KR102589738B1 - 누설 인덕턴스를 이용한 변압기 및 그 설계방법 - Google Patents

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Abstract

누설 인덕턴스를 이용한 변압기 및 그 설계방법을 개시한다.
본 개시의 일 측면에 의하면, AC/DC 컨버터 및 DC/DC 컨버터를 포함하는 반도체 변압기에 있어서, 상기 DC/DC 컨버터는, 코어, 1차측 권선 및 2차측 권선을 포함하는 고주파 변압기; AC/DC 컨버터 및 상기 1차측 권선의 사이에 연결되며, 직류 전압을 고주파 교류전류로 변환하는 제1 브릿지 회로; 및 상기 2차측 권선 및 제1 출력단 사이에 연결되며, 직류 전압을 출력하는 제2 브릿지 회로를 포함하고, 상기 2차측 권선은, 상기 1차측 권선의 일측에 권취되는 2차측 상부 권선; 및 상기 1차측 권선의 타측에 권취되는 2차측 하부 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 변압기를 제공한다.

Description

누설 인덕턴스를 이용한 변압기 및 그 설계방법{Transformer using Leakage Inductance And Design Method Therefor}
본 개시는 누설 인덕턴스를 이용한 변압기 및 그 설계방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
종래의 철도차량에는, 전차선 라인(trolley line)을 통해 공급받은 고압의 교류전력을 강압하여 저압의 교류전력으로 변환하는 주변압기(main transformer), AC/DC 컨버터 및 DC/AC 인버터로 구성된 전력변환 시스템이 이용되어 왔다. 주변압기는 50Hz 내지 60Hz의 낮은 주파수에서 동작하기 때문에, 임피던스 매칭을 위해 필요한 인덕턴스의 값이 커 변압기 권선을 많이 감거나 철심 코어를 많이 사용해야 함에 따라 무게와 부피가 크다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 전차선 라인으로부터 공급받은 고압의 교류전력을 정류하는 AC/DC 컨버터 및 정류된 직류전력을 고주파 교류전력으로 변환한 후 저압의 직류전력을 생성하는 DC/DC 컨버터로 구성된 반도체 변압기(Solid-state transformer)가 개발되고 있다.
DC/DC 컨버터는 고압과 저압 간 절연성능을 만족해야 하며, 이를 위해서는 DC/DC 컨버터에 구비되는 고주파 변압기(high-frequency transformer)의 절연 설계가 매우 중요하다. 예컨대, 고속철도차량에 이용되는 반도체 변압기는 25kV/60Hz의 전차선 라인을 통해 전압을 수전 받으며, 이때 전차선 라인의 전압은 29kV까지 상승할 수 있다. 이 경우 고주파 변압기는 2배의 여유율을 고려하여 고압과 저압 간 60kV의 절연성능을 만족하도록 설계되어야 한다. 또한, 고주파 변압기는 장시간 구동되더라도 열적 안정성을 가질 수 있도록, 코어 손실 및 권선 손실이 최소화되도록 설계되어야 한다.
한편, DC/DC 컨버터로서, 고주파 변압기 및 외부 인덕터로 구성된 자성 부품(magnetic component)을 포함하는 DAB(Dual Active Bridge) 컨버터가 널리 이용되고 있다. 여기서, 외부 인덕터는 입출력 전력을 전달하는 역할을 하고, 고주파 변압기는 고압과 저압 간 절연을 확보하면서 턴 비를 통해 전압 비를 확보하는 역할을 한다. 그러나 종래의 DAB 컨버터는 외부 인덕터로 인해 자성 부품의 사이즈가 증가한다는 단점이 있다.
본 개시는, 수십 kV 급의 절연 성능을 만족하고 최소 손실을 가지는 동시에 기존의 DAB 컨버터에서 외부 인덕터를 제거할 수 있도록 하는 고주파 변압기 및 그 설계방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 일 측면에 의하면, 본 개시의 일 측면에 의하면, AC/DC 컨버터 및 DC/DC 컨버터를 포함하는 반도체 변압기에 있어서, 상기 DC/DC 컨버터는, 코어, 1차측 권선 및 2차측 권선을 포함하는 고주파 변압기; AC/DC 컨버터 및 상기 1차측 권선의 사이에 연결되며, 직류 전압을 고주파 교류전류로 변환하는 제1 브릿지 회로; 및 상기 2차측 권선 및 제1 출력단 사이에 연결되며, 직류 전압을 출력하는 제2 브릿지 회로를 포함하고, 상기 2차측 권선은, 상기 1차측 권선의 일측에 권취되는 2차측 상부 권선; 및 상기 1차측 권선의 타측에 권취되는 2차측 하부 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 변압기를 제공한다.
