KR100667870B1

KR100667870B1 - High efficiency DC power converter with bidirectional power control

Info

Publication number: KR100667870B1
Application number: KR20050004067A
Authority: KR
Inventors: 이성룡
Original assignee: 이성룡
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2007-01-11
Also published as: KR20060084075A

Abstract

본 발명은 양방향 전력제어가 가능하도록 구성된 고효율 직류전력변환기에 관한 것으로서, 양방향 전력제어를 위하여 역병렬 다이오드(D1, D2)를 포함한 2개의 메인스위치(S1, S2)와 하나의 결합 인덕터(Coupled Inductor, L1, L2) 그리고 에너지 전달용 커패시터(C)를 기본으로 구성하는 토폴로지(Topology), 각각의 메인 스위치를 PWM(Pulse Width Modulation)제어하여 양방향 전력수수 및 이의 전압 및 전류를 제어할 수 있는 구조, 본 발명에서 제안한 방식으로 기존의 직류전력변환기에 비하여 특별한 소자 증가 없이 전력변환 효율을 증가시킬 수 있는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a high efficiency DC power converter configured to enable bidirectional power control, and includes two main switches (S1 and S2) and one coupled inductor including anti-parallel diodes (D1 and D2) for bidirectional power control. Topology consisting of L1, L2) and energy transfer capacitor (C) as a basic structure, and bi-directional power transfer and its voltage and current control by PWM (Pulse Width Modulation) control of each main switch In addition, the present invention can increase the power conversion efficiency without a special element increase in comparison with the conventional DC power converter.

본 발명은 기존의 축(Cuk) 변환기를 기본으로 여기에 한 개의 메인스위치(S2)를 부가하여 양방향 전력제어가 가능한 변환기로 구성한 다음, 부하 요구전력을 직류전력변환기를 통해서만 전달하는 기존의 축 변환기의 구조와는 근본적으로 다르게, 에너지 전달용 커패시터(C)의 특성을 이용하여 요구 에너지의 일부분만으로 부하전력제어를 수행하도록 함으로서 전력변환 시 발생하는 에너지 손실을 감소시켜, 기존의 직류전력변환기 보다 고효율로 양방향 전력변환이 가능할 뿐 아니라, 기존 축 변환기의 단점인 입 · 출력전압의 극성이 반전되는 특성을 제거하여 입 · 출력 전압과 전류가 연속적이며 공통 접지를 취하는 장점을 갖는다. 또한 본 발명은 기존에 가장 많이 사용되고 있는 벅(Buck) 변환기와 부스트(Boost) 변환기를 결합한 구조의 양방향 직류전력변환기에 비하여 효율 향상은 물론이고, 기존보다 입 · 출력 전압과 전류 특성이 좋아 인덕터와 커패시터의 크기와 무게를 감소시킬 수 있기 때문에 보다 컴팩트(compact)하고, 저렴한 비용으로 양방향 직류전력변환기의 제작이 가능 하다.According to the present invention, a main converter (S2) is added to the main converter (S2), and the bidirectional power control is configured as a converter capable of bidirectional power control. Unlike the structure of, by using the characteristics of the energy transfer capacitor (C) to perform the load power control only a portion of the required energy by reducing the energy loss generated during power conversion, more efficient than conventional DC power converter In addition to the two-way power conversion, the polarity of the input and output voltages, which are disadvantages of the existing shaft converters, are eliminated, thereby making the input and output voltages and currents continuous and taking common ground. In addition, the present invention improves efficiency compared to the bidirectional DC power converter of the structure that combines the most commonly used buck converter and boost converter, as well as the input and output voltage and current characteristics better than the conventional inductor and Since the size and weight of the capacitor can be reduced, a more compact and low cost bidirectional DC power converter can be manufactured.

직류전력변환기, 양방향 직류전력제어, 고효율(High Efficiency). DC power converter, bidirectional DC power control, high efficiency.

Description

Bi-directional DC / DC Converter with High Efficiency

[도 1a]는 기존의 벅 변환기(Buck Converter) 1A is a conventional buck converter

[도 1b]는 기존의 부스트 변환기(Boost Converter) Figure 1b is a conventional boost converter (Boost Converter)

[도 1c]는 기존의 벅-부스트 변환기(Buck-Boost Converter) 1C is a conventional buck-boost converter

[도 1d]는 기존의 축 변환기(Cuk Converter) Figure 1d is a conventional axis converter (Cuk Converter)

[도 2]는 기존의 양방향 직류전력변환기(Bi-directional DC/DC Converter) 2 is a conventional bi-directional DC power converter (Bi-directional DC / DC Converter)

[도 3]은 본 발명에서 고안한 양방향 직류전력변환기3 is a bidirectional DC power converter designed in the present invention

[도 4a]는 본 발명의 변환기(도 3)가 승압(Step-Up) 모드시의 등가회로Fig. 4A shows an equivalent circuit in the step-up mode of the converter (Fig. 3) of the present invention.

[도 4b]는 본 발명의 변환기(도 3)가 강압(Step-Down) 모드시의 등가회로Fig. 4b is an equivalent circuit in the step-down mode of the transducer (Fig. 3) of the present invention.

[도 5a]는 기존의 양방향 직류전력변환기(도 2)의 강압(Step-Down) 모드시의 입력전류(Ipv)와 출력 전류(Iout) 그리고, 출력전압(Vout)의 파형 및 입 · 출력 전력(Win, Wout).FIG. 5A illustrates the input current Ipv and output current Iout, and the waveform and input / output power of the output voltage Vout in the step-down mode of the conventional bidirectional DC power converter (FIG. 2). (Win, Wout).

[도 5b]는 기존의 양방향 직류전력변환기(도 2)의 승압(Step-Up) 모드시의 입력 측 인덕터 전류(IL)와 출력 전류(Iout) 그리고, 출력전압(Vout)의 파형 및 입 · 출력 전력(Win, Wout).FIG. 5B shows waveforms and inputs and outputs of an input inductor current IL and an output current Iout and an output voltage Vout in a step-up mode of a conventional bidirectional DC power converter (FIG. 2). Output power (Win, Wout).

[도 6a]는 본 발명에서 고안한 양방향 직류전력변환기(도 3)의 강압(Step-Down) 모드시의 출력 전류(Iout)와 출력전압(Vout) 그리고 커패시터의 전압파형(Vc) 및 입 · 출력 전력(Win, Wout).FIG. 6A illustrates the output current Iout and output voltage Vout and the voltage waveform Vc and input and output of the bidirectional DC power converter (FIG. 3) in the step-down mode of the present invention. Output power (Win, Wout).

[도 6b]는 본 발명에서 고안한 양방향 직류전력변환기(도 3)의 승압(Step-Up) 모드시의 출력 전류(Iout)와 출력전압(Vout) 그리고 커패시터의 전압파형(Vc) 및 입 · 출력 전력(Win, Wout)6b is a diagram illustrating an output current Iout and an output voltage Vout and a voltage waveform Vc and input and output of a bidirectional DC power converter (FIG. 3) in the step-up mode of the present invention. Output power (Win, Wout)

< 도면의 주요부분에 대한 간단한 설명 ><Brief description of the main parts of the drawings>

10: 축 스위칭 셀(Cuk Switching Cell)10: Cuk Switching Cell

20: 결합 인덕터(Coupled Inductor)20: Coupled Inductor

Ipv : 직류전력변환기의 입력 전류Ipv: Input current of DC power converter

Iout : 직류전력변환기의 출력 전류Iout: Output current of DC power converter

Vin : 직류전력변환기의 입력 전압Vin: Input voltage of DC power converter

Vout : 직류전력변환기의 출력 전압Vout: Output voltage of DC power converter

V1, V2 ; 단자 전압V1, V2; Terminal voltage

Vc : 커패시터 C의 전압Vc: voltage of capacitor C

Win : 직류전력변환기의 입력 전력Win: Input power of DC power converter

Wout : 직류전력변환기의 출력 전력Wout: Output power of DC power converter

C, C1, C2 : 커패시터C, C1, C2: capacitor

S1, S2 : 메인 스위치S1, S2: main switch

D1, D2 : 역병렬 다이오드D1, D2: anti-parallel diode

본 발명은 양방향 전력제어가 가능한 고효율 직류전력변환기에 관한 것이다.The present invention relates to a high efficiency DC power converter capable of bidirectional power control.

