κΉκΈ°μ
(Kisu Kim)
1iD
μ°¨νλ
(Honnyong Cha)
β iD
-
(School of Energy Engineering, Kyungpook National University, Korea.)
Copyright Β© The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Neural Network, Backpropagation Algorithm, Market Price, Transmission congestion, Electricity market
1. μ λ‘
DAB 컨λ²ν°λ λͺ¨λ μ€μμΉκ° μμ μ μ€μμΉ(ZVS)μ μ΄λ£¨κΈ° λλ¬Έμ λμ ν¨μ¨κ³Ό μ λ ₯λ°λλ₯Ό κ°λλ€. λν λ³μκΈ°λ₯Ό μ¬μ©νμ¬ μ
λ ₯κ³Ό μΆλ ₯μ μ μ° νμμΌλ©°
λ³μκΈ°λ₯Ό μ€μ¬μΌλ‘ 1μ°¨ μΈ‘κ³Ό 2μ°¨ μΈ‘μ΄ λμΉκ΅¬μ‘°λ‘ μ΄λ£¨μ΄μ Έ μμ΄ λ³μκΈ° μλ¨ μ μμ μμ μ²μ΄λ§μ μ΄μ©νμ¬ μ λ ₯μ μλ°©ν₯μΌλ‘ μ½κ² μ λ¬νλ€. DAB
컨λ²ν°λ νΉν Solid-State-Transformer λ° μ§λ₯ λ°°μ μμ€ν
μ ν΅μ¬ κ΅¬μ± μμλ‘ μ¬μ©λλ€. μ§λ₯ λ°°μ μμ€ν
μ ꡬν κ°λ₯ν μ μ
λ 벨μ μμ λ°λΌ λ¨κ·Ήμ± λ°°μ μμ€ν
κ³Ό μκ·Ήμ± λ°°μ μμ€ν
μΌλ‘ ꡬλΆν μ μλ€. μ΄ μ€ λ μ’
λ₯μ μ μ λ 벨μ μ 곡νλ μκ·Ήμ± λ°°μ μμ€ν
μ λ€μν
μ 격μ κ°λ λΆνμμ μ°κ³κ° μ©μ΄νκ³ , κ³ν΅ μ λ’°μ±μ΄ λμΌλ©°, μ€μ±μ μ΄ μ μ§μ μ°κ²°λμ΄ μμΌλ―λ‘ μΈμ²΄ μμ μ± λν λλ€ (8)-(10). μκ·Ήμ± λ°°μ μμ€ν
μ΄ μ°κ²°λλ λ κ°μ μΆλ ₯ μ μμ λ§λ€κΈ° μν΄, DAB 컨λ²ν°λ₯Ό κ·Έλ¦Ό 1(a)μ²λΌ Triple-Active-Bridge (TAB) 컨λ²ν°μ²λΌ μ¬μ©νλ λ°©λ²μ΄ μ μλμλ€(11)-(13).
κ·Έλ¦Ό. 1. κΈ°μ‘΄ μ΄μ€ μΆλ ₯ μλ°©ν₯ dc-dc 컨λ²ν°
Fig. 1. Conventional dual output bidirectional dc-dc converter
κ·Έλ¦Ό. 2. κΈ°μ‘΄ νν-λΈλ¦¬μ§ ꡬ쑰μ DAB 컨λ²ν°
Fig. 2. Conventional half-bridge configuration DAB converter
κ·Έλ¦Ό. 3. μ μν μ μ λ°Έλ°μ
Fig. 3. Proposed voltage balancer
νμ§λ§ TAB 컨λ²ν°μ κ²½μ° κ° κ·Ήμμ μλΉλλ μ λ ₯μ΄ λ€λ₯Ό κ²½μ° μ μ λΆννμ΄ λ°μλλ€. μ μ λΆννμ μμ€ν
μ κ³ μ₯μ μΌκΈ°νλ©° μ μ νμ§μ μ νμν¬
μ μκΈ° λλ¬Έμ TAB 컨λ²ν°λ νμμ μΌλ‘ μκ·Ή μ μμ ννμ μ μ§μμΌμ£Όλ μΆκ°μ μΈ μ μ νν μ μ΄κ° νμνλ€. νμ§λ§ TAB 컨λ²ν°μ κ²½μ° κ·Ήλ¨μ μΈ
λΆνν λΆν 쑰건μμ μ μ ννμ μν΄μλ κ° κ·Ήμ μλΉμ¨κ³Ό μμ μ²μ΄ μ μ΄κ° λͺ¨λ νμνκΈ° λλ¬Έμ νλμ¨μ΄μ μμ μ±μ΄ λ¨μ΄μ§ μ μλ€. λΆννν
λΆν 쑰건μμ μ μ ννμ μν λ€λ₯Έ λ°©λ²μΌλ‘λ λ²
-λΆμ€νΈ μ μ λ°Έλ°μλ₯Ό μ¬μ©νλ λ°©λ²μ΄ μλ€
(14),(15). λ²
-λΆμ€νΈ μ μ λ°Έλ°μλ μλΉμ¨μ΄ 0.5μ΄λ©° μλ‘ μ보μ μΈ 2κ°μ μ€μμΉμ 1κ°μ μΈλν°κ° 2κ°μ μΆλ ₯ 컀ν¨μν°μ μ°κ²°λμ΄ κ΅¬μ±λλ€.
