주일에 못 모였지만 온라인 예배는 뜨거웠다
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작성자 복솔여
작성일20-03-02 10:01
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전국 교회 코로나19 예방 위해 대부분 온라인 예배로 대체… 성도들 가정서 영상 통해 참여
코로나19 여파로 대부분 교회가 주일예배를 온라인으로 대체했다. 이영훈 여의도순복음교회 목사가 1일 온라인예배에서 설교하고 있다. 강민석 선임기자
주일예배는 변함없이 드려졌다. 교회 예배당이 아니라 가정별 온라인예배로 진행됐다. 1일 한국교회 상당수가 사상 처음으로 주일예배 모임을 온라인으로 대체했다. 신종 코로나바이러스감염증(코로나19) 예방과 확산 방지를 위해서다.
서울 여의도순복음교회(이영훈 목사) 일대는 한산했다. 교회는 이날 오전 7시 1부 예배는 미리 촬영한 녹화분을 온라인을 통해 송출했다. 2~3부 예배는 이영훈 목사가 텅 빈 예배당에 나와 방송으로 설교를 전했다. 4부 예배는 조용기 원로목사가 같은 방식으로 설교했다. 5~7부 예배는 녹화 중계로 대체됐다. 교회 설립 이래 처음이다.
교회 성도인 구필자 권사는 집에서 인터넷으로 예배를 드렸지만 3부 예배를 앞두고 교회를 찾았다. 구 권사는 “예배당 출입이 안 되는 건 알지만 교회가 보고 싶어 나왔다. 마음이 쓸쓸하다”며 “거짓된 신천지로 인해 고통을 겪고 있는 것을 하나님은 아실 것이다. 기도하면서 이 싸움을 이겨내겠다”고 말했다.
서울 온누리교회 한 성도 가족이 모니터를 통해 집에서 예배드리는 모습. 강민석 선임기자
이날 중·대형교회는 대부분 주일예배를 온라인으로 대체했다. 서울 용산구 만리현교회(이형로 목사)는 교회 중직자들이 교회 입구에 나와 온라인예배인 줄 모르고 나온 어르신 성도들을 안내했다. 교회 인터넷 홈페이지나 동영상 시스템을 갖추지 못한 소형교회들은 페이스북 라이브방송을 하거나 예배 자료를 미리 나눠줬다. 인천 징검다리교회(유인환 목사)는 28일 성도들에게 카카오톡 메시지로 미리 예배순서와 설교문을 배포했다.
각 교회는 온라인예배 안내문을 공지하고 예배자로서의 거룩함과 자세를 지켜달라고 당부했다. 김병삼 만나교회 목사는 “교회는 건물이 아니다. 여러분이 계신 그곳이 바로 교회”라며 “예배자의 모습으로 자리를 지켜달라”고 당부했다. 유기성 선한목자교회 목사도 “주일예배만 신앙생활의 전부로 여기고 살았던 일들을 청산하고 매일 주님과 동행하는 기회로 삼자”고 말했다.
코로나19의 급격한 확산은 한국교회 사역 현장에도 적잖은 변화를 가져왔다. 최근 일주일 사이 각종 예배와 사역이 온라인으로 대체되면서 성도들이 각자 신앙생활을 공유하는 등 교제가 확대됐다.
지난달 20일 자발적으로 예배당을 폐쇄한 경북 경산중앙교회(김종원 목사)는 예상치 못했던 ‘영적 부흥’이 일어나고 있다. 김종원 목사는 “성도 가족끼리 예배드리는 사진을 공유하는 문화가 생겼는데 ‘오랜만에 3대가 가정예배를 드렸다’ ‘불신자였던 남편도 같이 예배하며 손을 모았다’ 등의 사연이 올라오고 있다”고 말했다.
이 교회 윤혜원 집사 가정은 아이들이 직접 만든 헌금함을 갖고 예배에 동참했다. 윤 집사는 “네 명의 아이 모두와 함께 주일예배를 드릴 기회가 없었는데 좋은 기회를 얻었다”며 “아빠는 촬영 담당, 엄마는 예배 생중계 준비, 첫째는 헌금위원, 둘째 셋째 넷째는 예배의 자리를 지키며 하나의 작은 교회가 됐다”고 전했다. 교회공동체 안에서는 재미있고 은혜로운 사진과 사연을 선정해 기프티콘을 선물하는 이벤트까지 생겼다.
공예배 중단으로 예배의 소중함을 깨닫는 기회도 되고 있다. 경기 수원중앙침례교회 강은자 성도는 고명진 담임목사 등 사역자들에게 주일예배가 끝난 뒤 메시지를 보냈다. “예배를 드리는데 눈물이 나더라고요. 예배당에서 말씀을 듣고 마음껏 찬양할 수 있다는 게 얼마나 큰 은혜였는지 이제야 알게 됐습니다.”
서울 강남비전교회(한재욱 목사)는 2일부터 나라 민족 교회 가정을 위한 방송기도회를 개최한다. 30개 기도제목으로 월요일부터 토요일까지(수요일 제외) 매일 저녁 8시 기도의 불씨를 이어나갈 예정이다.
임보혁 최기영 서윤경 김아영 신상목 기자 smshin@kmib.co.kr
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전국 교회 코로나19 예방 위해 대부분 온라인 예배로 대체… 성도들 가정서 영상 통해 참여
코로나19 여파로 대부분 교회가 주일예배를 온라인으로 대체했다. 이영훈 여의도순복음교회 목사가 1일 온라인예배에서 설교하고 있다. 강민석 선임기자주일예배는 변함없이 드려졌다. 교회 예배당이 아니라 가정별 온라인예배로 진행됐다. 1일 한국교회 상당수가 사상 처음으로 주일예배 모임을 온라인으로 대체했다. 신종 코로나바이러스감염증(코로나19) 예방과 확산 방지를 위해서다.
