1. 논문원문
2. 논문해석
0. Abstract
이 논문은 전해 커패시터가 한상 사용되는 에너지 버퍼링 응용 분야, 특히 단상 교류와 직류 사이의 버퍼링에 대한 것입니다.
이러한 커패시터는 필름 및 세라믹 커패시터와 비교하여 높은 에너지 밀도를 가지지만 수명이 제한되고 신뢰성이 주요 관심사입니다.
이 논문은 전해 커패시터 없이도 비교 가능한 유효한 에너지 밀도를 달성하면서 이러한 제한을 극복하는 쌓인 스위칭 커패시터(SSC) 에너지 버퍼 아키텍처와 그 일부 토폴로지를 제시합니다.
아키텍처 접근 방식과 함께 설계 및 제어 기술도 소개됩니다.
320 V 직류 버스에 맞추어 설계된 필름 커패시터를 사용한 프로토타입 SSC 에너지 버퍼가 구축되었으며, 135 W의 부하를 지원할 수 있도록 설계되었습니다.
이 프로토타입은 전력 인자 보정 회로와 함께 테스트되어 접근 방식의 효과를 입증합니다.
1. Introduction
전력 변환 시스템은 직류와 단상 교류 사이에서 인터페이스를 제공하는데, 이러한 시스템은 직류 원원 또는 부하에 필요한 일정한 전력과 단상 교류 시스템에 필요한 계속해서 변하는 전력 사이의 버퍼링을 위해 에너지 저장장치가 필요합니다.
이는 그림 1에서 설명한 것과 같습니다.
이러한 버퍼링을 필요로 하는 응용분야에는 전원 공급장치, 태양 광전지 인버터, 전기 자동차 충전기 및 그리드에 연결된 LED 드라이버 등이 있습니다.
단위 역률을 가정하면, 단상 교류 시스템으로부터 또는 그로부터의 전력 Pac(t)는 평균값 Pavg를 중심으로 미국에서는 120 Hz의 두 배 주파수로 사인파 형태로 변동하며, 평균 교류 시스템 전력이 직류 시스템 전력 Pdc와 동일합니다 :
여기서 ωline은 선로의 각 주파수를 나타냅니다 (미국 기준으로 2π × 60 rad/s).
소스와 부하 사이의 순간 전력 차이는 에너지 저장장치에 흡수되거나 전달되어야 합니다:
최대 에너지(Eb)는 반 주기 동안 에너지 저장장치로 전달되는 총 에너지이며, 다음과 같이 주어집니다:
주파수변환기를 사용하여 단상 교류 및 직류 시스템을 연결하는 경우, 최대 저장된 에너지는 직류 시스템의 전력과 주파수에만 영향을 받으므로, 단순히 스위칭 주파수를 높여도 에너지 저장장치의 용량을 줄일 수 없습니다.
현재는 주로 전해질 커패시터가 높은 에너지 밀도의 에너지 저장을 제공하는 데 사용되지만, 이러한 커패시터들은 시스템 수명과 신뢰성 문제의 주요 원인이 될 수 있습니다.
반면 필름 커패시터는 높은 신뢰성과 수명을 가지지만, 최대 에너지 밀도가 상대적으로 낮습니다.
그러므로 전해질 커패시터 없이 높은 에너지 저장 밀도와 높은 효율성을 유지하는 에너지 버퍼링 아키텍처를 개발하는 것은 미래의 소형이면서 고신뢰성을 가진 전력 인터페이스 시스템에 중요합니다.
전해질 커패시터는 필름 커패시터에 비해 훨씬 높은 최대 에너지 밀도를 제공합니다(1개의 대수 차이).
그러나 열 및 효율성 측면에서 120 Hz에서는 좁은 충전/방전 범위(작은 전압 리플)에서만 동작할 수 있습니다.
이러한 이유로 인해 120 Hz에서 전해질 커패시터의 에너지 버퍼링 능력이 제한됩니다.
따라서 상용 전해질 커패시터를 사용하여 얻을 수 있는 최대 에너지 밀도는 주어진 전압 및 전력 수준에서 0.8 J/cm3까지 가능하지만, 120 Hz에서 허용 가능한 에너지 변동폭으로 인해 실제 에너지 밀도는 상당히 낮아집니다[1].
필름 커패시터의 최대 에너지 밀도는 보통 0.1 J/cm3 정도입니다.
따라서 단순히 필름 커패시터로 전해질 커패시터를 대체할 경우(유사한 전압 변동 제약 조건 하에서), 패시브 부피는 대략 1개의 대수 차이로 증가하게 되는데, 이는 일반적으로 허용되지 않습니다.
