KR101210424B1 - Step-up converter to drive an inverter of a electric vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전기자동차의 인버터 구동용 스텝-업 컨버터 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 출력 커패시터의 운용 전압을 감소시키면서, 전기 자동차의 풀-브리지 인버터의 프론트-엔드에 위치하여 전압원을 공급하는 컨버터 장치에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a step-up converter device for driving an inverter of an electric vehicle, and more particularly, to reduce the operating voltage of an output capacitor and to supply a voltage source at a front end of a full-bridge inverter of an electric vehicle. It relates to a 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.
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 컨버터와 같은 스텝-업 컨버터들을 사용하게 된다. 이 경우에 출력 커패시터의 동작 전압이 증가하게 될 것이다. 즉, 커패시터의 비용이 증가되는 문제점이 있다. 따라서 컨버터의 입력 대비 출력 전압의 전압 변환 비가 종래의 부스트 컨버터와 동등하면서도 컨버터의 출력 커패시터의 동작 전압이 낮아지고 이에 따라 커패시터의 값이 부스트 컨버터의 그것보다 작은 컨버터의 개발이 요구된다.
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 will typically use step-up converters such as boost converters. In this case, the operating voltage of the output capacitor will increase. That is, there is a problem that the cost of the capacitor is increased. Therefore, while the voltage conversion ratio of the converter's input voltage to the output voltage is equivalent to that of a conventional boost converter, the operating voltage of the output capacitor of the converter is lowered, and thus, the development of a converter having a smaller capacitor value than that of the boost converter is required.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해, 전기 자동차의 풀-브리지 인버터의 프론트-엔드에 위치하여 전압원을 공급하는 컨버터 장치를 제공하기 위한 것이다. The present invention is to provide a converter device for supplying a voltage source is located in the front-end of the full-bridge inverter of the electric vehicle 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 전기 자동차의 풀-브리지 인버터의 프론트-엔드에 위치하여 전압원을 공급하는 컨버터 장치는 배터리 뱅크, 출력 커패시터, 입력 스위치, 인덕턴스, 다이오드를 포함하며, 입력 전압원에는 배터리가 병렬로 연결된 배터리 뱅크가 구성되고, 입력 전압원의 양극 단자와 직렬로 출력 커패시터가 연결되고, 입력전압원의 양극단자에 또한 인덕터의 양극단자가 연결되며, 출력 커패시터와 인덕터의 음극단자 간에 다이오드가 연결되고, 인덕터의 음극단자와 입력전압원의 음극단자 간에 입력 스위치가 연결되며, 상기 입력 스위치는 제어를 위해 연결되는 제어부의 제어신호를 통해 동작되어 전원을 스위칭하며, 상기 출력 커패시터와 입력 전압원 간에 형성되는 출력단을 통해 전원이 컨버팅되어 풀-브리지 인버터로 출력되는 것을 특징으로 한다.The converter device for supplying a voltage source located at the front-end of the full-bridge inverter of the electric vehicle of the present invention for achieving the above-described problem includes a battery bank, an output capacitor, an input switch, an inductance, a diode, The voltage source consists of a battery bank with batteries connected in parallel, an output capacitor connected in series with the positive terminal of the input voltage source, a positive terminal of the inductor also connected to the positive terminal of the input voltage source, and a diode between the output capacitor and the negative terminal of the inductor. Is connected, and an input switch is connected between the negative terminal of the inductor and the negative terminal of the input voltage source, and the input switch is operated through a control signal of a controller connected for control to switch power and between the output capacitor and the input voltage source. The power is converted through the output stage to form a full-bree Characterized in that the output to the inverter.
