Design and Control Method of Full-bridge DC-DC Converter for Electrolyzer

전기분해수조를 위한 풀-브릿지 DC-DC 컨버터의 설계와 제어 방법

Abstract

Hydrogen is commonly used in many industrial field. However, hydrogen should be filled in a high pressure container to use it. Therefore, many researches have been conducted about an electrolyzer. The operating principle of the electrolyzer is that the electrolyzer can separate water molecules into hydrogen and oxygen. To use the electrolyzer, a power conversion system is needed because the current of the electrolyzer increases exponentially depending on the voltage of the electrolyzer. Thus, this paper proposes the power conversion system for the electrolyzer using a full-bridge DC-DC converter topology.

1. 서 론

수소는 반도체 공정, 조명산업, 식품산업, 석영제조 등 산업체에서 많이 사용되고 있다. 하지만 이 수소를 사용하기 위해서는 외부에서 따로 생산된 수소를 저장통에 저장하여 사용해야 하는 단점이 있다. 따라서 최근에는 물에서 직접 수소와 산소를 분리하는 장치에 관한 많은 연구가 진행되고 있다[1-3]. 수소와 산소를 분리, 생산하는 물 전기분해장치의 용도는 매우 넓다. 순수 수소를 필요로 하는 산업체나 수소와 산소의 연소 시 생기는 고온의 불꽃이 필요한 용접, 절단, 탈취공정 등 다양한 용도로 사용된다. 또한 풍력, 태양광, 수력, 심야전력 등으로 얻은 전력을 수소로 변환하고 필요시에 연료전지를 사용하여 전기로 변환하는 것이 가능하기 때문에 임시 에너지 저장체로도 사용된다. 수소의 형태로 저장되는 재생에너지는 물리적인 크기, 제한된 수명, 배터리의 유지와 처리 등 배터리에 기반한 에너지 저장 시스템의 단점을 극복할 수 있다[4].

전기분해장치를 제작하기 위해서 전기화학 반응이 일어나는 전극의 제조기술이 필요하다. 전극은 그 동안 여러 종류가 개발되었는데, 이중 알칼리 수용액의 전기분해에 사용되는 고표면적 니켈 전극이 많이 사용된다[5]. 본 논문에서 사용된 알칼리 전극은 저가의 니켈 원료를 사용하여 일차적인 성형을 만든 후 그 성형체의 고표면적 표면에 대기압 플라즈마 방법을 이용하여 추가로 전극촉매물질을 증착한 후에 성형체 전체를 재처리하여 제조한다. 따라서 경제성과 기계적인 안정성을 가지고 있고 생성된 가스의 순도를 높일 수 있다는 장점이 있다.

전극으로부터 사용자가 원하는 양의 수소를 생산하기 위해서 전극에는 원하는 수소생산량에 해당하는 전류를 입력시켜야 한다. 하지만 전극의 부하 특성상 일정 전압 이상에서 전류가 급격하게 증가하는 등 입력전력과 전극 사이의 전력흐름을 조절하는 것이 어렵다[6]. 따라서 전기분해장치는 DC-DC 컨버터를 사용하여 전극으로 입력되는 전력을 제어한다. 전기분해장치에 사용되는 DC-DC 컨버터로 풀브릿지 컨버터가 많이 사용된다[7-9]. 전기분해장치가 큰 부피와 무게로 인해 운반성이 낮고 전극보다는 전원 장치가 큰 부피를 차지하므로 전원 장치의 부피와 무게를 줄이는 것이 요구되기 때문이다. 따라서 높은 스위칭 주파수를 갖는 풀-브릿지 컨버터 설계를 통해 변압기와 출력 필터의 인덕 터 크기를 줄이는 것이 필요하다.

본 논문에서는 단상 220V전원을 입력받아 직류단 전압을 만드는 AC-DC 컨버터와 입력과 출력의 전기적인 절연과 동시에 변압기와 출력 필터의 인덕터 크기를 줄이기 위해 50kHz의 스위칭 주파수로 동작하는 풀-브릿지 컨버터를 이용하여 전기분해장치용 DC-DC 컨버터를 설계하였다. 설계한 컨버터의 정격전압과 전류는 80V, 80A이고 일정 전압 이상에서 전류가 급격하게 증가하는 전극의 부하 특성을 고려하여 전기분해의 제어 초기에는 전압을 제어하고 실제 전류가 지령 전류보다 높아졌을 때 전류를 제어하는 시스템을 갖고 있다.

