KR100799446B1

KR100799446B1 - 연료전지용 삼상 공진 직류-직류 컨버터

Info

Publication number: KR100799446B1
Application number: KR1020060103657A
Authority: KR
Inventors: 송종환
Original assignee: 송종환
Priority date: 2006-10-24
Filing date: 2006-10-24
Publication date: 2008-01-30

Abstract

본 발명은 연료전지 등과 같은 직류를 발생시키는 전원을 승압시키는 회로로서 전원에 흐르는 전류의 리플을 최대한 억제하고 높은 효율의 운전이 가능하도록 구성된 삼상 공진형 DC-DC 컨버터를 제안한다.

각 상 마다 스위칭 수단(3)과 직렬로 LC 공진회로(7,8)가 연결되어 변압기(9)의 1차측 입력단자에 연결된다. 변압기(9)의 2차측 단자는 정류부(10)에 연결되어 교류를 직류를 변환하도록 구성되어 있다. 각 상에 설치된 전류검출부(6)의 전류극성(6-1,6-2,6-3)이 제어회로(4)의 스위칭극성(4-1,4-2,4-3)과 비교되어 두 종류의 극성 변화 순서에 따라 스위칭 주파수를 변화시켜 전류극성(6-1,6-2,6-3)과 스위칭극성(4-1,4-2,4-3)의 변화 시점이 동일하도록 제어하므로 구동주파수가 공진주파수에 일치되도록 제어한다.

연료전지, 공진회로, DC-DC 컨버터, 삼상변환기

Description

연료전지용 삼상 공진 직류-직류 컨버터{Three-Phase Resonant DC-DC Converter for Fuel-Cell Power Conditioning System}

도 1은 본 발명에서 제시하는 삼상 공진형 DC-DC 컨버터의 제어 구성도

도 2는 본 발명에서 제시하는 삼상 공진형 DC-DC 컨버터 중 한 상으로 제어하는 실시 회로도

도 3은 또 다른 실시 회로도

도 4는 출력전압과 출력전류 파형도

화석연료의 고갈과 에너지에 대한 위기로 인하여 신-재생에너지에 대한 범 세계적인 요구와 관심이 높아지고 있으며 그 중심에 연료전지가 있다. 연료전지는 향후 전개될 수소경제의 중심축에 있으며 연료전지 시스템에 대한 기술 개발이 어느 때 보다 활발히 진행되고 있다. 연료전지는 즉 연료의 공급조건이나 온도, 습도 및 압력 등과 같은 외부환경에 민감한 발전원으로 사용에 세심한 주의가 요구된다. 이러한 외부환경에는 연료전지에 연결되어 외부로 전력을 생성하여주는 전력변환기 를 포함한 전기적인 환경도 포함된다.

전력변환기는 직류측 절연방식과 교류측 절연방식으로 구분되는데 일반적으로 교류측 절연방식이 효율이 높지만 부피나 무게가 크며 가격면에서도 불리하기 때문에 직류측 절연방식에 많은 연구가 진행되고 있다. 직류측 절연방식은 연료전지의 직류출력을 DC-DC 컨버터를 통하여 고압의 직류전압으로 변환한 후 얻은 고압 직류전압을 DC-AC 변환기를 통해 60Hz 교류 주파수의 전원으로 바꾸는 방식이다. 이때 연료전지와 계통간의 전기적 절연을 확보하기 위해 DC-DC 컨버터는 연료전지의 직류전압을 고주파 교류로 바꿔주는 DC-AC 변환기와 고주파 변압기, Diode 정류기로 구성되어 있다. 본 발명은 DC-DC 컨버터의 변환 효율을 극대화 하고 연료전지에 흐르는 전류 리플을 최소화 하는 방법을 제시한다.

