우리나라가 2015년 파리 기후협약에 체결함에 따라 다양한 분야에서 이산화탄소 및 미세먼지 등 오염물질 배출을 감소시키려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 우리나라는 수송산업 분야에서 전기 및 수소를 이용한 친환경적인 수송수단의 연구 및 개발을 적극적으로 지원하고 있어 이와 관련된 연구가 활발히 진행 중이다.
2019년에 우리나라의 오염물질 배출의 사각지대였던 철도차량에 대한 오염물질 배출기준이 신설되면서 노후화된 디젤 철도차량을 대체하려는 연구가 진행 중이다. 특히 연소과정이 없으며 발전효율이 높은 수소연료전지를 이용한 하이브리드 철도차량에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 하지만, 아직 국내에서 수소연료전지를 이용한 철도차량이 개발 및 운행된 사례가 없으므로 해외에서 실제 운행중인 성공사례를 토대로 연료전지 철도차량의 시스템을 구성하는데 참고할 필요가 있다.
본 논문에서는 수소연료전지 철도차량의 시스템에서 연료전지의 전압을 입력받아 고압의 배터리를 충전하고, 철도차량 추진용 인버터에 전원을 공급하는 역할을 하는 DC/DC 컨버터의 최적 토폴로지 선정과 설계에 대해서 다룬다. 수소연료전지 철도차량은 가속, 감속, 계통연계의 3가지 운행패턴을 갖는데, DC/DC 컨버터는 3가지 운행패턴에서 모두 단방향 승압 동작을 한다. 따라서 본 논문에서는 단방향 승압형 컨버터 토폴로지를 비교한다. 반도체소자가 출력전압의 절반의 전압 스트레스를 갖는 장점인 3-레벨 부스트 컨버터와 반도체소자가 입력전류의 절반의 전류 스트레스를 갖는 장점인 2-레벨 인터리빙 부스트 컨버터를 비교하여 최적 토폴로지를 선정한다. DC/DC 컨버터의 사양은 아직 국내에서 상용화된 수소연료전지 철도차량이 없다는 점에서 해외의 개발 및 운행 중인 철도차량을 참고하여 선정하였다. 최종 선정된 사양은 입력전압은 600V, 출력전압은 1500V, 출력 전력은 250kW로 선정하였다. 본 논문에서는 250kW DC/DC 컨버터와 동일한 동적 특성을 갖는 20kW급의 축소형 컨버터를 개발함으로써 하드웨어와 제어기 설계 및 분석의 타당성을 검증한다. 따라서 본 논문의 20kW급 축소형 DC/DC 컨버터는 입력전압은 600V, 출력전압은 1200V, 출력 전력은 20kW로 축소하였으나, 유사한 동특성을 반영하여 250kW DC/DC 컨버터와 동일한 스위칭 주파수를 갖는다. 95% 이상의 효율을 만족하기 위해서 3-레벨 부스트 컨버터는 30kHz, 2-레벨 인터리빙 부스트 컨버터는 8kHz의 스위칭 주파수로 설계하였다. 2-레벨 인터리빙 부스트 컨버터는 높은 출력전압이 스위치에 인가되어 높은 스위칭 손실이 발생하기 때문에 8kHz로 설계하였으나, 3-레벨 부스트 컨버터는 출력전압의 절반이 스위치에 인가되어 상대적으로 스위칭 손실이 낮아 30kHz의 스위칭 주파수로 설계하였다.
본 논문에서는 20kW 용량을 갖는 3-레벨 부스트 컨버터와 2-레벨 인터리빙 부스트 컨버터를 최악조건에서 각 소자를 설계하고, 출력전압에 따른 컨버터의 손실분석을 통해 예상 효율을 도출했다. 다양한 시뮬레이션 모델을 통해 하드웨어와 제어기 설계의 타당성을 검증하였다. 특히, 제어기 설계시 디지털 제어기의 디지털 지연성분을 고려하여 설계되었고, 시뮬레이션을 통해 지연성분에 대한 이론적인 제어기 설계의 타당성을 검증하였다. 실제 하드웨어의 실험결과, 시뮬레이션을 통한 예상 손실과 실제 손실과의 오차는 1% 미만으로 나타나 손실분석의 타당성을 확인하였다. 2가지 토폴로지중에서 효율, 전력밀도, 동적 및 정적 성능을 비교해볼 때, 3-레벨 부스트 컨버터가 유리할 것으로 예상하였고, 실제 실험결과도 3-레벨 부스트 컨버터가 우수한 성능을 보여 컨버터의 설계와 분석의 타당성을 검증하였다. 특히, 3-레벨 부스트 컨버터의 전류 더블링 효과를 고려해 샘플링 주파수를 60kHz로 설계한 경우, 더 우수한 동적 성능을 보였다.