전기분해수조를 위한 컨버터를 설계하기 위해 PSIM 시뮬레이션 툴을 이용하여 시뮬레이션 모델링을 수행하였다. 이 시뮬레이션 모델의 분석결과를 바탕으로 실험을 통해 하드웨어 구현의 타당성을 검증하였다.

 

2. 전극의 특성분석

2.1 일반적인 전극

전기분해수조는 물 분자를 수소와 산소로 분리하기 위한 직류 전류가 요구된다. 전류는 이온의 전도성을 높이기 위한 전해액에 담겨 분리된 두 전극(electrode)을 통해 흐른다. 두 전극은 강한 부식성, 좋은 전기 전도성, 안정적인 구조를 갖고 있어야 한다. 전해액(electrolyte)은 전기분해 과정동안 어떠한 변화도 없어야 하기 때문에 전극과 반응하지 않는 것이 중요하다[10].

전기분해 과정은 전극으로부터 생성된 수소와 산소의 재결합을 막기 위한 격막(diaphragm)이 필요하다. 격막의 전기적인 내구성은 전극의 단락을 막아줄 뿐만 아니라 높은 이온 전도성을 가져야 한다. 따라서 격막은 물리적으로, 화학적으로 높은 안정성을 갖고 있어야 한다[11].

이러한 특성에 따라 전극을 구성하는 필수 요소는 전극, 격막, 전해액이다. 일반적인 전기분해 반응은 식 (1)과 같다.

전기분해 과정에서 전자는 전극의 표면에서 이온에 의해 공급되거나 방출된다. 감소 반쪽반응(reduction half-reaction)은 음극(cathode)에서 발생한다. 전자는 외부 회로에서 전극으로 흐르고 음으로 극성을 발생시킨다. 산화 반쪽반응(oxidation half-reaction)은 양극(anode)에서 발생한다. 전자는 전극에서 외부 회로로 흐르고 양으로 극성을 발생시킨다. 그러므로 수소는 음극에서 발생되고 산소는 양극에서 발생된다.

2.2 알칼리 수용액을 이용한 전극

알칼리 용액의 전기분해 전지의 동작원리는 그림 1과 같다. 전지는 막혀있는 격막에 의해 분리된 두 개의 전극으로 구성된다. 두 전극은 이온의 전도성을 최대로 하기 위해 농축된 KOH 수용액이 전해액으로 사용된다. 보통 동작온도는 65℃에서 100℃의 범위를 갖는다. 다른 전해액으로는 NaOH나 NaCL이 있지만 잘 사용되지 않는다. 알칼리 전해액의 단점은 부식성을 갖는다는 것이다.

그림 1알칼리 수용액을 이용한 전극의 동작 원리. Fig. 1 Operating principle of an electrolysis cell using alkaline electrolyte.

음극으로부터 방출된 수소 가스는 식 (2)에 따라 물에서 수소음이온(anion)이 발생한다. 이 수소 음이온은 격막을 지나 외부전원에 의해 생성된 전기장에 있는 양극을 따라 순환한다. 그 후 수산화물(hydroxide)은 식 (3)와 같이 양극의 표면에서 분리되어 산소와 전자를 생성한다. 생성된 전자는 전기회로의 폐회로를 구성한다.

전극에서 생성된 기체 화합물은 전극의 효율을 감소시키는 농도과전압(overvoltage concentration)이 발생할 수 있기 때문에 중요하다. 따라서 이러한 기체 화합물을 이용하기 위해 전극은 전해액의 계면 면적이 최대화되도록 설계해야 한다. 또한, 전극이 다공성 구조를 가지고 많은 기공(perforation)을 갖는 것이 중요하다[12]. 전해액에 관해서 보면 그림 1과 같이 발생되는 기체에 의해 전달되는 온도와 액체에 의한 대류적인 재순환이 발생된다. 이러한 액체의 움직임은 다음과 같은 장점을 지닌다. 먼저 액체의 움직임은 전극의 천공(pore) 내부의 화학종 (chemical species)의 균일화(homogenization)를 돕는다. 또한, 기체 화합물의 발생을 돕고 전기분해 모듈의 효과적인 온도 저감을 위해 열 전달율을 높이는 장점이 있다.

그림 2는 알칼리 수용액을 이용한 전극의 전압-전류 특성을 나타낸 곡선이다. x축은 전극의 한 셀의 전압, y축은 전극의 한 셀의 전류를 나타낸다. 전극의 전압이 상승할수록 전극의 전류가 지수적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서 이 전극의 전압- 전류 특성 곡선에 따라 DC-DC 컨버터의 제어기를 설계하는 것이 필요하다.

그림 2알칼리 수용액을 이용한 전극의 전압-전류 특성 곡선. Fig. 2 V-I characteristic curves of an electrolysis cell using alkaline electrolyte.

