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title: Second Chapter
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date: 2026-05-12T02:03:43.135Z
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dateCreated: 2026-05-12T02:03:43.135Z
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# 2. 간소화된 모듈식 전력변환 시스템 설계

## 2.1 시스템 구성

본 연구에서 제안하는 전력변환 시스템은 DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터 두 모듈로 구성된 간소화된 구조이다. 두 모듈은 640VDC DC 링크를 공유하며, DC 버스 전압을 유일한 모듈 간 인터페이스로 활용한다. 이 구조에서 각 모듈은 상대 모듈의 내부 로직과 무관하게 독립적으로 동작하며, 통신 없이도 DC 버스 전압 상태만으로 필요한 동작을 수행한다. 기존 전기추진 전력 시스템이 발전기, 변환기, 제어기를 통합 설계하는 것과 달리, 본 시스템은 DC 링크를 경계로 두 모듈을 명확히 분리함으로써 각 모듈의 독립적 설계 및 검증이 가능하다.

(XXX 그림: 제안하는 모듈식 전력변환 시스템 전체 구성도)

(XXX 표: 시스템 주요 파라미터)

### 2.1.1 3레벨 NPC DC-DC 컨버터

DC-DC 컨버터는 3레벨 NPC(Neutral Point Clamped) 토폴로지를 기반으로 한 양방향 컨버터이다. 3레벨 NPC 토폴로지는 DC 링크의 중성점(Neutral Point)을 클램핑 다이오드를 통해 각 레그에 연결하는 구조로, 스위치에 인가되는 전압 스트레스를 DC 링크 전압의 절반으로 줄일 수 있다. 각 상은 P(양측 DC 버스), O(중성점), N(음측 DC 버스)의 세 가지 스위칭 상태를 가지며, 이를 통해 2레벨 컨버터 대비 낮은 전압 리플과 고조파 왜곡을 달성할 수 있다 [X].

DC-DC 컨버터는 배터리 측과 DC 링크 사이에서 전력 흐름을 제어한다. DC 링크 전압이 기준값보다 낮을 경우 배터리에서 DC 링크로 전력을 공급하는 Boost(방전) 모드로 동작하며, DC 링크 전압이 기준값보다 높을 경우 DC 링크에서 배터리로 전력을 회수하는 Buck(충전) 모드로 동작한다. 중성점 전압 불균형 문제는 스위칭 상태 선택을 통해 제어된다 [X].

(XXX 그림: 3레벨 NPC DC-DC 컨버터 회로도)

(XXX 표: DC-DC 컨버터 주요 파라미터)

### 2.1.2 T-type 3레벨 NPC DC-AC 인버터

DC-AC 인버터는 T-type 3레벨 NPC 토폴로지를 기반으로 한다. T-type NPC는 기존 다이오드 클램핑 NPC와 달리 클램핑 다이오드 없이 각 레그의 중성점을 양방향 스위치(bidirectional switch)로 DC 링크 중성점에 직접 연결하는 구조이다. 이를 통해 부품 수를 줄이고, 외측 스위치의 도통 손실을 저감할 수 있다. 특히 중간 스위칭 주파수 영역(6~30 kHz)에서 기존 NPC 대비 높은 효율을 나타내는 것으로 알려져 있다 [X]. 외측 스위치(S1, S4)는 DC 링크 전전압을 차단해야 하므로 전압 정격이 높은 소자가 요구되며, 내측 양방향 스위치는 DC 링크 전압의 절반만 차단하면 된다 [X].

운항 모드에서 DC-AC 인버터는 DC 링크에서 3상 AC 전력을 생성하여 추진전동기 구동 및 선내전원을 공급한다. 충전 모드에서는 Shore Power(3상 AC)를 수전하여 AC-DC 정류기로 동작하며, DC 링크를 통해 DC-DC 컨버터가 배터리를 충전한다. 두 모드의 전환은 인터록 회로를 통해 동시 활성화를 방지하는 기본 안전 설계를 따른다.

(XXX 그림: T-type 3레벨 NPC DC-AC 인버터 회로도)

(XXX 표: DC-AC 인버터 주요 파라미터)

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## 2.2 DC 버스 전압 기반 제어

### 2.2.1 제어 원리

본 연구에서 제안하는 제어의 핵심은 DC 버스 전압을 두 모듈 간 유일한 정보 매체로 활용하는 것이다. 각 모듈은 DC 버스 전압만을 관측하여 현재 시스템의 전력 수급 상태를 판단하고 자신의 동작 모드를 결정한다. 이는 별도의 통신 선로 없이도 두 모듈이 협조 동작할 수 있게 하며, 통신 장애가 발생하더라도 기본 동작이 유지되는 Fail-safe 구조를 형성한다.

DC 버스 전압 기반 제어의 동작 원리는 다음과 같다. DC-AC 인버터는 운항 모드에서 DC 링크 전압을 기준값으로 유지하도록 제어되며, DC-DC 컨버터는 DC 링크 전압 상태에 따라 배터리의 충방전 방향을 결정한다. DC 링크 전압이 설정 범위 내에 있을 경우 DC-DC 컨버터는 대기 상태를 유지하며, 전압이 설정 하한 이하로 강하하면 배터리에서 전력을 공급하는 Boost 모드로 전환하고, 전압이 설정 상한 이상으로 상승하면 배터리로 전력을 회수하는 Buck 모드로 전환한다.

