절연된 듀얼 액티브 브리지 DC에 대한 전류 스트레스 최소화

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16980(2022) 이 기사 인용

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본 논문에서는 절연된 이중 활성 브리지(DAB) 직류-직류(DC-DC) 변환기를 위한 새로운 위상 변이 변조를 제시합니다. 제안된 기술은 컨버터의 최대 전류 스트레스를 최소화하는 것을 목표로 하며, 이를 통해 효율을 직접적으로 높이고 장치 손실을 줄일 수 있습니다. 이 변조 기술은 단 두 개의 위상 변이 각도 또는 두 개의 자유도를 통해 컨버터 전력을 제어합니다. 하나의 위상 변이는 첫 번째 브리지의 레그 사이에 사용되고 다른 하나는 두 번째 브리지의 레그 사이에 사용됩니다. 기존의 단상 변이(SPS) 기술은 자유도가 1밖에 없지만 높은 전류 스트레스와 역순환 전력 흐름 측면에서 많은 단점을 갖고 있어 컨버터 효율이 감소합니다. 반면, 위상 변이 각도의 수를 늘리면 시스템 성능이 향상되지만 제어 복잡성도 증가할 수 있습니다. 따라서 제안된 변조 기법과 기존 SPS 간의 비교 분석이 수행되었습니다. 새로운 방법은 구현 단순성과 함께 전류 스트레스 감소 측면에서 더 나은 성능을 보여주었습니다.

양방향 절연형 DC-DC 컨버터는 현재 광전지 시스템1, 에너지 저장 장치2,3,4, 전기 자동차4,5,6 등 많은 고전력 장치의 핵심 구성 요소입니다. 이러한 애플리케이션에는 전력 밀도를 높이기 위해 고효율의 가볍고 작은 전력 변환기가 필요합니다. 게다가 안전상의 이유로 갈바닉 절연이 필요합니다. 라인 주파수 변압기를 고주파 변압기로 대체함으로써 장치 크기, 무게 및 비용 측면에서 최근 전력 변환기가 크게 발전했습니다7. 모든 DC-DC 컨버터 중에서 DAB(Dual Active Bridge) 유형은 많은 장점으로 인해 우수합니다. 두 브리지의 전압 사이의 위상 변이 각도를 간단히 변경하여 양방향 전력 흐름을 제공합니다. 대칭 레이아웃은 동적 모델링을 단순화합니다. 변압기 누설 인덕턴스8,9의 이점 외에도 추가 회로나 특별한 제어 기술 없이 모든 전력 장치에 대해 영전압 스위칭도 가능합니다. 중전압 전력 변환 시스템10의 중간 단계로 사용할 수 있는 다중 포트 구성 및 모듈화 토폴로지를 구축하여 DAB 변환기 전력을 높일 수 있습니다.

이 변환기 유형에는 다양한 제어 기술이 있습니다. 이는 위상 변이 제어를 기반으로 합니다. 단상 변이(SPS) 제어는 단순성으로 인해 가장 널리 사용되는 방법입니다11,12. 각 브리지에서 교차 연결된 스위치 쌍의 켜짐을 제어하여 두 브리지에서 두 개의 정사각형 전압이 생성됩니다. 이 두 전압 사이에서 하나의 위상 변이 각도만 조정해야 합니다. 이 각도를 통해 전력 크기와 방향을 제어할 수 있습니다. 그러나 역방향 순환 전력은 전력 변환기의 높은 전류 스트레스로 인해 발생합니다. 따라서 전력 장치 및 자기 부품의 손실이 높아 컨버터 효율이 약화됩니다8. 이 기술의 성능을 향상시키기 위해 많은 시도가 있었습니다. Ref.13에서는 컨버터의 동역학에 따라 라인상의 위상각 값을 계산하여 가변 듀티비를 제안하였다. 일부 연구에서는 소프트 스위칭 범위를 늘리거나14 컨버터의 무효 전력을 줄이는 데 중점을 두었습니다15. 더 나은 성능을 달성하기 위해 Ref.16에서는 EPS(extended-phase-shift) 제어 기술이 개발되었습니다. 이는 두 가지 자유도(즉, 내부 및 외부 위상각)를 사용합니다. 하나의 위상 변이(내부 위상 각도)는 1차 브리지 대각선 스위치의 변위를 제어하는 ​​반면 다른 하나는 SPS 기술에서처럼 작동합니다. 즉, 1차 및 2차 브리지 교차 스위치 사이의 위상 변이를 제어합니다. EPS 제어 기술은 역전력을 획기적으로 감소시키고 DAB 컨버터의 전류 스트레스를 최소화하는 동시에 전송 전력 조절 범위를 확장했습니다. 그럼에도 불구하고, 이 방법은 전력 방향 흐름을 교환하기 위해 두 브리지의 작동 상태를 교환해야 합니다. 무효전력을 제거하고 컨버터 효율을 높이기 위해 DPS(Dual-Phase-Shift) 제어 기술이 도입되었습니다. 이 방법은 EPS 방식과 같이 2자유도를 사용하지만 외부 위상 천이 외에 1차 브리지뿐만 아니라 두 브리지 모두에서 내부 위상 천이 각도를 활용하므로 약간 다릅니다. 3개의 자유도를 사용하는 Ref.18에서는 TPS(Triple-Phase-Shift Control)를 통해 DAB 효율을 높이기 위한 추가 연구도 진행되었습니다. 다른 연구에서는 결합 및 조정 가능한 위상 변이19 및 통합 위상 변이 제어 기술18을 제안했습니다. 그러나 이러한 방법은 변환기 성능을 향상시키기는 하지만 제어 및 수학적 분석이 복잡해집니다.