κ·Έλ¦Ό 1(b)λ dc μΆλ ₯κ³Ό μ΄μ€ μΆλ ₯ μ¬μ΄μ λ²
-λΆμ€νΈ μ μ λ°Έλ°μκ° μΆκ°λ ꡬ쑰λ₯Ό λνλΈλ€. μΆλ ₯ λΆν μ‘°κ±΄μ΄ λΆννν κ²½μ° μΆλ ₯ μ μ ννμ μν΄ λΆν μ°¨μ΄λ‘
μΈν dc μ λ₯κ° λ²
-λΆμ€νΈ μ μ λ°Έλ°μμ μΈλν°λ₯Ό ν΅ν΄ νλ₯Έλ€. νμ§λ§ λ²
-λΆμ€νΈ μ μ λ°Έλ°μλ μΆκ°μ μΈ μ€μμΉμ κ²μ΄νΈ λλΌμ΄λ²λ₯Ό μꡬνκΈ° λλ¬Έμ
νλμ¨μ΄μ ν¨μ¨κ³Ό μ λ ₯ λ°λλ₯Ό κ°μμν¬ μ μλ€.
λ³Έ λ
Όλ¬Έμμλ κ·Έλ¦Ό 2μ λνλ νν-λΈλ¦¬μ§ ꡬ쑰μ DAB 컨λ²ν°μ μ΄μ© κ°λ₯ν μλ‘μ΄ μ μ λ°Έλ°μλ₯Ό μ μνλ€. μ μν μ μ λ°Έλ°μλ₯Ό μ¬μ©ν¨μΌλ‘μ¨ νν-λΈλ¦¬μ§ ꡬ쑰μ DAB
컨λ²ν°λ λ κ°μ μΆλ ₯μ κ°μ§ μ μλ€. λν μ΄λ μΆκ°μ μΈ μ€μμΉ μμ΄ νλμ μΈλν°μ 컀ν¨μν°(LC)λ‘ κ΅¬μ±λκΈ° λλ¬Έμ κΈ°μ‘΄ DAB 컨λ²ν°μ λμ
ν¨μ¨κ³Ό μ λ ₯ λ°λλ₯Ό μ μ§μν€λ©° μΆλ ₯ μ μ ννμ μ΄λ£° μ μλ€. μΆκ°λ LCλ 컨λ²ν°μ λμλͺ¨λμ ν° μν₯μ λΌμΉμ§ μκΈ° λλ¬Έμ μ μν μ μ λ°Έλ°μκ°
μ μ©λ DAB 컨λ²ν°λ κΈ°μ‘΄μ μ¬μ©λλ PWM λ°©μμ κ·Έλλ‘ μ΄μ©νλ€. λΉλ‘ μΆκ°λ μΈλν° μ λ₯μ μν΄ μ€μμΉμ ZVS λ²μκ° λ³ν λ μ μμ§λ§
ZVS λ²μλ μΆκ°λ μΈλν° μ λ₯ 리νμ μ΄μ©νμ¬ ν볡ν μ μλ€. 3 kW νν-λΈλ¦¬μ§ ꡬ쑰 DAB 컨λ²ν° μμ νμ μ€νμ ν΅ν΄ μ μν μ μ λ°Έλ°μλ₯Ό
κ²μ¦νλ€.
2. λ³Έ λ‘
2.1 μ μν μ μ λ°Έλ°μ
κ·Έλ¦Ό 3(a)λ LCλ₯Ό μ΄μ©ν μ μν μ μ λ°Έλ°μλ₯Ό λνλΈλ€. μ μν μ μ λ°Έλ°μμ λμΆκ³Όμ μ λ€μκ³Ό κ°λ€. 첫째, λ°Έλ°μ± μΈλν° $L_{b}$κ° λ³μκΈ°μ λ³λ ¬λ‘
μ°κ²°λλ€. λ°λΌμ, λ³μκΈ° 2μ°¨ μΈ‘ μ μκ³Ό λ°Έλ°μ± μΈλν° μ μμ λμΌνκ² λλ©°($v_{s}=v_{L_{b}}$) λ°Έλ°μ± μΈλν°μ Flux Balance
쑰건μ μν΄ μ΄μ€ μΆλ ₯ μ μμ ννμ μ΄λ£¬λ€. λμ§Έ, κ·Έλ¦Ό 3(a)μ κ°μ΄ λ³μκΈ°μ λ°Έλ°μ± μΈλν° $L_{b}$ μ¬μ΄μ λ°Έλ°μ± 컀ν¨μν° $C_{b}$κ° μ°κ²°λλ€. μ¦, μ μν μ μ λ°Έλ°μλ ꡬ쑰μ λ³μκΈ°κ° λ μΆλ ₯μ
μ€μ±μ κ³Ό μ°κ²°λλ νν-λΈλ¦¬μ§ ꡬ쑰μ DAB 컨λ²ν°(κ·Έλ¦Ό 2)μ μ μ©ν μ μλ€. κ·Έλ¦Ό 3(b)λ μ μν μ μ λ°Έλ°μκ° μ μ©λ DHB 컨λ²ν°λ₯Ό λνλΈλ€.
