KR100814082B1 - 연료 전지용 전력 변환 장치에 적용 가능한 전류 불균형을개선한 스위칭 전원 장치 - Google Patents

연료 전지용 전력 변환 장치에 적용 가능한 전류 불균형을개선한 스위칭 전원 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 변환 장치에 관련되며 특히 스위칭 소자들에 흐르는 전류 불균형을 개선한 스위칭 전원 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 양상에 따른 전력 변환 장치는 변압기에 직렬로 캐패시터를 삽입하여 변압기에 걸리는 전압 일부의 충방전을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 스위칭 소자들에 전류가 균일하게 흐르도록 보정함으써 한 쪽 스위칭 소자에 전류가 편중되어 흐르는 것을 막을 수 있다. 따라서 스위칭 소자에 전류가 편중됨으로 인해 발열이 분산되지 않고 하나의 스위칭 소자에 집중됨으로써 효율이 감소하는 것을 막을 수 있다.
전력 변환 장치, 스위칭 전원장치, DC-DC컨버터, 전류 불균형

Description

연료 전지용 전력 변환 장치에 적용 가능한 전류 불균형을 개선한 스위칭 전원 장치{Switching Powersupply for Improving Current unbalance Applicable to Power conversion device of Fuel cell system}
도 1은 종래 전력 변환 장치에 적용되는 푸시풀 방식의 전력 변환 회로의 일 실시예,
도 2는 종래 전력 변환 장치에 적용되는 전력 변환 회로의 또 다른 실시예,
도 3은 본 발명에 따른 전력 변환 장치의 구성을 개략적으로 도시한 회로의 일 실시예,
도 4는 본 발명에 따른 전력 변환 장치의 구성을 개략적으로 도시한 회로의 또 다른 실시예,
도 5는 배전류 방식의 정류 회로가 적용된 전력 변환 장치의 구성을 개략적으로 도시한 회로의 일 실시예 ,
도 6은 배전류 방식의 정류 회로가 적용된 전력 변환 장치의 구성을 개략적으로 도시한 회로의 또 다른 실시예
도 7은 동기 정류 방식의 정류 회로가 적용된 전력 변환 장치의 구성을 개략적으로 도시한 회로의 일 실시예,
도 8은 동기 정류 방식의 정류 회로가 적용된 전력 변환 장치의 구성을 개략 적으로 도시한 회로의 또 다른 실시예,
도 9는 각 스위칭 소자의 온/오프 상태에 따라 각 소자에 흐르는 전류 파형 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200 : 스위칭부 210 : 교류-직류 변환부
220 : 전류 균형부
본 발명은 전력 변환 장치에 관련되며 특히 스위칭 소자들에 흐르는 전류 불균형을 개선한 스위칭 전원 장치에 관한 것이다.
석탄, 석유 및 천연가스 등의 화학 에너지가 한계에 이름에 따라 대체 에너지로 무공해이고 에너지원이 풍부한 태양광 에너지, 풍력 에너지, 연료 전지등의 개발이 활발해지고 있다. 이 중 특히 수소를 이용한 연료 전지는 이미 상용화되고 있다. 이 방식은 수소와 산소의 화학 반응에 의해 물이 만들어지는 과정에서 발생하는 화학에너지를 이용하는 것으로 전지(Cell) 외부에서 연료와 공기를 공급하면 연속적으로 전기를 만들 수 있다. 그러나 전지(Cell) 하나에서 얻을 수 있는 전압은 대략 0.7V~1.2V로 낮기 때문에 여러개의 전지(Cell)를 직렬로 연결하여 사용한다. 그리고 이 낮은 전압을 필요한 상용 전압인 220V 또는 모터 구동을 위한 적합한 형태의 전압으로 변환해 주어야 한다. 낮은 DC전압을 높은 전압으로 전력 변환 해야하므로 이때의 효율이 시스템 전체에 영향을 미치고, 효율 저하는 시스템 전체 크기 및 단가에도 영향을 주기 때문에 최적의 전력 변환 장치의 개발이 필요하다.
도 1은 종래 전력 변환 장치에 적용되는 푸시풀 방식의 전력 변환 회로의 일 실시예이다. 도시된 바와 같이 본 방식은 1차측(100)의 두개 스위치(SW1, SW2)와 2차측(110)의 정류 다이오드 (D11, D12) 및 정류 필터 인덕터(L11)로 구성되어 있으며, 중간에 변압기(T)를 통하여 1차측과 2차측이 연계되어 있는 방식으로, 출력이 500W 이상인 대용량의 전력변환 장치에 많이 사용된다. 두개의 스위치 SW1과 SW2가 각각 교대로 온/오프 되면서 변압기(T)의 1차측에 흐르는 전류를 서로 다른 방향으로 바꿔준다. 이때에 흐르는 전류에 의해 변압기(T) 1차측에 전압이 유기되고, 유기되는 전압은 변압기의 상호작용에 의해 2차측에 유도전압을 발생시킨다. 변압기(T)의 2차측에 유도된 전압은 다이오드 D11과 D12 및 인덕터 L11을 통해 정류되어 최종 일정한 정전압을 얻을 수 있다.
