KR101303165B1 - Resonant converter, energy storage apparatus having the converter, and method for converting power of the same - Google Patents

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Abstract

공진 컨버터와 이를 포함한 에너지 저장 장치, 및 전원 변환 방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예들은 스위칭 소자에 대한 입력 신호를 조절함으로써 스위칭 소자의 기생 커패시턴스에 의해 발생하는 스위칭 손실을 저감하고, 컨버터의 효율을 증대하며, 에너지 저장 능력을 제고한다. 본 발명의 실시 예들은 스위칭 소자에 대한 변조 신호의 위상을 달리함으로써 스위칭 소자의 출력 전압 및 출력 전류의 영 전압 시점과 영 전류 시점이 일치하도록 하고, 영 전류 스위칭 시점과 영 전압 스위칭 시점이 어긋나서 생기는 스위칭 손실을 저감한다.A resonant converter, an energy storage device including the same, and a power conversion method are disclosed. Embodiments of the present invention reduce the switching loss caused by the parasitic capacitance of the switching element, increase the efficiency of the converter, and improve the energy storage capability by adjusting the input signal to the switching element. Embodiments of the present invention, by varying the phase of the modulation signal for the switching element so that the zero voltage point and zero current point of the output voltage and output current of the switching element coincides, the zero current switching point and zero voltage switching point is shifted Reduces switching losses that occur.

Description

공진 컨버터와 이를 포함한 에너지 저장 장치, 및 전원 변환 방법{RESONANT CONVERTER, ENERGY STORAGE APPARATUS HAVING THE CONVERTER, AND METHOD FOR CONVERTING POWER OF THE SAME}Resonant converter, energy storage device including the same, and power conversion method {RESONANT CONVERTER, ENERGY STORAGE APPARATUS HAVING THE CONVERTER, AND METHOD FOR CONVERTING POWER OF THE SAME}

본 발명은 스위칭 소자의 기생 커패시턴스에 의한 스위칭 손실을 저감한 공진 컨버터와 이를 포함한 에너지 저장 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a resonant converter having reduced switching loss due to parasitic capacitance of a switching element and an energy storage device including the same.

에너지 저장 시스템(Energy Storage System) 또는 에너지 저장 장치는, 배터리(Battery)를 이용하여 전력을 저장하고 부하에 전력을 공급한다. 배터리로는 Li-Ion 배터리를 주로 사용하고, 일반적으로 정전류/정전압 충전 방식을 이용하여 충전한다. 정전류/정전압 충전 방식이라 함은, 정전류 동작 구간에서 일정 전류를 설정하여 충전을 시작하고, 배터리의 충전에 따라 배터리의 전압이 상승하여 상승한 전압이 배터리에서 설정한 일정 포화 전압에 이를 경우 정전류 동작을 멈추며, 배터리의 전압을 제어하는 정전압 충전 방식으로 변경하는 방식을 말한다.An energy storage system or an energy storage device stores a power using a battery and supplies power to a load. Li-Ion batteries are mainly used as batteries, and are generally charged using a constant current / constant voltage charging method. The constant current / constant voltage charging method starts charging by setting a constant current in a constant current operation section, and when the voltage of the battery increases due to the charging of the battery to reach the constant saturated voltage set by the battery, constant current operation is performed. It is a method of changing to a constant voltage charging method of controlling a voltage of a battery.

