저 시-비 리-동 조건 경허락 2.0 한민

는 아래 조건 르는 경 에 한하여 게

l 저 물 복제, 포, 전송, 전시, 공연 송할 수 습니다.

l 차적 저 물 성할 수 습니다.

다 과 같 조건 라야 합니다:

l 하는, 저 물 나 포 경 , 저 물에 적 허락조건 확하게 나타내어야 합니다.

l 저 터 허가를 러한 조건들 적 지 않습니다.

저 에 른 리는 내 에 하여 향 지 않습니다.

것 허락규약(Legal Code) 해하 쉽게 약한 것 니다.

Disclaimer

저 시. 하는 원저 를 시하여야 합니다.

비 리. 하는 저 물 리 적 할 수 없습니다.

동 조건 경허락. 하가 저 물 개 , 형 또는 가공했 경에는, 저 물과 동 한 허락조건하에서만 포할 수 습니다.

碩 士 學 位 論 文

3kW 3상 연형 인터리 드

양방향 DC-DC 컨버터 해석 설계

忠南大學校 大學院

電氣工學科 電力 自動化 攻

强 泰 燮

指 敎授 車 翰 周

2011年 2月

3 kW 3상 연형 인터리 드

양방향 DC-DC 컨버터 해석 설계

指 敎授 車 翰 周

이 論文을 工學碩士學位

請求論文으로 提出함

2010年 10月

忠 南 大 學 校 大 學 院

電氣工學科 電力 自動化 攻

强 泰 燮

强泰燮의 工學碩士 學位

請求論文을 認准함

2010年 12月

委員長 .

委 員 .

委 員 .

忠 南 大 學 校 大 學 院

-i-

목 차

표목차 ⅳ

그림목차 ⅴ

제 1장 서 론 1

1.1 연구 배경 1

제 2장 3상 능동 클램 류형 DC-DC컨버터 3

2.1 컨버터의 구성 3

2.2 컨버터 PWM 동작 4

2.3 Flyback방식 채용 5

2.4 3상 능동 클램 류형 DC-DC컨버터 구 12

2.4.1 DSP2808 12

2.4.2 FPGA(EPM 7128) 16

2.4.3 DC-DCconverter보드 구성 17

2.4.4 시작품 DC-DCcoonverter제작 17

2.5 실험결과 19

2.5.1 Flyback기동실험 19

2.5.2 부하변동 실험 형 20

2.5.3 스 치 써지 압 측정 22

2.5.4 출력 압 제어 24

2.5.5 클램 압 측정 25

2.5.6 온도측정 26

-ii-

2.5.7 효율측정 27

2.5.8 3상 계통연계실험 28

제 3장 1kW 3상 인터리 드 양방향 DC-DC컨버터 30

3.1 부스트 모드 30

3.1.1 부스트 모드 PWM 동작 방법 31

3.1.2 3상 인터리 드 부스트 컨버터 시뮬 이션 32

3.1.3 3상 인터리 드 부스트 컨버터 시작품 구 33

3.1.4 3상 인터리 드 부스트 컨버터 실험 35

3.1.5 3상 인터리 드 부스트 압 달비 분석 39

3.2 벅 모드 41

3.2.1 벅 모드 PWM 동작 방법 43

3.2.2 3상 인터리 드 벅 모드 시뮬 이션 44

3.2.3 3상 인터리 드 양방향 컨버터 시작품 구 45

3.2.4 3상 인터리 드 양방향 컨버터 벅 모드 실험 47

3.2.5 3상 인터리 드 양방향 컨버터 벅 모드 압 달비 51

제 4 장 3kW 3상 인터리 드 양방향 DC-DC 컨버터

설계 53

4.1 3kW 컨버터 설계 개요 53

4.2 PCB설계 53

4.3 입력 인덕터 설계 55

4.4 설 인덕터 설계 59

4.5 3kW 변압기 설계 61

4.5.1 컨버터 동작 조건 62

-iii-

4.5.2 단상 변압기에 인가된 압, 류 분석 62

4.5.3 변압기 Core선정 66

4.5.4 턴수 결정 66

4.5.5 Wireselection 67

4.6 설계한 양방향 컨버터 PSIM 시뮬 이션 68

4.7 3kW 양방향 컨버터 실험 71

제 4장 결 론 75

참고 문헌 76

ABSTRACT 79

-iv-

표 목 차

표 2.1 모드변화에 따른 Duty와 출력 압 Vo 10

표 2.2 부하 변화에 따른 Vds써지 압 24

표 2.3 부하 변화에 따른 출력 압 (Vout) 24

표 2.4 클램 압 측정표 25

표 2.5 부하별 효율 측정 27

표 3.1 부스트 컨버터 라미터 32

표 3.2 3상 인터리 드 부스트 컨버터 압 달비 40

표 3.3 벅 모드시 컨버터 라미터 44

표 4.1 출력 력 3kW 시 컨버터 동작 조건 62

표 4.2 입력 압에 따른 계산 시뮬 이션에서의 듀티 값 64

표 4.3 3kW 부하 용량 시 입력 압에 따른 쇄교자속 값 65

표 4.4 CoreEE7091C기본사양 66

표 4.5 CoreEE7091C세부사양 66

표 4.6 단상 변압기 1,2차측의 류, 압 력 값 70

표 4.7 3상 컨버터 입력 출력 값 70

표 4.8 양방향 컨버터 실험 라미터 72

-v-

그 림 목 차

그림 2.1 연료 지용 3상 류형 능동클팸 DC-DC컨버터 3

그림 2.2 스 칭 신호 입력 류 Id,스 치 류 Is1,

변압기 선 류 IA 4

그림 2.3 flyback방식을 채용한 컨버터 등가회로 5

그림 2.4 동작 상태에 따른 PWM 방법 6

그림 2.5 flyback모드일 때의 컨버터 7

그림 2.6 Sc오 ,S1∼ S6온일 때의 컨버터 회로 7

그림 2.7 Sc온,S1∼ S6오 일 때의 컨버터 회로 8

그림 2.8 flyback기동시 입력 류,출력 압 10

그림 2.9 TMS320F2808내부 기능 블록도 14

그림 2.10 DSP2808PCB거버 일 15

그림 2.11 DSP2808모듈 앞면 16

그림 2.12 DSP2808모듈 뒷면 16

그림 2.13 스 칭 신호의 생성 과정 16

그림 2.14 시작품 DC-DCconverterPCB 18

그림 2.15 시작품 DC-DCconverter 18

그림 2.16 Flyback기동시 입력 류(Ch1),출력 압(Ch2) 형 19

그림 2.17 P:600W,출력 압(Ch3),입력 류(Ch4) 형 20

그림 2.18 P:700W,출력 압(Ch3),입력 류(Ch4) 형 21

그림 2.19 P:800W,출력 압(Ch3),입력 류(Ch4) 형 21

그림 2.20 P:500W,입력 류(Ch1),Vds(Ch3) 형 22

그림 2.21 P:700W,입력 류(Ch1),Vds(Ch3) 형 23

-vi-

그림 2.22 P:800W,입력 류(Ch1),Vds(Ch3) 형 23

그림 2.23 출력 압 regulation그래 25

그림 2.24 부하별 클램 압 그래 26

그림 2.25 부하별 온도변화 그래 26

그림 2.26 부하변화에 따른 효율 변화 그래 27

그림 2.27 3상 계통연게 실험 구성도 28

그림 2.28 연료 지 출력 압 류,DC링크단 압 류 29

그림 3.1 3상 인터리 드 방식 부스트 컨버터의 등가회로 30

그림 3.2 3상 인터리 드 부스트 컨버터의 스 칭 PWM 압

류 형 31

그림 3.3 부스트 컨버터 시뮬 이션 결과 형. 압측 AB상간 압

(Vab), 압측 A상 류(ia),클램 스 치 류 (iSc1). 33

그림 3.4 3상 인터리 드 부스트 컨버터의 스 칭 신호 생성 과정 34

그림 3.5 1kW 3상 인터리 드 부스트 컨버터 시작품 34

그림 3.6 3상 인터리 드 부스트 컨버터 실험세트 블록다이어 그램 35

그림 3.7 컨버터 3상 출력 류ia(ch1),ib(ch2) ic(ch3).

(D=0.68,Vi=26V,Vo=370V,Po=1kW) 36

그림 3.8 고압측 출력 압 vab(ch1),선 류 ia(ch2) 클램 류

iSc1(ch3).(D=0.68,Vi=26V,Vo=370V,Po=1kW) 37

그림 3.9 인터리 드 방식이 용된 컨버터 입력 류 ii(ch1)와 3상

입력 인덕터 류 iL1(ch2),iL2(ch3),iL3(ch4).

(D=0.68,Vi=26V,Vo=370V,Po=1kW) 37

그림 3.10 주 스 치 S1ZVS턴온 형.vGS1(ch1),iS1(ch3).

(D=0.68,Vi=26V,Vo=370V,Po=1kW) 38

-vii-

그림 3.11 3상 인터리 드 부스트 컨버터의 각 부하별 효율 39

그림 3.12 듀티비 변화에 따른 압 달비 그래 40

그림 3.13 벅 모드 시 3상 양방향 DC-DC컨버터 등가회로 42

그림 3.14 3상 인터리 드 벅 컨버터 등가회로 42

그림 3.15 벅 모드 시 컨버터의 주요 압 류 형 43

그림 3.16 벅 모드 시뮬 이션 결과 형.고압측 A,B상간 압 (VabH),

압측 A상 류(iaH),상단 주 스 치 류 (iT1) 45

그림 3.17 3상 인터리 드 벅 모드 시 스 칭 신호 생성 과정 46

그림 3.18 1kW 3상 인터리 드 양방향 컨버터 47

그림 3.19 A,B상간 압,A상 류,상단 스 치 T1 류,

vabH (ch1),iaH (ch2),iT1(ch4),P:500W 48

그림 3.20 변압기 고 압 측 A선 류 iapH (ch1),A상 류 iaH (ch2),

상단 스 치 T1 류 iT1(ch4),P:500W 48

그림 3.21 벅모드 시 상단 스 치 T1의 ZVSturn-on 형,

vG1(ch1),i1(ch2),P:1kW 49

그림 3.22 벅모드 시 하단 스 치 T4의 ZVSturn-on 형,

vG4(ch1),i4(ch2),P:1kW 49

그림 3.23 벅 모드시 스 치 T1의 계이트 압 vG1(Ch1),A상 고 압

측 선 류 iapH (ch2) 압 측 선 류 iapL(ch4) 50

그림 3.24 벅 모드시 각 상의 벅 인턱터 류 형 50

그림 3.25 벅 모드시 각 부하별 효율 51

그림 3.26 듀티비 변화에 따른 압 달비 그래 52

-viii-

그림 4.1 3kW 인터리 드 양방향 컨버터 -제어부 54

그림 4.2 3kW 인터리 드 양방향 컨버터 -Boost 워부 54

그림 4.3 3kW 인터리 드 양방향 컨버터 -Buck 워부 55

그림 4.4 3상 인터리 드 방식의 이상 류 형 56

그림 4.5 스 칭 한주기 동안의 압측 A상 이상 류 형 60

그림 4.6 출력 력에 따른 설 인덕턴스 그래 61

그림 4.7 A상 변압기 압측 상 압 vab,상 류 iap,선 류 ia 형 63

그림 4.8 설계한 변압기를 용한 부스트 모드 시뮬 이션 결과 형

(Vin:40.8,Vout:400V,Duty:0.654Po:3kW) 69

그림 4.9 설계한 라미터를 용한 벅 모드 시뮬 이션 결과 형

(Vin:400,Vout:48V,Duty:0.526,Po:3kW) 70

그림 4.10시작품 3kW 3상 인터리 드 양방향 DC-DC컨버터 71

그림 4.11 부스트 모드 시 변압기 압측 각 상간 압 형.Vab(ch1),

Vbc(ch2),Vca(ch3)(D=0.62,Vin=40.8,Vo=380,Po=1.7kW)73

그림 4.12 부스트 모드 시 변압기 압측 Vab(ch1),Iap(ch2) 형.