 

3. 전기분해수조를 위한 전력변환장치 시스템

그림 3은 제안된 전기분해수조를 위한 전력변환장치 시스템의 회로도를 나타낸다. 이 시스템은 단상 220V 전원을 입력 받아 정류 브릿지 다이오드와 풀-브릿지 DC-DC 컨버터를 사용하여 전기분해수조를 위한 직류 전압을 생성한다. 전기분해수조로 입력되는 전압은 출력 전압과 전류를 측정하여 풀-브릿지 DC-DC 컨버터의 스위치의 듀티비를 조정하여 제어된다.

그림 3전기분해수조를 위한 전력변환장치 시스템의 회로도. Fig. 3 Circuit diagram of power conversion system for electrolyzer.

3.1 전력변환장치 시스템의 1차 측 설계

전력변환장치 시스템의 1차 측은 다이오드 정류단과 풀-브릿지 컨버터의 스위치단으로 구성된다. 다이오드 정류단의 경우 단상 220V 전원을 입력 받고 각 레그에 2개씩 총 4개의 다이오드를 사용하여 구성된 정류 브릿지 다이오드를 통해 DC link 전압을 생성한다. 정류 다이오드에 인가되는 역내압을 고려하면 다음과 같다. 브릿지 정류 회로에서 입력이 AC 220Vrms이라면 피크전압은 배인 311V이다. 일반적으로 계통전압이 일정하지 않기 때문에 전압 변동분을 고려해야하며 정류다이오드의 경우 600V나 800V의 역내압을 가지는 다이오드가 사용되므로 여유분을 고려하여 800V의 역내압을 가지는 다이오드를 선정하였다.

풀-브릿지 컨버터단의 1차 측인 스위치단은 각 레그에 2개씩 총 4개의 스위치로 구성된다. 전기분해수조를 위한 전력변환장치는 시스템의 소형화를 목적으로 하고 있다. 따라서 사용되는 변압기와 인덕터의 크기를 줄이기 위해 스위칭 주파수를 50kHz로 설정하였다. 따라서 높은 스위칭 주파수에서 사용가능한 MOSFET을 스위치로 사용하였다. 스위치단은 전기분해수조로 입력되는 전압과 전류를 검출하고 지령전압 및 전류와 비교하여 제어기를 통해 MOSFET의 게이트로 입력되는 듀티비를 제어한다. MOSFET의 스위치쌍 S1, S4와 S2, S3는 교번으로 턴-온이 되어 2차 측에 에너지를 전달한다. 스위칭 과정을 살펴보면 그림 4와 같다.

그림 41차 측 스위치단과 전압 및 전류 파형. Fig. 4 Waveform of primary switches, voltage, and current.

그림 4에서 첫 번째 구간은 스위치 S1과 S4가 턴-온되어 MOSFET을 통해 전류가 흐르는 것을 나타낸다. 두 번째 구간은 턴온된 스위치 S1과 S4가 모두 턴-오프되어 변압기의 전류는 스위치 S2와 S3의 다이오드를 통해 흐르면서 자화전류의 경로가 구성된다. 세 번째 구간은 스위치 S2와 S3가 턴-온되어 다시 MOSFET를 통해 전류 경로가 구성된다. 마지막 구간동안에는 반대로 턴-온된 스위치 S2와 S3가 턴-오프되면서 변압기의 전류는 스위치 S1과 S4의 다이오드를 통해 흐르면서 자화전류의 경로가 구성된다.

3.2 전력변환장치 시스템의 2차 측 설계

풀-브릿지 컨버터단의 변압기는 1차 측과 2차 측의 절연을 위해 사용되고 직류단 전압이 변압기의 1, 2차 측 턴 수 비율만큼 변환되어 출력전압으로 나타난다. DC link 전압이 300V일 때 정격 출력전압을 100V로 설정하면 변압기의 턴 수 비율은 3:1이 된다. 변압기 코어에서 발생하는 열을 고려하여 턴 수 비율은 6:2로 제작하였다. 코어는 EE7066코어와 PL9 재질을 사용하였다.

풀-브릿지 컨버터단의 2차 측인 다이오드 정류단의 역내압은 다음과 같이 선정된다. 정류다이오드에 인가되는 전압은 변압기의 턴 수 비율에 따라 약 100V이고 다이오드의 온-타임의 지연에 따른 전류 피크를 고려하여 600V의 역내압을 가지는 다이오드를 선정하였다.

