Loosely Coupled Resonant DAB 컨버터의 효율적인 전력전달을 위한 단위 전류당 최대 출력 제어

Abstract

본 논문에서는 Loosely Coupled Resonant Dual-Active-Bridge(LCR-DAB) 컨버터의 효율적인 운전을 위한 Maximum Power Per Ampere(MPPA) 제어 방식을 제안한다. LCR-DAB 컨버터는 전력밀도 향상의 목적으로 활발하게 연구가 수행되고 있는 지능형 반도체 변압기(Solid-State Transformer, SST)를 구성하는 DAB 컨버터 내부 고주파 변압기를 대신하여, 2개의 무선 코일을 이용해 전력을 전달하는 전력변환장치이다. 일반적인 DAB 컨버터는 내부 고주파 변압기의 전력 주파수가 수~수십[kHz]이므로, 상용 AC 변압기에 비해 부피를 감소시킬 수 있어, 전력밀도를 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다. 하지만 부피가 감소한 만큼 1-2차 권선 간의 간격이 줄어들기 때문에 높은 절연 성능을 확보하는 것에 한계가 존재한다. 반면에, LCR-DAB 컨버터는 무선 코일간에 물리적 간격을 가지므로, 보다 쉽게 높은 절연 성능 확보가 가능하다. 그러나 LCR-DAB 컨버터는 일반적인 DAB 컨버터의 전력 제어 방식인 고정 주파수의 Phase-Shift Modulation(PSM)을 이용한 전력 제어기를 구성하는 경우, LCR-DAB 컨버터의 입력 임피던스 특성에 의해 부하에 관계없이 정격의 전류가 지속적으로 흐르는 문제가 있다. 본 논문에서는 이를 극복하기 위한 방법으로 LCR-DAB 컨버터의 입력 임피던스의 특성을 분석하여, 부하에 따른 최소의 전류가 흐르도록, 컨버터의 동작 주파수와 2차측 컨버터 출력 전압의 위상을 동시에 가변하는 MPPA 제어 방식을 제안하고 제안 내용의 타당성 검증을 위해 실험을 진행하였다.|This paper proposes the Maximum Power Per Ampere (MPPA) control method for the efficient operation of the Loosely Coupled Resonant DualActive-Bridge (LCR-DAB) converter. The LCR-DAB converter uses two wireless coils to deliver power instead of the high-frequency transformer inside the DAB converter that constitutes the Solid-State Transformer (SST). Since the power frequency of the high-frequency transformer inside the general DAB converter is several to several tens [kHz], the high-frequency transformer has the advantage of being able to reduce the volume compared to the general AC transformer, thereby improving the power density. However, as the volume is reduced, the high-frequency transformer is the limit to securing high insulation performance between first and second windings. On the other hand, since the LCR-DAB converter has physical distances between the wireless coils, using the LCR-DAB converter makes it easier to ensure high insulation performance. However, when the LCR-DAB converter uses Phase-Shift Modulation (PSM), which is the power control method of the general DAB converter, due to the input impedance characteristics of the LCR-DAB converter, the rated current flows regardless of the load. This paper, as the method to overcome this problem, proposes the MPPA control that simultaneously changes the operating frequency of the converter and the phase of the secondary output voltage by analyzing the input impedance characteristics of the LCR-DAB converter. In addition, an experiment was performed to verify the validity of the proposal.