바람직하게는, 상기 풀-브리지 인버터의 일단은 컨버터의 출력 커패시터의 일단과 연결되고, 풀-브리지 인버터의 타단은 컨버터의 입력 전압원의 - 단자와 연결되며,Preferably, one end of the full-bridge inverter is connected to one end of the output capacitor of the converter, the other end of the full-bridge inverter is connected to the negative terminal of the input voltage source of the converter,
상기 풀-브리지 인버터는 4개의 스위치를 포함하여 구성되는데, 직렬로 연결되어 상기 컨버터의 전원을 스위칭하는 Q1,Q2 스위치와, Q1,Q2 스위치의 양단에 병렬로 연결되는 Q3,Q4 스위치로 구성되며, 상기 Q1,Q2,Q3,Q4 스위치는 제어를 위해 연결되는 제어부의 제어신호를 통해 풀-브리지 인버터의 Q1,Q2 스위치 간과 Q3,Q4 간에 전원이 인버팅되어 출력되는 것을 특징으로 한다.The full-bridge inverter includes four switches. The full-bridge inverter includes Q1 and Q2 switches connected in series to switch power of the converter, and Q3 and Q4 switches connected in parallel to both ends of the Q1 and Q2 switches. The Q1, Q2, Q3, and Q4 switches are characterized in that power is inverted and output between Q1 and Q2 switches and Q3 and Q4 of a full-bridge inverter through a control signal of a controller connected for control.
바람직하게는, 입력 스위치가 턴-온 상태가 되면, 인덕터 전류가 증가하기 시작하고, 출력 커패시터는 출력단 부하에 에너지를 공급하기 위해 방전하게 되며, 입력 스위치가 오프 상태가 되면, 인덕터 전류가 감소하기 시작하고, 출력 커패시터는 커패시터에 충전하게 되는 것을 특징으로 한다.Preferably, when the input switch is turned on, the inductor current begins to increase, and the output capacitor discharges to energize the output stage load, and when the input switch is off, the inductor current decreases. Beginning, the output capacitor is characterized by charging the capacitor.
바람직하게는, 입력 전압 대비 출력 커패시터 전압의 비는 벅-부스트 컨버터의 전압의 비와 동일하고, 출력 전압과 커패시터 전압 간의 전압 관계는 벅 컨버터의 전압 관계와 동일하게 되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the ratio of the output capacitor voltage to the input voltage is equal to the ratio of the voltage of the buck-boost converter, and the voltage relationship between the output voltage and the capacitor voltage is equal to the voltage relationship of the buck converter.
바람직하게는, 상기 컨버터의 출력 전압은 출력 커패시터를 가로지르는 전압과 입력 배터리 전압의 합이 되며, 상기 출력 커패시터와 입력 전압원 간에 형성되는 출력단을 통해 전원이 컨버팅되어 풀-브리지 인버터로 출력되는 것을 특징으로 한다.
Preferably, the output voltage of the converter is the sum of the voltage across the output capacitor and the input battery voltage, the power is converted through the output terminal formed between the output capacitor and the input voltage source is output to the full-bridge inverter It is done.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 전기자동차용 스텝-업 컨버터 장치는 배터리와 출력 콘덴서가 직렬 결합되어 출력전압을 형성하는 구조로서 배터리 셀의 적층 수를 감소시킬 수 있어 구조적 신뢰성을 증가시킬 수 있다. 출력전압 전력반도체 소자 수를 최소화하여 전기적 신뢰성을 증가시킬 수 있음. 또한 컨버터의 입력 대비 출력 전압의 전압 변환 비가 종래의 부스트 컨버터와 동등하면서도 컨버터의 출력 커패시터의 동작 전압이 더 낮아지며, 이에 따라 컨버터의 시작 시점에서 유입되는 전류가 감소되는 효과가 있다.
As described above, the step-up 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 stacks of battery cells, thereby increasing structural reliability. The electrical reliability can be increased by minimizing the number of output voltage power semiconductor devices. In addition, while the voltage conversion ratio of the input voltage to the converter is equal to that of the conventional boost converter, the operating voltage of the output capacitor of the converter is lower, thereby reducing the current flowing in at the start of the converter.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 스텝-업 컨버터 장치의 전체 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 컨버터의 운용 모드 1, Q=ON을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에서 컨버터의 운용 모드 2, Q=OFF를 나타낸 도면이다.
도 4는 연속 전류 컨덕션 모드 동작을 위한 정상 상태 파형을 나타낸 도면이다.
도 5는 스위치 온 상태에서 종래의 부스트 컨버터의 동작을 나타낸 도면이다.
도 6은 종래의 부스트 컨버터의 입력 스위치의 전압, 인덕터 전류, 인덕터 전압, 다이오드 전류 및 커패시터 전류를 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 컨버터의 입력 스위치의 전압, 인덕터 전류, 인덕터 전압, 다이오드 전류 및 커패시터 전류를 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 컨버터와 종래의 부스트 컨버터에서 커패시터 동작 전압을 비교한 도면이다.