출력 필터는 저역통과 필터의 특성을 가지는 LC필터로 스위칭 주파수와 이에 따른 고조파를 제거하는 역할을 한다. 출력의 정격전압 및 전류는 80V, 80A이고 스위칭 주파수는 50kHz이다. 일반적으로 차단주파수를 스위칭 주파수의 1/10로 하면 스위칭 주파수의 리플 전압이 전원 전압의 1/100로 감소되지만 전기분해조의 특성상 리플이 더욱 크게 발생하여 출력 필터의 차단주파수는 1/10보다 더 낮은 2kHz로 설계하였다. 출력 전류의 변동폭을 5%로 설정하면 4A이고 인덕터 전류가 하강할 때의 시간이 1μs이므로 출력 필터의 인덕턴스 L0는 식 (4)-(6)과 같이 계산된다.

출력 필터의 차단주파수를 2kHz로 설정하였으므로 출력 필터의 커패시턴스 C0 는 식 (7)-(9)와 같이 계산된다.

3.3 전력변환장치 시스템의 제어기 설계

전기분해수조의 부하인 전극의 특성은 전극의 전압이 상승할수록 전극의 전류가 지수적으로 증가하기 때문에 특정 전압에서 급격한 전류 상승 구간이 존재한다는 것이다. 따라서 그림 5와 같이 제어 동작의 초기인 전류와 전압이 선형적으로 증가하는 구간에서는 출력전압 제어를 위한 PI제어를 통해 PWM 듀티비를 생성하여 전극에 공급되는 전압을 제어한다. 전류가 급격히 증가하여 전류의 실제값이 지령값보다 높아지면 출력전류 제어를 위한 PI제어를 통해 PWM 듀티비를 생성한다.

그림 5전력변환장치의 전압 및 전류 제어 블록도. Fig. 5 Voltage and current control diagram of power conversion system.

제어기가 전압 제어를 수행하던 도중 전류의 실제값이 지령값보다 높아지면 전류 제어로 변경되는데 이때 전류 제어는 기존에 수행되고 있지 않았기 때문에 전류 제어기의 출력 듀티비는 0이다. 따라서 전압 제어를 수행할 때에는 식 (10)과 같이 전류 제어기의 적분값을 계산하고 전류 제어를 수행할 때에는 식 (11)과 같이 전압 제어기의 적분값을 계산하여 제어를 변경하였을 때의 급격한 듀티비의 변화를 방지한다.

 

4. 시뮬레이션

전기분해수조를 위한 DC-DC 컨버터 설계의 타당성을 검증하기 위하여 PSIM 시뮬레이션을 수행하였다.

그림 6은 전기분해수조를 위한 전력변환장치 시스템의 시뮬레이션 구성도를 나타낸다. 단상 220V 전압을 입력 받아 300V의 직류단 전압이 생성된 상태를 모의하여 직류 입력 전압을 인가하였다. 출력의 부하는 0.68Ω 의 저항부하로 모의하여 시뮬레이션을 수행하였다. 회로는 풀-브릿지 컨버터단, 출력 필터단, MOSFET의 게이트를 온오프 시키기 위한 입력단 그리고 제어를 위한 DLL 회로로 구성된다.

그림 6전체 시스템의 구성도. Fig. 6 Configuration of whole system.

3장의 설계 내용을 바탕으로 선정한 전력변환장치의 시스템 설계 변수값은 표 1과 같다.

표 1전력변환장치의 시스템 설계 변수값. Table 1 Design parameter of power conversion system.

그림 7은 출력전류가 70A로 제어되는 풀-브릿지 컨버터의 1차 측 스위치단과 전압 및 전류 파형의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 게이트에 신호가 20μs마다 입력되고 이에 따라 변압기의 1차 측 전압과 전류 파형이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 모든 스위치가 오프되는 구간에 MOSFET의 드레인-소스 커패시터와 도선의 부유 인덕턴스 성분이 공진하여 변압기의 1차 측 전압과 전류 파형에 리플이 발생하는 것을 알 수 있다.

그림 71차 측 스위치단과 전압 및 전류 파형. Fig. 7 Simulation waveforms of primary switches, voltage, and current.

그림 8은 출력전류가 70A로 제어되는 풀-브릿지 컨버터의 2차 측 다이오드단과 전압 및 전류 파형의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. MOSFET이 50kHz로 스위칭 됨에 따라 2차 측 정류 다이오드에 전압이 발생하고, 인덕터 전류, 출력전압과 출력전류가 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 출력 필터의 인덕터 전류는 3장에서 설계한 대로 5%의 변동폭인 약 4A의 리플을 갖는 것을 확인할 수 있다.