최근에 다양한 형태의 에너지를 복합적이고 효과적으로 활용하기 위한 시스템에 대한 관심이 고조되고 있으며, 특히 무정전 전원시스템, 하이브리드 전기자동차를 비롯한 자동차 전원 그리고 연료전지와 태양전지 등 대체에너지를 이용한 분산전원시스템(Distributed Generation System)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이들 시스템은 다양한 분산전원으로부터 공급되는 에너지를 효과적으로 활용하기 위하여 DC 버스와 저장장치 사이에 에너지를 주고받을 수 있는 충· 방전제어시스템, 또 자동차와 같은 독립전원 시스템에서 부하 증가에 따른 승압 요구에 따라 사용되고 있는 이중전원시스템(Dual Voltage System) 등의 제어가 핵심이다. 따라서 이들 서로 다른 직류 전원사이에 에너지를 주고받으면서 이의 제어가 가능한 양방향 직류전력변환기가 필요하고, 이들 시스템의 에너지원이 한정적이기 때문에 이의 변환 효율은 매우 중요하다.Recently, there has been a growing interest in systems for complex and effective utilization of various types of energy. In particular, distributed power systems using uninterruptible power systems, automotive power sources including hybrid electric vehicles, and alternative energy sources such as fuel cells and solar cells. Generation System) is being actively researched. In order to effectively utilize the energy supplied from various distributed power sources, these systems can be used for charging and discharging control systems that can exchange energy between the DC bus and storage devices, or for boosting power demands due to increasing loads in independent power systems such as automobiles. The control of the dual voltage system being used is key. Therefore, a bidirectional DC power converter capable of controlling the energy while exchanging energy between these DC power sources is required, and the conversion efficiency thereof is very important because the energy source of these systems is limited.

일반적으로 직류전력제어에 사용되고 있는 기존의 직류전력변환기는 [도 1a]와 같이 출력전압이 강압 제어되는 벅 변환기(Buck Converter), [도 1b]와 같이 승압 제어되는 부스트 변환기(Boost Converter), 그리고 승·강압이 가능한 구조로 [도 1c]와 같은 벅-부스트 변환기(Buck-boost Converter)와 [도 1d]와 같은 축 변환기(Cuk Converter)로 분류된다. 여기서 벅-부스트와 축 변환기는 승·강압 제어가 가능한 장점이 있는 반면에 입· 출력 전압의 극성이 달라 직류 전원간의 공통 접지가 불 가능하고, 강압제어 시 벅 변환기, 승압제어 시 부스트 변환기 보다 각각 효율이 낮은 단점이 있다. 따라서 두 직류 전원사이의 직류전력 제어가 가능한 기존의 대표적인 양방향 직류변환기는 [도 2]와 같다. 이는 그림에서 보는바와 같이 [도 1a]의 벅 변환기와 [도 1b]의 부스트 변환기를 결합한 형태로, 비교적 높은 효율과 간단한 구조를 갖고 있어 대표적인 양방향 직류변환기로 지금까지 가장 많이 사용되고 있는 변환기이다. 그러나 이러한 벅과 부스트 변환기를 결합한 양방향 변환기는 기존의 벅과 부스트 변환기가 갖고 있는 단점을 그대로 갖고 있다. 즉, 강압모드인 경우 기존의 벅 변환기와 같아 입력 전류가 불연속이기 때문에 인덕터와 커패시터로 구성되는 입력 필터가 필요하고, 승압모드인 경우 기존의 부스트 변환기와 같아 메인 스위치의 온-오프에 따라 출력 전류가 단속적으로 변하기 때문에 출력전압을 일정하게 유지하기 위해서는 다른 변환기에 비하여 큰 커패시터 또는 인덕터 필터가 추가로 필요하다. 실제로 양방향 전력변환기가 배터리나 태양전지 등을 주 전원으로 하는 점을 감안하면, 시스템 성능 유지를 위하여 입출력 필터의 추가는 피할 수 없는 상황이지만, 이로 인하여 소자의 증가 및 이에 의한 도통 손실로 효율 저하를 감수해야만 한다. In general, a conventional DC power converter used for DC power control includes a buck converter in which the output voltage is step-down-controlled as shown in FIG. 1A, a boost converter in step-up control as shown in FIG. 1B, and As a structure capable of raising and lowering, it is classified into a buck-boost converter as shown in FIG. 1C and a coke converter as shown in FIG. 1D. Here, buck-boost and shaft converters have the advantage of controlling step-up and step-down, whereas the polarity of input and output voltages is not common, so common grounding between DC power supplies is impossible, and buck converter in step-down control and boost converter in step-up control respectively. The disadvantage is low efficiency. Therefore, a typical representative bidirectional DC converter capable of DC power control between two DC power sources is as shown in FIG. This is a combination of the buck converter of Figure 1a and the boost converter of Figure 1b as shown in the figure, has a relatively high efficiency and simple structure is the most widely used two-way DC converter so far. However, bi-directional converters combining these buck and boost converters still have the disadvantages of conventional buck and boost converters. That is, in the step-down mode, the input current is discontinuous as in the case of the conventional buck converter. Therefore, an input filter composed of an inductor and a capacitor is required. Because of the intermittent change, an additional large capacitor or inductor filter is needed to keep the output voltage constant compared to other converters. Considering the fact that the bidirectional power converter uses the battery or the solar cell as the main power source, it is inevitable to add an input / output filter to maintain the system performance. However, this decreases the efficiency due to the increase of the device and the loss of conduction. You have to take it.

한편, 앞서 언급한 바와 같이 양방향 전력변환기는 태양광발전시스템과 같은 분산전원시스템, 자동차에 사용하는 이중전원시스템 등에 사용하는 핵심 장치이고, 이들이 사용하는 에너지가 한정적이기 때문에 변환효율 향상의 문제는 매우 중요한 요소이다. 이를 위하여 최근 연구가 활발하게 진행되고 있는 소프트-스위칭(Soft-Switching) 기법을 적용할 수 있지만, 이러한 소프트 스위칭은 스위칭 손실을 저감 시켜주는 장점이 있는 대신 ZVS(Zero Voltage Switching) 또는 ZCS(Zero Current Switching)를 위한 스위치와 공진 소자들이 추가로 필요하게 되어 제어회로가 복잡해지고 제작 단가의 상승을 피할 수 없을 뿐 아니라 공진 소자에 의한 또 다른 손실로 기대만큼의 손실저감효과를 얻기 어렵다. Meanwhile, as mentioned above, the bidirectional power converter is a core device used for distributed power systems such as photovoltaic power generation systems, dual power systems used in automobiles, and the like, and the energy efficiency of the bidirectional power converter is limited, so the problem of improving conversion efficiency is very high. It is an important factor. To this end, soft-switching techniques, which are being actively researched, can be applied. However, such soft switching has the advantage of reducing switching losses, but instead of zero voltage switching (ZVS) or zero current (ZCS) Additional switches and resonant elements are needed for switching, which leads to complicated control circuits and an inevitable increase in manufacturing cost, and another loss caused by the resonant element makes it difficult to achieve a loss reduction effect as expected.