연료전지의 직류출력을 교류로 변환하는 방식에는 여러 가지가 있지만 전력 변환 효율이 높은 방법으로 공진형 변환기가 있다. 공진형 변환기의 가장 큰 약점은 DC-AC 변환기의 구동주파수가 직렬로 연결된 L-C 부하의 공진주파수와 정확히 일치하여야 하며 약간이라도 어긋나면 출력전력이 현저히 감소되어 실제 적용이 용이하지 않은 점이다. 이를 보상하기 위하여 하기 [특허문헌 1]에서는 구동주파수와 공진주파수의 주파수 차로 인한 시간을 산출하고 이를 구동주파수에 되먹임하여 구동주파수를 변경하는 방법이 제시되어 있다. 하지만 이러한 방법은 구동주파수와 공진주파수의 시간차를 정확하게 검지하는 것이 난해하며 구성 또한 용이하지 않은 단점이 있다.

[특허문헌 1] 일본국 특개2002-58240호 공보

또 다른 방안으로 [공개특허공보 1]에서는 출력전류로부터 공진주파수를 검출하는 수단을 제안하는데 이 또한 전류측정의 정밀도에 따라 공진주파수가 달라지며 측정된 파형을 분석하여 공진주파수를 산출하는 방식도 복잡한 문제가 있다.

[공개특허공보 1] 출원번호 10-2006-7013227

또 다른 방법으로 출력전류의 하기 [공개특허공보 2]에는 공진전류를 검출하고 한 쌍의 스위칭 수단에 의해 얻어지는 각 전류가 동일하게 되도록 스위칭 주파수를 조정하므로 구동주파수와 공진주파수가 일치하도록 하는 방법을 제시한다. 이러한 방식은 출력이 정상상태에 도달하게 되면 변압기 특성에 의해 직류 성분이 걸러지므로 비록 구동주파수가 공진주파수에 이르지 못하여도 스위칭 수단에 의해 얻어지는 전류는 자동적으로 대칭형태를 띄게되므로 구현상 어려움이 있다.

[공개특허공보 2] 출원번호 10-2006-7013228

일반적으로 연료전지는 전압원으로 분류되며 연료전지와 계통 사이에 설치된 전력변환기는 전류제어를 통하여 연료전지의 발전전력을 외부로 공급한다. 이때 연료전지에 흐르는 직류전류에 전류리플로 인한 교류성분의 전류가 포함되면 연료전지의 갱년변화가 빨라지며 사용수명에 영향을 받는다. 이러한 이유로 연료전지 공급자는 접속되는 전력변환기의 전류 리플율을 엄격하게 규정하고 있다.

본 발명은 정상상태 시 전류 리플이 거의 나타나지 않는(이론적으로 '없는') 전력 변환기를 제안한다. 즉 높은 변환효율을 달성함과 동시에 전류리플이 나타나지 않는 절연형 DC-DC 컨버터를 제안한다.

본 발명은 연료전지를 흐르는 전류 리플을 극소화하기 위해 삼상공진형 DC-AC 컨버터를 제안하는 것을 제1 특징으로 한다. 교류 삼상회로는 전원이 삼상 대칭이고, 부하가 동일하며 대칭일 때 일정값의 출력이 요구된다. 즉 교류성분이 없는 직류전력이 삼상부하로 흐르게 되는 특징이 있다. 본 발명은 이러한 원리를 적용하여 고주파의 교류 삼상 대칭전압을 발생하므로 연료전지에 흐르는 전류에서 교류 성분 즉 전류 리플을 근원적으로 제거하였다.

또한 상기의 방법을 적용함에 있어 고주파 교류 삼상 대칭전압을 발생 시키는 방법을 제2 특징으로 한다. 상용주파수인 60Hz 주파수에 비해 수kHz 이상의 고주파 전원은 출력측에 연결된 수동소자인 인덕터나 커패시터의 크기를 주파수에 반비례하여 줄일 수 있으므로 크기를 줄일 수 있고 가격 경쟁력 또한 높은 방법이다.

고주파 교류 삼상 대칭전압을 발생하기 위한 방안으로 공진형을 사용하는 것을 제3의 특징으로 한다. 변환기의 구동주파수를 고주파로 하게되면 스위칭 수단에서의 스위칭 손실이 주파수에 비례하여 증가하기 때문에 높은 효율을 달성할 수 없다. 한편 공진방식은 전류가 '0'인 시점에서 스위칭하므로 스위칭 손실이 나타나지 않아 고효율의 전력변환이 가능하다.