도 2는 종래 전력 변환 장치에 적용되는 전력 변환 회로의 또 다른 실시예이다. 도 2에 도시된 전력 변환 회로는 도 1에 도시된 푸시풀 방식의 전력 변환 회로로부터 변형된 것으로, 입력 리플 전류의 감소를 위해 1차측의 스위칭부(200)에 인덕터(L21,L22)를 삽입하고, 2차측 정류부(210)에 다이오드 4개(D21, D22, D23, D24)를 사용하여 브릿지 정류 방식의 정류 회로를 적용한 것이다. 수소 연료 전지 발전 시스템과 같이 입력 전압이 낮고, 이를 고전압으로 변환해야하는 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이 반파 정류와 같은 적은 전원 인가 상태에서도 전파 정류 출력을 얻을 수 있는 브릿지 정류 방식이 유리하다. 즉, 도 2에 도시된 회로는 입력 전류가 대전류이고, 출력 전압이 높을 경우에 적합하며 입력단에 인덕터 L21, L22를 삽입하여 대전류의 입력 전류를 나누어 흐르게 함으로써 열 분산 효과와 입력단의 리플 전류를 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 나아가 도 2에 도시된 변환 회로에 의하면 변압기(T)에서 탭이 제거되기 때문에 변압기의 구성도 단순화될 수 있다.
도 2에 도시된 종래 기술에 있어서, 두개의 스위치 SW1 와 SW2가 온/오프 되면서 2차측에 전력을 전달하며, 도시된 바와 같이 각 스위치에 인덕터 L1과 L2가 추가로 구성된다. 이 경우 인덕터 L21, L22에 전류가 계속 흐르도록 유지하기 위하여 두개의 스위치가 동시에 온(on)되는 구간이 필요하다. 하나의 스위치가 오프되면 인덕터는 다른 쪽 스위치와 루프를 형성하고, 이 경우 온(on) 된 하나의 스위치에 두개의 인덕터로부터 흐르는 전류가 합쳐져서 흐르기 때문이다. 그런데 이 때, 두개의 스위치 SW1과 SW2에는 같은 양의 전류가 흘러야 한다. 이렇게 동일하게 전류가 흐르기 위한 조건은 모든 소자들이 이상적이어야 한다. 그러나 인쇄 회로 기판의 인덕터와 저항 성분, 인턱터 L21, L22의 인덕턴스 오차, 스위치 SW1과 SW2의 기생 캐패시턴스 성분등에 의해 두개의 스위치에 흐르는 전류가 균형을 이루지 못하고 직전에 온상태였던 한쪽 스위치로 편중되어 흐르는 현상이 나타난다. 이러한 전류 불균형 현상은 발열이 분산되지 않아 효율을 감소시키는 원인이 되며, 결국 스위치가 파손되어 제품에 치명적인 영향을 미치게 된다.
본 발명은 이 같은 배경에서 도출된 것으로, 전류 편중 현상으로 인해 발열이 분산되지 않아 스위칭 소자나 제품 자체가 파손되는 것을 막는 것을 목적으로 한다.
또한, 전력 변환 장치의 효율을 높여 친환경 연료에 대한 신뢰성을 확보하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 전력 변환 장치는 변압기에 직렬로 캐패시터를 삽입하여 변압기에 걸리는 전압 일부의 충방전을 수행하는 것을 특징으로 한다.
이 같은 양상에 따라 스위칭 소자들에 전류가 균일하게 흐르도록 보정함으써 한 쪽 스위칭 소자에 전류가 편중되어 흐르는 것을 막을 수 있다. 나아가 시스템 내에서 발열이 분산되지 않아 스위칭 소자 자체 혹은 제품이 파손되는 것을 막을 수 있다.