서울 여의도순복음교회(이영훈 목사) 일대는 한산했다. 교회는 이날 오전 7시 1부 예배는 미리 촬영한 녹화분을 온라인을 통해 송출했다. 2~3부 예배는 이영훈 목사가 텅 빈 예배당에 나와 방송으로 설교를 전했다. 4부 예배는 조용기 원로목사가 같은 방식으로 설교했다. 5~7부 예배는 녹화 중계로 대체됐다. 교회 설립 이래 처음이다.
교회 성도인 구필자 권사는 집에서 인터넷으로 예배를 드렸지만 3부 예배를 앞두고 교회를 찾았다. 구 권사는 “예배당 출입이 안 되는 건 알지만 교회가 보고 싶어 나왔다. 마음이 쓸쓸하다”며 “거짓된 신천지로 인해 고통을 겪고 있는 것을 하나님은 아실 것이다. 기도하면서 이 싸움을 이겨내겠다”고 말했다.
서울 온누리교회 한 성도 가족이 모니터를 통해 집에서 예배드리는 모습. 강민석 선임기자이날 중·대형교회는 대부분 주일예배를 온라인으로 대체했다. 서울 용산구 만리현교회(이형로 목사)는 교회 중직자들이 교회 입구에 나와 온라인예배인 줄 모르고 나온 어르신 성도들을 안내했다. 교회 인터넷 홈페이지나 동영상 시스템을 갖추지 못한 소형교회들은 페이스북 라이브방송을 하거나 예배 자료를 미리 나눠줬다. 인천 징검다리교회(유인환 목사)는 28일 성도들에게 카카오톡 메시지로 미리 예배순서와 설교문을 배포했다.
각 교회는 온라인예배 안내문을 공지하고 예배자로서의 거룩함과 자세를 지켜달라고 당부했다. 김병삼 만나교회 목사는 “교회는 건물이 아니다. 여러분이 계신 그곳이 바로 교회”라며 “예배자의 모습으로 자리를 지켜달라”고 당부했다. 유기성 선한목자교회 목사도 “주일예배만 신앙생활의 전부로 여기고 살았던 일들을 청산하고 매일 주님과 동행하는 기회로 삼자”고 말했다.
코로나19의 급격한 확산은 한국교회 사역 현장에도 적잖은 변화를 가져왔다. 최근 일주일 사이 각종 예배와 사역이 온라인으로 대체되면서 성도들이 각자 신앙생활을 공유하는 등 교제가 확대됐다.
지난달 20일 자발적으로 예배당을 폐쇄한 경북 경산중앙교회(김종원 목사)는 예상치 못했던 ‘영적 부흥’이 일어나고 있다. 김종원 목사는 “성도 가족끼리 예배드리는 사진을 공유하는 문화가 생겼는데 ‘오랜만에 3대가 가정예배를 드렸다’ ‘불신자였던 남편도 같이 예배하며 손을 모았다’ 등의 사연이 올라오고 있다”고 말했다.
이 교회 윤혜원 집사 가정은 아이들이 직접 만든 헌금함을 갖고 예배에 동참했다. 윤 집사는 “네 명의 아이 모두와 함께 주일예배를 드릴 기회가 없었는데 좋은 기회를 얻었다”며 “아빠는 촬영 담당, 엄마는 예배 생중계 준비, 첫째는 헌금위원, 둘째 셋째 넷째는 예배의 자리를 지키며 하나의 작은 교회가 됐다”고 전했다. 교회공동체 안에서는 재미있고 은혜로운 사진과 사연을 선정해 기프티콘을 선물하는 이벤트까지 생겼다.
공예배 중단으로 예배의 소중함을 깨닫는 기회도 되고 있다. 경기 수원중앙침례교회 강은자 성도는 고명진 담임목사 등 사역자들에게 주일예배가 끝난 뒤 메시지를 보냈다. “예배를 드리는데 눈물이 나더라고요. 예배당에서 말씀을 듣고 마음껏 찬양할 수 있다는 게 얼마나 큰 은혜였는지 이제야 알게 됐습니다.”
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기존 양방향 DC-DC 컨버터는 전압 스파이크 문제로 인하여 전력 성능과 효율성에 제한을 받을 수 있다. 여기에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 배터리 뱅크 및 DC 버스 인터페이스와 함께 역할을 하며 고효율로 양방향(충전 배터리 방향 및 보조 버스의 방향)으로 작동하는 DC-DC 컨버터의 회로 각 블록 및 시스템 구현의 작동 원리와 양방향으로 고효율을 달성할 수 있는 실험 결과를 소개한다.
DC-DC 컨버터의 역할
배터리 제조 과정에서는 배터리 셀 또는 배터리 팩이 충전 상태를 유지하고 제대로 작동하는지 테스트해야 한다. 이를 위한 표준 방법으로 전원 공급 회로와 부하로 구성된다. 전원 공급 회로는 올바른 방식으로 배터리를 충전하고, 부하는 테스트 완료 후 배터리 방전에 사용된다. 이 구성에서 시스템 효율은 0%이다. 즉, 배터리를 테스트하는 데 사용되는 모든 에너지가 손실된다.
양방향 DC-DC 컨버터를 사용하면 이 에너지를 시스템으로 반환하여 배터리 테스트 충전 에너지를 재활용할 수 있다. 반환된 에너지는 후속 배터리 셀을 테스트하는데 사용될 수 있으며, 에너지 소모 부하로 인한 에너지 손실이 없으므로 단지 충전/방전 변환 손실만을 고려한 시스템 효율을 제공할 수 있다.
