발전기를 항상 최적의 조건으로 동작시켜 효율 85% 이상 실현

풍력발전기와 조합한 납축전지의 고효율 충전 회로

久保大次郞(Kubo Daijiro)

충전 회로 ① … 수W∼200W 출력의 풍력발전기용

1. 초퍼형 강압 회로에서 20∼80V를 축전지의 12V로

로터 블레이드의 지름이 1m 정도인 마이크로 풍력발전기에 적합하며 150W 클래스의 풍력발전기에서까지 사용할 수 있 는 충전제어 회로에 대해 생각해보자. 제어하는 DC-DC 컨버터의 회로에는 다양한 방식이 있는 데, 그림 1은 초퍼형 PWM 스위칭 방식에 의한 충전 제어 회 로이다. 그림과 같이 초퍼 방식의 스위치 회로(그림 2) 2개를 병렬로 하여 동작하도록 했다.

초퍼형 스위치 회로는 입력과 출력을 전기적으로 절연할 경 우 사용할 수 없지만, 마이크로 풍력발전에서는 축전지에 충 전하는 것이 좋으며 입출력 절연은 필요 없다. 초퍼형은 트랜 스가 필요 없고 인덕터만 있어도 되므로 회로가 간단해진다는 이점이 있다.

(1) 스위치로는 파워 트랜지스터 2SK3176을 사용했다

대전류 스위치에는 N채널 MOS형 파워 트랜지스터 2SK3176을 사용했다. 이 트랜지스터는 내압이 150V, 펄스 최 대 드레인 전류가 120A이므로 입력 전압에 대한 여유가 충분 하다.

(2) 파워 트랜지스터의 제어에는 스위칭 전원 IC TL494를 사용했다

파워 트랜지스터를 제어하는 회로는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식의 스위칭 전원 IC TL494를 사용했다. (3) 평활용 인덕터는 63μH인 코일을 사용했다 스위칭한 후의 평활용 인덕터는 트로이덜 코어가 사용된 63

μH의 코일을 사용했다. 이 코일은 전원 회로 필터 등에 사용되 는 경우가 많으며 아키하바라 등에서 권선된 코일이 판매되고 있다. (4) 구동 트랜스로는 수작업한 1 : 1 트랜스를 사용했다 MOS 파워 트랜지스터를 구동하는 트랜스 T1, T2는 소형 항 아리형 페라이트 코어에 􄦀0.3mm의 폴리우레탄선을 1차, 2 차 모두 30회 감고, 1 : 1의 트랜스로 했다(사진 1).

2. 풍력발전기를 항상 최적의 조건으로 동작시키는 피드 포워드 제어 회로

(1) 입력 전압의 거의 3제곱에 비례하여 입력 전류가 흐른다

이 회로에서는 풍력발전기를 항상 최적의 조건으로 동작시 키기 위해 입력 전압의 거의 3제곱에 비례하여 입력 전류가 흐 르도록 했다. 그 이유는 나중에 해설한다. 엄밀하게 3제곱 특성을 만드는 것은 어렵다. 제너 다이오드 ZD1∼ZD3로 이루어진 회로를 사용하여 근사적으로 입력 전압 의 3제곱에 비례하는 전압을 작성하고, 피드 포워드 제어에 의 해 원하는 특성을 얻었다.

(2) 기본 동작

그림 3에 이 특성을 생성하기 위한 피드 포워드 제어의 기본 회로를 나타낸다. 제어 IC TL494는 태양광 발전의 제어 회로에 서도 사용했다. 상세한 설명은 생략하지만, 그림에서 에러 앰프 의 플러스 측 전압이 기준 전압인 마이너스 측 전압보다 커지면 PWM의펄스폭이커지고스위칭회로의출력전류는증대한다. 그림 1의 회로에서 기본 전압 Vref는 ⑭핀의 5V 전압을 저항 분할하여 약 50mV로 설정 했다. 그래서 그림 3에서 풍 력발전기의 전압 Vin이 증대 했을 때 Tr1의 이미터에는 Vin의 R1과 R2에서 분할된 전압이 나온다. 현재 R8＝0 Ω일 때 그 전압이 제너 다이 오드 ZD1보다 작으면 R3 → R7을 통해 Is가 흐른다. 그러 나 ZD1보다 전압이 높아지

