오효석
(Hyo-Seok Oh)
1iD
장진영
(Chin-Young Chang)
1
최준범
(Jun-Bum Choi)
2
김재문
(Jae-Moon Kim)
†iD
-
(Dept. of Transportation System Engineering, Korea National University of Transportation,
Korea.)
-
(InterMobility Co., Ltd.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Railway Vehicle, Active Clamp Forward Converter, 300W Power Supply, Prototype Test
1. 서 론
국내 철도차량에서는 승객의 안전성 확보와 편의성 증대를 위한 스마트 기술 확대에 따른 통신 부하 증가, 방송/영상설비 전기 용량 확대, CCTV 등
녹화 장치 관련 부하 용량이 확대되고 있다(1). 또한, 전기전자 부품 증가 및 IT 기술과 접목한 다양한 전장품이 추가되며, 전원공급장치의 수요도 증가하고 있다(2). 이러한 전장품들은 12V의 전원을 공급받아 사용되며, 보조전원장치 및 배터리를 통해 인가받는 DC 100V를 12V로 강압해야 한다. 따라서,
전장품을 구동하기 위해 추가적인 전원공급장치가 요구되며 전력변환이 가능한 SMPS(Switching Mode Power Supply)가 적용되고 있다.
기존 철도차량의 전원공급장치는 해외 제품에 의존했으며, 저가용 제품이 적용되는 경우가 많은데 내구성 및 신뢰성이 떨어지고, 오동작으로 인한 제품파손
및 먹통으로 인한 잦은 교체로 인한 재산적 피해가 발생한다. 이는 철도차량의 운행환경을 고려하지 않은 결과이다.
본 논문에서는 부하급변, 과전류, 단락, 입·출력 변동 등 차량 운행조건에서 발생할 수 있는 문제를 방지할 수 있는 보호회로가 적용된 전원공급장치
개발을 목적으로 하였다. 전원공급장치의 SMPS 회로는 절연형으로 500W급 이하 부하에 주로 적용되는 포워드 컨버터를 선정하였으며, 안정적인 입·출력을
위한 필터 회로, 노이즈 방지 회로를 적용한 300W급 고신뢰성 전원공급장치를 설계하였다.
2. 철도차량용 전원공급장치
2.1 기존 철도차량 전원공급장치
표 1 기존 철도차량 전원공급장치 사양
Table 1 Specifications for the power supply system
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구분
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INPUT
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OUTPUT
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전력[W]
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1호선(2021)
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DC 70-110V
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DC 12V
12.5A
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150
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분당선(2021)
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DC 70-110V
|
DC 12V
12.5A
|
150
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과천선/안산선(2021)
|
DC 70-110V
|
DC 12V
12.5A
|
150
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11∼16년 철도차량
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AC 198-242V
|
DC 12V
18.4A
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220
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표 1은 국내 철도차량 및 산업 내 방송장치, 표시장치, CCTV 등의 부하에 사용되고 있는 전원공급장치의 사양이다(3). 1호선, 분당선, 과천/안산선의 경우 DC 100V를 인가받아 최대 150W 출력의 제품을 적용되고 있으며, 11∼16년 차량의 경우 AC 220V를
인가받아 최대 220W를 출력하는 제품이 적용되었다.
철도차량용 전원공급장치는 대부분 보조전원장치 및 배터리를 통해 DC 전원을 인가받는다. 따라서 전원공급장치의 SMPS 토폴로지는 DC/DC 컨버터의
설계가 요구되며, 입·출력이 전기적으로 분리되어 안정성이 높고 노이즈 감소에 유리한 절연형 컨버터인 포워드 컨버터로 적용하였다. 포워드 컨버터는 다른
절연형 컨버터에 비해 구조가 단순하여 사용되는 부품 수가 적기 때문에 절연이 요구되는 다양한 어플리케이션에서 효율적이다.
그림 1 리셋 방식 포워드 컨버터 회로
Fig. 1 Forward converter circuit of reset method
포워드 컨버터는 변압기의 자화 인덕턴스 포화 방지가 필요하며, 가장 대표적인 방식은 보조권선 리셋 포워드 컨버터로 그림 1(a)와 같다. 변압기 1차측에 주 권선과 반대 극성을 가지는 보조 권선과 환류 다이오드로 구성하여 리셋 회로를 구성한다. 보조 권선 리셋 방식은 자화
인덕턴스에 저장되었던 에너지가 입력측으로 환류되기 때문에 효율 측면에서 유리하다(4). 그러나 보조권선이 추가되어 변압기의 구성이 복잡해질 수 있고, 식 (1)∼(2)와 같이 스위치 전압(Vcds) 스트레스 및 최대 듀티비 제한이 존재한다.
