전력전자학술대회논문집 2004. 7. 12 ~ 7. 15 하이브리드전기자동차 (HEV) 의 12V 보조배터리충전용 DC-DC 컨버터의최적설계 조진상 *, 최세완 *, 송홍석 **, 정진환 **, 김호기 ** * 서울산업대학교, ** 현대자동차선행개발센터 Optimization of DC-DC Converter Design for Charging 12V Auxiliary Battery in Hybrid Electric Vehicle Jinsang Jo *, Sewan Choi *, Hongseok Song **, Jinhwan Jung **, Hogi Kim ** * Seoul National University of Technology, ** Hyundai Motor Company Advanced Tech. Center ABSTRACT 본논문은하이브리드전기자동차의 12V 보조배터리충전용 DC-DC 컨버터의최적설계에관한것으로하이브리드전기자동차의특성상 DC-DC 컨버터는최대부하의 30%~70% 정도의비교적낮은부하영역에서주로동작하므로이에따른적절한설계가요구된다. 따라서 DC-DC 컨버터의주동작영역에서효율이높도록주요설계요소인스위칭주파수와고주파변압기의누설인덕턴스를적절히선정하고코아의윈도우면적을최소화하는최적설계에관한연구이다. 1. 서론 전세계적으로환경오염에의한지구온난화와석유에너지의고갈에따른대책의일환으로일반내연엔진자동차에비하여 배출과연료소모가 적은하이브리드전기자동차의개발에박차를가하고있다. 하이브리드전기자동차의동력원은크게내연엔진과모터그리고배터리로구성된다. 엔진의연비가낮은기동시나가속시에는인버터를동작하여주배터리에서에너지를공급받은모터가엔진과함께동력을전달하고, 감속또는정지시에는기계적인에너지를전기적인에너지로회생시켜주배터리를충전하게된다 [1]. 또한하이브리드전기자동차도기존의내연엔진자동차와마찬가지로저전압 (12V) 보조배터리가헤드라이트나계기판의조명같은저전압의부하에전력을공급하게된다. 이보조배터리를엔진에부착된스타트모터로부터충전하는기존의방식은항시엔진에부하로작용하여에너지의손실을발생시키며기계적인마모에의하여주기적으로교환해줘야하는유지 보수의문제가있다. 따라서고전압의주배터리로부터 DC-DC 컨버터를사용하여 저전압의보조배터리를충전하는방식이일부상용화된하이브리드전기자동차에서사용되고있다. 하이브리드전기자동차에서의보조배터리충전용 DC-DC 컨버터는특히소형화, 경량화가요구되므로이를위하여고주파스위칭을통해변압기, 인덕터, 커패시터등수동소자의부피를줄여야한다. 그러나고주파스위칭시스위칭손실이증가하여효율에문제가있어이를보완하는스위칭방식에대한연구가필요하다. 공진형컨버터의경우영전압및영전류스위칭을하여스위칭손실을줄일수있으나, 높은전압과전류의스트레스로인하여스위칭소자의정격이높고큰실효전류로인해도통손실도크게발생하기때문에저용량에서더적합하다. 소프트스위칭컨버터중위상천이 (phase-shift) 영전압스위칭방식은고주파변압기누설인덕턴스와스위치출력커패시터의공진에의해서영전압스위칭이이루어지기때문에외부에추가회로를구성하지않고스위칭손실을줄일수있는장점이있다. 또한공진형컨버터보다스위칭소자의정격이낮고도통손실이적기때문에하이브리드전기자동차의보조배터리충전용 DC-DC 컨버터에적합하다 [2]. 일반적으로위상천이에의한영전압스위칭 DC- DC 컨버터는대개고주파변압기의누설인덕턴스를작게하여듀티손실을줄이고정격에서최대효율을갖도록설계한다. 그러나하이브리드전기자동차에서보조배터리충전용 DC-DC 컨버터가주로동작하게되는영역은최대부하의 30%~70% 정도이므로이에따른적절한설계가요구된다 [3]. 본논문에서는각부손실분석을수행한후주동작영역에서의효율이최대가되도록스위칭주파수및고주파변압기의누설인덕턴스를적절히선정하고코아용적의감소에따른철손을최소화함으로서방열판과팬의크기를줄이는방법으로소형 325
