A Study on High Efficiency OBC with Wide Range Output Using Isolated Current-Fed PFC Converter

절연형 전류원 PFC 컨버터를 사용한 넓은 출력범위를 가지는 고효율 OBC에 대한 연구

Abstract

OBC for battery charging of electric vehicles mainly consist of two stages including PFC circuit and isolated DC-DC converter circuit. In general, a non-isolated boost converter is used as the PFC circuit, and a resonant converter capable of ZVS (zero voltage switching) is used as the isolated DC-DC converter. In this paper, we propose an OBC composed of isolated current-fed type PFC circuit and buck DC-DC converter. The proposed OBC is easy to configure the circuit and controller, and can cope with a wide output range. In order to verify the validity of the proposed circuit, a prototype 3.3 ㎾ class prototype was fabricated. As a result, the maximum efficiency and the maximum power factor of 99.2% were confirmed under the operational stability and rated load conditions at the output voltage of 150V ~ 400V.

전기 자동차의 배터리 충전용 OBC는 주로 PFC회로와 절연형 DC-DC 컨버터 회로를 포함한 2단으로 구성된다. 일반적으로 PFC 회로로는 구조가 간단한 비절연형 부스트 컨버터가 사용되고, 절연형 DC-DC 컨버터로는 ZVS(Zero Voltage Switching)가 가능한 공진형 컨버터가 이용되고 있다. 전기자동차의 주행거리 증가에 따른 넓은 배터리 출력에 대응하기 위해서는 OBC의 넓은 출력범위가 필요하지만, 이러한 시스템 회로 구성에서는 ZVS를 위한 회로설계의 한계와 제어기 구성이 복잡해지기 때문에 배터리 충전에 요구되는 넓은 범위의 출력에 효과적으로 대응하기에는 어려움이 있다. 본 논문에서는 절연형 전류원 방식의 PFC 회로와 벅 DC-DC 컨버터로 구성된 OBC를 제안하였다. 제안된 OBC는 회로 및 제어기 구성이 용이하고, 넓은 출력범위에 대한 대응이 가능하다. 제안된 회로의 유효성을 검증하기 위해 3.3㎾급 시작품을 제작 하였으며, 동작결과 출력전압 150V~400V에서 동작안정성 및 정격 부하 조건에서 최대 효율 94.4%, 최대 역률 99.2%를 확인하였다.

그림 3. 절연형 전류원 PFC 컨버터의 동작 모드 Fig. 3. Operation of Isolated Current-Fed PFC Converter

그림 4. 절연형 전류원 PFC 컨버터의 동작 파형 Fig. 4. Waveform of Isolated Current-Fed PFC Converter

그림 9. PLL제어기 구성도 Fig. 9. PLL Controller Block Diagram

그림 10. 벅 컨버터 제어기 구성도Fig. 10. Buck Converter controller Block Diagram

그림 12. 150V 정격출력 실험 파형 Fig. 12. Experimental Waveform of 150V Rated output

그림 13. 400V 정격출력 실험 파형 Fig. 13. Experimental Waveform of 400V Rated output

그림 14. OBC 시스템 전력 시험 분석 결과 Fig. 14. Analysis of OBC system power test

그림 1. 제안된 시스템의 기본 구성 Fig. 1. Basic configuration of proposed system

그림 2. 절연형 전류원 PFC컨버터 회로도 Fig. 2. Circuit diagram of Isolated Current-Fed Converter

그림 5. 벅 컨버터 회로도 Fig. 5. Circuit Diagram of Buck Converter

그림 6. 벅 컨버터의 동작 모드 Fig. 6. Operation Mode of Buck Converter

그림 7. 벅 컨버터의 동작 파형 Fig. 7. Waveforms of Buck Converter

그림 8. 절연형 전류원 PFC 컨버터의 제어기 구성 Fig. 8. Isolated Current-Fed PFC Converter controller Block Diagram

그림 11. 제안된 OBC 시스템 시작품 Fig. 11. The prototype of Proposed OBC system

표 1. 제안된 시스템의 주요사항 Title. 1. The parameter of proposed system