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

국문 초록 (Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1 Introduction 1
• Chapter 2 Description of Target Converter System 6
• 2.1 Structure of Target Converter System (EV charging system) 6
• 2.2 Structure of Target Converter System (Battery Energy Storage System [BESS]) 10
• 2.3 Phase-staggering Operation of Coupled Inductor in Multi-phase Interleaved dc-dc Converter 13
• Chapter 3 Structure of Coupled Inductor 18
• 3.1 2-winding Coupled Inductor 16
• 3.2 n-winding Coupled Inductor 20
• Chapter 4 Modeling of Coupled Inductor 23
• 4.1 Modeling of 2-winding Coupled Inductor 23
• 4.2 Modeling of n-winding Coupled Inductor 28
• Chapter 5 Design of Optimized Coupling coefficient for Minimum Inductor Current Ripple 33
• 5.1 Optimized Coupling coefficient Design of2-winding Coupled Inductor 33
• 5.1.1 Under Buck Converter Mode 33
• 5.1.2 Under Boost Converter Mode 36
• 5.1 Optimized Coupling coefficient Design of n-winding Coupled Inductor and Generalization of Optimized Coupling coefficient Equation 39
• Chapter 6 Verification Results 46
• 6.1 Verification of 2-winding Coupled Inductor 46
• 6.1.1 Verification of 2-winding Coupled Inductor under buck converter mode 50
• 6.1.2 Verification of 2-winding Coupled Inductor under boost converter mode 58
• 6.2 Verification of 3-winding Coupled Inductor and Optimized Coupling coefficient of n-winding Coupled Inductor 67
• Chapter 7 Conclusions 80
• Future Work 82
• Appendix 86
• Appendix-A Detail Formula Expand and Assumptions for Analysis of Coupled Inductor 83
• Appendix-B Blueprint of Coupled Inductor 88
• Appendix-C Application of The Proposed Coupling Coefficient Equation to The Traction Battery Charging System 91
• Appendix-D Comparative Analysis of Dissertation and JPE Paper 94
• Appendix-E Mathematical and Experimental Data of 3-winding Coupled Inductor Current Ripple (Duty Vs. Coupling Coefficient) 96
• References 106