1. 서 론

최근 신재생에너지를 이용한 발전 중에서도 연료전지나 태양전지 등은 대규모 설비가 필요하지 않기 때문에 kW급 발전 시스템으로 실용화되고 있으며, 일부 이동체의 에너지원으로도 사용되기 시작했다. 이러한 발전이 가능한 발전 셀의 특징으로는 셀 자체의 발전 전압이 낮다는 점을 들 수 있다. 연료전지의 경우 1[V]이하, 태양전지의 경우에도 실리콘계라면 1[V]이하이다^[1]. 한편, 발전된 전기에너지를 이용하는 경우에는 그 전력에 맞는 전압이 요구되는데, 예를 들어 전기자동차의 경우, 전동기 정격 출력이 70[kW]인데 반해 배터리 전압은 360[V]이다. 일반적으로 셀을 다수 직렬로 연결하여 고전압 대전력화하여 DC-DC 컨버터를 통해 배터리에 연결되는 경우가 많다. 그러나 직렬 연결 수를 늘리면 각 셀의 동작점이 직렬로 연결되는 셀의 특성에 따라 제한될 수 있다. 또한, 직렬 연결 수를 늘리지 않고 DC-DC 컨버터로 승압을 하는 방법도 있지만, 승압비가 높아질수록 변환 효율이 저하되는 문제가 있다. 변환 효율을 고려할 때, 그 사용 방법에 따라 요구되는 성능이 달라진다. 예를 들어 태양광발전에 사용하는 경우 발전 전력이 하루 동안 크게 변화한다. 태양광 발전용 DC-DC 컨버터의 최대 정격 전력은 태양광 패널의 정격 전력 이상으로 하는 경우가 많지만, 태양광 패널의 정격 전력을 정의하는 기준이 되는 일사량은 1,000[W/m2]이며, 기상청의 일사량 데이터베이스에 따르면 전국 각 지역의 1시간 평균 수평 일사량이 1,000[W/m2]인 날은 거의 없다. 즉, 지역에 따라서는 컨버터가 최대 정격 전력으로 동작하지 않고, 저~중부하로 동작하는 빈도가 높다는 것을 알 수 있다. 따라서 DC-DC 컨버터는 저부하 영역을 포함한 넓은 동작점에서 고효율이 요구된다^[2-4].

기존의 높은 승압비와 높은 변환 효율을 양립시키기 위해 셀을 소수 직렬로 연결한 발전 모듈을 구성하고, 발전 모듈마다 승강압 쵸퍼 회로를 연결하고 그 출력을 직렬로 연결하는 방식을 사용하고 있으나 비절연형 회로를 사용하기 때문에 출력 직렬 수의 증가에 따라 구동 회로의 기준전위가 고전압화되는 문제가 있다. 또한, 직류 급전 시스템에서 검토되고 있는 시스템의 일부에 절연형 DC-DC 컨버터의 1차측을 병렬로 연결하고 2차측을 직렬로 연결하여 높은 승압비와 높은 변환 효율을 양립시키는 방식이 있지만 특성이 다른 복수의 입력 전원에는 대응하지 못하는 단점이 있다^[5-9].

본 논문에서는 복수의 저전압 전원의 전력을 통합하여 고효율로 고전압으로 변환하는 회로 방식으로서 절연형 모듈러 승압 컨버터(Isolated Modular Boost Converter)를 제안한다. 또한, 절연형 모듈러 승압 컨버터를 통해 저부하 영역에서의 변환 효율을 개선하는 방법으로 하나의 전원에 병렬로 연결되는 승압 모듈의 전력분담 비율에 차이를 두는 방법을 제안하고, 본 방법이 고출력 영역의 효율을 희생하지 않고 저~중출력 영역의 효율을 향상시키는 효과적인 방법임을 실험을 통해 확인하였다.

