KR101155986B1 - 일체형 ｙ-ｙ 결선 트랜스포머를 이용한 연료전지용 멀티페이즈 직류-직류 컨버터 - Google Patents

일체형 ｙ-ｙ 결선 트랜스포머를 이용한 연료전지용 멀티페이즈 직류-직류 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공진 인덕터를 제거하고 스위칭 리플 전류를 감소시키기 위하여 Y-Y 결선 트랜스포머를 이용하는 멀티페이즈 직류-직류 컨버터(multi-phase DC-DC converter)를 제공한다. 본 발명의 멀티페이즈 직류-직류 컨버터는, 입력 전원의 양단에 접속된 입력 커패시터; 상기 입력 전원에 대해 병렬로 접속된 스위치들의 쌍으로 이루어진 3쌍의 스위치들로 구성되고, 각각의 스위치 쌍의 스위칭 동작에 의해 직류-직류 컨버터의 동작 모드를 결정하기 위한 스위칭부; 1차 권선들 및 2차 권선들이 소정의 권선 비율을 가지도록 구성되어 1차측의 전류 및 전압을 상기 권선 비율에 따라 변환하여 2차측으로 전달하는 Y-Y 결선 트랜스포머; 상기 Y-Y 결선 트랜스포머의 2차 권선들로부터 출력되는 전압을 정류하기 위한 정류부; 및 출력 전원의 양단에 접속된 출력 커패시터를 포함한다.

Description

일체형 Ｙ-Ｙ 결선 트랜스포머를 이용한 연료전지용 멀티페이즈 직류-직류 컨버터{MULTI-PHASE DC-DC CONVERTER USING INTEGRATED Y-Y CONNECTION TRANSFORMER FOR FUEL-CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 발전 시스템의 전력 변환 기술에 관한 것으로, 더욱 구체적으로, 공진 인덕터를 제거하고 스위칭 리플 전류를 감소시키기 위하여 일체형 Y-Y 결선 트랜스포머를 이용하는 고효율 멀티페이즈 DC-DC 컨버터(multi-phase DC-DC converter)에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 발전 시스템(fuel cell electric power generating system)은 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치이다. 연료전지 발전 시스템은 전기화학적 산화반응과 환원반응에 의해 전자를 생성하고, 생성된 전자의 이동으로 인해 전기에너지를 발생시키는 발전 시스템이다.
연료전지의 종류는 그 연료의 유형에 따라 인산형 연료전지(phosphoric acid fuel cell), 알칼리형 연료전지(alkaline fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(proton exchange membrane fuel cell), 용융 탄산염형 연료전지(molten carbonate fuel cell), 고체 산화물형 연료전지(solid oxide fuel cell), 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell) 등으로 분류될 수 있다.
이러한 연료전지는 적용 분야에 따라 상업용 연료전지, 가정용 연료전지, 전기 자동차에 사용되는 자동차용 연료전지, 휴대용 단말기나 노트북 등에 사용되는 소형 연료전지 등으로 분류될 수도 있다.
특히, 가정용 연료전지는 가정에서 사용되고 있는 가전제품, 조명기기 등을 충분히 작동시킬 수 있도록 개발되고 있고, 상업용 연료전지는 상가나 공장 등에서 조명기기, 전동기 또는 기계류 등을 충분히 작동시킬 수 있도록 개발되고 있다.
이러한 연료전지를 이용한 발전 시스템은 연료전지에 의해 발생된 전력을 부하 및 계통전원으로 공급하기 위하여 전력 변환 시스템을 필요로 한다. 연료전지 발전 시스템은 예를 들어, 연료전지, 직류-직류 컨버터, 직류-교류 인버터, 부하, 계통전원 등으로 구성될 수 있다.
이러한 구성을 갖는 연료전지 발전 시스템에서는, 연료전지가 직류 전력을 생산하고, 이렇게 생산된 직류 전력은 직류-직류 컨버터에 의해 승압된다. 이때, 직류-직류 컨버터는 부스트 컨버터(boost converter), 단상 풀-브릿지 컨버터, 푸쉬-풀 컨버터 등의 여러 단상 컨버터에 의해 구현될 수 있다. 직류-직류 컨버터에 의해 승압된 직류 전력은 직류-교류 인버터에 의해 우리가 가정에서 일반적으로 사용하고 있는 교류 전력으로 변환된다. 이와 같이 얻어진 교류 전력은 부하에 공급되고, 부하에서 소비되고 남은 잉여전력은 계통전원을 통해 한국전력 등의 배전업체에 전달될 수도 있다.
대부분의 기존 연료전지 발전 시스템은 그 전력 변환 모듈로서 태양광 발전 시스템의 전력 변환 토폴로지(topology)를 공유하고 있었다. 그러나, 태양전지는 고전압, 저전류의 출력 특성을 가지고 있지만, 연료전지는 낮은 임피던스 형태의 저전압, 고전류의 출력 특성을 가지고 있다.
