KR101237843B1 - Dc-to-dc converter for electric vehicle to step a low battery voltage up - Google Patents

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강필순
김선필
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한밭대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A DC-to-DC converter for electric vehicle is provided to minimize the number of an output voltage power semiconductor device by serially connecting a battery and an output condenser. CONSTITUTION: In a first circuit module, a first capacitor(30_1) is serially connected to the positive terminal of an input voltage source(10). The positive terminal of a first inductor(40_1) is connected to the positive terminal of the input voltage source. A first diode(50_1) is connected between the negative terminals of the first inductor and the first capacitor. A first switch(20_1) is connected between the negative terminal of the first inductor and the negative terminal of the input voltage source.

Description

낮은 배터리 전압의 승압을 위한 전기자동차용 DC­to­DC컨버터 장치 { DC-to-DC converter for electric vehicle to step a low battery voltage up }DC-to-DC converter for electric vehicle to step a low battery voltage up}

본 발명은 전기자동차용 DC-to-DC 컨버터 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 낮은 배터리 전압을 효율적으로 승압하여 전기자동차 구동용 모터를 구동하기 위한 DC-link 전압을 확보하기 위한 승압형 DC-to-DC 컨버터 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a DC-to-DC converter device for an electric vehicle, and more particularly, a boosted DC for securing a DC-link voltage for driving a motor for driving an electric vehicle by efficiently boosting a low battery voltage. It relates to a -to-DC converter device.

오늘날 산업의 발달로 전기의 사용량이 증가하고 있으며 이동의 편의성 때문에 내연기관 자동차의 급속한 보급에 따른 환경문제를 조금이나마 해소하기 위해 자동차의 연비 개선 및 전기자동차의 도입이 있으며 근래에는 내연기관 및 전기모터를 모두 사용하는 하이브리드 형태의 자동차 개발이 이루어져 연비개선을 효과적으로 이루고 있다. 향후에는 내연기관의 비중이 점차 줄어들어 종국에는 전기만으로 구동되는 순수 전기자동차나 연료전지를 이용하는 Fuel-Cell 자동차의 개발이 이루어질 것으로 예상된다. 이와 같이 전기모터의 구동비율이 증가함에 따라 손실 및 모터설계의 이점을 고려하여 트렉션모터에 사용되는 전압은 300[V] 이상의 고압위주로 사용되고 있다. 그러나 이와 같은 고압전원 시스템은 인체 감전 등의 문제가 있으므로 NEV (Neighborhood Electric Vehicle) 와 같은 시스템에서는 전원으로 최대 70[V]대의 낮은 배터리를 사용한다. 이와 같은 안전과 효율적인 측면으로 인하여 배터리는 낮은 전압을, 모터는 높은 전압을 사용하고 있으며 이는 최소 4배 이상의 승압형 DC/DC 컨버터의 개발이 필수적이라 할 수 있다. 또한 전기 안전의 문제상 절연형의 변환기 기술개발이 이루어져야 한다.Today, with the development of the industry, the consumption of electricity is increasing, and because of the convenience of movement, in order to solve the environmental problems caused by the rapid spread of the internal combustion engine cars, the improvement of the fuel efficiency of the automobiles and the introduction of electric vehicles have recently been introduced. The development of hybrid vehicles using all of them has been achieved to improve fuel efficiency. In the future, the proportion of internal combustion engines will gradually decrease, and eventually, the development of fuel-cell vehicles using pure electric vehicles or fuel cells driven solely with electricity is expected. As the driving ratio of the electric motor increases as described above, the voltage used in the trance motor is used in the high voltage of 300 [V] in consideration of the loss and the advantages of the motor design. However, such a high-voltage power supply system has a problem such as human electric shock, so a system such as a NEV (Neighborhood Electric Vehicle) uses a low battery of up to 70 [V]. Due to these safety and efficiency aspects, the battery uses a low voltage and the motor uses a high voltage, which means that at least four times the boost DC / DC converter development is essential. In addition, due to the issue of electrical safety, isolated converter technology should be developed.

한편, 전기 자동차의 낮은 배터리의 입력전압을 효율적으로 승압시키기 위해 양방향DC-to-DC 컨버터를 적용한 도요타의 MCU(Motor Control Unit)는 입력 전압을 낮게 선정함으로써 배터리 셀의 적층 수를 작게 구성할 수 있어 구조적인 신뢰성을 확보할 수 있으며 무엇보다도 HEV(Hybrid Electric Vehicle)나 EV(Electric Vehicle)의 전기시스템 중에서 가장 큰 가격 부분을 차지하는 배터리의 가격을 낮출 수 있다는 장점을 가진다. 또한 전기 모터의 전압사양을 높게 설계할 경우 동손에 의한 손실을 최소화 할 수 있을 뿐만 아니라 권선의 사용 및 방열 구조를 최적화하기에 유리하다.Meanwhile, Toyota's MCU (Motor Control Unit), which adopts a bi-directional DC-to-DC converter to efficiently boost the input voltage of a low battery of an electric vehicle, can select a low input voltage and configure a small number of battery cells. As a result, it is possible to secure structural reliability and, above all, to lower the price of the battery, which occupies the largest price portion of the electric system of the HEV or the electric vehicle. In addition, if the voltage specification of the electric motor is designed to be high, the loss caused by copper loss can be minimized, and it is advantageous to optimize the use of the winding and the heat dissipation structure.