그림 82차 측 다이오드단과 전압 및 전류 파형. Fig. 8 Simulation waveforms of secondary diodes, voltage, and current.

 

5. 실 험

하드웨어 구현의 타당성을 검증하고자 시뮬레이션에서 얻은 결과를 바탕으로 실험세트를 제작하고 실험을 수행하였다. 그림 9는 실험세트를 나타내며, 부피는 221mm×423mm×500mm이다.

그림 9전력변환장치 실험세트. Fig. 9 Experimental Set-up for power conversion system.

전기분해수조를 위한 전력변환장치는 제어를 위한 제어 보드와 전력을 공급하기 위한 전력보드로 구성된다. 제어보드는 Texas Instrument사의 DSP인 TMS320F28069를 사용하였고 출력전압과 출력전류를 측정하고 게이트 드라이버를 통해 MOSFET의 스위칭 동작을 제어하는 역할을 한다. 전력보드는 정류단, 풀-브릿지 컨버터단, 출력 필터단으로 구성되어 있고 단상 220V전원을 통해 전원을 공급받아 동작한다.

실험에 사용한 전극의 면적은 200cm2이고 8개의 셀이 결합한 전극으로 전력변환장치의 출력전압과 연결되어 물을 수소와 산소로 분리하는 역할을 한다.

그림 10과 11은 출력 70A로 전류 제어되는 전력변환장치의 변압기의 1차 측에 인가되는 전압 VP와 전류 IP를 나타낸다. 50kHz의 스위칭 주파수로 풀-브릿지 컨버터가 동작함에 따라 전압과 전류가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 파형에 나타나는 공진현상의 원인은 다음과 같다. 데드타임이 존재하기 때문에 MOSFET 2개가 동시에 턴-오프되는 구간이 존재한다. 이 기간 동안 전류는 MOSFET의 다이오드를 통해 전류가 흐르게 된다. 그 후 다시 MOSFET이 켜질 때 역회복 전하에 의해 전원단자간에 전류 스파이크가 발생하고 이것이 도선의 부유 인덕턴스와 공진하여 출력에 링잉이 발생한다.

그림 10변압기의 1차 측 전압. Fig. 10 Primary voltage of transformer.

그림 11변압기의 1차 측 전류. Fig. 11 Primary current of transformer.

그림 12는 풀-브릿지 컨버터의 2차 측 다이오드 전압과 LC 필터의 인덕터 전류를 나타낸다. 변압기의 턴 수 비율에 따라 출력 다이오드에는 약 100V의 전압이 나타난다. 다이오드가 턴온될 때 발생하는 피크 전압은 다이오드의 상승시간에 따라 다이오드의 턴온이 지연되어 발생하는 피크전압이다. LC 필터의 인덕터에 흐르는 최소 전류는 67.5A이고 최대 전류는 70A로 3장에서 설계한 출력 전류의 리플인 4A를 만족하는 것을 확인할 수 있다.

그림 12출력 다이오드의 전압과 인덕터 전류. Fig. 12 Voltage of output diode and current of inductor.

그림 13은 전극에 인가되는 전력변환장치의 출력전압과 출력전류를 나타낸다. 출력전류가 70A로 정확히 제어되고 2장에 기술되어 있는 알칼리 수용액을 이용한 전극의 전압-전류 특성 곡선에 따라 약 14V의 전압이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

그림 13출력전압과 출력전류. Fig. 13 Output voltage and output current.

 

6. 결 론

본 논문에서는 전기분해수조를 위한 풀-브릿지 DC-DC 컨버터를 위한 설계와 제어 방법을 제안하고 그 동작을 분석한 내용을 기술하였다. 시뮬레이션 수행 시 실험 조건과 유사성을 갖고 효과적인 분석을 하기 위해 실험에 사용되는 소자들의 데이터시트를 참고하여 MOSFET의 드레인-소스 커패시터와 도선의 인덕턴스를 추가하였다. 전기분해수조는 전극에 인가되는 전압에 따라 전류가 지수적으로 증가하는 특징을 갖고 있다. 따라서 제어 초기에는 전극에 인가되는 전압을 제어하고 전류가 지령값보다 커지게 되면 전류를 제어하여 전극에 과도한 전류가 발생하는 것을 방지하였다. 전력변환장치의 분석을 위해 각 소자의 동작 파형을 PSIM을 이용한 시뮬레이션과 실험을 통해 분석하였다. 실험은 단상 220V 전원과 전극부하를 사용하였으며 출력 전류를 70A로 제어하였으며. 구현한 전기분해수조를 위한 풀-브릿지 DC-DC 컨버터의 타당성을 검증하였다.