최근 화석 연료의 고갈 및 환경 문제로 인해 신재생에너지에 대한 관심이 급증하고 있다. 국내에서 수소연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 수소연료전지차에 대한 연구개발에 박차를 가하고 있다. 수소연료전지차는 초기 시동 시 연료 전지 스택 활성화를 위한 전력 공급을 요구한다. 기존 수소연료전지차에서는 고전압 배터리를 활용하여 연료 전지 스택 활성화를 수행하였으나, 원가 상승 및 개발의 어려움이 존재한다. 이러한 배경으로 저전압 배터리를 활용한 연료 전지 스택 활성화에 대한 연구가 요구되었고, 이를 위하여 BLDC(Bidirectional Low Voltage DC/DC Converter) 개발에 대한 연구가 본 연구에서 진행되었다. 본 논문에서는 Buck./Boost 컨버터와 LLC 공진형 컨버터 직렬 구조를 갖는 BLDC의 고효율 및 고밀도 연구의 일환으로 양방향 CRM Buck/Boost 컨버터 디지털 제어 기법에 대한 연구 내용을 발표한다.
양방향 Buck/Boost 컨버터는 그 동작을 위하여 모든 전력반도체 소자에 MOSFET을 적용하고, 정류 동작시 MOSFET의 바디 다이오드 또는 동기 정류기 모드를 사용한다. 양방향 Buck/Boost 컨버터가 CCM(Continuous Conduction Mode) 동작을 사용하여 구동될 경우 바디 다이오드의 역회복전류로 인해 MOSFET 내부의 기생 BJT가 도통되는 문제가 발생한다. 기생 BJT가 도통될 경우 MOSFET의 항복 전압이 50-60% 감소하는 문제가 있다. 이 문제를 극복하기 위해서는 높은 항복 전압을 갖는 전력반도체 소자를 사용하거나, 역회복 시간이 매우 짧은 SiC 전력반도체 소자를 사용하는 방법이 있다. 하지만 두 방법 모두 비용이 증가한다는 문제가 있다. 이러한 양방향 Buck/Boost 컨버터의 CCM 동작에서의 문제점을 개선하기 위하여 CRM(Critical Conduction Mode) 동작을 적용한다. CRM 동작의 경우 바디 다이오드가 영전류에서 turn off 되기 때문에 역회복전류가 발생하지 않아 기생 BJT 도통 문제가 발생하지 않으며, ZVS(Zero Voltage Switching) 또는 valley switching을 동작을 통해 스위칭 손실을 저감하여 고효율 방안에도 적합하다. CRM 동작 구현을 위한 전용 아날로그 controller IC가 존재하지만 역률 개선 용도로 제작되어왔으며, 기존의 디지털 CRM 동작 컨버터에 관한 연구 또한 양방향 동작을 적용한 연구는 진행되지 않았다.
본 논문에서는 수소연료전지차를 위한 BLDC 연구의 일환으로 양방향 CRM Buck/Boost 컨버터 디지털 제어 기법에 대한 연구결과를 발표한다. 기존의 아날로그 CRM 컨버터의 단점을 개선한 제어 방법과 양방향 동작을 위한 추가 회로를 제시한다. 또한 ZVS 및 valley switching 동작 최적화 dead time 설계 방안, 스위칭 주파수 제한 방안, 디지털 시지연을 고려한 전류 제어기 설계 방안을 제시한다. 설계의 타당성을 검증하기 위하여 입력 260-430V, 출력 160-240V, 1kW의 정격 용량을 갖는 Si-MOSFET 기반의 양방향 CRM Buck/Boost 컨버터와 SiC-MOSFET 기반의 양방향 CCM Buck/Boost 컨버터를 각각 설계하고, 프로토 타입을 제작하여 성능을 비교한다. Si-MOSFET 기반의 CRM Buck/Boost 컨버터는 정격 부하 조건에서 Buck 동작 최대 99.6%의 효율과 Boost 동작 최대 98.7%의 효율을 달성하였다. 전압 및 부하 조건에 따른 효율의 편차가 존재하지만 SiC-MOSFET 기반의 CCM Buck/Boost 컨버터와 동일한 성능을 보임을 확인하였다.

Recently, interest in renewable energy is rapidly increasing due to depletion of fossil fuels and environmental problems. Research on hydrogen fuel cells is being actively conducted in Korea, and in particular, research and development for hydrogen fuel cell vehicles are being accelerated. A hydrogen fuel cell vehicle requires power supply to activate the fuel cell stack during initial startup. In the conventional hydrogen fuel cell vehicle, a high voltage battery is used to activate the fuel cell stack, but there are difficulties in cost increase and development. Based on these backgrounds, a study on the activation of a fuel cell stack using a low voltage battery is required, and for this purpose, a study on the development of a BLDC(Bidirectional Low Voltage DC/DC Converter) is conducted in this study. In this paper, as a part of a high-efficiency and high-density study of BLDC with Buck/Boost converter and LLC resonant converter series structure, research on bidirectional CRM Buck/Boost converter digital control technique is presented.
The bidirectional buck/boost converter applies MOSFETs to all power semiconductor devices for its operation and uses the MOSFET''s body diode or synchronous rectifier mode during rectification. When the bidirectional buck/boost converter is driven using CCM (Continuous Conduction Mode) operation, the reverse recovery current of the body diode causes a problem that the parasitic BJT inside the MOSFET conducts. When the parasitic BJT conducts, there is a problem that the breakdown voltage of the MOSFET is reduced by 50-60%. In order to overcome this problem, there is a method of using a power semiconductor device having a high breakdown voltage or a SiC power semiconductor device having a very short reverse recovery time. However, both methods have a problem in that the cost increases. In this paper, the bidirectional Buck/Boost converter applies CRM(Critical Conduction Mode) operation to improve the problem in the CCM operation. In case of CRM operation, since the body diode is turned off at zero current, no reverse recovery current occurs, so there is no parasitic BJT conduction problem. ZVS (Zero Voltage Switching) or valley switching is used to reduce switching loss, making it suitable for high-efficiency schemes. Although there is a dedicated analog controller IC for implementing CRM operation, it has been manufactured for the purpose of improving power factor. Also, studies on the existing digital CRM operation converter and the study of applying bidirectional operation have not been conducted.
In this paper, as a part of BLDC research for hydrogen fuel cell vehicles, it presents the research results of the bidirectional CRM Buck/Boost converter digital control method. This paper presents additional circuit for a control method and a bidirectional action that improves the shortcomings of conventional analog CRM converter. In addition, this paper presents a dead time design method optimizing ZVS and valley switching operation, a switching frequency limitation method, and a current controller design method considering digital delay. In order to verify the feasibility of the design, this paper designs a Si-MOSFET-based bidirectional CRM Buck/Boost converter and a SiC-MOSFET-based bidirectional CCM Buck/Boost converter with input 260-430V, output 160-240V, and 1kW rated capacity to compare the performance respectively by making both of prototypes. The Si-MOSFET-based CRM Buck/Boost converter achieves an efficiency of up to 99.6% in Buck operation and 98.7% in Boost operation under rated load conditions. Although there is a difference in efficiency according to voltage and load conditions, it is confirmed that SiC-MOSFET-based CCM Buck/Boost converter demonstrates the same performance.