그러므로 소프트 스위칭 기법을 적용한 양방향 전력변환기와는 달리, 특별한 소자의 추가 없이 기존 보다 효율을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 입· 출력 전압과 전류가 연속이며 맥동율을 일정 수준 이하로 유지· 제어할 수 있는 양방향 직류전력변환기의 개발이 절실히 요구되고 있다. Therefore, unlike the bi-directional power converter using the soft switching technique, not only can the efficiency be improved without the addition of special devices, but also the input / output voltage and current are continuous, and the pulsation rate can be kept below a certain level. Development of a bidirectional DC power converter is urgently needed.

상기의 종래 기술들이 갖는 문제점들을 해결하기 위해 창안된 본 발명은 첫째, 입· 출력 전압과 전류를 연속으로 제어할 수 있을 뿐 아니라 이들의 맥동율을 일정 수준 이하로 운전 할 수 있는 양방향 전력 변환기, 둘째, 기존의 스위칭 손실 저감을 통하여 효율 향상을 꾀하는 시도와는 다르게 전력변환 시 발생하는 에너지 손실을 최소화하여 효율을 향상시킬 수 있는 효과적인 방법을 제안하는 것이다.The present invention was devised to solve the problems of the prior art, firstly, the bidirectional power converter that can not only control the input and output voltage and current continuously, but also can operate their pulsation rate below a certain level, Second, unlike the existing attempts to improve efficiency through reducing switching losses, we propose an effective method to improve efficiency by minimizing energy loss generated during power conversion.

따라서 본 발명의 기술적 과제는 첫째, 전력변환기의 입· 출력 전압과 전류를 연속으로 제어하기 위하여 기존의 벅과 부스트 변환기를 결합하여 구성한 양방향 전력변환기와 달리, 기존의 축(Cuk) 변환기(도 1d)를 기본으로 여기에 한 개의 역방향 스위치(S2)를 부가하여 양방향 전력제어가 가능한 변환기로 구성하는 방법을 제안하고, 둘째, [도 1d]의 메인 스위치(S1)에 의해서 제어되는 축 스위칭 셀(10)을 기본으로, 에너지 전달용 커패시터(C)의 특성을 고려하여 토폴로지 변이(Topology Variation)를 수행, 1개의 승· 강압, 2개의 승압 그리고 2개의 강압 토폴로지를 도출하고, 역방향 스위치(S2)에 의해서 제어되는 변형된 축 스위칭 셀을 기본으로 가능한 토폴로지 5개를 역시 도출한 다음, 이들 중에서 입· 출력 공통 접지를 가지면서, 요구 에너지의 일부분만으로 부하전력제어를 수행하도록 함으로서 전력변환 시 발생하는 에너지 손실을 감소시켜, 기존의 전력변환기에 특별한 소자의 추가 없이 효율을 향상시킬 수 있는 토폴로지를 각각 찾아(승압모드 시 [도 4a], 강압모드 시 [도 4b]), 이를 결합하여 [도 3]과 같은 효과적인 양방향 직류전력변환기를 고안하는 것이다.
Therefore, the technical problem of the present invention is first, unlike the bi-directional power converter configured by combining the conventional buck and boost converter to continuously control the input and output voltage and current of the power converter, the conventional Cuk converter (Fig. 1d) ) Is proposed to add a reverse switch (S2) to a converter capable of bi-directional power control, and secondly, the axis switching cell (controlled by the main switch (S1) of FIG. Based on 10), the topology variation is performed in consideration of the characteristics of the energy transfer capacitor C, and one step-down, two step-up and two step-down topologies are derived, and the reverse switch S2 is performed. We also derive five possible topologies based on the modified axis switching cell controlled by By performing the load power control to reduce the energy loss generated during power conversion, to find a topology that can improve the efficiency without adding a special device to the existing power converter, respectively (in step-up mode [Fig. 4a], step-down mode [4b]), by combining them, to devise an effective bidirectional DC power converter such as [3].

본 발명에 의한 양방향 고효율 직류전력변환기의 구성은 [도 3]과 같고, 이를 설명하면 다음과 같다. 즉 서로 다른 입력전원 중의 한쪽 직류전원과,The configuration of the bidirectional high efficiency DC power converter according to the present invention is as shown in [FIG. 3], which will be described below. That is, one DC power among the different input power,

상기 직류전원의 양극(+)에 연결되어, 직류변환기의 입· 출력 전압 및 전류를 승압 모드와 강압모드의 양방향으로 제어하기 위하여 역병렬 연결된 두 개의 도통시간 제어용 스위치와,Two conduction time control switches connected to the positive pole (+) of the DC power supply and connected in parallel and in parallel to control an input / output voltage and a current of the DC converter in a boost mode and a step-down mode;

상기 두 개의 스위치에 승압모드와 강압 모드 시 에너지 전달의 통로 역할을 담당하기 위해 개별적으로 스위치에 역병렬로 연결된 다이오드,Diodes connected to the switches in parallel and in parallel to each other to act as a passage for energy transfer in the boost mode and the step-down mode to the two switches,

상기 역병렬로 연결된 두 개의 스위치 양단에 연결되어 에너지 전달에 주된 역할을 담당하는 커패시터와,A capacitor connected to both of the two anti-parallel switches and playing a main role in energy transfer;

상기 커패시터 양단에 전류의 리플을 제한하기 위해 각각 직렬로 연결된 결합 인덕터가 서로 다른 입력전원 중의 다른 쪽 직류전원의 양극(+)과 음극(-)에 연결되며, 이중전원의 음극(-)은 서로 공통 접지되는 구조를 가진다.In order to limit the ripple of the current across the capacitor, a series of coupled inductors are connected to the positive and negative poles of the other DC power source and the negative pole of the dual power source, respectively. It has a common grounding structure.

첨부한 도면들을 참조한 본 발명의 상세 설명은 다음과 같다.Detailed description of the invention with reference to the accompanying drawings is as follows.

[도 1a]는 기존의 벅 변환기(Buck Converter)로서 출력전압이 입력 보다 작게 제어되는 강압 변환기이고, 입· 출력 극성이 같은 구조를 가지며, 기존의 전력변환기 중 가장 변환 효율이 좋은 변환기로 알려져 있지만, 입력전류가 메인 스위치의 온-오프에 따라 불연속으로 흐르기 때문에 이의 맥동을 일정 수준이하로 제어하기 위해서는 인덕터와 커패시터로 구성되는 입력 필터가 필요하다.1A is a conventional buck converter, a step-down converter in which the output voltage is controlled smaller than the input, has the same input / output polarity structure, and is known as the converter having the most conversion efficiency among the existing power converters. Since input current flows discontinuously as the main switch is turned on and off, an input filter consisting of an inductor and a capacitor is required to control the pulsation below a certain level.

[도 1b]는 기존의 부스트 변환기(Boost Converter)로서 출력전압이 입력 보다 크게 제어되는 승압 변환기이고, 입· 출력 극성이 같은 구조를 가지며, 기존의 승압 전력변환기 중에서는 가장 변환 효율이 좋지만, 메인 스위치의 온-오프에 따라 출력전류가 단속으로 흘러 출력전압의 맥동을 일정 수준이하로 제어하기 위해서는 다른 변환기에 비하여 큰 커패시터 또는 인덕터 필터가 추가로 필요하다. FIG. 1B is a conventional boost converter, a boost converter in which an output voltage is controlled larger than an input, and has the same input / output polarity. Among the conventional boost power converters, conversion efficiency is good, but main In order to control the pulsation of the output voltage below a certain level because the output current flows intermittently as the switch is turned on and off, an additional large capacitor or inductor filter is needed compared to other converters.

