김재원
(Jae-Won Kim)
1iD
박수성
(Su-Seong Park)
1iD
박해찬
(Hae-Chan Park)
2iD
김래영
(Rae-Young Kim)
†iD
-
(Dept. of Electrical Engineering Hanyang University, Republic of Korea.)
-
(Dept. of Power conversion circuit development Hyundai-kefico, Republic of Korea.)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
EV charging system, Three-Phase interleaved LLC resonant converter, Wide-range, High efficiency, High density
1. 서 론
전 세계적으로 지구 온난화 및 대기 오염 등으로 인한 지구 환경 변화를 억제하기 위해 에너지 효율을 극대화하고 친환경적인 전력 공급을 위한 DC Microgrid
시스템의 필요성이 증대되고 있으며, 시스템의 성능 향상을 위해서는 부하 시스템의 전력변환장치를 고효율로 설계하는 것이 중요하다[1]. DC Microgrid는 다양한 응용 분야에 활용될 수 있으며, 그중에서도 전기자동차 시장의 성장과 함께 전기차 충전 인프라 구축에 대한 관심이
높아지고 있다[2]. 최근 전기자동차 제조사들은 긴 충전 시간과 짧은 주행거리의 문제점을 개선하기 위해 기존 400V급 배터리뿐만 아니라 더 높은 정격인 800V급
배터리를 적용하여 주행거리가 향상된 전기자동차를 출시하고 있다[3]. 이에 따라 저전압 및 고전압 배터리를 갖는 모든 전기자동차에 적용할 수 있도록 넓은 출력 전압 범위에서 구동이 가능한 충전 시스템이 요구되고 있으며,
급속 충전을 위해 고효율과 고전력밀도 달성이 가능한 대용량 충전 시스템에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다[4]. 일반적으로 전기자동차용 급속 충전기는 그림 1과 같이 입력 계통 전원을 받아 직류 전압으로 변환하는 AC/DC 컨버터와 전기자동차 배터리의 요구되는 전압에 따라 전원을 공급할 수 있는 절연형
DC/DC 컨버터로 구성된다. 그중에서도 넓은 출력 전압 범위를 만족하기 위해 DC/DC 컨버터의 설계가 중요하며, 시스템의 높은 효율과 높은 전력
밀도 달성을 위해서는 토폴로지 선정이 중요하다. 전기자동차 충전 시스템의 DC/DC 컨버터는 전 부하 영역에서 1차 측 스위치의 ZVS(Zero Voltage
Switching) 동작과 2차 측 다이오드의 ZCS(Zero Current Switching) 동작을 통해 시스템 효율 향상이 가능한 단상 LLC
컨버터가 많이 적용되고 있다[5]. 하지만 고전력 시스템에서 단상 LLC 컨버터를 적용할 경우, 입·출력 전류 리플이 증가하기 때문에 시스템 손실이 증가하여 효율이 저감되는 단점이
있다. 또한, 전류 리플 증가로 인하여 부피가 큰 수동 소자가 요구되어 시스템의 전력 밀도가 낮아지고, 비용이 증가하는 한계점이 있다[6]. 이에 대한 해결책으로 다상 인터리브드 LLC 컨버터가 제안된다.
그림 1. EV용 급속 충전 시스템 구성도
Fig. 1. Configuration of ultra-fast charging system for EV
다상 인터리브드 LLC 공진형 컨버터는 크게 2상 인터리브드 LLC 공진형 컨버터와 3상 인터리브드 LLC 컨버터로 나눌 수 있다. 다상 인터리브드
LLC 공진형 컨버터는 입·출력 전류 리플 저감이 가능하여 시스템 전력 밀도 향상이 가능하고 고전력 시스템에 적합하여 최근 많은 관심을 받고 있다[7]. 그중에서도 2상 인터리브드 LLC 공진형 컨버터는 90° 위상차로 동작하여 입·출력 전압 및 전류 리플 저감이 가능한 장점이 있지만, 시스템 전류
공유 제어가 어려운 한계점이 존재한다[8]. 3상 인터리브드 LLC 공진형 컨버터 또한 120° 위상차로 동작하여 단상 LLC 공진형 컨버터와 2상 인터리브드 LLC 공진형 컨버터 대비 공진
전류의 RMS 및 Peak 전류가 감소하여 전도 손실을 줄일 수 있으며, 입력 및 출력 전류 리플이 감소하여 수동 소자의 부피를 저감할 수 있어 전체적인
시스템의 전력 밀도 향상이 가능한 장점이 있다. 추가적으로 3상 인터리브드 회로를 적용함으로써 회로의 전력 분배를 개선할 수 있고, 시스템의 높은
효율을 유지하면서 더 높은 전력을 얻을 수 있는 장점이 있다[9]. 이때 높은 효율과 높은 전력 밀도 달성을 위해서는 3상 인터리브드 LLC 공진형 컨버터의 공진 네트워크에 대한 해석과 이를 바탕으로 하는 설계가
요구된다.