따라서 입출력 전압 승압비를 보다 크게 하기 위한 전기자동차용 컨버터의 개발이 시급하다. 전기자동차용 컨버터 중 DC-to-DC 컨버터로는 벅, 부스트, 및 벅-부스트 컨버터 등 여러 종류가 있다. 이것들은 출력 전압이 입력 전압 보다 높은지 또는 낮은지에 따라, 그리고 출력전압이 입력 전압의 전체 범위에 걸쳐지는지에 따라 구분된다. 통상적으로 이러한 컨버터들은 종종 스위칭 방법으로 PWM (pulse-width- modulation)을 사용한다. 만일 배터리 뱅크와 같은 고정 입력 전압을 가지고 출력 전압을 높이고 싶은 경우 통상적으로 부스트 컨버터를 사용하게 된다. 이 경우에 커패시터의 비용이 증가되는 문제점이 있었다.
Therefore, it is urgent to develop an electric vehicle converter for increasing the input / output voltage step-up ratio. Among the converters for electric vehicles, there are several types of DC-to-DC converters, such as buck, boost, and buck-boost converters. These are distinguished by whether the output voltage is above or below the input voltage and whether the output voltage spans the entire range of the input voltage. Typically, these converters often use pulse-width-modulation (PWM) as the switching method. If you want to increase the output voltage with a fixed input voltage such as a battery bank, you usually use a boost converter. In this case, there is a problem that the cost of the capacitor is increased.

KR 10-2002-0097369 A, 2002.12.31, 2쪽, 도2KR 10-2002-0097369 A, 2002.12.31, p. 2, Fig. 2

최미선, 송성근, 박성준, 김대경, 김용구, "전기자동차용 고효율 승압형 DC/DC 컨버터 개발", 전력전자학회 논문지, 제15권, 제2호, pp. 127-133, 2010년 4월. Choi, Mi-Sun, Song-Geun Song, Sung-Jun Park, Dae-Kyung Kim, Yong-Koo Kim, "Development of High-Efficiency Boosted DC / DC Converter for Electric Vehicle", Journal of the Korean Institute of Power Electronics, Vol.15, No.2, pp. 127-133, April 2010.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해, 낮은 배터리 전압을 효율적으로 승압하여 전기자동차 구동용 모터를 구동하기 위한 승압형 DC-to-DC 컨버터 장치를 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a boost type DC-to-DC converter device for driving a motor for driving an electric vehicle by efficiently boosting the low battery voltage to solve the above problems.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above.

전술한 바와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 DC-to-DC 컨버터 장치에 있어서, 상기 컨버터 장치는 스위치, 커패시터, 인덕터, 다이오드를 포함하는 제1번째 내지 제2번째 회로 모듈로 구성되고, 제1번째 회로 모듈에서 입력 전압원의 + 단자와 직렬로 제1 커패시터가 연결되고, 입력전압원의 +단자에 또한 제1 인덕터의 +단자가 연결되며, 제1 커패시터와 제1 인덕터의 -단자 간에 제1 다이오드가 연결되고, 제1 인덕터의 -단자와 입력전압원의 -단자 간에 제1 스위치가 연결되며, 제2번째 회로 모듈에서 제1번째 회로 모듈의 제1 커패시터와 직렬로 제2 커패시터가 연결되고, 제1 커패시터에 또한 제2 인덕터의 +단자가 연결되며, 제2 커패시터와 제2 인덕터의 -단자 간에 제2 다이오드가 연결되고, 제2 인덕터의 -단자와 입력전압원의 -단자 간에 제2 스위치가 연결되며, 상기 제1 내지 제2 스위치는 제어를 위해 연결되는 제어부의 제어신호를 통해 동작되어 전원을 스위칭하며, 상기 제2 커패시터와 입력 전압원 간에 형성되는 출력단을 통해 전원이 컨버팅되어 출력되는 것을 특징으로 한다.In the DC-to-DC converter device of the present invention for achieving the above object, the converter device is composed of a first to second circuit module including a switch, a capacitor, an inductor, a diode, In the first circuit module, the first capacitor is connected in series with the + terminal of the input voltage source, the + terminal of the first inductor is also connected to the + terminal of the input voltage source, and the first terminal is connected between the-terminal of the first capacitor and the first inductor. A diode is connected, a first switch is connected between the-terminal of the first inductor and the-terminal of the input voltage source, a second capacitor is connected in series with the first capacitor of the first circuit module in the second circuit module, The + terminal of the second inductor is also connected to the first capacitor, the second diode is connected between the-terminal of the second capacitor and the second inductor, and the second switch is connected between the-terminal of the second inductor and the-terminal of the input voltage source.The first to second switches are operated through a control signal of a controller connected for control to switch power, and the power is converted and output through an output terminal formed between the second capacitor and an input voltage source. It is done.