고효율 DC-DC 컨버터의 두 번째 용도는 배터리 백업 시스템(BBU)의 인터페이스로 사용하는 것이다. 정보 시스템의 장비는 정전 후에도 계속 작동해야 한다. 데이터 센터와 같은 정보 시스템에 정전이 발생하는 경우, 전력이 손실된 후 발전기 등 2차 소스에서 전력 공급을 재개하기 전에 몇 분 정도의 작동 시간이 필요할 수 있다. 이 시간 동안 장비 기능을 유지시려고 종종 배터리 뱅크를 사용한다. 뱅크가 방전되면 배터리 뱅크의 전압이 떨어지므로 올바른 버스 전압을 유지하기 위해 전력 변환 인터페이스가 필요하다. 배터리 뱅크는 또한 이벤트가 발생한 후 손실된 충전을 보충하고 유지하기 위한 전원이 필요하다. 단일 양방향 DC-DC 컨버터가 배터리 충전 및 버스 인터페이스 기능을 수행할 수 있다면 비용과 크기 측면에서 유리할 것이다.
그림 1. 기존의 절연 양방향 DC-DC 컨버터 토폴로지
그림 1은 널리 사용되는 기존의 절연 양방향 DC-DC 컨버터 토폴로지이다. 입력 DC 전압은 먼저 AC 전압으로 전환된 다음 변압기를 통과하여 출력 DC 전압으로 정류된다. 이 토폴로지는 누설 인덕턴스 에너지 저장 및 방전으로 인해 스위칭 MOSFET의 고전압 스파이크가 발생하므로 고전력 용도에 적합하지 않다. 이 문제를 해결하기 위해 이 토폴로지로부터 많은 파생물이 개발되었다. 그러나 이러한 파생물의 대부분은 스너버 또는 클램프 회로를 통해 이 전압 스파이크를 줄이기 위한 것인데, 개선은 되었지만 이 문제를 근본적으로 해결할 수는 없다.
여기에 소개되는 양방향 DC-DC 컨버터는 양방향이므로 배터리를 충전하기 위해 다른 DC-DC 컨버터 또는 AC-DC 컨버터가 필요하지 않다. 여기에서는 배터리 백업 시스템 적용을 통한 컨버터 제어를 설명한다.
고효율 절연 양방향 DC-DC 컨버터는 무엇?
그림 2는 절연 양방향 DC-DC 컨버터의 토폴로지를 보여준다. 여기에는 세 가지 기본 블록(블록 1, 2 및 3)이 포함된다. 블록 2는 절연과 더불어 입력 전압과 출력 전압 사이의 고정 비율 스텝 다운/업을 제공한다. 양방향이며 전류는 양방향으로 흐를 수 있다. 블록 1과 3은 정확한 레귤레이션을 제공한다. 이들은 입력 및 출력 전압이 반대 방향인 것을 제외하고는 동일한 블록이다. 블록 1의 경우 배터리가 출력 측에 있다. 블록 3의 경우 버스가 출력 측에 있다.
① 블록 2의 기능
블록 2의 기능은 절연 및 고정 비율 스텝 업 또는 다운을 제공하는 것이다. 변압기에 소형 커패시터를 추가하면 이 소형 커패시터의 고유 공진 주파수와 변압기의 누설 인덕터를 사용하여 제로 전류 스위칭[k – l]을 제공할 수 있다. 1차측 전류의 고유 공진 주파수가 사용되어 MOSFET이 공진 부분의 제로 크로싱 포인트에서 스위칭한다. 공진 전류가 0에 도달하면 S5, S6, S7 및 S8은 항상 켜지고 꺼진다. S5와 S7이 켜지면(t1에서 t2 동안) 1차측 공진 전류 IP는 0에 도달할 때까지 정현파로 흐른다. 그 후, S6 및 S8이 켜지고 1차측 공진 전류 IP는 t2에서 t3로 가는 동안 도시된 바와 같이 여전히 정현파 형태로 반대 방향으로 흐른다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 동일한 스위칭 시퀀스가 양방향 작동으로 이어질 수 있으므로 이 회로를 자연스럽게 양방향으로 만들 수 있다.
이 컨버터의 스위칭 손실은 약 0이므로 이 컨버터는 수 MHz까지의 매우 높은 스위칭 주파수에서 작동할 수 있어 초 고전력 밀도를 가능하게 한다. 2차측의 완전 제로 전류 스위칭(ZCS) 및 1차측의 부분 ZCS(오류는 자화 전류로 인한 것이며, 스위칭 손실을 무시하기 위해 1차측의 제로 전압 스위칭(ZVS)을 사용했다)를 사용하면 매우 높은 효율을 달성할 수 있다.
블록 2는 공진을 사용하여 제로 전류 스위칭을 달성하므로 스위칭 MOSFET의 고전압 스파이크 문제가 효과적으로 해결된다. 다른 토폴로지는 전압 스파이크 진폭을 줄이는 개선 기능만 제공할 수 있다. 블록 2의 공진 주파수는 수 MHz만큼 높아질 수 있다. 따라서 블록 2는 매우 높은 효율로 매우 높은 전력 밀도를 달성할 수 있다.
