1. 서 론

최근 화석연료의 자원 고갈 문제와 환경문제 등으로 인하여 내연기관을 사용하는 교통 및 수송수단에서 전기를 이용한 교통 및 수송수단으로 패러다임이 변화하고 있다. 이러한 친환경 교통수단에 부응하여 전기자동차, E-bike, 세그웨이, 미니보드 등 다양한 종류의 E-Mobile에 대한 산업이 급속히 성장하고 있다^[1-5]. 특히 완성차 브랜드와 자동차 부품업체들까지 모바일 시장에 뛰어들면서 근거리 이동 시에 유용한 전기자전거와 같은 소형 전동차량의 보급과 상용화는 더욱 가속될 것으로 전망되고 있다. 전기자동차와 같이 보급이 대중화된 모바일 장비의 경우 충전 스테이션 보급이 활성화되어 충전이 용이하지만 E-bike, 미니보드 등과 같은 새롭게 급성장하고 있는 중소형 E-Mobile 장비에 대한 충전 스테이션은 보급이 미흡하여 개인의 전용 충전장치에 의해 충전하는 실정이다. 상용전원(220Vac)환경에서 동작하는 소형 외장형 어댑터 방식인 E-Mobile용 충전 시스템의 경우 전자파 EMI 규제, 고조파 규제(PFC), 안전규격 등 전기용품 인증규격을 만족하도록 구현해야하기 때문에 부피 및 무게로 인해 휴대하기에 불편함이 많다. 따라서 전기 스쿠터나 전기자전거 같은 중·소 용량의 전기를 사용하는 E-mobile을 충전할 수 있는 충전 스테이션용에 적합한 충전 시스템의 개발이 필요하다^[6-7]. 충전 스테이션용에 적합한 충전 시스템의 구비조건은 크게 2가지로 요약할 수 있다. 첫째, E-mobile 제조사와 장비의 특징에 따라 12V～60V에 이르기까지 매우 다양한 전압을 가지는 장비를 충전하기 위해서는 충전시스템의 출력전압제어 영역이 넓어야 한다^[8-9]. 둘째, 단일 충전 시스템으로 다양한 E-mobile 장비를 충전하기 위해서는 충전 가능한 모든 영역에서 배터리가 요구하는 전류 리플율을 만족해야한다. 따라서 충전 가능한 모든 전압 영역에서 요구되는 충전 전류에 관계없이 충전전류의 리플율을 만족하기 위해서는 새로운 충전 토폴로지가 필요하다^[10].

본 논문에서는 E-mobile 충전시스템으로 적합한 저가형 멀티-레벨충전 토폴로지를 구성하기 위해 멀티-레벨 구성을 위한 다수의 AC/DC 컨버터는 대량 생산에 의한 저가화가 실현된 기존 AC/DC 컨버터를 사용하였다. 따라서 E-mobile 충전용 멀티-레벨 충전 시스템은 다양한 모바일 장비의 충전 전압 사양에 대응하기 위해 전원을 세분화하여 전력을 공급할 수 있는 멀티-레벨 충전 시스템이다. 따라서 본 충전시스템은 출력 전압에 따라 입력전류의 THD가 크게 변하는 기존 충전시스템과 달리 출력전압 및 전력에 따른 입력 전류 THD 민감도를 저감할 수 있는 장점이 있다. 또한 본 토포로지는 멀티-레벌용 Buck 컨버터의 스위치를 입력전원의 마이너스 단에 배치함으로 별도의 독립된 게이트 앰프 전원 없이 간단하게 구성할 수 있도록 하였다. 제안된 E-mobile용 충전 시스템의 타당성 검증하기 위해 PSIM을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 1,500W급 충전 시스템을 제작하여 실험을 진행하였다.

2. E-Mobile 멀티-레벨 충전시스템

전기용품안전기준에 따르면, 전기스쿠터와 같은 소형전동차량의 충전시스템에서 직류 공급 전압은 60V 미만으로 규정하고 있다. 따라서 다양한 전압을 갖는 E-Mobile 장비를 충전하기 위해서는 60V 이상 전압을 발생할 수 있는 충전 시스템이 필요하다.