본 논문에서는 넓은 출력 전압 범위를 만족하고 고효율 및 고전력밀도 달성이 가능한 30kW급 전기자동차 초급속 충전용 3상 인터리브드 LLC 공진형
컨버터의 공진 회로 설계에 대해 다룬다. FHA(Fundamental Harmonic Approximation) 기법을 적용하여 공진 네트워크 특성에
대한 해석을 제시하고, 이를 바탕으로 각 운전 모드에 따른 등가 회로 및 등가 저항 도출을 통해 공진 네트워크 파라미터를 설계한다. 설계한 파라미터의
타당성을 검증하기 위해 시뮬레이션과 실험을 통한 결과를 제시한다.
2. 3상 인터리브드 LLC 공진형 컨버터
2.1 구조
3상 인터리브드 LLC 공진형 컨버터는 변압기의 1차 및 2차 측 결선 구조에 따라 회로 특성이 다르며, 일반적으로 변압기 결선 방식은 크게 Y 결선과
Δ 결선 방식으로 나눌 수 있다. Y 결선 토폴로지는 기존의 단상 LLC 공진형 컨버터 대비 각공진 네트워크의 전압 스트레스가 $2/\sqrt{3}$배
저감이 가능하여 고전압 시스템에 적합하고, 동일한 조건에서 코어 손실을 줄일 수 있는 장점이 있다. 반면에 Δ 결선 방식은 기존 단상 LLC 공진형
컨버터 대비 공진 전류의 크기를 $1/\sqrt{3}$배 감소하여 대전류 구동 시스템에 적합하며, 단일 권선 손실 저감이 가능하다는 장점이 있다.
본 논문에서 설계한 30kW급 전기자동차용 충전 시스템의 사양은 표 1과 같다. 입력 전압은 650V~820V의 전압 범위를 갖으며, 출력 전압은 150V~1000V의 범위를 갖는다. 표 1의 설계 사양을 고려하여 1차 측은 고전압 시스템에 적합하고, 각 상의 자성체 손실을 저감하기 위해 Y 결선 구조를 적용했다. 2차 측은 각 권선에
흐르는 전류를 저감하고, 넓은 출력 전압 범위를 만족하기 위해 3차 권선을 적용하였으며, Full-bridge 구조의 정류 회로를 선정하였다. 본
논문에서 선정한 넓은 출력 전압 범위를 갖는 3상 인터리브드 LLC 공진형 컨버터의 토폴로지는 그림 2와 같다. 1차 측은 Half-bride LLC 공진형 컨버터 3개의 모듈을 인터리브드 방식으로 구성하였으며, 각 상마다 공진 네트워크가 직렬로 연결된다.
변압기 2차 측은 2개의 권선을 이용하여 각 권선마다 Full-bridge 다이오드 정류기 모듈이 연결된다. 추가적으로 출력단에 3개의 릴레이를 추가하여
출력 전압 범위에 따라 직렬 또는 병렬 구조로 가변함으로써 넓은 출력 전압 범위에서 동작 시, 전압 스트레스 및 전류 스트레스 저감이 가능한 구조를
적용하였다.
그림 2. 3상 인터리브드 LLC 공진형 컨버터 토폴로지
Fig. 2. Topology of three-phase interleaved LLC converter
표 1 시스템 입력 및 출력 조건
Table 1 The system input and output conditions
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Parameter
|
Value
|
Unit
|
|
Rated output power (Pno)
|
30
|
kW
|
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Rated input voltage (Pn_in)
|
820
|
VDC
|
|
Rated output voltage (Vn_out)
|
500
|
VDC
|
|
Input voltage range (Vin)
|
650-820
|
VDC
|
|
Output voltage range (Vout)
|
150-1000
|
VDC
|
2.2 운전 모드
3상 인터리브드 LLC 공진형 컨버터의 운전 모드는 그림 3과 4와 같이 크게 운전 모드 1과 운전 모드 2로 구분된다. 운전 모드 1은 출력 전압 500V 이상에서 1000V 이하 조건에서 동작할 때를 의미한다.