본 개시의 다른 측면에 의하면, 코어, 1차측 권선 및 2차측 권선을 포함하되, 상기 2차측 권선은 상기 1차측 권선의 일측에 권취되는 2차측 상부 권선 및 상기 1차측 권선의 타측에 권취되는 2차측 하부 권선으로 구성되는 고주파 변압기의 설계방법으로서, 상기 고주파 변압기를 배치할 수 있는 공간의 크기에 기초하여 상기 코어의 크기를 선정하는 과정; 상기 고주파 변압기의 누설 인덕턴스 및 턴 비가 기설정된 조건을 만족하도록상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선의 턴 수를 선정하는 과정; 및 상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선의 굵기를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기의 설계방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 개시의 실시예에 의하면, 수십 kV 급의 절연 성능을 만족하고 최소 손실을 가지는 동시에, 외부 인덕터를 제거함으로써 자성 부품의 사이즈를 줄일 수 있다.
본 개시의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체 변압기를 이용한 전력변환 시스템을 예시한 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체 변압기를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 전력변환 모듈을 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 구조를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 등가 회로도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 기하학적인 구조를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 권선 배치구조 및 위치별 기자력을 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 권선의 절연 구조를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 설계방법을 나타내는 순서도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 배치공간을 설명하기 위한 예시도이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 동작 조건을 설명하기 위한 예시도이다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기에 대한 시뮬레이션 모델일 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 13 내지 도 19는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도이다.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 개시의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 개시가 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체 변압기를 이용한 전력변환 시스템을 예시한 도면이다.
도 1에 도시되듯이, 본 개시의 일 실시예에 따른 전력변환 시스템은 반도체 변압기(100) 및 모터 구동용 인버터(110)를 전부 또는 일부 포함할 수 있다. 한편, 도 1에서는 본 개시의 일 실시예에 따른 전력변환 시스템이 철도차량에 적용되는 예를 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 전력변환 시스템은 다양한 환경에 적용될 수 있다.
반도체 변압기(100)는 고압의 교류전력을 정류하는 AC/DC 컨버터(102) 및 정류된 직류전력을 고주파 교류전력으로 변환한 후 저압의 직류전력을 생성하는 적어도 하나의 DC/DC 컨버터(104)를 포함할 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체 변압기를 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 2에 도시되듯이, 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체 변압기(100)는 복수개의 전력변환 모듈(200, 210 및 220)을 구비하며, 각 전력변환 모듈(200, 210 및 220)은 AC/DC 컨버터(202) 및 DC/DC 컨버터(204)를 포함할 수 있다.
복수개의 전력변환 모듈(200, 210 및 220)은 입력단이 서로 직렬 연결되어 전차선 라인으로부터 공급되는 고압의 교류 전원의 전압을 분담하여 입력받음으로써, 전력반도체에 가해지는 전압스트레스를 경감시킬 수 있다.
복수개의 전력변환 모듈(200, 210 및 220)은 출력단이 서로 병렬 연결되어 철도차량에서 필요로 하는 전력을 분담하여 출력함으로써, 전류 스트레스를 경감시킬 수 있다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 전력변환 모듈을 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 3에 도시되듯이, 본 개시의 일 실시예에 따른 전력변환 모듈(200)은 AC/DC 컨버터(202) 및 DC/DC 컨버터(204)를 포함할 수 있으며, 스위칭 소자의 전압 스트레스를 낮추기 위해 DC/DC 컨버터(204)는 제1 DC/DC 컨버터(300) 및 제2 DC/DC 컨버터(310)의 스택(stack)구조로 이루어질 수 있다.
제1 DC/DC 컨버터(300) 및 제2 DC/DC 컨버터(310)는 각각 제1 브릿지 회로(302), 고주파 변압기(304) 및 제2 브릿지 회로(306)를 전부 또는 일부 포함할 수 있다. 실시예들에 따라, 제1 브릿지 회로(302)는 하프 브릿지(half-bridge) 구조를 가지고, 제2 브릿지 회로(306)는 풀 브릿지(full-bridge) 구조를 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
고주파 변압기(304)는 1차측 권선 및 2차측 권선을 포함할 수 있으며, 1차측 권선 및 2차측 권선 간의 턴 비는 N1:N2 또는 na:1과 같이 표현될 수 있다. 고주파 변압기(304)는 누설 인덕턴스(Ld)를 가질 수 있다.
제1 DC/DC 컨버터(300) 및 제2 DC/DC 컨버터(310)의 입력단, 즉 제1 브릿지 회로(302)들의 입력은 직렬로 연결될 수 있다. 제1 DC/DC 컨버터(300) 및 제2 DC/DC 컨버터(310)의 출력단, 즉 제2 브릿지 회로(306)들의 출력은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
제1 브릿지 회로(302)는 AC/DC 컨버터(202)와 고주파 변압기(304)의 1차측 권선 사이에 연결되며, AC/DC 컨버터(202)로부터 전달받은 직류 전압(VdcH_m 또는 VdcL_m)을 고주파 교류 전류(ipH _m 또는 ipL _m)로 변환한다.
제2 브릿지 회로(306)는 고주파 변압기(304)의 2차측 권선에 연결되며, 고주파 변압기(304)기를 통해 인가받은 교류 전류(isH _m 또는 isL_m)로부터 직류 전압(VLH _m 또는 VLL_m)을 생성한다.