(D=0.62,Vin=40.8,Vo=380,Po=1.7kW) 73

그림 4.13 벅 모드 시 변압기 고압측 각 상간 압 형.VabH(ch1),

VbcH(ch2),VcaH(ch3),(D=0.58,Vin=380,Vo=48,Po=2kW) 74

그림 4.14 벅 모드 시 변압기 고압측 VabH(ch1),IapH(ch1),

(D=0.58,Vin=380,Vo=48,Po=2kW) 74

- 1 -

제 1장 서 론

1.1연구 배경

최근 격한 산업화의 결과로 지구 온난화에 따른 환경 괴와 자원 고

갈 문제를 해결하기 해 친환경 인 에 지원과 발 방식에 한 연구

가 활발히 진행되고 있다.이 가운데 태양 ,풍력,연료 지 등을 에

지원으로 하는 환경 친화형 발 방식에 한 심이 높아지고 있다.특

히 연료 지는 높은 에 지 효율,친환경 , 소음,시스템 구축이 용이

해 설치장소의 제약이 고 상시발 이 가능한 장래성 있는 신·재생 에

지원이다. 연료 지 종류 고체고분자연료 지(PEMFC; Polymer

ElectrolyteMembraneFuelCellsorProtonExchangeMembraneFuel

Cells)은 고체고분자막을 이용하여 수소와 산소 연료의 기화학 반응

을 통해 기에 지를 생성하고 부산물로 열에 지와 물을 생성하는 발

형태로 시스템의 단순성과 높은 력 도를 갖는다.그러나 분극 상

에 따른 손실로 비선형 이며,각 셀의 결합방법에 따라 보통 26~72

Vdc의 낮은 출력 압의 특성을 보인다.연료 지의 압 출력 특성으

로 인해 220V,60의 력계통에 연계하여 발 하기 해서는 반드시

고효율 력변환기로 발 시스템을 구성하여야 한다.연료 지발 시스

템은 생산된 력을 상용 교류 원계통에 효과 으로 연계해 주기 한

DC-DC컨버터와 DC-AC인버터로 구성된다[1].인버터에 의해 DC-AC

변환하기 해서는 낮은 연료 지 출력 압을 dc-링크 370Vdc정도로

승압해 주는 dc-dc 컨버터가 필요하다[2].DC-DC 컨버터로는 단상

DC-DC컨버터가 많이 사용되고 있지만 정격의 제한으로 인해 력에

합하지 못하는 단 이 있다.따라서 정격 증가에 따른 력 변환에

합한 3상 방식의 dc-dc컨버터 연구가 이루어지고 있다[3-7].3상 시

스템을 채용함으로써 력 도가 증가하며,유효 동작 주 수가 3배 증

가함으로써 입력 류 출력 압 리 이 감소한다.그리고 스 치에

흐르는 류의 실효값이 감소하고,변압기이용률이 향상된다.이러한 3상

컨버터의 이 에도 불구하고 컨버터의 내부 류가 불연속 모드로 작동

- 2 -

하는 단 이 있어 이를 해결하기 해 입력 부스트 인덕터 3개를 채용하

으며,이로 인한 인터리 드 작동으로 인한 류 리 경감 ZVS를

동시에 얻을 수 있는 새로운 방식의 DC-DC 컨버터가 연구되고 있다

[8]-[12].인터리 드 방식이 용된 컨버터는 연료 지 출력에 해로운

류리 의 감소 는 같은 류리 크기 비 입력 부스트 인덕터 크

기의 경감, 류 연속동작 모드에 의한 스 치,변압기 인덕터에서의

류 실효값 감소에 따른 도통손실 감,삼상 능동 클램 의 작용에 의

한 압서지의 경감 스 칭 노이즈 감소,입력 부스트 컨버터 구조의

용으로 연형 승압 변압기의 권선비 감소 등등의 장 이 있다.그러

나 실제 교류 원 계통에서는 연료 지의 압, 류 특성과 격

한 부하변동에 따른 dc-link단 압변동은 연료 지 발 시스템에서의

불안정한 력공 문제를 래하여 시스템에서 요구하는 효율 성능

을 만족시킬 수 없다.연료 지 특성을 고려한 컨버터가 고려되어야 하

며,승압 동작하는 부스트 모드와 강압 동작하는 벅 모드로 동작하는 양

방향 DC-DC컨버터가 그 안이 되고 있다[13].양방향 DC-DC컨버터

는 낮은 압을 높은 압인 dc-link 압으로 승압할 때 부스트 모드로

동작하며[8]-[12],부하가 증가할 때 배터리의 에 지를 이용하여 안정된

력 공 이 이루어지게 한다.반 로 연료 지 시스템 부하가 감소할

때 력 달 방향이 dc-link단 에서 배터리로 향하게 되는데 이때 컨버

터는 벅 모드로 동작하며,배터리에 에 지를 충 하게 된다.따라서 부

하 변 상황에도 안정된 력 공 이 이루어지게 하기 해 부스트 모드

와 벅 모드에서 우수한 성능을 입증되어야한다[16].이러한 장 으로 인

하여 본 컨버터는 낮은 압의 연료 지 출력과 높은 입력 압이 요구되

는 상용 원 연계용 인버터 사이의 력 변환기로써 매우 합할 뿐만

아니라 배터리 는 태양 지 등과 같이 낮은 출력 압 특징을 갖는 에

지원을 높은 압으로 변환해 주는 력용 컨버터로 확장하여 용

할 수 있다[16]. 한 이 컨버터의 변압기 결선 형태 출력 정류회로

구조에 변화를 주어 보다 높은 승압비를 갖는 컨버터로의 응용이 가능하

다.본 논문에서는 3상 류형 능동 클램 DC-DC부스트 컨버터 실험

과 3상 인터리 드 방식의 부스트 컨버터 양방향 컨버터를 제작 하

으며 동작 해석 실험을 통하여 확인하 다.

- 3 -

제 2장 3상 능동 클램 류형 DC-DC컨버터

2.1컨버터의 구성

그림 2.1연료 지용 3상 류형 능동클램 DC-DC컨버터

연료 지의 정격 출력 압은 약 DC26∼72V 이므로 교류 원계통

연계를 해서는 인버터 입력 압으로 어도 370Vdc정도의 dc-link

압이 필요하다.따라서 연료 지의 출력 압을 승압하기 해

DC-DC컨버터가 필수 이다[1].본 컨버터는 3상 시스템을 채용하여 단

상 비 3상 력 달에 의해 력 도가 증가하며,유효 동작 주 수

가 3배 증가함으로써 입력 류 출력 압 리 이 감소하는 효과를

얻었다.그리고 스 치에 흐르는 류의 실효값이 감소하고,변압기 이용

률이 향상된다[14].이와 같은 장 으로 인해 3상 류형 능동 클램

DC-DC컨버터는 연료 지의 낮은 출력 압과 인버터 입력단의 dc-

링크 단의 높은 DC 압을 승압하는데 하다.그림 2.1은 본 컨버터

의 회로를 나타낸다.

- 4 -

2.2컨버터 PWM동작

그림 2.2스 칭 신호 입력 류 Id,스 치 류 Is1,

변압기 선 류 IA

그림 2.2은 PWM 방법과 그에 따른 형을 나타낸다.[16,17].6개의 주

스 치가 모두 켜지면 입력 인덕터에 에 지가 장되며,이 때 증가하

는 류의 기울기는 인덕턴스와 입력 압에 의해 결정된다.그리고 3개

의 주 스 치가 꺼질 때,3개의 스 치는 켜진 상태로 유지되며,이 스

치를 통해 류가 변압기로 흐르고,다시 3상 변압기와 3상 정류기를 통

해 부하로 에 지가 달된다.

컨버터에 흐르는 류 형에 따라 동작을 구분하 고 각 동작에 한

해석을 실시하 다.

- 5 -

2.3Flyback방식 채용

그림 2.3flyback방식을 채용한 컨버터 등가회로

3상 류형 능동 클램 DC-DC컨버터의 경우,구조 으로 과 류와

원의 단락에 한 보호 등의 장 이 있다.하지만,기동시 클램 압

과 출력 압의 차로 인해 스 치 변압기 권선에 큰 단락 류가 흐

르는 단 이 있다.따라서 컨버터가 정상 으로 동작하기 해서는 기

기동시 출력 압이 확립되어야 하며,그 값은 2차 측으로 환산한 변압

기 1차측의 입력 압보다 작으면 안 된다.그러므로 입력 인덕터에 부

가 으로 2차 권선을 감아서 라이백 방식으로 출력 압을 확립하는

방법을 용하 다.

- 6 -

(a)기동시 PWM 방법

(b)정상상태에서 PWM 방법

그림 2.4동작 상태에 따른 PWM 방법

그림 2.4(a)는 3상 류형 능동 클램 DC-DC컨버터를 기동하기

한 PWM방법을 나타낸다.기동시 컨버터는 능동 클램 라이백 컨버

터로 동작한다.6개의 주 스 치가 켜지면 입력 인덕터에 류가 흐르고,

에 지가 장된다.주 스 치가 모두 꺼지면서 클램 스 치가 켜지면,

라이백 방식을 통해 입력 인덕터의 2차 권선에 류가 흐르고,출력

측으로 에 지가 달된다.

- 7 -

그림 2.5flyback모드일 때의 컨버터

그림 2.6Sc오 ,S1∼ S6온일 때의 컨버터 회로

그림 2.5는 flyback모드일 때 류가 흐르지 않는 회로를 제거한 간

략화된 컨버터 회로도이고,그림 2.4의 PWM 방법으로 스 칭한다.그

림 2.6은 Sc온,S1~S6오 일때의 컨버터 회로도이고,이 때에는 Ldc에

에 지가 충 되고,Ldc2차측에는 코일 감은 방향과 Df다이오드로 인해

류가 흐르지 않는다.

- 8 -

그림 2.7은 Sc온,S1~S6오 일 때 의 컨버터 회로도 이며 이때에는

Id의 류가 감소하고 이에 따라 Ldc2차측의 류는 Df방향으로 증가

하는 형태로되어 출력 캐패시터 Co에 충 되어 압이 상승한다.

그림 2.7Sc온,S1∼ S6오 일 때 의 컨버터 회로

와 같은 원리로 출력 캐패시터 Co에 압이 충 되며,듀티와 출력

압의 계식은 다음과 같이 유도된다.

(2.10)

여기서 D는 듀티비,nF는 입력 인덕터와 라이백 권선의 권선비이다.

주 스 치 S1~S6에 가해지는 압 스트 스는 클램 압과 같다.

(2.11)

기동시 듀티가 0부터 증가하여 0.5가 되면 출력 압은 다음과 같다.

- 9 -

(2.12)

권선비는 22:176임으로 이론상 입력 압 26Vdc의 8배가 되는 208V

까지 출력 압이 형성된다.그 이후에 그림 2.4(b)의 3상 류형 능동

클램 dc-dc컨버터의 PWM 방법으로 스 칭 한다.기본 동작 방법은

다음과 같다.DTS 구간에서 6개의 주 스 치가 모두 켜지면 입력 인덕

터에 에 지가 장된다.그리고 (1-D)TS 구간에서 3개의 주 스 치가

꺼지면 나머지 3개의 주 스 치를 통해,3상 변압기와 3상 정류기를 거

쳐 출력 측으로 에 지가 달된다.능동 클램 회로는 주 스 치 오

시 변압기의 설 인덕턴스에 장된 에 지에 의해 리지 압에 서지

가 발생하는 것을 막아 다.출력 압은 다음과 같다.

(2.13)

부스트 컨버터 동작시 주 스 치 S1∼S6양단에 가해지는 압 스트

스는 변압기의 1차 측으로 환산한 출력 압과 같다.

(2.14)

3상 류형 능동 클램 dc-dc컨버터의 기동 방법을 시뮬 이션을

통해 확인하 다.기동시 기 듀티는 0부터 0.5까지 20msec동안 증가

한다.이 때 컨버터는 개루 로 제어되며,입력 인덕터의 라이백 권선

을 통해 출력 측으로 력이 달된다.출력 압 Vo가 어느 정도 확립

되면 폐루 제어를 통해 컨버터는 정상 상태로 동작하며,출력 압

입력 류를 일정하게 유지하게 된다.