에너지 저장 장치는 전력 변환 장치를 구비하고, 전력 변환 장치는 다수의 전력용 반도체 소자들을 포함한다. 최근 전력용 반도체 소자들의 발달로 고주파 스위칭 제어를 할 수 있게 되었다. 이런 소자들은 대전력 고속 스위칭 구동을 위해 스위칭을 고주파화할 경우, 스위칭 소자의 턴온/턴오프에 따른 스위칭 소자의 전압과 전류 스트레스가 증가한다. 스위칭에 의한 EMI(Electro Magnetic Interference) 노이즈 스트레스를 줄이기 위해 최근에는 공진특성을 이용한 소프트 스위칭 기법인 영 전압 스위칭(Zero Voltage Switching; ZVS), 영 전류 스위칭(Zero Current Switching; ZCS)을 이용하기도 한다. 이러한 스위칭 기술은 고속 스위칭의 실현이 가능하고, 전력변환장치의 소형화하고 경량화하며, 효율을 증대시킨다.The energy storage device includes a power conversion device, and the power conversion device includes a plurality of power semiconductor elements. Recent developments in power semiconductor devices have enabled high frequency switching control. These devices increase the voltage and current stress of the switching device due to the switching on and off of the switching device when high frequency switching for high power high-speed switching driving. Electromagnetic Interference (EMI) due to switching Recently, a soft switching technique using resonance characteristics, Zero Voltage Switching (ZVS) and Zero Current Switching (ZCS), has been used. Such a switching technique can realize high speed switching, reduce the size and weight of the power converter, and increase efficiency.

공진 컨버터는 일반적으로 변압기와 인덕터, 커패시터 소자를 공진 설계하고, 영 전압 스위칭 또는 영 전류 스위칭으로 동작시켜 소프트 스위칭을 구현한다. 스위칭 소자의 온-오프(On-Off) 과도 구간에서 전압과 전류가 동시에 존재하는 구간을 제거하여 스위칭 손실을 최소화하는 연구가 진행되고 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 스위칭 소자, 예를 들어 모스펫(MOSFET)의 경우, 게이트(Gate), 드레인(Drain), 소스(Source) 각 단자에는 내부적으로 기생 커패시턴스(Cgd, Cds, Cgs)가 존재한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 내부의 커패시턴스 성분 때문에 스위칭 소자가 동작할 때, 온-오프 또는 오프-온 전환 구간에서 드레인-소스(Vds) 전압의 천이가 늦어진다. 즉, 드레인-소스 전압이 즉각적으로 변화하지 않고 경사가 완만하게 변한다. 따라서, 이러한 특성 때문에 공진 동작을 한다고 하더라도, 공진 컨버터는 드레인-소스 전압과 드레인 전류가 겹치는 구간(B)이 발생하여 스위칭 손실을 갖게 된다. 도 1에서, A는 스위칭 소자의 기생 커패시턴스 성분에 의한 Vds 천이 구간, B는 확장된 Vds 천이 구단 때문에 영 전류 스위칭 시점과 영 전압 스위칭 시점이 어긋나서 생기는 스위칭 손실 구간이다.Resonant converters generally design resonant transformers, inductors and capacitors, and operate by zero voltage switching or zero current switching to achieve soft switching. In the on-off transient section of the switching device, a study for minimizing the switching loss by removing the section where the voltage and the current exist at the same time is being conducted. As shown in FIG. 2, in the case of a switching device, for example, a MOSFET, parasitic capacitances Cgd, Cds, and Cgs are internally provided at each gate, drain, and source terminals. exist. As shown in Fig. 1, when the switching element operates due to the internal capacitance component, the transition of the drain-source (Vds) voltage is delayed in the on-off or off-on switching period. That is, the drain-source voltage does not change immediately and the slope changes smoothly. Therefore, even if the resonance operation is performed due to this characteristic, the resonance converter generates a switching loss due to a region B where the drain-source voltage and the drain current overlap. In FIG. 1, A is a Vds transition section due to parasitic capacitance components of the switching element, and B is a switching loss section caused by a shift between the zero current switching point and the zero voltage switching point due to the expanded Vds transition stage.

본 발명의 실시 예들은 스위칭 소자의 기생 커패시턴스에 의해 발생하는 스위칭 손실을 저감하는 공진 컨버터 및 이를 포함한 에너지 저장 장치를 제공하는 데에 일 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a resonant converter for reducing switching loss caused by parasitic capacitance of a switching element and an energy storage device including the same.