실시예들에 따라, 제1 브릿지 회로(302) 및 제2 브릿지 회로(306)는 두 브릿지 간의 위상 차를 통해 전력을 전달하는 DAB(Dual Active Bridge) 토폴로지를 구현할 수 있다. 이에 따라, 직류 전압(VLH _m 또는 VLL_m)은 제1 브릿지 회로(302) 및 제2 브릿지 회로(306) 간 위상 제어와 1차측 권선 및 2차측 권선 간 턴 비(N1:N2)에 따라 결정될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 구조를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기(304)는 쉘타입(shell-type)의 코어(400), 1차측 권선(410) 및 2차측 권선(420)을 포함할 수 있다. 이때, 절연확보를 위해 1차측 권선(410)은 에폭시 절연체(430)로 몰딩될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 2차측 권선(420)은 1차측 권선(410)을 중심으로 분리된 구조를 가질 수 있다. 다시 말해, 본 개시의 일 실시예에 따른 2차측 권선(420) 1차측 권선(410)의 일측에 권취되는 2차측 상부 권선(secondary upper winding, 422) 및 1차측 권선(410)의 타측에 권취되는 2차측 하부 권선(secondary lower winding, 424)을 포함할 수 있다. 한편, 본 개시에서 '상부' 및 '하부'의 용어는 1차측 권선(410)에 대한 서로 다른 2차측 권선(420)의 상대적 위치를 구분하기 위한 것일 뿐이며, 2차측 권선(420)의 절대적인 위치를 한정하지 않는다.
본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기(304)는 2차측 권선이 분리된 구조를 가짐으로써, 종래의 권선 배치 구조 대비 큰 누설 인덕턴스를 확보할 수 있으며, 코어 손실을 개선할 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 등가 회로도이다.
도 5를 참조하면, rc,p 및 rc,s은 각각 1차측 및 2차측의 권선 손실 저항(copper loss resistance)을 나타내고, Ll,p 및 Ll,s은 각각 1차측 및 2차측의 누설 인덕턴스를 나타내며, Lm은 자화 인덕턴스(magnetizing inductance)를 나타낸다.
여기서, 2차측에서 바라본 등가 인덕턴스는 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112021129512580-pat00001
1차측 권선 손실 저항(rc,p)으로 인한 전압 강하가 무시할 수 있을 정도라고 가정할 때, 자화 전류(magnetizing current, im)는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112021129512580-pat00002
여기서, DAB 컨버터의 ws는 스위칭 주파수(switching frequency)이다.
누설 자계(leakage magnetic field)가 자화 자계(magnetizing magnetic field)보다 매우 작다고 가정할 때(Lm >> Ll,p), 코어의 자속밀도(Bc)는 수학식 3과 같이 산출될 수 있다.
Figure 112021129512580-pat00003
여기서, Np는 1차측 권선의 턴 수이고, Ac는 코어의 자속 단면적(magnetic path area)이다.
자화 전류가 최대가 되는 지점에서 코어의 자속밀도(Bc)가 기설정된 자기 포화 레벨(magnetic saturation level) 미만이 되는 조건을 만족하도록 하는, 1차측 권선의 턴 수(Np)의 최솟값은 수학식 4와 같이 산출될 수 있다.
Figure 112021129512580-pat00004
이하에서는 도 6 및 도 7을 참조하여 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 누설 인덕턴스 및 손실을 도출하는 과정을 설명한다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 기하학적인 구조를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 권선 배치구조 및 위치별 기자력을 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 6을 참조하면, 주어진 기하학적이 구조 하에서, 본 개시의 일 실시예에 따른 코어의 자속 유효 거리(le) 및 자속 단면적(Ac)은 수학식 5와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112021129512580-pat00005
수학식 5로부터, 자화 인덕턴스(Lm)는 수학식 6과 같이 산출될 수 있다.
Figure 112021129512580-pat00006
여기서, Lp는 1차측의 전체 인덕턴스이다.
도 7과 같이 1차측 권선 및 2차측 권선이 복수의 권선 층(winding layers)을 구성할 때, 1차측 권선 및 2차측 권선의 턴 수는 수학식 7과 같이 표현될 수 있다. 한편, 도 7에서 '⊙'으로 표시된 권선은 1차측 권선을 나타내고, 'ⓧ'으로 표시된 권선은 2차측 권선을 나타낸다.
Figure 112021129512580-pat00007
여기서, mp는 1차측 권선의 권선 층 수, np,j는 1차측 권선의 각 층별 턴 수, ms는 2차측 권선의 권선 층 수, ns,j는 2차측 권선의 각 층별 턴 수이다.
1차측 권선 및 2차측 권선이 통과하는 윈도우 영역(window area) 내 임의의 암페어 턴(ampere-turn)에서의 자계 강도(magnetic field strength)는 수학식 8과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112021129512580-pat00008
여기서, h는 권선의 두께임.
윈도우 영역 내 각 위치에서의 기자력(magneto-motive-force, mmf)이 도 7과 같을 때, 1차측 권선이 존재하는 위치에서의 자계 강도는 수학식 9와 같이 산출될 수 있다.
Figure 112021129512580-pat00009
여기서, hp는 1차측 권선의 두께, hpo는 1차측 권선들 간 간격임.