따라서, 기존의 태양광 발전 시스템에서 사용되는 전력 변환 토폴로지가 연료전지 발전 시스템에 그대로 적용될 경우에는, 계통연계형 인버터의 부피가 커지고 직류-직류 컨버터에 사용되는 트랜스포머의 누설에 의해 전력 변환 효율이 떨어지는 문제가 발생한다. 또한, 직류-직류 컨버터로서 단상 컨버터가 사용됨으로써, 스위칭 리플 전류의 증가에 의한 연료전지 출력 안정화 및 이용률 감소를 초래하는 문제점이 야기되며, 전체적인 연료전지 발전 시스템의 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
결국, 연료전지 발전 시스템은 태양광 발전 시스템과는 상이한 출력 특성을 가지므로, 태양광 발전 시스템에 사용되던 전력 변환 토폴로지를 그대로 사용할 것이 아니라 연료전지 발전 시스템에 최적화된 전력 변환 기술의 개발이 요청되고 있다.
본 발명은 위와 같이 설명된 종래의 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, 연료전지 발전 시스템의 저전압, 고전류의 출력 특성에 적합한 전력 변환 토폴로지를 구현하기 위한 일체형 Y-Y 결선 트랜스포머를 이용한 멀티페이즈 직류-직류 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 일체형 Y-Y 결선 트랜스포머는 고주파 스위칭 동작을 수행하기 위하여 페라이트 코어를 사용하고, 하나의 페라이트 코어를 사용한 일체형 페라이트 코어를 포함하고, 3상의 1차 권선들은 대응하는 각각의 페라이트 기둥들의 상단부에 1회 감기고, 3상의 1차 권선들의 단부는 서로 공통으로 접속되고, 3상의 2차 권선들은 대응하는 각각의 페라이트 기둥들의 하단부에 n회 감기고, 3상의 2차 권선들의 단부는 서로 공통으로 접속된다.
바람직하게는, 상기 1차 권선들과 상기 2차 권선들의 권선 비율은 상기 1차 권선들을 통해 입력되는 전류 범위에 따라 결정된다.
본 발명의 일 특징에 따르면, Y-Y 결선 트랜스포머를 이용한 멀티페이즈 직류-직류 컨버터는, 입력 전원의 양단에 접속된 입력 커패시터, 상기 입력 전원에 대해 병렬로 접속된 스위치들의 쌍으로 이루어진 3쌍의 스위치들로 구성되고, 각각의 스위치 쌍의 스위칭 동작에 의해 직류-직류 컨버터의 동작 모드를 결정하기 위한 스위칭부, 1차 권선들 및 2차 권선들이 소정의 권선 비율을 가지도록 구성되어 1차측의 전류 및 전압을 상기 권선 비율에 따라 변환하여 2차측으로 전달하는 Y-Y 결선 트랜스포머, 상기 Y-Y 결선 트랜스포머의 2차 권선들로부터 출력되는 전압을 정류하기 위한 정류부, 및 출력 전원의 양단에 접속된 출력 커패시터를 포함한다.
바람직하게는, 상기 스위칭부는 3-상 하프-브릿지(half-bridge) 형태로 접속된 3쌍의 스위치들로 구성되고, 각 스위치 쌍들은 서로에 대해 그리고 입력 전원에 대해 병렬로 접속된다.
바람직하게는, 상기 각 스위치 쌍은 서로 직렬 접속된 2개의 스위치로 구성되고, 각 스위치 쌍의 스위치간 중간 접점은 상기 Y-Y 결선 트랜스포머의 대응하는 1차 권선들에 접속된다.
바람직하게는, 상기 스위칭부는 스위칭 듀티 사이클에 따라 직류-직류 변환 모드 및 가변 컨버터 모드 중의 어느 하나를 결정한다.
바람직하게는, 상기 스위칭부는 스위칭 듀티 사이클이 1/3 내지 1/2 사이일 경우에 직류-직류 변환 모드를 결정한다.
바람직하게는, 상기 스위칭부가 직류-직류 변환 모드를 결정할 경우, 상기 Y-Y 결선 트랜스포머는 입력 전압에 권선 비율을 곱한 전압을 2차측으로 변환하고, 상기 정류부는 상기 Y-Y 결선 트랜스포머의 2차측 전압을 정류하여 (입력 전압)x(권선 비율)에 해당하는 값을 갖는 전압을 출력한다.
바람직하게는, 상기 스위칭부는 스위칭 듀티 사이클이 0 내지 1/3 사이일 경우에 가변 컨버터 모드를 결정한다.
바람직하게는, 상기 스위칭부가 가변 컨버터 모드를 결정할 경우, 상기 Y-Y 결선 트랜스포머의 전압 변환 동작과 상기 정류부의 정류 동작에 의해, 상기 정류부는 듀티 사이클에 따라 선형적으로 증가하다가 듀티 사이클이 1/3인 지점에서 (입력 전압)x(권선 비율)에 해당하는 값을 갖는 전압을 출력한다.
본 발명의 Y-Y 결선 트랜스포머 및 이를 이용한 멀티페이즈 직류-직류 컨버터는 연료전지 발전 시스템의 저전압, 고전류의 출력 특성에 적합한 전력 변환 토폴로지를 구현할 수 있다.