λ°Έλ°μ± 컀ν¨μν° $C_{b}$μμ΄ λ°Έλ°μ± μΈλν° $L_{b}$λ§μ μ¬μ©νλ κ²½μ° λ³μκΈ°μ μν μΈλν΄μ€μ λ°Έλ°μ± μΈλν° $L_{b}$κ° λ³λ ¬λ‘ μ°κ²°λλ€.
컀ν¨μν° $C_{o1}$ λ° $C_{o2}$μ νκ· μ λ₯λ 0μ΄κΈ° λλ¬Έμ, λΆνν λΆν 쑰건(μ¦, $R_{o1}\ne R_{o2}$ λλ $P_{o1}\ne
P_{o2}$)μΌ κ²½μ° dc μ λ₯κ° λ°μνλ€. μ΄ μ€ μΌλΆλ μν μΈλν΄μ€λ‘ νλ₯΄λ©° μ΄λ λ³μκΈ° ν¬νλ₯Ό λ°μμν¨λ€. λ³μκΈ° ν¬νλ₯Ό λ°©μ§νκΈ° μν΄,
dc-blocking 컀ν¨μν° μν μ νλ©° κ³΅μ§ νμμ νΌν μ μλλ‘ μΆ©λΆν ν° λ°Έλ°μ± 컀ν¨μν° $C_{b}$κ° νμνλ€.
λ λ€λ₯Έ κ²½μ°λ‘ λ°Έλ°μ± μΈλν° $L_{b}$ μμ΄ λ°Έλ°μ± 컀ν¨μν° $C_{b}$λ§ μ¬μ©ν κ²½μ° λ³μκΈ° ν¬ν λ¬Έμ λ λ°©μ§λμ§λ§, λ μΆλ ₯ μ μμ λμΌν
μΆλ ₯ μ λ₯μ λΆνν λΆνλ‘ μΈν΄ μ μ ννμ λ¬μ±ν μ μλ€. λ°λΌμ μ μλ μ μ λ°Έλ°μλ λ°Έλ°μ± μΈλν° $L_{b}$μ λ°Έλ°μ± 컀ν¨μν° $C_{b}$λ₯Ό
λͺ¨λ μ¬μ©ν¨μΌλ‘μ¨ μμ±λλ€. λ°Έλ°μ± μΈλν°μ νκ· μ λ₯λ μΆλ ₯ μ λ₯ $I_{o1}$κ³Ό $I_{o2}$μ μ°¨μ΄μ κ°λ€.
2.2 νν λΆν μ‘°κ±΄μΌ λ λμ λͺ¨λ
μ μν μ μ λ°Έλ°μμ μν λμλͺ¨λμ λ³νλ₯Ό λνλ΄κΈ° μν΄, λ³Έ λ
Όλ¬Έμμλ μ μν μ μ λ°Έλ°μκ° μ μ©λ νν λΈλ¦¬μ§ DAB (DHB) 컨λ²ν°μ λν΄μ
ν΄μνλ€(κ·Έλ¦Ό 3(b)). κ·Έλ¦Ό 4λ λ κ°μ μΆλ ₯ λΆνκ° ννμ μ΄λ£° λ μ μν μ μ λ°Έλ°μκ° μ μ©λ DHB 컨λ²ν°μ μ£Όμ ννμ λνλΈλ€. κΈ°μ‘΄ DHB 컨λ²ν°μ λμΌνκ² $S_{1}$,
$S_{3}$λ κ°κ° $S_{2}$, $S_{4}$μ μ보μ μΌλ‘ λμνλ©° 0.5μ μλΉμ¨μ κ°μ§λ€. $S_{1}$κ³Ό $S_{3}$μ μμκ° $\phi$μ
μ‘°μ νμ¬ μΆλ ₯μ μ μ΄νλ€. λ°λΌμ μ μν μ μ λ°Έλ°μκ° μ μ©λ DHB 컨λ²ν°μ λμ λͺ¨λλ 4κ° μ΄λ©° κΈ°μ‘΄ DHB 컨λ²ν°μ λμ λͺ¨λμ μ μ¬νλ€.
1μ°¨ μΈ‘ λμ λͺ¨λλ μ μν μ μ λ°Έλ°μμ μν΄ λ³νμ§ μκΈ° λλ¬Έμ, λ³Έ λ
Όλ¬Έμμλ μ μν μ μ λ°Έλ°μμ μν 2μ°¨ μΈ‘ λ³νκ° μ£Όμνκ² λΆμλλ€.
ν΄μμ κ°μνλ₯Ό μν΄ λͺ¨λ μμλ μ΄μμ μ΄λΌκ³ κ°μ νμλ€.
2μ°¨ μΈ‘ λ³μκΈ°μ μ€μμΉ μ μμ λ³νκ° μμΌλ©° μ€μμΉ μ λ₯λ λ³μκΈ° μ λ₯μ λ°Έλ°μ± μΈλν° μ λ₯ $i_{L_{b}}$κ° μΆκ°λμ΄ λ€μκ³Ό κ°μ΄ λνλΌ
μ μλ€.