바람직하게는, 상기 DC-to-DC 컨버터 장치에는 출력 전압의 승압을 위해 제3번째 내지 제n번째 회로 모듈이 추가로 구성되며, 제n번째 회로 모듈에서 제n-1번째 모듈의 제n-1 커패시터와 직렬로 제n 커패시터가 연결되고, 제n-1 커패시터에 또한 제n 인덕터의 +단자가 연결되며, 제n 커패시터와 제n 인덕터의 -단자 간에 제n 다이오드가 연결되고, 제n 인덕터의 -단자와 입력전압원의 -단자 간에 제n 스위치가 연결되며,Preferably, the DC-to-DC converter device further comprises a third to n-th circuit module for boosting the output voltage, the n- of the n-th module from the n-th circuit module An n-th capacitor is connected in series with the first capacitor, an n-th capacitor is also connected to the + terminal of the n-th inductor, an n-th diode is connected between the n-th capacitor and the-terminal of the n-th inductor, and an n-th inductor The n-th switch is connected between the-terminal of and the-terminal of the input voltage source.

제3번째 내지 제n번째 회로 모듈의 제3 내지 제n 스위치는 제어를 위해 연결되는 제어부의 제어신호를 통해 동작되어 전원을 스위칭하며, 상기 제n 커패시터와 입력 전압원 간에 형성되는 출력단을 통해 전원이 컨버팅되어 출력되는 것을 특징으로 한다.The third to nth switches of the third to nth circuit modules are operated through a control signal of a controller connected for control to switch power, and the power is supplied through an output terminal formed between the nth capacitor and an input voltage source. It is characterized in that the converted and output.

바람직하게는, 제1 스위치의 ON 구간 동안 제1 인덕터에 에너지가 저장되며 제1 스위치의 OFF 구간 동안 제1 인덕터에 저장되었던 에너지가 제1 커패시터를 충전시키고, 제1 스위치의 ON/OFF 구간동안 제1 커패시터와 입력 전압원의 - 단자간의 전압은 입력전압과 제1 커패시터 양단전압의 합이 되는 것을 특징으로 한다.Preferably, energy is stored in the first inductor during the ON period of the first switch, and energy stored in the first inductor during the OFF period of the first switch charges the first capacitor, and during the ON / OFF period of the first switch. The voltage between the terminal of the first capacitor and the input voltage source is the sum of the input voltage and the voltage across the first capacitor.

나아가, 제2 스위치의 ON 구간 동안 제2 인덕터에 에너지가 저장되며 제2 스위치의 OFF 구간 동안 제2 인덕터에 저장되었던 에너지가 제2 커패시터를 충전시키고, 제2 스위치의 ON/OFF 구간동안 제2 커패시터와 입력 전압원의 - 단자간의 전압은 항상 입력전압과 제1 및 제2 커패시터 양단전압의 합이 되는 것을 특징으로 한다.
Furthermore, energy is stored in the second inductor during the ON period of the second switch, and energy stored in the second inductor during the OFF period of the second switch charges the second capacitor, and the second capacitor is turned on during the ON / OFF period of the second switch. The voltage between the negative terminal of the capacitor and the input voltage source is always the sum of the input voltage and the voltage across the first and second capacitors.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 전기자동차용 DC-to-DC 컨버터 장치는 배터리와 출력 콘덴서가 직렬 결합되어 출력전압을 형성하는 구조로서 배터리 셀의 적층 수를 감소시킬 수 있어 구조적 신뢰성을 증가시킬 수 있고, 출력전압 전력반도체 소자 수를 최소화하여 전기적 신뢰성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
As described above, the DC-to-DC converter device for an electric vehicle of the present invention is a structure in which a battery and an output capacitor are coupled in series to form an output voltage, thereby reducing the number of stacking of battery cells, thereby increasing structural reliability. In addition, there is an effect that the electrical reliability can be increased by minimizing the number of output voltage power semiconductor elements.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 DC-to-DC 컨버터 장치의 전체 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 컨버터의 기본 첫 번째 모듈의 주요 파형을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에서 컨버터의 두 번째 모듈의 주요 파형을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에서 첫 번째 모듈의 커패시터의 전압, 두 번째 커패시터 전압, 그리고 최종 컨버터의 출력 전압을 나타낸 도면이다.
1 is a view showing the overall configuration of a DC-to-DC converter device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows the main waveforms of the basic first module of the converter in FIG. 1.
FIG. 3 shows the main waveforms of the second module of the converter in FIG. 1.
4 is a diagram showing the voltage of the capacitor of the first module, the voltage of the second capacitor, and the output voltage of the final converter in FIG.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like elements in the figures are denoted by the same reference numerals wherever possible. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 DC-to-DC 컨버터(100) 장치를 나타낸 도면으로서, 상기 컨버터 장치는 스위치(20), 커패시터(30), 인덕터(40), 다이오드(50), 및 출력단(60)을 포함한다.1 is a view showing a DC-to-DC converter 100 device according to an embodiment of the present invention, the converter device is a switch 20, a capacitor 30, an inductor 40, a diode 50, and And an output stage 60.

