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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 최세완
- 발행연도
- 2016
- 저작권
- 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수4
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환경오염과 에너지고갈이 심화됨에 따라 신재생에너지 개발이 활발히 진행되고 있다. 특히 태양전지와 연료전지를 이용한 발전시스템이 주목받고 있으며 이와 같은 신재생에너지는 불안정한 출력으로 인해 전력변환장치가 필수적이다. 전력변환장치는 절연형 DC-DC 컨버터와 인버터로 구성되어 있으며 절연형 DC-DC 컨버터는 넓은 입력 전압범위, 높은 승압비, 고효율, 저가격을 만족해야한다. 본 논문에서는 이러한 요구조건을 만족하는 무손실 스너버와 공진탱크를 이용한 소프트스위칭 절연형 DC-DC 컨버터를 제안한다.
첫째로 기존 절연형 DC-DC 컨버터를 용량에 따라 분류하여 기존 회로와 특징에 대해 기술하고, 기존의 단일스위치 DC-DC 컨버터와 다상 DC-DC 컨버터의 문제점과 한계에 대해 고찰한다.
둘째로 제안하는 소프트스위칭 단일스위치 절연형 DC-DC 컨버터에 대해 이론적 분석 및 실험결과를 제시한다. 제안하는 컨버터는 무손실 스너버와 변압기 2차측 공진탱크를 이용하여 전압 및 부하변동에 관계없이 스위치의 ZCS 턴 온 및 ZVS 턴 오프와 다이오드의 ZCS 턴 오프를 성취한다. 회로구성으로 인해 작은 자화 인덕터 전류를 가지며 이로 인해 변압기의 부피를 최소화할 수 있다. 제안하는 컨버터에 사용되는 무손실스너버는 매우 작은 정격을 갖도록 설계하기 때문에 저가격 및 고효율을 달성할 수 있다.
마지막으로 소프트스위칭 단일스위치 절연형 DC-DC 컨버터를 이용하여 고승압, 대용량에 적합한 소프트스위칭 다상 절연형 DC-DC 컨버터를 제안한다. 제안하는 다상 DC-DC 컨버터는 소프트스위칭 단일스위치 절연형 DC-DC 컨버터를 하나의 셀로 사용하여 입력을 P상으로 확장 후 스너버 인덕터를 공유한다. 이에 따른 인터리빙 효과로 입력 전류 및 출력 전압 리플이 감소하며, 클램프 커패시터와 출력 커패시터의 전류 정격이 감소하여 필터 부피를 줄일 수 있다. 제안하는 컨버터는 공통 접지를 사용하기 때문에 게이트 구동 회로가 간단하며 넓은 듀티 범위로 인해 부가적인 스타트업 회로가 필요 없는 장점이 있다. 또한 기본 셀의 특징과 동일하게 모든 스위치의 ZCS 턴 온 및 ZVS 턴 오프와 다이오드의 ZCS 턴 오프를 성취한다. 대용량이 요구되는 경우 출력단을 병렬로 연결하여 소자의 전류부담을 감소시킬 수 있고, 고승압이 요구되는 경우 출력단을 직렬로 연결하여 소자의 전압 정격 감소시킬 수 있어 효율이 증가하며 소자 선정이 용이하다.
본 논문에서는 250W급 이하의 소용량 응용에 적합한 소프트스위칭 단일스위치 절연형 DC-DC 컨버터의 설계방법을 제시하였으며 모의실험을 통해 성능을 확인하고, 250W 시작품을 통해 모듈집약형 PCS의 절연형 DC-DC 컨버터로 적합함을 확인하였다. 또한 5kW급 가정용 연료전지 PCS에 적합한 소프트스위칭 다상 절연형 DC-DC 컨버터의 설계방법을 제시하고 5kW급 시작품을 통해 최고 효율 96%를 달성하여 성능을 검증하였다.