νν λΆν 쑰건μ μ΄λ£¨λ©΄ λ κ°μ μΆλ ₯ μ μκ³Ό μΆλ ₯ μ λ₯ λͺ¨λ ννμ μ΄λ£¬λ€. λ°λΌμ λ°Έλ°μ± μΈλν° $L_{b}$μ νκ· μ λ₯λ 0μ΄λ©° μ λ₯ 리ν
$\Delta i_{L_{b}}$λ§ μ‘΄μ¬νλ€. μΆκ°λ λ°Έλ°μ± μΈλν° $L_{b}$ λλ¬Έμ $i_{S_{3}}$ λ° $i_{S_{4}}$μ μ€μμΉμ
μ΅λκ°μ
κ·Έλ¦Ό 4μ κ°μ΄ λ°Έλ°μ± μΈλν° μ λ₯ 리νμ μ λ° $0.5\Delta i_{L_{b}}$κ³Ό 2μ°¨ λ³μκΈ° μ λ₯ $i_{s}$μ ν©κ³Ό κ°λ€. λΉλ‘ 2μ°¨ μΈ‘ μ€μμΉ
μ΅λ μ λ₯λ κΈ°μ‘΄ DHB 컨λ²ν°μ λΉν΄ μ¦κ°λμ§λ§, λ°λνμ λμ 2μ°¨ μΈ‘ μ€μμΉμ λ°λ λ€μ΄μ€λλ₯Ό ν΅κ³Όνλ μ λ₯κ° μ¦κ° λλ―λ‘ λ°Έλ°μ± μΈλν° $L_{b}$λ
μ€μμΉ $S_{3}$μ $S_{4}$μ ZVS λ²μλ₯Ό λ리λ μν μ ν μ μλ€.
κ·Έλ¦Ό. 4. μΆλ ₯λΆνκ° ννμΌ λ μ μν μ μ λ°Έλ°μκ° μ μ©λ DHB 컨λ²ν°μ μ£Όμνν
Fig. 4. Key waveforms of the DHB converter with the proposed voltage balancer
when output loads are balanced
2.3 λΆνν λΆν μ‘°κ±΄μΌ λ λμλͺ¨λ
κ·Έλ¦Ό 5λ λΆνν λΆν 쑰건μμ μ μν μ μ λ°Έλ°μκ° μ μ©λ DHB 컨λ²ν°μ μ£Όμ ννμ λνλΈλ€. $\phi_{un}$κ³Ό $I_{pk.un}$μ μΆλ ₯ λΆνκ°
λΆννμΌ λ μμκ°κ³Ό λ³μκΈ° μ λ₯λ₯Ό λνλΈλ€. μ μμ΄ μΌμ νκ² μ μ΄λ μνμμ μΆλ ₯ μ νμ ν©μ΄ μ¦κ°λλ―λ‘(μ΄ λΆνκ° κ°μ), $\phi_{un}$κ³Ό
$I_{pk.un}$λ $\phi$μ $I_{pk}$λ³΄λ€ μλ€. μ€μμΉ $S_{3}$μ $S_{4}$μ μλΉμ¨($D_{S_{3}}$ λ° $D_{S_{4}}$)μ
μΆλ ₯ λΆν 쑰건μ κ΄κ³μμ΄ νμ 0.5λ‘ λμΌνλ€. λ°λΌμ λ°Έλ°μ± μΈλν° $L_{b}$μ Flux Balance 쑰건μ μν΄ λ μΆλ ₯ μ μ($V_{o1}$,
$V_{o2}$)μ νμ ννμ μ΄λ£¬λ€.
κ·Έλ¦Ό. 5. μΆλ ₯λΆνκ° λΆννμΌ λ μ μν μ μ λ°Έλ°μκ° μ μ©λ DHB 컨λ²ν°μ μ£Όμνν
Fig. 5. Key waveforms of the DHB converter with the proposed voltage balancer when
output loads are unbalanced
μΆλ ₯ μ μμ΄ νΌλλ°± μ μ΄μ μν΄ κ³ μ λ κ²½μ° μΈλν° μ λ₯ 리ν $\Delta i_{L_{b}}$ λν λΆνμ κ΄κ³μμ΄ κ³ μ λλ€.
κ·Έλ¦Ό 5μ κ°μ΄ μ€μμΉμλ μΈλν°μ λ³μκΈ° μ λ₯μ ν©μ΄ νλ₯΄κΈ° λλ¬Έμ, μ€μμΉ μ λ₯ μ΅λκ°($i_{S_{3}.peak}$ λ° $i_{S_{4}.peak}$)μ
λ°Έλ°μ± μΈλν° μ λ₯($0.5i_{L_{b}}$, $i_{L_{b}.avg}$)μ λ³μκΈ° 2μ°¨ μΈ‘ μ λ₯μ ν©κ³Ό κ°λ€. μ¦,
κ·Έλ¦Ό 5μ²λΌ λΆνν λΆν 쑰건μμ μ€μμΉ μ λ₯λ μ λ₯ 리ν λ³κ²½ μμ΄ λ°Έλ°μ± μΈλν°μ νκ· μ λ₯λ§νΌ μ¦κ° λ° κ°μνλ€.
κ·Έλ¦Ό 5(a) μνμμ μ€μμΉ μ λ₯ μ΅λκ°μ λ€μκ³Ό κ°μ΄ λνλΌ μ μλ€.