- 10 -

그림 2.8flyback기동시 입력 류,출력 압 형

표 2.1모드 변화에 따른 Duty와 출력 압 Vo

flyback기동 openloop closedloop

Duty 0→ 60% 60% → 45% 45% → 44%

Vo 0∼ 250V 250V∼ 380V 382V

그림 2.8은 flyback으로 기동한 후 오 루 로 일정 압까지 상승시

킨후 클로즈 루 로 환하기 까지의 입력 류와 출력 압을 도시한 것

이다.출력 압이 상승하기 시작한 구간부터가 스 치 턴온한 시간이고,

입력 류가 튀는 부분까지 flyback모드로 동작한 부분이다.Ldc의 권

선비로 인해 flyback모드에서 상승할 수 있는 출력 압이 한계가 있고,

이론 으로 Duty0.5일 때 208V 으나 실험에서는 Duty 0.6까지 상

- 11 -

승시켜 260V 까지 상승하 다.flyback모드로 출력 압을 260V 까지

상승시킨후 Duty0.45의 오 루 로 넘어가게 되는데,Duty0.45에서

안정화된 출력 압은 DC380V이다.이때 DC260V와 DC380V의 차

이만큼 입력 류가 상승하게 되고 그림 3.8에서 입력 류가 튀게 된

원인이다.입력 류가 40A 정도까지 순간튀었으나 트립 벨 80A 와

Mosfet한계 류 용량에 충분한 여유가 있으므로 큰 문제가 되지 않는

다.출력 압센서로 측정해서 DSP가 인식한 출력 압이 DC380V 근

처로 안정화 되면 클로즈 루 로 넘어가게 된다.

- 12 -

2.43상 능동 클램 류형 DC-DC컨버터 구

2.4.1DSP2808

메인 CPU는 TMS320F2808을 사용하 다. 2808은 TI(Texas

Instruments)사에서 종래의 TMS320F24x,TMS320F240x의 뒤를 이어

심 을 기울여 제작한 32비트 고속 DSP로 100MIPS고속 처리 능력,풍

부한 내부 자원(12비트 고속 A/D 변환기, 풍부한 메모리

(Flash-ROM=64K x16,SRAM=18K x16),2개의 SCI(비동기 통신 포

트),CAN 통신,4개의 SPI) 등이 있어서 특히 모터 제어 시스템에 많이

응용되고 있다.

(1)DSP2008보드 사양

TMS320F2808의 개략 인 특징을 살펴보면 다음과 같다.

고성능 32비트 DSP

-100MHz(10ns)처리 속도

- 압(1.8VCore,3.3VI/O)동작

-3.3VFlashProgramming 압

-JTAG지원

-4M 선형 Program/Data공간 리

- 소비 력 동작 모드 지원:IDLE,STANDBY,HALT

내부 메모리

-64Kx16FlashROM

-1Kx16OTPROM

-L0,L1:2개의 4Kx16SARAM

-H0:8K x16SARAM

-M0,M1:2개의 1Kx16SARAM

-BOOTROM(4Kx16):Bootmode,표 수식 table

- 13 -

-128bitSecurityKey/Lock:불법 복제 방지 기능

외부 인터페이스(F2808)

- 체 1M 역까지

-Programmable웨이트 상태

-ProgrammableRead/WriteStrobe타이

-3개의 선택 신호

- 주변 보조 장치

-PLL기능

-WatchDog타이머 기능

-43개의 외부 인터럽트

-2조의 Motor제어 장치 :EVA,EVB

-통신 장치:SPI,SCI(2개),CAN,McBSP

-A/D변환기 :12비트,16채 ,2채 동시 Sample/Hold,고속 변환시간

(160ns/6.25MSPS)

-범용 I/OPort:최 35개

F2808는 외부 인터페이스 신호가 나와 있어 외부 메모리나 I/O확장이

가능하며 100package로 되어 있어 소형 보드 제작에 유리하다. 한 명령

처리속도는 100MHz동작 시에 10nsec의 고속 연산이 가능하다.내부 메

모리의 크기는 18K워드(16비트)이고,FlashROM은 64K워드로 소형 제

어기의 설계에 충분한 로그램 공간을 가지고 있다.

한편, 류 압 검출을 한 A/D변환기는 분해능이 12비트 이며,

3상 PWM 출력과 입력 처리가 가능한 3조의 ePWM 장치와 비동기 통신

(2개),CAN 통신,SPI통신,WDOG,32비트 타이머(3개),McBSP통신,

56개의 I/O핀 등의 유용한 입출력 장치를 내장하고 있다.그림 2.9는 본

연구의 메인 CPU로 사용되고 있는 TMS320F2808의 내부 기능 블록도를

나타내고 있다.

- 14 -

그림 2.9TMS320F2808내부 기능 블록도

이 에서 PWM1∼ PWM6은 부분 3상 인버터의 제어를 하여

워 모듈과 연결된다. 한 별도의 외부 메모리 없이 내부 메모리상에서

로그램을 수행하도록 설계 되어 있으며,내부의 수행되는 연산등과 아날로

그 데이터의 확인을 해 SPI통신포트를 이용하여 모듈에서는 DA컨버

- 15 -

터에 이용하 다. 한 내부 AD컨버터를 류와 압을 측정할 수 있도

록 외부 핀으로 연결하 다.

(2)DSP2808PCBgerberfile

앞장에서는 회로의 구성을 확인하 다.이 회로를 토 로 모듈을 만들었

다 첫 번째로 PCB아트웍을 수행하 다.거버 일은 그림 2.10과 같으며

여기서 모듈의 크기와 소자들의 부품배치를 확인할 수 있다.

그림 2.10DSP2808PCB거버 일

(3)DSP2808모듈 사진

앞에서 언 된 거버 일을 가지고 PCB를 제작 하 다.그림 2.11과 그

림 2.12는 DSP2808모듈의 그림이다.

- 16 -

그림 2.11 2808모듈 앞면 그림 2.122808모듈 뒷면

2.4.2FPGA (EPM7128)

그림 2.13스 칭 신호의 생성 과정

그림 2.13에 스 칭 신호의 생성 과정을 나타내었다.3상 류형 능동

클램 dc-dc컨버터의 스 칭 신호는 주 스 치와 클램 스 치를 합

쳐 총 7개가 있어야 한다. 한 스 칭을 해 DSP에서 7개의 기본

- 17 -

스 칭 신호를 만든 후 FPGA(EPM7128)에서 논리 게이트를 통해 신호

를 히 변형한다. DSP로부터 입력된 7개의 스 칭 신호를

FPGA(EPM7128)에서 변형시켜 최종 스 칭 형을 만들어낸다.그리고

8비트 카운터를 이용하여 스 치의 압 스 칭을 이루기 해 주 스

치와 클램 스 치 사이에 데드타임(deadtime)을 용한다.그리고

주 스 치와 클램 스 치 사이에 데드타임을 용하여 MOSFET의

압 스 칭을 이루도록 하 다.PCB 구성은 그림 2.13의 스 칭 신호

의 생성 과정을 고려하여 제작하 다.

2.4.3dc-dcconverter보드 구성

3상 류형 능동 클램 DC-DC컨버터는 디지털 신호 처리기 (DSP

: TMS320F2808),EPM7128,게이트 드라이버 부분,DC-DC컨버터,입

력 류 출력 압 센서,트립 발생 부분,A/D컨버터 입력 부분으로

구성되어 있다.

2.4.4시작품 dc-dcconverter제작

3상 류형 능동 클램 DC-DC컨버터를 제작하 고 그림 2.14와 같

다.제작된 PCB 는 Mosfet(IRF4227),입력 류센서,출력 압센서,클

램 회로,게이트드라이버(IR21064),FPGA,DSP제어보드 등으로 구성

되어 있다.

그림 2.15는 dc-dc컨버터 구성 사진이며,DC-DC컨버터 보드와 3

상 변압기,3상 정류기,입력 인덕터 Ldc,flyback기동 다이오드와 출력

부하 등으로 구성되어 있다.

- 18 -

그림 2.14시작품 DC-DCconverterPCB

그림 2.15시작품 DC-DCconverter

- 19 -

2.5실험 결과

2.5.1Flyback기동 실험

그림 2.16Flyback기동시 입력 류 (Ch1),출력 압 (Ch2) 형.

그림 2.16은 flyback으로 기동한 후 오 루 로 일정 압까지 상승시

킨후 클로즈 루 로 환하기까지의 입력 류와 출력 압을 은 형

이다. flyback방식으로 기동 후 openloop로 일정 압까지 상승시킨 후

closedloop로 정상 으로 모드변환이 이루어지면서 안정 인 동작을 하

는 것을 확인할 수 있다.앞 에서 flyback기동방법을 이론 으로 설명

한 바와 같이 동일한 동작을 보임을 확인 하 다.

- 20 -

2.5.2부하변동 실험 형

정상 인 flyback기동을 확인 한 후,출력 부하 증가에 따른 컨버터

동작을 확인 하 다.실험은 입력 압 DC26V,출력 압 DC370V를

기 으로 하여 100W 단 로 부하를 증가시켰다.

그림 2.17은 600W 부하에서의 출력 압 DC380V와 입력 류 형이

며,스 치 DTs동안 류가 증가하고 (1-D)Ts동안에는 류가 감소

하는 정상 인 류 형을 보인다.그림 2.18은 700W 이고 그림 2.19는

800W 부하일 때 형이다.각각의 부하증가 형으로 볼 때 정상 으로

동작하고 있는 것을 확인하 다.

그림 2.17P:600W,출력 압(Ch3),입력 류(Ch4) 형

- 21 -

그림 2.18P:700W,출력 압(Ch3),입력 류(Ch4) 형

그림 2.19P:800W,출력 압(Ch3),입력 류(Ch4) 형

- 22 -

2.5.3스 치 써지 압 측정

PWM 신호 온-오 사이에 Vds 압이 인가되는 기에 써지가 발생

하게 되고,이 써지 압이 Mosfet한계 압을 넘으면 고장이 발생한다.

이러한 고장을 막기 해 실험 단계에서 각 출력부하별 써지 압 형을

찰하고 기록하 고,측정된 압은 문제가 발생하지 않는 압이다.그

림 2.20은 500W,그림 2.21은 700W,그림 2.22은 800W 일 때의 Vds이

고,표 2.2는 각각의 출력부하에서의 Vds써지 압의 크기를 기록한 것이

다.

그림 2.20P:500W,입력 류(Ch1),Vds(Ch3)

- 23 -

그림 2.21P:700W,입력 류(Ch1),Vds(Ch3)

그림 2.22P:800W,입력 류(Ch1),Vds(Ch3)

- 24 -

표 2.2부하 변화에 따른 Vds써지 압

출력부하(W) Vds써지 압(V)

400 130

500 160

600 170

700 160

800 160

2.5.4출력 압 regulation

그림 2.23은 표 2.3의 각 부하별 출력 압 수치를 그래 로 나타낸 것

이다.기 제어 출력 압 380V로 지정하 으면 부하변동에 따른 실제

제어 출력 압은 약 +0.8%,-0.91% 이내로 안정 인 제어가 이루어지고

있음을 확인하 다.

표 2.3부하 변화에 따른 출력 압 (Vout)

출력부하(W)출력 압(DC)

Vo(V)

100 380.67

200 383.3

300 380.83

400 377.23

500 377.96

600 376.51

700 378.42

800 378.38

- 25 -

그림 2.23출력 압 regulation그래

2.5.5클램 압 측정

정상 상태에서 클램 커패시터 압은 수식 (2.15)과 같이 구할수

있고,출력 부하가 올라갈수록 필요한 Duty비는 증가하고 이에 따라 클

램 커패시터 압도 상승한다.

(2.15)

표 2.4클램 압 측정표

출력 부하(W) 클램 압(V)

100 49

200 51

300 53

400 57

500 61

600 65

700 72

800 79

- 26 -

그림 2.24부하별 클램 압 그래

2.5.6온도 측정

그림 2.25부하별 온도변화 그래

800W에서 컨버터의 안정된 동작을 보임에 따라 일정시간 동작 후의

하드웨어의안정성을 확인하기 해 온도 측정 실험을 하 다.그림 2.25

은 출력부하별 각 기기별 온도를 측정하여 도시한 것이다.무부하에서

800W까지 부하변동에 해 안정된 온도 변화를 보여주고 있다.