첫째로 기존 절연형 DC-DC 컨버터를 용량에 따라 분류하여 기존 회로와 특징에 대해 기술하고, 기존의 단일스위치 DC-DC 컨버터와 다상 DC-DC 컨버터의 문제점과 한계에 대해 고찰한다.
둘째로 제안하는 소프트스위칭 단일스위치 절연형 DC-DC 컨버터에 대해 이론적 분석 및 실험결과를 제시한다. 제안하는 컨버터는 무손실 스너버와 변압기 2차측 공진탱크를 이용하여 전압 및 부하변동에 관계없이 스위치의 ZCS 턴 온 및 ZVS 턴 오프와 다이오드의 ZCS 턴 오프를 성취한다. 회로구성으로 인해 작은 자화 인덕터 전류를 가지며 이로 인해 변압기의 부피를 최소화할 수 있다. 제안하는 컨버터에 사용되는 무손실스너버는 매우 작은 정격을 갖도록 설계하기 때문에 저가격 및 고효율을 달성할 수 있다.
마지막으로 소프트스위칭 단일스위치 절연형 DC-DC 컨버터를 이용하여 고승압, 대용량에 적합한 소프트스위칭 다상 절연형 DC-DC 컨버터를 제안한다. 제안하는 다상 DC-DC 컨버터는 소프트스위칭 단일스위치 절연형 DC-DC 컨버터를 하나의 셀로 사용하여 입력을 P상으로 확장 후 스너버 인덕터를 공유한다. 이에 따른 인터리빙 효과로 입력 전류 및 출력 전압 리플이 감소하며, 클램프 커패시터와 출력 커패시터의 전류 정격이 감소하여 필터 부피를 줄일 수 있다. 제안하는 컨버터는 공통 접지를 사용하기 때문에 게이트 구동 회로가 간단하며 넓은 듀티 범위로 인해 부가적인 스타트업 회로가 필요 없는 장점이 있다. 또한 기본 셀의 특징과 동일하게 모든 스위치의 ZCS 턴 온 및 ZVS 턴 오프와 다이오드의 ZCS 턴 오프를 성취한다. 대용량이 요구되는 경우 출력단을 병렬로 연결하여 소자의 전류부담을 감소시킬 수 있고, 고승압이 요구되는 경우 출력단을 직렬로 연결하여 소자의 전압 정격 감소시킬 수 있어 효율이 증가하며 소자 선정이 용이하다.
본 논문에서는 250W급 이하의 소용량 응용에 적합한 소프트스위칭 단일스위치 절연형 DC-DC 컨버터의 설계방법을 제시하였으며 모의실험을 통해 성능을 확인하고, 250W 시작품을 통해 모듈집약형 PCS의 절연형 DC-DC 컨버터로 적합함을 확인하였다. 또한 5kW급 가정용 연료전지 PCS에 적합한 소프트스위칭 다상 절연형 DC-DC 컨버터의 설계방법을 제시하고 5kW급 시작품을 통해 최고 효율 96%를 달성하여 성능을 검증하였다.
목차
Ⅰ. 서 론 11. 연구 배경 및 필요성 12. 연구 목적 및 방법 43. 논문 구성 5Ⅱ. 기존 절연형 DC-DC 컨버터 61. 기존 능동 클램프 절연형 DC-DC 컨버터 92. 기존 단일스위치 절연형 DC-DC 컨버터 153. 기존 다상 절연형 DC-DC 컨버터 20Ⅲ. 무손실 스너버와 공진탱크를 이용한 소프트스위칭 단일스위치 절연형 DC-DC 컨버터 231. 회로 구성 및 특징 232. 동작원리 253. 입출력 전압변환 비 324. 컨버터 설계 375. 모의실험 466. 실험결과 50Ⅳ. 대전력 응용을 위한 소프트스위칭 다상 절연형 DC-DC 컨버터 571. 회로 구성 및 특징 572. 동작원리 및 인터리빙 효과 603. 공진소자 공차에 따른 영향 714. 컨버터 설계 745. 실험결과 78Ⅴ. 결 론 82참고문헌 84영문초록(Abstract) 89
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