2. 제안한 절연형 모듈러 승압 컨버터

3. 실험결과 및 고찰

Table 2는 실험에 사용된 회로정수를 나타낸 것이다. 그리고 승압 모듈의 2차측에는 서지 전압 억제를 위해 그림 2에 나타낸 RCD 스너버 회로를 사용하였으며, 진전 레그(그림 3에서 VR의 출력을 담당하는 레그)의 스위칭 시 변압기 전류는 항상 지연 레그보다 크기 때문에 소프트 턴-온 성립 범위가 넓다. 이러한 특성을 고려하여 스위칭 디바이스의 출력 용량과 병렬로 커패시터 $C_{ad}$를 추가하고 있다.

변압기는 여자 인덕턴스가 높은 A와 여자 인덕턴스가 낮은 B의 두 종류를 사용하여 제안된 방법의 효율 향상 효과와 비교하였다. 식 (7)에서 $V_{i n}$ = 40[V], $V_{out}$ = 70[V]로 하면 DCM에서 소프트 스위칭을 성립시키기 위한 여자 인덕턴스 $L_{m}$의 상한값은 39.8[μH]로 구할 수 있다. 또한, 부하저항$R$ = 14[mΩ]이라고 하면, 식 (16)에서 저출력 영역에서 효율 개선 효과를 얻기 위한 여자 인덕턴스 $L_{m}$의 하한값은 약 2.75[μH]로 구할 수 있다. 변압기 $A$는 상한값보다 높은 여자 인덕턴스이므로 DCM 영역에서 소프트 스위칭의 효과가 없다. 이에 반해 변압기$B$ 의 여자 인덕턴스 $L_{m}$은 8[μH]로 상한값과 하한값 사이에 있으며, 효율 개선 효과를 발휘하는 영역은 $D$≥0.141이다.

위상 시프트 풀-브리지 컨버터의 스위칭 디바이스를 구동하는 신호는 동일한 보드에 탑재된 마이크로컨트롤러에서 생성되며, 서로 다른 승압 모듈 간의 스위칭 타이밍을 맞추기 위해 동기화 신호를 사용한다. 입력에는 직류전원을 사용하고, 출력에는 전자부하를 사용하였다. 측정은 입력 전압을 수동 프로브, 입력 전류를 전원 표시값, 출력 전압을 차동 프로브, 출력 전류를 전자 부하 표시값으로 하였다.

그림 6은 입력 전압 40[V], 부하 전압 70[V]를 일정하게 설정하고 위상 시프트 비율 $D$를 변화시켜 승압 모듈의 출력 전력과 변환 효율을 실측한 결과를 나타낸 것이다.

그림 6에서 저출력 영역에서는 변압기 $A$를 사용한 것보다 변압기 $B$를 사용한 것이 효율이 더 높다. 반면 고출력 영역에서는 그 관계가 역전된다. 이러한 결과로부터 여자 인덕턴스$L_{m}$를 낮추면 저출력 영역에서는 효율 개선 효과가 있지만, 고출력 영역에서는 효율이 악화되는 것을 확인할 수 있었다.

그림 7는 2입력 절연형 모듈러 승압 컨버터로 2개의 직류 전원을 사용한 시스템의 구성을 나타낸 것이며, 그림 8은 승압 모듈 #1, #2의 위상 시프트 비율을 모두 0.8로 공통으로 설정하고, #1의 입력전압을 40[V], #2의 입력전압을 10[V]로 설정했을 때의 실측 파형을 나타낸 것이다. 그림 8에서 알 수 있듯이 입력 전압이 낮아질수록 변압기에 흐르는 전류의 기울기가 완만해지기 때문에 컨버터로서의 전력 출력 기간인 기간 (b)가 짧아진다. 그림 9는 #2의 입력 전압을 #1의 전압 이하 범위에서 변화시켰을 때 #1과 #2의 입력 전압비와 출력 전력분담비를 측정하여 비교한 결과를 나타낸 것이다. 그림 9에서 점선은 상한 기준값을 나타낸 것이다.

그림 8과 그림 9에서 전압이 다른 여러 개의 전원이 절연형 모듈러 승압 컨버터로 연결되는 경우, 각각의 전원이 동일한 전류를 입력할 수 있는 능력이 있더라도 저전압 전원은 고전압 전원에 의해 그 상한이 제한된다는 것을 알 수 있다. 그러나, 가정되는 전원으로서 연료전지나 태양전지는 출력할 수 있는 전류는 크게 변화할 수 있지만, 최적의 출력 전압이 크게 낮아지는 일은 없기 때문에 시스템으로서의 악영향은 거의 없다고 할 수 있다.

