Journal of IKEEE (전기전자학회논문지)

Institute of Korean Electrical and Electronics Engineers (한국전기전자학회)
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New Fault Current Fast Shutdown Scheme for Buck Converter

벅 컨버터의 새로운 고장전류 고속차단 기법

  • Park, Tae-Sik (Dept. of Electrical and Control Engineering, Mokpo National University) ;
  • Kim, Seong-Hwan (Dept. of Electrical and Control Engineering, Mokpo National University)
  • Received : 2019.03.03
  • Accepted : 2019.03.06
  • Published : 2019.03.31
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Abstract

This paper presents a novel fast shut-down scheme for Buck converter by using a coupled inductor. Generally, a controller for Buck converter stops generating PWM patterns in various fault cases: Overcurrent, Short circuit, or Overvoltage, but the inductor and capacitor keep supplying their stored energy to loads although the switching operations in Buck converter stopped. The stored energy in the inductor and capacitor could cause electrical stresses on breakers and safety problems. The main idea of the proposed fast shutdown scheme is to demagnetize the inductor core by using a coupled inductor, and its performance and operations are verified by using PSIM Simulation.

벅 컨버터는 전압 직류 계통(LVDC), 가전 분야 및 전기차 충방전 분야에서 다양하게 적용되고 있는 전력변환장치이며, 일반적으로 벅 컨버터는 부하측에 단락 등 고장 발생시 반도체 스위칭 소자를 개방시켜 벅 컨버터의 운전을 중지시킨다. 그러나 벅 컨버터의 출력단에 인덕터와 캐패시터에 저장된 에너지로 인해 고장 전류가 지속적으로 부하로 전달되는 문제점을 가지고 있다. 본 논문에서는 벅 컨버터의 출력측 저역통과 필터에 일반적인 인덕터 대신 커플드 인덕터(Coupled-inductor)를 사용하여 인덕터에 저장된 전기에너지를 부하단에 공급되지 않도록 소모시키는 구성을 포함하는 벅 컨버터의 새로운 고장전류 고속차단 방식을 제안하며, 제안된 방식은 시뮬레이션을 통해 성능을 검증하였다.

Keywords

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Fig. 1. Example Layout of DC Grid. 그림 1. DC 마이크로그리드의 기본 구성 예시

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Fig. 2. Conventional Buck Converter and DC Breaker. 그림 2. 일반적인 벅 컨버터와 DC 차단기 구성 예

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Fig. 3. Coupled Inductor structure. 그림 3. 커플드 인덕터의 구성

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Fig. 4. Equivalent Circuit of Coupled Inductor. 그림 4. 커플드 인덕터 등가회로

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Fig. 5. Proposed Fast shutdown scheme for converter. 그림 5. 제안된 컨버터 고속 셧다운 방식 구성도

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Fig. 6. Equivalent Circuit in Fast-shutdown Mode. 그림 6. 고속 셧다운 모드시 출력단 등가회로

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Fig. 7. SImplified RL equivalent circuit. 그림 7. 간략화된 RL 등가회로

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Fig. 8. PSIM Simulation schematic diagram of Proposed method. 그림 8. 제안된 방식의 PSIM 시뮬레이션 회로도

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Fig. 9. Conventional Buck converter shutdown. 그림 9. 기존 벅컨버터 셧다운 방식

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Fig. 10. Proposed Buck converter shutdown scheme. 그림 10. 제안된 벅컨버터 셧다운 방식

Table 1. Design Parameter of Buck Converter. 표 1. 벅 컨버터 설계 사용

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Table 2. Comparison of Shutdown Time (t=0.2s Shutdown). 표 2. 고장전류 감쇄 시간 비교 (t=0.2s 셧다운)

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References

  1. Pasi Nuutinen, "Short-Circuit Protection in a Converter-Fed Low-Voltage Distribution Network," IEEE Trans. on POWER ELECTRONICS, Vol. 28, No. 4, 2013. DOI: 10.1109/TPEL.2012.2213845
  2. ABB, "Faults in LVDC microgirds with front-end converters," ABB SACE Technical Application Papers No.14, 2015.
  3. Marek Bartosik, Ryszard Lasota, Franciszek Woojcik, "Modern dc circuit breakers," tts 9, 2006.
  4. Wang Y. Kong,. "Review of DC Circuit Breakers for Submarine Applications," Maritime Platforms Division, Defence Science and Technology Organisation, 2012.
  5. Harald Fien, "High-voltage circuit-breakers: Trends and recent developments," Siemens AG, 2011.
  6. ABB, "ABB circuit-breakers for direct current applications," ABB SACE, Technical Application Papers No.5, 2015.
  7. Dragan Jovcic, Boon Teck Ooi, "Developing DC Transmission Networks Using DC Transformers," IEEE Trans. on POWER DELIVERY, Vol. 25, No. 4, 2010. DOI: 10.1109/TPWRD.2010.2052074
  8. Suwat Kitcharoenwat, Mongkol Konghirun, "A Novel Single-Phase AC-AC Converter for Circuit Breaker Testing Application," IEEE Trans. on INDUSTRY APPLICATIONS, Vol. 50, No. 6, 2014. DOI: 10.1109/TIA.2014.2311504
  9. Abdullah A. S. Emhemed and Graeme M. Burt, "An Advanced Protection Scheme for Enabling an LVDC Last Mile Distribution Network," IEEE Trans. on SMART GRID, VOL. 5, NO. 5, 2014. DOI: 10.1109/TSG.2014.2335111
  10. L. Tang and B.-T. Ooi, "Locating and isolating DC faults in multiterminal DC systems," IEEE Trans. Power Delivery, Vol. 22, No. 3, 2007. DOI: 10.1109/TPWRD.2007.899276
  11. Jae-Do Park, Jared Candelaria, Liuyan Ma, and Kyle Dunn, "DC Ring-Bus Microgrid Fault Protection and Identification of Fault Location," IEEE Trans. Power Delivery, Vol. 28, No. 4, 2013. DOI: 10.1109/TPWRD.2013.2267750
  12. D. Salomonsson, L. Soder, and A. Sannino, "Protection of low-voltage DC microgrids," IEEE Trans. Power Delivery, Vol. 24, No. 3, 2009. DOI: 10.1109/TPWRD.2009.2016622