DC-to-DC 컨버터(100)는 n개의 모듈로 구성되고, 각 모듈은 스위치(20), 커패시터(30), 인덕터(40), 다이오드(50)를 포함한다. 첫 번째 모듈은 스위치(20_1), 커패시터(30_1), 인덕터(40_1), 다이오드(50_1)를 포함하여 구성되고, n번째 모듈은 위치(20_n), 커패시터(30_n), 인덕터(40_n), 다이오드(50_n)를 포함하여 구성된다.The DC-to-DC converter 100 is composed of n modules, and each module includes a switch 20, a capacitor 30, an inductor 40, and a diode 50. The first module comprises a switch 20_1, a capacitor 30_1, an inductor 40_1, a diode 50_1, and the nth module includes a position 20_n, a capacitor 30_n, an inductor 40_n, a diode ( 50_n).

첫 번째 모듈을 예를 들어 설명하면, 입력 전압원(10)의 + 단자와 직렬로 제1 커패시터(30_1)가 연결되고, 입력전압원의 +단자에 또한 제1 인덕터(40_1)의 +단자가 연결되며, 제1 커패시터(30_1)와 제1 인덕터(40_1)의 -단자 간에 제1 다이오드(50_1)가 연결된다. 제1 인덕터(40_1)의 -단자와 입력전압원(10)의 -단자 간에 제1 스위치(20_1)가 연결된다. 상기 제1 스위치는 제어를 위해 연결되는 제어부(미도시)의 제어신호를 통해 동작되어 전원을 스위칭하여 전원을 컨버팅 시킨다.Referring to the first module as an example, the first capacitor 30_1 is connected in series with the + terminal of the input voltage source 10, and the + terminal of the first inductor 40_1 is also connected to the + terminal of the input voltage source. The first diode 50_1 is connected between the terminal of the first capacitor 30_1 and the first inductor 40_1. The first switch 20_1 is connected between the negative terminal of the first inductor 40_1 and the negative terminal of the input voltage source 10. The first switch is operated through a control signal of a controller (not shown) connected for control to switch power by switching power.

두 번째 모듈의 구성을 설명하면, 첫 번째 모듈의 제1 커패시터(30_1)와 직렬로 제2 커패시터(30_2)가 연결되고, 제1 커패시터(30_1)에 또한 제2 인덕터(40_2)의 +단자가 연결되며, 제2 커패시터(30_2)와 제2 인덕터(40_2)의 -단자 간에 제2 다이오드(50_2)가 연결된다. 제2 인덕터(40_2)의 -단자와 입력전압원(10)의 -단자 간에 제2 스위치(20_2)가 연결된다. 상기 제2 스위치는 제어를 위해 연결되는 제어부(미도시)의 제어신호를 통해 동작되어 전원을 스위칭하여 전원을 컨버팅 시킨다.Referring to the configuration of the second module, the second capacitor 30_2 is connected in series with the first capacitor 30_1 of the first module, and the + terminal of the second inductor 40_2 is also connected to the first capacitor 30_1. The second diode 50_2 is connected between the − terminal of the second capacitor 30_2 and the second inductor 40_2. The second switch 20_2 is connected between the negative terminal of the second inductor 40_2 and the negative terminal of the input voltage source 10. The second switch is operated through a control signal of a controller (not shown) connected for control to switch the power by switching the power.