이 운전 모드 조건에서는 고전압 출력으로 인한 2차 측 다이오드의 전압 스트레스를 줄이기 위해 출력단 릴레이 2의 동작을 통해 출력 결선 구조를 직렬
구조로 변경이 가능하며, 직렬 결선으로 가변함으로써, 출력 전압이 분배되어 2차 측 다이오드의 전압 스트레스가 감소하는 장점이 있다.
그림 3. EV 충전 시스템의 운전 모드 1
Fig. 3. Operation mode 1 of EV charging system
그림 4. EV 충전 시스템의 운전 모드 2
Fig. 4. Operation mode 2 of EV charging system
운전 모드 2는 출력 전압 500V 이하 조건에서 동작 시 적용되는 모드이다. 운전 모드 2는 저전압 출력으로 인하여 출력 전류가 증가하고, 그에
따른 전류 스트레스가 증가하는 문제를 개선하기 위해 출력단 릴레이 1을 동작하여 출력단 결선 구조를 병렬로 구성한다. 또한, 출력단 결선 구조가 병렬인
운전 모드 2에서는 출력 전압이 250V 이하에서 동작할 때 1차 측 구조를 3개의 Half-bridge 인터리브드 구조에서 Full-bridge
구조로 변경하는 운전 모드 2-2가 존재한다. 운전 모드 2-2에서는 C상 leg의 스위치를 모두 Off하고 위상차를 180°로 가변하여 단상 Full-bridge의
LLC 공진형 컨버터로 동작함으로써 스위칭 손실을 줄일 수 있는 장점이 있다.
3. 공진 네트워크 해석 및 설계
30kW급 전기자동차 초급속 충전용 3상 인터리브드 LLC 공진형 컨버터 설계 사양은 표 2와 같다. 시스템의 입력 전압 범위는 650V~820V이고, 출력 전압은 150V~1000V의 동작 범위를 갖는다. 동작 스위칭 주파수 범위는 150kHz~300kHz이며,
공진 주파수는 200kHz로 선정하였다. 각 상의 변압기 턴-비(N)는 모든 운전 모드 조건에서 입·출력 전압 이득비의 최대 및 최소값을 고려하여
1.09로 선정하였으며, 턴 수는 12:11:11이다. LLC 공진형 컨버터의 전압 이득은 변압기 턴-비뿐만 아니라 공진 네트워크의 파라미터 값에
의하여 결정된다.
표 2 시스템 설계 사양
Table 2 Design specification of the system
|
Parameter
|
Value
|
Unit
|
|
Input voltage range (Vin)
|
650-820
|
VDC
|
|
Ouput voltage range (Vout)
|
150-1000
|
VDC
|
|
Ouput power (Pout)
|
30
|
kW
|
|
Switching frequency (fs)
|
150-300
|
kHz
|
|
Resonant frequency (fr)
|
200
|
kHz
|
본 논문에서는 전압 및 전류의 기본파 성분만 고려한 FHA의 분석 방법을 기반으로 공진 네트워크를 설계한다. 각 운전 모드에 따른 AC 등가 회로를
도출하고, 모든 전압 범위에서 동작이 가능한 m 및 Q를 선정하여 각 동작 모드별로 전압 이득 곡선을 도출할 수 있다. 3상 인터리브드 LLC 컨버터의
공진 네트워크는 각 상의 전압 및 전류 불균형을 방지하기 위해 모두 동일한 파라미터 값으로 설계되어야 한다. 본 논문에서는 한 상을 기준으로 공진
네트워크를 해석하고 설계한다.
각 운전 모드에 따른 AC 등가 회로는 그림 5와 같다. (a)는 운전 모드 1과 2로 동작할 때, 한 상의 AC 등가 회로를 나타내고, (b)는 운전 모드 2-2의 1차 측 Full-bridge 구조의 등가 회로를 나타낸다. 운전 모드 1과 운전 모드 2의 출력단 직렬 또는 병렬 구조에
따른 AC 등가 부하 저항 Req는 각각 출력 전압 및 출력 전류가 1/2배가 되어 식 (1)과 식 (2)와 같이 구할 수 있다. 운전 모드 2-2의 등가 저항 또한 출력단 병렬 구조로 운전 모드 2와 동일하게 도출할 수 있다. 각 운전 모드별 등가 저항을
이용하여 m, Q 및 주파수에 따라 결정되는 LLC 컨버터의 전압 이득은 식 (3)을 이용하여 구할 수 있다.