RCD 스너버 리셋방식의 포워드 컨버터 회로는 그림 1(b)와 같으며, 환류 다이오드와 비교적 가격이 저렴한 수동 소자들만으로 간단하게 구현할 수 있어 비용 절감에 유리하다. 반면에 보조 권선 리셋 방식과는
다르게 자화 인덕턴스에 저장되었던 에너지를 스너버 저항을 통해 소산시키기 때문에 효율이 낮은 단점이 있다(5). RCD 스너버 포워드 컨버터의 경우 식 (3)∼(4)과 같은 스위치의 전압 스트레스 및 스너버 전압을 가진다.
Active-clamp 리셋 방식의 포워드 컨버터는 그림 1(c) 와 같으며, clamp 리셋 스위치가 추가되지만 다른 리셋 방식에 비해 다양한 장점을 갖는다. clamp 리셋 스위치는 주 스위치와 상보적으로 구동되며,
ZVS(Zero Voltage Switching)을 통해 스위칭 손실을 최소화하여 고속 스위칭에 유리하다. 또한, 높은 듀티비로도 동작이 가능하여
넓은 입력전압 범위에서 설계 시 유리하다(4). 하지만 clamp 리셋 스위치 및 구동 회로들의 추가로 인해 가격과 복잡도가 증가한다는 단점이 있다. Active-clamp 포워드 컨버터의 clamp
전압 및 전압 스트레스는 식 (5)∼(6)과 같다.
2-switch 포워드 컨버터의 회로는 그림 1(d)와 같으며, 스위치 2개와 다이오드 2개로 구성된다. 반도체 소자들에 최대로 인가되는 전압은 식 (7)과 같이 입력전압과 같다. 두 개의 스위치는 같이 동작하며, 최대 듀티비가 0.5로 제한된다. 변압기의 1차측에는 Turn-on시 양의 입력전압,
Turn-off 시 다이오드를 통해 토동되며, 음의 입력전압이 인가된다. 이때 변압기의 자화 인덕터에 저장되어 있던 에너지는 Turn-off 구간
동안 다이오드를 거쳐 입력측으로 환류된다(6).
표 2 포워드 컨버터의 리셋 방식에 따른 특징
Table 2 Characteristics of forward converter reset method
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리셋 방식
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장점
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단점
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보조 권선
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▪자화 인덕턴스 에너지 재사용
▪높은 신뢰성
▪과도 구간에서 작은 스위치 전압 오버슈트
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▪듀티비 0.5로 제한
▪보조 권선으로 인한 구현복잡도 증가
▪영전압 스위칭 불가능
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RCD 스너버
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▪간단한 구조
▪낮은 가격
▪스너버 전압의 유연한 설계 가능
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▪저장되었던 자화 에너지가 소산됨
▪ZVS 스위칭 불가능
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Active-clamp
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▪영전압 스위칭 가능
▪자화 인덕턴스 에너지 제사용
▪높은 시비율로 동작 가능
▪넓은 입력 전압 범위에서 고효율 동작 가능
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▪클램프 스위치로 인한 복잡도 및 가격 증가
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2-switch
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▪자화 인덕턴스 에너지 재사용
▪낮은 전압 스트레스
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▪두 개의 스위치로 인한 복잡도 및 가격 증가
▪듀티비 0.5로 제한
▪ZVS 스위칭 불가능
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2.2 Active Clamp Forward Converter 설계
그림 2는 논문에서 설계한 300W 전원공급장치의 회로이며, LACFC(Low-side Active Clamp Forward Converter)와 동기정류를
추가한 LACFC-SR(Synchronous Rectifier)로 구성하였다(7). Low-side 방식은 주 스위치에 병렬로 커패시터와 MOSFET을 연결하여 구성되며, High-side 방식에 비해 회로 설계 및 제어가 간단하다.
MOSFET 사용을 통해 도통 시 발생하는 전압강하가 낮아지며, ZVS을 통해 스위칭 효율 증가 및 발열 감소가 가능하다. 변압기 3차측은 구동
IC칩 전원을 위한 회로이며, 일반적인 포워드 컨버터 출력 회로와 같이 다이오드를 사용하여 구성하였다.