(XXX 그림: DC 버스 전압 레벨에 따른 동작 모드 정의 및 상태 전이도)

### 2.2.2 히스테리시스 밴드 설계

DC 버스 전압 기반 모드 전환에서는 전압 섭동에 의한 불필요한 모드 전환, 즉 채터링(Chattering) 현상이 발생할 수 있다. 이를 억제하기 위해 히스테리시스 밴드를 적용하며, 모드 전환 임계값에 상·하한을 두어 전압이 밴드를 완전히 벗어날 때만 모드 전환이 발생하도록 한다.

히스테리시스 밴드의 상·하한은 다음 조건을 고려하여 설계한다. 첫째, 시스템의 허용 전압 변동률 이내에서 동작하도록 밴드 폭을 결정한다. 둘째, 모드 전환 시 발생하는 DC 링크 전압 오버슈트가 밴드 내에서 수렴하도록 마진을 확보한다. 셋째, 밴드 폭이 지나치게 좁으면 채터링이 발생하고, 지나치게 넓으면 DC 링크 전압 변동이 커지므로 적절한 밴드 폭을 설계한다.

(XXX 그림: 히스테리시스 밴드 설계 개념도)

(XXX 표: 히스테리시스 밴드 설계값)

### 2.2.3 DC-DC 컨버터 제어기 구성

(XXX 그림: DC-DC 컨버터 전류/전압 제어 블록 다이어그램)

DC-DC 컨버터는 외부 전압 루프와 내부 전류 루프로 구성된 이중 루프(Cascaded Loop) 제어 구조를 적용한다. 외부 루프는 DC 링크 전압 또는 배터리 전압을 기준으로 전류 지령을 생성하고, 내부 루프는 인덕터 전류를 추종하도록 제어한다.

(XXX 표: DC-DC 컨버터 제어기 파라미터)

### 2.2.4 DC-AC 인버터 제어기 구성

(XXX 그림: DC-AC 인버터 제어 블록 다이어그램)

DC-AC 인버터는 운항 모드와 충전 모드에서 각각 다른 제어 구조를 적용한다. 운항 모드에서는 DC 링크 전압을 기준값으로 유지하는 전압 제어를 수행하며, 충전 모드에서는 Shore Power AC 입력 전류를 제어하여 DC 링크를 충전하는 전류 제어를 수행한다.

(XXX 표: DC-AC 인버터 제어기 파라미터)

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## 2.3 다중 모듈 확장 및 이중화 시뮬레이션

### 2.3.1 다중 모듈 확장 구조

본 연구에서 제안하는 단일 모듈(DC-DC 컨버터 + DC-AC 인버터)을 병렬로 확장함으로써 전기추진 전력 시스템의 법적 이중화 요건을 충족하는 구조를 구성할 수 있다. 각 모듈이 DC 버스 전압만을 인터페이스로 독립적으로 동작하므로, 모듈 수를 증가시키더라도 각 모듈의 제어 로직을 수정할 필요가 없다. 이는 모듈 추가 시 재검증 범위를 최소화하여 시스템 확장성을 높인다.

다중 모듈 구성에서 각 모듈은 DC 버스 전압을 공통 인터페이스로 공유하며, 전압 상태에 따라 독립적으로 충방전을 결정한다. 특정 모듈에 고장이 발생하더라도 나머지 모듈이 DC 버스 전압을 유지하며 동작을 지속함으로써 이중화 요건을 만족한다.

(XXX 그림: 다중 모듈 병렬 확장 구성도)

### 2.3.2 시뮬레이션 조건

단일 모듈 고장 시 나머지 모듈의 이중화 동작 유효성을 시뮬레이션으로 검증한다. 시뮬레이션은 (XXX) 환경에서 수행하였으며, 시스템 파라미터는 실험 시스템과 동일하게 설정하였다.

(XXX 표: 시뮬레이션 파라미터)

### 2.3.3 시뮬레이션 결과

단일 모듈 고장 시뮬레이션에서 고장 발생 직후 DC 버스 전압의 일시적 변동이 관찰되나, 나머지 모듈이 즉각적으로 Boost 동작으로 전환하여 DC 버스 전압을 허용 범위 내로 복원함을 확인한다.

(XXX 그림: 단일 모듈 고장 시 이중화 동작 시뮬레이션 결과 — DC 버스 전압, 각 모듈 전류)

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## 2.4 소결

본 장에서는 3레벨 NPC DC-DC 컨버터와 T-type 3레벨 NPC DC-AC 인버터로 구성된 간소화된 모듈식 전력변환 시스템을 제안하였다. DC 버스 전압을 모듈 간 유일한 인터페이스로 활용하여 통신 없이 동작하는 제어를 구현하였으며, 히스테리시스 밴드를 통해 채터링을 억제하고 안정적인 모드 전환이 이루어짐을 확인하였다. 또한 단일 모듈의 병렬 확장으로 이중화 요건을 충족하는 구조의 유효성을 시뮬레이션으로 검증하였다.