다음으로, 1차측 권선들 사이에서의 자계 강도는 수학식 10과 같이 산출될 수 있다.
Figure 112021129512580-pat00010
다음으로, 1차측 권선 및 2차측 권선 사이에서의 자계 강도는 수학식 11과 같이 산출될 수 있다.
Figure 112021129512580-pat00011
여기서, hd는 1차측 권선 및 2차측 권선 간 간격임.
한편, 수학식 9 및 10 에서는 1차측 권선에 관한 위치에서의 자계 강도만을 나타내었으나, 2차측 권선에 대해서도 동일하게 적용할 수 있음은 자명하다. 이때, 2차측 권선의 두께는 hs, 2차측 권선들 간 간격은 hso로 지칭될 수 있다.
수학식 9 내지 11에 따라 산출된 자계 강도를 이용하여, 누설 인덕턴스를 통해 저장되는 총 에너지 Et는 수학식 12와 같이 도출될 수 있다. 이때, 1차측 누설 인덕턴스 및 2차측 누설 인덕턴스는 H(z)에 대한 함수로 표현될 수 있다.
Figure 112021129512580-pat00012
여기서, lm은 각 턴에서의 평균 길이(mean length)이다.
권선 간 간격이 동일(hpo = hso = hd ≡ hn)하고, 권선 층 수가 동일(mp = ms = mn)하며, 1차측 및 2차측의 암페어-턴이 동일(NpIp = NsIs)하다고 가정할 때, 총 에너지 Et는 수학식 13과 같이 간략화 될 수 있다.
Figure 112021129512580-pat00013
이상과 같이, 수학식 9 내지 13을 이용하여, 주어진 조건 하에서 1차측 누설 인덕턴스(Ll,p) 및 2차측 누설 인덕턴스(Ll,s)를 도출할 수 있다.
한편, 변압기 손실(transformer loss)은 크게 코어 손실(core loss) 및 권선 손실(copper loss)로 구성된다.
고주파 변압기의 코어 손실을 계산하기 위한 다양한 기법들이 존재하는데, DAB 컨버터의 경우 비정현파(non-sinusoidal) 전류 파형을 가지므로, 본 개시에서는 비정현파 특성을 고려한 IGSE(Improved Generalized Steinmetz Equation)을 이용한다. 이때, 코어 손실(Pco)은 수학식 14 및 15과 같이 산출될 수 있다.
Figure 112021129512580-pat00014
Figure 112021129512580-pat00015
여기서, Cm, α 및 β는 자계 특성(magnetic characteristics)에 따라 결정되는 파라미터들이고, UC는 코의 전체 부피(total volume)이다.
한편, 권선 손실(Pcp)은 수학식 15와 같이 전류의 제곱과, AC 저항 성분의 곱으로 표현될 수 있다. 이때, 저항 성분(rc,p 및 rc,s)은 권선의 기하학적 정보 및 스위칭 주파수 등에 기초하여 산출될 수 있다.
Figure 112021129512580-pat00016
최종적으로 변압기 총 손실(Pct)은, 코어 손실(Pco)과 권선 손실(Pcp)의 합으로 표현될 수 있다.
Figure 112021129512580-pat00017
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 권선의 절연 구조를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 8을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기에 적용되는 권선들은 자체적으로 절연 성능을 확보할 수 있도록, 복수의 동선(copper wires, 800), 복수의 동선을 감싸 고정시키는 제1 절연재(insulation material, 810), 제1 절연재(810)를 감싸는 제2 절연재(820) 및 제2 절연재(820)를 감싸는 제3 절연재(830)로 구성될 수 있다.
동선(800)은 바람직하게는 고주파 저항을 최소화할 수 있는 리츠 와이어(Litz wire)로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 동선(800)의 굵기는 전류용량을 고려하여 결정될 수 있다.
제1 절연재(810)는 권선의 안쪽에서 절연 및 내열 특성을 만족시킴과 동시에 복수의 동선(800)의 형상을 고정시키는 역할을 한다. 제1 절연재(810)는 바람직하게는 고절연 및 내열성을 갖는 캡톤 테이프(kapton tape)로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 절연재(820)는 바람직하게는 유연하게 잘 구부러지는 특성을 갖는, 고무 탄성중합체를 이용한 플렉서블 실리콘 튜브(rubber elastomer based flexible silicon tube)로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제3 절연재(830)는 바람직하게는 고절연 특성을 갖는, 비농축 에틸렌 프로필렌 절연 튜브(non-halogenated ethylene propylene insulation tube)로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 절연재(820)로 사용되는 플렉서블 실리콘 튜브의 경우 신축성을 가지지만 비싸다는 단점이 있고, 제3 절연재(830)로 사용되는 비농축 에틸렌 프로필렌 절연 튜브의 경우 저가이지만 신축성이 낮다는 단점이 있다. 본 개시에서는 제2 절연재(820) 및 제3 절연재(830)를 함께 사용함으로써, 저비용으로 고압과 저압 간 절연 특성을 만족함과 동시에, 신축성을 가질 수 있다.
