액티브 클램프 회로를 적용한 3.3kW급 대칭구조 양방향 플라이백 컨버터 설계 :Design of 3.3kW Symmetrical Bidirectional Flyback Converter with Active-Clamp Circuit

권혁민

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자료유형: 학위논문

저자정보: 권혁민 (명지대학교, 명지대학교 대학원)

지도교수: 이준영

발행연도: 2023

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이용수29

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

액티브 클램프 회로를 적용한 3.3kW급 대칭구조 양방향 플라이백 컨버터 설계

권혁민 전기공학과 2023.01 학위논문

2022

액티브 클램프 플라이백 컨버터를 이용한 3.3kW 양방향 OBC 설계

권혁민 , 공소정 , 최재혁 외 2명 전력전자학회 학술대회 논문집 2022.07 학술대회자료

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전세계적으로 탄소 배출에 대한 규제가 강화됨에 따라 내연기관을 사용하는 자동차들의 배기가스 규제도 강화되고 있다. 각국에서는 2030년 이후 내연기관 자동차의 판매금지 법안이 발의되고 있으며 이에 대응하기 위해 자동차 제조사들은 HV(Hybrid Vehicle), FCV(Fuel Cell Vehicle), EV(Electric Vehicle) 등의 다양한 친환경 자동차 개발에 집중하고 있다. 그중, 전기자동차에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 전기자동차 시장이 확대되면서 배터리 및 충전기 시장도 함께 확대되는 추세이며, 충전기 인프라 구축을 위한 배터리 충전기 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 이로 인해, 차량 탑재형 충전기(OBC: On-Board-Charger)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 차량의 배터리를 활용한 V2G(Vehicle to Grid), V2L(Vehicle to Load) 기술 활용을 위한 양방향 OBC 개발이 가속화되고 있다.
본 논문에서는 양방향 DC/DC 컨버터로 액티브 클램프 회로를 적용한 대칭구조 양방향 플라이백 컨버터를 제안한다. 기존 양방향 공진형 DC/DC 컨버터의 경우, 넓은 전압 범위에 대응 및 양방향 동일 이득 설계에 불리하다. 이를 보완하기 위해 비절연형 컨버터 추가, 공진 탱크 추가 등 부가 구조 및 공진 회로 추가 설계가 필요하다는 단점이 있다. 제안하는 컨버터는 대칭구조를 채택하여 양방향 이득 및 효율을 동일하게 달성할 수 있다. 또한, 부가적인 구조의 필요 없이 PWM 제어를 통해 넓은 입출력 전압 범위에 대응 가능하다. 제안하는 컨버터는 액티브 클램프 회로를 통해 기존 플라이백 컨버터의 단점인 변압기 누설 인덕턴스로 인한 스위치의 전기적인 스트레스를 해결하고 소프트 스위칭을 구현하였다. 최근 활발하게 출시되고 있고 가격이 낮아진 1200V급 SiC-FET를 사용하였으며, 소프트 스위칭이 가능하기 때문에 고주파 동작을 통해 컨버터 소형화 및 높은 효율을 달성할 수 있다.
제안하는 회로를 검증하기 위해 양방향 최대 전류 10A, 최대 부하 3.3kW의 시제품을 설계절차에 따라 구현하였다. 시험 결과, 스위칭 주파수 70kHz에서 정방향 최대 효율 97.67%, 역방향 최대 효율 97.66%을 달성하였다. 양방향 효율이 0.1% 내외의 차이를 보임으로써 양방향 동일 이득 설계를 검증하였으며, 100~450V의 넓은 출력 전압 범위에서 최대 3.3kW의 정상동작을 확인하였다. 따라서, 본 논문에서 제안하는 컨버터는 넓은 배터리 전압을 갖는 양방향 충전기의 또다른 대안이 될 수 있음을 검증하였다