도 9는 종래의 부스트 컨버터와 결합된 백-엔드 풀-브리지 인버터의 출력 전압을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 컨버터와 결합된 백-엔드 풀-브리지 인버터의 출력 전압을 나타낸 도면이다.1 is a view showing the overall configuration of a step-up converter device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an operation mode 1 and Q = ON of the converter in FIG. 1.
FIG. 3 is a diagram illustrating an operation mode 2 and Q = OFF of the converter in FIG. 1.
4 is a diagram illustrating a steady state waveform for continuous current conduction mode operation.
5 is a diagram illustrating the operation of a conventional boost converter in a switched on state.
6 is a view sequentially showing a voltage, an inductor current, an inductor voltage, a diode current, and a capacitor current of an input switch of a conventional boost converter.
7 is a view sequentially showing the voltage, inductor current, inductor voltage, diode current and capacitor current of the input switch of the converter according to the present invention.
8 is a view comparing the capacitor operating voltage in the converter according to the present invention and the conventional boost converter.
9 is a diagram illustrating an output voltage of a back-end full bridge inverter coupled with a conventional boost converter.
10 is a diagram showing the output voltage of the back-end full-bridge inverter coupled to the converter of the present invention.
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. In the drawings, the same components are denoted by the same reference symbols whenever possible. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.
<회로 구성><Circuit configuration>
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 스텝-업 컨버터(100)의 회로 구성을 나타낸 도면이다. 본 발명의 컨버터의 주 목적은 전기 자동차의 인버터 시스템에 전압원을 공급하기 위한 것이다. 그래서 본 발명의 컨버터(100)는 풀-브리지 인버터(200)의 프론트-엔드에 위치한다. 1 is a diagram illustrating a circuit configuration of a step-
도 1에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 컨버터(100)는 입력 전압원(10), 출력 커패시터(30), 입력 스위치(20), 인덕턴스(40), 다이오드(50)를 포함한다. 컨버터(100)는 풀-브리지 인버터(200)의 프론트-엔드에 위치하고, 풀-브리지 인버터(200)에는 출력단(300)의 부하(미도시)가 연결된다.As shown in FIG. 1, the
컨덕터(100)의 구성을 구체적으로 설명하면, 입력 전압원(10)인 배터리가 병렬로 연결된 배터리 뱅크가 구성되고, 입력 전압원(10)의 양극 단자와 직렬로 출력 커패시터(30)가 연결되고, 입력전압원의 양극단자에 또한 인덕터(40)의 양극단자가 연결되며, 출력 커패시터(30)와 인덕터(40)의 음극단자 간에 다이오드(50)가 연결된다. 인덕터(40)의 음극단자와 입력전압원(10)의 음극단자 간에 입력 스위치 (20)가 연결된다. 상기 입력 스위치(20)는 제어를 위해 연결되는 제어부(미도시)의 제어신호를 통해 동작되어 전원을 스위칭하여 전원을 컨버팅 시킨다.Specifically, the configuration of the
상기 풀-브리지 인버터(200)의 일단은 컨버터(100)의 출력 커패시터(30)의 일단과 연결되고, 풀-브리지 인버터(200)의 타단은 컨버터(100)의 입력 전압원(10)의 - 단자와 연결되는 4개의 스위치로 구성되는데, 직렬로 연결되어 상기 컨버터(100)의 전원을 스위칭하는 Q1,Q2 스위치와, Q1,Q2 스위치의 양단에 병렬로 연결되는 Q3,Q4 스위치로 구성된다. 상기 Q1,Q2,Q3,Q4 스위치는 제어를 위해 연결되는 제어부(미도시)의 제어신호를 통해 동작되어 전원을 스위칭하여 전원을 인버팅 시킨다.One end of the full-
이렇게 구성된 풀-브리지 인버터(200)의 Q1,Q2 스위치 간과 Q3,Q4 간에 전원이 인버팅되어 출력되는 출력단(Vout)이 형성된다.
An output terminal Vout is formed between the Q1 and Q2 switches and the Q3 and Q4 switches of the full-
상기 컨버터(100)의 출력단의 전압(V dc )은 출력 커패시터(30)의 전압(V c )과 입력 배터리 뱅크(V in )(10)의 합이 된다.
