KR101296796B1 - 출력단 ｙ 결선 구조의 공진형 직류―직류 컨버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 공진형 직류 컨버터의 출력을 병렬로 결합하고, 각 컨버터 변압기 이차측의 고주파 출력단을 다상의 Y 결선 구조로 결합하여, 출력전압의 맥동을 줄이고 용량을 높이며 변압기 이용율을 최대화하며 출력전류의 병렬동작이 손쉽게 이루어지도록 하는 공진형 직류-직류 컨버터에 관한 것이다.

Description

출력단 Ｙ 결선 구조의 공진형 직류―직류 컨버터{Resonant DC-DC Converter of Y-Connection Output}

본 발명은 직류-직류 컨버터에 관한 것으로서, 특히, 복수의 공진형 직류 컨버터의 출력을 병렬로 결합하고, 각 컨버터 변압기 이차측의 고주파 출력단을 다상의 Y 결선 구조로 결합하여, 출력전압의 맥동을 줄이고 용량을 높이며 변압기 이용율을 최대화하며 출력전류의 병렬동작이 손쉽게 이루어지도록 하는 공진형 직류-직류 컨버터에 관한 것이다.

최근, 직류전원장치들은 분산전원 형태로 구성되어 응용되는 사례가 증가하고 있으며 각 전원장치들을 병렬로 접속하고 적층하여 대용량 시스템을 구현하고 있다. 따라서 이를 위한 다양한 컨버터의 병렬 결합 방식과 제어 방법이 제안되고 있다.

기존의 직류 컨버터들의 병렬결합은 주로 각각의 직류 출력을 얻은 뒤에 병렬 접속하는 방식이 많았으며 각 컨버터의 고주파 출력을 다이오드 정류 한 뒤에 이를 병렬로 결합하는 방식을 취하였다. 이러한 방식은 여러 가지 문제점을 가지고 있으며 대표적인 것이 전류 불평형 문제와 출력단 다이오드 손실 문제이다. 즉, 병렬로 동작할 때 컨버터간의 출력전압 오차로 인한 각 컨버터 출력전류의 불평형이 발생하며 이를 줄이기 위해 제어기에 이를 보상하는 알고리즘이 구현되어야 한다. 이를 보상하지 않을 경우는 작은 오차에도 매우 큰 전류 불평형이 나타나는 단점이 있었다. 특히, 이러한 회로에서는 도 1과 같이 각 컨버터 출력을 다이오드 정류함으로써 다이오드 수가 많아지고 이로 인한 도통 손실이 증가하는 단점이 역시 있었다.

다이오드 정류 손실을 줄이기 위해 역시 제안된 회로들이 있으며, 도2와 같이 컨버터 출력단에서 변압기의 이차측을 다상 델타 구조로 결합하여 출력전압을 얻는 방식이 대표적이다. 이러한 방식은 다이오드(D1~D6) 숫자(6개)가, 도 1과 같이 각각을 정류하여 병렬로 접속하는 방식에서의 숫자(12개)보다 획기적으로 줄어들게 되는 장점이 있다. 그러므로 다이오드의 도통 손실 역시 대폭적으로 감소하게 되어 특히, 출력전류가 큰 응용분야에서는 효율면에서 매우 유리하게 된다.

그렇지만 이와 같은 델타 결합 방식의 병렬 결합 회로 역시 중요한 단점이 있으며 델타 방식의 결합회로 내부를 순환하는 전류가 존재하는 점과 변압기 이용율이 최적화 되지 않는 점이 있다. 전자의 문제는 각 변압기 출력전압(a, b, c)이 이상적으로 동일하지 않고 차이가 있는 점 때문에 발생하며 후자는 델타 구조로 인해서 여러 컨버터를 각각 교번적으로 동작시킬 때에 변압기의 이용율이 약 2/3로 감소하는 단점 때문에 발생한다. 이러한 문제를 해소하는 방법으로 각각의 컨버터의 변압기 출력을 모두 직렬로 구성하는 방법이 있으며, 이 방법으로 변압기의 이용율과 순환전류 문제가 없는 장점이 있으나 이차측 변압기 권선의 전류가 커지므로 변압기의 근접효과로 인해 제작상의 어려움이 있고 전체 출력의 맥동율은 각 컨버터의 합으로 나타나게 되어 병렬 결합의 장점이 감소되는 단점이 역시 생기게 된다. 이외에 다상 출력을 통한 컨버터 방식이 역시 제안되어 있으나 위상제어 방식을 이용한 회로만이 있으며 공진형 컨버터를 적용한 사례는 아직 보고되지 않았다.