그림 2 ZVS 포워드 컨버터 회로
Fig. 2 The proposed forward converter circuit
그림 3과 4는 LACFC-SR의 파형 및 모드로 다음과 같다.
Mode 1은 그림 4(a)와 같이 주 스위치(S1)와 동기 스위치(SSR1)이 Turn-on 된다. 자화 인덕터에 입력전압이 걸리므로 인덕터 전류는 선형적으로 증가한다. 변압기
2차측은 전달된 에너지가 동기 스위치 SSR1를 통해 출력전류(iLO)가 흐르며, 출력 인덕터가 충전 및 부하로 전력이 공급된다.
Mode 2는 그림 4(b)와 같이 S1이 Turn-off 되고 SSR1는 유지된다. 누설 인덕턴스(Li), 자화인덕턴스(LM), 공진 커패시터(Cds)를 통해 공진이 발생하고
Cds가 충전되어 변압기 1차측 전압이 감소하기 시작한다.
Mode 3은 변압기 1차측 전압 V1이 0이 될 시 수행되며, 그림 4(c)와 같이 동기 스위치 SSR1, SSR2가 모두 Turn-off 되지만 스위치의 다이오드를 통해 전류가 흐른다. 또한 자화 전류(iLM)는 클램핑되어
일정하게 유지되고 Li과 Cds에 의해 공진하여 Li의 에너지를 통해 Cds가 충전된다.
Mode 4는 그림 4(d)와 같이 리셋 스위치(Sr)는 Turn-off이지만 리셋 스위치의 다이오드를 통해 도통된다. 이로 인해 리셋 스위치에 걸린 전압은 0으로 ZVS 동작이
가능하며, iLi 전류에 의해 리셋 커패시터(Cr)가 충전되기 시작한다.
Mode 5는 그림 4(e)와 같이 Sr가 ZVS으로 Turn-on되고 Mode 4와 동일하게 동작하며, ILi 전류가 점차 감소하면 SSR1에 흐르는 전류 또한 0으로 감소한다.
Mode 6은 그림 4(f)와 같이 Lm의 에너지가 방전되어 변압기 1차측에 음의 전압이 걸리게 되며 동기 스위치 SSR2가 ZVS으로 Turn-on 된다.
Mode 7은 그림 4(g)와 같이 리셋 커패시터(Cr)에 충전된 에너지가 방전되어 1차측 전류 흐름의 방향이 변한다.
Mode 8은 그림 4(h)와 같이 Sr가 Turn-off, SSR2가 유지되고 공진 커패시터 Cds가 Lm, Li으로 방전된다.
Mode 9는 변압기 1차측 전압 V1이 0이 될 때 수행되며, 그림 4(i)와 같이 2차측은 동기 스위치 SSR2 Turn-off 되지만 다이오드를 통해 도통된다. 또한 자화 전류 ILM는 클램핑되어 일정하게 유지되어 Li,
Cds를 통해 공진이 발생하고, Cds가 방전되어 전압(Vds)이 감소한다.
그림 3 Low-side 동기정류형 포워드 컨버터 동작파형
Fig. 3 LACFC-SR operating waveform
Mode 10은 Vds가 0일 때 수행되며, 그림 4(j)와 같이 주 스위치의 다이오드 D1에 의해 도통되며, 주 스위치에 걸린 전압은 0으로 ZVS 동작이 가능해진다.
Mode 11은 그림 4(k)와 같이 주 스위치가 ZVS으로 Turn-on되며, Li가 완전히 방전될 때까지 수행된다.
Mode 12는 ILi가 0일 때 수행되며, 2차측이 다이오드에 의해 계속 도통되므로, V1은 0V로 클램핑 상태를 유지된다. 따라서, Li에 입력전압이
걸려 전류가 선형적으로 증가가 하므로 SSR1에 흐르는 전류는 증가하고 SSR2에 흐르는 전류는 감소한다(7)(8). IC 전원 회로인 LACFC는 출력측 MOSFET에 의한 ZVS를 제외하고 유사하게 동작한다.
그림 4 Low-side 동기정류형 포워드 컨버터 동작 모드
Fig. 4 LACFC-SR operating mode
3. 전원공급장치 설계
표 3은 설계된 300W급 전원공급장치인 포워드 컨버터 사양이다. 입·출력전압은 철도차량 표시장치, 방송장치 등과 같은 부하를 대상으로 입력 100V 출력
12V로 설계하였으며, 입력전압의 범위는 기존보다 넓혔다. 또한, 열악한 철도차량 운행 환경에 견딜 수 있도록 보호회로를 설계하였다.
