커패시터 커플링을 이용한 직류 배전용 컨버터 모듈의 설계 및 제어

Abstract

반도체 변압기는 상용 주파수 변압기 대비 높은 전력밀도와 완만한 경부하 효율특성, 전압강하 보상과 계통사고에 대한 유연한 대응이 가능하다는 장점을 갖고 있다. 그러나 반도체 변압기는 중/고부하에서 상용 주파수 변압기 대비 효율이 낮아 상용화에 큰 제한이 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위한 방안으로, 고주파 고전압 절연 변압기를 제거하고 커패시터 커플링을 이용하여 전력변환 하는 방식의 비절연 반도체 변압기가 주목을 받고 있다. 커패시터 커플링을 이용한 컨버터는 변압기의 부재로 높은 효율과 높은 전력밀도 달성이 가능하며 설계비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다. 또 커패시터 커플링을 이용한 컨버터를 모듈화 하여 직렬-입력 병렬-출력 구조로 적층 시키면, 쉽게 고 승압비를 구현 할 수 있으며, 승압비에 따른 컨버터 동작 특성의 의존성을 최소화할 수 있다. 본 논문에서는 커패시터 커플링을 이용한 비절연 반도체 변압기를 모델링 하고 드룹 제어 특성을 고려한 체계적인 컨버터 모듈의 설계방법을 제안한다. 컨버터 모듈의 등가모델을 도출하여, 각 층에 적층 된 모듈이 2병렬화 된 SR-DAHB 컨버터와 등가임을 보인다. 또, 영상분 전류의 존재성을 확인하고, 이를 최소화하기 위한 스위칭 방법을 제시한다. 이어서, 모델링 결과를 바탕으로 옥내 직류 배전용 커패시터 커플링을 이용한 반도체 변압기의 컨버터 모듈을 설계한다. 컨버터 모듈의 설계 목표를 제시하고, 임피던스 설계 자유도를 이용하여 컨버터 모듈의 동작 특성을 세밀하게 조정하는 방안에 대하여 제시한다. 또 모듈이 적층 될 때에 커패시터 커플링에 이용되는 고전압 커패시터에 의한 컨버터 모듈의 전력밀도 감소를 고려하는 방안에 대하여 제시한다. 커패시터 커플링을 이용한 컨버터는 자화전류의 부재로, 경부하에서 영전압-스위칭(ZVS, Zero Voltage Switching) 달성이 제한된다. 이에, 본 논문에서는 경부하 효율 특성을 개선하기 위한 제어 방안에 대하여 제안한다. 커패시터 커플링을 이용한 컨버터 모듈의 등가모델인 SR-DAHB 컨버터를 시간영역으로 해석 하여, 닫힌 해의 컨버터 상태 변수(전압, 전류, 전력 등)들을 도출한다. 이러한 시간영역 해석을 바탕으로, 부하율이 낮아짐에 따라 가장 먼저 ZVS 달성에 위협받은 스위치의 ZVS 특성을 개선시키는 ZVS영역 확장 제어 방식을 제안한다. 제안한 제어 방식의 효과로 더 넓은 범위에서 모든 스위치가 ZVS 달성됨을 보이고, 이는 전압 이득이 높을 수록 더 효과적임을 보인다. 이어서 경부하 효율 특성을 개선하기 위한 두번째 방안으로 컨버터를 주기적으로 껐다 켰다 하는 펄스 밀도 변조 방식을 적용한다. 펄스 밀도 변조 방식을 위한 전류 지령 생성방안과 컨버터를 켰을 때 발생하는 전류의 링잉을 최소화 하기위한 방안을 제시한다. 제안하는 설계방법의 효용성과 우수성 검증을 위하여 11 kW 정격의 커패시터 커플링을 이용한 컨버터가 구현되었다. 실험을 통해 구현된 컨버터가 설계 목표를 달성함을 보이고, 대조군으로 제작된 변압기 커플링을 이용한 컨버터 보다 우수한 효율을 갖음을 확인하였다. 제안된 제어 방식들을 검증하기 위한 실험도 수행되었다. 실험을 통해 기존의 제어 방식과 동작 특성 및 효율을 비교하고 제안된 방식들의 효과성을 입증하였다.

Solid-state transformers have the advantages of higher power density, light load efficiency characteristics, voltage drop compensation, and active response to grid faults. However, there is a limitation in that the efficiency is lower than that of line transformers at medium/high loads, which is a significant limitation in commercializing solid-state transformers. A non-isolated solid-state transformer using high-voltage capacitor coupling has attracted attention as an alternative to these conventional solid-state transformers. Converters using capacitor coupling can achieve high efficiency/power density and significantly reduce design costs because of the absence of a high-voltage, high-frequency transformer. In addition, by stacking capacitor-coupled converters in a series-input parallel-output structure, it is possible to achieve a high step-up ratio and minimize the dependence of operating characteristics on the step-up ratio. In this paper, a model of a non-isolated solid-state transformer using capacitor coupling is driven, and a systematic design method is proposed considering droop control characteristics. The common-mode current is confirmed by deriving a common-mode equivalent model, and a switching method for minimizing the common-mode current is presented. Subsequently, a differential-mode equivalent model is derived, showing that the capacitor-coupling converter stacked on each layer is a 2-parallelized SR-DAHB converter. A capacitor-coupling converter for an indoor transformer is designed based on the modeling results. A design goal is presented, and a method for finely adjusting the operating characteristics of the converter to have the highest efficiency characteristics at the target load is presented. In addition, a converter design method considering the power density reduction by the high-voltage capacitor is presented. The capacitor-coupled converter has a disadvantage in that it is difficult to achieve zero-voltage switching (ZVS) at a light load due to the absence of a magnetizing current. Therefore, this paper proposes a control method for improving light load efficiency in capacitor-coupled converters. A time-domain analysis of the SR-DAHB considering the duty ratio control is performed. The converter state variables are derived in a closed-form solution for all switching patterns. Based on the results of time-domain analysis, an Extended ZVS area control method that improves the worst ZVS characteristics of switches is proposed. As a result of the proposed control method, all switches achieve ZVS in a broader range, and the effectiveness is increased as the voltage conversion ratio increases. Subsequently, as a second method to improve the light load efficiency characteristics, dual frequency PWM control, which periodically turns on and off the converter, is applied to the capacitor-coupled converter. A current reference generation method for dual-frequency PWM control and a ring-down method when the converter turns on are also presented. To verify the effectiveness of the proposed design method, a 11 kW capacitor-coupling converter was designed. The design goal was confirmed through experiments, and superior efficiency was confirmed compared to the transformer-coupling type converter. Experiments were also conducted to verify the proposed control method. The operation waveforms of the proposed control methods were similar to the simulation results. And the effectiveness was demonstrated through a comparison of operating characteristics and efficiency with existing control methods.