ZVS 조건에서 전류 첨두값을 최소로 하는 DAB 직렬 인덕턴스 설계

Abstract

최근, 지능형 반도체 변압기 Solid State Transformer (SST)를 이용하여 대규모 그리드 통합을 구성하는 방안이 이슈로 떠오르고 있다. 양방향 전력 변환이 가능한 절연형 DC/DC 컨버터는 SST의 구성 중 전력 전달을 위한 필수적인 요소이다. 양방향 절연형 DC/DC 컨버터로는 여러 구조가 제안되어 연구되고 있으며, 그 중 Dual Active Bridge(DAB) 컨버터는 간단한 구조로 인해 많은 주목을 받고 있다. DAB 컨버터의 전력은 1/2차측 풀-브릿지 컨버터의 출력 전압 위상 차이에 의해 결정된다. DAB 컨버터를 구동하는 가장 간단한 방법으로 Phase Shift Modulation(PSM)을 사용하며 이 제어 방법은 1/2차측 직류단 전압의 크기가 같을 경우에만 Turn-on 시 Zero Voltage Switching (ZVS)을 만족하는 한계점을 가지고 있다. 일반적으로 시스템의 1차측, 2차측 전압과 정격 출력, 스위칭 주파수와 변압기의 턴 비는 이미 정해져 있기 때문에 정격 출력에서 위상 천이의 정도는 인덕턴스에 의해 결정된다. 넓은 출력 영역에서 ZVS를 만족하기 위해서는 인덕터를 크게 설계하여야 한다. 반면에 정격부하에서 고효율을 내기 위해서는 인덕터에 흐르는 전류의 첨두값을 낮추어야 하고, 이를 위해서는 인덕턴스를 작게 설계해야 한다. 인덕터가 작아지는 것은 컨버터의 전력 밀도, 가격, 경량화 측면에서도 강점을 갖는다.

본 논문에서는 스너버 캐패시터를 고려한 새로운 ZVS 영역을 만족하면서 전류 첨두값을 최소로 하는 직렬 인덕턴스 설계 방법을 제안하며 설계한 직렬 인덕턴스와 스너버 캐패시터 공진을 고려한 Dead-time 설계 방법도 함께 제안한다. 또한 DAB 1/2차측 직류단 전압의 크기가 같지 않을 경우에는 Turn-on 시에도 Hard-Switching이 발생하기 때문에 양단 직류단 전압 비율에 따른 ZVS를 만족하며 전류 첨두값을 최소로하는 직렬 인덕턴스 설계 방법도 제안한다. 시뮬레이션을 통해 스너버 캐패시터의 전압이 ZVS를 만족하는지 확인하며 스너버 캐패시터에 의해 감소된 Turn-off 손실을 구하며 실험을 통하여 제안한 설계 방법의 타당성을 검증하고자 한다.