본 발명의 실시 예들은 스위칭 소자의 출력 전압 및 출력 전류의 영 전압 시점과 영 전류 시점이 일치하도록 하는 공진 컨버터 및 이를 포함한 에너지 저장 장치를 제공하는 데에 다른 목적이 있다.Embodiments of the present invention have another object to provide a resonant converter and an energy storage device including the same so that the zero voltage point and the zero current point of time of the output voltage and the output current of the switching element coincide.

일 실시 예에 따른 공진 컨버터는, 입력 신호에 따라 구동되는 복수의 스위칭 소자들을 구비하고, 입력 전원을 공급하는 입력부와, 상기 입력 전원을 충전 전원으로 변환하는 변압부와, 상기 충전 전원을 외부 장치에 출력하는 출력부와, 상기 입력 신호를 발생하여 상기 복수의 스위칭 소자들을 구동하는 제어부를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 제어부는, 상기 복수의 스위칭 소자들의 출력 전압 및 출력 전류의 영 전압 시점과 영 전류 시점이 일치하도록 하는 상기 입력 신호를 생성한다. 또, 상기 제어부는, 상기 복수의 스위칭 소자들 내부의 기생 커패시턴스에 따른 상기 출력 전압의 위상을 빠르게 하는 상기 입력 신호를 생성한다.The resonant converter according to an embodiment includes a plurality of switching elements driven according to an input signal, an input unit for supplying input power, a transformer for converting the input power to charging power, and the charging power supply to an external device. And an output unit for outputting the control unit to generate the input signal and to drive the plurality of switching elements. Here, the controller generates the input signal such that the zero voltage time point and the zero current time point of the output voltage and the output current of the plurality of switching elements coincide. In addition, the controller generates the input signal for accelerating the phase of the output voltage according to the parasitic capacitance inside the plurality of switching elements.

일 실시 예에 따른 에너지 저장 장치는, 입력 전원을 공급하는 입력 전원 유닛과, 배터리를 구비하고, 에너지를 저장하는 에너지 저장 유닛과, 입력 신호에 따라 구동되는 복수의 스위칭 소자들을 구비하고, 상기 입력 전원을 충전 전원으로 변환하여 상기 배터리에 출력하는 컨버터와, 상기 복수의 스위칭 소자들의 출력 전압을 검출하는 출력 전압 검출 유닛과, 상기 복수의 스위칭 소자들의 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출 유닛을 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 컨버터는, 상기 출력 전압 및 출력 전류의 영 전압 시점 및 영 전류 시점이 일치되도록 그 주기가 가변되는 상기 입력 신호를 가진다.An energy storage device according to an embodiment may include an input power supply unit supplying input power, an energy storage unit including a battery, and storing energy, and a plurality of switching elements driven according to an input signal. A converter converting power into charging power and outputting the power to the battery, an output voltage detecting unit detecting an output voltage of the plurality of switching elements, and an output current detecting unit detecting an output current of the plurality of switching elements. It is composed. Here, the converter has the input signal whose period is varied so that the zero voltage point and zero current point of time of the output voltage and output current coincide.

일 실시 예에 따른 에너지 저장 장치의 전원 변환 방법은, 복수의 스위칭 소자들을 구비한 컨버터를 이용하여 배터리에 에너지를 저장하는 에너지 저장 장치에 있어서, 상기 복수의 스위칭 소자들의 출력 전압 및 출력 전류를 검출하는 단계와, 상기 출력 전압 및 출력 전류의 영 전압 시점 및 영 전류 시점을 검출하는 단계와, 상기 영 전류 시점 및 영 전압 시점의 차이에 따른 보상 시간을 연산하는 단계와, 상기 보상 시간을 이용하여 상기 복수의 스위칭 소자들에 대한 입력 신호를 생성하는 단계를 포함하여 구성된다.In one embodiment, a power conversion method of an energy storage device includes: an energy storage device for storing energy in a battery using a converter including a plurality of switching elements, the output voltage and output current of the plurality of switching elements being detected; And detecting a zero voltage point and a zero current point of time of the output voltage and the output current, calculating a compensation time according to a difference between the zero current point and the zero voltage point, and using the compensation time. Generating an input signal for the plurality of switching elements.