본 발명의 멀티페이즈 직류-직류 컨버터는 스위칭부로서 3상 하프-브릿지를 이용함으로써 연료전지에 의해 발생된 전원에 필연적으로 포함되는 리플 성분을 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 연료전지 시스템의 출력 특성을 안정화시킬 수 있고, 연료전지 스택의 수명 연장에도 기여할 수 있다.
또한, 본 발명의 멀티페이즈 직류-직류 컨버터는 소프트 스위칭 및 영전압 스위칭을 이용함으로써 전체적인 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 멀티페이즈 직류-직류 컨버터는 일체형의 Y-Y 결선 트랜스포머를 이용함으로써 기존의 트랜스포머에 설치되어야 할 공진 인덕터를 제거할 수 있고, 3개로 구성된 개별 트랜스포머의 조합을 일체화함으로써 이것은 연료전지 시스템의 부피 감소 및 소형화에 기여할 수 있다.
또한, 본 발명의 멀티페이즈 직류-직류 컨버터는 Y-Y 결선 트랜스포머를 이용함으로써 연료전지 시스템의 전기적인 절연을 통해 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 Y-Y 결선 트랜스포머 및 그 기호를 각각 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 Y-Y 결선 트랜스포머를 이용한 멀티페이즈 직류-직류 컨버터를 도시한 회로도이다.
도 3은 도 2에 도시된 멀티페이즈 직류-직류 컨버터에서 스위칭 듀티 사이클과 동작 모드 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 4는 도 2에 도시된 멀티페이즈 직류-직류 컨버터의 스위칭부 내의 각 스위치들의 시간에 따른 동작 상태를 도시하는 파형도이다.
도 5는 도 2에 도시된 멀티페이즈 직류-직류 컨버터가 DC-DC 변환 모드에서 동작할 경우의 스위칭 상태 및 출력 전압을 도시하는 파형도이다.
도 6a 내지 도 6c는 도 5에 도시된 각 스위칭 동작 구간에서 도 2에 도시된 멀티페이즈 직류-직류 컨버터의 통전 경로를 도시하는 회로도이다.
도 7은 도 2에 도시된 멀티페이즈 직류-직류 컨버터가 가변 컨버터 모드에서 동작할 경우의 스위칭 상태 및 출력 전압을 도시하는 파형도이다.
도 8a 내지 도 8e는 도 7에 도시된 각 스위칭 동작 구간에서 도 2에 도시된 멀티페이즈 직류-직류 컨버터의 통전 경로를 도시하는 회로도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 Y-Y 결선 트랜스포머 및 이를 이용한 멀티페이즈 직류-직류 컨버터의 구성 및 동작에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 Y-Y 결선 트랜스포머에 대해 설명한다. 도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 Y-Y 결선 트랜스포머의 구조를 도시한 것이고, 도 1b는 Y-Y 결선 트랜스포머의 기호를 도시한 것이다.
일반적으로, "변압기"라고도 불리는 트랜스포머는 페라이트 코어에 서로 소정 간격을 두고 감겨진 1차 권선 및 2차 권선으로 구성된다. 1차 권선에 전원이 접속되어 1차 권선에 전류가 흐르면, 1차 권선 및 페라이트에 자기장이 발생한다. 전원에 의해 공급되는 전류가 시간에 따라 변하면, 발생하는 자기장의 크기도 함께 변하므로, 페라이트를 통해 자기장이 전달되어 2차 권선을 통과하는 자기장의 세기도 시간에 따라 변한다. 즉, 2차 권선에는 전자기유도에 의해 유도기전력이 발생한다.
1차 권선 및 2차 권선의 양단 전압은 1차 권선 및 2차 권선의 권선 비율에 비례하고, 1차 권선 및 2차 권선에 흐르는 전류는 1차 권선 및 2차 권선의 권선 비율에 반비례한다고 알려져 있다.
본 발명에서는 멀티페이즈(multi-phase) 전력 변환, 예를 들어, 3-상(phase) 전력 변환을 구현하기 위하여 3개의 페라이트 기둥을 갖는 Y-Y 결선 트랜스포머를 제안한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 Y-Y 결선 트랜스포머는 내부 영역에 2개의 직사각형 공동을 갖는 페라이트 코어(11)로 구성되고, 페라이트 코어(11)는 페라이트 코어(11)의 상단부 및 하단부와 서로 연결되며 각 공동의 좌우에 상기 페라이트 코어(1)와 일체로 형성된 3개의 페라이트 기둥들(12, 13, 14)을 가진다.
3-상 전력 변환을 구현하기 위하여, 제1상의 1차 권선(A1)은 하나의 페라이트 기둥(12)의 상단부에 1회 감기고, 제2상의 1차 권선(B1)은 하나의 페라이트 기둥(13)의 상단부에 1회 감기고, 제3상의 1차 권선(C1)은 하나의 페라이트 기둥(14)의 상단부에 1회 감긴다. 1회 감긴 제1상 내지 제3상의 1차 권선들(A1, B1, C1)의 단부들(A2, B2, C2)은 서로 공통으로 접속된다.
