Today, Renewable energy based clean distributed power generation systems are widely employed due to the concern about environment. Fuel cell is one of promising clean energy sources. Fuel cell power supply system typically includes a high step-up converter to boost the output voltage of fuel cell stacks. Active clamped current-fed full-bridge converter is widely used in low input voltage application. In low input voltage application, the low efficiency is caused by the high conduction loss of main switches ($S_1$ - $S_4$). In additional, high turn-off current flows through the auxiliary switch ($S_{aux}$) generating the large turn-off switching loss. Moreover, since auxiliary switch operates with doubled switching frequency, the turn-off loss is accelerated. This paper proposes active clamped current-fed full-bridge converter integrating LLC converter for fuel cell power system. LLC converter is integrated into conventional active clamped current-fed full-bridge converter without additional active component and volume increasing. Due to the two transformers structure, peak current of main switches $S_1$ - $S_4$ is reduced. Conduction loss of main switch is decreased. Moreover, Turn-off loss and conduction loss of auxiliary switch $S_{aux}$ is reduced by sinusoidal resonant current. In addition, the proposed converter has low voltage stress on the primary switches because a high step-up voltage conversion ratio can be realized with the low duty ratio D. Thus, Switches can be selected with low $R_{DS(on)}$. To verify proposed converter performance, prototype converter with 36V-57V input voltage, 400V output voltage, and 1kW output power is implemented.
이산화탄소 증가로 인한 지구 온난화 같은 환경문제가 발생됨에 따라 친환경적이고 지속 가능한 에너지원의 수요가 꾸준히 증가하고 있는 추세이다. 연료 전지는 고효율의 발전 특성 및 이산화탄소의 배출이 없어 기존의 화석 연료 기관을 대체할 수 있는 새로운 에너지 원으로 주목 받고 있다. 연료 전지는 부하 전류가 증가 할수록 연료 전지의 출력 전압이 낮아지는 특성을 가지며 낮은 출력 전압 특성 (36-57V)을 가진다. 한편 인버터의 입력 전압이나 마이크로그리드의 DC 버스 전압은 400V의 높은 전압을 가진다. 따라서 일반적으로 연료 전지 파워 시스템은 고승압 컨버터를 포함한다. 연료 전지에서 생성된 에너지를 전달하기 위해서 고승압 컨버터는 연료 전지의 낮은 전압을 인버터 및 DC 마이크로그리드를 위한 400V의 높은 전압까지 승압 시킬 수 있어야 한다. 또한 연료전지의 에너지 효율과 수명을 향상 시키기 위해 DC/DC 컨버터의 스위칭으로 인해 발생하는 연료 전지의 출력 전류 리플의 크기가 작아야한다.
기존의 액티브 클램프 전류원 풀 브릿지 컨버터는 고승압비와 낮은 입력 전류 리플, ZVS 동작 특성으로 인해 낮은 입력 전압 응용에서 많이 사용되는 토폴로지이다. 하지만 고승압비를 구현하기 위해 큰 시비율이 사용되기 때문에 1차측 스위치의 전압 스트레스가 높다. 게다가, 클램프 캐패시터의 방전 구간에 1차측에 큰 피크 전류가 발생한다. 피크 전류는 입력 전류의 두 배까지 발생하여 주 스위치에서 높은 도통 손실이 나타난다. 보조 스위치의 경우에는, 큰 턴 오프 전류로 인해 높은 턴 오프 스위칭 소실이 나타난다. 보조 스위치는 주 스위치와 비교하여 두 배의 주파수로 동작하기 때문에 턴 오프 스위칭 손실은 더욱 가중된다.
본 논문에서는 기존의 컨버터의 한계점을 극복하여 높은 효율을 가지고 연료 전지 응용에 적합한 새로운 컨버터를 제안하고자 한다. 제안된 컨버터는 기존의 액티브 클램프 전류원 풀 브릿지 컨버터의 한계점을 극복하기 위해 하프-브릿지 LLC 컨버터를 통합하였다. 추가적인 액티브 소자와 부피 증대 없이, 하프-브릿지 LLC 컨버터의 통합이 가능하다. 제안된 컨버터는 LLC 컨버터의 추가적인 전압 이득으로 인해 높은 전압이득을 가진다. 이를 통해, 제안된 컨버터는 낮은 시비율로 설계가 가능하여 스위치 전압 스트레스가 감소된다. 또한 두 개의 트랜스포머가 파워를 분담함으로써 1차측 피크 전류를 절반으로 감소시켜 주 스위치의 도통 손실을 감소 시킬 수 있다. 게다가, 사인 형태의 LLC 공진 탱크 전류로 인해 보조 스위치의 턴 오프 스위칭 손실과 도통 손실이 줄어들 수 있다. 또한 기존의 컨버터와 동일하게 모든 스위치가 ZVS 턴 온 동작을 한다. 이러한 장점들을 통해 컨버터의 에너지 변환 효율을 향상 시킬 수 있다.
본 논문에서는 제안된 컨버터의 동작이 분석되었으며, 설계 시 고려사항에 대해서 다룬다. 제안하는 컨버터의 타당성을 증명하기 위해, 1kW(400V, 2.5A) 사양으로 설계 및 제작하여 실험을 수행하였다. 실험 결과, 제안된 컨버터는 부피 증대 없이 구현 가능하다는 것을 검증하였다. 따라서, 전력 밀도의 손실 없이 제안된 컨버터는 에너지 변환 효율 향상을 위한 연료 전지 파워 시스템에 적합하다.