The voltage V dc of the output terminal of the
수학식 1Equation 1
이때 Vin은 입력 전압원(10)의 전압을 나타내고, vC는 커패시터(30) 양단 전압을 나타내고, Vdc는 커패시터와 입력 전압원에 의해 만들어지는 출력단의 전압을 나타낸다.
Vin represents the voltage of the
<동작 모드><Operation Mode>
본 발명의 컨버터는 도2와 도3에서 나타낸 것과 같이 하나의 스위칭 사이클에서 두가지 동작 모드를 경험한다. 도 2는 본 발명의 컨버터의 운용 모드 1, Q=ON을 나타낸 도면이다. 도 3은 도 1에서 컨버터의 운용 모드 2, Q=OFF를 나타낸 도면이다.The converter of the present invention undergoes two modes of operation in one switching cycle as shown in FIGS. 2 is a diagram illustrating operation mode 1 and Q = ON of the converter of the present invention. FIG. 3 is a diagram illustrating an operation mode 2 and Q = OFF of the converter in FIG. 1.
본 발명의 컨버터의 이론적인 파형은 도 4에 도시되는데, 도 4는 연속 전류 컨덕션 모드 동작을 위한 정상 상태 파형을 나타낸 도면이다. 여기서 인덕터 전류는 i L (t)>0에서 계속하여 흐르게 된다.The theoretical waveform of the converter of the present invention is shown in FIG. 4, which shows a steady state waveform for continuous current conduction mode operation. Here the inductor current continues to flow at i L (t) > 0.
동작 모드 1은 도 2에서 나타낸 것과 같이, 스위치 Q가 턴-온 상태에 있는 경우의 동작이다. 스위치 Q가 온 상태가 되면, 인덕터 전류가 증가하기 시작한다. 이 모드 동안에 출력 커패시터는 출력단 부하(load)에 에너지를 공급하기 위해 방전하게 된다. 인덕터를 가로지르는 전압은 수학식 2에 의해 정의된다.
Operation mode 1 is an operation when switch Q is in the turn-on state, as shown in FIG. When switch Q is turned on, the inductor current begins to increase. During this mode, the output capacitor will discharge to energize the output stage load. The voltage across the inductor is defined by equation (2).
수학식 2Equation 2
이때 vL은 인덕터 양단 전압을 나타내고, Vin은 입력 전압원의 전압을 나타내고, vdc는 커패시터와 입력 전압원에 의해 만들어지는 출력전압을 나타내고, vC는 커패시터 양단 전압을 나타내고, L은 인덕터의 값을 나타내고, di/dt는 시간에 대한 전류의 변화율을 나타낸다.
Where vL represents the voltage across the inductor, Vin represents the voltage across the input voltage source, vdc represents the output voltage generated by the capacitor and the input voltage source, vC represents the voltage across the capacitor, L represents the value of the inductor, di / dt represents the rate of change of current over time.
스위치 Q의 도통비(duty ratio)는 D로 정의될 때, 인덕터 전류의 기울기는 수학식 3과 같이 표현된다.
When the duty ratio of the switch Q is defined as D, the slope of the inductor current is expressed by Equation 3 below.
수학식 3Equation 3
이때 vin은 입력 전압원의 전압을 나타내고, L은 인덕터의 값을 나타내고, D는 스위치의 도통비(Duty ratio)를 나타내며, Ts는 스위치의 스위칭 주기를 나타낸다.Where vin denotes the voltage of the input voltage source, L denotes the value of the inductor, D denotes the duty ratio of the switch, and Ts denotes the switching period of the switch.
동작 모드 2는 도 3에서 나타낸 것과 같이, 스위치 Q가 턴-오프 상태에 있는 경우의 동작이다. 스위치 Q가 오프 상태가 되면, 인덕터 전류가 감소하기 시작한다. 이 모드 동안에 출력 커패시터는 커패시터에 충전하게 된다. 인덕터를 가로지르는 전압은 수학식 4에 의해 정의된다.Operation mode 2 is an operation when switch Q is in the turn-off state, as shown in FIG. When switch Q is off, the inductor current begins to decrease. During this mode, the output capacitor will charge the capacitor. The voltage across the inductor is defined by equation (4).