그러나 필름 커패시터는 전해질 커패시터에 비해 시리즈 저항이 상당히 낮기 때문에 더 넓은 에너지 범위에서 효율적으로 충전 및 방전할 수 있습니다.
커패시터에 저장된 에너지의 큰 부분을 사용하면 큰 전압 변동이 발생하는데, 이는 대부분의 응용 분야에서 허용되지 않습니다.
따라서 높은 에너지 밀도를 유지하면서 전해질 커패시터를 필름 커패시터로 대체하려면 커패시터의 전압 변동을 어떻게든 제한해야 합니다.
이 논문은 새로운 스위치드 커패시터 기반의 에너지 버퍼 아키텍처를 제안하며, 커패시터의 에너지를 큰 부분 활용하면서도 표면상 전압 리플을 제한하고, 전해질 커패시터를 필름 커패시터로 대체하여 긴 수명을 유지하면서 부피를 작게 유지하는 것을 목표로 합니다.
이 논문의 나머지 부분은 다음과 같이 구성되어 있습니다:
섹션 II에서는 필름 커패시터 기반의 에너지 버퍼 및 스위치드 커패시터 기반의 에너지 저장 아키텍처에 대한 과거 연구에 대해 설명합니다.
섹션 III에서는 제안된 적층 스위치드 커패시터 (SSC) 에너지 버퍼 아키텍처의 기본 원리를 상세히 설명합니다.
이 아키텍처의 특정 형태 및 확장에 대해서도 설명합니다.
또한 이 섹션에서는 특정 응용 분야에 적합한 토폴로지를 선택하는 설계 지침도 제공합니다.
섹션 IV에서는 프로토타입 SSC 에너지 버퍼의 설계와 구현을 설명합니다.
이 프로토타입의 실험 결과는 섹션 VI에서 시뮬레이션 결과와 비교되어 논의됩니다.
마지막으로, 섹션 VII에서 논문의 결론을 요약하고 향후 연구 방향을 제시합니다.
2. Past Work
과거의 연구들에서는 양방향 DC-DC 컨버터가 필름 커패시터를 효과적으로 활용하면서도 원하는 좁은 범위의 버스 전압을 유지하는 데 사용되었습니다 [2], [3].
이 접근 방식은 사용에 있어서 유연하지만, 높은 전력 밀도를 유지해야 할 경우 DC-DC 컨버터에서의 손실로 인해 저 효율적인 버퍼링을 초래할 수 있습니다.
다른 시스템들은 에너지 버퍼링을 그리드 인터페이스 전력 단계의 일부로 포함시키는 방식으로 구현되었습니다 [4]–[7].
이는 추가 전력 변환 단계의 도입과 관련된 일부 버퍼링 손실을 상쇄시킬 수 있지만, 여전히 고주파 손실을 도입하며 운전과 응용에 있어서 꽤 제한적입니다.
또 다른 대안적인 접근 방식은 스위치드 커패시터 회로에 기초합니다.
병렬 및 직렬 조합으로 커패시터를 다시 구성하는 스위치드 커패시터 회로가 초콜레이트 커패시터의 에너지 활용을 개선하는 데 사용되었습니다 [8]–[10].
이 병렬-직렬 스위치드 커패시터 회로의 간단한 버전은 그림 2에 나와 있습니다.
이 회로는 높은 에너지 버퍼링 비율인 93.75%를 가지고 있지만, 큰 전압 리플 비율인 33.3%를 가지고 있습니다.
더 복잡한 병렬-직렬 스위치드 커패시터 회로들도 개발되었으며, 전압 리플 비율을 더 좋게 달성할 수 있었습니다 [10].
그러나 높은 에너지 활용과 작은 전압 리플이 필요한 경우 회로 복잡성이 높습니다.
예를 들어 [10]에서 가장 우수한 성능을 보인 회로 (8-6-5-4-3 병렬-직렬 스위치드 커패시터 회로)의 에너지 활용은 92.09%이며, 전압 리플 비율은 14.3%입니다.
그러나 이 회로는 41개의 스위치와 120개의 커패시터가 필요합니다. 이로 인해 실용적인 사용에는 지나치게 복잡합니다.
=> 에너지 버퍼링 비율 (Γb)은 한 주기 동안 에너지 버퍼에 주입되고 추출될 수 있는 에너지의 총 에너지 용량에 대한 비율로 정의됩니다.