이와 유사하게, 제1상의 2차 권선(a1)은 페라이트 기둥(12)의 하단부에 n회 감기고, 제2상의 2차 권선(b1)은 페라이트 기둥(13)의 하단부에 n회 감기고, 제3상의 2차 권선(c1)은 페라이트 기둥(14)의 하단부에 n회 감긴다. n회 감긴 제1상 내지 제3상의 2차 권선들(a1, b1, c1)의 단부들(a2, b2, c2)은 서로 공통으로 접속된다.
도 1b의 기호를 참조하면, 각각의 1차 권선들(A1, B1, C1) 및 2차 권선들(a1, b1, c1)은 1:n의 권선 비율을 가지도록 구성되었으나, 본 발명의 기술적 범위는 여기에 한정되지 않으며, 1차 권선들을 통해 입력되는 전류 범위 등을 고려하여 소정의 권선 비율이 결정될 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다.
다음으로, 도 2 내지 도 8을 참조하여, 도 1a 및 도 1b에 도시된 Y-Y 결선 트랜스포머를 이용한 멀티페이즈 직류-직류 컨버터에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 Y-Y 결선 트랜스포머를 이용한 멀티페이즈 직류-직류 컨버터를 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 Y-Y 결선 트랜스포머를 이용한 멀티페이즈 직류-직류 컨버터는 입력 전원(VIN)의 양단에 접속된 입력 커패시터(CIN), 입력 전원(VIN)에 대해 병렬로 접속된 스위치들의 쌍으로 이루어진 3쌍의 스위치들(SAp, SAn; SBp, SBn; SCp, SCn)로 구성되고 각각의 스위치 쌍의 스위칭 동작에 의해 컨버터의 동작 모드를 결정하기 위한 스위칭부(21), 1차 권선들(A1, B1, C1) 및 2차 권선들(a1, b1, c1)이 소정의 권선 비율을 가지도록 구성되어 1차측의 전류 및 전압을 권선 비율에 따라 변환하여 2차측으로 전달하는 Y-Y 결선 트랜스포머(22), Y-Y 결선 트랜스포터(22)의 2차 권선들(a1, b1, c1)로부터 출력되는 전압을 정류하기 위한 정류부(23) 및 출력 커패시터(COUT)를 포함한다.
여기서, 스위치는 도면 전반에 걸쳐 MOSFET인 것으로 가정하여 도시하고 있으나, 본 발명의 기술적 범위는 MOSFET에 한정되지 않고 스위칭 기능을 수행할 수 있는 모든 전자 디바이스를 지칭한다는 점은 당업자에게 자명할 것이다.
도 2를 참조하면, 입력 전원(VIN)은 연료전지의 전기화학적 작용에 의해 발생된 전원이다.
스위칭부(21)는 3-상 하프-브릿지(half-bridge) 형태로 접속된 3쌍의 스위치들(SAp, SAn; SBp, SBn; SCp, SCn)로 구성된다. 각 스위치 쌍들은 서로에 대해 그리고 입력 전원(VIN)에 대해 병렬로 접속된다.
더욱 구체적으로, 서로 직렬로 접속된 2개의 스위치로 구성된 스위치 쌍(SAp, SAn)은 입력 전원(VIN)에 대해 병렬로 접속되고, 두 스위치들 사이의 중간 접점은 3-상 중의 하나의 상(본 실시예에서는 "A 상"으로 정의하여 설명하고 있으나, 본 발명의 기술적 범위는 이것에 한정되지 않음)에 대응하는 트랜스포머(22)의 1차 권선에 접속된다.
또한, 서로 직렬로 접속된 2개의 스위치로 구성된 스위치 쌍(SBp, SBn)은 입력 전원(VIN)에 대해 병렬로 접속되고, 두 스위치들 사이의 중간 접점은 3-상 중의 다른 하나의 상(본 실시예에서는 "B 상"으로 정의함)에 대응하는 트랜스포머(22)의 1차 권선에 접속된다.
또한, 서로 직렬로 접속된 2개의 스위치로 구성된 스위치 쌍(SCp, SCn)은 입력 전원(VIN)에 대해 병렬로 접속되고, 두 스위치들 사이의 중간 접점은 3-상 중의 나머지 하나의 상(본 실시예에서는 "C 상"으로 정의함)에 대응하는 트랜스포머(22)의 1차 권선에 접속된다.
스위칭부(21)는 멀티페이즈 직류-직류 컨버터의 동작 모드에 따라 각각의 스위치 쌍의 스위칭 상태를 제어하고, 이와 같은 스위칭 상태의 제어에 따라 입력 전원(VIN)을 Y-Y 결선 트랜스포머(22)에 인가하기 위한 전류 경로를 결정한다. 본 발명에 따른 멀티페이즈 직류-직류 컨버터의 각 동작 모드에 따른 스위칭부(21)의 스위칭 상태의 제어에 대해서는 도 5 내지 도 8을 참조하여 추후에 상세하게 설명할 것이다.
앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 멀티페이즈 직류-직류 컨버터는 스위칭 듀티 사이클에 따라 가변 컨버터 모드와 직류-직류(DC-DC) 변환 모드에서 동작할 수 있다. 도 3에는 도 2에 도시된 멀티페이즈 직류-직류 컨버터에서 스위칭 듀티 사이클과 동작 모드 사이의 관계가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 예를 들어, 스위칭 듀티 사이클이 0 내지 1/3 사이에 있을 경우, 본 발명에 따른 멀티페이즈 직류-직류 컨버터는 가변 컨버터 모드로 동작한다. 가변 컨버터 모드에서는, 멀티페이즈 직류-직류 컨버터의 출력 전압은 듀티비에 따라 선형적으로 증가하고, 듀티비가 1/3인 지점에서 Y-Y 결선 트랜스포머(22)의 권선 비율(n)에 비례하는 최대 출력 전압 nㆍVIN이 된다.
또한, 스위칭 듀티 사이클이 1/3 내지 1/2 사이에 있을 경우, 본 발명에 따른 멀티페이즈 직류-직류 컨버터는 직류-직류 변환 모드로 동작한다. 직류-직류 변환 모드에서는, 멀티페이즈 직류-직류 컨버터의 출력 전압은 nㆍVIN의 값을 거의 일정하게 유지한다.
Y-Y 결선 트랜스포머(22)는 스위칭부(21)에 의해 결정되는 전류 경로를 따라 입력되는 1차측 전압 및 전류를 권선 비율에 따라 변환하여 2차측으로 전달한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 정류부(23)는 Y-Y 결선 트랜스포머(22)의 2차 권선들 각각에 대해 순방향 및 역방향으로 접속된 다이오드들의 쌍으로 이루어진 3쌍의 다이오드들(D1, D2; D3, D4; D5, D6)로 구성된다. 예를 들어, Y-Y 트랜스포머(22)의 2차 권선들 중의 하나에 대해 1쌍의 다이오드(D1, D2)가 순방향 및 역방향으로 접속되고, Y-Y 트랜스포머(22)의 2차 권선들 중의 다른 하나에 대해 1쌍의 다이오드(D3, D4)가 순방향 및 역방향으로 접속되고, Y-Y 트랜스포머(22)의 2차 권선들 중의 나머지 하나에 대해 1쌍의 다이오드(D5, D6)가 순방향 및 역방향으로 접속된다. 다이오드들의 각 쌍은 서로에 대해 병렬로 접속된다.
출력 커패시터(COUT)는 3쌍의 다이오드들(D1, D2; D3, D4; D5, D6)에 대해 병렬로 접속되어 있다.
도 4는 도 2에 도시된 멀티페이즈 직류-직류 컨버터의 스위칭부 내의 각 스위치들의 시간에 따른 동작 상태를 도시하고 있다.
도 4를 참조하면, 3-상의 각 상을 담당하는 스위칭부(21)의 스위치 쌍은 서로 120°의 위상차를 두고서 스위칭되며, 각각의 스위치 쌍 내의 스위치들은 반대로 스위칭된다는 것을 알 수 있다. 도 4는 스위칭 듀티비가 1/6 이하인 경우에 대해 도시한 결과이다.
다음으로, 도 5 내지 도 8을 참조하여, 2개의 동작 모드에 대한 본 발명에 따른 멀티페이즈 직류-직류 컨버터의 스위칭 상태 및 이로 인한 통전 경로에 대해 설명할 것이다.
[직류-직류 변환 모드 ]
먼저, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 멀티페이즈 직류-직류 컨버터가 직류-직류 변환 모드로 동작할 경우에 대해 설명한다.
도 5는 도 2에 도시된 멀티페이즈 직류-직류 컨버터가 DC-DC 변환 모드에서 동작할 경우의 스위칭 상태 및 출력 전압을 도시한 것이고, 도 6a 내지 도 6c는 도 5에 도시된 각 스위칭 동작 구간에서 도 2에 도시된 멀티페이즈 직류-직류 컨버터의 통전 경로를 도시한 것이다.
앞에서 설명한 바와 같이, 스위칭 듀티 사이클이 1/3 내지 1/2 사이에 있을 경우, 본 발명에 따른 멀티페이즈 직류-직류 컨버터는 직류-직류 변환 모드로 동작하고, 이러한 직류-직류 변환 모드에서는, 멀티페이즈 직류-직류 컨버터의 출력 전압은 nㆍVIN의 값을 거의 일정하게 유지한다.
도 5에 도시된 바와 같이, DC-DC 변환 모드에서는 3가지 스위칭 동작 구간(101, 10X, 100)이 각 상의 스위치 값만 바뀌면서 쉬프트 형식으로 반복된다. 도 6a는 도 5의 스위칭 동작 구간(101)에서의 통전 경로를 도시한 것이고, 도 6b는 도 5의 스위칭 동작 구간(10X)에서의 통전 경로를 도시한 것이고, 도 6c는 도 5의 스위칭 동작 구간(100)에서의 통전 경로를 도시한 것이다. 이하에서는 각 스위칭 동작 구간에서의 스위칭 상태 및 통전 경로에 대해 더욱 구체적으로 설명할 것이다.
1. 스위칭 동작 구간(101)
이 스위칭 동작 구간(101)에서는 도 2의 스위칭부(21)의 스위치들 중에서 SAp, SBn, SCp가 턴온되고 나머지 스위치들은 턴오프된다. 따라서, 도 6a에 도시된 바와 같이, 스위칭부(21) 내의 통전 경로가 형성된다.