3-레벨 부스트 컨버터와 2-레벨 인터리빙 부스트 컨버터의 실험결과를 비교해 볼 때, 고효율과 고전력밀도, 우수한 동적 및 정적 특성을 갖는 3-레벨 부스트 컨버터를 최종 토폴로지로 선정하였다. 실험결과를 토대로 검증된 하드웨어 설계방법, 디지털 지연성분을 고려한 제어기 설계방법과 손실분석 및 다양한 시뮬레이션 모델을 활용하여 실제 250kW급의 DC/DC 컨버터를 설계하는데 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

As Korea entered into the 2015 Paris Climate Convention, studies are being actively conducted to reduce the emission of pollutants such as carbon dioxide and fine dust in various fields. In particular, Korea is actively supporting the research and development of eco-friendly transportation means using electricity and hydrogen in the transportation industry, and research related to this is being actively conducted.
In 2019, a new pollutant emission standard for railroad vehicles, which was a blind spot for pollutant emissions in Korea, was established, and research is underway to replace aging diesel railway vehicles. In particular, research on hybrid railway vehicles using hydrogen fuel cells with no combustion process and high generation efficiency is being actively conducted. However, since there are no railway vehicles using hydrogen fuel cells developed and operated in Korea, it is necessary to refer to constructing the railway vehicle system based on the successful cases operating in overseas.
In this paper, the optimal topology selection and design of DC/DC converter, which charges high-voltage battery by receiving the voltage of fuel cell in hydrogen fuel cell railway vehicle system and supplies power to inverter for propulsion of railway vehicle Deal with. Hydrogen fuel cell railway vehicles have three driving patterns of acceleration, deceleration, and grid connection. The DC/DC converter performs one-way step-up operation in all three driving patterns. Therefore, in this paper, we compare unidirectional step-up converter topology. The optimal topology is selected in a three-level boost converter, in which the semiconductor device has half the voltage stress of the output voltage, and in a two-level interleaving boost converter, in which the semiconductor device has half the current stress of the input current. The specification of DC/DC converter was selected by referring to the railroad cars that are developed and operated overseas because there is no commercially available hydrogen fuel cell railroad car. The final specifications were selected as input voltage 600V, output voltage 1500V, output power 250kW. In this paper, we verify the validity of hardware and controller design and analysis by developing a 20kW miniature converter with the same dynamic characteristics as a 250kW DC/DC converter. Therefore, the 20kW miniature DC/DC converter of this paper is reduced to 600V input voltage, 1200V output voltage, and 20kW output power, but has the same switching frequency as the 250kW DC/DC converter reflecting similar dynamic characteristics. To achieve over 95% efficiency, the 3-level boost converter is designed with a switching frequency of 30kHz and the 2-level interleaving boost converter with a switching frequency of 8kHz. The two-level interleaving boost converter is designed at 8kHz because a high output voltage is applied to the switch, resulting in high switching losses. Designed with switching frequency.
In this paper, the three-level boost converter with 20kW capacity and the two-level interleaving boost converter were designed under the worst condition, and the expected efficiency was derived through the loss analysis of the converter according to the output voltage. Various simulation models verify the validity of the hardware and controller design. In particular, the controller design was designed considering the digital delay components of the digital controller, and the validity of the theoretical analysis on the delay components was verified through simulation. As a result of the experiment of the actual hardware, the error between the estimated loss and the actual loss through the simulation was less than 1%, confirming the validity of the loss analysis. When comparing the efficiency, power density, dynamic and static performance among the two topologies, we expect a three-level boost converter to be advantageous. Was verified. In particular, considering the current doubling effect of the three-level boost converter, the sampling frequency was 60kHz, resulting in better dynamic performance.
Comparing the experimental results of the three-level boost converter and the two-level interleaving boost converter, the final topology was selected as a three-level boost converter with high efficiency, high power density, and excellent dynamic and static characteristics. Based on the experimental results, the hardware design method, the controller design method considering the digital delay component, the loss analysis and various simulation models are expected to be used to design the actual 250kW DC/DC converter.