이중 능동브릿지 컨버터의 경부하 효율 및 동특성 개선을 위한 제어 기법

Abstract

최근 신재생 에너지 분야의 급속한 성장으로 인해 태양광, 풍력 발전, 에너지 저장 장치(Energy Storage System, ESS)와 같은 시스템을 사용하기 위해 DC-DC 컨버터의 필요성이 증대되고 있다. 이러한 시스템에 사용되는 DC-DC 컨버터의 특징은 양방향성, 절연성, 넓은 입출력 전압 성능 등이 요구된다. 이런 특성을 만족하는 컨버터에는 이중 능동 브릿지(Dual Active Bridge, DAB)가 존재한다. 특히 DAB(Dual Active Bridge) 컨버터는 쉬운 제어성, 고전력 처리 밀도의 이점 또한 가지고 있어 최근 관심이 대두되고 있다. DAB 컨버터는 단일 위상천이 변조(Single Phase-Shift Modulation, SPSM) 제어 방식을 많이 사용한다. SPSM 제어 방식의 경우 유효 입출력 전압비가 1대1일 때 반도체 스위치들이 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching, ZVS)으로 동작하고 무효전력이 낮아 높은 효율을 가지는 이점이 있다. 하지만 유효 입출력 전압비가 1대 1에서 벗어나거나 경부하 운전 시 하드-스위칭(Hard Switching)과 높은 무효전력으로 인해 높은 스위칭 손실과 전도 손실이 발생하게 되어 컨버터의 전력 효율이 급격히 저하되는 단점이 존재한다. 기존 연구에 따르면 컨버터의 경부하 효율 개선을 위해 간헐스위칭 기법(Burst-mode)이 제시되었다. 간헐스위칭 기법은 일정 간헐스위칭 주기 동안 PWM 펄스를 중단하여 컨버터 내부의 전류와 스위칭 손실을 줄여 경부하에서 효율을 높이고 출력 제어의 범위를 넓히는 기법이다. 기존 연구는 DAB 컨버터에서 간헐스위칭 기법을 사용해 ZVS 범위를 확장하는 것에 집중해 경부하 효율을 개선 시키는 연구가 진행되어졌다. 하지만 넓은 범위의 ZVS를 얻기 위해서 변압기 1차측과 2차측 사이의 큰 위상차를 사용하게 되는데 이는 큰 무효전력을 발생시킨다. 부하의 변화에 따라 무효전력의 크기가 SPSM 방식에 비해 커지는 구간이 존재해 오히려 이 기법을 사용하지 않을 때보다 ZVS 영역은 확보되었지만 효율성을 낮아지게 되었다. 또한 일반적으로 간헐스위칭 기법에는 DC 바이어스가 생기는 문제점이 존재한다. DC 바이어스는 변압기 포화를 일으키기 때문에 변압기에 직렬로 커패시터를 추가하는 방법으로 해결해야 한다. 하지만 소자를 추가함으로써 회로의 크기 증가와 추가적인 손실이 발생하게 된다. 본 논문에서는 DAB 컨버터의 입출력 전압을 통해 무효전력이 최소가 되고 ZVS도 만족하는 변압기 1차측과 2차측 전압의 위상차를 결정하고 이를 기반으로 간헐스위칭 기법의 턴-온, 턴-오프 비를 조절해 전력을 전달하는 방식으로 기존 간헐스위칭 기법의 문제점을 해결하는 방법을 제안하였다. 이는 경부하 운전 시 높은 무효전력이 발생하고 ZVS가 되지 않는 문제를 해결한다. 또한 기존의 방식에 비해 경부하에서 높은 효율을 얻을 수 있었다. 이를 입출력 유효 전압비가 0.5, 0.7, 0.9인 지점에서 자성 소자, 스위치, 커패시터의 손실 모델을 통해 효율을 이론적으로 예측하였다. 시뮬레이션과 하드웨어 실험을 통해 제안하는 기법이 SPSM 제어 기법과 기존의 간헐스위칭 기법에 비해 경부하에서 ZVS 여부와 효율이 증가함을 검증하였다. 또한 변압기 1차측 전압의 듀티비를 조절해 DC 바이어스를 제거하여 직렬 커패시터를 제거하는 방법을 소개하고 이를 간헐스위칭 기법을 사용할 때 다양한 유효 입출력 전압비, 다양한 부하에서 DC 바이어스가 제거됨을 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증하였다. 제안하는 기법의 동적 특성 분석을 위해 축소 차수 모델을 사용해 소신호 모델을 도출하였다. PI 제어기를 설계하고 이를 이용해 폐 루프 전달함수를 구하고 보데선도를 기반으로 안정도를 검증하였다. 실제로 제안하는 간헐스위칭 기법을 경부하 시와 중부하 시의 부드러운 전환을 위해 SPSM 방식과 제안하는 간헐스위칭 기법 간의 변압기 실효치 전류를 계산한 뒤, 이 정보를 모드 전환에 사용하였다. 또한 두 방식의 전환 지점에서 부드러운 전환을 위해 전향 보상 제어(Feed-forward control)방식을 적용한 알고리즘을 제안하였다. 제어기의 안정성과 모드의 부드러운 전환을 위한 알고리즘을 실험적으로 검증하였다.