μ΄λ€μ νν λΆν 쑰건μμμ μ€μμΉ μ λ₯ μ΅λκ°κ³Ό λΆνν λΆνλ‘ μΈν μΈλν° νκ· μ λ₯μ ν©μΌλ‘ ꡬμ±λλ€.
κ·Ήλ¨μ μΈ λΆνν λΆν μνλ ν μΆλ ₯μ΄ ν λ‘λλκ³ λ€λ₯Έ μΆλ ₯μ΄ λ¬΄λΆνμΌ λ λ°μνλ€. μ΄λ¬ν λΆν 쑰건μμ λ°Έλ°μ± μΈλν° μ λ₯λ μ΅λκ°μ κ°μ§λ©°
λ°λΌμ, μ€μμΉ μ λ₯ μ΅λκ°μ λ€μκ³Ό κ°λ€.
$0-t_{3}$ꡬκ°μμ μΆλ ₯ $C_{o1}$μΌλ‘ μ λ ₯μ΄ μ μ‘λλ©°, $t_{3}-T_{s}$μμ μΆλ ₯ $C_{o2}$μΌλ‘ μ λ ₯μ΄ μ μ‘λλ€. μ μν
μ μ λ°Έλ°μμμν΄ μΆλ ₯ μ μμ΄ ννμ μ μ§ν μ, μ 체 μΆλ ₯ μ λ ₯κ³Ό κ°κ°μ μΆλ ₯ μ λ ₯μ λ€μκ³Ό κ°μ΄ ꡬν μ μλ€.
κ·Έλ¦Ό 5μ²λΌ λΆν μνμ λ°λΌ $i_{S_{3}}$μ $i_{S_{4}}$λ λ€λ₯Έ ννμ 보μ΄κ² λλ©° μ€μμΉ $S_{3}$μ $S_{4}$ μ€ νλλ ZVS
λ²μκ° λμ΄λμ§λ§ λλ¨Έμ§ νλλ μ€μ΄λ λ€. νμ§λ§ μ΄λ $\Delta i_{L_{b}}$μ κ°μ μ‘°μ ν¨μΌλ‘μ¨ $i_{L_{b}.avg}$μ μν΄ μ€μ΄λ
ZVS λ²μλ₯Ό ν볡ν μ μλ€.
ν 1. 2μ°¨ μΈ‘ νΉμ§ λΉκ΅
Table 1. Comparison of the secondary side characteristics
|
No. of switches
|
$R_{o1}=R_{o2}=R$
|
Extreme load conditions
|
Switch current
|
ZVS range
|
Switch current
|
ZVS range
|
DHB converter with conventional voltage balancer
|
4
|
DHB : $I_{pk}$
BBVB : $0.5\Delta i_{L_{b}}$
|
No changed
|
DHB : $0.5I_{pk}$
BBVB : $0.5\Delta i_{L_{b}}+I_{o}$
|
No changed
|
DHB converter with proposed voltage balancer
|
2
|
$I_{pk}+0.5\Delta i_{L_{b}}$
|
Extended
|
$0.5(I_{pk}+\Delta i_{L_{b}})+I_{o}$
|
One : no changed
The other : extended
|
Note 1 : ZVS range is a value compared to conventional DHB converter.
Note 2 : Balancing inductor $L_{b}$ is designed by (8).
BBVB : Buck-boost voltage balancer
|
κΈ°μ‘΄ DHB 컨λ²ν°λ³΄λ€ λμ ZVS λ²μλ₯Ό κ°μ§κΈ° μν΄μλ$0.5\Delta i_{L_{b}}$κ° $i_{L_{b}.avg}$μ μ΅λκ°λ³΄λ€ 컀μΌνλ€($0.5\Delta
i_{L_{b}}>i_{L_{b}.avg(\max)}$ ). μ΄λ₯Ό λ§μ‘±νλ λ°Έλ°μ± μΈλν° λ²μλ
μ(8)κ³Ό κ°μΌλ©° λ°Έλ°μ± μΈλν°μ λμ€μΈλν΄μ€μ λΉλ
κ·Έλ¦Ό 6μ²λΌ λνλΌ μ μλ€.
$n$μ λ³μκΈ°μ ν΄μλΉμ΄λ©° $\phi_{ext}$λ μΆλ ₯ λΆν μ‘°κ±΄μ΄ κ·Ήλλ‘ λΆνν ν μμ μμκ°μ΄λ€.