이하에서는 도 9 내지 도 11을 참조하여, 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 설계방법을 설명한다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 설계방법을 나타내는 순서도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 배치공간을 설명하기 위한 예시도이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 동작 조건에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 예시도이다.
과정 S900에서, 고주파 변압기를 배치할 수 있는 공간의 크기를 확인하고, 이에 기초하여 코어를 선정한다.
철도 차량의 하부에 반도체 변압기(100)를 실장할 수 있는 공간의 크기는 미리 정해져 있으며, 각 전력 변환모듈(200, 210 및 220)별로 하나의 AC/DC 컨버터(202) 및 2개의 제1 브릿지 회로(302)로 구성되는 고압 스택(high voltage stack) 및 2개의 제2 브릿지 회로(306)로 구성되는 저압 스택(low voltage stack)을 배치한 후 나머지 공간에 고주파 변압기(304)를 배치할 수 있다. 예컨대, 도 10을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에서 고주파 변압기(304)의 배치 가능 공간의 크기는 최대 330 mm × 460 mm × 700 mm이다. 다음으로, 고주파 변압기(304)의 배치 가능 공간 내에 적용 가능한 코어를 선정한다. 예컨대, 본 개시의 일 실시예에서는 크기가 140 mm × 145 mm × 40 mm인 U 타입 코어를 16개를 사용할 수 있다.
과정 S910에서, 기설정된 누설 인덕턴스 및 턴 비 조건을 만족하는 턴 수를 산출한다.
먼저, 고주파 변압기(304)의 턴 수를 산출하기 위해서는, 이에 앞서 DAB 컨버터의 동작 조건(operating condition)이 정해져야 한다. 본 개시의 일 실시예에 따른 반도체 변압기(100)가 도 10과 같이 10개의 전력변환 모듈(200, 210 및 220)들로 구성되고, 반도체 변압기(100)의 총 최대 전력(total maximum power)이 3MW라고 가정할 때, 하나의 전력 변환 모듈(200, 210 및 220)은 300kW로 구동되어야 하며, 각 고주파 변압기(304)는 150kW로 구동되어야 한다. 도 11을 참조하면, 이러한 동작점에서 1차측 및 2차측 전류(ip 및 is)가 각각 180 A 및 240 A임을 확인할 수 있다. 여기서, 고주파 변압기의 전력(PL), 1차측 및 2차측 전류(ip 및 is)는 각각 수학식 18 및 수학식 19와 같이 구해질 수 있다.
Figure 112021129512580-pat00018
Figure 112021129512580-pat00019
이외에, 본 개시의 일 실시예에 적용되는 DAB 컨버터의 동작 조건은 표 1과 같다.
parameters values parameters values parameters values
V p 1,062 V φv 42o ~ 60o fs 10 kHz
V s 750 V na 1.2 ~ 1.5 Ld 35.0 μH
표 1을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에서는 고주파 변압기(304)의 누설 인덕턴스가 35.0 μH 를 만족하고, 턴 비가 1.2 내지 1.5 사이의 값을 가지도록 하는 턴 수를 산출한다.
과정 S920에서, 산출된 턴수에 기초하여, 코어의 자속밀도(Bc)가 기설정된 자기 포화 레벨(Bsat) 미만인지 확인한다. 예컨대, 전술한 수학식 또는 FEM(Finite Element Method) 시뮬레이션을 통해, 코어의 자속밀도(Bc)를 확인할 수 있다. 코어의 자속밀도(Bc)가 기설정된 조건을 만족하지 않는 경우, 코어의 크기 및/또는 1차측 권선 및 2차측 권선의 턴 수를 재 선정할 수 있다.
과정 S930에서, 고주파 변압기(304)의 코어가 기설정된 온도 성능을 만족하는지 확인한다. 예컨대, 시뮬레이션을 통해, 코어의 온도 증가분(ΔTco)이 기설정된 임계치 미만인지 확인할 수 있다. 이때, 권선 절연피복에 영향을 주는 온도(150℃)를 고려하여 임계치는 110℃로 설정될 수 있다.
과정 S940에서, 1차측 권선 및 2차측 권선의 굵기(Dt)를 결정한다.
먼저, 코일 전류를 고려하여, 동선(800)의 굵기를 선정한다. 본 개시의 일 실시예에서는, 1차측 전류(Ip) 및 2차측 전류(Is)가 각각 180 A 및 240 A임을 고려하여, 1차측 권선 및 2차측 권선에 포함되는 동선(800)의 굵기를 각각 44 mm2 및 52 mm2으로 선정할 수 있다.
다음으로, 필요 절연성능을 고려하여, 제1 절연재(810)의 지름(Dc)과 제2 절연재(820) 및 제3 절연재(830)의 두께(Di)를 결정하고, 1차측 권선에 적용할 에폭시 절연체(430)의 몰딩 크기를 결정한다. 본 개시의 일 실시예에서, 60kV급 절연을 위해, 절연 여유율을 고려하여 결정된 1차측 권선 및 2차측 권선의 굵기는 표 2와 같다.