[도 1c]는 기존의 벅-부스트 변환기(Buck-Boost Converter)로서 출력전압이 입력 보다 작게 또는 크게 제어할 수 있는 승·강압 변환기이고, 입· 출력 극성이 역 극성이고, 벅 변환기의 입력전류 불연속 문제와 부스트 변환기의 출력전압 맥동문제를 동시에 갖고 있을 뿐 아니라, 입력 에너지를 인덕터에 의해 간접적으로 출력에 전달하기 때문에 효율이 가장 좋지 않다. Figure 1c is a conventional buck-boost converter (buck-boost converter) is a step-down converter that can control the output voltage smaller or larger than the input, the input and output polarity is reverse polarity, the input current of the buck converter Not only does it have a discontinuity problem and an output voltage pulsation problem of the boost converter, it is also the least efficient because the input energy is indirectly transferred to the output by the inductor.

[도 1d]는 기존의 축 변환기(Cuk Converter)로서 [도 1c]의 벅-부스트 변환기의 효율 및 입·출력 특성을 개선하기 위하여 제시된 구조로서, 벅-부스트 변환기와 같이 출력전압이 입력 보다 작게 또는 크게 제어할 수 있는 승· 강압 변환기이고, 입· 출력 극성이 역 극성일 뿐 아니라 그 변환 효율 및 입· 출력 특성이 벅-부스트 변환기보다 상대적으로 좋다. FIG. 1D is a conventional Cuk converter and is designed to improve the efficiency and input / output characteristics of the buck-boost converter of FIG. 1C, and the output voltage is smaller than that of an input such as a buck-boost converter. Or it is a step-down converter which can control largely, and the input / output polarity is not only reverse polarity, but also the conversion efficiency and input / output characteristic are comparatively better than a buck-boost converter.

[도 2]는 기존의 양방향 직류전력변환기로써 [도 1a]의 벅 변환기와 [도 1b]의 부스트 변환기가 결합된 구조이다. 이는 [도 1a] ~ [도 1d]의 기존 직류전력변환기 어느 것도 양방향 전력제어가 불가능하기 때문에 이를 위해 역방향의 스위치가 필요하고, 이중전원의 경우 두 전원의 크기가 다르므로 양방향 제어를 위해서는 정방향이 승압 모드라면 역방향 제어는 강압 모드로 제어하는 전력변환기가 필요하므로 벅과 부스트 변환기를 역방향으로 결합하여 양방향 전력제어를 수행한다. 따라서 [도 2]의 양방향 전력변환기는 강압 모드 시 벅 변환기, 승압 모드 시 부스트 변환기의 특성을 갖기 때문에 비교적 변환 효율이 좋고, 입· 출력 극성이 같아 지금까지 양방향 전력변환기로 가장 많이 이용되고 있다. 그러나 동시에 벅과 부스트 변환기의 단점인 입· 출력 전압 및 전류의 맥동 문제를 안고 있기 때문에 배터리 또는 태양전지와 같은 대체에너지를 주로 사용하는 이중전원 또는 분산전원시스템에 사용하기 위해서는 적절한 입출력 필터를 추가해야만 하고, 이로 인하여 소자의 증가 및 이에 의한 도통 손실로 효율이 저하하는 단점이 있다.FIG. 2 is a conventional bidirectional DC power converter in which the buck converter of FIG. 1A and the boost converter of FIG. 1B are combined. This is because the existing DC power converter of Figs. 1a to 1d is not capable of bidirectional power control, so a reverse switch is required for this purpose. In step-up mode, the reverse control requires a power converter to control in the step-down mode, and thus the bidirectional power control is performed by combining the buck and the boost converter in the reverse direction. Accordingly, the bidirectional power converter of FIG. 2 has a characteristic of a buck converter in step-down mode and a boost converter in step-up mode, and thus has relatively high conversion efficiency, and has the same input / output polarity. However, at the same time, the pulsation problem of input and output voltages and currents, which are disadvantages of buck and boost converters, requires the addition of an appropriate input / output filter for use in a dual or distributed power system that mainly uses alternative energy such as batteries or solar cells. And, there is a disadvantage in that the efficiency is lowered due to the increase of the device and thereby the conduction loss.

[도 3]은 본 발명에서 고안한 양방향 고효율 직류전력변환기로서 기존의 벅과 부스트 변환기를 결합한 구조의 양방향 전력변환기([도 2])와 달리, 입· 출력 전류 및 전압 특성을 개선하기 위하여 [도 1d]의 축 변환기를 기본으로 하는 구조이다. 먼저, 축 변환기에 한 개의 역방향 스위치(S2)를 부가함으로서 양방향 전력제어가 가능한 변환기로 구성하는 방법을 제안하였다. 이는 기존의 축 변환기의 특성을 갖는 양방향 축 변환기로 [도 2]의 기존 양방향 전력변환기의 단점인 입· 출력 특성을 개선할 수 있지만, 승압 모드 시 효율이 기존에 비하여 좋지 않은 단점이 있다. 따라서 본 발명에서는 부하 요구전력을 직류전력변환기를 통해서만 전달하는 기존의 축 변환기의 구조와는 근본적으로 다르게, 에너지 전달용 커패시터(C)의 특성을 이용하여 요구 에너지의 일부분만으로 부하전력제어를 수행하도록 함으로서 전력변환 시 발생하는 에너지 손실을 감소시켜, 기존의 직류전력변환기 보다 고효율로 양방향 전력변환이 가능할 뿐 아니라, 기존 축 변환기의 단점인 입· 출력전압의 극성이 반전되는 특성을 제거하여 입· 출력 전압과 전류가 연속적이며 공통 접지를 취하는 구조의 양방향 전력변환기(도 3)를 고안하였다. 이를 부연 설명하면, [도 1d]의 메인 스위치(S1)에 의해서 제어되는 축 스위칭 셀(10)을 기본으로, 에너지 전달용 커패시터(C)의 특성을 고려하여 토폴로지 변이(Topology Variation)를 수행, 1개의 승· 강압, 2개의 승압 그리고 2개의 강압 토폴로지를 도출하고, 또한, 역방향 스위치(S2)에 의해서 제어되는 변형된 축 스위칭 셀을 기본으로 가능한 토폴로지 5개를 역시 도출하였다. 이들 10개의 서로 다른 토폴로지 중에서 입· 출력 공통 접지를 가지면서, 요구 에너지의 일부분만으로 부하전력제어를 수행하도록 함으로서 전력변환 시 발생하는 에너지 손실을 감소시켜, 기존의 전력변환기에 특별한 소자의 추가 없이 효율을 향상시킬 수 있는 토폴로지를 각각 찾았는데, 승압모드 시의 토폴로지가 [도 4a], 강압모드 시가 [도 4b]이다. 양방향 전력제어를 위하여 이들 승· 강압 모드 토폴로지를 결합하여 [도 3]과 같은 효과적인 양방향 직류전력변환기를 고안하였다. 3 is a bidirectional high efficiency DC power converter devised in the present invention, unlike the bidirectional power converter ([FIG. 2]) having a structure in which a conventional buck and boost converter is combined, to improve the input and output current and voltage characteristics [ 1D] is a structure based on the axis converter. First, a method of configuring a converter capable of bidirectional power control by adding one reverse switch S2 to the shaft converter has been proposed. This is a bidirectional shaft converter having the characteristics of the conventional axis converter can improve the input and output characteristics, which is a disadvantage of the conventional bidirectional power converter of [2], but has a disadvantage in that the efficiency in the boost mode is not as good as before. Therefore, the present invention is fundamentally different from the structure of the conventional shaft converter that delivers the load demand power only through the DC power converter, so that the load power control is performed by using only a portion of the required energy by using the characteristics of the energy transfer capacitor (C). By reducing the energy loss generated during power conversion, bi-directional power conversion is possible with higher efficiency than conventional DC power converters, and it eliminates the characteristics that the polarity of input / output voltage, which is a disadvantage of conventional axis converters, is reversed. A bidirectional power converter (FIG. 3) has been designed in which voltage and current are continuous and take a common ground. In detail, based on the axis switching cell 10 controlled by the main switch S1 of FIG. 1D, a topology variation is performed in consideration of the characteristics of the energy transfer capacitor C. One step-down, two step-up and two step-down topologies were derived, and five possible topologies were also derived based on the modified axial switching cell controlled by the reverse switch S2. It has input / output common ground among these 10 different topologies, and reduces the energy loss generated during power conversion by performing load power control with only a part of the required energy, thereby improving efficiency without adding special devices to the existing power converter. Each of the topologies can be improved, and the topologies in the step-up mode are [Fig. 4A] and the step-down mode time is [Fig. 4B]. For the bidirectional power control, an effective bidirectional DC power converter as shown in FIG.