- 27 -

2.5.7효율 측정

계측기로는 YOKOGAWA사의 WT230DIGITALPOWREMETER을

사용하여 다.WT230은 력 측정 기기로서 3개의 채 로 구성되어있

으며.각 채 에서 류, 압, 력,효율을 측정할 수 있다.표 2.5는 각

부하별 측정된 입·출력 압, 류, 력을 측정하여 기록한 것이다.

표 2.5부하별 효율 측정

그림 2.26부하변화에 따른 효율 변화 그래

- 28 -

2.5.83상 계통연계실험

그림 2.273상 계통연게 실험 구성도

3상 류형 능동 클램 DC-DC컨버터를 실제 연료 지(PEMFC)와

3상 계통연계 실험을 하 다.그림 2.27은 3상 계통연게 실험 구성을 나

타내며.구성 사양은 다음과 같다.

-연료 지발 (PEMFC)사양 :1.2kW 정격.BallardNexaModule

-컨버터 :3상 류형 능동 클램 DC-DC컨버터

-배터리 :WP18-1212V18Ah,2개 직렬연결.

▷ 24V Nexa 기 력 공

연료 지의 DC30V ∼ DC72V 의 낮은 출력 압을 DC-DC컨버터

에 의해 DC400V로 승압되어 DClink단(DC-DC 컨버터 출력 압)에

충 된다.DClimk단의 충 된 압은 인버터를 통해 력계통으로

달된다.

- 29 -

Vd:DC-DC컨버터 입력 압 Id:DC-DC컨버터 입력 류

(=연료 지 출력 압) (=연료 지 출력 류)

Vo:DC-DC컨버터 출력 압 Io:DC-DC컨버터 출력 류

그림 2.28연료 지 출력 압 류,DC링크단 압 류

그림 2.28은 3상 계통연계 시 부하용량 변화에 따른 DC-DC 컨버터

입·출력 압, 류의 형을 나타내며,부하용량은 100W,300W,500W,

700W 로 단계 으로 변화를 주어 측정한 형이다.그림 2.28에서 부하

변동 시 DC-DC 컨버터 입력 압은 연료 지의 출력 압 특성에 의해

변동이 있지만 컨버터 출력 압은 DC400V의 일정한 압을 유지하면

서 안정 인 동작을 하는 것을 알 수 있다. 부하용량의 큰 변화에서도

안정된 동작을 확인 하 다.

- 30 -

제 3장 3상 인터리 드 양방향 DC-DC컨버터

3.1부스트 모드

그림 3.13상 인터리 드 방식 부스트 컨버터의 등가회로

그림 3.1은 3상 인터리 드 DC-DC양방향 컨버터의 부스트 모드 일

때의 등가회로를 나타낸다.부스트 컨버터의 등가 회로는 설 인덕턴스

Llka∼ Llka를 포함하는 이상 인 모델의 - 방식으로 결선된 3상 고

주 변압기 구조를 포함하고 있다.이 등가 회로에서 입력 부스트 인덕

터 L1∼ L3는 각각 등가 류원으로 IL1∼ IL3으로 표시 할 수 있다.

류 iap∼ icp는 - 방식으로 결선된 3상 고주 변압기 1차측 각

상의 상 류로 나타내고,iaH ∼ icH 는 부스트 컨버터부의 3상 출력

류로써 변압기의 각 상 1차측에 입력되는 3상 선 류를 나타낸다. 한

isc1∼ isc3는 각각 능동 클램 스 치의 3상 클램 류를 나타낸다.

압 va~vc는 부스트 컨버터부 3상 출력단의 각 상 압이며,vab∼ vca

는 - 결선된 3상 변압기 1차측 각 상간에 인가되는 3상 선간 압

이며, 압 vabs∼ vcas는 3상 변압기의 2차측 각 상 선간 압 는 상

압이다.본 컨버터는 낮은 압원 Vi를 입력 받아 이와 같은 압

류의 내부 변환 과정을 거쳐 높은 직류 압으로 승압하여 부하 측에

달해 다.

- 31 -

3.1.1PWM 동작 방법

그림 3.23상 인터리 드 부스트 컨버터의 스 칭 PWM,

압 류 형

그림 3.2는 3상 인터리 드 부스트 컨버터의 스 치 PWM과 컨버터 각

부의 이상 인 압 류의 형을 나타낸다.이 컨버터의 동작 모드

는 스 칭 주 수의 한 주기마다 총 12개의 구간으로 구분할 수 있으

며,그림 3.2에서 iap의 동작 형으로 8개 구간으로 나 수도 있다.

DTs기간은 주 스 치가 턴 온 되어 입력 인덕터에 에 지가 장되

는 구간이며,이 구간에서 장된 에 지는 나머지 구간에서 스 치들의

온/오 동작에 따라 3상 변압기와 3상 정류기를 거쳐 출력 측 부하로

에 지가 달된다.

- 32 -

그림 3.2에서 주 스 치의 게이트구동 형인 vG1∼ vG3를 기 으로

이 컨버터의 동작 모드를 분석해 보면 크게 3구간으로 구분된다.

3개의 주 스 치 모두 는 2개가 온이 되는 상태가 반복되어 듀티비

가 1/3 2/3인 지 에서 3개 동작모드 구간으로 구분 된다.

3.1.21kW 3상 인터리 드 부스트 컨버터 시뮬 이션

부스트 컨버터 기본사양은 표 3.1의 라미터에 정리하 다.앞에서 설

명한 컨버터 동작방법과 표 3.1의 라미터를 용하여 Psim을 이용한

시뮬 이션을 수행 고 그림 3.3은 그 결과이다.그림 3.3은 압측 A

상에 해당하는 A,B상잔 압 (Vab), 압측 A 상 류 (ia),클램 스

치 류 (iSc1)를 나타낸다.클램 스 치 류 (iSc1) 형을 통해 ZVS동

작이 이루어짐을 알 수 있다.B상과 C상 역시 A상과 120° 상차만 있

을뿐 동작과 형은 A상과 같다.

표 3.1부스트 컨버터 라미터

Circuitelement Value

BoostInductanceL1∼ L3(uH) 250

LeakageInductanceLlk(uH) 8

TransformerMagnetizingInductanceLm (mH) 2

TransformerTurnsRation(=N2/N1) 5

SwitchingPeriodTS(mS) 40

DutyRatioD 0.68

LoadResistanceRL(Ω) 136.9

InputVoltageVi(V) 26

OutputVoltageVo(V) 370

OutputPowerPo(W) 1,000

- 33 -

그림 3.3부스트 컨버터시뮬 이션 결과 형. 압측 A,B상간 압

(Vab), 압측 A상 류(ia),클램 스 치 류 (iSc1).

3.1.31kW 3상 인터리 드 부스트 컨버터 시작품 구

1.PWM 스 칭 신호 생성 과정

그림 3.4는 3상 인터리 드 부스트 컨버터에 용되는 스 칭 신호 생

성 과정을 나타낸 블록다이어 그램이다.본 컨버터는 주 스 치와 보조

스 치를 포함하여 총 6개의 스 칭 신호가 필요로 하며 이는 DSP와

FPGA를 사용하여 만들어 주게 된다.DSP에서 발생한 PWM 신호를

FPGA에 의해 3상에 합하도록 서로 120°씩 상 이동하여 하 으며

MOSFET 스 칭 동작시 압 스 칭(ZVS)동작에 따른 손실 감소

효과를 얻기 해 deadtime을 각각의 6개의 스 칭 신호에 용하여

스 칭 신호를 구 하 다.시작품 3상 인터리 드 부스트 컨버터의

PCB구성은 그림 3.4의 스 칭 신호의 생성 과정을 고려하여 제작하

다.

- 34 -

그림 3.43상 인터리 드 부스트 컨버터의 스 칭 신호 생성 과정

2.3상 인터리 드 부스트 컨버터 시작품 제작

그림 3.51kW 3상 인터리 드 부스트 컨버터 시작품

- 35 -

3.1.43상 인터리 드 부스트 컨버터 실험

1.3상 인터리 드 부스트 컨버터 실험세트 구성

그림 3.63상 인터리 드 부스트 컨버터 실험세트 블록다이어 그램

그림 3.6는 본 실험세트의 블록다이어그램을 나타낸다.컨버터 입력에

공 하는 원은 연료 지의 낮은 압 출력특성을 때문에 1kW 정도

의 부하에서도 비교 큰 류가 필요하므로 컨버터 실험기 압 DC

26V에서 DC 60A의 류를 출력할 수 있는 dc 원장치(SM70-22,

DELTA ELEKTRONIKA)를 사용하 다.컨버터를 낮은 부하로부터 1

kW까지의 부하 범 에서 정확한 실험 측정을 해 두 개의 채 에서

입·출력 압, 류 력 측정이 가능함과 동시에 효율 계산 기능을

갖춘 워메터(WT230,YOKOGAWA)를 선정하 다.

실험 조건은 컨버터를 25kHz의 스 칭 주 수로 구동하고 입력 압과

출력 압을 각각 DC26V DC370V 로 일정하게 유지하는 조건에

서 부하용량을 100W부터 1kW 까지 변화시키며 각 부문의 형

입-출력 효율을 측정하 고 그 결과를 분석하 다.

- 36 -

2.3상 인터리 드 부스트 컨버터 실험결과

그림 3.7컨버터 3상 출력 류 ia(ch1),ib(ch2) ic(ch3).

(D=0.68,Vi=26V,Vo=370V,Po=1kW)

그림 3.7은 부하용량 1kW에서의 컨버터 3상 출력 류 형을 나타낸

다.3개의 출력 류가 서로 120° 상차를 가지고 형 인 3상 출력을

보여 주고 있다.실험 조건은 입력 압 DC26V,출력 압 DC370V기

으로 실험한 형이고 이 때의 듀티는 0.68이다.

그림 3.8은 그림 3.7과 같은 조건에서 측정한 형이다.A상의 선 류

ia를 기 으로 A상과 연 된 출력 선간 압과 클램 류 형으로부터

3상 동작에서 한 상이 정확한 동작하는 것을 알 수 있다.

- 37 -

그림 3.8고압측 출력 압 vab(ch1),선 류 ia(ch2) 클램 류

iSc1(ch3).(D=0.68,Vi=26V,Vo=370V,Po=1kW)

그림 3.9 인터리 드 방식이 용된 컨버터 입력 류 ii(ch1)와

3상 입력 인덕터 류 iL1(ch2),iL2(ch3),iL3(ch4).

(D=0.68,Vi=26V,Vo=370V,Po=1kW)

- 38 -

그림 3.9는 입력단의 삼상 부스트 인덕터 L1,L2 L3각각을 통하여

흐르는 류 iL1,iL2 iL3과 인터리 드된 컨버터 입력 류 ii의 형을

보여 다.인터리 드된 입력 류 ii는 컨버터 스 칭 주 수에 하여

3배의 리 주 수를 갖고 리 류 값의 크기가 어든 형 인 인

터리 드 동작의 결과를 보여 다.

그림 3.10주 스 치 S1ZVS턴온 형 .vGS1(ch1),iS1(ch3).

(D=0.68,Vi=26V,Vo=370V,Po=1kW)

그림 3.10은 컨버터의 주 스 치 S1의 ZVS턴 온 형을 보여 다.

이 형에서 S1에 턴 온 게이트 신호가 인가되기 에 스 치의 역병렬

다이오드가 도통되어 스 치 양단의 압이 압으로 유지되고 있음

을 확인할 수 있다.

- 39 -

그림 3.113상 인터리 드 부스트 컨버터의 각 부하별 효율.

그림 3.11은 그래 는 0.1∼ 1kW의 부하 범 에서 컨버터의 입-출력

효율측정 결과를 보여 다.이 그래 에서 시작품 컨버터는 체 으로

약 95% 이상의 효율로 작동함을 보이며,이는 인터리 드 방식의 채용

과 정상상태에서의 류 연속모드 ZVS 동작으로 인한 손실감소의

결과이다.