Primary [mm] Secondary
Dc Di Dt Dc Di Dt
13 7 27 15 7 29
과정 S950에서, 코어의 원도우 영역 내에 1차측 권선 및 2차측 권선이 실장될 수 있는지 확인한다. 코어의 원도우 영역 내에 1차측 권선 및 2차측 권선이 실장되지 못하는 경우, 1차측 권선 및 2차측 권선의 굵기를 재선정할 수 있다.
과정 S960에서, 고주파 변압기(304)의 권선이 기설정된 온도 성능을 만족하는지 확인한다. 예컨대, 시뮬레이션을 통해, 권선의 온도 증가분(ΔTcp)이 기설정된 임계치 미만인지 확인할 수 있다. 이때, 권선 절연피복에 영향을 주는 온도(150℃)를 고려하여 임계치는 110℃로 설정될 수 있다.
과정 S970에서, 고주파 변압기(304)가 기설정된 절연 성능을 만족하는지 확인한다. 예컨대, 시뮬레이션을 통해, 고주파 변압기(304)의 전계가 기설정된 임계치 미만인지 확인할 수 있다. 이때, 공기 절연파괴 전계를 감안하여, 임계치를 20kV/mm로 설정할 수 있다. 고주파 변압기(304)가 기설정된 절연 성능을 만족하지 않는 경우, 절연 성능을 향상시키기 위해, 제2 절연재(820) 및 제3 절연재(830)의 두께(Di)를 증가시킬 수 있다.
한편, 도 9에 따른 고주파 변압기의 설계방법은, 설계 장치에 의해 수행되고, 설계 장치는 컴퓨팅 디바이스 상에서 실행될 수 있다. 설계 장치는, 컴퓨팅 디바이스가 가용할 수 있는 하나 이상의 프로세서에 의해 각 기능을 수행하고, 이러한 프로세서와 연결되어 내부에 저장된 명령어들을 가지는 컴퓨터 판독가능 스토리지를 포함할 수 있다.
이하, 도 12 내지 도 19를 참조하여 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기(304)의 성능을 확인하기 위한 실험예를 설명한다. 실험예에서는 표 1 및 표 2에 따른 파라미터들이 적용되었다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기에 대한 시뮬레이션 모델일 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 13 내지 도 19는 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도이다.
도 12는 턴 비가 1.2 내지 1.5 사이의 값을 가지는 1차측 권선의 턴 수 및 2차측 권선의 턴 수의 다양한 조합을 보여준다. 도 12에서 붉은색으로 표시된 권선은 1차측 권선을 나타내고, 파란색으로 표시된 권선은 2차측 권선을 나타낸다. 실험예에서는, 수학식 1 내지 17에 나타낸 바를 확인하기 위해, 도 12에 도시된 바와 같은 시뮬레이션 모델을 이용하여 3D FEM(Finite Element Method) 시뮬레이션이 실행되었다.
도 13은 1차측 권선의 턴 수(Np)에 따른 누설 인덕턴스(Ld)에 대한 시뮬레이션 결과 및 수학식을 이용한 유도결과를 보여준다. 실험예에서 필요 누설 인덕턴스 조건(Ld = 35.0 μH)에 가장 근접한 1차측 권선의 턴 수(Np)는 8 임을 확인할 수 있다. 도 12를 참조하면, 이에 대응하는 2차측 권선의 턴 수(Ns)는 6이다.
도 14는 1차측 권선의 턴 수(Np)에 따른 코어의 자속밀도(Bc)에 대한 시뮬레이션 결과 및 수학식을 이용한 유도결과를 보여준다. 실험예에서 1차측 권선의 턴 수(Np)가 5보다 작은 경우에 코어가 포화되고, 1차측 권선의 턴 수(Np)는 8인 경우에는 코어의 자속밀도(Bc)가 기설정된 코어 포화 레벨(core saturation level, Bsat = 0.3 T)보다 작은 것을 확인할 수 있다.
도 15는 수학식 9 내지 11에 따라 산출된 위치별 자계 강도 및 이에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 도 15를 참조하면, 수학식 9 내지 11에 따라 산출된 위치별 자계 강도가 시뮬레이션 결과와 잘 일치함을 알 수 있다.
도 16a 및 도 16b는 비교 실시예에 따른 고주파 변압기 및 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 코어 손실에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기는 2차측 권선이 분리된 구조를 가짐으로써, 2차측 자계에 의해 코어 내부의 1차측 자계가 효과적으로 상쇄될 수 있다. 본 시뮬레이션에서, 본 개시의 일 실시예에 따른 고주파 변압기의 코어 손실은 95.1 W으로, 비교 실시예에 따른 고주파 변압기의 코어 손실인 103.0 W 대비 약 7.7 % 가 개선되었다.
도 17은 1차측 권선의 턴 수(Np)에 따른 고주파 변압기의 손실에 대한 시뮬레이션 결과 및 수학식을 이용한 유도결과를 보여준다. 도 17을 참조하면, 1차측 권선의 턴 수(Np)가 증가할수록 코어 손실은 감소하는 반면, 권선 손실은 증가하는 것을 확인할 수 있다. 실험예에서 고주파 변압기의 손실이 최소화 되는 1차측 권선의 턴 수(Np)는 8 이고, 이에 대응하는 2차측 권선의 턴 수(Ns)는 6이다.