② 블록 1과 블록 3의 기능
블록 1과 블록 3은 정확한 레귤레이션을 제공한다. 이들은 동일한 블록이지만 시스템 수준에서 양방향 작동을 제공하기 위해 방향이 정반대이다. 예를 들어 그림 4와 같이 블록 1을 사용하면, 첫 번째 단계에서 S1과 S4가 켜지고 인덕터 IL을 통해 흐르는 전류는 VIN에 비례하는 속도로 증가한다. 그런 다음 S3이 켜지고 S4가 꺼지며 두 번째 단계로 이동한다. IL은 입력 전압과 출력 전압의 차이에 따라 평탄하거나 감소/증가할 수 있다. 그런 다음 S2가 켜지고 S1이 꺼지며 세 번째 단계로 이동한다. IL은 VOUT에 비례하는 속도로 감소한다. 그런 다음 S4가 켜지고 S3이 꺼지며 네 번째 단계로 이동한다. 약간의 음의 전류가 인덕터를 통과한다. 전환하는 동안 제로 전압 스위칭 벅-부스트 컨트롤러를 사용하여 제로 전압 전환을 활성화한다.
ZVS 스위칭으로 인해 블록 1/블록 3에서도 고효율 및 고전력 밀도를 달성할 수 있다.
이 용도에서 이 컨버터를 간단히 제어하는 방법은 다음과 같다. 블록 3의 조정된 VOUT의 버스 전압을 비교적 낮게 설정한다. 이 버스 전압은 대부분 일반 버스 전압보다 낮지만 버스 부하를 지원하기에는 충분하다. 이 구성에서는 대부분 버스 전압이 블록 3의 조정된 VOUT보다 높으므로 블록 3은 무부하 전력 손실분만 소비한다. 그 동안 버스는 대부분 블록 1과 2를 통해 배터리를 충전한다. 버스 전압이 갑자기 사라지면 블록 3은 즉시 전원을 처리하고 블록 2와 3을 통해 전류가 흘러 버스를 지원한다.
이 구성은 특히 이 버스 배터리 인터페이스 용도에 대해 양방향으로 고효율 및 고전력 밀도를 얻는 데 있어 큰 이점을 제공한다.
배터리 충전 및 방전 모드에서 필요한 전원 수준은 서로 다르다. 배터리 충전 모드인 경우 필요한 전원 수준이 지원 버스 모드보다 훨씬 낮아야 한다. 실제로 안전을 위해 충전 전력을 일정 수준 이하로 제한하는 것이 좋다. 이 구성에서, 버스 전력 수준을 달성하기 위해 블록 3의 n을 병렬로 놓을 수 있다. 블록 1의 1 또는 m(m은 n보다 상당히 작을 수 있음)은 충전 전원을 공급하기에 충분해야 한다. 따라서 블록 1 또는 3은 양방향이 아니지만 개별적으로 함께 작동하여 블록 1의 n에 가까운 총 크기/전력 손실로 양방향을 커버한다. 이 구성은 보조 버스와 충전 배터리 간의 전력비가 높기 때문에 그 이점이 크다.
그림 2. 새로운 절연 양방향 DC-DC 컨버터의 토폴로지
그림 3 블록 2: 양방향으로 흐르는 1차 및 2차 공진 전류: (a) 충전 배터리 방향, (b) 보조 버스 방향
그림 4. 블록 1: ZVS 간격으로 인덕터를 통해 흐르는 전류
실험 결과
버스 전압은 48V, 배터리 전압은 12V를 사용한다. 따라서 블록 2의 스텝 다운 비율은 4:1로 설계해야 한다.
VIN = 48V, 300W 블록 2의 모듈 비율이 4:1인 경우, 부하가 50%를 초과하고 96.2%에서 피크가 되면 테스트된 효율은 96% 이상이다. 부하가 50% 미만이면 효율이 떨어지지만 10% 부하에서도 여전히 85.5%의 효율을 달성할 수 있다. 전체 테스트는 실온 상태를 기준으로 한다. 다른 라인 및 부하 조건에서의 효율 매트릭스 테스트는 그림 5 (a)에 나와 있다. 입력 전압은 26~55V로 설계되었으므로 6.5~13.75V의 배터리 전압이 버스를 역방향으로 지원할 수 있다. 범위가 넓어 더 많은 배터리 구성이 가능하며, 더욱이 배터리가 더 오래 동안 버스를 지원할 수 있게 한다.
그림 5 (b)는 버스를 지지하는 방향에서 블록 2 모듈의 실험 효율 테스트 결과이며, 이것은 보고서에서 역방향으로 정의된다. 이 실험에서는 심방전(deep-cycle) 해양 납산 12V 배터리(부품 번호 24DC-1, 예비 용량 140분, 콜드 및 해양 크랭킹 500 암페어 이상)를 사용하여 블록 2 모듈을 통해 버스를 지원한다. 공급 전류가 증가함에 따라 배터리 단자 전압이 감소하므로 VIN은 11.7V(IOUT = 0.6A • 4)에서 10.9V(IOUT = 6.3A • 4)로 떨어진다. 최대 효율은 96.9%이다.
그림 5. 블록 2 모듈 (300W, 4:1 비율)의 효율 실험 결과: (a) 충전 배터리 방향 (b) 보조 버스 방향
지지 버스 방향의 효율은 충전 배터리 방향보다 훨씬 높다는 점에 유의한다. 역 상태에서 배터리는 충전 배터리 방향보다 훨씬 높은 전력 수준으로 버스를 지원해야 하기 때문에 이 용도에 유리하다. 보조 버스 방향의 효율이 높으면 이 고전력 용도에서 열 관리 작업이 간소화된다.
500W 블록 1/블록 3 모듈의 실험 효율 테스트 결과는 그림 6에 나와 있다. 최대 효율은 97.3%이다.