κ·Έλ¦Ό. 6. ZVS λ²μ 보μμ μν λμ€ μΈλν΄μ€μ λ°Έλ°μ± μΈλν΄μ€μ λΉ
Fig. 6. Inductance ratio curves to maintain conventional VS range
2.4 μ‘΄ λ²
-λΆμ€νΈ μ μ λ°Έλ°μμ μ μν μ μ λ°Έλ°μμ λΉκ΅
μμ μΈκΈνλ―μ΄, κΈ°μ‘΄ νΉμ μ μν μ μ λ°Έλ°μκ° μ μ©λ DHB 컨λ²ν°λ 1μ°¨ μΈ‘ νΉμ±μ΄ κΈ°μ‘΄ DHB 컨λ²ν°μ κ°λ€. λ°λΌμ ν 1μ νν λΆν 쑰건과 κ·Ήλ¨μ μΈ λΆν 쑰건μμ λ κ°μ μ μ λ°Έλ°μκ° μ μ©λ DHB 컨λ²ν°μ 2μ°¨ μΈ‘ λΉκ΅λ₯Ό λνλΈλ€. DHB 컨λ²ν°μ μ€μμΉ μ μμ
μΆκ°λ μ μ λ°Έλ°μμ μν₯μ λ°μ§ μλλ€. κΈ°μ‘΄ νΉμ μ μν μ μ λ°Έλ°μκ° μ μ©λ DHB 컨λ²ν°μ μ€μμΉλ κ°κ° μ΅λ λΆν 쑰건과 κ·Ήν λΆν 쑰건μΌ
λ μ΅λ μ 격 μ λ₯λ₯Ό κ°μ§λ€. κΈ°μ‘΄ μ μ λ°Έλ°μμ μ€μμΉλ μ λ₯λ κ·Ήν λΆν μ‘°κ±΄μΌ λ μ΅λ μ λ₯λ₯Ό κ°μ§μ§λ§ μ μν μ μ λ°Έλ°μλ μΆκ°λλ μ€μμΉκ°
μλ€. μ μν μ μ λ°Έλ°μλ κΈ°μ‘΄ μ μ λ°Έλ°μμ λΉν΄ μΆκ° 컀ν¨μν°λ₯Ό κ°μ§λ©° DHB 컨λ²ν°μ μ€μμΉ μ λ₯λ₯Ό μμΉμν€μ§λ§, μ€μμΉμ ZVS λ²μλ₯Ό λνλ€.
λν μ μν μ μ λ°Έλ°μλ μΆκ°μ μΈ μ€μμΉλ₯Ό μ¬μ©νμ§ μκΈ° λλ¬Έμ κΈ°μ‘΄ DHB 컨λ²ν°μ λμ ν¨μ¨κ³Ό μ λ ₯ λ°λλ₯Ό μ μ§ν μ μλ€. κ²°κ³Όμ μΌλ‘ μ μν
μ μ λ°Έλ°μκ° μ μ©λ DHB 컨λ²ν°λ κ΄λ²μν λΆν 쑰건μμ μ μ ννμ μ΄λ£¨λ μ΄μ€ μΆλ ₯μ κ°μ§ μ μμΌλ©° λμ ν¨μ¨κ³Ό μ λ ₯ λ°λλ₯Ό μ μ§ν μ μλ€.
3. μ€ν κ²°κ³Ό
μ μν μ μ λ°Έλ°μμ μ±λ₯ κ²μ¦μ μν΄ μ μν μ μ λ°Έλ°μκ° μ μ©λ 3 kW DHB 컨λ²ν°μ μμ νμ μ μνμ¬ μ€νμ μ§ννμλ€. ν 2λ μ€νμμ μ¬μ©λ μ μ λ°Έλ°μμ DHB 컨λ²ν°μ μ κΈ°μ μ¬μμ λνλΈλ€. μ-μ€λ£¨ λ¬Έμ λ₯Ό λ°©μ§νκΈ° μν΄ 600 ns λ°λνμμ΄ $S_{1}$κ³Ό $S_{2}$($S_{3}$μ
$S_{4}$) μ¬μ΄μ μ μ©λμλ€. μΆ©λΆν ZVS λ²μλ₯Ό μν΄ μΈλν°λ 140 ΞΌHλ‘ μ μλμμΌλ©° μΆλ ₯ μ μμ ν©($V_{o}=V_{o1}+V_{o2}$)μ
μΌμ νκ² 400 Vλ‘ μ μ΄λμλ€. λ°Έλ°μ± 컀ν¨μν°μ μ μ 리νμ΄ μΆλ ₯ μ μμ 5%λ³΄λ€ μμ μμ€μΌλ‘ μ μ§ν μ μλλ‘ 10 ΞΌF 컀ν¨μν°λ₯Ό μ¬μ©νμλ€.
κ·Έλ¦Ό 7κ³Ό 8μ νν λΆν 쑰건과 κ·Ήλ¨μ μΈ λΆνν λΆν 쑰건μμ λνλ μ€ν ννμ΄λ€. νν λΆν μ‘°κ±΄μΌ κ²½μ° μ μν μ μ λ°Έλ°μλ μ΅λ λΆν 3 kWμμ
μ€νλμλ€($P_{o1}=P_{o2}=1.5 k W$). κ·Ήλ¨μ μΈ λΆνν λΆν 쑰건μ μν΄ μλμ μΌλ‘ λΆν μ ν νλλ₯Ό μΆλ ₯μμ λΆλ¦¬νμλ€($[P_{o1}=0
W,\: P_{o2}=1.5 k W]$ νΉμ $[P_{o1}=1.5 k W,\:$ $P_{o2}= 0 W]$). κ° λΆνμμ μλΉλλ μ λ ₯μ μ λ ₯κ³μΈ‘κΈ°
YOKO GAWA WT1800μ μ΄μ©νμ¬ μΈ‘μ λμλ€. κ·Έλ¦Ό 7μ κ° λΆν 쑰건μμ λνλ μΆλ ₯ μ μκ³Ό λ°Έλ°μ± μΈλν° μ μμ΄λ€. λ°Έλ°μ± μΈλν°μ Flux balance 쑰건과 ννλ μΆλ ₯ μ μμ΄ λΆν 쑰건μ κ΄κ³μμ΄
νμ μ΄λ£¨μ΄μ§λ κ²μ νμΈ ν μ μλ€. κ·Έλ¦Ό 8μ κ° λΆν 쑰건μμ λνλ λ³μκΈ° μ λ₯μ λ°Έλ°μ± μΈλν° μ λ₯μ΄λ€. μμ μΈκΈνλ―μ΄, λ°Έλ°μ± 컀ν¨μν° λλ¬Έμ μΆλ ₯ λΆν μ°¨μ΄μ μν λͺ¨λ dc μ λ₯λ
λ°Έλ°μ± μΈλν°λ₯Ό ν΅ν΄ νλ₯΄λ©° λ³μκΈ° ν¬νλ λ°μνμ§ μλλ€. λΆνλ±ν λΆν 쑰건 μΌ λ, λ³μκΈ° μ λ₯, μμκ°, μΆλ ₯ μ λ ₯μ μ€μ΄λ λ€. κ·Έλ¦Ό 9λ ννλΆν μνμμ λΆν λ³λμ λ°λ₯Έ 컨λ²ν°μ ν¨μ¨ λΉκ΅ κ·Έλνμ΄λ€.
