비절연형 고승압 소프트스위칭 양방향 DC-DC 컨버터에 관한 연구 :A Study on Non-isolated High Gain Soft-switching Bi-directional DC-DC Converter

정현주

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자료유형: 학위논문

저자정보: 정현주 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 최세완

발행연도: 2021

저작권: 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수40

이 논문의 연구 히스토리 (8)

2021

비절연형 고승압 소프트스위칭 양방향 DC-DC 컨버터에 관한 연구

정현주 전기정보공학과 2021.01 학위논문

2020

전해커패시터가 없고 스위치 개수가 적은 3상 단일단 양방향 CCM 소프트스위칭 AC-DC 컨버터

정현주 , 이재연 , 송태형 외 2명 전력전자학회 학술대회 논문집 2020.11 학술대회자료

2018

PPS 제어기법을 적용한 48V-400V 비절연 양방향 DC-DC컨버터

정현주 , 권민호 , 최세완 전력전자학회논문지 2018.06 학술저널

2016

PPS 제어기법을 이용한 48V-400V 비절연 양방향 DC-DC 컨버터

정현주 , 권민호 , 한병길 외 1명 전력전자학회 학술대회 논문집 2016.11 학술대회자료

고승압 소프트스위칭 양방향 컨버터의 PPS 제어기법

정현주 , 권민호 , 최세완 전력전자학회 학술대회 논문집 2016.07 학술대회자료

가정용 ESS를 위한 비절연 고승압 양방향 DC-DC 컨버터 개발

정현주 , 권민호 , 이재연 외 1명 전력전자학회 학술대회 논문집 2016.07 학술대회자료

2015

레독스 흐름 전지용 양극성 전압을 갖는 DC-DC 컨버터의 최적 PWM 스위칭 기법

정현주 , 최세완 전력전자학회 학술대회 논문집 2015.07 학술대회자료

고승압 소프트 스위칭 양방향 DC-DC 컨버터의 PPS 제어 기법

정현주 전기정보공학과 2015.01 학위논문

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에너지저장장치(Energy storage system, ESS) 및 마이크로그리드 시스템과 같은 분야에서 에너지 저장소자(배터리, 슈퍼커패시터 등) 내의 에너지를 충전하고 방전하는 역할을 하는 양방향 DC-DC컨버터에 대한 중요도와 역할이 점차 중요해지고 있다. 본 논문에서는 PWM plus phase-shift (PPS) 스위칭 기법을 적용한 비절연형 고 승·강압이 가능한 소프트스위칭 양방향 DC-DC 컨버터를 제안한다. 제안하는 컨버터는 높은 승·강압비를 가지며 (기존 벅/부스트 컨버터 보다 2배)와 3레벨 구조로 낮은 스위치 전압정격(고전압 측 전압의 50%)을 갖는다. 또한, 양방향 동작 모드에서 불연속전류모드
Discontinuous current mode, DCM)뿐만 아니라 연속전류모드(Continuous current mode, CCM)에서도 모든 스위치가 영전압스위치(Zero voltage switching) 턴 온 을 성취할 할 수 있다. 또한, 제안하는 컨버터를 한 모듈로 두 개의 모듈을 이용하여 입력-병렬/출력-직렬(input-parallel/output-series, IPOS) 구조의 컨버터를 제안한다. 제안하는 컨버터의 병렬구조로 인해 저전압 측 전류와 고전압 측 전압에 인터리빙 효과가 있고 직렬구조로 인해 높은 승·강압비 (기존 벅/부스트 컨버터에 보다 약 3.5배)와 소자들의 낮은 전압정격(고전압 측 전압의 약 30% 수준)을 갖는다. 마찬가지로, CCM 동작에서도 모든 스위치가 영전압 스위칭 턴 온을 성취한다. PPS 스위칭방법은 제안하는 컨버터의 양방향 동작 모드가 대칭적이도록 만들어 제어를 용이하게한다. 위상천이각도를 이용하여 출력전력의 크기와 방향을 제어함과 동시에 듀티비를 이용하여 고전압 측 커패시터 전압들을 동일하게 하여 제안하는 컨버터의 양방향 동작 모드에서 소프트스위칭을 최적화하고 소자들의 전압 정격을 최소화한다. PPS 스위칭 기법의 개념과 동작 원리를 기반으로 제안하는 컨버터의 출력전력, 제어전략 등을 분석하였고, 이를 바탕으로 수동소자 설계안을 제시하였다. 또한, 단일 모듈의 제안하는 컨버터와 IPOS구조의 제안하는 컨버터의 원리와 타당성을 각각 3kW와 2kW 급의 시작품을 통해 검증하였다.

In applications such as energy storage systems (ESS) and microgrid systems, The importance and role of bidirectional DC-DC converters that charge and discharge energy in energy storage devices (batteries, supercapacitors, etc) are gradually becoming important. This paper proposes a non-isolated soft-switching bi-directional DC-DC converter for high step up/down with pulse width modulation plus Phase-shfit (PPS) switching technique. The proposed converter has a high step up/down ratio (twice compared to the conventional buck/boost converter), and a low switch voltage rating(half of the voltage on the high voltage) with a three-level structure. In addition, in both operation mode, all switches can achieve zero voltage switching (ZVS) turn-on not only in the discontinuous curent mode (DCM), but in the continuous current
mode (CCM). Also, the converter of input-parallel/ouput-series (IPOS) structure using two proposed converter modules is proposed. The proposed converter has an interleaving effect on the low voltage side current and the high voltage side voltage due to the parallel structure, and a high step-up/down ratio (approximately 3.5 times compared to the conventional buck/boost converter) and low voltage rating of the devices. Likewise, in CCM operation, all switches can achieve zero voltage switching turn-on. The PPS switching technique facilitates simple control structure by making the proposed converter’s bidirectional operation mode symmetrical. The phase-shift angle is utilized to regulate the amount and direction of power flow of the
bi-directional DC-DC converter, while the duty cycle is utilized to balance the voltage between high voltage side capacitors, which results in optimized soft-swtiching and minimized voltage rating of devices. Based on the concept and operation principle of the PPS switching technique, the output power and control strategy of the proposed converter are analyzed, and a design guideline of the passive components is presented. Also, the
principle and validity of the proposed converter of the single module and the IPOS structure of the proposed converter are verified through prototypes of 3kW and 2kW, respectively.

I. 서 론 1
1. 연구 배경 1
2. 연구 목적 및 방법 2
3. 논문 구성 3
II. 기존의 비절연형 양방향 DC-DC 컨버터 4
1. 하프브릿지 양방향 벅/부스트 컨버터 4
2. 멀티-레벨(multi-level) 타입 컨버터 4
3. 스위치드-커패시터(Switched-capacitor) 타입 컨버터 5
4 커플드-인덕터 (Coupled-inductor) 타입 컨버터 6
III. 제안하는 양방향 DC-DC 컨버터 7
1. 회로구성 및 특징 7
2. 동작원리 및 스위칭방법 8
3. 입·출력 전압 변환비 및 최적 듀티비 10
4. 출력전력 13
5. 제어전략 16
6. 수동소자 설계 17
7. 실험결과 20
IV. 제안하는 입력-병렬/출력-직렬 구조의 양방향 DC-DC 컨버터 41
1. 회로구성 및 특징 41
2. 동작원리 및 스위칭방법 42
3. 입력-병렬/출력-직렬 구조 43
4. 입·출력 전압 변환비 및 최적 듀티비 46
5. 출력전력 48
6. 제어전략 50
7. 실험결과 51
V. 결 론 64
참고문헌 65
영문초록(Abstract) 72

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