그림 6. 블록 1/블록 3 모듈(500W, 실온)의 효율 실험 결과
이 모듈들은 제어 회로를 통해 비활성화/활성화될 수 있다. 비활성화된 전력 손실은 무부하 전력 손실보다 훨씬 적다. 25°C에서 공칭 48V, 500W 블록 3 또는 블록 1의 경우, 일반적인 무부하 전력 손실 2 4:1 비율 블록 2 모듈의 일반적인 비활성화 전력 손실을 보면, 일반적인 d 손실은 0.04W이고, 일반적인 n 손실은 5.3W이다.
시스템 구현
이 양방향 DC-DC 컨버터의 7x9 인치 PCB 프로토타입은 그림 7과 같이 블록 3 모듈 3개(모듈 당 500W)와 블록 2 모듈 5개(모듈 당 300W)를 갖추고 이 용도에 맞춰 제작되었다.
그림 7. 시스템 구현
모듈을 간단히 병렬화하고 그림 2의 토폴로지로 통합하면 이 컨버터가 작동한다. 블록 3 모듈의 조정된 VOUT의 버스 전압을 비교적 낮게 설정한다. 이 버스 전압은 대부분 일반 버스 전압보다 낮지만 버스 부하를 지원하기에는 충분하다. 이 방식에서는 시스템 제어 회로가 더 이상 필요하지 않다. 블록 2의 모듈 5개 모두는 보조 버스 모드에 있을 때 즉시 전원을 처리할 수 있다.
이 구성의 단점은 모든 모듈이 항상 활성 상태이고 일부 모듈은 대부분의 작동 시간 동안 경부하/무부하 전력 손실을 소비한다는 것이다.
이러한 경부하/무부하 전력 손실을 줄이기 위해서 모듈 활성화가 필요 없는 동안에는 비활성화할 수 있다.
버스 전압이 사라질 경우 일부 모듈은 비활성화 모드에서 활성화 모드로 복구해야 한다. 이 시간 동안 버스 전압은 커패시터에서 지원된다. 신속한 모듈 재시작 기간 동안에 지원되는 충분한 정전 용량이 버스에 추가된 후, 이 보드의 시스템 수준 제어 회로를 사용하여 모듈을 비활성화/활성화하면 불필요한 전력 손실을 막을 수 있다.
충전 배터리 방향에서, 블록 2 모듈 중 4개를 비활성화할 수 있고, 블록 3 모듈 3개를 모두 비활성화할 수 있으며, 이 경우 충전 배터리 전력 300W를 제공한다.
보조 버스 방향에서 블록 1 모듈을 비활성화할 수 있으며, 이 경우 보조 버스 전력은 1500W이다.
이 시스템 구성에서는 300W/25A에서 배터리를 충전하고 1500W/31A에서 48V 버스를 지원할 수 있다. 배터리 예비 용량이 140분인 경우, 완전 방전에서 완전 충전까지 2.3시간이 걸리고, 그 후 28분 동안 버스(1500W 부하)를 지원할 수 있다. 재구성 또는 병렬 처리를 통해 보다 쉽게 전력 수준을 높일 수 있다.
순방향 및 역방향 모드에서 블록 1/블록 3 모듈 효율은 97.3%를 사용하고, 블록 2 모듈 효율은 96.2%를 사용한다. 블록 1/블록 3 모듈 비활성화 전력 손실은 0.78W를 사용하고, 블록 2 모듈 비활성화 전력 손실은 0.04W를 사용한다. 따라서 충전 배터리 모드에서 최대 효율은 다음과 같다.
보조 버스 모드에서 최대 효율은 다음과 같다.
DC-DC 컨버터 적용분야
이상으로 새로운 양방향 DC-DC 컨버터의 설계와 분석에 대해서 알아봤다. 이 컨버터는 배터리 뱅크와 DC 버스를 양방향(충전 배터리 방향 및 보조 버스 방향) 인터페이스에 활용할 수 있다. 양방향에서 고효율을 달성할 수 있어 300W 입력(충전 배터리) 1500W 출력(보조 버스) 양방향 DC-DC 컨버터의 프로토타입을 구축할 수 있다.
배터리 예비 용량이 140분인 경우, 완전 방전에서 완전 충전까지 2.3시간이 걸리고, 그 후 28분 동안 버스(1500W 부하)를 지원할 수 있다. 시스템 제어 회로가 내장된 이 프로토타입은 92.9% 효율(300W)로 배터리를 충전하고 93.6% 효율(1500W)로 버스를 지원할 수 있다. 재구성 또는 병렬 처리를 통해 보다 쉽게 전력 수준을 높일 수 있다.
웨비나 전문방송 전자신문 올쇼TV에서는 오늘 3월 5일 오후2시부터 3시까지 '개발기간 줄이는 고성능 DC-DC 최적 설계법' 웨비나를 진행한다. 이 웨비나에서 일반화된 사례 연구를 통한 DC-DC 시스템 설계의 세부 사항과 전원을 효과적으로 관리하는 방법, 개발자들이 고려해야할 사항들이 상세히 소개되니 참고하기 바란다.
폴 이먼(Paul Yeaman) 바이코 애플리케이션 엔지니어링 시니어 디렉터
�X오얀 유(Xiaoyan Yu) 바이코 애플리케이션 엔지니어링 매니저
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기존 양방향 DC-DC 컨버터는 전압 스파이크 문제로 인하여 전력 성능과 효율성에 제한을 받을 수 있다. 여기에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 배터리 뱅크 및 DC 버스 인터페이스와 함께 역할을 하며 고효율로 양방향(충전 배터리 방향 및 보조 버스의 방향)으로 작동하는 DC-DC 컨버터의 회로 각 블록 및 시스템 구현의 작동 원리와 양방향으로 고효율을 달성할 수 있는 실험 결과를 소개한다.