도 18a 및 도 18b는 최적 턴수에서의 고주파 변압기의 온도 특성에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 본 시뮬레이션에서, 코어 및 권선의 최고 온도는 각각 116.6 ℃ 및 95.2 ℃으로 분석되었다.
도 19는 최적 턴수에서의 고주파 변압기의 전계 특성에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 본 시뮬레이션에서, 1차측에 60kV을 인가하고, 2차측 및 코어에 0V (GND) 인가하는 경우, 모든 지점에서 전계가 20kV/mm 이하가 됨을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 반도체 변압기
102: AC/DC 컨버터 104: DC/DC 컨버터
110: 모터 구동용 인버터
200, 210 및 220: 전력변환 모듈
202: AC/DC 컨버터 204: DC/DC 컨버터
300: 제1 DC/DC 컨버터 310: 제2 DC/DC 컨버터
302: 제1 브릿지 회로 304: 고주파 변압기
306: 제2 브릿지 회로
400: 코어 410: 1차측 권선
420: 2차측 권선 422: 2차측 상부 권선
424: 2차측 하부 권선 430: 에폭시 절연체

Claims (12)

  1. AC/DC 컨버터 및 DC/DC 컨버터를 포함하는 반도체 변압기에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는,
    코어, 1차측 권선 및 2차측 권선을 포함하는 고주파 변압기;
    AC/DC 컨버터 및 상기 1차측 권선의 사이에 연결되며, 직류 전압을 고주파 교류전류로 변환하는 제1 브릿지 회로; 및
    상기 2차측 권선 및 제1 출력단 사이에 연결되며, 직류 전압을 출력하는 제2 브릿지 회로를 포함하고,
    상기 2차측 권선은,
    상기 1차측 권선의 일측에 권취되는 2차측 상부 권선; 및
    상기 1차측 권선의 타측에 권취되는 2차측 하부 권선을 포함하되,
    상기 1차측 권선 및 2차측 권선 각각은,
    복수 개의 동선(copper wires);
    상기 복수 개의 동선을 감싸 고정시키는 제1 절연재;
    상기 제1 절연재를 감싸는 제2 절연재; 및
    상기 제2 절연재를 감싸는 제3 절연재
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 변압기.
  2. AC/DC 컨버터 및 DC/DC 컨버터를 포함하는 반도체 변압기에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는,
    코어, 1차측 권선 및 2차측 권선을 포함하는 고주파 변압기;
    AC/DC 컨버터 및 상기 1차측 권선의 사이에 연결되며, 직류 전압을 고주파 교류전류로 변환하는 제1 브릿지 회로; 및
    상기 2차측 권선 및 제1 출력단 사이에 연결되며, 직류 전압을 출력하는 제2 브릿지 회로를 포함하고,
    상기 2차측 권선은,
    상기 1차측 권선의 일측에 권취되는 2차측 상부 권선; 및
    상기 1차측 권선의 타측에 권취되는 2차측 하부 권선을 포함하되,
    상기 1차측 권선 및 2차측 권선의 턴 수는,
    상기 고주파 변압기의 누설 인덕턴스 및 턴 비가 기설정된 조건을 만족하도록 선정되고,
    상기 1차측 권선 및 2차측 권선의 턴 수는,
    상기 코어의 기정의된 기하학적 구조에 기초하여, 상기 코어의 자속 밀도가 기설정된 자기 포화 레벨 미만이 되도록 선정되는 것을 특징으로 하는, 반도체 변압기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 1차측 권선 및 2차측 권선은 각각 복수의 권선 층(winding layers)을 구성하고,
    상기 1차측 권선 및 2차측 권선의 턴 수는,
    하기의 수학식에 기초하여, 상기 고주파 변압기의 누설 인덕턴스가 기설정된 조건을 만족하도록 선정되는 것을 특징으로 하는, 반도체 변압기.
    Figure 112021129512580-pat00020

    여기서, Ll,p 는 1차측의 누설 인덕턴스, Ll,s는 2차측의 누설 인덕턴스, Ip는 1차측 전류, Is는 2차측 전류, bw는 코어의 윈도우 영역의 너비, lm은 각 턴에서의 평균 길이, mn는 1차측 권선 및 2차측 권선의 권선 층 수, hp는 1차측 권선의 두께, hs는 2차측 권선의 두께, hn은 권선 간 간격, np,j는 1차측 권선의 각 층별 턴 수, ns,j는 2차측 권선의 각 층별 턴 수임.
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서,
    상기 1차측 권선 및 2차측 권선의 턴 수는,
    하기의 수학식에 기초하여, 상기 코어의 자속 밀도가 기설정된 자기 포화 레벨 미만이 되도록 선정되는 것을 특징으로 하는, 반도체 변압기.
