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

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304