전술한 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 실시예들을 통하여 이하에서 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있을 정도로 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 구성을 개략적으로 도 시한 회로도이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 1차 권선(N1)과 2차 권선(N2)을 포함하는 변압부(T)와, 각각 외부로부터 인가되는 제어 신호에 대응하여 독립적으로 턴-온/오프되는 제 1 스위칭 소자(SW1)와 제 2 스위칭 소자(SW2)를 포함하고, 제 1스위칭 소자(SW1)와 제 2 스위칭 소자(SW2)의 온/오프 상태에 따라 변압부(T)의 1차측에 인가되는 전류의 방향을 반대로 바꾸는 스위칭부(200)와, 변압부(T)와 직렬 연결되어 변압부(T)의 1차측에 인가되는 전압 일부의 충방전을 수행하여 제 1 스위칭 소자(SW1)와 제 2 스위칭 소자(SW2)에 야기되는 전류 불균형을 보정하는 전류 균형부(220)와, 변압부(T)의 2차측에 유도되는 교류를 직류로 변환하는 교류-직류 변환부(210)를 포함한다.
변압부(T)는 1차 권선(N1)과 2차 권선(N2)의 공유 결합으로 이루어진다. 1차 권선(N1)과 2차 권선(N2)의 권선비에 따라 입력 전압과 출력전압의 변압비를 조절할 수 있다. 본 실시예에 있어서 변압부(T)의 2차 권선(N2)에는 플러스/마이너스 전압으로 일정 주기마다 교대로 극성이 반전되는 펄스 형태의 전압을 인가받는 1차 권선(N1)으로부터 권선비에 따른 전압이 유도된다.
스위칭부(200)는 각각 외부로부터 인가되는 제어신호에 대응하여 독립적으로 턴-온/오프되는 제 1스위칭 소자(SW1)와 제 2스위칭 소자(SW2)를 포함하여 제 1스위칭 소자(SW1)와 제 2 스위칭 소자(SW2)의 온/오프(on/off) 상태에 따라 변압부(T)의 1차측에 인가되는 전류의 방향을 반대로 바꿈으로써 변압기(T)의 1차측에 교대로 극성이 반전되는 전압이 인가된다.
도 3을 참조하여 전류의 흐름 경로를 살펴보면 예를들어 제 1스위칭 소 자(SW1)가 온(on) 상태이고 제 2스위칭 소자(SW2)가 오프(off) 상태일 경우에 Vin의 플러스 단자에서 흘러나오는 전류는 노드 a 에서 병렬로 연결된 L21과 L22로 나뉘어 흐르게 된다. 이 때에 제 2 스위칭 소자(SW2)가 오프(off) 상태이므로 L22에 흐르는 전류가 변압부(T) 에 c → b 방향으로 흐르게 되고 L22와 변압부(T)를 흐르는 전류와 L21에 흐르는 전류는 노드 d 에서 합쳐져서 제 1스위칭 소자를 거쳐 Vin의 마이너스 단자로 흘러들어가게 된다. 따라서, 이 때에 변압부(T)의 1차측에는 마이너스 전압이 걸리게 된다.
한편, 제 1 스위칭 소자(SW1)가 오프(off)상태이고 제 2스위칭 소자(SW2)가 온(on) 상태의 경우, 마찬가지로 Vin의 플러스 단자에서 흘러나오는 전류는 노드 a 에서 병렬로 연결된 L21과 L22로 나뉘어 흐르게 된다. 그러나 이 때에 제 1 스위칭 소자(SW1)가 오프(off) 상태이므로 L21에 흐르는 전류가 변압부(T)에 b → c 방향으로 흐르게 되고 L21과 변압부(T)에 흐르는 전류와 L22에 흐르는 전류는 노드 d 에서 합쳐져서 제 2 스위칭 소자(SW2)를 거쳐 Vin의 마이너스 단자로 흘러들어가게 된다. 따라서, 이 때에 변압부(T)의 1차측에는 플러스 전압이 걸리게 된다.
또한, 제 1 스위칭 소자(SW1)와 제 2 스위칭 소자(SW2)가 둘 다 온(on) 상태일 경우에는 입력 전류가 L11과 L12 소자에 저장된다. 이 때에 L11과 L12의 용량이 같은 경우에 노드 b와 노드 c에 걸리는 전압이 동일하여 변압부(T)의 1차측에 전류가 흐르지 않아 변압부(T)의 2차측에 유도전압이 인가되지 않는다. 이 때에 2차측의 다이오드들(D21, D22, D23, D24)은 모두 오프(off) 상태가 된다.