그림 1은 본 논문에서 E-mobile 충전시스템으로 적합한 저가형 멀티-레벨충전 충전 시스템의 토폴로지를 나타낸다. 기존의 멀티레벨 컨버터는 스위칭 소자 내압 한계를 극복하여 고압용 컨버터에 대응하기 위해 사용하나, E-mobile용 멀티-레벨 컨버터는 컨버터의 입력전압이 스위치 소자 구동전압 정도의 적은 전압을 사용하는 특징을 갖고 있다. 따라서 일반적으로 다수의 스위칭 소자를 사용하는 멀티-레벨 토폴로지에서 스위치 구동을 위한 독립된 게이트 앰프 전원 공급 장치를 제거하기 위해 본 논문에서는 그림 1과 같이 Buck 컨버터 스위치를 입력전원 마이너스 단자에 구성하여 게이트 앰프 전압을 전원전압으로 사용함으로써 별도의 독립된 게이트 앰프 전원 없이 간단하게 구성할 수 있도록 하였다.

본 논문에서 제안하는 충전 시스템의 출력전압은 스위칭 상태에 따라 영전압(Zero Voltage)에서부터 각 컨버터의 세분화된 입력전압을 모두 합한 값까지 발생할 수 있으며, 이 때 전압은 각 스위칭 소자의 On/Off 상태에 따라 결정된다. 각 스위치 상태에 따른 동작은 편의상 컨버터의 수를 3개로 하여 분석하였으며, 그림 2는 각 스위치 상태에 따른 동작 상태를 나타내고 있다. 각각의 전원을 $V_{1}$에서 $V_{3}$으로 나타내었으며 멀티 -레벨로 구성된 컨버터의 전체 출력전압은 $V_{ML}$로 나타내었다. 멀티-레벨 컨버터에 구성된 스위치의 상태에 따라서 출력전압이 변하게 되며, 출력전압의 범위는 $0$에서부터 각 멀티-레벨 컨버터에 입력된 전압의 합만큼 조절 가능하다.

그림 2를 기반으로 한 각 모드의 스위치 상태에 따른 컨버터의 출력전압은 표 1과 같이 나타난다. 만일 인접한 2개의 Mode를 사용한 스위칭 방식을 사용할 경우 멀티-레벨 컨버터의 출력전압 변위는 멀티-레벨컨버터의 낮은 입력전압이 되면서 출력전압을 형성할 수 있다. 일반적으로 컨버터에서 인덕터 전류 리플은 인가되는 전압, 주파수 및 시비율에 의해 결정된다.

그림 3은 인덕터에 흐르는 전류 리플과 출력전압의 전압리플을 나타낸다. 인덕터(L)에 흐르는 전류를 $i_{L}$이라고 정의하면 인덕터의 전류리플 $\Delta i_{L}$은 식 (1)과 같다. 또한 출력전압을 $V_{o}$로 정의하면 출력전압 리플을 $\Delta v_{o}$라고 정의하면 식 (2)와 같이 표현할 수 있다.

일반적인 Buck 컨버터의 경우 식 (1)과 (2)에서 확인할 수 있듯이 $V_{i}$, $T$, $L$, $C$는 설계조건에서 결정된다. 그리고 컨버터 제어 시에는 오직 시비율에 의해 인덕터 전류 및 출력전압의 리플이 결정되며, 시비율이 0.5 일 때 리플이 최대가 된다. 하지만 본 논문에서 제안한 멀티레벨 벅-컨버터의 경우 컨버터의 수와 시비율에 따라 인덕터의 전류 및 전압리플이 결정되며 리플이 최대가 되는 조건은 컨버터의 수와 동일하게 존재한다. 이를 설명하면 다음과 같다. 기존의 벅-컨버터의 입력전압 $V_{i}$과 비교하여 N개로 구성된 멀티레벨 컨버터의 입력은 $V_{i}/N$으로 구성되고 본 논문에서는 이를 $V_{i ML}$이라 정의하였다. 이 때, 출력전압에 따라 구동되는 멀티레벨 컨버터 수가 결정되고 이를 $N_{mc}$이라고 하면 이에 대한 듀티비는 아래와 같다.

식 (3)를 이용하여 인덕터 전류리플과 출력전압 리플을 구하면 다음과 같다.