ν 2. μ μν μ μ λ°Έλ°μκ° μ μ©λ DHB 컨λ²ν°μ μ κΈ°μ μ¬μ
Table 2. Electrical specifications of the DHB converter with the proposed voltage
balancer
Input voltage ($V_{i n}$)
|
400 [V]
|
Output voltages ($V_{o1},\: V_{o2}$)
|
200 [V]
|
Output power ($P_{o}$)
|
3 [kW]
|
Output resistors ($R_{o1},\: R_{o2}$)
|
27 [Ξ©]
|
Switching frequency ($f_{sw}$)
|
50 [kHz]
|
Leakage inductor ($L_{lk}$)
|
27 [ΞΌH]
|
Balancing inductor ($L_{b}$)
|
140 [ΞΌH]
|
Balancing capacitor ($C_{b}$)
|
10 [ΞΌF]
|
Input and output capacitors ($C_{i},\: C_{o}$)
|
50 [ΞΌF]
|
Turns ratio ($n$)
|
1
|
κ·Έλ¦Ό. 7. μ΄μ€ μΆλ ₯κ³Ό λ°Έλ°μ± μΈλν° μ μμ μ€ν κ²°κ³Ό νν
Fig. 7. Experiment waveforms of the dual output and balancing inductor voltage
κ·Έλ¦Ό. 8. λ³μκΈ°μ λ°Έλ°μ± μΈλν° μ λ₯μ μ€ν κ²°κ³Ό νν
Fig. 8. Experiment waveforms of the transformer and balancing inductor currents
κ·Έλ¦Ό. 9. μ μ λ°Έλ°μκ° μ μ©λ DHB 컨λ²ν°μ ν¨μ¨ κ·Έλν
Fig. 9. Measured efficiency cureves
4. κ²° λ‘
λ³Έ λ
Όλ¬Έμμλ μΆκ°λλ μ€μμΉ μμ΄ νλμ μΈλν°μ 컀ν¨μν°λ§μ μ΄μ©ν μλ‘μ΄ μ μ λ°Έλ°μλ₯Ό μ μνμλ€. μ μν μ μ λ°Έλ°μλ μΆλ ₯ 컀ν¨μν°μ μ€μ±μ μ΄
λ³μκΈ°μ μ°κ²°λλ νν-λΈλ¦¬μ§ ꡬ쑰μ DAB 컨λ²ν°μ μ μ© κ°λ₯νλ€. μ΄ DAB 컨λ²ν°λ€μ μ μν μ μ λ°Έλ°μλ₯Ό μ¬μ©ν¨μΌλ‘μ¨ κΈ°μ‘΄μ²λΌ ν κ°μ μΆλ ₯λΏλ§
μλλΌ μ μ ννμ μ΄λ£¨λ μ΄μ€ μΆλ ₯μ ꡬμ±ν μ μλ€. μ μν μ μ λ°Έλ°μμ μΈλν°μ 컀ν¨μν°κ° λ³μκΈ°μ μ°κ²°λμ§λ§, μ΄λ κΈ°μ‘΄ DAB 컨λ²ν°μ
PWM λ°©μκ³Ό λμμ ν° μν₯μ λΌμΉμ§ μλλ€. λΉλ‘ μ μν μ μ λ°Έλ°μμ μΈλν°μ μν΄ μ€μμΉ μ λ₯ ννμ΄ λ³νλμ΄ μ΅λ μ λ₯κ° μ‘°κΈ μ¦κ°νμ§λ§,
μ΄λ ZVS λ²μλ₯Ό μ¦κ°μν€λ μν μ ν μ μλ€. κ²λ€κ° μ μν μ μ λ°Έλ°μλ μΆκ°μ μΈ μ€μμΉκ° νμνμ§ μκΈ° λλ¬Έμ κΈ°μ‘΄ DAB 컨λ²ν°μ κ³ ν¨μ¨κ³Ό
λμ μ λ ₯ λ°λλ₯Ό μ μ§μν¨λ€. μ μν μ μ λ°Έλ°μκ° μ μ©λ 3 kW DHB 컨λ²ν° μμ νμ μ€νμ ν΅ν΄ μ μν μ μ λ°Έλ°μμ μ±λ₯μ κ²μ¦νμλ€.