즉, A상 및 C상은 Y-Y 결선 트랜스포머(22)의 1차측에 정방향으로 연결되고, B상은 Y-Y 결선 트랜스포머(22)의 1차측에 역방향으로 연결된다. 따라서, 입력 전원(VIN)에 의한 A상 및 C상의 전류는 스위치(SAp, SCp)를 통해 Y-Y 결선 트랜스포머(22)의 1차측에 공급되고, B상의 전류는 스위치(SBn)를 통해 흐르게 된다. Y-Y 결선 트랜스포머(22)의 1차측 전류는 권선 비율(n)에 반비례하여 2차측에 나타나므로, 1차측 전류의 값은 2차측 전류의 값(Iout)의 1/n, 즉, (Iout/n)이 될 것이다.
이상적인 경우, 두 스위치(SAp, SCp)는 입력 전원(VIN)에 의한 전류를 A상 및 C상의 전류로서 동등하게 분배해야 하지만, 스위칭 동작(101)의 초기에는 A상 및 C상의 전류가 동일하지 않다. 왜냐하면, A상은 스위치(SAp)의 스위칭이 이루어진 직후이므로 A상의 전류가 과도 상태를 거쳐 정상 상태에 도달하기 위해서는 시간이 필요할 것이다. 그러나, 스위칭 동작(101) 구간의 어느 시점(과도 상태가 종료되는 시점) 이후에는 A상의 전류와 C상의 전류가 균형을 이룰 것이다.
2. 스위칭 동작 구간(10X)
이 스위칭 동작 구간(10X)에서는 스위칭 동작 구간(100)에서 턴온 상태였던 스위치 SCp가 턴오프되고, 도 6b에 도시된 바와 같이, 스위칭부(21) 내의 통전 경로가 형성된다. C상의 전류 iC는 스위치 SCp가 턴오프 되더라도 계속해서 흐르며, 이것은 Y-Y 결선 트랜스포머(22)의 누설 인덕턴스(LLK_A, LLK_C)와 스위치 SCp의 출력 커패시터(CCp)가 일으키는 부분적인 공진 때문이다.
스위칭 동작(10X) 구간에서, 정류부(23)에 의해 얻어지는 출력 전압(VRECT)은 도 5에 도시된 바와 같이 nㆍVIN보다 작을 수 있다. 이것은 듀티 사이클의 손실로 간주된다. 이 작은 전압 구간, 즉, 스위칭 동작 구간(10X)은 누설 인덕턴스에 의해 결정되며, 이 스위칭 동작 구간에서의 출력 전압은 무시해도 좋을 정도로 크지 않다.
3. 스위칭 동작 구간(100)
이 스위칭 동작 구간(100)에서는 스위칭 동작 구간(10X)에서 턴오프 상태였던 스위치 SCn가 부분 공진에 의한 역방향 전류로 인하여 역병렬 다이오드로 도통되며, 도 6c에 도시된 바와 같이, 스위칭부(21) 내의 통전 경로가 형성된다. 이때, 이 스위치 SCn의 양단 전압은 0이다. 즉, 이 스위치 SCn이 "ON" 동작이 되면, SCn은 영전압 스위칭(ZVS : zero voltage switching)을 수행하게 된다. 이러한 스위칭 손실을 감소시킴으로써 멀티페이즈 직류-직류 컨버터의 전체적인 효율을 향상시킬 수 있다.
이 스위칭 동작 구간(100)에서는, A상의 전류가 Y-Y 결선 트랜스포머(22)의 1차측 권선에 정방향으로 흐르고, B상 및 C상의 전류는 Y-Y 결선 트랜스포머(22)의 1차측 권선에 역방향으로 흐른다.
4. 나머지 스위칭 동작 구간
본 발명에 따른 멀티페이즈 직류-직류 컨버터는 위에서 설명된 3개의 스위칭 동작 구간에서의 각 상의 스위치의 값만 바뀌면서 쉬프트 형식으로 직류-직류 변환 모드를 반복 수행한다. 이때, 정류부(23)에 의해 정류되어 출력되는 전압(VRECT)은 nㆍVIN의 일정한 크기를 가진다.
[가변 컨버터 모드 ]
다음으로, 도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명에 따른 멀티페이즈 직류-직류 컨버터가 가변 컨버터 모드로 동작할 경우에 대해 설명한다.
도 7은 도 2에 도시된 멀티페이즈 직류-직류 컨버터가 가변 컨버터 모드에서 동작할 경우의 스위칭 상태 및 출력 전압을 도시한 것이고, 도 8a 내지 도 8e는 도 7에 도시된 각 스위칭 동작 구간에서 도 2에 도시된 멀티페이즈 직류-직류 컨버터의 통전 경로를 도시한 것이다.
앞에서 설명한 바와 같이, 스위칭 듀티 사이클이 0 내지 1/3 사이에 있을 경우, 본 발명에 따른 멀티페이즈 직류-직류 컨버터는 가변 컨버터 모드로 동작하고, 이러한 가변 컨버터 모드에서, 멀티페이즈 직류-직류 컨버터의 출력 전압은 듀티비에 따라 선형적으로 증가하다가 듀티비가 1/3이 되는 지점에서 권선 비율(n)에 비례하는 최대 출력 전압인 nㆍVIN의 값에 도달한다.
