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연료 지 응용을 한 고승압 력 다상 부스트 하 리지 컨버터
윤창우, 최세완
서울산업 학교
High Voltage and High Power Multi-Phase Boost-Half-Bridge
Converter for Fuel Cell Applications
Changwoo Yoon, Sewan Choi
Seoul National Uinversity of Technology
ABSTRACT
본 논문에서는 고승압 력 연료 지응용을 한 다상 컨
버터를 제안한다. 제안하는 컨버터는 부스트 하 리지- 압
더블러의 단 셀을 직렬 혹은 병렬로 연결하여 출력 압을 배
가시키거나 용량을 증 시키므로 가격과 수 이 용이한 소자의
사용이 가능하여 최 설계가 가능해진다. 한 변압기 턴 비를
작게 할 수 있어 고승압의 응용에 유리하다. 스 치 정류
다이오드는 소 트 스 칭을 하며, 추가 인 클램 회로나 스
타트업 동작이 필요 없는 장 이 있다.
1. 서 론
최근 들어 연료 지발 , 태양 발 , 하이 리드 자동차,
UPS등의 응용분야에서 연형 DC-DC 컨버터의 필요성과 함
께 요구되는 력이 증 되고 있는 추세이며 특히 연료 지와
같은 압 류의 출력특성을 갖는 응용에서는 고승압의
DC-DC 력변환이 요구된다. 한편 력의 응용에 합한 3
상 DC-DC 컨버터[1-6]가 제안되었는데, 이들은 단상 DC-DC
컨버터에 비해 류정격의 감소되어 소자 선정이 용이하고, 인
터리빙 동작으로 입출력 필터크기가 작으며, 변압기의 이용율
이 높은 장 을 갖는다.
기존에 제안된 3상 DC-DC 컨버터를 기본 단 셀을 기
으로 분류하면 단 셀이 스 치 그인 컨버터[1-4]와 단 셀
이 풀 리지인 컨버터[5]가 있다.
본 논문에서는 부스트 하 리지― 압더블러를 기본 단
셀로 하여 고승압 력의 력변환에 합한 새로운 토폴로
지의 다상 DC-DC 컨버터를 제안한다. 제안한 컨버터는 1차측
에 부스트 하 리지를 병렬 연결하여 력을 증 시키고, 2차측에 압더블러를 직렬로 연결하여 출력 압을 증 시키는
방식으로 구성된다. 따라서 주어진 력용량과 출력 압에
하여 한 부스트 하 리지의 병렬수와 압더블러의 직렬
수 선정하면 가격 수 에 유리한 상용소자를 사용하게 되어
최 의 설계가 가능하다. 제안한 다상컨버터의 특징은 다음과
같다.
변압기의 턴비, 1차측 소자의 류정격 2차측 소자의
압정격이 낮아져 고승압 력에도 소자선정이 용이하다.모든 스 치의 ZVS 턴온과 다이오드의 ZCS 턴오 가 성취
된다.0<D<1의 듀티 역을 사용하므로 넓은 입력 범 의 응
용에 합하며 스타트업 추가의 클램 회로가 필요없다.
CCM 인터리빙으로 입력 류 리 이 매우 작다.
소자의 수는 증가하나 Low Profile 열 분산에 용이하다.
압 더블러의 사용으로 변압기의 DC 오 셋 순환 류
가 없다.
2. 제안하는 다상 DC -DC 컨버터
2.1 제안하는 셀을 이용한 다상 컨버터 토폴로지
그림 1은 제안하는 부스트하 리지- 압더블러로 구성되
는 기본셀이고 그림 2는 이러한 기본셀을 사용하여 고승압
력 응용을 한 제안하는 다상컨버터의 일반형이다. 여기서
"N"은 직렬로 연결된 압 더블러의 수를 말하며, "P"는 각
압더블러에 연결된 부스트하 리지의 수를 의미한다. 그림 3
은 P=1 일 때 "N"을 늘려 출력 압을 배가시키는 이다. 그
림 4는 N=1 일 때 "P"를 늘려 출력 워를 증 시키기 한
이다. 두 경우 모두 입출력의 필터 크기를 이기 하여 인
터리빙 기술이 용된다. 따라서 "N" 과 "P"는 주어진 압
력용량 사양에서 가격 수 이 용이한 소자를 사용할 수
있도록 선정하면 된다. 따라서 고승압 력의 입출력 스펙을
가진 응용에서도 설계가 유연하며 최 의 설계를 할 수 있다.