DC-DC 컨버터의 역할
배터리 제조 과정에서는 배터리 셀 또는 배터리 팩이 충전 상태를 유지하고 제대로 작동하는지 테스트해야 한다. 이를 위한 표준 방법으로 전원 공급 회로와 부하로 구성된다. 전원 공급 회로는 올바른 방식으로 배터리를 충전하고, 부하는 테스트 완료 후 배터리 방전에 사용된다. 이 구성에서 시스템 효율은 0%이다. 즉, 배터리를 테스트하는 데 사용되는 모든 에너지가 손실된다.
양방향 DC-DC 컨버터를 사용하면 이 에너지를 시스템으로 반환하여 배터리 테스트 충전 에너지를 재활용할 수 있다. 반환된 에너지는 후속 배터리 셀을 테스트하는데 사용될 수 있으며, 에너지 소모 부하로 인한 에너지 손실이 없으므로 단지 충전/방전 변환 손실만을 고려한 시스템 효율을 제공할 수 있다.
고효율 DC-DC 컨버터의 두 번째 용도는 배터리 백업 시스템(BBU)의 인터페이스로 사용하는 것이다. 정보 시스템의 장비는 정전 후에도 계속 작동해야 한다. 데이터 센터와 같은 정보 시스템에 정전이 발생하는 경우, 전력이 손실된 후 발전기 등 2차 소스에서 전력 공급을 재개하기 전에 몇 분 정도의 작동 시간이 필요할 수 있다. 이 시간 동안 장비 기능을 유지시려고 종종 배터리 뱅크를 사용한다. 뱅크가 방전되면 배터리 뱅크의 전압이 떨어지므로 올바른 버스 전압을 유지하기 위해 전력 변환 인터페이스가 필요하다. 배터리 뱅크는 또한 이벤트가 발생한 후 손실된 충전을 보충하고 유지하기 위한 전원이 필요하다. 단일 양방향 DC-DC 컨버터가 배터리 충전 및 버스 인터페이스 기능을 수행할 수 있다면 비용과 크기 측면에서 유리할 것이다.
그림 1. 기존의 절연 양방향 DC-DC 컨버터 토폴로지그림 1은 널리 사용되는 기존의 절연 양방향 DC-DC 컨버터 토폴로지이다. 입력 DC 전압은 먼저 AC 전압으로 전환된 다음 변압기를 통과하여 출력 DC 전압으로 정류된다. 이 토폴로지는 누설 인덕턴스 에너지 저장 및 방전으로 인해 스위칭 MOSFET의 고전압 스파이크가 발생하므로 고전력 용도에 적합하지 않다. 이 문제를 해결하기 위해 이 토폴로지로부터 많은 파생물이 개발되었다. 그러나 이러한 파생물의 대부분은 스너버 또는 클램프 회로를 통해 이 전압 스파이크를 줄이기 위한 것인데, 개선은 되었지만 이 문제를 근본적으로 해결할 수는 없다.
여기에 소개되는 양방향 DC-DC 컨버터는 양방향이므로 배터리를 충전하기 위해 다른 DC-DC 컨버터 또는 AC-DC 컨버터가 필요하지 않다. 여기에서는 배터리 백업 시스템 적용을 통한 컨버터 제어를 설명한다.
고효율 절연 양방향 DC-DC 컨버터는 무엇?
그림 2는 절연 양방향 DC-DC 컨버터의 토폴로지를 보여준다. 여기에는 세 가지 기본 블록(블록 1, 2 및 3)이 포함된다. 블록 2는 절연과 더불어 입력 전압과 출력 전압 사이의 고정 비율 스텝 다운/업을 제공한다. 양방향이며 전류는 양방향으로 흐를 수 있다. 블록 1과 3은 정확한 레귤레이션을 제공한다. 이들은 입력 및 출력 전압이 반대 방향인 것을 제외하고는 동일한 블록이다. 블록 1의 경우 배터리가 출력 측에 있다. 블록 3의 경우 버스가 출력 측에 있다.
① 블록 2의 기능
블록 2의 기능은 절연 및 고정 비율 스텝 업 또는 다운을 제공하는 것이다. 변압기에 소형 커패시터를 추가하면 이 소형 커패시터의 고유 공진 주파수와 변압기의 누설 인덕터를 사용하여 제로 전류 스위칭[k – l]을 제공할 수 있다. 1차측 전류의 고유 공진 주파수가 사용되어 MOSFET이 공진 부분의 제로 크로싱 포인트에서 스위칭한다. 공진 전류가 0에 도달하면 S5, S6, S7 및 S8은 항상 켜지고 꺼진다. S5와 S7이 켜지면(t1에서 t2 동안) 1차측 공진 전류 IP는 0에 도달할 때까지 정현파로 흐른다. 그 후, S6 및 S8이 켜지고 1차측 공진 전류 IP는 t2에서 t3로 가는 동안 도시된 바와 같이 여전히 정현파 형태로 반대 방향으로 흐른다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 동일한 스위칭 시퀀스가 양방향 작동으로 이어질 수 있으므로 이 회로를 자연스럽게 양방향으로 만들 수 있다.
이 컨버터의 스위칭 손실은 약 0이므로 이 컨버터는 수 MHz까지의 매우 높은 스위칭 주파수에서 작동할 수 있어 초 고전력 밀도를 가능하게 한다. 2차측의 완전 제로 전류 스위칭(ZCS) 및 1차측의 부분 ZCS(오류는 자화 전류로 인한 것이며, 스위칭 손실을 무시하기 위해 1차측의 제로 전압 스위칭(ZVS)을 사용했다)를 사용하면 매우 높은 효율을 달성할 수 있다.
