소형 연료전지 시스템을 위한 DC-DC 부스터 컨버터의 설계

소개글

신재생 에너지원 중에서도 가장 주목을 받고 있는 것 중에 하나인 연료전지는 일반적으로 저전압의 특성을 가진다. 이것은 연료전지의 경우 개개의 스택을 직렬 연결함으로써 높은 전압을 얻게 되는데, 너무 많은 스택을 연결 할 시 길이가 길어짐에 따른 제약과 더불어 입력되는 연료의 압력을 높여 주어야 하기 때문이다. 이러한 저전압의 연료전지로 실질적인 부하를 구동하기 위해서는 직류-직류 변환기가 필수적이다.
본 논문은 연료전지(6.2V,30W)를 이용하여 노트북(20V,24W-최저전력)을 구동하고자 한다. 따라서 Boost converter(DC-DC)를 설계하여 노트북에 맞는 전압으로 변환할 것이다. 해당 변환기를 설계하기 위한 첫 번째 과정으로는 입력 전원과 부하에 대한 기본적인 사양을 조사하는 것이다. 그것을 바탕으로 듀티비, 인덕턴스, 커패시터를 설계한다. 다음의 설계된 파라미터들을 이용하여 시뮬레이션을 실시한다. Open loop 시뮬레이션을 실시하여 원하는 출력이 나타나는지를 확인한 후, 보상기의 설계에 들어간다. 보상기의 경우 변환기의 개루프 전달함수로부터 주파수 응답을 구하고, 적절한 보상기의 Type을 선정하는 것에서 시작한다. 보상기의 Type을 선정하였다면, K-factor법을 이용하여 보상기의 세부적인 R, C값을 설계한다. 설계된 보상기를 개루프 시스템에 추가한 Closed loop 시뮬레이션을 실시하고, 부하의 변화(Full load↔Half load)에 대해 원하는 출력전압(맥동 1%)이 나타나는지를 확인한다. 만약, 나타나지 않는다면 보상기의 설계 절차에서 Closed loop 시뮬레이션까지의 과정을 재차 반복한다. 보상기 시뮬레이션이 완료되면 실제 소자를 이용하여 회로를 구성하고 Open loop, Closed loop 실험을 통해서 전체 DC-DC변환시스템을 구현해본다. 이와 같은 과정이 본 논문의 목적이다.

목차

國文抄錄 ⅳ

제 1 장 서 론 1
1.1 신재생 에너지의 필요성 1
1.2 연료전지 특징과 DC-DC Converter 1
1.3 연료전지를 이용한 노트북 구동 2

제 2 장 본 론 3
2.1 Boost Converter 동작원리 3
2.2 Boost Converter 설계 3
2.2.1 설계사양 4
2.2.1 소자값 설계 4
2.3 Open loop 시뮬레이션 5
2.4 보상기 설계 6
2.4.1 개루프 시스템 분석 7
2.4.2 보상기의 Type 선정 8
2.4.3 K-factor법을 이용한 보상기 설계 9
2.4.4 보상된 시스템의 분석 10
2.5 Closed loop 시뮬레이션 12
2.6 제어기의 디지털화 13
2.6.1 제어루프 설정 13
2.6.2 DLL로 Design 13
2.7 제작 및 실험 14
2.7.1 Boost Converter 회로 구성 및 Open loop 실험 14
2.7.2 Cortex-M3를 이용한 Design 16
2.7.2.1 Cortex-M3 기본 회로도 16
2.7.2.2 ADC 입력 확인 17
2.7.2.3 Cortex-M3와 Boost Converter 절연 17
2.7.3 설계된 보상기를 이용한 Closed loop 회로의 구성 및 실험 18

제 3 장 결 론 23

參考文獻 24

본문내용

2.1 Boost converter의 동작원리

부스트 변환기(boost converter)는 입력전압을 승압시키는 직류-직류 변환기이다. 부스트 컨버터의 동작원리는 다음과 같다. 전원측의 스위치가 도통되면 인덕턴스 L 에 전압이 유기된다. 이때 부하측에도 전압이 유기되지만 다이오드에 의해서 개회로 상태가 되므로 부하측으로 전력이 전달되지는 않는다. 전원측의 스위치가 차단되면 전원측의 인덕턴스에 유기된 전압과 전원의 전압이 커패시터를 충전시키고 부하에 에너지를 전달한다.

그림 2-1. Boost converter 회로.
Boost 변환기의 입출력 전달함수는 다음의 식으로 표현된다.
(식. 1)

2.2 Boost Converter 설계
Boost Converter의 설계는 일단 입력전원, 부하, 효율 등의 설계사양을 정하고, 그 후 설계사양에 적합한 변환기의 파라미터를 계산하였다. 그리고 설계된 파라미터를 토대로 주파수응답 분석과 K-factor법을 이용하여 보상기를 설계하였다. 설계한 보상기의 전달함수를 Bilinear Transformation 하여 디지털 함수로 바꾼다. 이 과정에 대한 자세한 사항들은 아래의 내용에 기술한다.

2.2.1 설계사양
노트북 구동을 위한 Boost Converter의 설계에 맞도록 설계사양을 정하고, 그 값들은 아래 표 1과 같다.

종류
값
단위
입력 전압 Vin
6.2 - 9
[V]
출력 전압 Vo
20
[V]
스위칭 주파수 fs
33,000
[KHz]
입력 전력 Pin
30
[W]
출력 전력 Po
24
[W]
효율 Eff
80
[%]
듀티비 Dmax
0.7


표 2-1. 설계사양.
2.2.2 소자값 설계
Boost Converter 설계를 위한 실험 소자 값들에는 인덕턴스(L), 커패시터(C)가 있다.
각 파라미터를 계산하기 위해 아래의 수식을 사용하였다.
(식. 2)
는 입력최대전류의 10%로 설계되는 컨버터가 CCM동작을 하게끔 설계하였다.
(식. 3)


주 스위치의 MOSFET의 최대전류와 그리고 스위치 전압 스트레스 는 아래의 식에 의해 계산된다.
(식. 6)

출력단의 커패시터는 아래의 식으로 계산하고, 최종적으로 커패시터에 흐르는 리플전류를 감안하여 실제 사용하는 커패시터를 결정하게 된다. 가능한 한 계산된 커패시터의 값과 비슷한 값을 결정하도록 한다.

참고 자료

없음