이중 활성 브리지 컨버터 DC/DC 컨버터

이 예제에서는 단상 이중 활성 브리지(DAB: Dual Active Bridge) DC/DC 컨버터의 동작을 보여줍니다.

설명

단상 DAB 컨버터는 고효율의 절연형 양방향 DC/DC 컨버터입니다. 주요 기능은 다음과 같습니다.

절연된 동작
전력 밀도(고주파 동작이 절연 변압기의 크기를 줄임)
양방향 전력 흐름
효율(0 전압 스위칭)

이 컨버터는 충전소, 전기차 견인 등과 같은 여러 응용 분야에서 사용됩니다. V2G(Vehicle-to-Grid) 시스템도 이 유형의 컨버터를 사용합니다. 10-kW DAB 모델은 결합 인덕터와 고주파 변압기로 연결된 2개의 MOSFET 풀 브리지로 구성됩니다. 고전압 브리지는 800V DC 소스에 연결되고 저전압 브리지는 450V DC 소스에 연결됩니다. 두 브리지 모두 펄스 생성기와 전류 레귤레이터에 의해 제어됩니다.

DAB 동작

DAB의 전력 흐름은 두 브리지의 듀티 사이클을 50%로 유지하면서 한 브리지를 기준으로 다른 브리지의 펄스에 대해 위상 변위를 수행함으로써 이뤄집니다. 동일한 펄스가 서로 대각선 방향에 위치한 스위치로 보내집니다. 여기에 나온 예제에서는 스위칭 주파수가 100kHz로 설정되고 불감 시간은 150ns로 설정됩니다. 두 브리지 간의 이론적 출력 전력 전달은 다음과 같이 주어집니다.

$P = \frac{V_{HV} \: N \: V_{LV} \: \phi \: (\pi - |\phi|)}{ 2 \: \pi^2 \: F_{SW} \: L}$

여기서 각각은 다음과 같습니다.

$V_{HV}$ 는 고전압 브리지의 DC 링크 전압(단위: 볼트)입니다.
은 변압기의 1차 측 대 2차 측 전압비입니다.
$V_{LV}$ 는 저전압 브리지의 DC 링크 전압(단위: 볼트)입니다.
$\phi$ 는 브리지의 두 구형파 간의 위상 변위(단위: 라디안)입니다.
$F_{SW}$ 는 PWM 스위칭 주파수(단위: 헤르츠)입니다.
은 두 브리지 간의 총 인덕턴스(결합 인덕터 + 1차 측에서 보았을 때의 총 변압기 누설 리액턴스)입니다(단위: 헨리).

이들 브리지의 두 구형파의 각도를 변경하여 두 브리지 간의 전력 전달을 제어할 수 있다는 사실을 알 수 있습니다. 양의 각도 $\phi$ 의 경우, 전력은 고전압 브리지에서 저전압 브리지로 전달됩니다. 음의 각도 $\phi$ 의 경우, 전력 흐름이 반전됩니다. 아래 그림은 각도 $\phi$ 가 +22도로 설정되어 있을 때 4가지 스위칭 상태 동안의 브리지 전압과 그에 따른 결합 인덕터 전류를 보여줍니다.

시뮬레이션

모델을 사용해 다음과 같이 두 차례 시뮬레이션을 실행합니다.

먼저, Control Mode 블록의 값을 0으로 설정하여 전류 조정 모드를 활성화합니다. 시뮬레이션을 실행하고 Scope_phi_P2_kW의 DAB 전류 레귤레이터 동특성을 관측합니다. 기준 전류는 0.01초에(3000A/s의 슬루 레이트에서) 22A에서-22A로 변경됩니다. 새 기준을 추종하기 위해 레귤레이터 출력은 22.9도에서 -22.5도로 변하게 됩니다.
이제 펄스 생성기 입력(phi_deg)을 직접 제어할 수 있도록 Control Mode 블록의 값을 1로 설정하여 각도 $\phi$ 를 -100도에서 100도까지 높입니다. Additional Scopes 서브시스템에서 Scope_P2_Ptheo_kW를 열고 시뮬레이션을 실행합니다. 각도 $\phi$ 가 -100도에서 100도까지 증가하는 동안 DC Source 2에 전달되는 실제 전력과 계산된 이론적 값을 비교해 볼 수 있습니다. -15도에서 +5도 사이의 각도 $\phi$ 의 경우, 실제 전력 전달이 이론적 값과 일치하지 않습니다. 주된 이유는 150ns 불감 시간 때문입니다. 아래 그림은 시뮬레이션 결과와 함께 불감 시간 없이 수행된 또 다른 시뮬레이션에서의 전력 전달을 나타내는 세 번째 곡선(파란색 곡선)을 보여줍니다. 이 파란색 곡선과 이론적 값 곡선은 거의 동일합니다.

참고 문헌

Texas Instruments TIDA-010054 Bi-directional, Dual Active Bridge Reference Design for Level 3 Electric Vehicle Charging Stations. June 2019. https://www.ti.com/tool/TIDA-010054
Rawad Zgheib, Innocent Kamwa, Kamal Al-Haddad, "Comparison between Isolated and Non-Isolated DC/DC Converters for Bidirectional EV Chargers ", IEEE 2017. https://ieeexplore.ieee.org/document/7913285