공진을 이용한 전류원 양방향 DC-DC 컨버터의 손실 분석을 통한 효율 향상에 관한 연구 :A study on the efficiency improvement through loss analysis of current-fed Bi-directional DC-DC converter using a resonance

하은정

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자료유형: 학위논문

저자정보: 하은정 (성균관대학교, 성균관대학교 일반대학원)

지도교수: 원충연

발행연도: 2016

저작권: 성균관대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2016

공진을 이용한 전류원 양방향 DC-DC 컨버터의 손실 분석을 통한 효율 향상에 관한 연구

하은정 에너지시스템공학협동과정 2016.01 학위논문

2015

넓은 출력 전압 범위를 갖는 공진을 이용한 전류원 양방향 컨버터

하은정 , 노용수 , 오민석 외 2명 전력전자학회 학술대회 논문집 2015.07 학술대회자료

공진을 이용한 전류원 DC-DC 컨버터의 손실 분석

하은정 , 노용수 , 이순령 외 2명 한국조명·전기설비학회 학술대회논문집 2015.05 학술대회자료

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전기 자동차 및 연료전지 자동차의 전력 변환 장치는 고승압 및 고효율이 요구되며 배터리 어플리케이션 적용을 위하여 배터리를 충·방전 할 수 있는 양방향 전력 변환 장치가 필요하다. 이를 위하여 기존에는 고승압 어플리케이션에 전류원 컨버터가 주로 적용되었다. 이는 전압원 컨버터에 비하여 적은 권선비로 고승압이 가능한 장점을 갖는다. 하지만 기존의 전류원 컨버터는 스위치 턴-오프 시 변압기 누설 인덕턴스에 의하여 전압 및 전류 스파이크가 발생하여 스너버 회로 및 액티브 클램핑 회로와 같은 추가적인 회로 구성이 필요한 단점을 갖는다. 또한 하드 스위칭으로 인하여 효율 향상의 어려움이 있으며 동작 주파수가 제한되어 전력 밀도 향상에 어려움을 갖는다.
본 논문에서는 추가적인 회로 구성없이 공진을 이용한 전류원 양방향 컨버터를 제안한다. 제안하는 컨버터는 공진 소자 (공진 인덕터 Lr및 공진 커패시터 Cr)를 통하여 전압 스파이크 문제를 해결하였고 모든 스위치가 소프트 스위칭 조건을 만족하는 장점을 갖는다. 이로 인하여 제안하는 컨버터는 높은 주파수 영역에서 동작이 가능하므로 고효율 및 전력 밀도 향상이 가능하다. 하지만 제안된 전류원 양방향 컨버터가 공진 소자들의 파라미터 값에 의해 효율에 크게 영향을 받기 때문에 고효율 컨버터 설계를 위해선 적절한 공진 소자 설계가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 손실 분석을 통해 동작 시 손실을 최소화 할 수 있는 공진 소자 설계법을 제안하였다. 이를 위해 주 인덕터, 공진 인덕터 및 변압기에 발생하는 손실과 저전압단·고전압단 스위치의 도통 손실 등을 공진 소자에 따라 수식적으로 분석하였다. 손실 분석을 통해 제안된 컨버터는 고전압단 전류에 비해 저전압단 전류가 크므로 전체 손실의 주 손실은 저전압단 스위치에서 발생됨을 확인하였고 이를 고려하여 공진 소자에 따른 저전압단 스위치의 도통 손실이 최저인 공진 소자 선택 영역을 확인하였다. 또한 소프트 스위칭, 동작 듀티 범위 및 최대 스위치 전류 조건들을 고려하여 최적의 공진 소자를 설계하였다. 제안하는 컨버터의 효율 향상을 위한 설계법은 시뮬레이션 및 실험 결과를 통하여 타당성을 검증하였다.