Regulations on exhaust gas of automobiles using internal combustion engines are strengthened around the world along with regulations on carbon emissions. In each country, laws to ban the sale of internal combustion engine vehicles are being proposed after 2030. In response, automobile manufacturers are focusing on developing various eco-friendly vehicles such as hybrid vehicle (HV), fuel cell vehicle (FCV), and electric vehicle (EV). Interest in electric vehicles has increased significantly. The battery and charger market is expanding due to expansion of the electric vehicle market. The demand for battery chargers for building charger infrastructure is increasing explosively. Among them, research on on-board charger (OBC) is conducted actively. Bidirectional OBC to utilize vehicle grid (V2G) and vehicle load (V2L) technologies using vehicle batteries is accelerating.
In this paper, we propose a symmetrical bidirectional flyback converter with active-clamp circuit as a bidirectional DC/DC converter. In the case of existing bidirectional resonant DC/DC converters, it is disadvantageous to design for a wide voltage range and equal gain in both directions. To compensate for this, there is a disadvantage in that additional structures and resonant circuits such as adding a non-isolated converter and a resonant tank are required. The proposed converter can achieve the same bidirectional gain and efficiency by adopting a symmetrical structure. In addition, it is possible to respond to a wide input/output voltage range through PWM control without the need for an additional structure. The proposed converter solves the electrical stress of the switch due to the leakage inductance of the transformer, which is a disadvantage of the existing flyback converter, and implements soft switching through an active-clamp circuit. A 1200V class SiC-FET, which has recently been actively released and has a lower price, is used, and since soft switching is possible, the converter can be miniaturized and high efficiency can be achieved through high-frequency operation.
To verify the proposed circuit, a prototype with a maximum output current of 10A in both directions and a maximum load of 3.3kW was implemented according to the design procedure. As a result of the test, at a switching frequency of 70kHz, the maximum forward efficiency of 97.67% and the maximum reverse efficiency of 97.66% were achieved. Therefore, the bidirectional equal gain design was verified by showing a difference of approximately 0.1% in bidirectional efficiency. The maximum 3.3kW operation was confirmed in the output voltage range of 100-450V. Therefore, it has been verified that the converter proposed in this paper can be another alternative to a bidirectional DC/DC converter with a wide battery voltage.

#탑재형 충전기 #양방향 전력변환장치 #전기자동차 #V2G #V2L

그림목차 ⅲ
표목차 ⅶ
국문초록 ⅷ
제 1 장 서론 1
제1절 연구배경 1
1.1.1 전기자동차 시장 동향 1
1.1.2 양방향 DC/DC 컨버터 토폴로지 비교 분석 8
1.1.3 양방향 DC/DC 컨버터 토폴로지 제안 12
제2절 연구의 목적 13
제3절 논문의 구성 14
제 2 장 본론 15
제1절 제안하는 양방향 DC/DC 컨버터 분석 15
2.1.1 제안하는 양방향 DC/DC 컨버터 구조 15
2.1.2 제안하는 컨버터 동작모드 분석 17
제2절 제안하는 양방향 DC/DC 컨버터 설계 33
2.2.1 스위칭 주파수 및 변압기 선정 33
2.2.2 누설 인덕턴스 설계 37
제3절 제안하는 양방향 DC/DC 컨버터 제어기 설계 39
2.3.1 PI 전류 제어기 블록선도 39
2.3.2 양방향 제어 동작 순서도 40
제4절 설계한 양방향 DC/DC 컨버터 모의실험 및 손실분석 42
2.4.1 모의실험 42
2.4.2 손실분석 52
제5절 설계한 양방향 DC/DC 컨버터 제작 및 실험결과 53
2.5.1 하드웨어 설계 결과 53
2.5.2 실험파형 56
2.5.3 효율 65
2.5.4 100kHz 동작과의 효율 비교 71
2.5.5 기존 양방향 DC/DC 컨버터와의 비교 73
제 3 장 결론 75
참고 문헌 77
Abstract 79

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