본 발명의 실시 예들은 스위칭 소자에 대한 입력 신호를 조절함으로써 스위칭 소자의 기생 커패시턴스에 의해 발생하는 스위칭 손실을 저감하고, 컨버터의 효율을 증대하며, 에너지 저장 능력을 제고한다.Embodiments of the present invention reduce the switching loss caused by the parasitic capacitance of the switching element, increase the efficiency of the converter, and improve the energy storage capability by adjusting the input signal to the switching element.

본 발명의 실시 예들은 스위칭 소자에 대한 변조 신호의 위상을 달리함으로써 스위칭 소자의 출력 전압 및 출력 전류의 영 전압 시점과 영 전류 시점이 일치하도록 하고, 영 전류 스위칭 시점과 영 전압 스위칭 시점이 어긋나서 생기는 스위칭 손실을 저감한다.Embodiments of the present invention, by varying the phase of the modulation signal for the switching element so that the zero voltage point and zero current point of the output voltage and output current of the switching element coincides, the zero current switching point and zero voltage switching point is shifted Reduces switching losses that occur.

도 1은 일반적인 공진 컨버터에 있어서 출력 전압 및 출력 전류를 보인 그래프;
도 2는 도 1의 공진 컨버터의 스위칭 소자 내부의 기생 커패시턴스를 설명하기 위한 도;
도 3은 일 실시 예에 따른 에너지 저장 장치를 개략적으로 보인 블록도;
도 4는 일 실시 예에 따른 공진 컨버터를 보인 회로도;
도 5는 도 3 또는 도 4에 있어서, 출력 전압 및 출력 전류의 영 전압 시점 및 영 전류 시점을 일치시키는 동작을 설명하기 위한 그래프;
도 6 및 도 7은 실시 예들에 따른 계통 연계형 에너지 저장 장치를 개략적으로 보인 도들; 및
도 8은 일 실시 예에 따른 에너지 저장 장치의 전원 변환 방법을 개략적으로 보인 흐름도이다.1 is a graph showing an output voltage and an output current in a general resonant converter;
FIG. 2 is a diagram for describing parasitic capacitance inside a switching element of the resonant converter of FIG. 1; FIG.
3 is a schematic block diagram of an energy storage device according to an embodiment;
4 is a circuit diagram illustrating a resonant converter according to an embodiment;
FIG. 5 is a graph for explaining an operation of matching the zero voltage time point and the zero current time point of the output voltage and the output current in FIG. 3 or FIG. 4;
6 and 7 are schematic views illustrating a system-associated energy storage device according to embodiments. And
8 is a flowchart schematically illustrating a power conversion method of an energy storage device according to an exemplary embodiment.

도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 에너지 저장 장치는, 입력 전원을 공급하는 입력 전원 유닛(10)과, 배터리를 구비하고, 에너지를 저장하는 에너지 저장 유닛(30)과, 입력 신호에 따라 구동되는 복수의 스위칭 소자들을 구비하고, 상기 입력 전원을 충전 전원으로 변환하여 상기 배터리에 출력하는 컨버터(공진 컨버터)(20)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 컨버터(20)는, 상기 출력 전압 및 출력 전류의 영 전압 시점 및 영 전류 시점이 일치되도록 그 주기가 가변되는 상기 입력 신호를 가진다.Referring to FIG. 3, an energy storage device according to an embodiment may include an input power unit 10 for supplying input power, an energy storage unit 30 including a battery, and storing energy, according to an input signal. It includes a plurality of switching elements that are driven, and comprises a converter (resonant converter) 20 for converting the input power to a charging power and output to the battery. Here, the converter 20 has the input signal whose period is varied so that the zero voltage time point and the zero current time point of the output voltage and the output current coincide.