위 식 (4), 식 (5)에서 표현한 바와 같이 입력전압이 기존 벅-컨버터에 비해 N개의 멀티-레벨 컨버터의 수만큼 감소하기 때문에 인덕터 전류 리플을 저감시킬 수 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 주파수가 상승하는 효과와 같기 때문에 벅-컨버터의 연속전류 제어를 위한 인덕터의 값과 사이즈를 감소시킬 수 있다. 또한 식 (5)에서 확인할 수 있듯이 출력전압 리플이 가장 크게 나타나는 듀티비가 0.5인 영역에서도 기존의 단일 Buck 컨버터에 비해 출력전압 리플이 작은 것을 확인할 수 있다.

그림 4와 그림 5는 충전 시스템을 구성하는 컨버터의 수와 시비율에 따른 입력 리플 전류와 출력 리플 전류 저감에 대한 크기를 정규화하여 나타내고 있다. 그림에서 확인할 수 있듯이 충전 시스템에서 멀티-레벨 컨버터의 수를 증가시킬수록 인덕터 리플 전류의 소거로 보다 작은 리플 전류가 출력 필터 커패시터로 흐르게 된다. 즉 멀티-레벨 컨버터의 레벨 수를 증가시킬수록 시스템의 스위칭 주파수를 증가시키는 것과 같은 효과가 발생한다. 특히 멀티-레벨 컨버터의 개별 입력전압 배수에 해당하는 전압을 발생할 경우 PWM을 수행하지 않으므로 전류 리플과 출력 전압 리플을 0에 가깝게 할 수 있는 영역이 존재하게 된다. 그 결과, 동일한 출력 리플 전압 요구사항을 충족시키기 위해 인덕터의 인덕턴스 값과 출력 커패시터의 커패시턴스의 값을 줄일 수 있는 것을 의미한다.

그림 6은 본 논문에서 제안한 E-mobile 충전시스템으로 적합한 멀티-레벨 충전 시스템이다. 본 시스템은 크게 멀티-레벨 컨버터의 입력전원을 위한 다수의 AC/DC SMPS 부와 멀티-레벨을 형성하기 위한 다수의 컨버터부로 구성되어 있다. AC/DC 컨버터 부는 현제 대량으로 생산체제에 의한 저가형의 다양한 제품이 있어 본 연구에서는 기존 제품을 적용하였으며, 다중-레벨용 컨버터는 Gate-Amp. 전원이 필요치 않는 Buck컨버터를 적용하였다. 또한 AC/DC SMPS는 멀티-레벨 컨버터의 출력전압증가에 비례한 순차적으로 동작함으로 출력전압에 관계없이 일정한 효율과 역률을 보장할 수 있는 특징을 갖고 있다.

3. 시뮬레이션 및 실험결과

4. 결 론

본 논문에서는 급격히 보급이 진행되고 있는 소형전동차량의 충전을 가능하게 하는 멀티-레벨 충전 시스템에 대한 토폴로지를 제안하였다. 제안한 멀티-레벨 충전 시스템의 타당성을 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였으며, 아래와 같은 결론을 도출하였다.

1. 전원을 세분화하여 전력을 공유하는 구조를 갖는 토폴로지의 개발을 통해 다양한 E-Mobile 장비의 전류 리플, 전압 리플과 같은 충전 요구사양을 만족할 수 있으며, 매우 넓은 충전 전압 범위를 갖는 단일 충전 시스템을 개발하였다.

2. 세분화된 전원을 입력으로 사용하는 멀티-레벨 컨버터의 동작 상태와 수에 따라 스위칭 주파수를 상승시키는 것과 같은 효과를 얻을 수 있다. 이에 따라 입력 리플 전류 저감되어 안전인증 규격을 만족하기 위해 사용되는 입력 커패시터를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 ESR의 요구사항을 완화시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 출력 측의 전류 리플과 전압 리플을 저감되어 출력단에 존재하는 L-C 필터의 값과 사이즈를 줄임으로써, 충전 시스템의 단가와 사이즈를 저감할 수 있다.

3. 멀티-레벨 컨버터의 수가 증가함에 따라 입력전원의 크기가 감소하므로, 컨버터에 구성되는 스위치 소자를 비롯한 반도체 소자의 내압을 낮게 구성할 수 있다. 이에 따라 충전 시스템을 구성할 때 단가 저감과 부품 접근성이 용이한 장점이 있다.

따라서 본 논문에서 제안한 멀티-레벨 충전 시스템은 지속적으로 증가하는 다양한 소형전동차량의 충전을 가능케 함으로써 소형전동차량의 상용 및 보급화에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 예상한다.