Among the various step-up converter, a current-fed converter is more appropriate than a voltage-fed converter because of low current ripple and high step-up with same transformer turns ratio. Therefore, various current-fed step-up converters are proposed recently. Especially, a current-fed two-inductor boost converter (CF-TIBC) has been researched since it has the inherent merits of low input current ripple, high step-up capability and common ground gate drive. However, the CF-TIBC have some disadvantage for high efficiency and high power density. One of problems is high voltage and current spikes when switch is turned off due to leakage inductor of transformer. To solve this problem, additional circuit such as clamping and snubber circuit are demanded. Although clamping and snubber circuit assist in removing voltage and current spikes, the efficiency is reduced because of increment of circulating current through the components, which increases conduction losses at light load. Furthermore, it has the disadvantage that the number of components parts increase. Another problem is unavailable charged and discharged by one way power flow. Therefore, it is limited to adapt some application using battery. Also, operating frequency is very low, and the efficiency is also limited because of hard switching operation
In this paper, a current-fed two inductor bi-directional DC-DC converter using a resonance (CF-TIBCR) is proposed without additional circuit configuration. Using the resonant tank (resonant inductor Lr, resonant capacitor Cr), it has been designed to achieve soft switching condition and solved problem of voltage spike. Thus, CF-TIBCR is available to operate at high switching frequency and the efficiency of CF-TIBCR increase by achieving the soft-switching condition, which the zero voltage switching (ZVS) condition in switches of both sides and zero current switching (ZCS) condition in switches of low voltage side. However, design of resonant tank is need for design high efficiency converter since CF-TIBCR is affected by resonant components. Design of resonant tank considering the loss analysis is also helpful for increasing the efficiency. Thus, in this paper, design of resonant tank through loss analysis is proposed for minimize loss. In addition, the operation principle and steady state analysis of CF-TIBCR are performed for loss analysis. From the mode analysis, the power losses of the converter are derived. Through analyzed loss analysis, we checked main loss of CF-TIBCR is occurred by low voltage switch and design of resonant components considering conduction loss of low voltage switch, soft switching, operating duty ratio and switch peak current are proposed. The CF_TIBCR is verified by theoretical analysis, PSIM simulation and 500W laboratory prototype.

#전류원 컨버터 #양방향 컨버터 #듀얼 하프-브릿지 컨버터 #고효율 컨버터 #손실 분석

제1장 서론 1
1.1 연구배경 및 필요성 1
1.2 연구 동향 3
1.2.1 전압원 컨버터 및 전류원 컨버터 3
1.2.2 듀얼 하프-브릿지 컨버터 유도 과정 4
1.2.3 인덕터 커플링을 적용한 듀얼 하프-브릿지 컨버터 7
1.2.4 무손실 스너버를 적용한 듀얼 하프-브릿지 컨버터 8
1.2.5 멀티 공진 듀얼 하프-브릿지 컨버터 8
1.2.6 종래의 발표된 연구 논문 고찰 9
1.3 연구목적 및 방법 11
1.4 논문의 구성 12
제2장 공진을 이용한 전류원 양방향 컨버터 13
2.1 공진을 이용한 전류원 양방향 컨버터의 구성 14
2.2 스위칭 방식 15
2.2.1 하드 스위칭 15
2.2.2 소프트 스위칭 .16
2.3 공진을 이용한 전류원 양방향 컨버터의 동작 모드 18
2.3.1 승압 동작 19
2.3.1.1 모드 1 (t0
2.3.1.2 모드 2 (t1
2.3.1.3 모드 3 (t2
2.3.1.4 모드 4 (t3
2.3.2 강압 동작 28
2.3.2.1 모드 1 (t0
2.3.2.2 모드 2 (t1
2.3.2.3 모드 3 (t2
2.3.2.4 모드 4 (t3
2.3.3 전압 전달비 35
제3장 CF-TIBCR의 손실 분석 36
3.1 역병렬 다이오드의 도통 손실 37
3.2 스위치의 도통 손실 39
3.3 순환 전류에 의한 손실 41
3.4 자성체 손실 42
3.5 전체 손실 44
3.6 손실 분석 고찰 44
3.7 스위치 도통 손실을 고려한 공진 소자 선정 46
제4장 시뮬레이션 결과 49
제5장 실험 결과 55
5.1 시제품 구성 55
5.2 실험 결과 및 고찰 60
5.2.1 승압 동작 60
5.2.2 강압 동작 63
5.2.3 효율 66
5.2.4 실험 결과 및 손실 분석을 통한 효율 향상에 관한 고찰 67
5.2.4.1 손실 이론값 67
5.2.4.2 이론값과 실험값 비교 68
제6장 결론 69
참고문헌 71
ABSTRACT 75

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