상기 스위칭 소자는 IGBT 등의 트랜지스터이다. 특히, 상기 복수의 스위칭 소자로, 도 4에 도시한 바와 같이, 직렬 연결된 두 개의 모스펫(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)을 주로 사용한다. 이때, 출력 전압은 드레인-소스 전압(Vds)이며, 출력 전류는 드레인 전류(Id)이다.The switching element is a transistor such as IGBT. In particular, as the plurality of switching elements, as shown in FIG. 4, two MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors) connected in series are mainly used. At this time, the output voltage is the drain-source voltage Vds, and the output current is the drain current Id.

도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 공진 컨버터(20)는, 입력 신호에 따라 구동되는 복수의 스위칭 소자들을 구비하고, 입력 전원을 공급하는 입력부(100)와, 상기 입력 전원을 충전 전원으로 변환하는 변압부(200)와, 상기 충전 전원을 외부 장치에 출력하는 출력부(300)와, 상기 입력 신호를 발생하여 상기 복수의 스위칭 소자들을 구동하는 제어부(400)를 포함하여 구성된다. 상기 제어부(400)는, 상기 복수의 스위칭 소자들의 출력 전압 및 출력 전류의 영 전압 시점과 영 전류 시점이 일치하도록 하는 상기 입력 신호를 생성한다. 또, 상기 제어부(400)는, 상기 복수의 스위칭 소자들 내부의 기생 커패시턴스에 따른 상기 출력 전압의 위상을 빠르게 하는 상기 입력 신호를 생성한다.Referring to FIG. 4, the resonant converter 20 according to an embodiment includes a plurality of switching elements driven according to an input signal, an input unit 100 for supplying input power, and the input power as a charging power source. A transformer 200 for converting, an output unit 300 for outputting the charging power to an external device, and a control unit 400 for generating the input signal to drive the plurality of switching elements. The controller 400 generates the input signal such that the zero voltage time point and the zero current time point of the output voltage and the output current of the plurality of switching elements coincide with each other. In addition, the controller 400 generates the input signal for accelerating the phase of the output voltage according to the parasitic capacitance inside the plurality of switching elements.

도 4에 도시한 바와 같이, 상기 변압부(200)는, 트랜스포머(Transformer)(210)와, 공진 탱크(Resonant Tank)로 구성된다. 상기 트랜스포머(210)는, 상기 입력부(100)에 연결되는 1차 권선과, 상기 1차 권선에 공급되는 상기 입력 전원에 따라 상기 충전 전원을 유도하는 2차 권선을 구비하고, 상기 입력부 및 출력부(300)를 절연한다. 상기 공진 탱크(220)는, 수동 소자들로 구성되고, 상기 트랜스포머의 전단에 구비되어 공진을 발생시킨다. 공진 탱크는 일반적으로 인덕터와 커패시터의 조합으로 구성된다. 상기 공진 컨버터는 일반적으로 강압형 컨버터로 동작하는데, 상기 변압부(200)의 변압비에 따라 입력 전압을 승압하여 공급할 수도 있다.As shown in FIG. 4, the transformer 200 includes a transformer 210 and a resonant tank. The transformer 210 has a primary winding connected to the input unit 100 and a secondary winding inducing the charging power according to the input power supplied to the primary winding, and the input unit and the output unit Insulate 300. The resonant tank 220 is composed of passive elements and is provided at the front end of the transformer to generate resonance. Resonant tanks generally consist of a combination of inductors and capacitors. The resonant converter generally operates as a step-down converter, and may boost and supply an input voltage according to the transformer ratio of the transformer unit 200.

