버스 컨버터를 적용한 전기자동차용 DC-DC 배터리 충전기에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 전기자동차용 DC-DC 배터리 충전기에 관한 연구로서, 고압 배터리로부터 저압 배터리를 충전하는 3.5kW DC-DC 배터리 충전기를 대상으로 한다. DC-DC 배터리 충전기에 보편적으로 적용되는 위상천이 풀-브리지 컨버터는 넓은 입출력 전압 범위를 대응토록 설계될 경우 높은 입력 전압에서 낮은 유효 듀티비로 동작하여 출력 전류 리플이 증가하고 순환전류에 의한 도통손실이 심화된다. 그리고 낮은 트랜스포머 권선비로 인해 SR 스위치의 전압 스트레스가 높다. 또한, Lagging Leg의 ZVS 조건 만족 범위를 확장하기 위해 삽입되는 Commutating 인덕터는 추가적인 듀티비 손실을 야기하여 상기 언급된 단점을 악화시킨다. 따라서 본 논문은 위상천이 풀-브리지 컨버터를 적용한 DC-DC 배터리 충전기의 한계점을 극복하기 위해 버스 컨버터를 적용한 DC-DC 배터리 충전기를 제안한다. 제안 DC-DC 배터리 충전기는 버스 컨버터 및 Pre-Regulator로 구성되며, 본 논문에서는 풀-브리지 컨버터를 적용한 버스 컨버터 및 Pre-Regulator로서 적합한 승강압 컨버터에 대하여 연구한다.
본 논문에서 연구된 버스 컨버터는 Two-Transformer 풀-브리지 컨버터를 최대 듀티비인 0.5로 고정하여 구동하며 2차 측에 SR 스위치 및 능동 클램프 회로를 적용한다. Two-Transformer 풀-브리지 컨버터는 직렬 결선된 2개의 트랜스포머가 출력 인덕터를 대체하여 대전류가 흐르는 2차 측 회로부가 간략화 된다. 그리고 2개의 트랜스포머는 집적이 용이하여 전력밀도 제고에 유리하다. 풀-브리지 컨버터를 적용한 버스 컨버터는 순환 전류에 의한 도통 손실이 발생하지 않고 풀-브리지 인버터의 ZVS 조건 만족이 용이하며 출력 전류 리플이 작다. 그리고 기존 위상천이 풀-브리지 컨버터 대비 SR 스위치의 전압 스트레스가 낮다. 이와 더불어, 능동 클램프 회로는 SR 스위치에서 발생하는 스파이크 전압을 억제하여 SR 스위치의 전압 스트레스를 최소화하므로 낮은 Rds.on을 갖는 MOSFET을 SR 스위치로서 적용 가능하여 대전류 출력에 유리하다.
제안 승강압 컨버터는 Two-Switch 벅-부스트 컨버터의 부스트 레그를 0.5의 듀티비로 동작시키는 방안으로부터 도출된다. 이로 인해 제안 승강압 컨버터는 버스 컨버터의 스위치를 부스트 레그로서 활용할 수 있으므로 승강압 컨버터를 구현하기 위해 사용되는 스위치 수가 저감된다. 그리고 제안 승강압 컨버터는 결합 인덕터를 적용하여 코어의 부피를 축소시키고 각 상의 전류 리플을 저감시키며 입출력 전압 조건에 따른 모드 천이 없이 승감압이 가능하므로 제어가 간단하다.
제안 DC-DC 배터리 충전기는 풀-브리지 컨버터를 적용한 버스 컨버터를 사용하며 제안 승강압 컨버터를 Pre-Regulator로서 채택한다. 제안 DC-DC 배터리 충전기는 Pre-Regulator 및 버스 컨버터를 독립적으로 구현하는 2단 전력단 형태가 아닌 병합된 전력단 형태로 구현한다. 이로 인해 Pre-Regulator와 버스 컨버터는 스위치를 공유하므로 스위치 수가 저감되어 전력밀도 제고에 유리하다. 또한, PWM 방식으로 출력을 제어하므로 위상차를 제어하는 위상천이 풀-브리지 컨버터 보다 제어가 간단하다.
본 논문에서는 제안 DC-DC 배터리 충전기에 적용된 버스 컨버터 및 승강압 컨버터를 이론적으로 분석하여 제안 DC-DC 배터리 충전기의 동작 원리를 설명한다. 그리고 모의실험 및 프로토타입에 대한 실험을 수행하여 제안 DC-DC 배터리 충전기를 검증한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, it has become an important issue to solve the environmental pollution problem caused by exhaust gas in the automobile industry. Also, a lot of researches are proceeding to develop eco-friendly vehicles such as electric vehicles. Basically, electric vehicles are equipped with batteries and various types of battery chargers. Among the battery chargers, the DC-DC battery charger is powered from the high-voltage battery for motor drive and charges the low-voltage battery for driving electrical components. The 3.5kW DC-DC battery charger could be developed with a phase-shift