그러므로 본 발명은 [도 3]과 같은 양방향 직류전력변환기를 기존의 방법과 달리 새롭게 고안한 것으로써, 직류전력변환기는 양방향으로 전력의 수수가 가능하며, 기존 축 변환기의 단점인 입· 출력전압의 극성이 반전되는 단점을 해결하여 공통 접지를 취하며, 효율 향상은 물론이고, 기존보다 입· 출력 전압과 전류 특성이 좋아 인덕터와 커패시터의 크기와 무게를 감소시킬 수 있기 때문에 보다 컴팩트(compact)하고, 저렴한 비용으로 양방향 직류전력변환기의 제작이 가능하다.Therefore, the present invention is a new design of the bidirectional DC power converter as shown in Fig. 3, unlike the existing method, the DC power converter is capable of receiving power in both directions, the input and output voltage of the disadvantage of the existing shaft converter It solves the disadvantage of polarity inversion and takes common ground, improves efficiency, and has better input / output voltage and current characteristics than before, thus reducing the size and weight of inductor and capacitor. It is possible to manufacture bidirectional DC power converter at low cost.

[도 4a]는 [도 3]의 본 발명에서 고안한 양방향 고효율 직류전력변환기를 출력전압이 입력전압보다 크게 제어되는 승압(Step Up)모드로 동작시킬 때의 등가회로이다. 이는 입· 출력 전압의 극성이 같은 구조이며, 기존의 승압(Step Up)변환기보다 입· 출력 전압 및 전류 특성이 우수할 뿐 아니라 효율 개선 효과를 갖고 있다. 이의 동작원리를 설명하면, [도 4a]에서 에너지 전달 커패시터(C)와 결합 인덕터(20)에 의하여 입· 출력전압의 관계는 항상 Vout = Vin + V 이다. 따라서 출력전압(Vout)은 항상 V 보다 크고, 출력 전류는 Iout으로 같기 때문에 본 발명의 승압 변환기는 요구 에너지의 일부분만으로 부하전력제어를 수행함으로서 전력변환 시 발생하는 에너지 손실을 감소시켜, 기존의 직류전력변환기 보다 고효율로 전력변환이 가능하다. 즉 본 발명의 승압 모드 시의 효율은 4A is an equivalent circuit when the bidirectional high efficiency DC power converter designed in the present invention of FIG. 3 is operated in a step-up mode in which an output voltage is controlled to be greater than an input voltage. It has the same polarity of input and output voltages, and has better input and output voltage and current characteristics than conventional step-up converters, and has an effect of improving efficiency. Referring to the operation principle, the relationship between the input and output voltage by the energy transfer capacitor (C) and the coupling inductor 20 is always Vout = Vin + V in FIG. Therefore, since the output voltage Vout is always greater than V and the output current is equal to Iout, the step-up converter of the present invention reduces the energy loss generated during power conversion by performing load power control with only a part of the required energy, thereby reducing the existing direct current. Power conversion is possible with higher efficiency than power converter. That is, the efficiency in the boost mode of the present invention is

와 같고, 기존 승압 변환기와 마찬가지로 입· 출력전압 비율 즉, 승압율이 작을수록 변환 효율이 좋으며, 승압율이 클수록 변환효율이 나빠지게 된다. 하지만 위 수식에서 볼 수 있는 것처럼 기존 축 변환기의 변환 효율(η_cuk)보다 항상 (Iout/Ipv)의 비율만큼의 효율이 개선될 수 있어 승압율에 상관없이 어느 경우에도 기존 승압 변환기의 변환 효율 보다 높은 효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다. As with the conventional boost converter, the smaller the input / output voltage ratio, that is, the boost ratio, the better the conversion efficiency, and the higher the boost ratio, the worse the conversion efficiency. However, the above formulas conversion efficiency of the conventional axial transducer, as shown in (η _cuk) than all the time can be improved, the efficiency of as the ratio of (Iout / Ipv), even if any, regardless of the step-up ratio than the conversion efficiency of a conventional step-up transformer It can be seen that high efficiency can be obtained.

[도 4b]는 [도 3]의 본 발명에서 고안한 양방향 고효율 직류전력변환기를 출력전압이 입력전압보다 작게 제어되는 강압(Step Down)모드로 동작시킬 때의 등가회로이다. 이는 입· 출력 전압의 극성이 같은 구조이며, 기존의 강압(Step Down)변환기보다 입· 출력 전압 및 전류 특성이 우수할 뿐 아니라 효율 개선 효과를 갖고 있다. 이의 동작원리를 설명하면, [도 4b]에서 에너지 전달 커패시터(C)와 결합 인덕터(20)에 의하여 입· 출력전압의 관계는 항상 Vin = Vout + V 이다. 따라서 입력전압(Vin)은 항상 V 보다 크고, 입력 전류는 Ipv로 같기 때문에 본 발명의 강압 변환기는 요구 에너지의 일부분만으로 부하전력제어를 수행함으로서 전력변환 시 발생하는 에너지 손실을 감소시켜, 기존의 직류전력변환기 보다 고효율로 전력변환이 가능하다. 즉 본 발명의 강압 모드 시의 효율은 4B is an equivalent circuit when the bidirectional high efficiency DC power converter devised in the present invention of FIG. 3 is operated in a step down mode in which an output voltage is controlled to be smaller than an input voltage. It has the same polarity of input and output voltages, and has better input and output voltage and current characteristics than conventional step-down converters, and has an effect of improving efficiency. Referring to the operation principle, the relationship between the input and output voltage by the energy transfer capacitor (C) and the coupling inductor 20 is always Vin = Vout + V in FIG. Therefore, since the input voltage Vin is always greater than V and the input current is equal to Ipv, the step-down converter of the present invention reduces the energy loss generated during power conversion by performing load power control with only a part of the required energy, thereby reducing the existing direct current. Power conversion is possible with higher efficiency than power converter. In other words, the efficiency in the step-down mode of the present invention is

와 같고, 기존 강압 변환기와 마찬가지로 입· 출력전압 비율 즉, 강압율이 클수록 변환 효율이 좋으며, 강압율이 작을수록 변환효율이 나빠지게 된다. 하지만 위 수식에서 볼 수 있는 것처럼 기존 축 변환기의 변환 효율(η_cuk)보다 항상 (Vin/Vout)의 비율에 따라 효율이 개선될 수 있어 강압율에 상관없이 어느 경우에도 기존 강압 변환기의 변환 효율 보다 높은 효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다. As with the conventional step-down converter, the higher the input / output voltage ratio, that is, the step-down ratio, the better the conversion efficiency, and the smaller the step-down ratio, the lower the conversion efficiency. However, as can be seen from the above equation, the efficiency can always be improved by the ratio of (Vin / Vout) than the conversion efficiency (η _cuk ) of the existing shaft converter. It can be seen that high efficiency can be obtained.