전류 균형부(220)는 변압부(T)와 직렬 연결되어, 변압부(T)의 1차측에 인가 되는 전압 일부의 충방전을 수행하여 상기 제 1 스위칭 소자(SW1)와 상기 제 2 스위칭 소자(SW2)에 야기되는 전류 불균형 현상을 보정한다. 본 발명의 양상에 따라 바람직한 일 실시예에 있어서, 전류 균형부(220)는 도 3에 도시된 바와 같이 일단이 스위칭부(200)에 연결되고, 그 타단이 변압부(T)의 1차측 일단과 연결되는 캐패시터(C)인 것을 특징으로 한다. 전류 균형부(220)의 캐패시터(C)는 소자의 특성상 전하의 충방전을 수행하고, 이 때에 충전되는 전하량(ΔQ)과 방전되는 전하량(-ΔQ)은 '캐패시터의 전기용량 * 캐패시터에 걸리는 전압(Q＝CV)'으로 그 값이 동일하다.
도 9는 각 스위칭 소자(SW1, SW2)의 온/오프 상태에 따라 각 소자에 흐르는 전류 파형의 일 실시예이다. 도시된 바와 같이, 제 2 스위칭 소자(SW2)가 온(on) 상태이고 제 1스위칭 소자(SW1)가 오프(off) 상태인 경우(T1~T2)에는 L21을 거쳐 변압부(T)의 1차측으로 흘러들어가는 전류에 의해 변압부(T)에 인가되는 전압의 일부(900)가 전류 균형부(220)에 충전된다. 그리고 캐패시터(C)에 충전되는 소정의 전압에 의해 제 1 스위칭 소자(SW1)와 제 2 스위칭 소자(SW2)가 모두 온(on) 상태가 되어도(T2~T3) 제 2 스위칭 소자(SW2)에 과도한 전류가 흐르는 것을 막을 수 있어 스위칭 소자들(SW1, SW2)에 전류가 균일하게 흐르도록 조정할 수 있다. 참고로 이 때 캐패시터(C)에 충전된 전하는 그대로 유지된다. 한편, 제 1 스위칭 소자(SW1)가 온(on) 상태이고 제 2 스위칭 소자(SW2)가 오프(off) 상태인 경우(T3~T4)에는 전류 균형부(220)에 충전된 전하가 방전(910)된다. 이 후에(T4~T5) 제 1 스위칭 소자(SW1)와 제 2 스위칭 소자(SW2)가 모두 온(on) 상태가 되어도 제 1 스위칭 소자(SW1)에 과도한 전류가 흐르는 것을 막을 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 변환 장치의 구성을 개략적으로 도시한 회로도이다. 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서 전류 균형부(220)는 도 4에 도시된 바와 같이 일단이 변압부(T)의 2차측 일단에 연결되고, 그 타단이 교류-직류 변환부(210)에 연결되는 캐패시터(C)인 것을 특징으로 한다. 변압부(T)는 특성상 1차측에서 인가되는 전류 혹은 전압에 의하여 2차측에 유도 전류 혹은 유도 전압이 유도된다. 또한, 2차측에 흐르는 전류에 의하여도 1차측이 영향을 받는 상호적 관계에 있다. 따라서 도 4 에 도시된 바와 같이 변압부(T)의 2차측에 캐패시터(C)가 추가된다 하더라도 변압부(T)의 권선비에 의해 전하 용량의 차이가 있을 뿐 1차 측에 캐패시터(C)가 삽입되는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 바람직하게는 낮은 입력 전압으로부터 큰 전력을 얻어야 하는 수소 연료 전지와 같은 발전 시스템의 특성상 캐패시터(C)는 변압부(T)의 2차측에 삽입되는 것이 좋다.
교류-직류 변환부(210)는 변압부(T)의 2차측에 유도되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하기 위한 정류 회로를 포함한다. 본 실시예에 있어서 교류-직류 변환부(210)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 브릿지 정류방식의 정류부일 수 있다. 도 3 과 도 9 를 참조하여 동작원리를 살펴보면, 먼저 변압부(T)의 1차측에서 제 2 스위칭 소자(SW2)가 온(on) 상태이고 제 1 스위칭 소자(SW1)가 오프(off)상태의 경우(T1~T2)에 변압부(T)의 2차측에는 플러스 전압이 유도된다. 그리고 이 경 우 다이오드 D21과 D24가 도통되고 D22 , D23은 오프(off)된 상태로 부하에 전류를 공급한다. 한편, 변압부(T)의 1차측의 제 1스위칭 소자(SW1)와 제 2 스위칭 소자(SW2)가 모두 온 상태인 경우(T2~T3)에는 이미 상술한 바와 같이 다이오드들(D21, D22, D23, D24)은 모두 오프(off)상태가 된다. 또한, 제 1 스위칭 소자(SW1)가 온(on) 상태가 되고 제 2 스위칭 소자(SW2)가 오프(off)상태가 되는 경우(T3~T4)에는 다이오드 D22와 D23이 도통되고 D21 , D22가 오프됨으로써 전파 정류를 수행한다.