입력 병렬 연결시 DCM/CCM 병용 효과를 얻기 위해서는 여자 인덕턴스가 큰 것이 좋기 때문에 본 실험에서도 승압 모듈에는 변압기 $A$를 사용하였다. 회로로는 그림 7에서 승압 모듈 #1, 2의 입력을 하나의 전원에 연결한 형태가 된다. 그림 10은 입력 전압을 40[V], 부하를 140[V]로 고정하고, 승압 모듈 #1과 #2의 위상 시프트 비율을 공통으로 변화시킨 경우와 #1만 항상 $D_{1}$＝0.99로 하고, #2의 위상 시프트 시비율 $D_{2}$만 변화시킨 경우의 절연형 모듈러 승압 컨버터의 출력 전력과 변환 효율의 실측 결과를 나타낸 것이다. 이를 통해 저~중 출력시에는 위상 시프트 비율에 차이를 두어 효율이 향상됨을 알 수 있었다.

(1) 저출력 전력 영역(80[W]이하)

그림 11은 $D_{1}$=0.99에서 $D_{2}$=0.2로 설정했을 때 #1과 #2의 변압기 전압과 전류의 실측 파형을 나타낸 것이다. 그림 11에서 알 수 있듯이 저출력 영역에서도 #1은 CCM으로 동작하는 것을 확인할 수 있으며, 이 현상이 저출력 영역에서의 효율 향상에 기여하고 있는 것으로 판단된다.

(2) 저~중 출력 전력 영역(80~200[W])

그러나 효율 개선 효과의 요인이 #1의 소프트 스위칭 성립 영역 확대라고 가정할 경우, 소프트 스위칭이 성립하는 저~중 출력시의 효율 개선을 설명할 수 없다. 따라서 두 가지 동작 방식에서 각각의 승압 모듈에 어떤 특성 차이가 나타나는지 명확히 하기 위해 위상 시프트 비율에 대한 출력 전력과 변환 효율의 실측 결과를 그림 12에 나타낸다. $D_{1}$=$D_{2}$의 경우 #1과 #2의 전압 분담 비율이 일정하기 때문에 식 (8)에서 나타낸 CCM 동작 조건에서 $D_{ccm}$가 0.7 일정하게 된다. 이 위상 시프트 비율을 경계로 위상 시프트 비율의 증가에 대한 출력 전력의 증가량과 변환 효율이 현저하게 증가한다.

한편, $D_{1}$>$D_{2}$의 경우 $D_{1}$가 일정하고 $D_{2}$를 변화시키기 때문에 #1과 #2의 전압분담비율이 위상 시프트 비율에 따라 변화한다. 그 결과, #2의 CCM 성립 조건인 $D_{2ccm}$이 $D_{2}$의 값에 따라 달라진다. 이번 조건에서는 $D_{2}$＞0.44로 항상 $D_{2}$＞$D_{2ccm}$가 성립하며, $D_{2}$=$D_{2ccm}$일 때의 출력 전력과 $D_{1}$＝$D_{2}$=$D_{ccm}$일 때의 출력 전력은 80[W] 정도로 동일하지만, 변환 효율은 $D_{1}$이 항상 CCM으로 동작하는 $D_{1}$>$D_{2}$일 때보다 약 4[%]정도 더 높다. 결과적으로 DCM에서 CCM으로 전환되는 경계 부근인 80[W]~200[W]의 출력 전력 영역에서 $D_{1}$>$D_{2}$인 경우의 효율이 $D_{1}$＝$D_{2}$인 경우의 효율을 상회하는 결과를 얻었다.

(3) 중고출력 영역(300~500W)

이 영역에서는 DCM에서 CCM으로 전환하는 과정에서의 변환 효율 향상 효과는 포화상태이므로 (2)에서 설명한 이유로는 중~고출력 영역에서의 효율 향상을 설명할 수 없다.