n 번째 모듈의 구성을 설명하면, n-1번째 모듈의 제n-1 커패시터(30_n-1)와 직렬로 제n 커패시터(30_n)가 연결되고, 제n-1 커패시터(30_n-1)에 또한 제n 인덕터(40_n)의 +단자가 연결되며, 제n 커패시터(30_n)와 제n 인덕터(40_n)의 -단자 간에 제n 다이오드(50_n)가 연결된다. 제n 인덕터(40_n)의 -단자와 입력전압원(10)의 -단자 간에 제n 스위치(20_n)가 연결된다. 상기 제n 스위치는 제어를 위해 연결되는 제어부(미도시)의 제어신호를 통해 동작되어 전원을 스위칭하여 전원을 컨버팅 시킨다.
Referring to the configuration of the n-th module, the n-th capacitor 30_n is connected in series with the n-th capacitor 30_n-1 of the n-th module, and further connected to the n-th capacitor 30_n-1. The + terminal of the n-th inductor 40_n is connected, and the n-th diode 50_n is connected between the n-th capacitor 30_n and the-terminal of the n-th inductor 40_n. The n th switch 20_n is connected between the − terminal of the n th inductor 40_n and the − terminal of the input voltage source 10. The n-th switch is operated through a control signal of a controller (not shown) connected for control to switch power by switching power.

본 발명의 DC-to-DC 컨버터(100)의 기본 회로 구조는 도 1과 같이 스위치(20_1,...,20_n), 다이오드(50_1,...,50_n), 인덕터(40_1,...,40_n), 커패시터(30_1,...,30_n)의 4 종류의 회로소자를 가지며 입력 전압원 (V in )(10)과 출력 커패시터(C 1 )(30)가 직렬 결합된 구조를 가진다. 스위치 S 1 (20_1)의 ON 구간 동안 인덕터(40_1)에 에너지가 저장되며 스위치 S 1 (20_1)의 OFF 구간 동안 인덕터(40_1)에 저장되었던 에너지가 커패시터 C 1 (30_1)을 충전한다. 스위치(20_1)의 ON/OFF 구간동안 출력전압(60)은 항상 입력전압 (V in )(10)과 커패시터 양단전압 (V C1 )(30_1)의 합이 된다. 본 발명에 따른 회로에서 승압비를 증가시키기 위해서는 인덕터의 직렬 결합 (L 1 +L 2 +…L n )(40_1,...,40_n)과 출력 커패시터의 직렬 결합 (C 1 +C 2 +…C n ) (30_1,...,30_n)이 필요하다. 즉 도 1의 첫 번째 다이오드 D 1 (50_1)과 스위치 S 1 (20_1)에 걸리는 전압을 하나의 입력 전압원으로 본다면 최종적으로 확장되어진 회로는 도 1의 n개의 다이오드(50_1,...,50_n)와 스위치(20_1,...,20_n), 커패시터(30_1,...,30_n)를 가지게 된다. 인덕터 L n (40_n)에서 volt-sec 평형조건을 적용하여 L n 에 입력전압을 V n 이라 하였을 때 입력전압과 출력전압, 그리고 스위치 S n 의 도통비의 관계는 수학식 1과 같다.
The basic circuit structure of the DC-to-DC converter 100 of the present invention is a switch (20_1, ..., 20_n), a diode (50_1, ..., 50_n), inductor (40_1, ...) as shown in , 40_n), and capacitors 30_1,..., 30_n, have four types of circuit elements, and have an structure in which an input voltage source V in 10 and an output capacitor C 1 30 are series-coupled. Energy is stored in the inductor 40_1 during the ON period of the switch S 1 20_1, and energy stored in the inductor 40_1 during the OFF period of the switch S 1 20_1 charges the capacitor C 1 30_1. The output voltage 60 is always the sum of the input voltage V in 10 and the voltage across the capacitor V C1 30_1 during the ON / OFF period of the switch 20_1. In order to increase the boost ratio in the circuit according to the present invention, the series coupling ( L 1 + L 2 +… L n ) of the inductor (40_1, ..., 40_n) and the series coupling ( C 1 + C 2 +. C n ) (30_1, ..., 30_n) is required. That is, if the voltages applied to the first diode D 1 50_1 and the switch S 1 20_1 of FIG. 1 are regarded as one input voltage source, the finally expanded circuit includes n diodes 50_1,..., 50_n of FIG. 1. And switches 20_1, ..., 20_n, and capacitors 30_1, ..., 30_n. A non-conductive relationship of the input voltage and the output voltage when the input voltage to the L n is applied to volt-sec equilibrium condition in the inductor L n (40_n) hayeoteul as V n, S n and the switch is shown in equation (1).

수학식 1Equation 1

Figure 112011089293759-pat00001

Figure 112011089293759-pat00001

이때, Vn은 인덕터 L n 에서 입력전압을 나타내고, Vout은 출력전압을 나타내고, D는 스위치(20)의 도통비(Duty ratio)를 나타내며, T는 스위치(20)의 스위칭 주기를 나타낸다.In this case, Vn represents an input voltage in the inductor L n , Vout represents an output voltage, D represents a duty ratio of the switch 20, and T represents a switching period of the switch 20.