그림 1 제안한 다상컨버터를 위한 BHB-VD 셀
그림 2 제안하는 다상 컨버터의 일반형
301
(a) 하측 스위치
(b) 상측 스 치
그림 6 스 치 ZVS 류 역 (N=3, P=1)
그림 3 출력전압 증대를 위한 제안하는 다상 컨버터(P=1)
그림 4 출력 전력 증대를 위한 제안하는 다상컨버터(N=1)
2.2 동작 원리 ZVS 역
그림 1의 기본 셀의 주요 동작 형을 그림 5에 나타낸다. 제
안하는 컨버터는 각 기본 셀이 상보 비 칭 PWM 동작을
하고, 각 셀은 2π/(N P)의 상차를 갖고 동작한다. 필터인덕터의 평균 류와 류리 계식은 (1) (2)와 같다.
2
,1O
L a vS O
VIV R N P
=⋅ (1)
S
LS
VI DL f
∆ =⋅ (2)
변압기 설인덕터 류의 양과 음의 피크값은 각각
( )2
, 2 2
2 1(1 ) (1 )
O S Slk pk
O P k s
V N D VID R N P D D L f+⋅ ⋅= +
− ⋅ + − ⋅ ⋅ (3)
( ), 2 2
2 (1 )1(1 )
O S Slk pk
O P k s
V N D D VID R N P D D L f−
⋅ − ⋅ ⋅= +⋅ + − ⋅ ⋅ (4)
과 같고, 식 (1)~(4)를 이용하여 스 치 ZVS 류를 계산할
수 있으며, 하측 상측 스 치 ZVS 류는 각각 다음과 같다.
, , ,
2
2 2
2
1( )2
2(1 ) ( (1 ) )
12
SL ZVS Lk pk L av L
O S S
O P k s
O S
S O S
I I I I
V N D VD R N P D D L f
V D VV R N P L f
+= − − ∆
⋅= +− + − ⋅
⋅− +⋅ ⋅ ⋅
(5)
, , ,
2 2
2
1( )2
(1 )2( (1 ) )
1 12
SU ZVS Lk pk L av L
O S S
O P k s
O S
S O S
I I I I
V N D D VD R N P D D L f
V V DV R N P L f
−= + + ∆
− ⋅= +⋅ + − ⋅
+ +⋅ ⋅ ⋅
(6)
다음의 설계사양을 가정하고 식(5)와 (6)을 이용하여 그림 6
에 하측 상측 스 치의 ZVS 류를 입력 압과 출력 력의
라미터로 나타낸다.
․VS : 35 ~ 55V, ․VO = 400V, ․PO : 100W ~ 5kW
․NS/NP = 2, ․Lk=4uH
한 수식 (5),(6)과 스 치의 에 지량의 계를 통해 ZVS
역을 표 하 다. 한 로 주어진 스펙에서 MOSFET의 등
가 기생커패시턴스의 크기가 1.5nF일 때 부하는 1kW 이상, 입
력 압은 40V보다 큰 조건에서 ZVS를 성취할 수 있음을 의미
한다. 한 상측스 치는 모든 구간에서 ZVS를 성취할 수 있
다.
302
그림 5 제안하는 BHB-VD 셀의 주요파형
그림 7 입력 커패시터(CIL)의 전류 리플 (P=1)
2.3 인터리빙의 효과
각 스 치 래그의 인터리빙효과로 입력커패시터(CIU,CIL) 류의 주 수는 스 칭주 수의 “N P”배가 되고 리 이 감소한
다. 출력커패시터(COU,COL)도 인터리빙효과로 류의 주 수는
스 칭 주 수의 “P”배가 된다. 그림 7은 P=1일 때 몇 가지
"N"에 한 커패시터의 류리 을 구한 것으로 상수 N이 증
가하면 리 이 감소하는 것을 볼 수 있다.
2.4 압 달비
이상 인 압 달비는 N과 턴비에 의해 결정된다.
1O S
S P
V NNV D N
=− (9)
변압기 설인덕터의 압강하를 고려하면 압 달비는
( )2
2 2 2
(1 )(2 1) 1 (1 )1 1
O
S k s S P
P O S
V D DV D L f N D D N
N R P N N
−=− + ⋅ ⋅ − ⋅+
⋅ (10)
그림 8 N 과 P 에 대한 전압 전달비
이 된다.