[도 5a]는 본 발명의 양방향 고효율 직류전력변환기와 기존의 직류전력변환기의 성능을 비교하기 위하여 기존의 양방향 직류전력변환기(도 2)가 스위치 S2(스위칭 주파수 50KHz)에 의하여 강압(Step-Down) 모드 운전 시의 시뮬레이션 결과 파형이다. 모든 전력변환기는 같은 조건으로 비교하기 위하여 인덕터의 내부저항(RL)은 1mΩ/10μH, 스위치 내부저항(Rsw)를 36mΩ, 커패시터 내부저항(Rc)은 50(10)^-6/C Ω을 기준으로 하는 소자로, 출력전류 및 전압의 맥동율 3% 이하의 조건을 만족하도록 설계 하였다. [도 5a]는 [도 2]와 같이 벅과 부스트를 결합한 구조의 양방향 직류전력변환기를 이상의 조건에 맞도록 설계한 변환기(L=120μH, C1=80μF, C2=2200μF)를 강압(Step Down)모드(입· 출력 조건 : 입력전압(Vin) 48[V], 출력전압(Vout) 12[V], 부하용량 500[W], 저항부하)로 운전할 때, 이를 Psim 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션 한 결과를 보인 것이다. 그림 위에서부터 입력 전류(Ipv), 출력전류(Iout), 출력전압(Vout)의 파형과 변환기의 입· 출력 전력(Win, Wout)을 보여준다. 그림에서 볼 수 있는 것처럼 출력 전압 및 전류의 맥동율은 2.68%로 설계조건을 만족하고, 입· 출력 전력이 Win 561[W], Wout 500[W]로 89퍼센트의 변환 효율을 보이고 있다. 이는 부하용량과 출력전압의 크기를 고려할 때 기존의 벅 변환기의 변환 효율 범위 내에서 운전되고 있는 것으로 판단된다. 하지만, 앞에서 언급한 바와 같이 입력전류가 메인 스위치(S2)의 온-오프에 따라 불연속으로 흐르기 때문에 이의 맥동을 일정 수준이하로 제어하기 위해서는 인덕터와 커패시터로 구성되는 입력 필터가 추가로 필요하다. Figure 5a is a conventional step-down by the switch S2 (switching frequency 50KHz) of the conventional bidirectional DC power converter (Fig. 2) to compare the performance of the bidirectional high efficiency DC power converter of the present invention and the conventional DC power converter ) The waveform of the simulation result in the mode operation. To compare all power converters under the same conditions, the inductor's internal resistance (RL) is 1 mΩ / 10 μH, the switch internal resistance (Rsw) is 36 mΩ, and the capacitor internal resistance (Rc) is based on 50 (10) ^-6 / C Ω. This device is designed to satisfy the condition of pulsation rate of 3% or less of output current and voltage. [Fig. 5a] is a step-down of the converter (L = 120μH, C1 = 80μF, C2 = 2200μF) designed to meet the above conditions of the bi-directional DC power converter of the structure that combines the buck and boost as shown in [Fig. When operating in the mode (input / output condition: input voltage (Vin) 48 [V], output voltage (Vout) 12 [V], load capacity 500 [W], resistance load), it is simulated using Psim software. Will be shown. From the figure above, the waveforms of input current Ipv, output current Iout and output voltage Vout, and input and output power of the converter (Win, Wout) are shown. As can be seen from the figure, the pulsation rate of the output voltage and current is 2.68%, which satisfies the design conditions, and the input and output power are Win 561 [W] and Wout 500 [W], which shows 89% conversion efficiency. Considering the load capacity and the magnitude of the output voltage, this is considered to be operating within the conversion efficiency range of the conventional buck converter. However, as mentioned above, since the input current flows discontinuously according to the on-off of the main switch S2, an input filter including an inductor and a capacitor is additionally required to control the pulsation below a certain level.

[도 5b]는 본 발명의 양방향 고효율 직류전력변환기와 기존의 직류전력변환기의 성능을 비교하기 위하여 기존의 양방향 직류전력변환기(도 2)가 스위치 S1(스위칭 주파수 50KHz)에 의하여 승압(Step-Up) 모드 운전 시의 시뮬레이션 결과 파형이다. 모든 전력변환기는 같은 조건으로 비교하기 위하여 인덕터의 내부저항(RL)은 1mΩ/10μH, 스위치 내부저항(Rsw)를 36mΩ, 커패시터 내부저항(Rc)은 50(10)^-6/C Ω을 기준으로 하는 소자로, 출력전류 및 전압의 맥동율 3% 이하의 조건을 만족하도록 설계 하였다. [도 5b]는 [도 2]와 같이 벅과 부스트를 결합한 구조의 양방향 직류전력변환기를 이상의 조건에 맞도록 설계한 변환기(L=120μH, C1=80μF, C2=2200μF)를 승압(Step Down)모드(입· 출력 조건 : 입력전압(Vin) 12[V], 출력전압(Vout) 48[V], 부하용량 500[W], 저항부하)로 운전할 때, 이를 Psim 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션 한 결과를 보인 것이다. 그림 위에서부터 입력 전류(Ipv), 출력전류(Iout), 출력전압(Vout)의 파형과 변환기의 입· 출력 전력(Win, Wout)을 보여준다. 그림에서 볼 수 있는 것처럼 출력 전압 및 전류의 맥동율은 2.7%로 설계조건을 만족하고, 입· 출력 전력이 Win 655[W], Wout 498[W]로 76%의 변환 효율을 보이고 있다. 이는 부하용량과 출력전압의 크기를 고려할 때 기존의 부스트 변환기의 변환 효율 범위 내에서 운전되고 있는 것으로 판단되지만 이중전원 시스템의 성능개선을 위해서는 승압모드시의 효율 개선이 절실하다. 또한, 앞에서 언급한 바와 같이 출력전류가 메인 스위치(S1)의 온-오프에 따라 단속적으로 흘러 출력전압의 맥동을 일정 수준이하로 제어하기 위해서는 다른 변환기에 비하여 큰 커패시터 또는 인덕터 필터가 추가로 필요하다. 실제로 C2의 크기가 2200[uF]로 다른 변환기에 비하여 매우 큼을 알 수 있다.5b is a step-up step of a conventional bidirectional DC power converter (FIG. 2) by a switch S1 (switching frequency 50KHz) in order to compare the performance of the bidirectional high efficiency DC power converter of the present invention and the conventional DC power converter. ) The waveform of the simulation result in the mode operation. To compare all power converters under the same conditions, the inductor's internal resistance (RL) is 1 mΩ / 10 μH, the switch internal resistance (Rsw) is 36 mΩ, and the capacitor internal resistance (Rc) is based on 50 (10) ^-6 / C Ω. This device is designed to satisfy the condition of pulsation rate of 3% or less of output current and voltage. 5b is a step-down converter (L = 120μH, C1 = 80μF, C2 = 2200μF) designed to meet the above conditions with a bidirectional DC power converter having a buck and boost structure as shown in FIG. When operating in the mode (input / output condition: input voltage (Vin) 12 [V], output voltage (Vout) 48 [V], load capacity 500 [W], resistance load), this is simulated using Psim software. Will be shown. From the figure above, the waveforms of input current Ipv, output current Iout and output voltage Vout, and input and output power of the converter (Win, Wout) are shown. As can be seen in the figure, the pulsation rate of the output voltage and current is 2.7%, which satisfies the design conditions, and the input and output power is Win 655 [W] and Wout 498 [W], showing 76% conversion efficiency. This is considered to be operating within the conversion efficiency range of the existing boost converter in consideration of the load capacity and the magnitude of the output voltage. In addition, as mentioned above, in order to control the pulsation of the output voltage below a certain level as the output current flows intermittently in accordance with the on-off of the main switch S1, a larger capacitor or inductor filter is required than other converters. . In fact, the size of C2 is 2200 [uF], which is much larger than other converters.

