전기동력자동차의 차세대 탑재형 충전기를 위한 고전력밀도 변압기 설계 연구
저자
박준성(Junsung Park) ; 조수연(Suyeon Cho) ; 전유종(Yujong Jeon) ; 조재익(Jaeick Cho) ; 신외경(Waegyeong Shin)
발행기관
학술지명
권호사항
발행연도
2021
작성언어
Korean
주제어
KDC
550
자료형태
학술저널
발행기관 URL
수록면
78-78(1쪽)
제공처
변압기는 전기적인 에너지를 자기적인 에너지를 이용해서 다른 형태의 전기적인 에너지로 변환하는 정지형 기기로, 일반적으로 전압과 전류의 크기를 가변 하는 목적으로 사용된다. 구조는 높은 투자율을 가진 자성체 코어와 도전율이 낮은 도체 권선으로 이루어져 있으며, 부가적인 기구부로 권선 보빈, 절연지, 브라켓, 프레임, 몰딩재 등이 같이 조립된다. 50~60Hz 주파수를 이용하는 계통전원용 변압기와 수십k~수백kHz의 고주파수 Switch mode 전력변환 과정을 이용하는 전력변환회로용 변압기로 크게 구분할 수 있는데, 본 개발 기술인 OBC 용 전력변환 변압기는 높은 주파수로 스위칭 하고 있는 DC-DC 절연형 컨버터에 적용되는 변압기이다.
HEV(Hybrid Electric Vehicle)와 달리 PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)과 BEV(Battery Electric Vehicle)은 차량 구동을 위해 외부 전원으로부터 전기에너지를 충전하는데 배터리 충전을 위한 충전기는 외장 충전기(Off-Board Charger)와 탑재형 충전기(On-Board Charger, OBC)로 나눠진다. OBC는 외부 AC 전원을 배터리 충전을 위한 DC 전원으로 변환해야 되므로 AC-DC 정류회로(정류기)와 DC-DC 변환회로(컨버터)의 2-Stage 구조로 이루어져 있다. OBC는 차량 전장부품이므로 전기적인 절연이 요구되며, 동시에 넓은 전압범위를 가변해야 되기 때문에 DC-DC 변환회로(컨버터)에 자성소자인 전력변환 변압기를 적용하며 고주파 스위칭을 통한 전력변환을 수행한다. OBC 부품의 소형화를 위해서는 구성하고 있는 요소 부품들의 최적화 및 사이즈 저감이 필요하며, OBC에서 부피 비중이 높은 부품은 커패시터, 인덕터, 변압기로 이 중에서 OBC 사이즈 저감에 가장 영향을 많이 미치는 부품은 변압기이다. 변압기의 소형화 설계 시 자성체 코어 자속밀도와 권선 전류밀도는 재료 특성에 의해 정해지며, 권선의 전류 역시 부하전류의 크기에 종속되므로 설계변경이 어렵다. 따라서 변압기의 소형화는 자성체 코어 감소 측면으로 접근되며, 자속량 감소를 위해 스위칭 주파수를 높이는 방향으로 개발해 주파수를 높일수록 주파수에 반비례에서 자속량이 감소되기 때문에 변압기 자성체 코어의 부피를 줄일 수 있다. 본 논문에서는 고주파수 스위칭 대응자성재료 선정 및 회로 데이터를 반영한 변압기 최적설계 기술을 연구하였다.
This paper proposes a transformer design of on-board charger for electric powered vehicles using high switching frequency. Prototype OBC used 500 kHz switching frequency using an LLC converter based on gallium nitride devices. A transformer design procedure is proposed to magnetizing inductance, leakage inductance, and reduce wire heat generation by fringing effects. Experimental results from a 7.2 kW prototype are provided to validate the proposed concept.
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