도 3은 종래의 다상 출력방식의 컨버터 구성 예이며 단일 컨버터를 통해 시스템을 구현한 방식이다. 이 방식은 각 직류 컨버터를 공진형 방식이 아닌 구조로 제시하였고 공진 방식으로 구현하기가 어렵다. 또한, 기존의 방식은 다상 교류 입력에 사용하기 위해 역시 단일단의 정류부를 두고 단일 컨버터를 이용하여 직류-직류 변환해야 하거나 여러 개의 정류부를 병렬로 묶어서 단일 직류전압을 만든 다음에 직류 컨버터로 변환하여야 한다. 정류부를 단일 컨버터로 두면 단상과 3상 등 다상에 대해 장치를 동시에 사용하기에는 적절한 구조가 아니며 정류부를 분리하면 정류기들을 병렬 운전하기 위해 제어가 복잡해지는 단점이 있다.

이와 같이, 종래의 컨버터들에서는 병렬 결합하는 데에서 발생하는 출력측 소자수와 손실 문제 그리고 순환전류 문제 또는 변압기 이용율이나 출력측 맥동 측면에서 약간씩의 단점을 가지고 있으며 최적화된 구성을 위해서 이를 동시에 해결하기 위한 방안이 필요하다. 이것은 여러 대의 컨버터의 출력측을 회로적으로 결합하는 데에서 구성방법에 따라 발생하는 문제이며 출력측의 소자 수를 최소화하면서 이차측에서 각 컨버터 간의 순환전류가 없도록 하고 여러 대가 결합되므로 맥동이 비례해서 감소하도록 결합하는 방법이 필요하다. 또한 공진형 컨버터를 병렬 결합하기 위해서는 현재까지 각각을 정류하여 병렬 결합하는 방법이 주로 사용되었으며 이를 개선하기 위한 다상 결합을 위한 방법이 제안되지 않았다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 입력 다상 구조에 일대일로 대응하여 각 컨버터를 독립적으로 모듈화하여 공진형 방식이 가능하도록 한 병렬 결합된 복수의 공진형 직류 컨버터의 출력측 변압기 이차단을 Y 결선 형태로 결합하여서 변압기 출력측의 이용율이 극대화되고 또한 다상 결합을 통해 출력 측 정류 다이오드가 최소화되도록 하며, 이와 같은 Y 결선 결합을 통해 각 상이 일정한 위상차를 가지면서 동작이 일어나도록 동기화시킬 수 있어서 출력전압의 맥동율을 감소시키고 출력측 필터를 보다 용이하게 설계 가능하도록 한 출력단 Y 결선 구조의 공진형 직류-직류 컨버터를 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른, 직류 컨버터는, 독립적 모듈로 이루어진 복수의 공진형; 직렬 연결된 두개의 다이오드를 갖는 회로 복수개가 병렬 연결된 정류부; 및 상기 복수의 직류-직류 컨버터의 출력단에 각각 연결된 1차측 코일들과, 상기 1차측 코일들에 대응되는 복수의 2차측 코일들을 갖는 변압기를 포함하고, 상기 복수의 2차측 코일들의 각각의 한 단자는 공통 접점에서 연결되어 Y 결선을 이루며, 상기 복수의 2차측 코일들의 각각의 다른 단자는 상기 직렬 연결된 두개의 다이오드의 각 중성점에 하나씩 연결된 것을 특징으로 한다.

상기 정류부의 출력 양단에 연결된 고주파 노이즈 제거용 필터를 더 포함할 수 있다.

상기 복수의 직류-직류 컨버터는 각각 풀브릿지(ful1 bridge) 구조, 하프브릿지(half bridge) 구조, 또는 이를 포함하는 응용회로 구조일 수 있다.

상기 복수의 직류-직류 컨버터에 일대일로 대응된 교류-직류 컨버터들을 더 포함할 수 있다.

상기 교류-직류 컨버터들은 각각 서로 다른 위상을 갖는 교류 입력을 직류로 변환하여 상기 복수의 직류-직류 컨버터에 각각 인가하거나, 상기 교류-직류 컨버터들은 모두 동일 위상을 갖는 교류 입력을 직류로 변환하여 상기 복수의 직류-직류 컨버터에 각각 인가함으로써, 단상 또는 다상의 교류 입력에 선택적으로 동작할 수 있다.

상기 교류-직류 컨버터들은, 단일 모듈로 이루어진 단일 다상 컨버터 형태, 또는 각각이 독립적인 모듈로 이루어진 다수 다상 컨버터 형태일 수 있다.

본 발명에 따른 출력단 Y 결선 구조의 공진형 직류-직류 컨버터에 따르면, 독립적인 모듈의 공진형 방식이 가능한 각 컨버터를 병렬 결합하고, 이와 같이 병렬 결합된 복수의 공진형 직류 컨버터의 출력측 변압기 이차단을 Y 결선 형태로 결합하여서, 변압기 출력측의 이용율이 극대화되고 또한 다상 결합을 통해 출력 측 정류 다이오드의 최소화 등 정류회로의 단순화가 가능하며 제작이 용이하다.

