현재 국내외로 철도기술이 발전하면서 타 산업분야의 요소기술과 접목하려는 시도가 계속하여 이루어지고 있다. 이와 같은 시도 중에서도 신재생에너지의 연구는 철도분야의 여러 방면에서 수행되고 있다. 화석연료 고갈과 환경오염의 심각성 및 기존 전력설비 노후 등의 문제를 해결하기 위하여 신재생에너지원의 개발 및 기존 철도시스템과의 연계에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다.
전기철도의 경우 항공, 선박 등에 비해 수송효율이 높고 에너지 이용효율을 증대할 수 있는 장점이 있다. 하지만 전기철도차량에 전원을 공급하는 전차선로, 궤도 등의 시설물로 인한 초기 투자비용이 높다. 이 같은 장점을 극대화하고 단점을 보완하기 위하여 신재생에너지를 철도에 적용하려는 연구가 계속되고 있다.
그 중에서도 연료전지는 다른 신재생에너지원에 비하여 효율이 높고 소음이 적으며 친환경적이다. 또한 시스템구축이 용이하여 철도차량의 동력으로 적합하다. 또한 연료탱크를 통하여 지속적으로 공급할 수 있으며, 이는 상시발전이 가능하다는 의미이다. 또한 발전설비로 이용할 수 있을 뿐만 아니라 신재생에너지 중 현재 유일하게 이동용 부하 동력장치로 고려될 수 있을 정도로 우수한 성능을 가지고 있다. 그러나 연료전지발전은 기존의 배터리 등의 DC 전원과는 다르게 화학반응에 의한 분극 현상 때문에 발생하는 손실로 비선형적인 특성을 가지게 되며 저전압 출력특성을 갖는다. 이와 같은 특성 때문에 연료전지발전 시스템은 전압의 안전적인 공급을 위하여 승압형 컨버터가 요구된다. 국내에서는 아직 철도차량에 수소연료전지발전 시스템을 적용한 사례가 없으며, 기본적인 토폴로지만 제시한 연구만 수행된 실정이다.
기존 연구에서의 연료전지발전 시스템은 단일 스위치를 적용한 일반적인 컨버터를 적용하였다. 따라서 대용량인 철도차량을 제어하기 위한 컨버터 온-오프시 스위치에 흐르는 전류 스트레스가 크며 제어 시 입력 측 리플 또한 크기 때문에 연료전지발전 시스템 및 인덕터 등의 수명을 단축 시키는 문제점이 있다.
본 논문에서는 이와 같은 문제들을 해결하기 위하여 연료전지 철도차량용 소프트 스위칭 TIB 컨버터를 제안하여 온-오프시 발생하는 스위치 전류 스트레스를 감소하는 기법과 입력 전류 리플과 인덕터에 흐르는 전류 리플을 저감하는 기법에 대한 연구를 수행하였다. 소프트 스위칭 TIB 컨버터는 변압기형 인덕터를 이용하여 전체 회로를 인터리브드 방식으로 구성하였으며, 입력전류 리플과 인덕터와 스위치에 흐르는 전류 리플을 감소하도록 제어를 수행하였다.
이를 위해 TI의 리플저감모드를 제안하였으며 이에 따른 모드 동작을 분석하였다. 또한 소프트 스위칭 기법을 적용하여 스위치에 흐르는 전류가 0일 때 턴-온하는 ZCS 턴-온을 적용하였으며 이에 따른 모드 동작도 분석하였다. 리플저감모드와 소프트 스위칭 모드는 제어 사이클에서 동시에 발생하여 입력전류 리플과 스위치의 전류 스트레스를 감소한다. 또한 TI는 하나의 페라이트 코어에서 양쪽으로 권선을 감는 구조로 구성되어 있어 동일크기의 인덕터 대비 더 큰 인덕턴스를 가질 수 있다는 장점이 있다. 이는 안정적인 제어와 시스템의 경량화 측면에서 더 유리하다.
또한 본 논문에서는 소프트 스위칭 TIB 컨버터의 성능을 입증하기 위하여 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. 철도차량의 경우 대전류, 대전압이기 때문에 실제 차량에 실험하는 것이 어렵기 때문에 실험실 수준의 용량으로 축소하여 파라미터를 선정하고 하드웨어를 제작하였다. 이를 위하여 PSIM 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며 일반적인 소프트 스위칭 컨버터와 인터리브드 제어를 수행한 컨버터, 그리고 소프트 스위칭 TIB 컨버터의 저항 부하 시뮬레이션을 수행하고 입력전류 및 출력전류 리플을 비교하여 성능을 예측하였다.
또한 축소형 연료전지발전 시스템을 모델링하고 입력으로 적용하고 소프트 스위칭 TIB 컨버터를 탑재한 연료전지 철도차량의 시뮬레이션을 수행하여 리플저감모드와 소프트 스위칭 모드를 분석하였다. 또한 소프트 스위칭 기법에서는 스너버로 인한 손실이 존재하며 이를 분석하기 위하여 일반적인 소프트스위칭 방식의 컨버터와 소프트 스위칭 TIB 컨버터를 연료전지 철도차량에 연결하여 효율비교를 수행하였다.
소프트 스위칭 TIB 컨버터를 사용하였을 경우, 일반적인 소프트 스위치 컨버터를 사용했을 때보다 상전류 리플이 약 20% 가량 감소하고 효율이 최대 3.9% 더 좋은 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 논문에서는 국내에서 시도되지 않은 연료전지발전 철도차량 설계 및 제어기법 연구의 초석으로 그 역할이 기대된다. 또한 향후 실제 연료전지 철도차량 제작 시 적용되는 TIB 컨버터에 적용된 TI를 통하여 같은 시스템에서 더 큰 인덕턴스 확보로 경량화와 안정화를 기대할 수 있다. 또한 소프트 스위칭 컨버터를 이용하여 스위치에 가해지는 전류 스트레스를 줄여 소자 수명연장의 효과와 일반적인 기법에 비해 상승된 효율을 기대할 수 있다.
향후 연구에서는 실제 연료전지시스템을 이용하여 컨버터 시스템의 특성을 분석하는 것이 필요하다. 또한 상용화를 위한 연료전지 철도차량을 제작할 때 대용량화로 발생하는 전력변환장치의 EMI를 분석하여 타 소자에 미치는 영향을 분석하는 것도 매우 중요한 것으로 추후 과제로 남긴다.