수학식 4Equation 4
이때 vL은 인덕터 양단 전압을 나타내고, Vin은 입력 전압원의 전압을 나타내고, vdc는 커패시터와 입력 전압원에 의해 만들어지는 출력전압을 나타내고, L은 인덕터의 값을 나타내고, di/dt는 시간에 대한 전류의 변화율을 나타낸다. Where vL denotes the voltage across the inductor, Vin denotes the voltage of the input voltage source, vdc denotes the output voltage produced by the capacitor and the input voltage source, L denotes the value of the inductor, and di / dt denotes the current versus time. The rate of change is shown.
여기서, 인덕터 전류의 기울기는 수학식 5와 같이 표현된다.Here, the slope of the inductor current is expressed as in Equation 5.
수학식 5Equation 5
이때 vin은 입력 전압원의 전압을 나타내고, vdc는 커패시터와 입력 전압원에 의해 만들어지는 출력전압을 나타내고, L은 인덕터의 값을 나타내고, D는 스위치의 도통비(Duty ratio)를 나타내며, Ts는 스위치의 스위칭 주기를 나타낸다.Where vin denotes the voltage of the input voltage source, vdc denotes the output voltage generated by the capacitor and the input voltage source, L denotes the value of the inductor, D denotes the duty ratio of the switch, and Ts denotes the Indicates a switching cycle.
입력 인덕터에 volt-sec 평형조건을 적용시키면, 스위칭 주기와 함께 입력과 출력 전압간의 관계는 수학식 6과 같이 주어진다.
When the volt-sec equilibrium condition is applied to the input inductor, the relationship between the input and output voltages along with the switching period is given by Equation 6.
수학식 6 Equation 6
이때 Vin은 입력 전압원의 전압을 나타내고, Vdc는 커패시터와 입력 전압원에 의해 만들어지는 출력전압을 나타내고, ton은 스위치가 온 상태의 시간을 나타내고, toff는 스위치가 오프 상태의 시간을 나타낸다.
Where Vin represents the voltage of the input voltage source, Vdc represents the output voltage produced by the capacitor and the input voltage source, ton represents the time the switch is on, and toff represents the time the switch is off.
스위치의 스위칭 주기인 T s 를 도입함으로서, 수학식 6을 재배열하면 수학식 7과 수학식 8이 얻어진다.
By introducing the switching period of the switch T s, rearranging the equation (6) is obtained with Equation (7) Equation (8).
수학식 7Equation 7
수학식 8Equation 8
그러므로 전압 변환 비인 M V (D), 즉 본 발명의 컨버터의 입력 대비 출력 전압 비는 수학식 9에 의해 얻게 된다.
Therefore, the voltage conversion ratio M V (D), that is, the input to output voltage ratio of the converter of the present invention is obtained by Equation (9).
수학식 9Equation 9
이때 Vdc는 커패시터와 입력 전압원에 의해 만들어지는 출력전압을 나타내고, Vin은 입력 전압원의 전압을 나타내고, D는 스위치의 도통비(Duty ratio)를 나타낸다. Where Vdc denotes the output voltage generated by the capacitor and the input voltage source, Vin denotes the voltage of the input voltage source, and D denotes the duty ratio of the switch.
수학식 9로부터 제안하는 컨버터의 입출력전압과 도통비와의 관계가 기존의 부스트 컨버터의 입출력 관계와 동일함을 알 수 있다. 그러므로 출력 전압은 항상 입력 전압보다 더 크게 된다. 회로 구조 관점에서 보면, 출력 전압은 항상 입력 전압과 출력 커패시터 전압의 합에 의해 증가하게 된다. 이러한 사실로부터 입력 전압 대비 출력 전압의 승압(boosting) 비율은 출력 커패시터 전압의 승압 비율에 의존함을 알 수 있다. 그래서 수학식 9로부터 수학식 10이 유도된다.
It can be seen from Equation 9 that the relationship between the input-output voltage and the conduction ratio of the proposed converter is the same as that of the conventional boost converter. Therefore, the output voltage is always greater than the input voltage. From a circuit structure point of view, the output voltage is always increased by the sum of the input voltage and the output capacitor voltage. From this fact it can be seen that the boosting ratio of the output voltage to the input voltage depends on the boost ratio of the output capacitor voltage. Thus, equation (10) is derived from equation (9).