수학식 1을 정리하면 다음과 같다.
Equation 1 is summarized as follows.

수학식 2Equation 2

Figure 112011089293759-pat00002

Figure 112011089293759-pat00002

수학식 2로부터 제안하는 DC-to-DC 컨버터의 입출력전압과 도통비와의 관계가 기존의 승압형 컨버터의 입출력 관계와 동일함을 알 수 있다.It can be seen from Equation 2 that the relationship between the input-output voltage and the conduction ratio of the DC-to-DC converter is the same as that of the conventional boost converter.

인덕터 L n (40_n) 이전의 인덕터 L n -1 (40_n-1)에서 volt-sec 평형조건을 적용시키면 다음과 같다.
Inductor L n Applying the volt-sec equilibrium condition at the inductor L n -1 (40_n-1) before (40_n) gives:

수학식 3Equation 3

Figure 112011089293759-pat00003

Figure 112011089293759-pat00003

이때, Vn은 인덕터 L n 에서 입력전압을 나타내고, Vn-1은 인덕터 L n -1 에서 입력전압을 나타내고, D는 스위치(20)의 도통비(Duty ratio)를 나타낸다.
In this case, Vn represents an input voltage at the inductor L n , Vn-1 represents an input voltage at the inductor L n -1 , and D represents a duty ratio of the switch 20.

수학식 3을 수학식 2에 대입시켜 입출력 전압과 도통비와 관계를 정리하면 수학식 4와 같으며 이는 모든 스위치가 동일한 도통비로 병렬 운전되고 있다는 가정 하에 성립한다.
Substituting Equation 3 into Equation 2 and summarizing the relationship between the input / output voltage and the conduction ratio is shown in Equation 4, which is established under the assumption that all switches are operated in parallel at the same conduction ratio.

수학식 4Equation 4

Figure 112011089293759-pat00004

Figure 112011089293759-pat00004

위의 수학식 2, 3, 4로부터 회로를 구성하는 소자(스위치, 다이오드, 인덕터, 커패시터)의 개수가 n개 일 때의 입출력 전압과 도통비와의 관계는 수학식 5와 같이 정의된다.
The relationship between the input / output voltage and the conduction ratio when the number of elements (switches, diodes, inductors, and capacitors) constituting the circuit is n from Equations 2, 3, and 4 is defined as in Equation 5.

수학식 5Equation 5

Figure 112011089293759-pat00005

Figure 112011089293759-pat00005

이때, Vin은 입력 전압원을 나타내고, Vout은 출력전압을 나타내고, D는 스위치(20)의 도통비(Duty ratio)를 나타낸다.
In this case, Vin denotes an input voltage source, Vout denotes an output voltage, and D denotes a duty ratio of the switch 20.

본 발명의 컨버터의 타당성 검증을 위해서 PSpice 기반의 시뮬레이션 결과를 제시한다. 입력전압은 DC 72 V, 스위칭 주파수는 10 kHz, 1 kW급에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 두 모듈을 결합하여 2개의 스위치는 위상차 없이 병렬 제어하며 스위치의 도통비는 50 %로 제어한다.PSpice-based simulation results are presented for validating the converter. The input voltage was 72 V, the switching frequency was 10 kHz, and 1 kW. By combining the two modules, the two switches are controlled in parallel without phase difference and the conduction ratio of the switches is controlled at 50%.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 기본 첫 번째 모듈의 주요 파형을 보여준다. 위에서부터 차례대로 스위치(20_1) 양단전압(V S1 ), 인덕터(40_1) 양단전압 (V L1 ), 다이오드(50_1) 전류 (I D1 ), 출력 커패시터(30_1) 양단전압 (V C1 )이며, 도 3은 확장된 두 번째 모듈의 주요 파형이다. 두 파형을 비교해 보면 스위치(20_1) S 1 과 스위치(20_2) S 2 가 동시에 ON 상태가 되면 인덕터(40_1,40_2) L 1 L 2 의 전압과 전류가 증가하게 되고 커패시터(30_1,30_2) C 1 C 2 는 방전을 시작한다. 스위치(20_1) S 1 과 스위치(20_2) S 2 가 OFF 되면 인덕터(40_1,40_2) L 1 L 2 의 전압과 전류가 감소하고 커패시터(30_1,30_2) C 1 C 2 가 충전된다.
Figure 2 shows the main waveforms of the basic first module of the converter according to an embodiment of the present invention. From top to bottom, the switch 20_1 voltage across V S1 , the inductor 40_1 voltage across V L1 , the diode 50_1 current I D1 , the output capacitor 30_1 voltage across V C1 , and FIG. 3 is the main waveform of the expanded second module. Comparing the two waveforms, if the switch 20_1 S 1 and the switch 20_2 S 2 are turned on at the same time, the voltages and currents of the inductors 40_1 and 40_2 L 1 and L 2 increase, and the capacitors 30_1 and 30_2 C. 1 and C 2 start to discharge. When the switch 20_1 S 1 and the switch 20_2 S 2 are turned off, the voltages and currents of the inductors 40_1 and 40_2 L 1 and L 2 decrease, and the capacitors 30_1 and 30_2 C 1 and C 2 are charged.