[도 6a]는 본 발명의 양방향 고효율 직류전력변환기와 기존의 직류전력변환기의 성능을 비교하기 위하여 본 발명의 양방향 직류전력변환기(도 3)가 스위치 S2(스위칭 주파수 50KHz)에 의하여 강압(Step-Down) 모드 운전 시의 시뮬레이션 결과 파형이다. 모든 전력변환기는 같은 조건으로 비교하기 위하여 인덕터의 내부저항(RL1, RL2)은 1mΩ/10μH, 스위치 내부저항(Rsw)를 36mΩ, 커패시터 내부저항(Rc)은 50(10)^-6/C Ω을 기준으로 하는 소자로, 출력전류 및 전압의 맥동율 3% 이하의 조건을 만족하도록 설계 하였다. [도 6a]는 [도 3]과 같은 양방향 직류전력변환기를 이상의 조건에 맞도록 설계한 변환기(결합 인덕터 L1=L2=10μH, C=25μF, C1=C2=10μF)를 강압(Step Down)모드(입· 출력 조건 : 입력전압(Vin) 48[V], 출력전압(Vout) 12[V], 부하용량 500[W], 저항부하)로 운전할 때, 이를 Psim 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션 한 결과를 보인 것이다. 그림 위에서부터 출력전류(Iout), 출력전압(Vout), 에너지 전달용 커패시터전압(Vc)의 파형과 변환기의 입· 출력 전력(Win, Wout)을 보여준다. 그림에서 볼 수 있는 것처럼 출력 전압 및 전류의 맥동율은 각각 0.92%와 0.94%로 설계조건을 만족하고, 입· 출력 전력이 Win 536[W], Wout 503[W]로 94%의 변환 효율을 보이고 있다. 이는 본 발명의 변환기가 같은 조건의 기존의 벅 변환기(도 5a)와 비교하여, 출력 전압 및 전류의 맥동율은 약 1/3 수준으로 감소시키고, 효율은 5% 향상시킬 수 있음을 보여준다. 본 시뮬레이션의 입· 출력 조건이 강압율 4인 경우로 본 발명의 컨버터에 비교적 악조건임에도 불구하고 기존의 벅 컨버터에 비하여 효율 개선 효과가 있음을 알 수 있고, 강압율이 작을 경우, 앞에서 제시한 수식에 따라 변환 효율이 더욱 향상될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 기존 변환기에 입력전류 불연속 특성을 고려하여 입력 필터를 추가하면, 본 발명의 변환기가 기존 변환기와 비교하여 소자의 수는 서로 같으면서 인덕터의 크기는 1/12로, 커패시터의 크기는 1/8로 작아, 입· 출력 전압과 전류 특성과 효율의 향상은 물론이고, 보다 컴팩트(compact)하고, 저렴한 비용으로 변환기의 제작이 가능함을 알 수 있다. 6A is a step-down step by a switch S2 (switching frequency 50KHz) of the bidirectional DC power converter of the present invention (FIG. 3) in order to compare the performance of the bidirectional high efficiency DC power converter of the present invention and the conventional DC power converter. Down) This is the waveform of the simulation result during the mode operation. To compare all power converters under the same conditions, the inductor's internal resistance (RL1, RL2) is 1 mΩ / 10 μH, the switch internal resistance (Rsw) is 36 mΩ, and the capacitor internal resistance (Rc) is 50 (10) ^-6 / C Ω. It is designed to satisfy the condition of pulsation rate of 3% or less of output current and voltage. FIG. 6A illustrates a step-down mode of a converter (coupling inductor L1 = L2 = 10μH, C = 25μF, C1 = C2 = 10μF) designed to meet the above conditions as shown in FIG. 3. (Input / output condition: Input voltage (Vin) 48 [V], output voltage (Vout) 12 [V], load capacity 500 [W], resistance load) It is seen. From the figure, the waveform of output current (Iout), output voltage (Vout), capacitor voltage (Vc) for energy transfer and input / output power (Win, Wout) of converter are shown. As shown in the figure, the pulsation rate of the output voltage and current is 0.92% and 0.94%, respectively, satisfying the design conditions, and the input and output power is Win 536 [W] and Wout 503 [W], resulting in 94% conversion efficiency. It is showing. This shows that the converter of the present invention can reduce the pulsation rate of the output voltage and current to about one-third and improve the efficiency by 5% compared with the conventional buck converter (FIG. 5A) under the same conditions. In the case where the input and output conditions of the simulation are step-down rate 4, although the converter is relatively unfavorable condition, it can be seen that there is an improvement in efficiency compared to the conventional buck converter. As can be seen that the conversion efficiency can be further improved. In addition, when the input filter is added to the existing converter in consideration of the input current discontinuity characteristic, the converter of the present invention has the same number of elements as the conventional converter, the inductor size is 1/12, and the size of the capacitor is 1/8. It can be seen that the converter can be manufactured in a more compact and inexpensive manner as well as improving input and output voltage, current characteristics and efficiency.