그림 13은 중출력 영역에서 두 가지 동작 방식에 대한 실측 파형을 나타낸 것이다. 그림 13의 파형에서 두 가지 동작 방식 모두 승압 모듈 #1, #2 모두 CCM으로 동작하고 있음을 알 수 있다.

(a) $D_{1}$ = 0.99, $D_{2}$ = 0.53

(b) $D_{1}$ = $D_{2}$ = 0.76

그림 14는 각 모듈의 출력 전력과 효율의 관계를 나타낸 것이다. 그림 14에서 $D_{1}$>$D_{2}$의 경우, 동일한 동작점에서 #1과 #2의 플롯을 점선으로 연결하여 동일한 동작점에서 #1의 플롯과 #2의 플롯을 연결하였다. 위상 시프트 풀-브리지 컨버터의 효율은 위상 시프트 비율이 높을수록 높아진다. 이는 전력 출력에 기여하지 않고 1차측 회로를 환류하는 흐르는 전류가 감소하고 무효전력이 감소하기 때문이다. 그림 14에서 중~고출력 영역에서도 항상 위상시프트 비율이 0.99로 동작하는 #1은 $D_{1}$=$D_{2}$로 동작하는 승압 모듈보다 높은 변환 효율을 나타내며, 특히 출력 전력 200~300[W] 영역에서 가장 높은 변환 효율을 보인다. 반면, $D_{1}$>$D_{2}$에서 동작하는 #2는 위상 시프트 비율이 낮기 때문에 변환 효율이 낮다. 그러나 여기서 #2가 분담하는 전력량 자체가 낮기 때문에 전체 효율에 미치는 영향도는 낮다. 즉, $D_{1}$>$D_{2}$에서는 #1의 전력분담 비율이 #2보다 높아짐에 따라 통합된 효율 중 #1의 효율 기여도가 높아지는 것을 알 수 있다. 출력 전력 약 330[W]의 조건에서 $D_{1}$>$D_{2}$조건에서 #1의 출력 전력, 변환 효율은 218[W], 94.9[%], #2의 출력 전력, 변환 효율은 112[W], 88.2[%]로 나타나며, 최고 효율 부근에서 동작하는 #1이 약 2/3의 전력 출력을 담당하고 있기 때문에 절연형 모듈러 승압 컨버터로서의 효율은 92.6 [%]로 $D_{1}$=$D_{2}$=0.76으로 동작했을 때의 91.5[%]보다 약 1[%] 더 높은 효율을 나타내고 있다. 또한, $D_{1}$>$D_{2}$에서의 출력 전압 실측값($V_{1(meas)}$, $V_{2(meas)}$)과 식 (20)를 이용하여 예측한 값($V_{1(Eq)}$, $V_{2(Eq)}$)과 위상 시프트 비율로 예측한 값($V_{1(D)}$, $V_{2(D)}$)을 그림 15에 나타낸다.

그림 15에서 실측값은 $D_{2}$가 낮을수록, 즉 #2가 DCM이 동작하는 영역일수록 위상 시프트 비율을 이용한 예측값과 차이가 나며, 식 (20)를 이용한 예측값에 가까워지는 것을 알 수 있다.

이상과 같이 입력을 병렬로 연결하고 출력을 직렬로 연결한 승압 모듈로 구성된 절연형 모듈러 승압 컨버터에서 고정 전압 부하에 출력하는 경우, 출력 전력에 관계없이 한쪽 모듈의 위상 시프트 비율을 식 (20)과 식 (8)을 이용하여 구한 CCM 성립 조건 이상으로 크게 하고, 다른 쪽 모듈의 위상 시프트 비율을 출력 전력에 맞게 조정함으로써 저출력 영역에서는 고정 위상 시프트 비율의 승압 모듈의 스위칭 손실이 감소하여 효율이 향상되고, 중출력 영역에서는 높은 변환효율이 향상된다. 그리고 모듈의 위상 시프트 비율을 출력 전력에 맞게 조정함으로써 저출력 영역에서는 고정 위상 시프트 비율의 승압 모듈의 스위칭 손실이 감소하여 효율이 향상되고, 중출력 영역에서는 높은 변환 효율로 동작하는 승압 모듈의 전력분담비가 증가하여 효율이 향상된다. 즉, 저출력 영역을 포함한 넓은 동작 영역에서 시스템 효율을 개선할 수 있는 것으로 나타났다.