경량화를꾀할수있는최적설계기법에대하여연구하고자한다. 2. 영전압스위칭동작원리 그림 1 의풀브리지위상천이 (phase-shift) PWM 컨버터에서모든 1 차측스위치는스위치의출력커패시터가공진에의해서방전한후내부다이오드가도통되기시작하여드레인 - 소스전압이영이되고나서게이트신호가인가되는방식으로영전압스위칭이이루어진다. 그림 2 에위상천이에의한영전압스위칭의각부파형을나타낸다. 시간 t1 이전에는스위치 S4 와내부다이오드 D1 이도통하여순환하다가 t1 이되는순간스위치 S4 가턴오프하게되면전류는스위치 S4 의출력커패시터를입력전압 (V in ) 까지충전시키고동시에스위치 S2 의출력커패시터는영전압까지방전시킨다. 스위치 S2 의출력커패시터가영전압까지방전되고나서내부다이오드 D2 가도통된후스위치 S2 가턴온하는방식으로영전압스위칭이이루어진다 [5]. 시간 t3~t4 동안은스위치 S1 과 S2 가도통하여에너지가 2 차측으로전달된다. t4 순간에스위치 S1 이턴오프하게되면전류는스위치 S1 의출력커패시터를입력전압 (V in) 까지충전시키고동시에스위치 S3 의출력커패시터는영전압까지방전시킨다. 스위치 S3 의출력커패시터가영전압까지방전되고나서내부다이오드 D3 가도통된후스위치 S3 가턴온하는방식으로영전압스위칭이이루어진다. 이때스위치 S1 이턴오프시 1 차측전류는 2 차측의충분히큰필터인덕터전류의영향을받기때문에스위치 S1 과 S3 leg 의영전압스위칭은잘이루어진다. 그러므로스위치 S1 과 S3 leg 의영전압스위칭은전부하영역에서잘이루어진다. 그런데스위치 S2 와 S4 leg 의영전압스위칭이확실히이루어지기위해서는다음과같이누설인덕턴스에저장된에너지가출력커패시터에저장된에너지보다커야한다. 그림 2 컨버터각부파형 (1) 여기서 는스위치출력커패시터이고 은변압기권선의기생커패시터이다. 이와같이스위치 S2와 S4 leg의영전압스위칭은낮은부하영역에서는잘이루어지지않으며이때영전압스위칭이이루어지는임계전류값은식 (1) 로부터다음과같이얻을수있다. (2) 이때 1 차측에흐르는전류는, 이되고이때 1 차측에흐르는전류 와임계전류 은같으며영전압스위칭이이루어지기위한부 하전류의크기는다음과같이구할수있다. (3) (4) 또한영전압스위칭범위를확대하기위해서는누설인덕턴스값을키우면된다. 그러나누설인덕턴스가너무크게되면 1 차측전류가 의기울 기로상승또는하강할때 2 차측에전압이유기가되지않는듀티손실구간이더크게발생한다. 그에따른입출력관계식은다음과같다 [6]. 그림 1 풀브리지영전압스위칭 PWM 컨버터회로도 (5) 326
(6) 여기서 은 2 차측전압의듀티비, 는듀티 손실이다. 3. 컨버터각부손실분석 풀브리지 DC-DC 컨버터손실의대부분을차지하는것은 1 차측스위치의손실과 2 차측정류부다이오드의손실그리고고주파변압기의손실이므로이들에관하여분석하도록한다. 3.1 1 차측스위치 (MOSFET) 의손실 MOSFET 스위치의손실은크게스위칭손실과도통손실이있는데풀브리지영전압스위칭 PWM 컨버터는위상천이동작에의해영전압턴온이이루어지는방식이므로턴온손실이거의없다. 턴오프시에는게이트드라이버의적절한설계로전류의기울기를조절하는것에의해손실을매우작게할수있으므로전체적으로스위칭손실은매우작게된다. 그러나반주기동안항시도통하므로부하가작을때는하드스위칭방식보다오히려큰도통손실이발생한다. 또한 MOSFET 스위치에서일어나는도통손실은스위치의채널저항 ( ) 에서발 생하는것과내부다이오드의순방향전압강하에의한것의두가지로나눌수있다 [6]. 스위치의채널저항 ( ) 에서발생하는도통손 실은다음과같다. (7) 여기서 은스위치의채널저항, 은채널 에흐르는전류임. 내부다이오드의순방향전압강하에의한도통손실은다음과같다. (8) 여기서 는다이오드의순방향전압강하이고, 다이오드에흐르는전류는출력전류의 로근사하였음. 이다이오드의도통손실은일반적으로그림 3과같이부하에따라증가하며특히보조배터리충전용 DC-DC 컨버터의경우 2차측에는저전압 고전류의특성을갖기때문에부하가큰경우그림 4에서보듯이전체손실의 50% 정도까지차지하는매우중요한손실이라하겠다. 3.3 고주파변압기의손실고주파변압기의손실은철손과동손으로나눌수있다. 