DC / DC 컨버터

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DC / DC 컨버터

[ Buck/Boost Converter ]

목차

1. (1) DC/DC-컨버터의 양방향성(bidirectional characteristics)
2. (2) DC/DC-컨버터(buck/boost converter)의 작동원리

(1) DC/DC-컨버터의 양방향성(bidirectional characteristics)

DC/DC-컨버터는 특정한 전류와 전압의 직류를 전력전자 반도체 소자를 이용하여 강압 또는 승압시킬 수 있다. 전압과 전류를 제어하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 회로 설계방식에도 다양한 개념을 적용할 수 있다. 이때 입력 및 출력전압과 전류의 크기 및 품질이 회로의 종류를 선택하는 데 있어서 결정적인 요소이다. 일반적으로 DC/DC-컨버터의 연속출력은 12V 회로의 전기소비를 고려할 경우, 약 3kW 정도가 대부분이다.

그리고 안전 및 기술적인 이유로 퍼텐셜(potential)을 분리할 필요가 있다.

[그림 6-21] DC/DC 컨버터의 표시 기호

그림 6-21은 고전압 회로와 저전압(12V) 회로의 사이에 설치된 DC/DC‒컨버터를 나타내고 있다. 전기(하이브리드) 자동차에서의 특징은 기존의 12V‒회로와 고전압 회로 간의 결합이다.

고전압 축전지로부터 저전압(12V) 축전지로 전기에너지를 전달할 수 있어야 한다. 이 기능만을 수행하는 DC/DC-컨버터를 흔히 벅(buck)-컨버터 또는 LDC라고도 한다.

그리고 때에 따라 역으로 저전압 축전지로부터 고전압 축전지로 에너지를 전달할 수 있는 DC/DC-컨버터를 부스트(boost)-컨버터 또는 HDC라고도 한다. 이 경우는 대부분 양방향성을 가진 컨버터 소위, 벅/부스트(buck/boost) 컨버터 개념이다.

더 나아가 고전압 축전지의 전압을 현저하게 높은 전압으로 승압시켜, 전동기에 공급함으로써, 구동 전동기의 효율을 극대화할 수도 있다. 이러한 설계개념은 많은 자동차 회사들이 이용하고 있다. 330V 수준의 구동 축전지 전압을 650V까지의 높은 전압으로 승압하여 구동 전동기에 공급한다.

이와 같은 높은 작동전압은 해당 전동기의 권선 방식에 의해 제한된다. 그래도 여전히 전압이 높은 경우, 인버터의 스위칭 초과전압에 의해 권선에서 부분 방전을 유도한다. 권선의 절연특성을 강화해야 하므로 비용이 증가하고, 효율에도 부정적인 영향을 미친다. 특별한 경우에 이러한 컨버터가 실제로 이점이 있는지는 하이브리드 시스템의 전반적인 구조에 따라 판단할 수 있다. 무엇보다도 부하 사이클에 의존한다. 그러나 어떤 경우에도 컨버터 효율은 높아야 한다. 컨버터 효율을 높이기 위해서는 특별한 대책이 필요하다.

이 외에도 전기 자동차 또는 플러그-인 하이브리드에서는 축전지를 충전하기 위해 외부 전압 수준을 축전지 전압에 맞추어야 할 필요가 있다. 이와 같은 용도로는 모두, 예외 없이 전위(potential)가 분리된 컨버터 개념 즉, 초크(choke) 대신에 특수한 변압기를 사용한다.

[그림 6-22] 고전압 회로와 저전압 사이에 설치된 LDC-컨버터(출처 : Hyundai Motors)

(2) DC/DC-컨버터(buck/boost converter)의 작동원리

그림 6-23과 같은 단상 브릿지 회로(single phase bridge circuit)를 이용하여 DC/DC-컨버터의 양방향 기능을 실현할 수 있다. 그림(a)와 (b)는 스위칭 소자만 다를 뿐이다.

[그림 6-23(a)] MOSFET를 이용한 DC/DC-컨버터의 회로 구성 1)

[그림 6-23(b)] IGBT를 이용한 DC/DC-컨버터의 회로 구성 2)

그림 6-23(b)에서 트랜지스터 T1에 의해 저전압 축전지 전압  U1은 인덕터 L을 통해 주기적으로 단락된다. 이때 인덕터(쵸크)는 자기에너지(magnetic energy)를 저장한다.

트랜지스터 T1이 닫혀 있는 경우, 전류 i1은 규정된 한곗값까지 계속해서 상승한다. 이어서 트랜지스터 T1이 개방되고, 전류 i1은 다이오드 D2를 통해 고전압 축전지  U2로 흐르게 된다. 손실이 없는 이상적인 스위칭 소자들일 경우, 전달출력은 P1 =  P2가 된다.

저전압 축전지를 재충전하는 경우에는 고전압 회로의 전압을 저전압으로 강압(step-down)시켜야 한다. 트랜지스터 T2가 닫히면, 전류 -i2는 고전압 축전지  U2로부터 인덕터 L을 거쳐서 저전압 축전지로 흐른다. 트랜지스터 T2가 개방되면, 전류는 다이오드 D1을 거쳐서 흐른다. 전류 -i1은 축전지 부하 때문에 부하 회로에서 감쇄된다. 부하 회로의 시간상수가 아주 큰 경우에, 전류는 거의 일정하다. 전압  U1의 평균값은 듀티사이클(주기 T에 대한 ON-시간)에 의해 결정된다.

승압 회로와 강압 회로를 결합함으로써 큰 비용을 지급하지 않고도 추가로 자유도와 기능성을 확보할 수 있다.

고전압 직류회로와 저전압 직류회로 간의 에너지 교환 외에도 축전지 셀(cell) 수를 줄이기 위해 축전지 전압을 높은 수준으로 승압시켜 전동기에 공급할 수 있다. 축전지 셀(cell) 수를 줄임에도 불구하고 전압은 높이고 전류를 작게 하려고 승압기술을 사용한다.

고전압 회로와 인버터 사이에 설치된 DC/DC-컨버터의 또 다른 장점은 구동 축전지의 전압에 상관없이 전동기 구동 전압을 선택할 수 있다는 점이다. 구동 축전지의 이용 가능한 출력전압은 축전지의 작동상태에 따라 전형적으로 정격 용량의 80~120% 범위에서 맥동한다.

예를 들어 비동기 전동기가 축전지의 정격 전압에서 작동하도록 설계되었을 경우, 작동전압이 낮아지면 출력 변곡점은 이동될 것이며, 결과적으로 전동기의 동적 특성은 악화할 것이다. 역으로 전기기계를 낮은 전압에서 작동하도록 설계한다면, 정격 전압에서 작동하는 전기기계에 비해 크기가 아주 많이 커져야 할 것이다.

[그림 6-24] 승압/강압 컨버터에서의 전압 및 전류의 파형 원리 3)

그림 6-25는 LDC-컨버터의 구조와 단계별 신호 파형을 나타내고 있다. 컨버터를 구성하는 반도체 소자 또는 전기/전자부품의 기능과 신호 파형의 생성 및 변환 과정을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

[그림 6-25] 벅-컨버터의 구조와 단계별 신호 파형(출처 : Hyundai Motor)

[그림 6-26] 동력 분할식 하이브리드의 벅-부스트 컨버터(도요타, 프리우스)

[네이버 지식백과]DC / DC 컨버터 [Buck/Boost Converter] (친환경 전기동력 자동차, 2021. 07. 05., 김재휘)