표 3 포워드 컨버터 설계 사양
Table 3 Forward converter design specifications
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구분
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값
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입력 전압(Vin)
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DC 50-110V
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출력 전압(Vo)
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DC 12.5V
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변압기의 자화 인덕턴스(Lm)
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250uH
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변압기의 누설 인덕턴스(Li)
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0.25uH
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주파수(fs)
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200kHz
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변압기의 권선비(N1:N2:N3)
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3:1:1
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그림 5 과전류 보호회로
Fig. 5 Over Current Protection circuit(OCP)
그림 5는 포워드 컨버터 출력측에 대한 과전류 보호회로로, 장치의 과부하 및 단락으로부터 장치를 보호하는 역할을 한다. 과전류 검지 시 장치의 동작을 차단하여
장치에 발생할 수 있는 피해를 방지한다. 제한 과전류는 전원공급장치의 특성상 부하를 100\% 운용하는 경우는 없기에 DC 12V 출력 300W 설계의
최대 전류인 25A로 설정하였다.
그림 6 스너버 회로
Fig. 6 Snubber circuit
그림 6은 변압기 2차측에 설계된 스너버 회로로 기생 커패시턴스 및 인덕턱스 성분에 의해 발생하는 링잉(Ringing)을 감소시키는 역할을 한다. 링잉은
변압기 제작방법 또는 PCB 설계에 대한 영향이 크며, 전압이 급격하게 변하는 엣지 부분에서 발생한다. 과도한 링잉은 전력손실이 커져 PCB에 열을
발생시켜 주변 회로에 영향을 준다. 이에 따라 RC로 구성된 스너버 회로를 설계하여 링잉을 최소화하였다.
그림 7 전원공급장치 시제품(전·후면)
Fig. 7 Power supply prototype
4. 전원공급장치 시제품
그림 7은 Active Clamp 포워드 컨버터를 적용한 전원공급장치 시제품을 보여준다. 입력 역전압 보호회로, PWM 제어 IC, 과전류/과온 보호회로,
포워드 컨버터 회로, 변압기, MOSFET 및 게이트 드라이버 등으로 구성된다.
본 논문에서 설계한 포워드 컨버터 전원공급장치는 기존 장치보다 넓은 50∼110V로 설계하였다. 이러한 설계는 철도차량 운용환경을 고려하여 안정성과
신뢰성을 강화하기 위한 것으로 전원공급장치 동작 시험은 설계의 최저 전압인 50V를 인가하여 시험하였다.
그림 8 액티브 클램프 포워드 컨버터 파형
Fig. 8 Active clamp forward converter waveform
그림 8은 Active Clamp 포워드 컨버터 변압기 1차측 주 스위치인 MOSFET의 드레인-소스 전압과 리셋 커패시터의 전압 파형이다. Active
Clamp 동작으로 리셋 커패시터가 충·방전하며 곡선 모양 나타나며, 설계된 SMPS가 정상적으로 동작하는 것을 확인하였다. 링잉은 그림 9와 같이 스위칭 엣지부분에 발생되며, 출력부하 변동을 고려한 설계가 필요하다. 변압기 2차측에 제안한 스너버 회로를 적용하였으며, 무부하와 풀부하에서
오버슈트 및 링잉이 크게 감소한 것을 확인할 수 있다.
그림 9 변압기 2차측 전압 파형
Fig. 9 Transformer secondary waveform
(Ch1 : 50V/div; time : 400ms/div)
그림 10 MOSFET 영전압 스위칭 파형
Fig. 10 MOSFET ZVS waveform
그림 11 입력 전원 변동 시험
Fig. 11 Input power fluctuation test
(Ch1 : 20V/div; Ch2 : 5V/div; time : 400ms/div)
그림 12 전원공급장치 부하시험
Fig. 12 SMPS load test
(Ch1 : 5V/div; Ch2 : 10A/div; time : 400ms/div)
그림 10은 Active Clamp 포워드 컨버터의 변압기 1/2차측에 적용된 각 MOSFET의 영전압 스위칭파형이다. 스위치의 드레인-소스(ds) 전압은
구동 신호 게이트-소스(gs) 전압이 인가 되기 전 0V가 되며, 이를 통해 모든 스위치의 ZVS 제어가 정상적으로 동작하는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라 스위칭 손실이 최소화하여 장치의 효율을 향상시킬 수 있다.