즉, Γb = (Emax - Emin) / Erated 입니다.
여기서 Emax는 정상 작동 중에 에너지 버퍼에 저장된 최대 에너지 값이고, Emin은 최소 에너지 값이며, Erated는 에너지 버퍼의 총 에너지 용량입니다.
=> 전압 리플 비율 (Rv)은 최대 전압 리플 진폭과 전압의 명목 (또는 평균) 값 사이의 비율로 정의됩다.
즉, Rv = (Vmax - Vmin) / Vnom 입니다.
여기서 Vmax는 전압의 최대 값, Vmin은 최소 값이며, Vnom은 전압의 명목 (또는 평균) 값입니다. 이때, 2Vnom은 전압의 명목 값의 2배입니다.
3. Stacked switched capacitor energy buffer architecture
그림 3은 제안된 스택드 스위치드 커패시터 (SSC) 에너지 버퍼의 일반 아키텍처를 보여줍니다.
이는 두 개의 직렬로 연결된 스위치와 커패시터 블록으로 구성되어 있습니다.
커패시터는 넓은 전압 범위에서 효율적으로 충전 및 방전할 수 있는 유형의 커패시터 (예: 필름 커패시터)입니다.
스위치는 커패시터들의 상호 연결 및 버퍼 포트 (Vbus)에 대한 연결을 동적으로 재구성할 수 있도록 합니다.
SSC 에너지 버퍼는 개별 버퍼 커패시터가 개별 단자 전압을 엄격하게 제한하지 않고, 그러나 버퍼 포트에서 좁은 범위의 전압을 유지하면서 에너지를 흡수하고 전달한다는 원리로 작동합니다.
스위칭 네트워크는 커패시터들이 에너지를 버퍼링하기 위해 넓은 범위에서 충전 및 방전하는 동안 버퍼 포트에서 볼 수 있는 전압이 작은 범위 내에서만 변동하도록 운영됩니다.
이는 커패시터 에너지 저장 능력의 최대 활용을 통해 높은 유효 에너지 밀도를 가능하게 합니다.
SSC 에너지 버퍼의 효율성은 스위칭 네트워크가 매우 낮은 (라인 스케일) 스위칭 주파수에서만 동작하면 되므로 효율성이 매우 높을 수 있으며, 시스템은 에너지 저장 커패시터의 소프트 충전을 이용하여 손실을 감소시킬 수 있습니다 [12].
또한, 제안된 버퍼 아키텍처는 버퍼링해야 할 에너지 양에 비례하는 손실을 보여주므로 전체 운영 범위에서 높은 효율성을 달성할 수 있습니다.
4. SSC ENERGY BUFFER TOPOLOGIES
제안된 스태킹 스위치 캐패시터(SSC) 에너지 버퍼에는 여러 가지 구현 방법이 있습니다.
본 논문에서는 하나의 구현 방법과 그 확장을 소개합니다.
A. 2-6 Bipolar SSC 에너지 버퍼
그림 4는 스태킹 스위치 캐패시터(SSC) 에너지 버퍼의 예시 구현인 2-6 bipolar SSC 에너지 버퍼를 보여줍니다.
이 구성은 두 개의 backbone 캐패시터 C11과 C12, 여섯 개의 supporting 캐패시터 C21, C22, C23, C24, C25 및 C26, 그리고 열두 개의 스위치 S11, S12, S21, S22, S23, S24, S25, S26, Sh1, Sh2, Sh3 및 Sh4로 구성되어 있습니다.
이 회로는 아래에 설명된 방법으로 설계 및 운영되면 버스 전압 리플을 명목값의 10% 내에 유지할 수 있습니다.
여덟 개의 캐패시터는 동일한 용량을 갖지만 서로 다른 전압 등급을 갖도록 선택됩니다.
두 개의 backbone 캐패시터 C11과 C12는 전압 등급이 1.6Vnom(Vbus의 명목값) 입니다.
여섯 개의 supporting 캐패시터의 전압 등급은 다음과 같습니다: C21은 0.6Vnom, C22는 0.5Vnom, C23는 0.4Vnom, C24는 0.3Vnom, C25는 0.2Vnom, C26는 0.1Vnom 입니다.
사전 충전 회로(그림 4에는 표시되어 있지 않지만, 섹션 V-B에서 설명됨)를 통해 여덟 개의 캐패시터에 다음과 같은 초기 전압이 부여됩니다: C11에는 0.4Vnom, C12에는 0.4Vnom, C21에는 0.5Vnom, C22에는 0.4Vnom, C23에는 0.3Vnom, C24에는 0.2Vnom, C25에는 0.1Vnom, C26에는 0V입니다.