이러한 가변 컨버터 모드는 인터리브(interleave) 방식의 컨버터와 유사한 동작 모드이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 가변 컨버터 모드에서는 5가지 스위칭 동작 구간(100, X00, 000, 0X0, 010)이 조합된다. 도 8a는 도 7의 스위칭 동작 구간(100)에서의 통전 경로를 도시한 것이고, 도 8b는 도 7의 스위칭 동작 구간(X00)에서의 통전 경로를 도시한 것이고, 도 8c는 도 7의 스위칭 동작 구간(000)에서의 통전 경로를 도시한 것이고, 도 8d는 도 7의 스위칭 동작 구간(0X0)에서의 통전 경로를 도시한 것이고, 도 8e는 도 7의 스위칭 동작 구간(010)에서의 통전 경로를 도시한 것이다. 이하에서는 각 스위칭 동작 구간에서의 스위칭 상태 및 통전 경로에 대해 더욱 구체적으로 설명할 것이다.
1. 스위칭 동작 구간(100)
이 스위칭 동작 구간(100)에서는 도 2의 스위칭부(21)의 스위치들 중에서 SAp, SBn, SCn가 턴온되고 나머지 스위치들은 턴오프된다. 따라서, 도 8a에 도시된 바와 같이, 스위칭부(21) 내의 통전 경로가 형성된다.
즉, A상의 전류는 Y-Y 결선 트랜스포머(22)의 1차측에 정방향으로 흐르고, B상 및 C상의 전류는 Y-Y 결선 트랜스포머(22)의 1차측에 역방향으로 흐른다.
Y-Y 결선 트랜스포머(22)의 누설 인덕턴스가 적을 경우에는, B상 및 C상의 전류가 동등하게 분배되지만, 누설 인덕턴스가 클 경우에는, B상 전류가 C상 전류보다 매우 크게 되어 균형이 깨진다.
2. 스위칭 동작 구간( X00 )
이 스위칭 동작 구간(X00)에서는 스위칭 동작 구간(100)에서 턴온 상태였던 스위치 SAp가 턴오프되고, 도 8b에 도시된 바와 같이 스위칭부(21)에서 부분 공진에 의한 역방향 전류로 인하여 역병렬 다이오드로 도통된다. A상의 전류는 스위치 SAp가 턴오프되더라도 계속해서 흐른다.
스위치 SAp가 턴오프될 때, Y-Y 결선 트랜스포머(22)의 1차측에 흐르는 전류는 첫 번째에 반영되는 출력 전류이다. 반대편의 출력 커패시터(CAn)는 방전을 위해 사용된다.
스위치 SAn의 출력 커패시터(CAn)가 충분히 방전되면, A상의 전류는 다이오드(DAn)를 통해 흐른다. 이때, Y-Y 결선 트랜스포머(22)의 1차측에 인가되는 전압은 0이 되므로, 2차측으로 변환되지 않는다.
3. 스위칭 동작 구간(000)
이 스위칭 동작 구간(000)에서는 스위칭 동작 구간(X00)에서 턴오프 상태였던 스위치 SAp가 부분 공진에 의한 역방향 전류로 인하여 역병렬 다이오드로 도통되며, 도 8c에 도시된 바와 같이, 스위칭부(21) 내의 통전 경로가 형성된다. 이때, 이 스위치 SAp의 양단 전압은 0이다. 즉, 이 스위치 SAp는 영전압 스위칭을 수행하게 된다.
이 스위칭 동작 구간(000)에서는 입력 전원(VIN)이 Y-Y 결선 트랜스포머(22)의 1차측에 인가되지 않으므로, Y-Y 결선 트랜스포머(22)의 1차측 통전 경로에서는 프리휠링(free-wheeling)이 이루어진다. 이때, Y-Y 결선 트랜스포머(22)의 누설 인덕턴스는 프리휠링 기간 동안에 2차측 전류를 유지하도록 한다.
이 스위칭 동작 구간(000)에서는, 정류부(23)의 모든 다이오드가 순방향이 되고, Y-Y 결선 트랜스포머(22)의 1차측에 흐르는 순환 전류는 2차측으로 변환되고, 입력 전원(VIN)이 Y-Y 결선 트랜스포머(22)의 1차측에 인가되지 않으므로, 출력 전압(VRECT)은 0V이다.
이상으로 설명된 바와 같이, 가변 컨버터 모드에서는 출력 전압이 스위칭 듀티비에 따라 선형적으로 증가하고, 인터리브 방식의 컨버터와 유사한 동작이 수행됨을 알 수 있다.
본 발명의 멀티페이즈 직류-직류 컨버터는 스위칭부(21)로서 3상 하프-브릿지를 이용함으로써 연료전지에 의해 발생된 전원에 필연적으로 포함되는 리플 성분을 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 연료전지 시스템의 출력 특성을 안정화시킬 수 있고, 연료전지 스택의 수명 연장에도 기여할 수 있다.