식(10)을 이용하여 몇가지 N 과 P 에 한 압 달비를 그림
8에 나타낸다. ”P“가 증가하면 압 달비가 조 상승하는데
이는 각 셀 별로 부하 류가 ”P"만큼 분담되어 설 인덕터
양단의 압 강하가 감소하기 때문이다.
3. 실험결과
그림 9와 같이 N=3 이고 P=1 인 경우 제안하는 컨버터를
다음의 사양으로 설계·제작하 다.
․PO : 5kW,․Vin : 60-110V, ․VO = 400V, ․fs = 100kHz ,
․N=3 P=1
스 치 : FDA70N20(70A, 200V, Fairchild-semi)
쇼트키 다이오드 : FCH20A20(20A, 200V, Nihon)
커패시터 CIU, CIL : 삼화, MLCC CS3216X7R225K) 15uF
COU, COL : Film capacitor 30uF
변압기 : TDK PQ40(turn ratio 1:1 , Lk=2uH)
인덕터 : 창성 CH046125
실험 스택은 그림 10과 같으며, 상 으로 큰 류리 을
갖는 커패시터 CIU, CIL의 기생인덕턴스를 최소화하고 류리
정격을 만족시키기 해 그림 11(a)와 같이 MLCC를 직병렬
조합하여 사용하 다. 한 그림 11(b)의 열화상카메라 사진에
서 보듯이 부하에서도 온도상승폭이 크지 않고 정상 으로
동작하는 것을 확인할 수 있다.
그림 12는 실험 형으로 변압기 류 스 치 압과
ZVS상태에 해 나타낸다.
그림 9 제안하는 다상컨버터(N = 3, P =1 인 경우)
303
그림 10 제안하는 컨버터의 사진(5kW)
(a) MLCC array (b) 열화상 사진
그림 11 MLCC array과 열화상 사진
(a) (b)
(c) (d)
그림 12 실험 형
(a) 스 치 압과 다이오드 압, (b) 변압기 류, (c) 경부하 시
스 치의 ZVS 실패 (d) 부하 시 스 치의 ZVS 성취
제안하는 컨버터는 2.2kW에서 최 효율 96.2%를 달성하
다.
4. 결론
본 논문에서는 고승압 력 연료 지응용을 한 다상
부스트 하 리지 DC-DC 컨버터를 제안하 다. 제안하는 컨
버터의 형태는 부스트 하 리지를 단 셀로 직렬 혹은 병렬
로 연결하여 출력 압을 배가시키거나 용량을 증 시키는 구조
로서 한 직 병렬구조의 선정을 통해 소자의 정격을 경제
인 정격 범 로 감소시킬 수 있으며, 변압기 턴 비를 작게 가
져갈 수 있어 고효율의 변압기를 제조할 수 있다. 한 스
치 정류 다이오드는 소 트 스 칭을 하며, 추가 인 클램
회로나 스타트업 동작이 필요 없다. 한 작은 용량의 소자
를 넓게 분포시킬 수 있기 때문에 열 분배 측면에서 효율 이
다. 제안하는 컨버터는 최 96.2%의 효율을 성취하 으며,
이를 실험으로 검증하 다.
이 논문은 기 력연구원의 “연료 지용 고성능 계통연
계형 력변환기 제어기술 개발” 과제 연구비 지원에
의하여 연구되었음
참 고 문 헌
[1] G D. M. Divan and R.W. A. A. De Doncker, "A three phase soft
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Current-Fed DC/DC Converter with Active Clamp for Fuel
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cell power conditioning system," in Proc. IEEE VPPC, pp.7,
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Converter for Small Scale Fuel Cell Stack," in Proc. IEEE
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[7] Chong-Eun Kim, Gun-Woo Moon, Sang-Kyoo Han, "Voltage Doubler
Rectified Boost-Integrated Half Bridge (VDRBHB) Converter
for Digital Car Audio Amplifiers," IEEE Trans. Power
electronics., vol. 22, pp. 2321 - 2330,Nov. 2007
[8] Hyungjoon Kim, Changwoo Yoon, Sewan Choi, "An improved
current-fed ZVS isolated boost converter for fuel cell
applications,"in Proc. IEEE APEC, 24-28 Feb. 2008, pp.593
599
[9] Changwoo Yoon, Sewan Choi, "Multi-Phase DC-DC converters
using a Boost Half Bridge Cell for High Voltage and High
Power Applications,"in Proc. IEEE IPEMC, 17-20 May 2009,
pp.780 786
304
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