여기서 m은 자화 인덕턴스와 공진 인덕턴스의 비로 를 의미하고, fn 은 정규화된 스위칭 주파수로 와 같다. 품질 계수 Q는 로 구할 수 있다.
각각의 운전 모드별 등가 저항을 이용하여 도출한 컨버터 전압 이득 곡선은 그림 6, 그림 7 및 그림 8과 같다. 그림 6은 운전 모드 1 조건일 때 부하율에 따른 3상 인터리브드 LLC 공진형 컨버터 전압 이득 곡선을 나타내고, 그림 7은 운전 모드 2에서 부하율에 따른 컨버터 전압 이득 곡선을 나타낸다. 마지막으로 그림 8은 운전 모드 2-2의 단상 Full-bridge 동작 조건에서의 전압 이득 곡선이다.
각각의 운전 모드 조건에서의 전압 이득 곡선을 통해 모드별로 구동되는 모든 전압 범위를 만족하는 공진 네트워크 파라미터는 표 3과 같이 설계하였다. 인덕턴스 비율 m 값은 3.9로 선정하였으며, 품질 계수 Q는 0.35로 선정하였다. 이에 따라 자화 인덕턴스와 공진 인덕턴스는
각각 40μH 및 13.5μH로 설계하고, 공진 커패시턴스의 경우 47nF으로 선정했다.
그림 5. 운전 모드별 AC 등가 회로 (a) 운전 모드 1, 2 (b) 운전 모드 2-2
Fig. 5. AC equivalent circuit according to operation mode (a) operation mode 1, 2
(b) operation mode 2-2
그림 6. 운전 모드 1의 전압 이득 곡선
Fig. 6. The voltage gain curve of operation mode 1
그림 7. 운전 모드 2의 전압 이득 곡선
Fig. 7. The voltage gain curve of operation mode 2
그림 8. 운전 모드 2-2의 전압 이득 곡선
Fig. 8. The voltage gain curve of operation mode 2-2
표 3 3상 인터리브드 LLC 컨버터 공진 네트워크 파라미터
Table 3 Three-phase interleaved LLC converter resonant network parameters
|
Parameter
|
Value
|
Unit
|
|
Magnetizing inductance (Lm)
|
40
|
μH
|
|
Resonant inductance (Lr)
|
13.5
|
μH
|
|
Resonant capacitance (Cr)
|
47
|
nF
|
|
Transformer turn-ratio (N)
|
1.09
|
-
|
|
Ratio of total primary and resonant inductance (m)
|
3.9
|
-
|
|
Quality factor (Q)
|
0.35
|
-
|
4. 시뮬레이션 및 하드웨어 검증
4.1 시뮬레이션 결과
본 장에서는 PSIM 시뮬레이션을 이용하여 3상 인터리브드 LLC 공진형 컨버터의 공진 네트워크 파라미터 값과 앞 장에서 도출한 전압 이득 곡선의
유효성을 검증한다. 시뮬레이션은 표 3에 나타낸 값과 동일한 파라미터를 적용하였으며, 입력 및 출력 전압에 따른 운전 모드별로 시스템 동작을 확인하였다. 그림 9는 입력 전압 820V, 최대 출력 전압 1000V 조건에서 운전 모드 1에 대한 주요 파형을 나타낸다. 스위칭 주파수는 약 150kHz로 동작하며,
앞 장에서 도출한 운전 모드 1의 전압 이득 곡선과 동일한 주파수에서 출력 전압을 만족하는 것을 알 수 있다. 그림 10의 경우 운전 모드 2에서의 동작을 검증하기 위해 입력 전압 650V, 출력 전압 300V 조건에서의 주요 파형을 나타낸다. 이때 스위칭 주파수는
약 195kHz로 그림 7의 전압 이득 곡선과 같이 거의 공진 주파수에서 동작하는 것을 확인하였다.
마지막으로 그림 11은 충전 시스템의 최소 전압인 150V 출력을 확인하기 위해 운전 모드 2-2 조건에서의 주요 파형을 나타낸다. 단상 Full-bridge 구조로
동작하는 구간으로 A 상을 기준으로 측정하였으며, 동작 스위칭 주파수는 약 220kHz로 Above 영역에서 동작하는 것을 확인하였다. 설계한 파라미터
값에 대한 하드웨어 기반 실험 검증은 다음 절에서 다룬다.