또한, 이와 같은 Y 결선 결합을 통해 각 상이 일정한 위상차를 가지면서 동작이 일어나도록 동기화시킬 수 있어서 출력전압의 맥동율을 감소시키고 용량을 증대시키며 출력측 필터를 보다 용이하게 설계 가능하도록하며여 대용량이 요구되는 전원장치에 적용될 수 있다.

도 1은 기존의 병렬 직류 컨버터의 일례이다.
도 2는 기존의 출력단 델타 결선의 직류 컨버터의 일례이다.
도 3은 기존의 단일 컨버터를 이용한 다상 출력방식의 직류 컨버터의 일례이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 Y 결선 구조의 공진형 직류-직류 컨버터를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 4의 Y 결선 구조의 공진형 직류-직류 컨버터를 다상 교류 입력에 적용한 실시예이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 Y 결선 구조의 공진형 직류-직류 컨버터(100)를 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 공진형 직류-직류 컨버터(100)는, 독립적 모듈로 이루어진 복수의 공진형 직류-직류 컨버터(110), 직렬 연결된 두개의 다이오드를 갖는 회로 복수개가 병렬 연결된 정류부(130), 및 복수의 직류-직류 컨버터(110)의 출력단에 각각 연결된 1차측 코일들과, 상기 1차측 코일들에 대응되는 복수의 2차측 코일들을 갖는 변압기(120)를 포함한다. 이외에도 공진형 직류-직류 컨버터(100)는 정류부(130)의 출력 양단에 연결된 고주파 노이즈 제거용 필터(140)(예, C 또는 LC필터)를 포함할 수 있으며, 정류부(130)의 출력 양단에는 부하가 연결된다.

변압기(120)의 복수의 2차측 코일들의 각각의 한 단자는 공통 접점(N)에서 연결되어 Y 결선을 이루며, 복수의 2차측 코일들의 각각의 다른 단자는 도 4와 같이 정류부(130)의 직렬 연결된 두개의 다이오드(D1과 D4/ D2와 D5/ D3와 D6)의 각 중성점 접점에 하나씩 연결된다.

복수의 직류-직류 컨버터(110) 등은 여기서 3상인 경우를 가정하여, 3개씩 만을 도시하였으나, 더 많은 상에서 동작하는 경우에 더 많은 수를 포함할 수 있다.

복수의 공진형 직류-직류 컨버터(110)는 각각 풀브릿지(ful1 bridge) 구조, 하프브릿지(half bridge) 구조나 또는 이들 중 하나 이상을 포함하는 모든 응용회로 구조일 수 있다. 변압기(120)는 복수의 공진형 직류-직류 컨버터(110)로부터 1차측 코일들에 공급된 공진 전압/전류로부터 복수의 2차측 코일들에 권선비에 따른 적절한 전압/전류를 생성하여 정류부(130)로 출력할 수 있다.

도 4와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 Y 결선 구조의 공진형 직류-직류 컨버터(100)에서, 각각의 변압기(120) 1차측 코일은 각 공진형 직류-직류 컨버터(110)와 연결되어 독립적으로 각각의 공진회로 구조를 형성하며, 변압기(120) 2차측 코일들은 서로 간에 Y 결선으로 결합되는 구조를 이룬다. 복수의 공진형 직류-직류 컨버터(110) 출력측 고주파 변압기(120)의 2차측 코일들의 한쪽 단자는 중성점의 한단자(N)에서 접속되며 각각의 다른 단자는 직렬 연결된 정류 다이오드들(D1과 D4/ D2와 D5/ D3와 D6)의 중성점 접점에 연결된다. 직렬 연결된 정류 다이오드들(D1과 D4/ D2와 D5/ D3와 D6)은 병렬로 접속되고 출력단 정류부(130)를 구성한다.

각 컨버터(110)의 출력 파형은 위상 180도를 기준으로 양의 파형과 음의 파형이 교번적으로 나타나게 되며 컨버터들(110)의 숫자에 비례하는 위상 지연을 가지도록 설계될 수 있다. 즉, 3상인 경우를 위하여 3개의 컨버터들(110)로 구성된 경우에 한 주기를 360도로 볼 때 120도씩 위상차가 있도록 각 3대의 출력파형을 제어하여 컨버터들(110)의 출력전압을 만든다.