도 4는 첫 번째 모듈의 커패시터(30_1) C 1 의 전압과 두 번째 커패시터(30_2) C 2 의 전압, 그리고 최종 컨버터의 출력 전압(60)을 나타낸다. C 1 의 전압(30_1)은 입력 전압원(10)과 전압의 크기가 비슷하게 나타나게 되고, C 2 의 전압(30_2)은 C 1 전압(30_1)의 두 배 정도의 크기를 가지게 된다. 따라서 최종 출력전압 V out (60)은 입력전압 V in (10)과 C 1 (30_1)의 전압, C 2 (30_2)의 전압의 크기의 합으로 나타나며 입력전압(10)의 4배가 됨을 확인할 수 있다. 이론적으로 스위치의 도통비를 증가시킬수록 수학식 5에 따라 출력전압의 승압이 가능하며 스위치의 도통비가 80 %에서는 입력전압의 25배에 해당하는 1800 V 까지 승압이 가능하다.
4 shows the voltage of the capacitor 30_1 C 1 of the first module, the voltage of the second capacitor 30_2 C 2 , and the output voltage 60 of the final converter. The voltage 30_1 of C 1 is similar in magnitude to the input voltage source 10, and the voltage 30_2 of C 2 is about twice the size of the C 1 voltage 30_1. Therefore, the final output voltage V out (60) is expressed as the sum of the magnitudes of the input voltage V in (10), the voltage of C 1 (30_1), and the voltage of C 2 (30_2), and can be confirmed that four times the input voltage (10). have. Theoretically, as the conduction ratio of the switch increases, the output voltage can be boosted according to Equation 5, and when the conduction ratio of the switch is 80%, the boost voltage can be increased to 1800 V corresponding to 25 times the input voltage.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 컨버터 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
What has been described above is only one embodiment for carrying out the converter device according to the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and as claimed in the following claims, it departs from the gist of the present invention. Without this, anyone skilled in the art to which the present invention pertains will have the technical spirit of the present invention to the extent that various modifications can be made.

100 : DC-to-DC 컨버터 10 : 입력 전압원
20 : 스위치 30 : 커패시터
40 : 인덕터 50 : 다이오드
20_n : 제n 스위치 30_n : 제n 커패시터
40_n : 제n 인덕터 50_n : 제n 다이오드
100: DC-to-DC converter 10: input voltage source
20: switch 30: capacitor
40: inductor 50: diode
20_n: nth switch 30_n: nth capacitor
40_n: nth inductor 50_n: nth diode

Claims (5)