3.1.53상 인터리 드 부스트 컨버터 압 달비 분석

변압기의 1차측 선 류 하나인 iap에 해 유도된 식과 능동클램

하나에 흐르는 류인 iSc1에 해 유도된 식을 통해 3상 인터리 드

부스트 컨버터의 압 달비 식을 유도할 수 있다.표 3.2는 듀티비 0∼

1/3,1/3∼ 2/3,2/3∼ 1등 3개 구간에 하여 정리한 것이다.

그림 3.12는 듀티비의 3개 구간별로 듀티비 변화에 따른 압 달비

의 변화 그래 를 보여 다.표 3.2의 각 듀티 구간별 계산된 값과 이상

인 부스트 컨버터의 압 달비 그래 를 함께 표시하 다.

- 40 -

표 3.23상 인터리 드 부스트 컨버터 압 달비

듀티비 (D) 압 달비 (VTR)

0∼ 1/3( )

L

lkL

s

lk

s

lk

s

i

o

R

D

LR

TD

nL

TD

nL

TD

V

V

h

h

3

12

3

4 22

22

-

+÷÷ø

öççè

æ+-

=

1/3∼ 2/3

( )D

TR

Ln

TR

Lnn

V

V sL

lk

sL

lk

i

o

-

÷÷÷

ø

ö

ççç

è

æ+÷÷

ø

öççè

æ+-×

=12

433

222

hh

2/3∼ 1

sL

lk

sL

lk

i

o

TR

L

TR

L

n

D

n

D

V

V

h

h

3

2

3

4112

+÷ø

öçè

æ -+

--

=

그림 3.12 듀티비 변화에 따른 압 달비 그래

- 41 -

3.2벅 모드

양방향 컨버터는 벅 모드에서 3상 하이 리지정류회로를 채용하여 부

스트 모드 회로를 변경하지 않아도 효과 으로 동작할 수 있는 구조이다

[12][13].이 정류회로는 3개의 정류다이오드와 3개의 인덕터로 이루어져

있으나 3개의 인덕터에 의한 인터리 드 동작으로 배터리 충 류의 리

크기는 작아진다[15].그림 3.13는 벅 모드로 동작 시 양뱡향 컨버터의

등가회로를 나타낸다.이 등가회로에서 dc-링크는 Vdc로,3개의 벅 인덕

터 L1∼ L3은 컨버터의 동작 큰 인덕턴스 값을 가지므로 동일한 류크

기를 갖는 3개의 IL1∼ IL3으로 체할 수 있다.벅 인덕터의 인덕턴스

등가 류원의 계식을 각각 다음 수식으로 정리할 수 있다.

(3.16)

(3.17)

컨버터는 그림 3.13와 같이 - 방식으로 결선된 3상 고주 변압기

를 포함하고 있다.이 그림에서 류 iapL은 변압기 압측 A 상의 권

선 류(상 류)를, 류 iaL은 3상 하이 리지 정류기 입력 A 상의 선

류를 나타낸다.변압기 압측 A상에 표시된 변압기의 등가 설인덕

턴스 Llka에 흐르는 류는 ilka로 나타내었다.변압기 압측의 나머지

두 상에 련된 상 류 선 류들도 같은 방식으로 ibpL(=ilkb),icpL(=

ilkc),ibL,그리고 icL로 각각 나타내었다.그림 3.14에서 변압기 압측

A 상 권선의 양단 압으로 표시된 vabL은 변압기 고 압 측 A 상 권선

의 양단에 인가된 선간 압 vabH가 압 측 변압기 턴 비에 의해 변압

되어 나타난 압이며 그 계는 수식 3.18과 같다.

(3.18)

- 42 -

다른 상간 압도 수식 3.18과 같은 방법으로 나타낼 수 있다.

그림 3.13벅 모드 시 3상 양방향 dc-dc컨버터 등가회로

그림 3.14는 본 컨버터 벅 모드 시 회로를 간략하게 나타낸 것이다.

그림 3.143상 인터리 드 벅 컨버터 등가회로

- 43 -

3.2.1벅 모드 PWM 동작 방법

그림 3.15는 PWM 형의 듀티비가 1/3<D <2/3인 경우의 컨버터

각 부 형을 보여 다.변압기 압측 각 상의 출력 선 류 iaL ∼

icL,선 류 iapL∼ icpL(=ilka∼ ilkc)과 주스 치 T1,T3 T5각각의 게

이트 구동신호인 vGT1,vGT3 vGT5등에 형을 나타낸 것이다.컨버터

IGBT 주스 치 T4,T6 T2의 게이트 신호는 T1,T3 T5의 각 게이

트 신호와 한 반 신호이므로 생략한다. 압 vabH ∼ vcaH 는 고 압

측 각 상의 선간 압을, 압 vaL ∼ vcL은 3상 하이 리지정류기 입력

각 상의 를 나타낸다.그림 3.15에서 한 주기(TS)동안 컨버터 내의

압 는 류 형은 각각 9개의 동작 구간으로 나 수 있다.

그림 3.15벅 모드 시 컨버터의 주요 압 류 형

- 44 -

3.2.21kW 3상 인터리 드 벅 모드 시뮬 이션

벅 모드시 기본사양은 표 3.3의 라미터에 정리하 다.부스트 컨버터

회로를 사용하기 때문에 사양은 변화가 없다.앞에서 벅 모드 시 컨버터

동작방법과 표 3.3의 라미터를 용하여 Psim을 이용한 시뮬 이션을

수행하 다.그림 3.16은 벅 모드시 시뮬 이션 결과 형을 나타내다.

그림 3.16에서 고 압 측 A상에 해당하는 A,B상간 압 (VabH),고 압

측 A 상 류 (iaH),고 압 측 컨버터의 상 주 스 치에 흐르는 T1의

컬 터(collector) 류 (iT1) 형을 나타낸다.스 치에 흐르는 류를 통

해 ZVS동작을 하는 것을 알 수 있다.B상과 C상 역시 A상과 120°

상차만 있을 뿐 동작과 형은 A상과 같다.

표 3.3벅 모드 시 컨버터 라미터

Circuitelement Value

LeakageInductanceLlkin(μH) 8

SwitchingPeriodTSin(μs) 40

DutyRatioD 0.54

TransformerTurnsRation(=NH/NL) 5

Dc-linkVoltageVdcin(V) 370

BatteryVoltageVB in(V) 42

LoadResistanceRLin(Ω) 1.764

OutputPowerPin(W) 1,000

- 45 -

그림 3.16벅 모드 시뮬 이션 결과 형.고압측 A,B상간 압 (VabH),

압측 A 상 류(iaH),상단 주 스 치 류 (iT1).

3.2.31kW 3상 인터리 드 양방향 컨버터 시작품 구

1.벅 모드 PWM 스 칭 신호 생성 과정

그림 3.17는 3상 인터리 드 벅 컨버터에 용되는 스 칭 신호 생성

과정을 나타낸 블록다이어 그램이다.벅 컨버터는 주 스 치 6개의 스

칭 신호가 필요로 한다.부스트 컨버터 스 칭 신호 생성 과정과 동일하

게 DSP와 FPGA를 사용하여 만들어 주게 되며,스 칭 신호 생성 과정

과 한 동일하다.DSP에서 발생한 PWM 신호를 FPGA에 의해 3

상에 합하도록 서로 120도씩 상 이동하여 하 으며 IGBT 스

칭 동작시 ZVS(zerovoltageswitching)동작에 따른 손실 감소 효과를

얻기 해 deadtime을 각각의 6개의 스 칭 신호에 용하여 스 칭

신호를 구 하 다.시작품 3상 인터리 드 부스트 컨버터의 PCB 구성

은 그림 3.17의 스 칭 신호의 생성 과정을 고려하여 제작하 다.

- 46 -

그림 3.173상 인터리 드 벅 모드 시 스 칭 신호 생성 과정

2.3상 인터리 드 양방향 컨버터 시작품 제작

그림 3.18은 부스트 컨버터 PCB보드와 벅 컨버터 PCB보드를 이용하

여 직 제작한 1kW 3상 인터리 드 양방향 컨버터이다.시작품컨

버터는 PWM 신호발생용 DSP(TMS320F2808)와 FPGA (EPM7128)보

드,게이트구동회로 력회로로 구성되어 있다.컨버터의 력회로는

- 결선된 3상 고주 변압기를 심으로 압측과 고 압측으로

구분된다. 압측 구성은 다음과 같다.부스트모드에서 입력 부스트인

덕터 3개,MOSFET(IRFB4227)주스 치 3개 능동클램 스 치 3개

그리고 공통 클램 커패시터가 3상 부스트 컨버터를 구성하고,벅모드에

서는 다이오드정류기(MOSFET 내장 역병렬다이오드 외부 쇼트키다

이오드)3개와 출력 벅인덕터 3개가 하이 리지정류회로를 구성한다.고

압측 구성은 다음과 같다.벅모드에서 IGBT(IXGH30N60C2D1)주스

치 6개가 3상 풀 리지 컨버터로 동작하고,부스트 모드에서는 다이오

드정류기(IGBT 내장 역병렬다이오드)6개가 3상 풀 리지 정류기로 동

작한다.벅모드 동작은 dc-link단의 압을 입력으로 하며,낮은 압으

로 변환한다.

- 47 -

그림 3.181kW 3상 인터리 드 양방향 컨버터

3.2.43상 인터리 드 양방향 컨버터 벅모드 실험

그림 3.19과 3.20은 부하용량 500W에서 측정한 형이다.A,B 상

압,A상 류,상단 스 치 형을 통해 500W에서 연속동작모드로 안정

으로 동작하는 것을 확인할 수 있다.그림 3.21과 그림 3.22는 1kW

부하에서 벅 모드 동작시 측정된 상 ·하단 스 치의 ZVSturn-on 형

을 나타낸다.그림 3.21는 상단 스 치 T1에 게이트 신호가 인가되기

역병렬 다이오드가 도통되어 스 치 양단 압이 인 상태에서 정상 인

ZVS동작이 이류어지고 있음을 보여 다.하단 스 치 T4역시 정상

인 ZVS동작을 그림 3.22를 통하여 확인할 수 있다.

그림 3.23은 표 3.3과 같은 조건에서 주 스 치 T1의 게이트 압과

변압기 압 측 A상의 상 류 선 류 형을 보여 다.컨버터 동

작 시 흐르는 류는 연속 도통모드로 흐르고 있음을 알 수있다.그림

3.24는 각 상의 벅 인덕터에 흐르는 류 형이다.상간 120°차이를 갖

고 정상 인 동작함을 나타낸다.

- 48 -

그림 3.19A,B상간 압,A상 류,상단 스 치 T1 류

vabH(Ch1),iaH(Ch2),iT1(Ch4),P:500W

그림 3.20변압기 고 압 측 A상 류 iapH(Ch1),상단 스 치 T1 류

iT1(Ch2),P:500W

- 49 -

그림 3.21벅모드 시 상단 스 치 T1의 ZVSturn-on 형,

vG1(Ch1),i1(Ch2),P:1kW

그림 3.22벅모드 시 하단 스 치 T4의 ZVSturn-on 형,

vG4(Ch1),i4(Ch2),P:1kW

- 50 -

그림 3.23벅 모드시 스 치 T1의 게이트 압 vG1(Ch1),A상 고 압

측 상 류 iapH (Ch2) 압 측 선 류 iapL(Ch4) 형.

그림 3.24벅 모드시 각 상의 벅인덕터 류 형

- 51 -

그림 3.25벅 모드시 각 부하별 효율

그림 3.25는 벅 모드로 동작 시 부하용량 100W에서 1kW로 변화함

에 따른 컨버터 체효율을 나타낸 그래 이다. 체 으로 95% 이상의

높은 효율로 동작하고 있음을 확인할 수 있다.

컨버터가 반 으로 높은 효율로 동작하고 있는 것은 컨버터 각 부분

을 흐르는 류가 연속도통모드이고 입력 는 출력 인덕터로 동작하는

3개의 벅인덕터에 의한 인터리 드 동작에 의한 리 감소와 더불어 모든

주스 치 ZVS동작에 의한 컨버터 체 인 스 칭손실 감 등의 결

과이다.