이러한 구성과 제어를 통해 많은 장점이 있으며, 먼저, 각 컨버터(110)의 출력에 따른 변압기(120) 2차측 코일들의 전류/전압을 정류부(130)에서 정류하기 위해서는, 양의 출력단자와 음의 출력단자에 연결되는 직렬 연결된 두 개의 다이오드(D1과 D4/ D2와 D5/ D3와 D6)의 중성점으로 연결하는 것만이 필요하므로 다이오드 두 개만이 각 컨버터 마다 필요하게 되어 정류 소자수가 최소화된다. 그리고 출력 파형면에서 각각의 위상 차를 컨버터(110) 수만큼 두면서 출력전압의 맥동전압이 컨버터 수에 비례하여 감소하므로 출력측 필터(140)에 포함되는 커패시터의 정전용량을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

한편, 도 2나 도 3과 같이 기존의 델타 결합 방식으로 각 컨버터 출력을 결합할 때 발생한 순환전류는 이러한 Y 결선 구조에서는 전혀 발생하지 않게 된다. 그리고 각 컨버터(110)의 출력 전압 차가 일부 존재하더라도 Y 결선에 의해 각 출력의 차가 일부 보상되며 차이로 인한 전류차이가 크게 발생하지 않는 효과가 있다.

도 5는 도 4의 Y 결선 구조의 공진형 직류-직류 컨버터(100)를 다상 교류 입력에 적용한 실시예이다.

도 5와 같이, 도 4의 Y 결선 구조의 공진형 직류-직류 컨버터(100)의 복수의 직류-직류 컨버터(110)에 일대일로 대응된 교류-직류 컨버터들(150)를 상의 수만큼 연결하여, 단상 또는 다상의 교류 입력에 선택적으로 대응하여 정류부(130)를 통해 직류를 출력할 수 있다.

교류-직류 컨버터들(150)은 각각 서로 다른 위상을 갖는 교류 입력(예, 120도 위상 차이를 갖는 3상의 Vr, Vs, Vt)을 직류로 변환하여 복수의 직류-직류 컨버터(110)에 각각 인가할 수 있다. 이외에도, 동일 위상의 교류 입력(예, 60Hz 단상)을 병렬로 교류-직류 컨버터들(150)에 동시에 인가함으로써, 교류-직류 컨버터들(150)은 모두 동일 위상을 갖는 교류 입력(예, 60Hz 단상)을 직류로 변환하여 복수의 직류-직류 컨버터(110)에 각각 인가할 수도 있다. 직류-직류 컨버터(100)는 이와 같이 선택적으로 대응하여 단상 또는 다상의 교류 입력 중 어느 입력이라도 대응된 동작이 가능하다.

이와 같은 교류-직류 컨버터들(150)은 다상의 교류-직류 컨버터들을 하나의 모듈로 구성한 형태의 단일 모듈로 이루어진 단일 다상 컨버터 형태일 수도 있고, 또는 각각이 독립적인 모듈로 이루어진 다수 다상 컨버터 형태일 수도 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Y 결선 구조의 공진형 직류-직류 컨버터(100)
복수의 직류-직류 컨버터(110)
변압기(120)
정류부(130)
필터(140)
교류-직류 컨버터들(150)

Claims (5)

1. 독립적 모듈로 이루어진 복수의 공진형 직류-직류 컨버터; 직렬 연결된 두개의 다이오드를 갖는 회로 복수개가 병렬 연결된 정류부; 및 상기 복수의 직류-직류 컨버터의 출력단에 각각 연결된 1차측 코일들과, 상기 1차측 코일들에 대응되는 복수의 2차측 코일들을 갖는 변압기를 포함하고,
   상기 복수의 2차측 코일들의 각각의 한 단자는 공통 접점에서 연결되어 Y 결선을 이루며, 상기 복수의 2차측 코일들의 각각의 다른 단자는 상기 직렬 연결된 두개의 다이오드의 각 중성점 접점에 하나씩 연결된 것을 특징으로 하는 직류 컨버터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 직류-직류 컨버터는 각각 풀브릿지(ful1 bridge) 구조, 하프브릿지(half bridge) 구조, 또는 이를 포함한 응용회로 구조인 것을 특징으로 하는 직류 컨버터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 직류-직류 컨버터에 일대일로 대응된 교류-직류 컨버터들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 컨버터.
4. 제3항에 있어서,
   상기 교류-직류 컨버터들은 각각 서로 다른 위상을 갖는 교류 입력을 직류로 변환하여 상기 복수의 직류-직류 컨버터에 각각 인가하거나,
   상기 교류-직류 컨버터들은 모두 동일 위상을 갖는 교류 입력을 직류로 변환하여 상기 복수의 직류-직류 컨버터에 각각 인가함으로써,
   단상 또는 다상의 교류 입력에 선택적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 직류 컨버터.
5. 제3항에 있어서,
   상기 교류-직류 컨버터들은, 서로 연결되는 단일 모듈로 이루어진 단일 다상 컨버터 형태, 또는 각각이 독립적인 모듈로 이루어진 다수 다상 컨버터 형태인 것을 특징으로 하는 직류 컨버터.
   

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