입력부(100)는 half bridge 또는 full bridge로 복수의 스위칭 소자들로 구성된다. 도 4에 도시한 바와 같이, 복수의 스위칭 소자들은 두 개의 모스펫(S1, S2)일 수 있다. 상기 입력부(100)는 각 모스펫에 병렬 연결된 프리휠링 다이오드(Freewheeling Diode)들을 더 구비할 수 있다. 입력부(100)는 공진 탱크(220)를 구성하는 인덕터, 커패시터에 연결된다. 제어부(400)는 두 개의 모스펫(S1, S2)의 게이트에 입력 신호를 인가하여 두 개의 모스펫을 교대로 스위칭한다.The input unit 100 is composed of a plurality of switching elements in half bridge or full bridge. As shown in FIG. 4, the plurality of switching elements may be two MOSFETs S1 and S2. The input unit 100 may further include freewheeling diodes connected in parallel to each MOSFET. The input unit 100 is connected to an inductor and a capacitor constituting the resonant tank 220. The controller 400 alternately switches the two MOSFETs by applying an input signal to the gates of the two MOSFETs S1 and S2.

두 개의 모스펫(S1. S2)이 턴-온되어 있는 동안 입력 전원은 변압부(200)의 1차 권선에 가해진다. 모스펫이 턴-오프되면 변압부의 1차 권선에 저장된 에너지는 2차 권선에 연결된 출력부(300) 측 정류 다이오드(D1, D2)를 턴-온시키면서 출력된다. 이 구간 동안 충전 전원이 변압부의 2차 권선에 인가되고, 2차 권선에 흐르는 전류는 선형적으로 영까지 감소하며 변압부의 1차 권선에 저장되었던 에너지는 모두 출력부로 전달된다. 변압부의 2차 권선에 흐르던 전류가 영까지 감소하면 2차 권선에 연결된 정류 다이오드는 턴-오프된다.While the two MOSFETs S1 and S2 are turned on, input power is applied to the primary winding of the transformer 200. When the MOSFET is turned off, the energy stored in the primary winding of the transformer is output while turning on the rectifier diodes D1 and D2 of the output unit 300 connected to the secondary winding. During this period, the charging power is applied to the secondary winding of the transformer, the current flowing in the secondary winding linearly decreases to zero, and all the energy stored in the primary winding of the transformer is transferred to the output. When the current flowing in the secondary winding of the transformer decreases to zero, the rectifier diode connected to the secondary winding is turned off.

여기서, 제어부(400)는, 두 개의 모스펫 각각의 출력 전압 및 출력 전류의 영 전압 시점과 영 전류 시점이 일치하도록 하는 입력 신호, 즉 게이트 신호를 생성한다. 상기 제어부(400)는, 도 2에 도시한 바와 같은 모스펫 내부의 기생 커패시턴스에 따른 드레인-소스 전압(Vds)의 위상을 빠르게 한다. 즉, 상기 제어부(400)는 모스펫들에 인가되는 게이트 신호들의 주기를 변경한다.Herein, the controller 400 generates an input signal, that is, a gate signal, such that the zero voltage time point and the zero current time point of the output voltage and the output current of each of the two MOSFETs coincide with each other. The controller 400 accelerates the phase of the drain-source voltage Vds according to the parasitic capacitance inside the MOSFET as shown in FIG. 2. That is, the controller 400 changes the period of the gate signals applied to the MOSFETs.

예를 들어, 상기 제어부(400)는, 모스펫들의 기생 커패시턴스에 따른 상기 출력 전압의 천이 구간을 산출하고, 상기 출력 전압의 천이 구간에 따른 보상 시간을 결정한다. 이때, 상기 제어부(400)는, 직렬 연결된 두 개의 스위칭 소자들(S1, S2) 사이의 데드 타임(Dead Time), 두 개의 모스펫이 모두 턴-온되지 아니하도록 하는 시간,을 고려하여 보상 시간을 결정한다. 그런 다음, 제어부(400)는 보상 시간만큼 입력 신호를 빠르게 인가함으로써 출력 전압과 출력 전류의 영 전압 시점과 영 전류 시점을 일치시킨다.For example, the controller 400 calculates a transition section of the output voltage according to parasitic capacitances of MOSFETs and determines a compensation time according to the transition section of the output voltage. At this time, the control unit 400, the dead time (Dead Time) between the two switching elements (S1, S2 connected in series), the time that the two MOSFETs are not turned on, the compensation time in consideration of Decide Then, the controller 400 quickly applies the input signal by the compensation time to match the zero voltage time point and the zero current time point of the output voltage and the output current.