또한, 본 발명의 멀티페이즈 직류-직류 컨버터는 소프트 스위칭 및 영전압 스위칭을 이용함으로써 전체적인 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 멀티페이즈 직류-직류 컨버터는 일체형의 Y-Y 결선 트랜스포머를 이용함으로써 기존의 트랜스포머에 설치되어야 할 공진 인덕터를 제거할 수 있고, 3개의 분리된 트랜스포머의 조합을 일체화함으로써 이것은 연료전지 시스템의 부피 감소 및 소형화에 기여할 수 있다.
또한, 본 발명의 멀티페이즈 직류-직류 컨버터는 Y-Y 결선 트랜스포머를 이용함으로써 연료전지 시스템의 전기적인 절연을 통해 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자, 즉 당업자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
21 : 스위칭부 22 : Y-Y 결선 트랜스포머
23 : 정류부 CIN : 입력 커패시터
COUT : 출력 커패시터

Claims (10)

  1. 입력 전원의 양단에 접속된 입력 커패시터;
    상기 입력 전원에 대해 병렬로 접속된 스위치들의 쌍으로 이루어진 3쌍의 스위치들로 구성되고, 각각의 스위치 쌍의 스위칭 동작에 의해 직류-직류 컨버터의 동작 모드를 결정하기 위한 스위칭부;
    1차 권선들 및 2차 권선들이 소정의 권선 비율을 가지도록 구성되어 1차측의 전류 및 전압을 상기 권선 비율에 따라 변환하여 2차측으로 전달하는 Y-Y 결선 트랜스포머;
    상기 Y-Y 결선 트랜스포머의 2차 권선들로부터 출력되는 전압을 정류하기 위한 정류부; 및
    출력 전원의 양단에 접속된 출력 커패시터를 포함하고,
    상기 스위칭부는 스위칭 듀티 사이클에 따라 직류-직류 변환 모드 및 가변 컨버터 모드 중의 어느 하나를 결정하고,
    상기 스위칭부는 스위칭 듀티 사이클이 1/3 내지 1/2 사이일 경우에 직류-직류 변환 모드를 결정하고,
    상기 스위칭부는 스위칭 듀티 사이클이 0 내지 1/3 사이일 경우에 가변 컨버터 모드를 결정하는 것을 특징으로 하는 Y-Y 결선 트랜스포머를 이용한 멀티페이즈 직류-직류 컨버터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 Y-Y 결선 트랜스포머는 내부 영역에서 고속 스위칭 동작을 적용하기 위한 페라이트 코어를 포함하고,
    상기 페라이트 코어는 고주파 스위칭 동작을 수행하기 위하여 사용되고, 하나의 페라이트 코어를 사용한 일체형 페라이트 코어이고,
    3상의 1차 권선들은 대응하는 각각의 페라이트 기둥들의 상단부에 1회 감기고, 3상의 1차 권선들의 단부는 서로 공통으로 접속되고,
    3상의 2차 권선들은 대응하는 각각의 페라이트 기둥들의 하단부에 n회 감기고, 3상의 2차 권선들의 단부는 서로 공통으로 접속되는 것을 특징으로 하는 Y-Y 결선 트랜스포머를 이용한 멀티페이즈 직류-직류 컨버터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 1차 권선들과 상기 2차 권선들의 권선 비율은 상기 1차 권선들을 통해 입력되는 전류 범위에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 Y-Y 결선 트랜스포머를 이용한 멀티페이즈 직류-직류 컨버터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭부는 3-상 하프-브릿지(half-bridge) 형태로 접속된 3쌍의 스위치들로 구성되고, 각 스위치 쌍들은 서로에 대해 그리고 입력 전원에 대해 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 Y-Y 결선 트랜스포머를 이용한 멀티페이즈 직류-직류 컨버터.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 각 스위치 쌍은 서로 직렬 접속된 2개의 스위치로 구성되고, 각 스위치 쌍의 스위치간 중간 접점은 상기 Y-Y 결선 트랜스포머의 대응하는 1차 권선들에 접속되는 것을 특징으로 하는 Y-Y 결선 트랜스포머를 이용한 멀티페이즈 직류-직류 컨버터.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭부가 직류-직류 변환 모드를 결정할 경우, 상기 Y-Y 결선 트랜스포머는 입력 전압에 권선 비율을 곱한 전압을 2차측으로 변환하고, 상기 정류부는 상기 Y-Y 결선 트랜스포머의 2차측 전압을 정류하여 (입력 전압)x(권선 비율)에 해당하는 값을 갖는 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 Y-Y 결선 트랜스포머를 이용한 멀티페이즈 직류-직류 컨버터.
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭부가 가변 컨버터 모드를 결정할 경우, 상기 Y-Y 결선 트랜스포머의 전압 변환 동작과 상기 정류부의 정류 동작에 의해, 상기 정류부는 듀티 사이클에 따라 선형적으로 증가하다가 듀티 사이클이 1/3인 지점에서 (입력 전압)x(권선 비율)에 해당하는 값을 갖는 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 Y-Y 결선 트랜스포머를 이용한 멀티페이즈 직류-직류 컨버터.
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서울산업대학교 석사학위논문(제목: 연료전지 응용을 위한 고효율 3상 ZVZCS DC-DC 컨버터), 논문발표 2008년 6월 *
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