Dual Active Bridge란?

DAB(Dual Active Bridge)는 양방향 전력 흐름 및 갈바닉 분리를 제공하는 DC-DC 컨버터입니다. DAB는 배터리 시스템, 재생 에너지, 반도체 변압기, 저전압 및 중전압 그리드 응용 분야에서 사용됩니다. 소프트 스위칭 가능성이 있는 특정 전압 및 전력 요구사항을 타겟팅하기 위한 유연한 설계 특성이 있습니다. 이러한 설계의 유연성 덕분에 필요한 작동 범위에서 98%를 초과하는 효율을 달성할 수 있습니다. 더 높은 전압을 위해 적층하고, AC 기능을 제공하도록 수정하며, 전력 흐름을 늘리고 고조파를 개선하기 위해 병렬화할 수 있습니다.

Dual Active Bridge는 고주파 변압기와 인덕터로 분리되는 두 개의 풀 브리지로 구성됩니다. 제어 전략에 따라 DC 차단 커패시터도 포함될 수 있습니다. 아래 회로도에서 단상 DAB의 레이아웃을 볼 수 있습니다.

Dual Active Bridge의 소자 수와 위상 변조 제어 접근법의 조합은 디지털 제어에 적합합니다. Dual Active Bridge를 설계하기 위해서는 디지털 제어 설계와 고품질 전기 시뮬레이션의 조합이 필요합니다. Simulink^® 및 Simscape Electrical™을 사용하여 Dual Active Bridge의 제어 알고리즘과 전자 장치를 모델링하고 시뮬레이션할 수 있습니다. 실시간 시뮬레이션 및 프로덕션 코드 구현을 위해 모델에서 코드를 생성할 수 있습니다. 이를 통해 Dual Active Bridge 설계의 모든 측면에 모델 기반 설계를 적용할 수 있습니다.

모델링 및 시뮬레이션

Simscape Electrical의 예제를 사용하여 즉시 Dual Active Bridge 시뮬레이션을 시작할 수 있습니다. Simscape Electrical은 열 모델링과 스위칭 손실에 대한 다양한 옵션과 함께 능동 및 수동 소자에 대한 다양한 수준의 충실도를 제공합니다.

제어 설계

Simulink에서 단상 및 3상 Dual Active Bridge를 위한 제어 알고리즘을 개발할 수 있습니다. DAB 모델로 제어 알고리즘을 시뮬레이션함으로써 제어기 파라미터를 조정하여 지정된 설계 요구사항에 적합한 최적의 성능을 달성할 수 있습니다. 사다리꼴 및 삼각 변조와 같은 여러 제어 전략이 존재하지만, 가장 일반적인 전략은 단상 변위 변조이며, 이에 대해서는 이 페이지 끝의 변조 섹션에 설명되어 있습니다.

임베디드 코드 생성

DAB 제어 알고리즘에 만족하면 Simulink 모델에서 C 또는 HDL 코드를 생성할 수 있습니다. 이 코드는 마이크로컨트롤러, SoC(단일 칩 시스템) 및 FPGA에 즉시 배포할 수 있으며, 특정 하드웨어 공급업체에 맞게 최적화할 수 있습니다.

단상 변조 튜토리얼

Dual Active Bridge를 제어하고 조작하는 가장 일반적인 방법은 단상 변조입니다. 듀티 사이클이 50%이고 서로 위상이 변위된 PWM 신호 두 개를 생성하여 제어가 달성됩니다. 위상 차이가 클수록 컨버터를 통과하는 전력 흐름이 커집니다. 그림 3에서 왼쪽 브리지는 첫 번째 PWM 신호와 그 상보 신호에 의해 제어되고, 오른쪽 브리지는 두 번째 PWM 신호와 그 상보 신호에 의해 제어됩니다. 이를 통해 인덕터에 4개의 전압 조합이 가능합니다. 한쪽에는 양극 및 음극 전압원이 있고, 다른 쪽에는 참조 양극 또는 참조 음극 부하 전압이 있습니다. 이러한 4개의 모드는 위상각이라는 단일 제어 변수로 구현되며, 총 8개의 게이트 펄스를 생성하기에 충분합니다. 고급 제어 방식은 제어 변수의 수를 늘려 동작 및 효율성을 개선합니다(소프트 스위칭 극대화).

아래 애니메이션은 단상 변조 제어 접근법을 사용한 기본적인 DAB 동작을 보여줍니다. 페이지 아래에서는 이 동작을 구체적으로 나눠서 그래픽에 표시된 특정 동작 모드를 집중적으로 살펴봅니다.

인덕터 위의 보라색 선은 인덕터 전류 플롯입니다. 인덕터 아래의 두 구형파는 두 개의 PWM 신호입니다. 이 예제에서는 다양한 모드의 시각화가 더 용이하도록 과장된 45도 양의 위상 변위를 사용합니다. 더 큰 녹색 구형파는 왼쪽 풀 브리지를 제어하고, 작은 파란색 구형파는 오른쪽 풀 브리지를 제어합니다. 변압기 통과 시 읽히는 부하 전압은 전압원에 비해 20% 낮습니다. 역방향 전력 흐름은 음의 위상 변위를 사용하여 이뤄집니다.

동작 모드

이 섹션에서는 정적 이미지를 사용하여 4개의 기본 동작 모드를 살펴봅니다.

그림 4에서 전력 흐름은 주로 A 및 C 모드에서 이뤄지며, B와 D는 고주파 변압기를 통해 전력을 전송할 수 있는 AC 신호를 생성하기 위해 필요한 모드입니다. 이로 인해 순환 전류가 발생하며, 설계 시 이를 고려해야 하고 설계 및 제어 전략에 따라 최소화해야 합니다.