3.2.53상 인터리 드 양방향 컨버터 벅모드 압 달비

각 동작모드의 구간별로 변화하며 하나의 벅 인덕터 양단에 인가되는

압을 주기 분한 값이 0이 되도록 놓고 수식을 풀어 배터리 압 VB

를 dc-링크 압 Vdc로 나 형태로 정리하면 컨버터의 벅모드 동작에서

입-출력 간 압 달비를 유도할 수 있으며 다음 수식과 같이 듀티비

0∼ 1/3,1/3∼ 2/3,2개 구간에 한 각각 다른 식으로 정리할 수 있

다.

- 52 -

(3.38)

(3.39)

(3.40)

벅 모드에서 듀티비가 D > 0.67인 구간에서는 듀티비가 증가함에 따

라 압 달비가 어드는 특성을 가지므로 이 구간을 사용하지 않는다.

그림 3.26은 벅 모드시 듀티비 변화에 따른 압 달비의 변화 그래

를 보여 다.

그림 3.26듀티비 변화에 따른 압 달비 그래

- 53 -

제 4장 3kW 3상 인터리 드 양방향

DC-DC컨버터 설계

4.13kW 컨버터 설계 개요

최근 배터리에 한 연구가 활발히 이루어지면서 이를 이용한 시스템

용 분야가 넓어지면서 높은 용량의 력변환 장치가 필요하게 되

었다.이에 따라 기존 1kW 3상 인터리 드 양방향 컨버터는 용량의

한계 이 나타나 보다 높은 용량의 3상 인터리 드 양방향 DC-DC컨버

터를 설계 제작 하게 되었다.컨버터 기본구조로써 용량에 합한

3상이므로 용량 력변환에 합한 토 로지이다.따라서 기존 1kW

3상 인터리 드 양방향 컨버터의 장 인 구성 동작은 동일하며,용량

증 에 따른 메인 PCB,인덕터 변압기를 설계 하 다.

4.2PCB설계

컨버터의 용량 증 에 따라 PCB를 새로 설계 제작 하 다.양방향

컨버터는 각 부별로 총 3개의 PCB로 나 었으며,메인 PCB 와 Boost

워부,Buck 워부로 나 어진다.메인 PCB는 기존에 분리되었던 벅/

부스트 모드 PCB를 하나로 통합하 다.스 칭 신호 생성을 한 로

세서 DSP2808와 FPGA 그리고 게이트 드라이버로 구성되며,각각의

게이트 드라이버는 연을 해 분리하여 설계하엿다.용량증 에 따라

Boost 워부 Buck 워부를 분리하 으며,스 치 MOSFET

IGBT에 한 스 치 보호를 해 게이트 회로를 보강하여 용하 다.

한 용량 증 에 따른 손실 스 치 용량을 고려하여 스 치 개수를

추가로 구성할 수 있도록 설계하 다.그림 4.1,그림 4.2,그림 4.3은 각

각 직 설계한 메인 PCB,Boost 워부,Buck 워부를 나타낸다.

- 54 -

그림 4.13kW 인터리 드 양방향 컨버터 -제어부

그림 4.23kW 인터리 드 양방향 컨버터 -Boost 워부

- 55 -

그림 4.33kW 인터리 드 양방향 컨버터 -Buck 워부

4.3입력 인덕터 설계

3상 인터리 드 양방향 컨버터 구조는 압측 입력단에 각 상의 인덕

터로 구성된다.3kW로 컨버터의 용량 증가에 따라 입력 류 증가에 따

른 입력 인덕터는 인덕터에 흐르는 류 양과 컨버터 효율에 향을 끼

치는 입력 류 리 을 고려해서 입력 인덕터를 설계해야 한다.

3상 인터리 드 방식에 의한 류 컨버터 동작 형을 그림 4.4에

나타내었다.그림 4.4는 본 컨버터의 인터리 드 방식에 의한 입력 류

(Id) 각 상의 인덕터 류(ILn) 형을 나타낸다.각 상당 120° 상차

를 가지고 스 칭을 하며 이에 따라 각 상의 인덕터에 흐르는 류 역시

120° 상차를 가질 뿐 동작 방법에 따른 형과 값은 같다.각 상의 인

덕터에 흐르는 류(ILn)는 수식 4.1과 같이 컨버터의 입력 류(Id)를 총

상수(N)로 나 류 값이다.본 컨버터는 3상이므로 N은 3이 된다.

Ln

(4.1)

각 상의 인덕터에 흐르는 류의 동작 방법에 따른 형 값은 서로

같으므로 기울기 한 같다.따라서 다음 수식에 의해 인덕터 Ln의 기

울기를 나타낼 수 있다.

- 56 -

(4.2)

′

(4.3)

수식 4.2는 각 상의 인덕터 류의 상승 기울기를,수식 4.3은 각 상의

인덕터 류의 하강 기울기를 나타낸다.즉,그림 4.4의 인덕터 L2를 한

로 설명하면 상승 기울기는 주 스 치 VGS2의 턴 온 동작에 의해 IL2

가 양의 기울기를 갖는 t1∼ t4구간을 의미한다.반 로,하강 기울기는

주 스 치 VGS2의 턴 오 동작에 의해 IL2는 음의 기울기를 갖는 t4∼

t7구간을 의미한다.

그림 4.43상 인터리 드 방식의 이상 류 형

- 57 -

한 주기 동안 입력 인덕터(Ln)의 최 값(iLn(max))과 최소값(iLn(min))은 수

식 4.4과 수식 4.5를 통해 알 수 있다.

Ln m in Ln

∆Ln

(4.4)

Ln m ax Ln

∆Ln

(4.5)

입력 인덕터(L1)의 최 값(iL1(max))과 최소값(iL1(min))차이는 수식 4.6와

같다.

∆Ln Ln m ax Ln m in

(4.6)

입력 인덕터 류 (ILn)의 평균값은 수식 4.6과 같다.

Ln

(4.7)

여기서 η는 컨버터 효율을 나타낸다.

수식에 의해 정의된 각 상의 인덕터 류는 서로 상쇄되어 그림

4.4에서와 같은 컨버터의 입력 류(Id)로 나타난다.컨버터의 입력 류

(Id)값은 각 상의 인덕터에 흐르는 류(ILn)의 합이며,수식 4.8과 같이

표 된다.

Ln (4.8)

입력 류의 리 크기는 1/N 배로 감소한다. 한 그 주기는 수식 4.9

로 나타낼 수 있으며,입력 류의 리 주 수는 인덕터 류의 N배 크

기로 증가한다.

(4.9)

- 58 -

그림 4.4에서 컨버터 입력 류(Id)의 한 주기인 τ 구간을 해석하면 다

음과 같다.dτ 구간 동안의 컨버터 입력 류(Id)의 기울기는 수식 4.10과

같이 나타낼 수 있다.

Ln ∙

Ln(4.10)

수식 4.10에서 NON,NOFF는 입력 류(Id)의 주기 dτ 구간 동안에 각각

ON,OFF상태인 주 스 치 개수를 의미한다[17].dτ 구간 동안 3개의

주 스 치가 동시에 턴 온·오 될 수 없으므로 주 스 치 총 개수(N)

는 수식 4.10로 정의된다.

(4.10)

수식 4.10에 수식 4.2와 수식 4.3을 입하여 정리하면 다음과 같다.

′

∙

(4.11)

(4.12)

다시,수식 4.11에 수식 4.12를 입하여 정리하면 수식 4.13과 같고 τ

구간에서 컨버터 입력 류(Id)의 리 크기는 수식 4.14로 나타낼 수 있

다.

′

′∙

(4.13)

∆ ′

′

(4.14)

여기서,N=상의수, ,′ 이다.

- 59 -

수식 4.14로 부터 듀티비(Dutyratio)에 의해 구분된 각각의 컨버터 동

작 구간을 수식으로 정리하면 다음과 같다.

∆

′

(4.15)

∆

′

(4.16)

∆

′

(4.17)

본 컨버터는 0.34<D <0.66구간에서 동작하므로 수식 4.16에 의해

220uH의 입력 인덕터를 설계하 다.

4.4 설 인덕터 설계

그림 4.5는 스 칭 한 주기 동안의 압측 A상 이상 형을 나타낸

다. 설 인덕터(LeakageInductance)는 주 스 치와 클램 스 치의

ZVS턴온 동작을 고려해서 설계해야 한다.주 스 치 류 (iS1)와 클램

스 치 류(iSc1)의 형을 보면 스 치 턴 온시 류 이하의 값

이 되면서 스 치가 ZVS(ZeroVoltageSwitching)동작을 한다.이때의

ZVS동작은 설 인덕터에 계가 있으며,그 원리는 다음과 같다.

스 칭 동작 시 스 치 양단 압에 의해 스 치의 출력 캐패시터에 충

된 압에 의해 에 지가 발생하게 된다.이 에 지는 설 인덕터

(Llk)에 스 치의 ZVS 류가 흘러 발생된 에 지에 의해 방 하게 된

다.따라서 설 인덕터에서 발생된 에 지는 스 치 출력 캐패시터에서

발생된 에 지 보다 큰 값을 가져야 한다.

먼 이상 형에서 나타난 클램 스 치 SC1의 동작이 이루어

지려면 클램 스 치의 ZVS 류와 다음 수식에 만족해야 한다.

- 60 -

∙

∙

(4.18)

(4.19)

수식에서 CSS는 주 스 치 S1과 클램 스 치 Sc1의 출력 캐패시

턴스(OutputCapacitance)를 합한 값이다.

주 스 치 ZVS역시 클램 스 치와 같은 원리로 고려되어야 하며,

수식은 다음과 같다.

∙

∙

∙

(4.20)

그림 4.5스 칭 한주기 동안의 압측 A상 이상 류 형

- 61 -

그림 4.6출력 력에 따른 설 인덕턴스 그래

그림 4.6은 수식을 통해 얻은 값을 그래 로 나타낸 것이다.따라서

설 인덕터는 8uH로 설계 제작 하 다.

4.53kW 변압기 설계

3kW 정격의 컨버터는 3개의 단상 변압기가 필요하다.따라서 변압기

한상당 1kW 정도의 용량을 가져야 한다.이를 해 컨버터 입력 압 인

배터리 출력 젼압 변화를 고려하여 변압기 설계를 하 다.

본 컨버터는 3kW 정격이며,입력은 12V 정격의 배터리 4개를 직력연

결 하 으며,출력 압 400V로 승압한다.그러나 배터리 출력 압이

40.8V ~55.2V로 변화하는 특성으로 인해 정확한 출력을 얻기 못하는

문제 이 있다.따라서 배터리의 출력 압 변화를 고려하여 부하용량

3kW에서 안정정인 승압이 이루어지는 변압기를 설계하여야 한다.

단상 변압기 설계를 해 한상의 변압기에 인가되는 압, 류의 동

작특성을 확인해야 하며,그림 3.30의 한 상에 한 동작 형을 참조하

여 설계하 다.주 스 치 S1의 게이트 신호 VGS1한 주기(TS)를 기 으

로 A상 변압기 1차측에 인가되는 상 압 vab,상 류 iap,선 류 ia나

타낸 것이다.

- 62 -

4.5.1컨버터 동작 조건

배터리 한 개의 출력 압 변화 특성(10.2V ∼ 13.8V)에 따라 입력 압

은 최소 압인 40.8V,정격 압인 48V,최고 압인 55.2V로 구분하

다.다음 표는 출력 력 3kW 시 컨버터 동작 조건을 나타낸다.

표 4.1출력 력 3kW 시 컨버터 동작 조건

Vin Voutn

(N2/N1)

Llk

(uH)

RL

(Ω)

TS

(us)

Po

(W)

η

(효율)

40.8400 3.8 8 53.33 40 3,000 0.9548

55.2

컨버터는 25kHZ로 동작하며,각각의 낮은 입력 압을 출력 압 400V

로 승압한다.이때 턴비 n(N2/N1)은 3.8이다.Llk(LeakageInductance)

는 8uH 이며,출력 력 3kW 일 때 부하는 53.33Ω 이다.

