Dual Active Bridge

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.

단상 Dual Active Bridge의 회로도. 두 개의 풀 브리지가 인덕터와 고주파 변압기로 연결됩니다.

그림 1. 단상 Dual Active Bridge.

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 Electrical예제를 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.

Dual Active Bridge의 Simscape Electrical 예제 모델의 Simulink 스크린샷.

그림 2. Dual Active Bridge의 Simscape Electrical 예제 모델.

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.

그림 3. 양의 전력 흐름이 있는 Dual Active Bridge의 단상 동작.

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.

두 개의 풀 브리지를 구동하는 인덕터 전류, 인덕터 전압, 듀티 사이클의 플롯. 점선은 인덕터에 인가할 수 있는 4개의 전압에 따라 동작 모드를 구분합니다.

그림 4. 단상 Dual Active Bridge의 동작 모드.

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.


소프트웨어 참조

참조: 전력전자 시뮬레이션, Simulink를 사용한 DC-DC 컨버터의 디지털 제어 설계, Simscape Electrical