그림 9. 운전 모드 1에서 전압 및 전류 파형
Fig. 9. Voltage and current waveform in operation mode 1
그림 10. 운전 모드 2에서 전압 및 전류 파형
Fig. 10. Voltage and current waveform in operation mode 2
그림 11. 운전 모드 2-2에서 전압 및 전류 파형
Fig. 11. Voltage and current waveform in operation mode 1
4.2 하드웨어 실험 검증
공진 네트워크 설계 파라미터의 타당성을 검증하기 위해 그림 12와 같이 30kW급 3상 인터리브드 LLC 공진형 컨버터 Prototype을 제작하여 실험을 수행했다. Prototype은 크게 파워 보드, 제어
보드 및 Aux 파워 보드로 구성되며, 방열판을 포함한 시스템 전력 밀도는 3,086W/L이다.
실험 결과 출력 전압 범위에 따라 운전 모드를 변경함으로써 설계한 컨버터는 150V~1000V의 출력 전압 범위에서 동작함을 확인하였다. 그림 13과 그림 14는 시스템 최소 및 최대 출력 전압 조건에서의 주요 실험 파형을 나타낸다. 입력 전압 650V, 출력 전압 150V 조건에서 스위칭 주파수는 약 230kHz로
구동하여 Above 영역에서 동작하는 것을 확인하였으며, 시뮬레이션과 유사하게 동작하는 것을 검증하였다. 또한, 입력 전압 820V 및 최대 출력
전압 1000V 조건에서의 스위칭 주파수는 약 155kHz로 동작하여 Below 영역에서의 성능을 검증했다. 설계한 3상 인터리브드 LLC 공진형
컨버터의 최대 효율은 98.24%로 측정되었다.
그림 12. (a) 파워 보드, (b)제어 보드 및 Aux 파워 보드
Fig. 12. (a)Power board, (b)Control and Aux power board
그림 13. 출력 전압 150V 조건의 주요 실험 파형
Fig. 13. Key experimental waveform under output voltage 150V condition
그림 14. 출력 전압 1000V 조건의 주요 실험 파형
Fig. 14. Key experimental waveform under output voltage 1000V condition
5. 결 론
본 논문에서는 30kW급 전기자동차 급속 충전용 3상 인터리브드 LLC 공진형 컨버터 설계에 대해 다룬다. 급속 충전 시스템의 설계 사양인 입력 전압
650~820V 및 출력 전압 150~1000V 조건의 넓은 출력 전압 범위를 만족하기 위해 출력 전압에 따라 출력단 구조를 직렬 또는 병렬로 가변하는
구조를 적용하였으며, 각 운전 모드별로 전압 이득 곡선을 도출하였다. 세 가지 운전 모드에서 동작이 가능한 공진 네트워크 설계를 수행하고, 시뮬레이션
및 실험을 통해 설계 파라미터 및 성능을 검증하였다. 설계한 30kW급 3상 인터리브드 LLC 공진형 컨버터의 최대 효율은 98.24%로 측정되었으며,
시스템 전력 밀도는 3,086W/L이다.
Acknowledgements
본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 20225500000060)
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저자소개
She received the B.S. degree in electrical engineering from Dongyang Mirae University,
Seoul, South Korea, in 2020, where he is currently pursuing the Ph.D. degree with
the Energy Power Electronics Control System Laboratory Hanyang University, Seoul.
Her research interests include the design of high-density, high-efficiency power converters
focusing on applications in electric vehicles, and renewable energy systems.
He received the B.S. and Ph.D. degree in electrical engineering from Hanyang University,
Seoul, South Korea, in 2020 and 2025, respectively. His research interests include
the design of high-density, high-efficiency power converters, the control of distributed
power converter systems, renewable energy, and grid-connected inverter and microgrids.
He received the B.S. and M.S. degrees in electrical engineering from Korea National
University of Transportation, Chungju, Korea, in 2015 and 2017, respectively, and
the Ph.D. degree from the Hanyang University, Seoul, South Korea, in 2025. His research
interests include the protection and application of wide-bandgap devices, inductive
power transfer, and the design of high-density, high efficiency power converters,
focusing on applications in electric vehicles and renewable energy systems.
He received the B.S. and M.S. degrees in electrical engineering from Hanyang University,
Seoul, South Korea, in 1997 and 1999, respectively, and the Ph.D. degree from the
Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, VA, USA, in 2009.
Since 2010, he has been with Hanyang University, where he is currently a Professor
with the Department of Electrical and Biomedical Engineering. His research interests
include the design of high-power density converters and the distributed control of
power converters for modular power converter systems in applications of renewable
energy, wireless power transfer, microgrids, and motor drives.