4.5.2단상 변압기에 인가된 압, 류 형

단상 변압기 설계를 해 변압기 한상에 인가되는 압, 류의 동작

특성을 확인해야 한다.그림 4.7은 주 스 치 S1의 게이트 신호 VGS1한

주기 TS를 기 으로 A상 변압기 1차측에 인가되는 상 압 vab,상 류

iap,선 류 ia나타낸 것이다.단상 변압기에 인가된 압은 Vab이며,

이때의 쇄교 자속 시간을 분석하여 컨버터의 동작 주 수인 25에

맞게 설계하 다.각각의 B,C상은 120° 상차만 있을 뿐 동작은 같다.

따라서 단상에 한 컨버터 동작 특성을 분석하여 설계하 으며 3 의

단상 변압기를 제작하 다.

- 63 -

그림 4.7A상 변압기 1차측 상 압 vab,상 류 iap,선 류 ia 형

1.maxium dutyratio

본 컨버터는 Duty(D)에 따라 세 구간으로 동작한다.D<0.33 구간,

0.33<D <0.67구간과 0.67<D 구간이다.이 구간 에서 0.33<D <

0.67의 구간에서 이상 인 부스트컨버터의 압 달비(VTR :Voltage

TransferRatio)특성과 거의 유사하게 동작한다. 0.33<D <0.67구간

에서의 압 달비 수식은 다음과 같다.

∙

∙

(4.21)

- 64 -

여기서,

이다.

0.33<D <0.67구간에서의 VTR수식을 정리하면 각각의 입력 압에

한 출력 부하 3kW에 해당하는 듀티비(Dutyratio)를 유도 할 수 있다.

Duty에 한 수식은 다음과 같다.

∙

∙

(4.22)

표 4.2는 수식 4.22에 의해 계산된 Duty값과 psim 시뮬 이션 통한

Duty값을 나타낸다.수식을 통한 계산된 Duty값은 시뮬 이션 Duty

값과 거의 유사하다는 것을 알 수 있다.

표 4.2입력 압에 따른 계산 시뮬 이션에서의 듀티 값

Vin C 계산값 (D) 시뮬레이 값(D)

40.8

0.057

0.644 0.654

48 0.581 0.586

55.2 0.519 0.524

2.λ1(쇄교자속 )

변압기 1차측 양단에 걸린 압은 클램 압 (Vc)과 같고,수식

4.23과 같이 정의된다.

(4.23)

변압기 1차측에 인가된 압 vab과 시간(1-D)TS 에 의해 λ를 나타낼

수 있으며 다음과 같다.

- 65 -

∙ (4.24)

본 컨버터의 동작 형을 확인하면 (1-D)TS 구간 변압기 1차측에

압이 걸리지 않는 시간(D1TS )이 존재한다는 것을 알 수 있다.따라

서 이 시간(D1TS )을 제외한 시간,즉 변압기 1차측에 압이 인가된

실질 인 시간(1-D-D1)TS을 용해야 한다.

D1TS에 한 수식은 다음과 같다.

∙ (4.25)

수식4.25를 수식 4.24에 입해 정리하면 다음과 같다.

∙ (4.26)

다음 표는 출력 력 3kW 일 때 수식 4.6에 한 각각의 값을 나타낸

다.입력 압 차이에 따른 Duty변화만 있을 뿐 변압기 1차측에 인가된

쇄교자속(λ1)은 일정하다는 것을 알 수 있다.시뮬 이션으로도 역시 같

은 값을 얻었다.

표 4.33kW 부하 용량 시 입력 압에 따른 쇄교자속 값

Vin Vc D1 (1-D-D1)TS [usec] λ1 (u V-sec)

40.8 114.647 0.0225 13.33 1528.63

48 114.647 0.0853 13.33 1528.63

55.2 114.647 0.1481 13.33 1528.63

- 66 -

4.5.3변압기 Core선정

변압기 Core는 ISU CERAMICS 사에서 제작한 PM5 재질의 EE

707091C를 선정하 으며,사양은 다음과 같다.

표 4.4CoreEE7091C기본사양

Effective length (Le) 203.7 mm Effective volume (Ve) 157.3 cm3

Effective area (Ae) 772.3 mm2 Permeance factor (c) 4.76 nH

표 4.5CoreEE7091C세부사양

DataInductancefactor

(AL)Powerloss(PL)

Values 8620nH ±25% <23.6W

Frequency 25

Peakflux

density2000Gauss

4.5.4 턴수 결정

변압기 1차측 턴수(N1)는 다음 수식에 의해 유도된다.

∆

∙ (4.27)

∆B는 자속의 변화량 (0toBmax),Ac는 코어 단면 을 나타낸다.

설계한 코어의 ∆B 자속 변화량은 0.2T,AC는 7.723cm2이다.수식 4.27

에 의해 N1은 4.95턴이 되므로 5턴을 주었다.따라서 N2는 턴 비에 의

해 19턴으로 정했다.

- 67 -

4.5.5Wireselection

설계한 변압기 1차측 권선은 0.3Φ 200가닥,2차측 권선은 0.2Φ 144가

닥으로 제작 되었으며 수식을 통해 유효성을 확인하 다.

1,2차측 권선은 수식 4.28과 수식 4.29에 의한 값보다 작거나 같은 구리

단면 을 갖는 선을 선택한다.

≤

(4.28)

≤

(4.29)

수식 에서 α는 권선에 할당된 코어 창 부분,Aw는 선 단면 ,Ku는

코어 창 이용률,Wa는 코어 창 면 을 나타낸다.본 변압기의 Ku의 값

은 0.4이다.

1차,2차 권선의 코어 창 할당 부분 α를 구하면 다음과 같다.

(4.30)

(4.31)

수식 4.28에 만족하기 해 1차 권선의 단면 Aw1a 을 구하면 다음과

같다.

≤

×× (4.32)

실제 제작된 변압기 1차측 권선의 단면 Aw1a를 구하면 다음과 같다.

- 68 -

∙ ∙ (4.33)

실제 1차측 권선의 단면 값 Aw1는 수식에 의해 구한 값 Aw1a값보다

작으므로 수식 4.28에 만족한다.

1차 권선의 류 도는 다음과 같다.

차 권선 전류 밀도

s

(4.34)

같은 방법으로 2차 권선에 용하면 다음과 같다.

≤∙

×× (4.35)

∙∙ (4.36)

2차측 권선 역시 수식 4.29에 성립한다.

1차 권선의 류 도는 다음과 같다.

차 권선 전류 밀도

s

(4.37)

설계한 변압기 권선은 수식을 통해 충분한 류 용량으로 설계되었음

확인할 수 있다.

4.6설계한 양방향 컨버터 PSIM 시뮬 이션

앞 에서 수식을 통해 얻은 변압기 값을 psim에 용하여 시뮬 이

션을 수행하 다.그림 4.8은 컨버터의 가장 작은 입력 압 40.8V일 때

의 부스트 모드 시뮬 이션 결과이다.일정한 출력 압 기 에서 컨버

- 69 -

터의 입력 압이 작을 때 보다 높은 듀티비(Dutyratio)를 나타낸다.입

력 압 40.8V에서 정상 인 동작을 하는 것을 알 수 있다. 한 부하용

량 3kW 일 때 듀티 값이 0.654이므로 동작 구간 (1/3∼ 2/3)내에서

한 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다.부하용량 3kW에서 듀티 값

0.654보다 작은 듀티 값을 가지는 입력 압 48V,55.2V 에서의 동작

도 시뮬 이션을 통해 확인하 다.

그림 4.8설계한 라미터를 용한 부스트 모드 시뮬 이션 결과 형

(Vin:40.8,Vout:400V,Duty:0.654Po:3kW )

그림 4.9는 컨버터의 가장 높은 입력 압 55.2V일 때의 부스트 모드 시

뮬 이션 결과이다.일정한 입력 압 기 에서 컨버터의 출력 압이

때 보다 높은 듀티비(Dutyratio)를 나타낸다.출력 압 55.2V에서 정상

인 동작을 하는 것을 알 수 있다. 한 부하용량 3kW 일 때 듀티 값

이 0.63이므로 동작 구간 (1/3∼ 2/3)을 만족한다.부하용량 3kW에서

듀티 값 0.63보다 작은 듀티 값을 가지는 입력 압 40.8V,48V 에서

의 동작도 시뮬 이션을 통해 확인하 다.

- 70 -

그림 4.9설계한 라미터를 용한 벅 모드 시뮬 이션 결과 형

(Vin:400,Vout:55.2V,Duty:0.63,Po:3kW )

표 4.6과 표 4.7은 설계한 단상 변압기 1,2차측의 류, 압 그리고

력 컨버터 체 입·출력 력에 한 psim시뮬 이션 결과를 정리한

것이다.

표 4.6단상 변압기 1,2차측의 류, 압 력 값

Vin iA1(rms) VA1(rms) PA1 (W) iA2(rms) VA2(rms) PA2 (W)

40.8 12.24 90.11 1,103 3.22 315.01 1,015

48 12.38 90.818 1,124 3.26 321.28 1,047

55.2 12.67 92.714 1,174 3.34 327.59 1,093

표 4.73상 컨버터 입력 출력 력 값

Vin iin(avg) Pin(avg) (W) iout(avg) Pout(avg) (W)40.8 75.82 3,093 7.505 3,001

48 63.23 3,035 7.5 3,00055.2 55.61 3,070 7.509 3,003

- 71 -

4.7설계한 양방향 컨버터 실험

그림 4.10은 직 설계하여 구 한 양방향 컨버터이다.기존 1kW

컨버터와 같은 구성은 같다.차이 은 하나의 제어부 보드의 DSP에 의

해 각각의 부스트,벅 모드가 동작하며,Boost 워부와 Buck 워부가

별도로 구성되어 있다.각 부의 보드 구성을 살펴보면,제어부는

DSP(TMS320F2808),FPGA(EPM 7128)의 스 칭 신호 생성부,게이트

드라이버로 구성되어 있으며,Boost 워부는 부스트 모드 시 클램 스

치 3개와 주 스 치 3개로 동작하는 MOSFET (IRFB4227),벅 모드

시 하이 리지 정류기로 동작하는 다이오드 3개로 구성된다.Buck 워

부는 벅 모드 시 주 스 치로 동작하고 부스트 모드 시 역병렬 다이오드

에 의 해풀 리지 정류기로 동작하는 IGBT (IXGH 30N60C2D1)6개가

구성된다.

그림 4.10시작품 3kW 3상 인터리 드 양방향 DC-DC컨버터

- 72 -

설계한 양방향 컨버터의 구성 실험 조건을 정리 면 표 4.8과 같다.

동작은 기존 양방향 컨버터와 같은 스 칭 주 수 25.에서 동작한다.

부스트 모드 동작은 배터리 압 40.8V를 1.7kW,380V의 dc-link단

압으로 변환하며,이 때의 듀티비는 부스트 모드 시뮬 이션 값과 유사

한 0.62이다.벅 모드 동작은 380V의 dc-link단 입력 압을 2kW,48V

의 배터리 충 압으로 변환한다.이 때의 듀티비 역시 벅 모드 시뮬

이션 값과 유사한 0.58이다.

실제 실험은 컨버터 구성 조건을 나타낸 표 4.8을 용해서 실시하

다.

그림 4.10와 그림 4.11은 부스트,그림 4.12과 4.13은 벅 모드 실험

형을 나타낸다.기존 컨버터의 동작과 같이 양방향 동작 모두 상간 120°

상차를 나타내며,한 상에 한 압, 류 모두 연속도통모드에서 정

상 인 동작을 하는 것을 확인할 수 있다.기존 양방향 컨버터 보다 더

높은 부하에서 동작하지만 듀티 값은 동작범 내에서 상 으로 낮은

값임을 알 수 있다.따라서 각각의 모드는 보다 더 높은 부하용량에서

동작이 가능하다.

표 4.8양방향 컨버터 실험 라미터

Boost

Mode

Buck

Mode

LeakageInductanceLlkin(μH) 8 8

SwitchingPeriodTSin(μs) 40 40

DutyRatioD 0.62 0.58

TransformerTurnsRation(=NH/NL) 3.8 3.8

Dc-linkVoltageVdcin(V) 380 380

BatteryVoltageVB in(V) 40.8 48

LoadResistanceRLin(Ω) 85 1.152

OutputPowerPin(W) 1,700 2,000

- 73 -

그림 4.11부스트 모드 시 변압기 압측 각 상간 압 형.