이를 위하여 본 발명에서는 스위칭 수단과 고주파 변압기 사이에 인덕터와 커패시터를 직렬로 구성하여 교류전력의 변환이 일어날 수 있도록 하는 것을 제4의 특징으로 한다.

특히 본 발명에서는 스위칭 수단에 의해 얻어지는 출력전류나 출력전압에 대 한 별도의 연산이나 복잡한 계산 없이 간단한 방식으로 구동주파수가 공진주파수와 일치되도록 제어기를 구성하는 것을 특징으로 한다.

도1은 본 발명에서 제안하는 연료전지용 삼상 공진형 DC-DC 컨버터의 회로도이다. 직류를 교류로 변환하는 구동수단(3)에 공급되는 전원(1)은 연료전지 등과 같은 직류 전원으로 구성된다. 구동수단(3)의 출력에는 각 상의 전류를 검출하는 전류검출부(6)와 공진주파수를 형성하기 위한 커패시터(7) 및 인덕터(8)가 직렬로 구성되고, 이어 고주파 절연변압기(9)를 통해 전압의 변환이 이뤄지며 2차측 전압은 정류부(10)에서 직류전압으로 변환된다. 전류검출부(6)에서는 전류의 극성만이 판별되며 이렇게 판별된 전류 극성(6-1,6-2,6-3)은 비교수단(5)에서 구동수단(3)에 인가되는 스위칭 극성(4-1,4-2,4-3)과 비교되어 극성비교결과(5-1,5-2,5-3)가 제어회로(4)에 인가된다. 제어회로(4)는 단순 논리회로로 구성될 수 있는데 만약 제어회로(4)의 출력 스위칭 극성(4-1,4-2,4-3)이 전류 극성(6-1,6-2,6-3)보다 앞서면 구동주파수를 점차 줄이며, 반대로 전류 극성(6-1,6-2,6-3)이 출력 스위칭 극성(4-1,4-2,4-3)보다 앞서면 구동주파수를 올리는 회로로 구성된다. 최종적으로 출력 스위칭 극성(4-1,4-2,4-3)과 전류 극성(6-1,6-2,6-3)이 일치하면 구동주파수의 증감이 정지하며 이때의 구동주파수는 자동적으로 공진주파수와 일치한다. 이러한 방법은 공진회로에 직렬로 연결된 변압기(9), 정류기(10) 및 부하(11)의 변동으로 인한 공진주파수의 변화에 관계없이 항시 공진 상태를 추종할 수 있게 해준다.

도2는 직렬로 연결된 커패시터(7) 및 인덕터(8)가 일정한 값이며 갱년변화도 동일하게 나타난다고 가정했을 때 도1에 비해 간소화된 다른 실시예를 보여준다. 구동수단(3)에서 출력되는 삼상전류 중 한상의 전류검출기(6-4)로부터의 전류 극성이 판별되며 이렇게 판별된 전류극성(6-1)은 제어회로(4)의 출력 스위칭 극성(4-1)과 비교되고 비교 결과(5-1)에 따라 구동주파수를 증감한다. 이때 구동주파수는 제어회로(4) 내부의 논리 회로(4-4)에 의해 3체배 한 후 이를 3단-링카운터(4-5)를 거치게 하므로 120도 전기각을 가진 3개의 스위칭 극성(4-1,4-2,4-3)을 얻을 수 있고 이를 구동수단(3)의 각 스위칭 소자에 인가한다.