full-bridge converter. However, a conventional phase-shift full-bridge converter has low performance, which is resulted from both low effective duty ratio and low transformer turn ratio, when designed as a battery charger with a wide input/output voltage range. To overcome these drawbacks, this paper suggests DC-DC battery charger employing bus converter for electric vehicles.
The proposed DC-DC battery consists of the bus converter and the pre-regulator. The bus converter produces constant input/ output voltage conversion ratio, and the pre-regulator controls the output of the bus converter by providing a variable link voltage to the bus converter.
The bus converter adopts the two-transformer full-bridge converter with active clamp circuit, which operates constantly with a maximum duty ratio of 0.5. The two-transformer full-bridge converter simplifies the secondary-side circuit, since two series-connected transformers replace output inductor. Also, the two transformers can be integrated, which provides efficient device placement solution. The bus converter eliminates conduction loss caused by the circulating current and achieves ZVS for the full-bridge inverter easily without commutating inductor. In addition, the bus converter achieves excellent ripple cancellation effects and small output current ripple. The bus converter can adopt SR switches with low Rds.on and reduce conduction loss on SR switches, since the bus converter minimizes voltage stress across SR switches. Therefore, the bus converter is very suitable for high output current applications.
The proposed step-up/step-down converter is derived from a two-switch buck-boost converter operating the boost leg with a constant duty ratio of 0.5. The proposed step-up/step-down converter can share switches with the bus converter. Also, the proposed converter has low current ripple by using coupled inductor.
The proposed DC-DC battery charger employs the bus converter and the proposed step-up/step-down converter as the pre- regulator. The proposed battery charger realizes high power density by sharing switches. Also, the control of the proposed DC-DC battery charger is simple because the battery charger adopts PWM control.
In this paper, the operation principle of the proposed battery charger is explained and verified by experimental results with 3.5kW prototype. The proposed DC-DC battery charger achieves high efficiency. The maximum measured efficiency is 96.25%.