    Figure 112023041188113-pat00021

    여기서, Np는 1차측 권선의 턴 수, na는 고주파 변압기의 턴 비, Ll,p 는 1차측의 누설 인덕턴스, Ll,s는 2차측의 누설 인덕턴스, Vp는 1차측 전압, Vs는 2차측 전압, ws는 스위칭 주파수, Bsat은 자기 포화 레벨, Ac는 코어의 자속 단면적임.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 절연재는, 플렉서블 실리콘 튜브이고,
    상기 제3 절연재는, 비농축 에틸렌 프로필렌 절연 튜브인 것을 특징으로 하는, 반도체 변압기.
  8. 코어, 1차측 권선 및 2차측 권선을 포함하되, 상기 2차측 권선은 상기 1차측 권선의 일측에 권취되는 2차측 상부 권선 및 상기 1차측 권선의 타측에 권취되는 2차측 하부 권선으로 구성되는 고주파 변압기의 설계방법으로서,
    상기 고주파 변압기를 배치할 수 있는 공간의 크기에 기초하여 상기 코어의 크기를 선정하는 과정;
    상기 고주파 변압기의 누설 인덕턴스 및 턴 비가 기설정된 조건을 만족하도록상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선의 턴 수를 선정하는 과정;
    상기 코어의 기정의된 기하학적 구조에 기초하여, 상기 코어의 자속 밀도가 기설정된 자기 포화 레벨 미만인지 확인하는 과정;
    상기 코어의 자속 밀도가 기설정된 자기 포화 레벨 미만이 아니라고 판단되는 경우, 상기 코어의 크기, 상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선의 턴 수 중 적어도 하나를 재선정하는 과정; 및
    상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선의 굵기를 결정하는 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기의 설계방법.
  9. 코어, 1차측 권선 및 2차측 권선을 포함하되, 상기 2차측 권선은 상기 1차측 권선의 일측에 권취되는 2차측 상부 권선 및 상기 1차측 권선의 타측에 권취되는 2차측 하부 권선으로 구성되는 고주파 변압기의 설계방법으로서,
    상기 고주파 변압기를 배치할 수 있는 공간의 크기에 기초하여 상기 코어의 크기를 선정하는 과정;
    상기 고주파 변압기의 누설 인덕턴스 및 턴 비가 기설정된 조건을 만족하도록상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선의 턴 수를 선정하는 과정; 및
    상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선의 굵기를 결정하는 과정을 포함하되,
    상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선의 턴 수를 선정하는 과정은,
    하기의 수학식에 기초하여, 상기 고주파 변압기의 누설 인덕턴스가 기설정된 조건을 만족하도록 하는 턴 수를 선정하는 것을 특징으로 하는, 고주파 변압기의 설계방법.
    Figure 112023041188113-pat00022

    여기서, Ll,p 는 1차측의 누설 인덕턴스, Ll,s는 2차측의 누설 인덕턴스, Ip는 1차측 전류, Is는 2차측 전류, bw는 코어의 윈도우 영역의 너비, lm은 각 턴에서의 평균 길이, mn는 1차측 권선 및 2차측 권선의 권선 층 수, hp는 1차측 권선의 두께, hs는 2차측 권선의 두께, hn은 권선 간 간격, np,j는 1차측 권선의 각 층별 턴 수, ns,j는 2차측 권선의 각 층별 턴 수임.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 확인하는 과정은,
    하기의 수학식에 기초하여, 상기 코어의 자속 밀도가 기설정된 자기 포화 레벨 미만인지 확인하는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기의 설계방법.
    Figure 112023041188113-pat00023

    여기서, Np는 1차측 권선의 턴 수, na는 고주파 변압기의 턴 비, Ll,p 는 1차측의 누설 인덕턴스, Ll,s는 2차측의 누설 인덕턴스, Vp는 1차측 전압, Vs는 2차측 전압, ws는 스위칭 주파수, Bsat은 자기 포화 레벨, Ac는 코어의 자속 단면적임.
  12. 코어, 1차측 권선 및 2차측 권선을 포함하되, 상기 2차측 권선은 상기 1차측 권선의 일측에 권취되는 2차측 상부 권선 및 상기 1차측 권선의 타측에 권취되는 2차측 하부 권선으로 구성되는 고주파 변압기의 설계방법으로서,
    상기 고주파 변압기를 배치할 수 있는 공간의 크기에 기초하여 상기 코어의 크기를 선정하는 과정;
    상기 고주파 변압기의 누설 인덕턴스 및 턴 비가 기설정된 조건을 만족하도록상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선의 턴 수를 선정하는 과정; 및
    상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선의 굵기를 결정하는 과정을 포함하되,
    상기 1차측 권선 및 2차측 권선 각각은, 복수 개의 동선(copper wires), 상기 복수 개의 동선을 감싸 고정시키는 제1 절연재, 상기 제1 절연재를 감싸는 제2 절연재; 및 상기 제2 절연재를 감싸는 제3 절연재를 포함하고,
    상기 굵기를 결정하는 과정은,
    기설정된 상기 변압기의 동작조건 및 기설정된 필요 절연성능에 기초하여, 상기 동선의 굵기, 상기 제1 절연재의 지름 및 상기 제2 절연재 및 상기 제3 절연재의 두께를 결정하는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기의 설계방법.



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