DC-to-DC 컨버터 장치에 있어서,
상기 컨버터 장치는 스위치, 커패시터, 인덕터, 다이오드를 포함하는 제1번째 내지 제2번째 회로 모듈로 구성되고,
제1번째 회로 모듈에서 입력 전압원의 + 단자와 직렬로 제1 커패시터가 연결되고, 입력전압원의 +단자에 또한 제1 인덕터의 +단자가 연결되며, 제1 커패시터와 제1 인덕터의 -단자 간에 제1 다이오드가 연결되고, 제1 인덕터의 -단자와 입력전압원의 -단자 간에 제1 스위치가 연결되며,
제2번째 회로 모듈에서 제1번째 회로 모듈의 제1 커패시터와 직렬로 제2 커패시터가 연결되고, 제1 커패시터에 또한 제2 인덕터의 +단자가 연결되며, 제2 커패시터와 제2 인덕터의 -단자 간에 제2 다이오드가 연결되고, 제2 인덕터의 -단자와 입력전압원의 -단자 간에 제2 스위치가 연결되며,
상기 제1 내지 제2 스위치는 제어를 위해 연결되는 제어부의 제어신호를 통해 동작되어 전원을 스위칭하며,
상기 제2 커패시터와 입력 전압원 간에 형성되는 출력단을 통해 전원이 컨버팅되어 출력되는 것을 특징으로 하는 DC-to-DC 컨버터 장치.
In a DC-to-DC converter device,
The converter device is composed of first to second circuit modules including switches, capacitors, inductors, diodes,
In the first circuit module, the first capacitor is connected in series with the + terminal of the input voltage source, and the + terminal of the first inductor is also connected to the + terminal of the input voltage source, and between the first capacitor and the-terminal of the first inductor. 1 diode is connected, the first switch is connected between the terminal of the first inductor and the terminal of the input voltage source,
The second capacitor is connected in series with the first capacitor of the first circuit module in the second circuit module, the + terminal of the second inductor is also connected to the first capacitor, and the negative terminal of the second capacitor and the second inductor. A second diode is connected between the second diode and a second switch is connected between the negative terminal of the second inductor and the negative terminal of the input voltage source.
The first to second switches are operated via a control signal of a control unit connected for control to switch the power,
DC-to-DC converter device characterized in that the power is converted and output through an output terminal formed between the second capacitor and the input voltage source.
청구항 1에 있어서,
상기 DC-to-DC 컨버터 장치에는 출력 전압의 승압을 위해 제3번째 내지 제n번째 회로 모듈이 추가로 구성되며,
제n번째 회로 모듈에서 제n-1번째 모듈의 제n-1 커패시터와 직렬로 제n 커패시터가 연결되고, 제n-1 커패시터에 또한 제n 인덕터의 +단자가 연결되며, 제n 커패시터와 제n 인덕터의 -단자 간에 제n 다이오드가 연결되고, 제n 인덕터의 -단자와 입력전압원의 -단자 간에 제n 스위치가 연결되며,
제3번째 내지 제n번째 회로 모듈의 제3 내지 제n 스위치는 제어를 위해 연결되는 제어부의 제어신호를 통해 동작되어 전원을 스위칭하며,
상기 제n 커패시터와 입력 전압원 간에 형성되는 출력단을 통해 전원이 컨버팅되어 출력되는 것을 특징으로 하는 DC-to-DC 컨버터 장치.
The method according to claim 1,
The DC-to-DC converter device further comprises a third to n-th circuit module for boosting the output voltage,
The n th capacitor is connected in series with the n-1 capacitor of the n-1 th module in the n th circuit module, and the + terminal of the n th inductor is also connected to the n-1 capacitor. An n th diode is connected between the-terminal of the n inductor, and an n switch is connected between the-terminal of the n inductor and the-terminal of the input voltage source.
The third to nth switches of the third to nth circuit modules are operated through a control signal of a controller connected for control to switch power.
DC-to-DC converter device characterized in that the power is converted and output through an output terminal formed between the n-th capacitor and the input voltage source.
청구항 1에 있어서,
제1 스위치의 ON 구간 동안 제1 인덕터에 에너지가 저장되며 제1 스위치의 OFF 구간 동안 제1 인덕터에 저장되었던 에너지가 제1 커패시터를 충전시키고, 제1 스위치의 ON/OFF 구간동안 제1 커패시터와 입력 전압원의 - 단자간의 전압은 입력전압과 제1 커패시터 양단전압의 합이 되는 것을 특징으로 하는 DC-to-DC 컨버터 장치.
The method according to claim 1,
Energy is stored in the first inductor during the ON period of the first switch, and energy stored in the first inductor during the OFF period of the first switch charges the first capacitor, and the first capacitor and the first capacitor during the ON / OFF period of the first switch. The voltage between the-terminal of the input voltage source is the sum of the input voltage and the voltage across the first capacitor DC-to-DC converter device.
청구항 3에 있어서,
제2 스위치의 ON 구간 동안 제2 인덕터에 에너지가 저장되며 제2 스위치의 OFF 구간 동안 제2 인덕터에 저장되었던 에너지가 제2 커패시터를 충전시키고, 제2 스위치의 ON/OFF 구간동안 제2 커패시터와 입력 전압원의 - 단자간의 전압은 항상 입력전압과 제1 및 제2 커패시터 양단전압의 합이 되는 것을 특징으로 하는 DC-to-DC 컨버터 장치.
The method according to claim 3,
Energy is stored in the second inductor during the ON period of the second switch, and energy stored in the second inductor during the OFF period of the second switch charges the second capacitor, and the second capacitor and the second capacitor during the ON / OFF period of the second switch. DC-to-DC converter device, characterized in that the voltage between the terminals of the input voltage source is always the sum of the input voltage and the voltage across the first and second capacitors.
청구항 2에 있어서,
상기 DC-to-DC 컨버터 장치가 n개의 회로 모듈로 구성되는 경우,
출력단의 출력전압은 하기의 수학식 1과 같이 구성됨을 특징으로 하는 DC-to-DC 컨버터 장치.
수학식 1
Figure 112011089293759-pat00006

여기서, Vin은 입력 전압원을 나타내고, Vout은 출력전압을 나타내고, D는 스위치의 도통비(Duty ratio)를 나타낸다.
The method according to claim 2,
When the DC-to-DC converter device is composed of n circuit modules,
DC-to-DC converter device, characterized in that the output voltage of the output stage is configured as shown in Equation 1 below.
Equation 1
Figure 112011089293759-pat00006

Where Vin represents an input voltage source, Vout represents an output voltage, and D represents the duty ratio of the switch.
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