면 ZD1 → R4 → R7을 통해 흐르는 전류가 부가된다. 또 전압 이 높아지면 ZD2 → R5 → R7, ZD3 → R6 → R7의 전류가 가산 된다. 이와 같이 이 회로에서 흘러나오는 전류 Is는 Vin이 상승함 에 따라 급격히 커지며 ZD1∼ZD3, R3∼R5를 적절히 설정함으 로써 다음과 같이 된다. Is≒k×Vin 3 여기서 k는 비례계수이다. 한편, 풍력발전기로부터의 전류 Iin에의해 R8 양단에는 IinR8 전압이 발생한다. 따라서 에러 앰프의 플러스 입력 전압 Ve는 다음과 같다. Ve＝(R7＋R8)Is－R8Iin R8은전류검출용저항이며매우작으므로다음과같이된다. Ve≒R7Is－R8Iin PWM 스위칭 회로에서는 기준 전압 Vref와 Ve가 거의 같아 지도록 제어되므로 다음과 같이 된다. Vref＝R7kVin 3－R8Iin 그러므로 발전기에서의 전류 Iin[A]은 다음과 같다. Iin＝(kR7Vin 3－Vref)/R8여기서Vref≒0이라고하면발전기에서흐르는전류Iin은전압 Vin의3제곱에비례한다. 실제로는ZD1∼ZD3, R3∼R5를컷& 트 라이로 설정하여 전압의 거의 3제곱에 비례하는 전류가 흐르도 록조정한다. (3) 블레이드의 형상과 발전기의 출력 전압에 따라 최적의 부하 조건을 선택하는 스위치 이 회로는 블레이드에 특성을 맞춤으로써 어떤 풍속에서도 항상 최대 출력을 얻을 수 있게 됐다. 그러나 블레이드 형상과 발전기의 출력 전압에 의해 최적의 부하 조건을 선택할 필요 가 있다. 이것을 실현하기 위해, 스위치에 의해 5단계로 최적 의 특성을 선택하도록 했다

3. 출력 스위치 회로를 2채널로 구동하여 리플을 줄였다

그 외의 회로는 태양광 발전의 제어 회로와 거의 같지만 이 회로에서는 출력 스위치 회로를 2채널(Tr6, Tr7)로 했다. 그리 고 TL494의 출력 컨트롤 ⑬핀을 5V로 하여 푸시풀 모드로 사 용했다. 푸시풀 모드로 함에 따라 스위치 ON의 듀티비가 50% 이하로 되지만 입출력 전압차가 크므로 문제가 없으며, 또 Tr6 와 Tr7이 교대로 작동하므로 출력 리플을 줄일 수 있다는 이점을갖고있다.

4. 이 기기의 성능 … 20∼200W에서 85∼90%로 고효율!

그림 4는 이 기기의 입력 전압에 대한 입력 전류 특성을 측 정한 결과이다. 입력 전압에 대해 입력 전류는 2∼3제곱으로 되어 있다. 그림 5는 발전기의 출력 전력에 대해 이 회로의 전 력 효율을 측정한 것이다. 여기서 85∼90%의 높은 효율이 얻어졌다.

충전 회로 ② … 500W 출력의 풍력발전기용

1. 발전기에서의 15∼100V를 축전지의 12V로 변환하고 싶다

대형 로터 블레이드를 가진 풍력발전기의 충전 제어 장치를 소개한다. 지름 2m 정도의 블레이드를 가진 제어 장치로 설계 했지만 다양한 블레이드 길이, 형상에도 사용할 수 있도록 입 력 전압값을 스위치로 바꿀 수 있도록 했다. 발전기의 출력 전압15∼100V로 동작한다.

2. 광범위한 입력 전압에 대응하기 위한 연구

풍력발전기의 전압 범위가 15∼100V로 되면 그 동작 범위 가 6, 7배로도 된다. 그 상태에서 PWM 스위치로 제어했을 경 우, 고전압 입력에서는 스위치 펄스의 듀티비가 커져 스위치 소자에 과대 전류를 흘려야 한다. 그래서 광범위한 입력 전압 에 대응하기 위해 그림 6과 같이 구성했다. 즉, 풍력발전기의 출력 전압이 낮을 때에는 전압을 일단 60V로 승압하고 그 전 압을 브리지형 DC-DC 컨버터에 의해 축전지 전압으로 변환 하는 방법이다. 물론 발전기의 전압이 60V 이상으로 되면 승 압형 컨버터는 작동하지 않으며 그대로 브리지형 컨버터로 공 급된다. 따라서 브리지형 컨버터의 입력 전압은 60∼100V이다. 이 범위라면 스위칭 펄스의 듀티비는 커지지 않고 효율이라는 점 에서도 효과적이다. 그러나 낮은 입력 전압일 때에는 2단의 DC-DC 컨버터를 경유하므로 저전압일 때의 전력 효율이 약 간 낮아진다는 결점도 있다.

3. 60V로의 승압은 초퍼형, 60V → 12V는 풀 브리지형

DC-DC 컨버터 회로에는 다양한 방식이 있는데, 전단의 승압부 회로에는 그림 7과 같은 초퍼형을 사용했다. 또 후단 의 60V에서 축전지 전압 12V로 변환하는 데에는 그림 8과

같은 푸시풀 방식의 풀 브리지형 DC-DC 컨버터 회로를 사 용했다. 풀 브리지형의 기본 회로는 그림 8과 같이 출력 트랜스를 사용하고, 4개의 파워 트랜지스터를 교대로 ON/OFF함으로 써 전압을 변환한다. 이 방식은 고주파 트랜스를 사용하기 위 해 설계 자유도가 높고 강압과 승압에 모두 사용할 수 있다. 또 이번에는 필요 없지만 입력과 출력을 전기적으로 절연할 수 있다는 이점도 있다.