Figure 5에서는 2-6 bipolar SSC 에너지 버퍼가 완전한 충전 및 방전 주기 동안의 스위치 상태, 캐패시터 전압 및 결과적인 버스 전압을 보여줍니다.
에너지 버퍼가 최소 충전 상태에서 충전을 시작할 때, Sh1, Sh4, S21 및 S11이 켜지고 다른 스위치들은 꺼집니다.
이 상태에서 C11과 C21이 직렬로 연결되어 버스 전압이 0.9Vnom에서 1.1Vnom까지 상승할 때까지 충전됩니다.
이 때 C21의 전압(V21)이 0.6Vnom에 도달하고 C11의 전압(V11)이 0.5Vnom에 도달합니다.
그런 다음 S21이 꺼지고 S22가 켜지며 버스 전압이 다시 0.9Vnom으로 하강합니다.
이후 충전이 계속되면 C22의 전압이 0.5Vnom에 도달하고 C11의 전압이 0.6Vnom에 도달하여 버스 전압이 다시 1.1Vnom에 도달합니다.
그 다음 S22가 꺼지고 S23이 켜지며 C23이 충전됩니다. 이 과정이 C26이 충전될 때까지 반복됩니다.
이 단계에서 모든 보조 캐패시터들은 최대 전압에 도달합니다.
backbone 캐패시터들의 전압은 C11에 Vnom, C12에 0.4Vnom이며 버스 전압은 1.1Vnom입니다.
그다음 Sh1과 Sh4가 꺼지고 Sh3과 Sh2가 켜집니다.
이로써 C26과 다른 supporting 캐패시터들이 C11과 역 방향으로 연결되어 버스 전압이 다시 0.9Vnom으로 하강합니다.
이제 C11은 이제 역으로 연결된 supporting 캐패시터들을 통해 충전을 계속할 수 있으며 위에서 설명한 과정과 유사한 방식으로 충전됩니다.
다만 supporting 캐패시터들은 역순으로 방전되므로 먼저 C26을 통해, 그 다음 C25를 통해, 그리고 이렇게 계속하여 C21을 통해 방전됩니다.
이 단계에서 C11은 1.6Vnom까지 완전히 충전되며 C12의 충전이 시작되어야 합니다.
이를 위해 H-브릿지 스위치가 다시 토글됩니다. (즉, Sh3과 Sh2가 꺼지고 Sh1과 Sh4가 켜집니다.), S11이 꺼지고 S12가 켜집니다.
C12의 충전 과정은 Fig. 5에 나타난 것과 동일합니다.
방전 기간 동안 C11과 C12는 충전 과정의 반대로 하나씩 방전되며, 따라서 방전 기간 동안의 전압 웨이브폼은 충전 기간의 거울상입니다.
이 에너지 버퍼의 충전 및 방전 기간 동안, 버스 전압은 0.9Vnom에서 1.1Vnom 범위 내에 유지됩니다.
따라서 이러한 방식으로 동작하는 2-6 bipolar SSC 에너지 버퍼의 버스 전압 리플 비율(Rv)은 10%이며, 에너지 버퍼링 비율(Γb)은 79.6%입니다.
B. n-m Bipolar SSC Energy Buffer
Fig. 4의 회로에서 대부분의 에너지를 버퍼링하는 캐패시터는 backbone 캐패시터인 C11과 C12입니다.
따라서 C11과 C12와 병렬로 추가적인 backbone 캐패시터를 추가함으로써 에너지 버퍼는 더 나은 버퍼링 성능을 달성할 수 있습니다.
또한 supporting 캐패시터의 수도 변경할 수 있습니다.
backbone 캐패시터와 supporting 캐패시터의 수가 에너지 버퍼의 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 Fig. 4의 구조를 확장하여 n개의 backbone 캐패시터와 m개의 supporting 캐패시터를 포함한 구조를 Fig. 6에 보여진 것과 같이 만들 수 있습니다.
이 n-m bipolar SSC 에너지 버퍼(backbone 캐패시터 n개가 같은 값 C1을 가지고, supporting 캐패시터 m개가 같은 값 C2를 가질 때)의 에너지 버퍼링 비율은 다음과 같이 표현됩니다:
Figure 7는 voltage ripple ratio (Rv)의 세 가지 다른 값에 대해, backbone capacitors의 수 n과 supporting capacitors의 수 m에 따른 에너지 버퍼링 비율 (Γb)의 변화를 보여줍니다.