다소 늦은 응답이 요구되는 경우(예로서 연료전지의 출력은 빠른 전류 제어 응답성을 요구하지 않음) 또는 시스템이 불안정할 경우, 동일한 원리를 적용하면서 안정적인 동작을 위해 적분기를 추가 시킬 수도 있다. 그 실시예가 도3에 제시되는데 제어회로(4) 내부에 적분기(4-6), 전압제어주파수발생기(VCO: Voltage Controlled Oscillator)(4-7), 분주기(4-8)로 구성된다. 제어회로(4) 출력 스위칭 극성(4-1,4-2,4-3)이 전류검출부(6)의 전류극성(6-1,6-2,6-3) 보다 앞서면 적분기(4-6)의 출력전압을 줄이고 VCO(4-7)의 동작에 의해 구동주파수를 점차 줄이므로 구동주파수가 공진주파수에 서서히 수렴되도록 할 수 있다. 제품화되어 있는 VCO(4-7)에 적절한 분주기(4-8)을 추가로 설치하여 호환성을 증가시키는 것도 가능하다. 이러한 방법은 시스템의 안정성이 평가되어야 하는데 수렴 응답성은 적분기(4-6)의 적분상수와 분주기(4-8)의 분주비에 의해 영향 받는다. 이러한 회로구성은 PLL(Phase Locked Loop)이라는 상용품으로도 용이하게 적용할 수 있으며 본 발명의 취지를 유지하면서 다양한 변경 회로가 가능할 것이다.

도4는 구동수단(3)의 한 상에서 나타나는 스위칭 파형과 전류검출부(6)에서 검출되는 전류의 파형을 비교한 파형도이다. 도4의 (가)구동수단 출력 전압의 주파수(구동주파수)가 공진주파수 보다 작으면 (나)와 같은 형태의 전류파형이 얻어지며 구동수단(3)에서 공급되는 전압의 극성 변화가 전류파형의 극성변화 보다 앞서서 나타난다. 이와 반대로 구동주파수가 공진주파수 보다 크면 (다)와 같이 전류파형의 극성 변화가 전압의 극성 변화보다 앞서서 나타난다. 이러한 현상은 커패시터(7)와 인덕터(8)를 제외한 부하의 유무 또는 크기에 관계없이 동일한 양상을 가진다. 만약 구동주파수와 공진주파수가 동일하면 전압파형과 전류파형은 동상이 되며 변압기(9)에는 정현파가 인가되어 고조파로 인한 손실이 극소화 된다.

본 발명은 삼상에 적합하도록 회로가 구성되어 있지만 본 발명에서 제안하는 방법의 범주 내에서 약간의 수정만 추가된다면 단상 및 다상 용으로도 회로를 꾸밀 수 있을 것이다.

본 발명은 연료전지 등과 같이 출력전류의 고조파 리플에 의해 수명이나 특성이 영향을 받는 전원에 효과적으로 적용할 수 있는 회로이다. 이와함께 스위칭 손실이 거의 없어 고주파 스위칭 운전시 고효율 운전이 가능한 이점을 가지고 있다. 또한 본 발명은 그 구조가 아주 단순하기 때문에 구현이 용이하며 경제적으로도 높은 가치를 가질 것으로 보인다.

Claims

직류측 두 단자에 연결되고 교류 출력을 낼 수 있도록 구성된 스위칭 수단을 가진 삼상 인버터와 저압측 1차권선과 고압측 2차권선을 가진 변압기 사이에 인덕터와 커패시터가 각각 직렬로 연결되어 있고 고압측 2차권선은 삼상다이오드 브릿지에 연결되어 고압직류를 만들 수 있도록 구성된 DC-DC 컨버터에 있어서, 상기 인덕터에 흐르는 전류의 극성을 판별하는 수단을 제공하고 이렇게 판별된 전류의 극성과 이 전류를 흐를 수 있도록 연결된 스위칭 수단의 전압 극성을 비교하여 피드백 신호를 삼고 두 극성 신호의 상승 또는 하강 시점이 동일하게 되도록 스위칭 수단의 온-오프 시점을 바꾸는 방법을 특징으로 하는 삼상 공진형 DC-DC컨버터.
제1항에 있어서, 전압 극성의 상승 시점이 전류 극성의 상승 시점보다 앞설 경우 구동주파수를 증가하고, 반대로 전류 극성의 상승 시점이 전압 극성의 상승 시점보다 앞설 경우 구동주파수를 감소하는 방법을 특징으로 하는 삼상 공진형 DC-DC컨버터.