철손은코아의재질과스위칭주파수에의해서다음과같이결정된다 [7]. (10) 여기서 는스위칭주파수 (khz), 는자속밀도 (kg), 는코아제조사데이터시트에서주어지는값이다. 그림 3에서보듯이이철손은부하에따라거의일정하므로그림 4에서와같이낮은부하영역에서비중이매우크다. 따라서주로 30%~70% 의비교적낮은부하에서동작하는하이브리드전기자동차의보조배터리충전용 DC-DC 컨버터의경우특히이러한철손을감소시킬수있는설계가중요하다. 동손은다음의 DC 저항손실과 AC 저항손실의두가지로나타낼수있다 [8]. (11) (12) 여기서 은변압기권선에흐르는전류이고, 는권선의고유저항과길이그리고단면적에 (9) 여기서 는내부다이오드의순방향전압강하, 는내부다이오드에흐르는전류이다. 3.2 2 차측정류부다이오드의손실 Diode 손실도크게역방향회복시간에서발생하는턴오프손실과도통손실이있다. 보조배터리충전용 DC-DC 컨버터의경우 2 차측전압이매우작으므로고속회복다이오드의특성상역방향회복시간이매우작아이턴오프손실을거의무시할수있다. 따라서다이오드의손실은주로다음과같은도통손실에의하여결정된다. 그림 3 부하에따른컨버터주요부손실 ( H 사제품 ) 327
(a) 20% 부하 그림 5 스위칭주파수에대한코아부피, 철손 110kHz 사이에서적절한스위칭주파수를선정하는것이좋다. 4.2 고주파변압기설계 (b) 90% 부하그림 4 컨버터주요부손실의비중 (H 사제품 ) 의해서결정되는 DC 저항값이다. 는고주파동 작에의해권선에서발생하는스킨효과에의한전류의표피집중현상과근접효과에의한와전류발생에의한 AC 저항값이다. 본 DC-DC 컨버터의경우동손은철손에비하여매우작다. 4. 최적설계 DC-DC 컨버터의효율을주동작영역에서높이기위해서는스위칭주파수와고주파변압기의누설인덕턴스선정시코아의부피와고주파변압기철손및영전압스위칭범위와듀티손실을각각상호절충하여적절한값을선정해야한다. 그리고특히고주파변압기코아의윈도우면적을최소화하는설계를해야한다. 본논문에서는입력전압의변동범위가 110~180V DC 이고출력전압이 14.5V DC 인 1kW 급 DC-DC 컨버터에대하여제안한설계방식을적용하기로한다. 4.1 스위칭주파수선정 DC-DC 컨버터에서는수동소자의부피를줄이기위해일반적으로스위칭주파수를가능한높게선정하는데이에가장큰영향을받는설계요소는고주파변압기의철손과코아의부피이다. 그림 5 에서나타나듯이스위칭주파수가높아질수록철손은증가하나, 코아의부피는감소하다가특정주파수이상에서는일정하게되고이후주파수가더욱높아지면증가하는 U 자형곡선을보인다. 그러므로본 DC-DC 컨버터의경우코아의부피와철손을상호절충하여그림 5 에서와같이 80kHz 에서 누설인덕턴스선정식 (1) 에서나타난바와같이부하가클수록영전압스위칭이일어나기용이하며부하가작을때는고주파변압기의누설인덕턴스를증가시켜영전압스위칭이일어나게할수있다. 그리고그림 6 에서보듯이영전압스위칭은정격부하에서일어나기시작하여고주파변압기의누설인덕턴스가증가함에따라점차낮은부하영역에서도일어날수있다. 그러므로이범위를주동작영역에서일어나도록하기위해서는알맞은누설인덕턴스를선정해야하는데이를위해고주파변압기 1 차측에인덕터를직렬로추가하기도한다. 그러나그림 6 에서와같이누설인덕턴스값이증가하면듀티손실이증가하여 1 차측스위치의도통시간이증가하여도통손실도증가하게된다. 또한식 (6) 에서보듯이듀티손실의증가로인해상대적으로 2 차측전압의유효듀티비 가감소하게되므로특히입력전압이낮 고부하가큰경우원하는출력전압을얻기어렵게된다. 따라서영전압스위칭범위와듀티손실을상호절충하여그림 6 에서와같이 7uH 정도로누설인덕턴스를선정한다. 그림 6 누설인덕턴스에대한영전압스위칭범위, 듀티손실 328