수학식 10
이때 vC는 커패시터 양단 전압을 나타내고, Vin은 입력 전압원의 전압을 나타내고, D는 스위치의 도통비(Duty ratio)를 나타낸다. Where vC represents the voltage across the capacitor, Vin represents the voltage of the input voltage source, and D represents the duty ratio of the switch.
수학식 9와 수학식 10을 이용하여 커패시터 전압 대비 출력 전압의 비는 수학식 11과 같이 표현된다.
Using
수학식 11Equation 11
수학식 10과 수학식 11로부터, 전압 변환 비 M VC (D), 즉 입력 전압 대비 출력 커패시터 전압(vC)의 비는 벅-부스트 컨버터의 그것과 동일하고, 출력 전압과 커패시터 전압 간의 전압 관계는 벅 컨버터의 그것과 동일하다.From equations (10) and (11), the voltage conversion ratio M VC (D), that is, the ratio of the output capacitor voltage (vC) to the input voltage is the same as that of the buck-boost converter, and the voltage relationship between the output voltage and the capacitor voltage is Same as that of a buck converter.
<출력 커패시터의 동작 전압>본 발명의 컨버터는 입력과 출력 전압의 관계에 있어서 기존의 부스트 컨버터와 동일한 특성을 가진다. 그러나 기존의 부스트 컨버터의 출력 커패시터는 본 발명의 컨버터의 동작 전압보다 높은 동작 전압을 가진다. 커패시터에 있어서 동작 전압의 차이를 알기 위해 이하에서 양 컨버터가 스위치 온 상태에서 비교된다.<Operating Voltage of Output Capacitor> The converter of the present invention has the same characteristics as the conventional boost converter in the relationship between the input and the output voltage. However, the output capacitor of the conventional boost converter has an operating voltage higher than that of the converter of the present invention. Both converters are compared in the switched on state below to see the difference in operating voltage in the capacitor.
도 5는 스위치 온 상태에서 종래의 부스트 컨버터의 동작을 나타낸 도면이다. 이 상태에서 입력 인덕터는 충전되고, 출력 커패시터는 방전된다. 출력 커패시터에서 에너지는 출력단의 부하(load)를 떠받치게 된다. 그러므로 출력 전압 V dc 는 수학식 12에서 주어진 바와 같이 출력 커패시터의 동작전압 V c 과 동일하다.5 is a diagram illustrating the operation of a conventional boost converter in a switched on state. In this state, the input inductor is charged and the output capacitor is discharged. In the output capacitor, the energy holds up the load at the output. Therefore, the output voltage V dc is equal to the operating voltage V c of the output capacitor as given by Equation 12.
수학식 12Equation 12
그러나 본 발명의 컨버터의 출력 전압 V dc 은 동작전압 V c 와 동일하지 않다. 출력 전압은 출력 커패시터를 가로지르는 전압과 입력 배터리 전압의 합이 된다. 그래서 수학식 13과 같은 관계가 성립한다.
However, the output voltage V dc of the converter of the present invention is not equal to the operating voltage V c . The output voltage is the sum of the voltage across the output capacitor and the input battery voltage. Thus, the relationship as shown in equation (13) holds.
수학식 13Equation 13
상기의 수학식들로부터 출력 커패시터의 동작 전압은 입력 배터리 전압의 증가에 의해 비율적으로 감소될 수 있다.
From the above equations, the operating voltage of the output capacitor can be proportionally reduced by increasing the input battery voltage.
본 발명의 컨버터의 타당성 검증을 위해서 PSpice 기반의 시뮬레이션 결과를 제시한다. 본 발명의 컨버터와 백-엔드 풀-브리지 인버터를 구성한다. 백-엔드 풀-브리지 인버터는 바이폴라 스위칭 방법을 사용하여 PWM 스위칭 패턴에 의해 제어된다. 모든 스위치 콤포넌트의 스위칭 주파수는 10 [kHz]에 설정된다. 다른 시뮬레이션 파라미터는 표 1과 같다.
PSpice-based simulation results are presented for validating the converter. The converter and back-end full-bridge inverter of the present invention are constructed. The back-end full-bridge inverter is controlled by a PWM switching pattern using a bipolar switching method. The switching frequency of all switch components is set to 10 [kHz]. The other simulation parameters are shown in Table 1.