블록 2는 공진을 사용하여 제로 전류 스위칭을 달성하므로 스위칭 MOSFET의 고전압 스파이크 문제가 효과적으로 해결된다. 다른 토폴로지는 전압 스파이크 진폭을 줄이는 개선 기능만 제공할 수 있다. 블록 2의 공진 주파수는 수 MHz만큼 높아질 수 있다. 따라서 블록 2는 매우 높은 효율로 매우 높은 전력 밀도를 달성할 수 있다.
② 블록 1과 블록 3의 기능
블록 1과 블록 3은 정확한 레귤레이션을 제공한다. 이들은 동일한 블록이지만 시스템 수준에서 양방향 작동을 제공하기 위해 방향이 정반대이다. 예를 들어 그림 4와 같이 블록 1을 사용하면, 첫 번째 단계에서 S1과 S4가 켜지고 인덕터 IL을 통해 흐르는 전류는 VIN에 비례하는 속도로 증가한다. 그런 다음 S3이 켜지고 S4가 꺼지며 두 번째 단계로 이동한다. IL은 입력 전압과 출력 전압의 차이에 따라 평탄하거나 감소/증가할 수 있다. 그런 다음 S2가 켜지고 S1이 꺼지며 세 번째 단계로 이동한다. IL은 VOUT에 비례하는 속도로 감소한다. 그런 다음 S4가 켜지고 S3이 꺼지며 네 번째 단계로 이동한다. 약간의 음의 전류가 인덕터를 통과한다. 전환하는 동안 제로 전압 스위칭 벅-부스트 컨트롤러를 사용하여 제로 전압 전환을 활성화한다.
ZVS 스위칭으로 인해 블록 1/블록 3에서도 고효율 및 고전력 밀도를 달성할 수 있다.
이 용도에서 이 컨버터를 간단히 제어하는 방법은 다음과 같다. 블록 3의 조정된 VOUT의 버스 전압을 비교적 낮게 설정한다. 이 버스 전압은 대부분 일반 버스 전압보다 낮지만 버스 부하를 지원하기에는 충분하다. 이 구성에서는 대부분 버스 전압이 블록 3의 조정된 VOUT보다 높으므로 블록 3은 무부하 전력 손실분만 소비한다. 그 동안 버스는 대부분 블록 1과 2를 통해 배터리를 충전한다. 버스 전압이 갑자기 사라지면 블록 3은 즉시 전원을 처리하고 블록 2와 3을 통해 전류가 흘러 버스를 지원한다.
이 구성은 특히 이 버스 배터리 인터페이스 용도에 대해 양방향으로 고효율 및 고전력 밀도를 얻는 데 있어 큰 이점을 제공한다.
배터리 충전 및 방전 모드에서 필요한 전원 수준은 서로 다르다. 배터리 충전 모드인 경우 필요한 전원 수준이 지원 버스 모드보다 훨씬 낮아야 한다. 실제로 안전을 위해 충전 전력을 일정 수준 이하로 제한하는 것이 좋다. 이 구성에서, 버스 전력 수준을 달성하기 위해 블록 3의 n을 병렬로 놓을 수 있다. 블록 1의 1 또는 m(m은 n보다 상당히 작을 수 있음)은 충전 전원을 공급하기에 충분해야 한다. 따라서 블록 1 또는 3은 양방향이 아니지만 개별적으로 함께 작동하여 블록 1의 n에 가까운 총 크기/전력 손실로 양방향을 커버한다. 이 구성은 보조 버스와 충전 배터리 간의 전력비가 높기 때문에 그 이점이 크다.
그림 2. 새로운 절연 양방향 DC-DC 컨버터의 토폴로지그림 3 블록 2: 양방향으로 흐르는 1차 및 2차 공진 전류: (a) 충전 배터리 방향, (b) 보조 버스 방향그림 4. 블록 1: ZVS 간격으로 인덕터를 통해 흐르는 전류실험 결과
버스 전압은 48V, 배터리 전압은 12V를 사용한다. 따라서 블록 2의 스텝 다운 비율은 4:1로 설계해야 한다.
VIN = 48V, 300W 블록 2의 모듈 비율이 4:1인 경우, 부하가 50%를 초과하고 96.2%에서 피크가 되면 테스트된 효율은 96% 이상이다. 부하가 50% 미만이면 효율이 떨어지지만 10% 부하에서도 여전히 85.5%의 효율을 달성할 수 있다. 전체 테스트는 실온 상태를 기준으로 한다. 다른 라인 및 부하 조건에서의 효율 매트릭스 테스트는 그림 5 (a)에 나와 있다. 입력 전압은 26~55V로 설계되었으므로 6.5~13.75V의 배터리 전압이 버스를 역방향으로 지원할 수 있다. 범위가 넓어 더 많은 배터리 구성이 가능하며, 더욱이 배터리가 더 오래 동안 버스를 지원할 수 있게 한다.
그림 5 (b)는 버스를 지지하는 방향에서 블록 2 모듈의 실험 효율 테스트 결과이며, 이것은 보고서에서 역방향으로 정의된다. 이 실험에서는 심방전(deep-cycle) 해양 납산 12V 배터리(부품 번호 24DC-1, 예비 용량 140분, 콜드 및 해양 크랭킹 500 암페어 이상)를 사용하여 블록 2 모듈을 통해 버스를 지원한다. 공급 전류가 증가함에 따라 배터리 단자 전압이 감소하므로 VIN은 11.7V(IOUT = 0.6A • 4)에서 10.9V(IOUT = 6.3A • 4)로 떨어진다. 최대 효율은 96.9%이다.