도 5 와 도 6은 배전류 방식의 정류 회로가 적용된 전력 변환 장치의 구성을 개략적으로 도시한 회로도이다. 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 교류-직류 변환부(500)는 배전류 방식의 정류 회로를 포함하여 구현될 수 있다. 배전류 방식은 도 5에 도시된 바와 같이 두 개의 다이오드(D51, D52)와 두 개의 인덕터(L51, L52)로 구성된다. 이때, 2차측의 배전류 정류 방식은 L51과 L52에 의해 출력전류가 배가 된다는 장점이 있기 때문에 고출력 전류에 적합하고 두 개의 인덕터를 하나의 변압기에 구성이 가능하기 때문에 회로가 간단해지는 장점이 있다. 이 경우 마찬가지로 도 5에 도시된 바와 같이 캐패시터(C)가 변압부(T)의 1차측에 직렬 연결되 삽입될 수도 있고, 도 6에 도시된 바와 같이 변압부(T)에 2차측에 직렬 연결되 삽입될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 교류-직류 변환부(700)는 동기 정류 방 식의 정류회로를 포함하여 구현될 수도 있다. 도 7 과 도 8 은 동기 정류 방식의 정류 회로가 적용된 전력 변환 장치의 구성을 개략적으로 도시한 회로도이다. 동기 정류 방식은 도 7 에 도시된 바와 같이 교류-직류 변환부(700)에 다이오드 대신 FET(Q71, Q72, Q73, Q74)로 대체하는 방식이다. 이 경우 역시 마찬가지로 도 7에 도시된 바와 같이 전류 균형을 위한 캐패시터(C)를 변압부(T)의 1차측에 직렬 연결되 삽입될 수도 있고, 도 8에 도시된 바와 같이 변압부(T)의 2차측에 직렬로 연결되 삽입될 수도 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 스위칭 소자들에 전류가 균일하게 흐르도록 보정함으써 한 쪽 스위칭 소자에 전류가 편중되어 흐르는 것을 막을 수 있다. 따라서 스위칭 소자에 전류가 편중됨으로 인해 발열이 분산되지 않고 하나의 스위칭 소자에 집중됨으로써 효율이 감소하는 것을 막을 수 있다.
나아가 노이즈 및 유해 전자파 발생을 막을 수 있어 시스템의 수명을 연장시키는 효과가 있다. 이에 따라 수소 연료 전지와 같은 친환경, 청정 에너지 이용에 대한 신뢰성을 확보할 수도 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예들을 중심으로 설명되었으나 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다. 따라서 본 발명은 이 같은 자명한 변형예들을 포괄하도록 의도된 첨부된 특허청구범위에 의해 해석되어져야 한다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 1차 권선과 2차 권선을 포함하는 변압부와;
    각각 외부로부터 인가되는 제어 신호에 대응하여 독립적으로 턴-온/오프되는 제 1 스위칭 소자와 제 2 스위칭 소자를 포함하고, 상기 제 1스위칭 소자와 상기 제 2 스위칭 소자의 온/오프 상태에 따라 상기 변압부의 1차측에 인가되는 전류의 방향을 반대로 바꾸는 스위칭부와;
    상기 변압부와 직렬 연결되어, 상기 변압부의 1차측에 인가되는 전압 일부의 충방전을 수행하여 상기 제 1 스위칭 소자와 상기 제 2 스위칭 소자에 야기되는 전류 불균형을 보정하는 전류 균형부와;
    상기 변압부의 2차측에 유도되는 교류를 직류로 변환하는 교류-직류 변환부;를 포함하되, 상기 전류 균형부는 일단이 상기 변압부의 2차측 일단에 연결되고, 그 타단이 상기 교류-직류 변환부에 연결되는 캐패시터인 것을 특징으로 하는 전류 불균형을 개선한 스위칭 전원 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 교류-직류 변환부는 :
    브릿지 정류방식의 정류부인 것을 특징으로 하는 전류 불균형을 개선한 스위칭 전원장치.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 교류-직류 변환부는 :
    배전류 방식의 정류부인 것을 특징으로 하는 전류 불균형을 개선한 스위칭 전원장치.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 교류-직류 변환부는 :
    동기 정류 방식의 정류부인 것을 특징으로 하는 전류 불균형을 개선한 스위칭 전원장치.
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KR100634084B1 (ko) 2005-05-26 2006-10-16 한국전기연구원 스위치 손실을 저감하기 위한 강압형 변압기를 구비한비접촉 공진형 컨버터를 포함하는 전력변환장치 및 그 방법

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