Vab(ch1),Vbc(ch2),Vca(ch3)(D=0.62,Vin=40.8,Vo=380,Po=1.7kW)

그림 4.12부스트 모드 시 변압기 압측 Vab(ch1),Iap(ch2) 형.

(D=0.62,Vin=40.8,Vo=380,Po=1.7kW)

- 74 -

그림 4.13벅 모드 시 변압기 고압측 각 상간 압 형

VabH(ch1),VbcH(ch2),VcaH(ch3),(D=0.58,Vin=380,Vo=48,Po=2kW)

그림 4.14벅 모드 시 변압기 고압측 VabH(ch1),IapH(ch1),

(D=0.58,Vin=380,Vo=48,Po=2kW)

- 75 -

제 4장 결 론

본 논문은 2개 토 로지의 3상 DC-DC컨버터에 한 연구정리로써,

3상 능동 클램 DC-DC컨버터와 3상 인터리 드 양방향 DC-DC컨버

터에 한 동작해석 시뮬 이션 그리고 각각 시작품 컨버터의 제작

실험을 통하여 비교 동작을 확인하 다.

3상 능동 클램 DC-DC컨버터는 능동 클램 회로와 모든 스 치의

ZVS 동작으로 효율을 향상 시켰으며,안정 인 기 충 동작을 해

라이백 방식을 채용하 다.1kW 로토 타입을 제작하여 연료 지

가 용된 3상 계통실험을 통해 성능을 입증하 다.

3상 인터리 드 양방향 DC-DC컨버터는 승압/강압을 해 부스트/벅

컨버터 구조를 갖도록 하여 낮은 권선비의 변압기로 높은 승압/강압

력변환이 가능하도록 하 고,컨버터 내 모든 스 치 정류기가 ZVS

는 ZCS로 동작하도록 하 다.부스트 컨버터모드에서 능동 클램 회

로를 용하여 스 칭 시 발생되는 서지 압을 감소하도록 하 다.3상

PWM 구동방식을 통하여 컨버터회로 변압기권선에 흐르는 류가

연속모드로 동작하게 함으로써 각 스 치 변압기에서 발생하는 도

손실이 최소화되도록 하 다.이와 같은 연속모드동작은 컨버터의 높은

압 달비에 기여할 뿐만 아니라 컨버터 내 각종 소자와 변압기 등의

류 압스트 스와 도손실을 감소하 다.이와 같은 장 들로 인

하여 두 종류의 컨버터구조는 비교 낮은 력으로부터 정격을 상회하

는 출력 반에 걸쳐 95% ~96%의 높은 효율로 동작함을 실험을 통하

여 확인하 다.본 논문의 3상 연형 인터리 드 방식 DC-DC부스트

컨버터 3상 연형 인터리 드 방식 양방향 dc-dc컨버터는 연료

지발 시스템 내에서 연료 지 출력의 승압용 부스트 컨버터와 최종 출

력 안정화용 보조 력변환장치인 배터리 충‧방 식 양방향컨버터로 활용

하는 데 합함을 입증하 다. 한,이 두 컨버터의 구조는 태양 지발

시스템 등과 같은 신재생에 지의 력변환장치뿐만 아니라 에 지

장시스템,무정 원장치(UPS),하이 리드자동차 기자동차의

력변환장치 등에 용될 수 있다.

- 76 -

[참 고 문 헌]

[1] M.W.Ellis,M.R.VonSpakovsky,D.J.Nelson,“Fuelcell

systems:efficient,flexible energy conversion for the 21st

century",inProceedingsoftheIEEE,Vol.89,Issue12,pp.

1808-1818,2001.

[2] 이진희,조진상,장민수,최세완,한수빈,“고체산화물형 연료 지

를 한 10 독립 력변환장치의 개발,” 력 자학회 논문지,

제8권,제6호,pp.551-560,2003.

[3] A.R.Prasad,P.D.Ziogas,andS.Manias,“Analysisanddesign

of a three-phase off line DC-DC converter with

high-frequency isolation,” IEEE Transactions on Industry

Applications,Vol.28,pp.824-832,July-Aug.1992.

[4] D.deSouzaOliveiraandI.Barbi,“A three-phaseZVSPWM

DC/DCconverterwithasymmetricaldutycycleforhighpower

applications,”IEEE TransactionsonPowerElectronics,Vol.

20,Issue2,pp.370-377,Mar.2005.

[5] D.Oliveria,Jr.andI.Barbi,“A Three-phaseZVSPWM DC/DC

converter with asymmetricalduty cycle associated with a

three-phaseversionofhybridgerectifier,”IEEE Transactions

onPowerElectronics,Vol.20,No.2,pp.354-360,Mar.2005.

[6] J. Jacobs,A. Averberg,and R. De Doncker,“A novel

three-phase dc/dc converterforhigh-powerapplication,” in

PowerElectronicsSpecialistsConference,pp.1861–1867,2004.

[7] C.Liu,A.Johnson,andJ.Lai,“A novelthree-phasehigh-power

- 77 -

soft-switched DC/DC converter for low-voltage fuel cell

applications,”IEEETransactionsonIndustryApplications,Vol.

41,pp.1691-1697,Nov.-Dec.2005.

[8] 김정근,김형 ,김 근,최세완,“연료 지 PCS를 한 클램

회로가 없는 3상 ZVS DC-DC 컨버터,” 력 자학술 회 논문

집,pp.206-208,2008.6.30-7.3.

[9] JungwanChoi,HanjuCha,Byung-moonHan,“A Three-Phase

Interleaved DC-DC Converterwith Active Clamp for Fuel

Cells”,IEEE Trans.on PowerElectronics,FirstPublished,

Mar.2010.

[10] Hanju Cha, Jungwan Choi, Byung-moon Han, “A New

Three-PhaseInterleavedIsolatedBoostConverterwithActive

Clamp for Fuel Cells,” in Power Electronics Specialists

Conference,pp.1271–1276,2008.

[11] 최정완,차한주,한병문,“인터리 방식 삼상 연형 고효율 부스

트 컨버터,” 력 자학회 논문지,제14권,제6호,pp.496-503,

2009년 12월.

[12] 차한주,최정완,“인터리 방식 삼상 연형 고효율 부스트 컨버

터,” 한 기학회 하계 학술 회,pp.910-911,2008.

[13] 최정완,강태섭,차한주,“삼상 인터리 방식 연형 고효율 부스

트 컨버터의 효율실험,” 한 기학회 기기기 에 지변환시

스템 부분회 춘계 학술 회,pp.299-301,2010.

[14] 최순호,“3상 류형 능동 클램 DC/DC컨버터의 해석 설계”,충남

학교 기공학과 석사논문,2009.

- 78 -

[15] 최정완,“연료 지용 3상 연형 인터리 방식 DC-DC컨버터의 해석

설계”,충남 학교 기 공학과 박사논문,2010.

[16] 강태섭,최정완,차한주,“3상 연형 인터리 방식 고효율 벅 컨버터의

효율 실험”, 한 기학회 하계학술 회 논문집 ,pp.1177-1178,

2010.

[17] H.-B. Shin, J.-G. Park, S.-K. Chung, H.-W. Lee and T.A. Lipo,

“Generalised steady-stateanalysisofmultiphaseinterleaved

boostconverterwithcoupledinductors”,IEE Proc.-Electr.

PowerAppl.,Vol.152,No.3,pp584∼594,May2005

- 79 -

*A thesissubmittedtothecommitteeofGraduateSchool,Chungnam

NationalUniversity in a partialfulfillmentoftherequirementsforthe

degreeofMasterofEngineeringconferredinFebruary2011.

*ABSTRACT

AnalysisandDesignofThree-PhaseIsolatedBi-directional

Interleaved DC-DCConverter

TaesubKang

DepartmentofElectricalEngineering,GraduateSchool

Chungnam NationalUniversity

Daejeon,Korea

(SupervisedbyProfessorHanjuCha)

This thesis presents an implementation ofthree-phase DC-DC

converterwhich conversesthelow inputvoltagelevelto a high

voltagelevelandisusedin fuel-cellandbatteryapplications.

Forthepurposeofhighlyefficientvoltageconversion,twotopologies

- 80 -

hasbeenanalyzedandimplementedabasisofthree-phaseDC-DC

converter.

Firstly,thePWM andoperating principleshasbeenexplainedfor

three-phasecurrent-typeactiveclampDC-DC converter,whereall

switchesareoperatedinZVSoperationbecauseoftheactiveclamp

circuitandleakageinductorofconverter.Also,byusingthefly-back

methodastablepre-chargingcanbeestablishedevenincaseofthe

loadvariation.ByconnectingtwoPIcontrollersinseries,theoutput

voltageandtheinputcurrentvalueshasbeenmaintainedduringthe

loadvariation. Inthisthesis,a800W three-phasecurrent-fedactive

clampDC-DC converterpropotype,whichconnectsafuel-cellwith

angrid-connectedinverter,hasbeenimplementedandverifiedina

realthree-phasegrid-connectedapplication.

Secondly,aninterleavedmethodhasbeenappliedintotheexisting

converterforimplementing a three-phaseinterleaved bi-directional

DC-DC converter The three-phase full-bridge rectifier of the

interleaved DC-DC boostconverter has been modified by using

IGBT'sreverse-directionaldiode,hencetheanalysisanddesignof

bi-directionalconverter,whichoperatesin twomodes:boostmode

andbuckmodeoperation,hasbeencarriedout.ThePWM operation

andcircuitoftheinterleavedDC-DC converterhasbeenexplained.

All switches of three-phase interleaved bi-directional DC-DC

converterareworkedinZVS operation.Asaresult,theeffectof

reducingconverter'sinputcurrent'srippleandZVSoperationofall

switchesat1kW powerisabout95%.1kW and3kW converterswere

directlydesignedandtheconverter'sprototypesuchasPCB,input

andleakageinductor,transformerdesignprocesshavebeendescribed.

Finally, the 3kW three-phase interleaved bi-directional DC-DC

converterhasbeen verifiedin stableoperation.In conclusion,this

converterhasbeenverifiedtobesuitableforhigh-powerconversion

equipmentinbatterycharger/dis-charger,UPSandhybridcar.

- 81 -

감사의

학원에 진학한지 어느 덧 2년이 흘러 석사학 논문을 완성하게 되었습니다.

짧게 느껴지는 2년의 시간을 돌이켜 보면 학문 지식뿐만 아니라 앞으로의 제

인생에 있어서 많은 것들은 배우고 느낄 수 있었던 시간이었던 것 같습니다.

본 논문이 완성될 수 있도록 도와주신 많은 분들께 감사의 마음을 하고자

합니다.논문 뿐 아니라 부족한 에게 석사학 과정 2년 동안 세심한 지도로

연구에 한 용기와 격려를 주신 차한주 교수님께 진심으로 깊은 감사의 말 을

드립니다.바쁘신 가운데 라한 논문을 열과 성으로 심사해주시고 석사학 과

정 동안 많은 가르침과 조언을 해주신 이흥호 교수님,김양모 교수님께 깊이 감

사드립니다.

스무 살, 학생활 때부터 지 까지도 많은 가르침과 지도해 주시고 이 순간을

맞이할 수 있도록 학원 진학에 학문 연구 뜻을 품게 해주신 덕 학 이승환

교수님께 깊은 감사의 말 을 드립니다.

보다 깊이 있는 연구할 수 있도록 도움을 주시고 학원 생활을 통해 제게 귀

감이 되어 주신 최정완 선배님께 감사드립니다.

무엇보다 오늘의 제가 있도록 언제나 힘이 되어 아버지,어머니 그리고 동

생 태운이에게 항상 감사하고 사랑한다고 하고 싶습니다.

지능형 력변환실험실 여러분과 희노애락을 함께 했기에 학 과정 동안의 시

간이 힘들지 않고 하나의 좋은 추억으로 남았다고 생각합니다.

많은 분들의 깊은 심과 배려 그리고 사랑으로 석사학 과정을 무사히 마칠

수 있었습니다.

다시 한번 감사드리며 이 작은 결실의 기쁨을 같이 나 고자 합니다.