그림 5. 블록 2 모듈 (300W, 4:1 비율)의 효율 실험 결과: (a) 충전 배터리 방향 (b) 보조 버스 방향지지 버스 방향의 효율은 충전 배터리 방향보다 훨씬 높다는 점에 유의한다. 역 상태에서 배터리는 충전 배터리 방향보다 훨씬 높은 전력 수준으로 버스를 지원해야 하기 때문에 이 용도에 유리하다. 보조 버스 방향의 효율이 높으면 이 고전력 용도에서 열 관리 작업이 간소화된다.
500W 블록 1/블록 3 모듈의 실험 효율 테스트 결과는 그림 6에 나와 있다. 최대 효율은 97.3%이다.
그림 6. 블록 1/블록 3 모듈(500W, 실온)의 효율 실험 결과이 모듈들은 제어 회로를 통해 비활성화/활성화될 수 있다. 비활성화된 전력 손실은 무부하 전력 손실보다 훨씬 적다. 25°C에서 공칭 48V, 500W 블록 3 또는 블록 1의 경우, 일반적인 무부하 전력 손실 2 4:1 비율 블록 2 모듈의 일반적인 비활성화 전력 손실을 보면, 일반적인 d 손실은 0.04W이고, 일반적인 n 손실은 5.3W이다.
시스템 구현
이 양방향 DC-DC 컨버터의 7x9 인치 PCB 프로토타입은 그림 7과 같이 블록 3 모듈 3개(모듈 당 500W)와 블록 2 모듈 5개(모듈 당 300W)를 갖추고 이 용도에 맞춰 제작되었다.
그림 7. 시스템 구현모듈을 간단히 병렬화하고 그림 2의 토폴로지로 통합하면 이 컨버터가 작동한다. 블록 3 모듈의 조정된 VOUT의 버스 전압을 비교적 낮게 설정한다. 이 버스 전압은 대부분 일반 버스 전압보다 낮지만 버스 부하를 지원하기에는 충분하다. 이 방식에서는 시스템 제어 회로가 더 이상 필요하지 않다. 블록 2의 모듈 5개 모두는 보조 버스 모드에 있을 때 즉시 전원을 처리할 수 있다.
이 구성의 단점은 모든 모듈이 항상 활성 상태이고 일부 모듈은 대부분의 작동 시간 동안 경부하/무부하 전력 손실을 소비한다는 것이다.
이러한 경부하/무부하 전력 손실을 줄이기 위해서 모듈 활성화가 필요 없는 동안에는 비활성화할 수 있다.
버스 전압이 사라질 경우 일부 모듈은 비활성화 모드에서 활성화 모드로 복구해야 한다. 이 시간 동안 버스 전압은 커패시터에서 지원된다. 신속한 모듈 재시작 기간 동안에 지원되는 충분한 정전 용량이 버스에 추가된 후, 이 보드의 시스템 수준 제어 회로를 사용하여 모듈을 비활성화/활성화하면 불필요한 전력 손실을 막을 수 있다.
충전 배터리 방향에서, 블록 2 모듈 중 4개를 비활성화할 수 있고, 블록 3 모듈 3개를 모두 비활성화할 수 있으며, 이 경우 충전 배터리 전력 300W를 제공한다.
보조 버스 방향에서 블록 1 모듈을 비활성화할 수 있으며, 이 경우 보조 버스 전력은 1500W이다.
이 시스템 구성에서는 300W/25A에서 배터리를 충전하고 1500W/31A에서 48V 버스를 지원할 수 있다. 배터리 예비 용량이 140분인 경우, 완전 방전에서 완전 충전까지 2.3시간이 걸리고, 그 후 28분 동안 버스(1500W 부하)를 지원할 수 있다. 재구성 또는 병렬 처리를 통해 보다 쉽게 전력 수준을 높일 수 있다.
순방향 및 역방향 모드에서 블록 1/블록 3 모듈 효율은 97.3%를 사용하고, 블록 2 모듈 효율은 96.2%를 사용한다. 블록 1/블록 3 모듈 비활성화 전력 손실은 0.78W를 사용하고, 블록 2 모듈 비활성화 전력 손실은 0.04W를 사용한다. 따라서 충전 배터리 모드에서 최대 효율은 다음과 같다.
보조 버스 모드에서 최대 효율은 다음과 같다.
DC-DC 컨버터 적용분야
이상으로 새로운 양방향 DC-DC 컨버터의 설계와 분석에 대해서 알아봤다. 이 컨버터는 배터리 뱅크와 DC 버스를 양방향(충전 배터리 방향 및 보조 버스 방향) 인터페이스에 활용할 수 있다. 양방향에서 고효율을 달성할 수 있어 300W 입력(충전 배터리) 1500W 출력(보조 버스) 양방향 DC-DC 컨버터의 프로토타입을 구축할 수 있다.
배터리 예비 용량이 140분인 경우, 완전 방전에서 완전 충전까지 2.3시간이 걸리고, 그 후 28분 동안 버스(1500W 부하)를 지원할 수 있다. 시스템 제어 회로가 내장된 이 프로토타입은 92.9% 효율(300W)로 배터리를 충전하고 93.6% 효율(1500W)로 버스를 지원할 수 있다. 재구성 또는 병렬 처리를 통해 보다 쉽게 전력 수준을 높일 수 있다.
웨비나 전문방송 전자신문 올쇼TV에서는 오늘 3월 5일 오후2시부터 3시까지 '개발기간 줄이는 고성능 DC-DC 최적 설계법' 웨비나를 진행한다. 이 웨비나에서 일반화된 사례 연구를 통한 DC-DC 시스템 설계의 세부 사항과 전원을 효과적으로 관리하는 방법, 개발자들이 고려해야할 사항들이 상세히 소개되니 참고하기 바란다.
폴 이먼(Paul Yeaman) 바이코 애플리케이션 엔지니어링 시니어 디렉터
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