승압비를 변화시켰을 때 제안한 승압 모듈의 특성을 평가하였으며, 그 결과를 그림 16에 나타내었다. 변압기 권선비와 정류회로 구성으로 볼 때 최대 승압비는 5.0이다. 결과로부터 승압비가 상한 승압비에 가까워질수록 컨버터의 효율이 향상되는 것을 알 수 있다. 한편, 필터 인덕터와 마찬가지로 승압비가 높아질수록 출력 가능한 전력은 제한된다.

이는 $P_{out}=\dfrac{V_{out}(V_{X 2}-V_{out})}{16f_{sw}L_{f}}$에서 알 수 있다. 승압비와 출력 가능한 전력의 관계를 실측값를 바탕으로 그림 17에 나타낸다. 상변환 시비율이 최대가 아닌 경우 승압비의 증가로 CCM에서 DCM으로 전환되기 때문에 출력 가능한 전력은 크게 감소한다. 반면, 위상 시프트 시비율을 최대로 동작하는 경우 출력 가능한 전력의 감소는 완만하며, 정격 동작점 대비 절반으로 감소하지 않는다.

여기서 승압비가 높아지는 경우를 고려하면, 태양광 발전 시스템에서 셀 단독으로 볼 때 최대 전력을 발생시킬 때의 전압은 일사량 변화에 둔감하며, 두 배 반으로 변화하지 않는다. 한편, PV 모듈에서는 셀을 직렬로 연결하고 있기 때문에 부분적인 음영이 발생한 경우 등 바이패스 다이오드가 작동할 때 최대 전력을 발생시키는 전압이 크게 감소하는 경우가 있다. 제안한 승압 모듈은 이러한 경우에 고효율로 동작하는 특성이 있다는 결과를 얻었으며, 부분 그림자 상태에서는 발전 전력이 높지 않기 때문에 출력 가능한 최대 전력이 제한되는 것은 사실상 문제가 되지 않을 것으로 추측할 수 있다. 즉, 제안한 승압 모듈은 부분 음영 시와 같이 저출력 영역에서는 승압비 상승에 따라 고효율로 동작하고, 일사량이 충분한 고출력 영역에서는 승압비가 낮아져 최대 전력에서도 고효율로 동작할 수 있기 때문에 태양광 발전 시스템에 적합한 특성을 가지고 있다고 할 수 있다.

4. 결 론

본 논문에서는 태양광 발전 등 재생 가능 에너지를 상정한 저전압 발전소자의 에너지를 고전압 배터리에 충전하기 위한 고승압비 및 고효율 컨버터로서 위상 시프트 풀-브리지 컨버터와 센터 탭 다이오드 정류회로를 이용한 절연형 DC-DC 컨버터를 승압 모듈로 하고, 복수의 승압 모듈의 출력을 직렬로 연결하는 절연형 모듈러 승압 컨버터 방식과 여러 승압 모듈의 출력을 직렬로 연결하는 절연형 모듈러 승압 컨버터 방식을 제안하였다.

제안한 컨버터가 저~중출력 영역에서 빈번하게 동작하는 점을 감안하여, 저~중출력 영역의 효율을 개선하는 방법으로 승압 모듈의 입력 포트를 병렬로 연결하여 승압 모듈 간의 전력분담 비율에 차이를 두는 방법을 검토하였다. 그리고 두 승압 모듈의 위상 시프트 비율에 대한 전력분담비의 비선형성을 고려한 CCM 동작 범위를 구하는 식을 도출하고, 한 승압 모듈을 항상 CCM으로 동작시키는 방법을 밝혔다. 그 방법에 따라 위상 시프트 비율에 차이를 두어 동작시킴으로써 기존 방식에 비해 저출력 전력 영역(100[W])에서 4[%], 중출력 전력 영역(330[W])에서 1[%]의 효율 개선을 실측을 통해 확인하여 본 논문에서 제안한 방식에 의해 절연형 모듈러 승압 컨버터의 시스템 효율이 넓은 동작 영역에서 개선됨을 증명하였다.