순환 손실 저감을 위한 비 절연형 양방향 듀얼 컨버터 구조의 영 전압 천이 소프트 스위칭 셀

Abstract

컨버터가 영 전압 천이(Zero-Voltage Transition, ZVT) 방식으로 동작하기 위한 보조 회로는 크게 보조 회로 내에 보조 스위치를 사용하는 방식과 사용하지 않는 방식으로 나눌 수 있다. 이 중 보조 회로에 스위치 소자를 사용하는 회로는 전류의 흐름을 제어하는 것이 가능하기 때문에 스위칭 시점 부근에만 보조 회로 내에서 전류가 흐른다. 이로 인해 도통 손실이 저감된다는 장점이 존재하지만 반도체 소자 및 구동 회로의 추가로 인해 회로의 복잡도가 증가하고 그에 따라 회로의 신뢰성이 낮아진다는 단점이 존재한다. 반면 보조 회로에 스위치 소자를 사용하지 않는 방식은 간단한 구조로 인해 신뢰성 측면에서는 장점을 가지지만 전류 흐름의 제어가 불가능하기 때문에 한 주기 동안 보조 회로에 전류가 도통하게 된다. 따라서 순환 손실이 증가한다는 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 비 절연형 양방향 듀얼 컨버터 구조에 적용 가능한 보조 스위치 소자를 사용하지 않는 영 전압 천이 소프트 스위칭 셀을 제안한다. 제안하는 소프트 스위칭 셀은 결합 인덕터와 커패시터로 이루어진 간단한 구조이며 짝수의 병렬 컨버터 모듈에 적용 가능한 구조이다. 제안하는 회로는 보조 회로에 수동 소자만을 사용하고 간단한 구조로 구성되어 신뢰성 측면에서 장점을 가진다. 소프트 스위칭 셀의 보조 커패시터는 직류 전압원의 역할을 하여 결합 인덕터의 동작점을 형성한다. 결합 인덕터의 양단 전압과 커패시터에 형성되는 전압으로 인해 누설 인덕터에 흐르는 전류가 결정되며 이 전류가 컨버터의 스위치를 소프트 스위칭으로 동작시킬 수 있게 한다. 뿐만 아니라 보조 회로와 스위치의 전류는 결합 인덕터로 인해 전류가 최댓값을 가질 때 급격한 기울기를 가져서 스위치 소자를 사용하지 않는 다른 소프트 스위칭 컨버터에 비해 전류의 실효치가 줄어든다는 장점이 존재한다. 이로 인해 반도체 소자를 사용하지 않는 소프트 스위칭 셀 중 도통 손실의 증가분을 최소화 할 수 있다는 장점을 가진다. 제안하는 소프트 스위칭 셀과 같은 수동 소자를 사용하는 영 전압 천이 방식은 스위칭 시점 이전에 보조 회로에 흐르는 전류가 스위치에 흐르는 전류의 방향을 바꾸어서 소프트 스위칭으로 동작할 수 있게 한다. 전류의 방향을 바꾸기 위해서는 보조 회로에 흐르는 전류의 크기가 스위치에 흐르는 전류보다 커야 한다. 수동 소자를 사용하는 보조 회로는 전류의 흐름 제어가 불가능하기 때문에 최대 부하 조건에서 보조 회로가 설계되어야 하고 부하가 낮아짐에 따라 잉여 전류가 발생하게 된다. 이는 최대 부하 조건을 제외한 나머지 영역에서 회로의 효율을 저감시키는 요인이 된다. 본 논문에서는 이러한 잉여 순환 전류를 줄이기 위한 주파수 변조 기법을 적용하여 스위칭 시점에 스위치에 흐르는 전류 값을 일정하도록 만들어 준다. 이에 따라 입•출력 전압, 부하에 따라 스위치를 소프트 스위칭으로 동작시키기 위한 최소의 순환 전류를 가지는 주파수를 인가하여 도통 손실을 최소화 시킨다. 이를 통해 정격 이외의 영역에서 효율을 극대화 시킨다. 그러나 주파수 변조를 위해서는 디지털 제어를 사용해야 된다는 단점이 존재하기 때문에 경부하 영역의 효율의 중요성에 따라 선택적으로 적용이 가능하다. 본 논문에서는 계통과 연계된 1 kW급 ESS 컨버터를 제작하여 제안하는 소프트 스위칭 셀의 효과를 검증한다. 보조 회로에 반도체 소자를 사용하지 않는 영 전압 천이 방식의 비교군을 선정하여 비교군 영 전압 천이 컨버터, 하드 스위칭 컨버터를 대상으로 제안하는 컨버터의 효과를 분석 및 검증한다.