도 3을 참조하면, 에너지 저장 장치는, 상기 복수의 스위칭 소자들의 출력 전압을 검출하는 출력 전압 검출 유닛(41)과, 상기 복수의 스위칭 소자들의 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출 유닛(42)을 더 포함하여 구성된다. 이때, 상기 공진 컨버터(20), 제어부(400)는 검출된 출력 전압 및 출력 전류로부터 영 전압 시점과 영 전류 시점을 산출한다. 물론, 상기 에너지 저장 장치는, 도 3에 도시한 바와 같이, 출력 전압의 영 전압 시점을 검출하는 영 전압 검출 유닛(42)과 출력 전류의 영 전류를 검출하는 영 전류 검출 유닛(52)을 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the energy storage device includes an output voltage detection unit 41 that detects output voltages of the plurality of switching elements, and an output current detection unit 42 that detects output currents of the plurality of switching elements. It is configured to include more. At this time, the resonant converter 20 and the control unit 400 calculates a zero voltage point and a zero current point from the detected output voltage and output current. Of course, the energy storage device further includes a zero voltage detection unit 42 for detecting a zero voltage point of the output voltage and a zero current detection unit 52 for detecting a zero current of the output current, as shown in FIG. 3. It may include.

도 6 및 도 7은 계통 연계형 에너지 저장 장치들을 보인 도들이다.6 and 7 illustrate grid-connected energy storage devices.

도 6을 참조하면, 에너지 저장 장치는, 상용 전원(11)으로부터 입력된 교류 전원을 전력 변환 장치를 이용하여 충전 전원으로 변환한 후 에너지 저장 유닛인 배터리(30)에 저장한다. 이 경우, 에너지 저장 장치는, 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 인버터(12)와, 직류 전원을 저장하는 DC Bus(13)와, 직류 전원을 충전 전원으로 변환하는 컨버터(20)를 포함하여 구성된다. 이때, 인버터(12)는 DC Bus(13)에 저장된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 계통에 전달할 수 있도록 양방향으로 구성될 수 있다. 컨버터(20)의 경우도 양방향으로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 6, the energy storage device converts an AC power input from the commercial power supply 11 into a charging power using a power conversion device and stores the converted AC power in the battery 30 which is an energy storage unit. In this case, the energy storage device includes an inverter 12 for converting commercial AC power to DC power, a DC Bus 13 for storing DC power, and a converter 20 for converting DC power to charging power. It is composed. In this case, the inverter 12 may be configured in both directions to convert the DC power stored in the DC Bus 13 to AC power to be transferred to the system. The converter 20 may also be configured bidirectionally.

도 7을 참조하면, 에너지 저장 장치는, 대체 에너지원(14)으로부터 직류 전원을 DC/DC 컨버터(20)를 이용하여 충전 전원으로 변환한 후 에너지 저장 유닛인 배터리(30)에 저장한다. 대체 에너지원(14)으로 풍력, 태양광, 연료전지 등에 관심이 높아지고 있는데, 이들을 이용하는 경우에 있어서, 각각의 독립적이고, 전용의 전력 변환 장치 및 이를 제어하는 장치를 제조 또는 사용한다.Referring to FIG. 7, the energy storage device converts the DC power from the alternative energy source 14 into the charging power by using the DC / DC converter 20 and stores the DC power in the battery 30, which is an energy storage unit. Interest in wind, solar, fuel cells, and the like as the alternative energy source 14, in the case of using them, each independent, dedicated power converter and a device for controlling the same is manufactured or used.

