전역통과 필터를 이용한 위상천이 영전압ㆍ영전류 풀-브릿지 DC/DC 컨버터 제어 = Control of the phase-shift ZVZCS full-bridge DC/DC converter using an all-pass filter

국문 초록 (Abstract)

오늘날 산업이 발달함에 따라 산업현장에서는 높은 전력밀도와 변환 효율을 가진 전력변환장치를 요구하는 분야가 많아졌다. 현재 개발 중인 차세대 고속철도 역시 이러한 분야 중 하나로서 고효율 및 고성능 그리고 고밀도의 전력변환 장치가 필요하다. 차세대 고속철도용 보조전원장치는 주변압기의 보조전원 권선(380Vac)으로부터 전력을 공급받아 열차의 성능에 직접적인 영향을 주는 주전력 변환장치, 견인전동기, 열차제어장치 등과 여객의 편의성에 영향을 주는 냉난방전원, 조명장치의 전원을 공급한다. 보조전원장치는 AC/DC 컨버터, DC/AC 인버터 그리고 배터리 충전장치로 구성되며 이 중 배터리 충전장치는 고압의 직류 보조전원(670Vdc)을 저압의 직류전원(80V)으로 변환하여 객차 및 동력차에 필요한 직류전원을 안정하게 공급하고 배터리 충전장치의 고장 발생 시 제어장치나 안전에 직결된 가장중요 한 부하에 전원을 공급하는 배터리의 최적 충전상태를 유지하는 역할을 한다.
본 논문에서는 차세대 고속철도에 사용 될 배터리 충전장치의 새로운 제어방식을 제안한다. 배터리 충전장치용 위상천이(PB;Phase shift) ZVZCS 컨버터는 크게 1차 측 보조회로를 갖는 방식과 2차 측 보조회로를 가지는 방식으로 분류할 수 있다. 본 논문에서 적용한 컨버터는 2차 측 보조회로를 가지는 ZVZCS 컨버터로서 수동소자인 다이오드와 커패시터로만 이루어져서 회로구현이 간단하고 제작비용이 저렴하다는 장점이 있다. 따라서 본 논문에서는 2차 측에 보조회로를 가지는 ZVZCS 컨버터를 사용하여 디지털 전역통과필터(All-pass filter)를 이용한 전압제어를 하였다. 디지털 전역통과필터를 이용한 제어는 기존의 Phase shift 전용IC를 사용한 방식과는 다르게 마이크로컨트롤러를 사용하여 제어를 하기 때문에 제어가 간단해지고 비용을 줄일 수 있다는 장점을 가진다. 그리고 제안된 알고리즘을 확인하기위해 Powersim사의 Psim 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션 하였고, 1kW 축소모델을 제작하여 이론을 검증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the industrial field, high power density and high conversion efficiency have been required in the power converters according to the rapid growth of industry. In this context, the next generation High Speed Train(HST) requires power converter which has high-efficiency, high-performance and high-density. In this paper, the new control technique for battery charger used for the next generation HST is proposed.
The first Korean High Speed Train, called Korea Train Express (KTX), launched December 1999 and operated at 300km/h. The next generation Korean High Speed Train designed to operate at Maximum speed 400km/h and to run speed 350km/h. Electrical Power System of Korean High Speed Train consists of main power supply, auxiliary power supply. The auxiliary power supply consists of AC-DC converters for generating 670VDC power, Auxiliary inverters and Battery Charger. The battery charger using for the high speed train supplies continuous DC low power to the Static inverter(SIV) and traction inverter using the input power. It is not only supplied to DC load, but also charge the battery and used to maintain charged state of the battery. So the safty and reliable battery charger is very important on high speed train.
The phase shift Zero-Voltage-Zero-Current-Switching(ZVZCS) converter is classified according to position of resonant circuit which is located in the primary side or secondary side. In this paper, we control the voltage applied to all-pass-filter using ZVZCS converter which has resonant circuit in the secondary side. We use the microcontroller to control the ZVZCS converter in contrast with conventional analog IC. To verify the proposed topoloty, the simulation and experiment are performed by using PSIM and 1kW experimental set-up.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1-1. 연구배경 및 필요성 1
• 1-2. 논문구성 3
• 제2장 보조전원장치의 구성 4
• 제3장 ZVZCS DC/DC 컨버터 5
• 3-1. ZVZCS phase shift full bridge PWM 컨버터 5
• 3-2. 영전압 스위칭 원리 6
• 3-3. ZVZCS PS-FB DC/DC 컨버터의 종류 12
• 3-4. 1차 측 보조회로를 가지는 ZVZCS 컨버터 14
• 3-5. 2차 측 보조회로를 가지는 ZVZCS 컨버터 16
• 제4 적용된 배터리 충전장치 18
• 4-1. 적용된 배터리 충전장치 18
• 4-2. 동작모드 해석 19
• 제5장 디지털 전역통과필터 39
• 5-1. 전역통과필터 39
• 5-2. 전역통과필터를 적용한 제어블록도 39
• 5-3. 전역통과필터의 디지털 구현 41
• 5-4. 디지털 전역통과필터의 동작원리 43
• 제6장 시뮬레이션 45
• 제7장 컨버터 실험 51
• 제8장 결 론 56
• 참고문헌 58
• ABSTRACT 60