도 6은 종래의 부스트 컨버터의 입력 스위치를 가로지르는 전압, 인덕터 전류, 인덕터 전압, 다이오드 전류 및 커패시터 전류를 순차적으로 나타낸 도면이다. 도 7은 본 발명에 따른 컨버터의 입력 스위치를 가로지르는 전압, 인덕터 전류, 인덕터 전압, 다이오드 전류 및 커패시터 전류를 순차적으로 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a diagram sequentially illustrating a voltage, an inductor current, an inductor voltage, a diode current, and a capacitor current across an input switch of a conventional boost converter. 7 is a view sequentially showing the voltage across the input switch of the converter, inductor current, inductor voltage, diode current and capacitor current.
도 6과 도 7로부터, 본 발명의 컨버터의 파형의 형태가 정확히 종래의 부스트 컨버터의 그것과 동일함을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 컨버터는 종래의 부스트 컨버터와 동일한 특성을 가진다. 성능에 있어서 차이는 출력 생성을 위한 회로 구조에 있다.6 and 7, it can be seen that the shape of the waveform of the converter of the present invention is exactly the same as that of the conventional boost converter. That is, the converter of the present invention has the same characteristics as the conventional boost converter. The difference in performance lies in the circuit structure for generating the output.
본 발명의 컨버터의 출력 전압은 입력 배터리 전압과 출력 커패시터의 전압의 합에 의해 합성되기 때문에 출력 커패시터를 가로지르는 전압은 감소하게 된다. Since the output voltage of the converter of the present invention is synthesized by the sum of the input battery voltage and the voltage of the output capacitor, the voltage across the output capacitor is reduced.
도 8은 본 발명에 따른 컨버터와 종래의 부스트 컨버터에서 커패시터 동작 전압을 비교한 도면이다. 도 8에서, 입력 스위치의 도통비가 0.5로 설정될 때, 양 컨버터의 출력 커패시터 전압이 비교된다.8 is a view comparing the capacitor operating voltage in the converter according to the present invention and the conventional boost converter. In Fig. 8, when the conduction ratio of the input switch is set to 0.5, the output capacitor voltages of both converters are compared.
만일 종래의 부스트 컨버터가 스위치의 도통비를 증가시키면, 커패시터의 동작 전압에서 차이가 증가하게 되는데, 종래의 부스트 컨버터의 출력 커패시터는 출력 전압V dc 를 가지기 때문이다. 그러므로 본 발명의 컨버터의 커패시터 동작 전압은 항상 종래의 부스트 컨버터의 그것보다 낮게 된다.If the conventional boost converter increases the conduction ratio of the switch, the difference in the operating voltage of the capacitor increases, since the output capacitor of the conventional boost converter has an output voltage V dc . Therefore, the capacitor operating voltage of the converter of the present invention will always be lower than that of a conventional boost converter.
도 9는 종래의 부스트 컨버터와 결합된 백-엔드 풀-브리지 인버터의 출력 전압을 나타낸 도면이다. 도 10은 본 발명의 컨버터와 결합된 백-엔드 풀-브리지 인버터의 출력 전압을 나타낸 도면이다.9 is a diagram illustrating an output voltage of a back-end full bridge inverter coupled with a conventional boost converter. 10 is a diagram showing the output voltage of the back-end full-bridge inverter coupled to the converter of the present invention.
도 9와 도 10으로부터 양 컨버터는 동일한 동작 특성을 가짐을 알 수 있다.
It can be seen from FIG. 9 and FIG. 10 that both converters have the same operating characteristics.
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 : 스텝-업 컨버터 10 : 입력 전압원
20 : 입력 스위치 30 : 출력 커패시터
40 : 인덕터 50 : 다이오드
200 : 풀-브리지 인버터 100: step-up converter 10: input voltage source
20: input switch 30: output capacitor
40: inductor 50: diode
200: full-bridge inverter
Claims (5)
상기 컨버터 장치는 배터리 뱅크, 출력 커패시터, 입력 스위치, 인덕턴스, 다이오드를 포함하며,
입력 전압원에는 배터리가 병렬로 연결된 배터리 뱅크가 구성되고, 입력 전압원의 양극 단자와 직렬로 출력 커패시터가 연결되고, 입력전압원의 양극단자에 또한 인덕터의 양극단자가 연결되며,
출력 커패시터와 인덕터의 음극단자 간에 다이오드가 연결되고, 인덕터의 음극단자와 입력전압원의 음극단자 간에 입력 스위치가 연결되며,
상기 입력 스위치는 제어를 위해 연결되는 제어부의 제어신호를 통해 동작되어 전원을 스위칭하며,
상기 출력 커패시터와 입력 전압원 간에 형성되는 출력단을 통해 전원이 컨버팅되어 풀-브리지 인버터로 출력되는 것을 특징으로 하는 컨버터 장치.