4. 실제 승압 회로

그림 9는 500W의 발전기와 조합시킨 전원 회로이다. 사진 1에 제어기 내부를 나타낸다. 승압부는 출력 전압이 60V로 되 는 회로이다. 스위치 회로를 2채널로 하고, 파워 트랜지스터 는 2SK3176을 사용했다. 제어 IC에는 전례와 마찬가지로 TL494를 사용하고, 피드백 제어에 의해 60V 출력을 얻었다. VR1에 의해 출력 전압이 60V로 되도록 조정한다. 또 출력 전 압이 어떠한 원인에 의해 이상하게 상승하는 것을 방지하기 위해 과전압에서 정지시키는 회로로 되어 있으며 VR2에서 그 전압값을 조정한다

5. 60V → 12V 변환 회로

한편, 승압부에서 얻어진 60V 고정 전압은 풀 브리지형 DC-DC 컨버터를 이용하여 축전지 전압으로 변환했다. 이 제 어에는 피드 포워드 제어가 사용됐다.

(1) 대전류 스위치의 드라이브 IC IR2110

제어 IC에는 TL494를 사용하고, 파워 MOSFET을 드라이 브하는 회로에는 IR2110이라는 드라이브 IC를 사용했다. 기존 의 N채널형 파워 MOSFET을 푸시풀로 사용할 때 전원 전압 보다 높은 드라이브 전압을 얻기 위해 트랜스를 사용하거나 부트스트랩 회로를 사용하여 그 전압을 만들었다. IR2110은 푸시풀 회로의 하이 사이드와 로우 사이드의 트랜 지스터를 고내압, 고속으로 드라이브하기 위해 설계된 IC이 다. 500V의 내압을 갖고 있을 뿐만 아니라 고속이며 MOS 파 워 트랜지스터에 대해 10∼20V의 게이트 드라이브 전압을 얻 을 수 있다. 이 IC의 입력 전압은 25V(VDD)까지 허용되므로 TL494의 출 력을 직접 입력했다. 이 IC 두 개를 사용하여 역위상 입력을 가하고, IR2110에 의해 파워 MOSFET 4개를 드라이브하여 풀 브리지형 스위치 회로를 구성했다. 출력은 트랜스를 통해 쇼트키 배리어 다이오드로 정류, 평활 회로를 거쳐 직류 전압 을 얻었다.

(2) 출력 트랜스

이 회로에서는 브리지형 출력이므로 고주파 트랜스가 필요 하다. 브리지 출력의 능력은 충분하므로 용량이 큰 페라이트 코어가 있다면 좋겠지만 갖고 있던 것이 없었으므로 출력 트 랜스에는 EI-50형(폭 50mm) 페라이트 코어가 사용된 트랜스 2개를 병렬로 접속했다. 이 회로에서는 출력 전류(충전 전류)가 500W 출력 시 40A 로도 되므로 트랜지스터에는 그 이상의 전류가 흐른다. 따라서 상당히 굵은 선 지름을 가진 권선이 필요하지만 가공이 어려우 므로 􄦀0.7mm의 폴리우레탄선 몇 개를 모아서 감도록 했다.

(3) 출력 평활용 인덕터

출력 평활용 인덕터는 폭 40mm의 EI-40형 페라이트 코어 (TDK)를 사용했다. 마찬가지로 􄦀0.7mm의 폴리우레탄선 8 개를 묶어 보빈에 20회 감고 자기 포화되지 않도록 약 0.2∼ 0.3mm의 종이를 끼워 갭을 만들었다. 또 큰 페라이트 코어를 사용하면 1kW 정도의 출력도 가능할 것이다.

(4) 3제곱 특성 생성 회로

제어 방식은 앞서 설명한 150W급 제어 회로와 마찬가지로 3제곱 특성 생성 회로를 이용한 피드 포워드이다. 다양한 블레 이드 길이, 형상, 발전기에 대응하기 위해 그 특성을 스위치로 바꿀 수 있도록 했다.

(5) 정류용 쇼트키 배리어 다이오드

정류용 쇼트키 배리어 다이오드는 인터내셔널 렉티파이어 의 43CTQ100을 사용했다. 이 다이오드는 바깥 지름이 TO- 220형이고 최대 전류 정격이 40A이지만 여유를 두고 2개를 병렬로 접속하여 합계 4개를 사용했다.

(6) 온도 감지형 방열 팬으로 회로 안의 열을 방산시킨다

이 회로를 최대 출력으로 동작시키면 전력 효율이 80∼90% 정도이므로, 예를 들어 500W의 전력을 다룰 경우 50∼100W 정도의 손실이 발생한다. 이들은 트랜지스터, 트랜스/코일, 다 이오드에서 열로 되므로 어떠한 형태로 열을 방산시킬 필요가 있다. 풍력발전에서는 연속해서 최대 출력으로 동작하는 경우가 거의 없지만 연속 동작이 가능하므로 온도 감지형 방열 팬을 설치했다.