 결합 인덕터의 최소 전류 리플값을 위한 최적 결합 계수 설계

강태원 전북대학교 일반대학원 2019 국내박사

이 논문은 다중 권선 결합 인덕터를 사용하는 dc-dc 컨버터에서 최소 인덕터 전류 리플에 대한 최적화 된 Coupling 계수 설계를 제시한다. 필터 인덕터의 자기 결합은 최소 필터 크기를 유지하면서 필터링 성능을 향상시키기 위해 EV (Electric Vehicle) 충전기의 dc-dc 컨버터 및 BESS (Battery Energy Storage System)를 포함한 다양한 전력 전자 응용 분야에 널리 사용됩니다. 또한 양방향 dc-dc 컨버터는 배터리의 충전 및 방전 모드 요구가 커짐에 따라 EV 또는 BESS에 사용된다. 양방향 dc-dc 컨버터의 병렬연결 멀티 모듈에서 출력 인덕터 또는 입력 인덕터의 자기 커플 링은 인덕터 전류의 피크 대 피크 리플 크기를 줄이기 위해 종종 사용된다. 결합 된 인덕터의 자기 및 상호 인덕턴스의 최적 분포는 결합 된 인덕터와 관련하여 중요한 설계 과제 중 하나로 간주된다. 이 논문은 Phase-staggered가 사용된 다중 병렬 dc-dc 컨버터에서 인덕터 전류 리플의 최소 크기를 생성하는 일반화 된 n 권선 결합 인덕터에 대해 최적의 결합 계수를 설계하는 새로운 방법을 제안한다. 또한 양방향 전력 흐름 하에서 인덕터 전류의 최소 리플 크기를 달성하기위한 새로운 설계 가이드 라인이 제안한다. 새로 제안 된 최적화 된 커플 링 계수의 설계 가이드라인은 양방향 2 상 DC-DC 컨버터의 벅 및 부스트 동작 모드에 적용 할 수 있다. 따라서, 결합 된 인덕터의 결합 계수 값은 벅 및 부스트 동작 모드에 대해 개별적으로 최적화 될 필요가 없다. 또한 이전 이론으로부터 n 위상 Staggered 다중 병렬 dc-dc 컨버터에서 일반화 된 n 권선 결합 인덕터에 대한 최적 결합 계수의 명시적인 수학적 해석과 디자인 룰이 제시된다. n 권선 결합 인덕터에 대한 일반화된 방정식은 3 권선 결합 인덕터의 예제를 통해 검증된다. 이 새로운 관찰은 커플 링 된 인덕터의 이론적 모델을 사용하여 설명되고 시뮬레이션 및 실험적 테스트를 통해 검증하였다. 실험적 결과는 최적 결합 계수를 얻기 위해 새로 제안 된 방법을 성공적으로 검증하였다.

보조 커플드-인덕터를 이용한 ZVT 인터리브드 플라이백 컨버터의 해석 및 설계

이종영 성균관대학교 일반대학원 2018 국내석사

태양광 및 ESS, 전기 자동차 등의 친환경적인 에너지 개발에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이러한 어플리케이션에 적용되는 DC/DC 컨버터는 절연, 고효율, 높은 전력 밀도 조건 등이 요구된다. 본 논문에서는 이러한 어플리케이션에 적용이 가능한 보조 커플드-인덕터를 이용한 ZVT 인터리브드 플라이백 컨버터의 해석 및 설계 기법을 제안한다. 제안하는 컨버터는 다이오드를 MOSFET 스위치로 대체한 동기 정류 방식 및 인터리브드 구조의 적용을 통해 회로 내 발생할 수 있는 도통 손실을 저감하였다. 또한 영전압 천이 기법을 통한 소프트 스위칭을 달성하고, 역회복 전류의 저감을 통해 스위치에서 발생할 수 있는 스위칭 손실을 최소화하였다. 또한 주 회로가 구성 소자 수가 적은 특징을 갖는 플라이백 컨버터로 구성되어, 시스템의 전력 밀도가 향상되고 절연 특성을 갖는다. 또한 다른 공진형 컨버터의 구동 방식과 다르게, 주파수 제어가 아닌 PWM 제어를 통해 출력 전압의 제어가 가능하다. 제안하는 컨버터의 설계는 영전압 천이 동작을 달성하고 도통 손실이 최소가 되도록 하는 주 회로 및 보조 회로의 설계에 중점을 둔다. 제안하는 ZVT 인터리브드 플라이백 컨버터는 보조 커플드-인덕터 및 DC-link 커패시터로 구성된 보조 회로의 전류를 이용하여 영전압 천이 동작을 달성하며, 스위칭 상태에 따라 8가지 동작 모드로 구분된다. 본 논문에서는 스위칭 상태에 따른 각 모드별 회로의 전류 흐름을 분석하고, 각 부의 전류 및 전압을 수식으로 도출하였다. 이를 통해 영전압 천이 조건 및 최소 도통 손실 조건을 만족하는 주 회로 및 보조 회로의 수동소자에 대한 설계 고려사항을 기술하였다. 또한 분석한 설계 고려사항을 이용한 설계 예시를 통해 제안하는 컨버터의 설계를 진행하였다. 본 논문에서는 PSIM 시뮬레이션 및 500[W]급 시작품 제작을 통해 제안하는 컨버터의 동작 특성 및 설계 기법을 검증하였다. 실험 결과 제안하는 ZVT 인터리브드 플라이백 컨버터의 최대 효율은 92.7[%]이며, 기존 하드 스위칭 컨버터에 비해 최대 3.2[%]의 효율 상승을 보인다.

MHD 램프용 전자식 안정기의 분석 및 설계

이인규 서울대학교 대학원 2007 국내박사