Acknowledgements
This work was supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and
Planning(KETEP) and the Ministry of Trade, Industry & Energy(MOTIE) of the Republic
of Korea (No. 20194030202310).
References
M. Yilmaz, P. T. Krein, May 2013, Review of battery charger to- pologies, charging
power levels, and infrastructure for plug-in electric and hybrid vehicles, IEEE Transactions
on Power Electronics, Vol. 28, No. 5, pp. 2151-2169
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
A. Abedini, T. Lipo, 2010, A novel topology of solid state transformer, Power Electronic
& Drive Systems & Tech- nologies Conference, pp. 101-105
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
F. Krismer, J. W. Kolar, July 2012, Efficiency-optimized high current dual active
bridge converter for automotive applications, IEEE Transactions on Industrial Electronics,
Vol. 59, No. 7, pp. 2745-2760
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
C. Zhao, S. D. Round, J. W. Kolar, September 2008, An isolated three- Port bidirectional
DCβDC converter with decoupled power flow management, IEEE Transactions on Power Electronics,
Vol. 23, No. 5, pp. 2443-2453
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
R. W. A. A. De Doncker, D. M. Divan, M. H. Kheraluwala, January- February 1991, A
three-phase soft-switched high-power-density DC/DC converter for high-power applications,
IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 27, No. 1, pp. 63-73
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
F. Xue, R. Yu, A. Q. Huang, November 2017, A 98.3% efficient GaN isolated bidirectional
DCβDC converter for DC distribution Energy storage system applications, IEEE Transactions
on Industrial Electronics, Vol. 64, No. 11, pp. 9094-9103
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
Q. Ye, R. Mo, H. Li, September 2017, Low frequency resonance suppression of a dual-active-bridge
(DAB) DC/DC converter enabled DC distribution, IEEE Journal of Emerging Selected Topics
Power Electronics, Vol. 5, No. 3, pp. 982-994
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
H. Kakigano, Y. Miura, T. Ise, December 2010, Low-voltage bipolar- type DC microgrid
for super high quality distribution, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.
25, No. 12, pp. 3066-3075
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
A. Filba-Martinez, S. Busquets-Monge, J. Nicolas-Apruzzese, J. Bordonau, February
2016, Operating principle and performance optimization of a three-level NPC dual-active-bridge
DC-DC converter, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 63, No. 2, pp.
678-690
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
F. Gao, D. Rogers, March 2018, Duty-cycle plus phase-shift control for a dual active
half bridge based bipolar DC distribution, IEEE Applied Power Electronics Conference
and Exposition
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
Hyeok-Jin Yun, Dong-Keun Jeong, Ho-Sung Kim, Myoungho Kim, Ju-Won Baek, Ju-Yong Kim,
Hee-Je Kim, 2017, Imple- mentation of a Single-Phase SST for the Interface between
a 13.2 kV MVAC Network and a 750 V Bipolar DC Distribution, Electronics, Vol. 7, No.
5, pp. 62
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
H. R. Mamede, W. M. dos Santos, D. C. Martins, 2015, A new DC-DC power converter derived
from the TAB for bipolar DC microgrids, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition,
pp. 6217-6222
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
W. M. dos Santos, T. A. Pereira, C. Knaesel, H. R. Mamede, D. C. Martins, 2014, Modeling
and control of the new DC-DC step-up converter to bipolar DC microgrid, IEEE 36th
International Telecommunications Energy Conference, pp. 1-8
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
F. Wang, Z. Lei, X. Xu, X. Shu, June 2017, Topology deduction and analysis of voltage
balancers for DC distribution, IEEE Journal of Emerging Selected Topics Power Electronics,
Vol. 5, No. 2, pp. 672-680
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
X. Zhang, C. Gong, August 2013, Dual-buck half-bridge voltage balancer, IEEE Transactions
on Industrial Electronics, Vol. 60, No. 8, pp. 3157-3164
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
μ μμκ°
He received his B.S. degree in Electrical En- gineering and in the School of Energy
En- gineering from Kyungpook National University, Daegu, Korea, in 2015 and his M.
S. degree in the School of Energy Engineering from Kyungpook National University,
Daegu, Korea, in 2017.
He is currently working towards his Ph. D. degree in the School of Energy Engineering,
Kyungpook National University, Korea.
His current research interests include magnetic design, high voltage insulated solid-state-transformer,
and dual-active- bridge converter.
He received his B.S. and M.S. in Electronics Engineering from Kyungpook National University,
Daegu, Korea, in 1999 and 2001, respectively, and his Ph.D. in Electrical Engineering
from Michigan State University, East Lansing, Michigan, in 2009.
From 2001 to 2003, he was a Research Engineer with the Power System Technology (PSTEK)
Company, An-san, Korea.
From 2010 to 2011, he worked as a Senior Researcher at the Korea Electrotechnology
Research Institute (KERI), Changwon, Korea.
In 2011, he joined Kyungpook National University as an Assistant Professor in the
School of Energy Engineering.
His current research interests include high power dc-dc converters, dcβac inverters,
Z-source inverters, and power conversion for electric vehicles and wind power generation.