이 그래프들은 주어진 backbone capacitors의 수에 대해 최대 에너지 버퍼링 비율을 얻기 위해 사용해야 하는 최적의 supporting capacitors의 수가 있다는 것을 나타냅니다.
주목할 점은 이 최적의 supporting capacitors의 수가 허용된 voltage ripple ratio의 값에 따라 달라진다는 것입니다.
이러한 그래프들은 주어진 bus voltage ripple ratio에 대해 최대 에너지 버퍼링 비율을 얻기 위해 최적의 backbone capacitors와 supporting capacitors의 수를 선택하는 데 사용될 수 있습니다.
큰 voltage ripple ratio가 허용된다면, 적은 수의 backbone capacitors와 supporting capacitors로 높은 에너지 버퍼링 비율을 얻을 수 있습니다.
고정된 backbone capacitors의 수에 대해 낮은 voltage ripple ratio를 얻기 위해서는 최대 에너지 버퍼링을 달성하기 위해 더 많은 supporting capacitors가 필요합니다.
그러나 supporting capacitors의 수를 증가시키면 회로의 복잡성과 supporting capacitors와 관련된 스위치의 스위칭 주파수도 증가합니다 (S21-S2m).
Rv가 10%이고 backbone capacitors가 2개인 경우, 최적의 supporting capacitors의 수는 6개입니다 (Fig. 7(b) 참조).
따라서 이전에 설명한 2-6 bipolar SSC 에너지 버퍼를 선택하여 10% voltage ripple 요구 사항을 충족시켰습니다.
Rv가 10%이고 backbone capacitors와 supporting capacitors가 각각 8개인 경우, 91.6%의 에너지 버퍼링 비율을 얻을 수 있습니다.
따라서 SSE 에너지 버퍼는 120개의 캐패시터와 41개의 스위치 대신 16개의 캐패시터와 20개의 스위치로 [10]의 8-6-5-4-3 병렬-직렬 스위칭 캐패시터 회로와 유사한 성능을 달성합니다.
5. PROTOTYPE DESIGN
제안된 개념을 검증하기 위해 2-6 bipolar SSC 에너지 버퍼의 프로토타입을 설계하고 구축했습니다.
이 프로토타입은 IV-A 절에서 설명한 것과 Fig. 4에 나와 있는 것과 유사한 형태로 디자인되었습니다.
이 프로토타입은 Fig. 8에 나와 있는 것과 같이 단상 AC를 DC로 변환하는 두 단계의 단상 AC-DC 전력 컨버터의 파워 팩터 보정(PFC) 프런트엔드의 에너지 버퍼로 사용됩니다.
SSC 에너지 버퍼는 일반적으로 PFC의 출력에 연결되는 전해 커패시터를 대체합니다. 간단한 구현을 위해 두 번째 스테이지 DC-DC 컨버터 대신 부하 저항을 사용합니다.
SSC 에너지 버퍼는 테이블 I에 나와 있는 대로 320V DC 버스와 최대 135W의 부하를 갖춘 상태에서 10%의 버스 전압 리플 비율 요구 사항을 충족시키도록 디자인되었습니다.
이 프로토타입에 사용된 PFC는 STMicroelectronics의 트랜지션 모드 PFC 컨트롤러(L6562A)를 사용한 400W 평가 보드입니다.
이 컨트롤러는 스위칭 주파수를 조정하여 부스트 PFC를 연속 및 불연속 동작 모드 경계에서 동작시킵니다.
평가 보드에는 PFC 출력에 330μF의 전해 커패시터가 있으며, PFC 데이터시트에 따르면 400V의 버스 전압에서 400W 부하를 공급할 때 2.5%의 전압 리플 비율을 유지할 수 있습니다.
우리는 실험적으로 40μF의 전해 커패시터가 10%의 전압 리플 비율로 135W의 출력 전력을 지원하는 데 충분하다는 것을 확인했습니다. 이 확인용으로 사용된 40μF, 450V 전해 커패시터의 총 부피는 약 9cm3입니다.
이 전해 커패시터를 대체하는 에너지 버퍼는 세 가지 기능 블록으로 구성됩니다: 에너지 버퍼 전력 회로, 프리차지 회로 및 제어 유닛입니다.
또한 에너지 버퍼는 PFC의 적절한 동작을 위해 피드백 신호를 제공해야 합니다.
각 요소의 설계에 대해 아래에서 설명합니다.