화석 에너지의 고갈에 따른 대체에너지원의 필요성과 동시에 지구 온난화와 환경문제가 심각히 대두됨에 따라 풍력, 태양광, 연료전지 등 신재생 에너지에 의한 전력 생산과 활용방안에 대한 연구개발이 지속적으로 이루어져 오고 있다. 또한 태양광 및 풍력 등의 신재생 에너지원에 배터리와 같은 에너지 저장장치를 부가하여 보다 신뢰성이 높고 안정적인 전력생산이 가능한 전력변환시스템에 관한 연구들이 주를 이룬다. 최근 양방향 컨버터를 필요로 하는 응용분야가 점차 증가하고 있으며, 일반적으로 충전장치로 양방향 DC-DC 컨버터를 사용한다.
배터리를 이용한 에너지 저장을 목적으로 사용하기 위해서는 DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터인 전력변환 시스템이 필수적이다. 하지만 계통연계를 위해 저 전압을 승압시키거나 배터리 충?방전을 위해 강압하기 위한 DC-DC 컨버터의 낮은 효율은 시스템 전체의 효율을 감소시키는 큰 문제가 된다. 따라서 시스템의 효율을 높이기 위해서는 기존의 DC-DC 컨버터가 갖는 손실을 최소화하여 높은 효율을 달성하는 DC-DC 컨버터의 연구가 필요하다.
전력변환시스템을 비롯한 각종 전력기기의 소형?경량화 및 고효율화를 위해 고속?대용량 반도체 소자의 사용이 일반화되고 있다. 그러나 스위칭 소자의 스위칭 속도나 용량이 증가할수록 스위칭 손실은 전체 시스템의 효율에 적지 않은 영향을 미치게 되며, 그 결과 스위칭 손실의 저감을 위해 영전압 스위칭(ZVS), 영전류 스위칭(ZCS), 영전압?영전류 스위칭(ZVZCS), 영전압 천이 스위칭(ZVT) 및 영전류 천이 스위칭(ZCT)과 같은 여러 스위칭 방식이 제안되고 있다.
일반적으로 영전압 스위칭(ZVS) 방식의 경우 턴-온 손실이 줄어드는 장점이 있어 턴-온 손실이 큰 MOSFET과 같은 다수 캐리어 반도체 소자에 적합한 반면, 영전류 스위칭(ZCS)방식의 경우 턴-오프 손실이 줄어드는 특징이 있어 꼬리전류(tail current)가 있는 IGBT와 같은 소수캐리어 반도체 소자에 적합하다. 한편 영전압?영전류 스위칭(ZVZCS) 방식의 경우는 단일 전력 변환장치 내에서 영전압과 영전류 방식을 혼합하여 사용하는 방식으로 풀 브리지와 같은 대 전력 장치에 주로 응용되고 있으며, 최근 다각적으로 연구되는 영전압 천이 스위칭(ZVT)과 영전류 천이 스위칭(ZCT)은 주 스위치 턴-온 또는 턴-오프 시 보조 스위치를 함께 동작시켜 경부하시에서도 강제적으로 영전압 및 영전류 스위칭이 가능하게 함으로써 전 부하 범위에서 효율 향상을 꾀하고 있다.
기존의 양방향 DC-DC 컨버터는 하드 스위칭을 하기 때문에 스위칭 손실이 발생한다. 그러므로 시스템 효율을 저하시키며 스위칭 손실의 증가로 인하여 스위칭 주파수를 높이지 못하므로 수동 소자의 부피가 커진다.
따라서 본 논문에서는 BESS에 적용할 수 있는 준 공진 보조 회로를 이용한 ZVT 양방향 DC-DC 컨버터를 제안하였다. 제안된 ZVT 양방향 DC-DC 컨버터는 기존의 ZVT Boost 컨버터에 하나의 커패시터와 두 개의 다이오드를 스위치로 변경하여 구성된 보조 회로를 추가한 형태이다. 사실 ZVT 구조에서 보조 스위치는 하드 스위칭으로 턴-오프 되지만 직렬로 연결된 인덕터와 커패시터의 공진에 의해 주 스위치는 온, 오프 동작 시 스위치에 인가되는 전압이 영전압 상태가 된다. 따라서 컨버터를 구성하는 주 스위치는 소프트 스위칭 조건에서 동작하기 때문에 스위칭 동작에 의해 발생하는 손실을 줄일 수 있고, 주 다이오드는 역 회복 현상이 없어지므로 컨버터의 효율을 높일 수 있다는 장점이 있다.
본 논문에서는 제안된 ZVT 양방향 DC-DC 컨버터를 기존 ZVT Boost 방식을 단순화하여 양방향으로 구현하였으며, 일반적인 양방향 컨버터의 하드 스위칭 동작으로 인한 문제점을 극복하였다. 제안된 ZVT 양방향 컨버터의 동작 및 특성을 분석하였고, 시뮬레이션, 실험, 효율 측정 및 손실 분석을 통해 제안된 시스템의 타당성을 검증하였다.

Recently, solar energy generation system with BESS(Battery Energy Storage System) and electric vehicle come into the spotlight due to environmental pollution. The system need bidirectional DC-DC converter of high efficiency, small and lightweight. In general, power conversion system implements the system''s compact and lightweight that can be obtained by increasing the switching frequency. However, by increasing the switching frequency, in proportion to the switching losses occur. Thus, limit factor of increasing switching frequency and overall system efficiency is reduced as factor. Therefore, high power density and efficiency of the entire system to improve with increasing the switching frequency is essential for reducing the switching losses. For this purpose, switching transients and to reduce switching losses occur in the resonant converters for a variety has been active in the study.
For example, to overcome the above shortcomings, ZVT(Zero Voltage Transition) and ZCT(Zero Current Transition) methods are proposed. ZVT and ZCT methods are that switches are turning on and turning off under zero voltage and zero current condition through using resonance. The ZVT and ZCT methods can be applied to the conventional bidirectional DC-DC converter through adding auxiliary circuit to the converters.
Since the switches of a conventional bidirectional DC-DC converter are operated under hard switching condition, the high operational efficiency cannot be acquired from the conventional converter due to the switching losses. Moreover, using high switching frequency to reduce the size and weight of the converter is difficult. In order to overcome these drawbacks, auxiliary switches are added to conventional ZVT converter because the auxiliary switches help the main switches operating under soft switching condition. However, unlike the operation of the main switches, the auxiliary switches are operated under hard switching condition. Thus, the efficiency of the bi-directional converter using auxiliary switches couldn’t be improved significantly.
In this thesis, ZVT bidirectional DC-DC converter with auxiliary circuit was proposed. The proposed ZVT bidirectional DC-DC converter consists of additional resonant capacitor, change the two diodes to switch. In fact, the structure of the ZVT, the auxiliary switch is turned off hard switching. But, through using the additional switching and passive devices, main switches are operated under ZVS condition. Therefore, switching losses were reduced. Also, main diode is a advantage without reverse recovery phenomenon. It is a implemented as a simple bidirectional ZVT structure, the biggest advantage.
Through theoretical analysis, the operating principle of the proposed converter was testified, and through the simulation and experimental results, and efficiency measurement were performed to verify the validity of the proposed converter.