[도 6b]는 본 발명의 양방향 고효율 직류전력변환기와 기존의 직류전력변환기의 성능을 비교하기 위하여 본 발명의 양방향 직류전력변환기(도 3)가 스위치 S1(스위칭 주파수 50KHz)에 의하여 승압(Step-Up) 모드 운전 시의 시뮬레이션 결과 파형이다. 모든 전력변환기는 같은 조건으로 비교하기 위하여 인덕터의 내부저항(RL1, RL2)은 1mΩ/10μH, 스위치 내부저항(Rsw)를 36mΩ, 커패시터 내부저항(Rc)은 50(10)^-6/C Ω을 기준으로 하는 소자로, 출력전류 및 전압의 맥동율 3% 이하의 조건을 만족하도록 설계 하였다. [도 6b]는 [도 3]과 같은 양방향 직류전력변환기를 이상의 조건에 맞도록 설계한 변환기(결합 인덕터 L1=L2=10μH, C=25μF, C1=C2=10μF)를 승압(Step Up)모드(입· 출력 조건 : 입력전압(Vin) 12[V], 출력전압(Vout) 48[V], 부하용량 500[W], 저항부하)로 운전할 때, 이를 Psim 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션 한 결과를 보인 것이다. 그림 위에서부터 출력전류(Iout), 출력전압(Vout), 에너지 전달용 커패시터전압(Vc)의 파형과 변환기의 입· 출력 전력(Win, Wout)을 보여준다. 그림에서 볼 수 있는 것처럼 출력 전압 및 전류의 맥동율은 각각 0.85%로 설계조건을 만족하고, 입· 출력 전력이 Win 623[W], Wout 504[W]로 81%의 변환 효율을 보이고 있다. 이는 본 발명의 변환기가 같은 조건의 기존의 부스트 변환기(도 5b)와 비교할 때, 강압 모드에서와 마찬가지로 출력 전압 및 전류의 맥동율은 약 1/3 수준으로 감소시키고, 효율은 5% 향상시킬 수 있음을 보여준다. 본 시뮬레이션의 입· 출력 조건이 승압율 4인 경우로 비교적 악조건임을 감안하면 효율 개선 효과가 기대이상임을 알 수 있을 뿐 아니라, 승압율이 작을 경우, 앞에서 제시한 수식에 따라 변환 효율이 더욱 향상될 수 있을 알 수 있다. 또한, 기존 변환기에 출력전류 특성을 고려하여 출력 필터를 추가하면, 본 발명의 변환기가 기존 변환기와 비교하여 소자의 수는 서로 같으면서 인덕터의 크기는 1/12로, 커패시터의 크기는 1/220로 작아, 입· 출력 전압과 전류 특성과 효율의 향상은 물론이고, 보다 컴팩트(compact)하고, 저렴한 비용으로 변환기의 제작이 가능함을 알 수 있다. 6b is a step-by-step step by step S1 (switching frequency 50KHz) of the bidirectional DC power converter of the present invention (Fig. 3) to compare the performance of the bidirectional high efficiency DC power converter of the present invention and the conventional DC power converter. Up) This is the waveform of the simulation result during the mode operation. To compare all power converters under the same conditions, the inductor's internal resistance (RL1, RL2) is 1 mΩ / 10 μH, the switch internal resistance (Rsw) is 36 mΩ, and the capacitor internal resistance (Rc) is 50 (10) ^-6 / C Ω. It is designed to satisfy the condition of pulsation rate of 3% or less of output current and voltage. FIG. 6B shows a step-up mode of a converter (coupling inductor L1 = L2 = 10μH, C = 25μF, C1 = C2 = 10μF) designed to meet the above conditions as shown in FIG. 3. (Input / output condition: input voltage (Vin) 12 [V], output voltage (Vout) 48 [V], load capacity 500 [W], resistance load) It is seen. From the figure, the waveform of output current (Iout), output voltage (Vout), capacitor voltage (Vc) for energy transfer and input / output power (Win, Wout) of converter are shown. As can be seen from the figure, the pulsation rate of output voltage and current is 0.85%, which satisfies the design conditions, and the input and output power is Win 623 [W] and Wout 504 [W], showing 81% conversion efficiency. This allows the pulsation rate of the output voltage and current to be reduced to about one-third, and the efficiency can be improved by 5%, as in the step-down mode, when the converter of the present invention is comparable to a conventional boost converter (FIG. 5b) under the same conditions. Shows that there is. Considering that the input / output condition of this simulation is a step-up ratio of 4, which is a relatively bad condition, not only can the efficiency improvement effect be higher than expected, but if the step-up ratio is small, the conversion efficiency can be further improved according to the above formula. I can tell. In addition, if the output filter is added to the existing converter in consideration of the output current characteristics, the converter of the present invention compared to the existing converter, the number of elements are the same, the size of the inductor is 1/12, the size of the capacitor is 1/220 As a result, it can be seen that the converter can be manufactured more compactly and at a lower cost as well as improving input and output voltage and current characteristics and efficiency.

본 발명은 양방향 전력제어가 가능한 고효율 직류전력변환기에 관한 것으로서 입· 출력 전압과 전류를 연속으로 제어하면서, 이들의 맥동율을 일정 수준 이하로 운전 할 수 있을 뿐 아니라, 기존의 스위칭 손실 저감을 통하여 효율 향상을 꾀하는 시도와는 다르게 전력변환 시 발생하는 에너지 손실을 최소화하여 효율을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
The present invention relates to a high-efficiency DC power converter capable of bi-directional power control, while controlling the input and output voltage and current continuously, not only can operate the pulsation rate below a certain level, but also by reducing the existing switching loss Unlike attempts to improve efficiency, it is possible to improve efficiency by minimizing energy loss generated during power conversion.

본 발명에서 제안한 방식은 기존의 벅과 부스트 변환기를 결합한 형태의 양방향 직류전력변환기(입· 출력 특성이 일정 수준에 달하도록 입· 출력 필터를 추가 하였을 경우)에 비하여, 변환기를 구성하는 소자 수는 서로 같지만, 이들 소자의 크기가 1/8 이하로 작으면서도 변환기의 입· 출력 전압 및 전류의 맥동율을 1/3배 정도 감소시킬 수 있을 뿐 아니라, 강압과 승압 모드, 양방향 모두에서 변환 효율을 5%이상 개선할 수 있어, 같은 용량의 경우 기존 변환기 보다 컴팩트(Compact)하고, 저렴한 비용으로 고효율의 양방향 직류전력변환기의 제작이 가능하다.
In the proposed method, the number of elements constituting the converter is lower than that of a bidirectional DC power converter in which a buck and boost converter is combined (when an input / output filter is added to achieve a certain level of input / output characteristics). Although they are the same, they can reduce the pulsation rate of the input and output voltages and currents of the converter by 1/3 times, while reducing the efficiency of conversion in both step-down and step-up modes and in both directions. Since it can be improved by more than 5%, it is possible to manufacture high efficiency bidirectional DC power converter at the same capacity in the case of compact and compact at low cost.

그러므로 본 발명은 기존의 양방향 직류전력변환기가 사용되는 모든 분야에 저가격 · 고효율 양방향 전력변환기로 활용할 수 있을 뿐 아니라, 최근에 관심이 고조되고 있는 다양한 형태의 에너지를 복합적이고 효과적으로 활용하기 위한 무정전 전원시스템, 하이브리드 전기자동차를 비롯한 자동차 전원 그리고 연료전지와 태양전지 등 대체에너지를 이용한 분산전원시스템 등에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 생각되며, 특히 다양한 분산전원으로부터 공급되는 에너지를 효과적으로 활용하기 위하여 DC 버스와 저장장치 사이에 에너지를 주고받을 수 있는 충· 방전제어시스템, 또 자동차와 같은 독립전원 시스템에서 부하 증가에 따른 승압 요구에 따라 사용되고 있는 이중전원시스템(Dual Voltage System) 등에서 서로 다른 직류 전원사이에 에너지를 주고받으면서 양방향 전력변환 제어하는 시스템에 많은 기여를 할 것으로 기대된다.

Therefore, the present invention can be utilized as a low-cost, high-efficiency bi-directional power converter in all fields in which a conventional bi-directional DC power converter is used, as well as an uninterruptible power system for complex and effective utilization of various types of energy that are recently gaining attention. In particular, it can be applied to a distributed power system using alternative energy such as a hybrid electric vehicle, an automobile power source, and a fuel cell and a solar cell. In particular, a DC bus and a storage device are used to effectively utilize energy supplied from various distributed power sources. Energy is supplied between different DC power sources in the charging / discharging control system that can exchange energy between them, and in the dual voltage system that is used in accordance with the boosting demand due to the increase of load in an independent power system such as a car. Given is expected to be a substantial contribution to a system for controlling bi-directional power conversion.

Claims

One of the different input power sources,

Two conduction time control switches connected to the positive pole (+) of the DC power supply and connected in parallel and in parallel to control an input / output voltage and a current of the DC converter in a boost mode and a step-down mode;

Diodes connected to the switches in parallel and in parallel to each other to serve as a path for energy transfer in the boost mode and the step-down mode;

A capacitor connected to both of the two anti-parallel switches and playing a main role in energy transfer;

In order to limit the ripple of the current across the capacitor, a series of coupled inductors are connected to the positive and negative poles of the other DC power source and the negative pole of the dual power source, respectively. A high efficiency bidirectional DC power converter, characterized in that comprising a common ground structure.

2. The apparatus of claim 1, further comprising: two conduction time control switches connected in reverse parallel for the bidirectional power control and a diode connected in reverse parallel to the switches to form a high efficiency boost or step down converter;

A high efficiency step-up or step-down DC power converter, characterized in that each one of the conduction time control switch and the diode is composed of a combination of step-up or step-down mode.