그림 11은 입력전압 변동에 대한 출력전압 시험 파형으로, 입력전압의 변동에도 안정적으로 12V의 전압이 출력되는 것을 확인하였다. 그림 12는 설계한 300W급 전원공급장치의 부하 시험으로 전자로드로 과전류 보호(OCP) 설계 조건 이하인 288W의 부하를 인가하였다. 그 결과 전원공급장치의
출력은 약 12V 24A가 안정적으로 부하에 공급하는 것을 확인하였다.
5. 결 론
철도차량 기술의 발전과 함께 전기전자 부품의 수량 및 성능이 증가하면서 요구되는 부하 용량이 증대됨에 따라 고신뢰성 300W급 전원공급장치를 설계하였다.
기존 철도차량에 적용되고 있는 전원공급장치보다 입력전압 범위를 넓혔으며, 열악한 철도차량의 운행환경을 고려한 보호회로를 적용하여 장치의 내구성 및
신뢰성을 향상시켰다. 또한, 전원공급장치의 SMPS 회로로 Active Clamp 포워드 컨버터를 적용하여 ZVS 제어를 통해 전력손실 및 발열을
최소화하였다.
본 논문은 설계된 ZVS Active Clamp 포워드 컨버터를 제작하였다. 철도차량에 적용하기 위해 운행 중 발생할 수 있는 입력전압 변동 상황을
고려하여 시험하였으며, 전원공급장치가 안정적으로 DC 12V 전원을 출력하는 것을 확인하였다. 또한, 주 스위치 소자 동작에 따른 ZVS 상태여부를
확인하였고, 전자부하 시험을 통해 300W급 전원공급장치의 신뢰성을 검증하였다.
Acknowledgements
본 과제(결과물)는 교육부와 한국연구재단의 재원으로 지원을 받아 수행된 3단계 산학연협력 선도대학 육성사업(LINC 3.0)의 연구결과입니다.
References
Hyo-Seok Oh, 2021, Sensor Module Design for 3-Phase Current Detector using Inductive,
The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 70, No. 12,
pp. 2029~2034
Prasanth Sundararajan, Sept/Oct 2018, Online Condition Monitoring System for DC-Link
Capacitor in Industrial Power Converters, IEEE Transactions on Industry Applications,
Vol. 54, No. 5, pp. 4775-4785
Seung-Ho Song, 2023, A Study on the High Efficiency Power Supply System for the Passenger
Cars Information Indicator of Railway Vehicles, Korea National University of Transportation
Sun-Ho Choi, 2004, A Study on the Characteristics of the Active Clamp Forward Converter
using a Lossless Snubber, Jeonju University
Young-Chul Lee, 201506, Active Cell Balancing Circuit Based on the Forward Converter
with an RCD circuit, International Conference on Power Electronics
Kyung-Jun Lee, 2016, Forward Converter with Reset Winding and Auxiliary Active-Clamp
Zero Voltage Switching Circuit for Wide Input Voltage Range, The Graduate School Seoul
National University
Shin-Ju Chen, Huang-Chang Chang, 2007, Analysis and implementation of low-side active
clamp forward converters with synchronous rectification, IECON 2007-33rd Annual Conference
of the IEEE Industrial Electronics Society. IEEE
C. H. Chang, H. L. Cheng, C. A. Cheng, E. C. Chang, 2013, A Color LED Driver Implemented
by the Active Clamp Forward Converter, Journal of applied research and technology,
Vol. 11, No. 2, pp. 283-291
저자소개
2020년 인덕대학교 메카트로닉스공학과 졸업.
2022년 한국교통대학교 교통시스템공학과 졸업(공학석사).
2022년~현재 한국교통대학교 교통정책시스템공학과 박사과정
E-mail : email
2006년 철도대 철도차량전기과 졸업.
2015년 중앙대 대학원 전자전기공학부 졸업(공박).
2006년 ~현재 한국교통대 교통대학원 교통시스템공학과 조교
2001년 관동대학교 전자통신공학과 졸업.
2003년 광운대학교 전자통신공학과 졸업(공학석사).
현재 인터모빌리티(주) 근무
1994년 성균관대 전기공학과 졸업.
2000년 2월 동 대학원 졸업(공박).
2000년∼2004년 현대모비스㈜ 기술연구소 선임연구원.
2006년∼현재 국토교통부 철도기술 전문 위원,
2004년 3월∼2012년 2월 한국철도대학 철도차량전기과
2013년 3월∼현재 한국교통대학교 교통시스템공학과 교수