배터리 충전용 이중 단계 DC-DC 절연 변환기

     이 논문은 전기 자동차 충전 응용 분야에서 광범위한 배터리 전압 범위에서도 높은 효율성을 요구하는 2단계 DC-DC 격리 변환기를 제안하고 분석한다. 제안된 변환 회로는 CLLC 공진 구조를 가진 첫 번째 두 출력 격리 단계와 두 번째 두 입력 버크 조정기로 구성된다. 첫 번째 단계의 트랜스포머는 이상적으로 배터리에 공급되어야 하는 최소 및 최대 예상 전압에 해당하도록 설계되었다. 그런 다음, 두 번째 단계는 이전 격리 단계에서 제공된 전압을 조합하여 전체 변환기의 출력 전압을 조절한다. 첫 번째 단계는 항상 공진 상태에서 작동하며, 격리와 최소 손실로 고정된 변환 비율을 제공하는 역할만 하며, 두 번째 단계는 광범위한 배터리 전압 범위에서 출력 전압 조절을 가능하게 한다. 전체적으로, 이 솔루션은 광범위한 출력 전압 범위에서 높은 변환 효율성을 보여준다.

1.서론

    전기 교통은 전 세계적으로 온실가스 배출과 화석 연료 공급 및 고갈에 대한 우려가 증가하면서 많은 국가에서 발전하고 있다. 이러한 우려는 최근 전기 자동차(EVs)에 대한 수요가 지수적으로 증가하는 원동력이 되었다. 이러한 높은 수요와 더불어 더 긴 주행 거리와 충전 시간 감소를 추구하면서, 새로운 세대의 EV들은 더 높은 배터리 용량과 충전률을 구현하고 있다. 결과적으로, 새로운 EV 충전 스테이션은 이전보다 더 많은 전력을 더 빠르게 공급해야 한다.

2.구조 및 작동 원리

    도 1에서 제안된 2단계 변환기는 LLC 공진 변환기를 기반으로 한 첫 번째 격리 단계와 버크 변환기를 기반으로 한 두 번째 후속 조정기 단계로 구성된다. 이러한 후속 조정기는 출력 전압 조절을 담당하며, 고효율의 두 출력 DCX 변환기를 통해 공급된다. 그림에서 볼 수 있듯이, 후속 조정기의 전압 스트레스, 즉 V1−V2는 출력 전압 Vo보다 낮아, 이를 통해 작은 ON 저항과 낮은 스위칭 손실을 가진 스위칭 장치를 사용할 수 있다.

3.LLC 단계의 DCX로 작동하는 설계

     LLC 공진 탱크가 공진 주파수에서 작동할 때, 전압 변환 비율은 실제로 부하로부터 독립적이 된다. 즉, LLC 변환기는 일정한 전압 변환 비율을 유지하고, 부하 조건에 따라 자동으로 전류를 조정하여 DCX처럼 작동한다. 이러한 작동 조건에서 LLC는 최대 효율성을 보이며, 반응 전력의 최소 흐름과 영전압 스위칭(ZVS) 및 영전류 스위칭(ZCS) 조건이 항상 만족된다. 특히, LLC의 DCX 작동은 변환 게인(gain)이 고정되어 있기 때문에 외부 공진 인덕터가 필요하지 않다. 동일한 광범위한 출력 전압 범위에서 작동하도록 설계된 공진 FB-LLC 기반의 동등한 솔루션은 LLC보다 영구적인 DCX 조건에서 더 높은 손실을 보일 것으로 예상된다.

4.결론

     실험적으로 보고된 변환 성능은 광범위한 작동 조건에서 높은 효율성을 보여주었으며, 500V 출력 전압과 7kW 전송 전력에서 최대 효율성 98.63%를 기록하였다. 최종 응용 프로그램에서는 격리된 출력 덕분에 여러 모듈의 직렬 또는 병렬 연결을 고려하여 최종 구현의 전압 또는 전류 등급을 확장할 수 있다. 향후 연구는 변환기의 최적 변조를 위한 온라인 컨트롤러와 변환기 구성 요소, 예를 들어 출력 TBB 인덕터의 최적 설계 절차를 포함할 수 있다.

출처: IEEE Xplore

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