A converter device for supplying a voltage source at a front end of a full-bridge inverter of an electric vehicle,
The converter device comprises a battery bank, an output capacitor, an input switch, an inductance, a diode,
The input voltage source comprises a battery bank in which the batteries are connected in parallel, the output capacitor is connected in series with the positive terminal of the input voltage source, the positive terminal of the inductor is also connected to the positive terminal of the input voltage source,
A diode is connected between the output capacitor and the negative terminal of the inductor, and an input switch is connected between the negative terminal of the inductor and the negative terminal of the input voltage source.
The input switch is operated through a control signal of a control unit connected for control to switch the power,
Converter is characterized in that the power is converted through the output stage formed between the output capacitor and the input voltage source and output to the full-bridge inverter.
상기 풀-브리지 인버터의 일단은 컨버터의 출력 커패시터의 일단과 연결되고, 풀-브리지 인버터의 타단은 컨버터의 입력 전압원의 음극단자와 연결되며,
상기 풀-브리지 인버터는 4개의 스위치를 포함하여 구성되는데, 직렬로 연결되어 상기 컨버터의 전원을 스위칭하는 Q1,Q2 스위치와, Q1,Q2 스위치의 양단에 병렬로 연결되는 Q3,Q4 스위치로 구성되며,
상기 Q1,Q2,Q3,Q4 스위치는 제어를 위해 연결되는 제어부의 제어신호를 통해 풀-브리지 인버터의 Q1,Q2 스위치 간과 Q3,Q4 간에 전원이 인버팅되어 출력되는 것을 특징으로 하는 컨버터 장치.
The method of claim 1,
One end of the full-bridge inverter is connected to one end of the output capacitor of the converter, and the other end of the full-bridge inverter is connected to the negative terminal of the input voltage source of the converter,
The full-bridge inverter includes four switches. The full-bridge inverter includes Q1 and Q2 switches connected in series to switch power of the converter, and Q3 and Q4 switches connected in parallel to both ends of the Q1 and Q2 switches. ,
And the Q1, Q2, Q3, and Q4 switches are inverted and output between the Q1 and Q2 switches of the full-bridge inverter and Q3 and Q4 through a control signal of a controller connected for control.
입력 스위치가 턴-온 상태가 되면, 인덕터 전류가 증가하고, 출력 커패시터는 출력단 부하에 에너지를 공급하기 위해 방전하게 되며,
입력 스위치가 오프 상태가 되면, 인덕터 전류가 감소하고, 출력 커패시터는 커패시터에 충전하게 되는 것을 특징으로 하는 컨버터 장치.
The method of claim 1,
When the input switch is turned on, the inductor current increases, and the output capacitor discharges to energize the output stage load.
And when the input switch is turned off, the inductor current decreases and the output capacitor charges the capacitor.
입력 전압 대비 출력 커패시터 전압의 비는 벅-부스트 컨버터의 전압의 비와 동일하고, 출력 전압과 커패시터 전압 간의 전압 관계는 벅 컨버터의 전압 관계와 동일하게 되는 것을 특징으로 하는 컨버터 장치.
The method of claim 1,
And the ratio of the output capacitor voltage to the input voltage is equal to the ratio of the voltage of the buck-boost converter, and the voltage relationship between the output voltage and the capacitor voltage is equal to the voltage relationship of the buck converter.
상기 컨버터의 출력 전압은 출력 커패시터를 가로지르는 전압과 입력 배터리 전압의 합이 되며, 상기 출력 커패시터와 입력 전압원 간에 형성되는 출력단을 통해 전원이 컨버팅되어 풀-브리지 인버터로 출력되는 것을 특징으로 하는 컨버터 장치. The method of claim 1,
The output voltage of the converter is the sum of the voltage across the output capacitor and the input battery voltage, converter is characterized in that the power is converted through the output terminal formed between the output capacitor and the input voltage source is output to the full-bridge inverter .
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