듀얼 액티브 브릿지 컨버터의 넓은 전압 범위 운전을 위한 단일 펄스 폭 변조 방법

Abstract

재생 에너지원의 계통 연계 수요가 증가함에 따라 다양한 계통 연계 컨버터가 연구/개발되고 있다. 특히 직류 전원과 직류 계통 혹은 직류 부하 간의 대용량 전력 전달을 위한 컨버터의 필요가 증가하고 있으며, Dual-Active-Bridge (DAB) 컨버터는 대용량 양방향 전력 전달을 위한 절연형 DC/DC 컨버터로 주목을 받고 있다. DAB 컨버터는 두 개의 Full-Bridge 컨버터를 구성하고, 두 컨버터 사이에 변압기와 직렬 인덕터를 위치시킨다. DAB 컨버터는 직렬 인덕터에 인가되는 전압을 이용하여 전력을 전달하며, 직렬 인덕터에 인가되는 전압은 양 컨버터의 출력전압 위상 차로 조절할 수 있다. 전력을 제어하는 제어 변수는 위상 차 1개 만을 사용하기 때문에 전력 제어가 간단하다. 하지만 입/출력 전압 비가 1이 아닌 경우, 경부하 운전 시 Hard Switching으로 인한 높은 손실이 발생한다. 본 논문에서는 경부하 효율 개선을 위해 Modulation 방법을 제안한다. 경부하 손실 개선을 위한 Modulation 방법에 앞서 50kW급 DAB 컨버터의 설계 방법에 대해 설명한다. DAB 컨버터 설계 방법은 크게 세 가지로 구분 지을 수 있다. 첫째, 가변 전압 부하에서 Switching Loss를 최소화하는 변압기 권선 비를 설계한다. 둘째, 정격 전력을 전달하도록 하면서 제어 민감성을 완화하는 직렬 인덕턴스를 설계한다. 마지막으로 Step 부하 인가 시 전압 강하 및 전류 상승 분을 제한하는 컨버터의 직렬 캐패시턴스를 설계한다. 컨버터 설계 이후, 시뮬레이션을 통해 손실 분석을 진행하였다. 입력 전압이 가변하는 조건에서 부하 별 발생하는 손실을 확인하여 Switching Loss가 경부하 운전 시 효율에 가장 큰 영향을 미침을 확인하였다. 또한, 경부하 운전 시 발생하는 Hard Switching은 항상 전압이 상대적으로 낮은 LV Side에서 발생함을 확인하였다. LV Side에서 발생하는 Switching Loss 저감을 위해 Soft Switching 방법인 Zero Voltage Switching(ZVS)을 하도록 Modulation을 설계하였다. 이후 설계한 Modulation 방법인 Single Pulse Width Modulation을 1kW 급 축소 모델에 적용하여 실효성을 검증하였다.