목차 (Table of Contents)

• 그림 차례 ……………………………………………………………… ⅴ
• 표 차례 ………………………………………………………………… ⅸ
• 국문요약 ……………………………………………………………… ⅹ
• Ⅰ. 서 론…………………………………………………………………1
• 1.1 배경 및 연구목적…………………………………………………… 1
• 1.2 개발 동향…………………………………………………………… 4
• 1.3 개요 ………………………………………………………………… 5
• Ⅱ. 기존 위상천이 풀-브리지 컨버터 …………………………………… 7
• 2.1 배경 및 목적 ………………………………………………………… 7
• 2.2 동작 원리 …………………………………………………………… 9
• 2.3 모드 해석 ………………………………………………………… 10
• 2.4 한계점……………………………………………………………… 16
• 2.4.1 출력 전류 리플………………………………………………… 18
• 2.4.2 순환 전류에 의한 도통 손실………………………………… 21
• 2.4.3 SR 스위치 전압 스트레스…………………………………… 22
• 2.4.4 Commutating 인덕터 삽입………………………………… 24
• 2.5 요약 ………………………………………………………………… 26
• Ⅲ. Two-Transformer 풀-브리지 컨버터를 적용한 버스 컨버터 …… 28
• 3.1 배경 및 목적 ……………………………………………………… 28
• 3.2 풀-브리지 컨버터를 버스 컨버터로 활용 시 효과…………………… 30
• 3.3 대전류 출력에 적합한 풀-브리지 컨버터………………………… 30
• 3.4 Two-Transformer 풀-브리지 컨버터를 적용한 버스 컨버터의
• 구조 및 동작 원리 …………………………………………………… 33
• 3.5 버스 컨버터의 모드 해석 ………………………………………… 35
• 3.6 버스 컨버터의 특성……………………………………………… 43
• 3.6.1 입출력 전압 변환비 및 유효 듀티비 ………………………… 43
• 3.6.2 출력 전류 리플 ……………………………………………… 48
• 3.6.3 클램프 전압 및 SR 스위치 전압 스트레스 ………………… 50
• 3.6.4 ZVS 조건 ……………………………………………………… 51
• 3.7 트랜스포머의 설계 예시………………………………………… 53
• 3.7.1 버스 컨버터의 설계 사양 …………………………………… 53
• 3.7.2 코어 형상 ……………………………………………………… 54
• 3.7.3 권선 방법 ……………………………………………………… 55
• 3.7.4 권선비 및 권선수 선정 ……………………………………… 56
• 3.7.5 코어 및 자화 인덕턴스 선정 ………………………………… 58
• 3.7.6 PCB 패턴 및 동박 두께 ……………………………………… 61
• 3.7.7 적층 구조의 Planar 트랜스포머…………………………… 62
• 3.7.8 누설 인덕터에 따른 버스 컨버터의 입출력 전압 변환비… 64
• 3.8 버스 컨버터의 전력밀도 제고를 위한 구조……………………… 66
• 3.9 모의실험 …………………………………………………………… 67
• 3.10 실험결과 ………………………………………………………… 70
• 3.11 요약……………………………………………………………… 74
• Ⅳ. Pre-Regulator에 대한 고찰……………………………………… 76
• 4.1 배경 및 목적 ……………………………………………………… 76
• 4.2 단일 스위치를 사용한 승강압 컨버터 …………………………… 79
• 4.3 다중 스위치를 사용한 벅-부스트 컨버터………………………… 82
• 4.3.1 One Mode Control…………………………………………… 83
• 4.3.2 Two Mode Control…………………………………………… 85
• 4.3.3 Three Mode Control………………………………………… 89
• 4.4 요약………………………………………………………………… 93
• Ⅴ. 제안 DC-DC 배터리 충전기 ………………………………………95
• 5.1 배경 및 목적 ……………………………………………………… 95
• 5.2 제안 DC-DC 배터리 충전기의 회로 구성………………………… 98
• 5.3 제안 승강압 컨버터 ……………………………………………… 100
• 5.4 제안 승강압 컨버터의 모드해석 ………………………………… 102
• 5.4.1 CCM 동작 …………………………………………………… 104
• 5.4.2 DCM 동작 …………………………………………………… 109
• 5.5 제안 승강압 컨버터의 특성……………………………………… 112
• 5.5.1 입출력 전압 변환비 ………………………………………… 112
• 5.5.2 결합 인덕터 및 전류 리플 ………………………………… 116
• 5.6 제안 DC-DC 배터리 충전기의 제어 블록도…………………119
• 5.7 제안 DC-DC 배터리 충전기의 특성 …………………………… 122
• 5.7.1 입출력 전압 변환비 ………………………………………… 122
• 5.7.2 풀-브리지 스위치의 ZVS 특성……………………………… 122
• 5.8 설계 예시 ………………………………………………………… 124
• 5.8.1 설계 사양 ………………………………………………… 124
• 5.8.2 트랜스포머 설계 …………………………………………… 124
• 5.8.3 결합 인덕터 설계 …………………………………………… 126
• 5.9 모의실험 ………………………………………………………… 133
• 5.10 실험결과 ………………………………………………………… 138
• 5.11 요약 ……………………………………………………………… 143
• Ⅵ. 결론……………………………………………………………… 145
• Ⅶ. 향후계획………………………………………………………… 147
• 참고 문헌……………………………………………………………… 149
• Abstract ……………………………………………………………… 155
• Appendix Ⅰ. 결합 인덕터의 모델링………………………………… 158
• Appendix Ⅱ. 제안 DC-DC 배터리 충전기의 손실 분석…………… 161

참고문헌 (Reference)

1 김준호, "“전기자동차용 저전압 직류변환 장치 기술 동향”", 전력전자학회, 전력전 자학회지, 22권, 제 5호, pp 32-35, 2017

2 이아라, "“포워드-플라이백 컨버터의 소프트-스위칭에 관한 연구,”", 국민대학교, 국민대학교 일반대학원 공학박사학위논문, 2016

3 김희승, "“2차 측 능동 클램프 회로를 적용한 위상천이 풀-브리지 컨 버터에 관한 연구,”", 국민대학교 대학원, 국민대학교 대학원 공학박사학위논문, 2013

4 박준우, "“LLC 버스 컨버터를 사용한 2-단 컨버터를 위한 새로운 고효율 기술에 관한 연구,”", 국민대학교, 국민대학교 일반대학원 공학박사학위논문, 2016