권선방식앞서언급하였듯이주동작영역에서영전압스위칭일어나도록충분한값의누설인덕턴스를선정하게되면누설인덕턴스를최소화하기위한 interleaving 등여러겹의권선방식이필요하지않게된다. 또한리츠와이어를사용하게되면권선 의 값이더욱작아져고주파동작에의한동 손이감소한다. 그러나본 DC-DC 컨버터에서는권수가작고주동작영역에서는전류가작아이를무시할수있으므로제조공정이단순한 copper foil 을선정하여코아의윈도우면적을최소화함으로서이에따른고주파변압기의철손을감소시킬수있다. 이와같이고주파변압기철손의비중이큰주동작영역에서이를더욱감소시켜효율을증대시킬수있다. 권수비선정고주파변압기의권수비를크게하면 2 차측정류부고속회복다이오드의전압정격이줄어들게되어역회복시간과순방향전압강하가작아져스위칭손실과도통손실이감소하게되며부품선정시선택의폭이넓게된다. 또한 1 차측전류의감소로스위치의도통손실이감소한다. 따라서고주파변압기 2 차측에전압이유기되는동안의필터인덕터전압 은 0 보다커야한다는조건을만족하 는범위에서가능한크게권수비를선정한다. 그러나권수비를크게하면턴수가많아져서고주파변압기코아의윈도우면적이커지게되므로코아의윈도우면적과 1 차측스위치와 2 차측정류부다이오드의손실을상호절충해서적절한권수비를선정한다. 표 1 에서와같이 DC-DC 컨버터의주동작영역이최대부하의 20%~60% 정도일때주동작영역의효율을높이기위해제안된설계방식으로선정한주요설계요소이다. 또한이를시뮬레이션하여그림 7 에서보듯이 DC-DC 컨버터의주동작영역인최대부하의 20%~60% 정도에서효율이높은것을볼수있고이때최대효율은 93.8% 이다. 컨버터주동작영역 변압기 스위칭주파수 표 1. 선정한주요설계요소 누설인덕턴스 코아 최대부하의 20%~60% 80kHz 7uH TDK PC44PQ50 권선비 6 : 1 그림 7. 효율곡선 5. 결론 하이브리드전기자동차의 12V 보조배터리충전용 DC-DC 컨버터는최대부하의 30%~70% 정도의비교적낮은부하영역에서주로동작하므로이에따른적절한설계가필요하다. 본논문에서는컨버터의각부손실을분석하여 DC-DC 컨버터의주동작영역의효율을높게하는적절한스위칭주파수와고주파변압기의누설인덕턴스를선정하였고코아의윈도우면적을감소시켜고주파변압기철손을최소화할수있는최적설계를하였다. 이논문은현대자동차지원에의하여이루어진연구로서, 관계부처에감사드립니다. 참고문헌 [1] Toyota Environmental Technology Report "Toyota Hybrid System THS II" [2] I.A. Khan, "DC-to-DC Converters for Electric and Hybrid Vehicles", Power Electronics in Transportation, 20-22, pp. 113-122, 1994, Oct. [3] K. Aitaka, M. Hosoda, T. Nomura, "Development of Intelligent Power Unit for Hybrid Four-Door Sedan", International Journal of Automotive Technology, Vol. 4, No. 2, pp. 57-64, 2003. [4] 한대웅, 주정홍, 강호성, 김호기 " 하이브리드전기자동차 (HEV) 의보조전원용직류변환장치개발 ", 현대 기아자동차연구논문발표회 [5] J.A. Sabate', V. Vlatkovic, R.B. Ridley, F.C. Lee, B.H. Cho, "Design Consideration for High-Voltage High-Power Full-Bridge Zero-Voltage-Switched PWM Converter", Proceedings of the APEC Conf., 11-16, pp. 275-284, 1990, March. [6] Q. Chen, A. Lotfi, F.C. Lee, "Design Trade-offs for 5-V Output Off-Line Zero-Voltage-Switched PWM Converter", Proceedings of the INTELEC Conf., 5-8, pp. 616-, 1991, Nov. [7] Design Application Note MAGNETICS. Inc. [8] C.W.T. McLyman, "Transformer and Inductor Design Handbook", Second Edition 329