예를 들어, 풍력을 이용하는 경우에는, 발전 장치 내에 교류-직류 변환 장치(AC/DC 컨버터)를 구비하여 직류 전원을 발전하여 공급한다. 또, 풍력의 경우에는, 교류-직류 변환 장치에 직류-교류 변환 장치(DC/AC Converter, 인버터)(12)를 직렬로 연결하여 부하 또는 전력 계통을 연계할 수 있다. 풍력의 경우에는, 풍속과 터빈의 속도에 의하여 발생하는 최대전력을 추종하도록 하는 최대 출력점 추종제어를 사용한다. 한편, 연료전지 또는 태양광을 이용하는 경우에는, 출력 전원이 직류이므로, 곧바로 컨버터(20)에 연결될 수 있다. 연료전지 또는 태양광의 경우에도, 인버터(12)를 통해 부하 또는 전력 계통을 연계할 수 있다. 연료 전지 또는 태양광의 경우에도, 운전조건이나 태양광 일사 조건에 따라 얻을 수 있는 최대전력을 출력하기 위한 제어 알고리즘 및 이를 탑재한 제어장치를 사용한다.For example, in the case of using wind power, an AC-DC converter (AC / DC converter) is provided in the power generator to generate and supply DC power. In the case of wind power, a DC-AC converter (inverter) 12 may be connected in series to the AC-DC converter to link a load or a power system. In the case of wind power, the maximum output point following control is used to follow the maximum power generated by the wind speed and the speed of the turbine. On the other hand, when using a fuel cell or sunlight, since the output power is direct current, it can be directly connected to the converter 20. Even in the case of fuel cells or solar light, the inverter 12 may link the load or the power system. In the case of fuel cells or solar light, a control algorithm for outputting the maximum power that can be obtained under operating conditions or solar radiation conditions and a control device equipped with the same are used.

도 8을 참조하면, 일 실시 예에 따른 에너지 저장 장치의 전원 변환 방법은, 복수의 스위칭 소자들의 출력 전압 및 출력 전류를 검출하는 단계(S10)와, 상기 출력 전압 및 출력 전류의 영 전압 시점 및 영 전류 시점을 검출하는 단계(S20)와, 상기 영 전류 시점 및 영 전압 시점의 차이에 따른 보상 시간을 연산하는 단계(S30)와, 상기 보상 시간을 이용하여 상기 복수의 스위칭 소자들에 대한 입력 신호를 생성하는 단계(S40)를 포함하여 구성된다. 여기서, 에너지 저장 장치는 복수의 스위칭 소자들을 구비한 컨버터를 이용하여 배터리에 에너지를 저장한다. 이하 장치의 구성은 도 3 내지 도 7을 참조한다.Referring to FIG. 8, the method of converting power of an energy storage device according to an embodiment may include detecting output voltages and output currents of a plurality of switching elements, a zero voltage point of time of the output voltages and output currents, and Detecting a zero current point (S20), calculating a compensation time according to the difference between the zero current point and the zero voltage point (S30), and inputting the plurality of switching elements using the compensation time. Generating a signal (S40). Here, the energy storage device stores energy in the battery using a converter having a plurality of switching elements. Hereinafter, the configuration of the apparatus will be described with reference to FIGS. 3 to 7.

상기 스위칭 소자는 IGBT 등의 트랜지스터이다. 특히, 상기 복수의 스위칭 소자로, 도 4에 도시한 바와 같이, 직렬 연결된 두 개의 모스펫(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)을 주로 사용한다. 이때, 출력 전압은 드레인-소스 전압(Vds)이며, 출력 전류는 드레인 전류(Id)이다.The switching element is a transistor such as IGBT. In particular, as the plurality of switching elements, as shown in FIG. 4, two MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors) connected in series are mainly used. At this time, the output voltage is the drain-source voltage Vds, and the output current is the drain current Id.

상기 보상 시간을 연산하는 단계(S30)는, 상기 복수의 스위칭 소자들의 기생 커패시턴스에 따른 상기 출력 전압의 천이 구간을 산출하는 과정과, 상기 출력 전압의 천이 구간에 따라 상기 보상 시간을 결정하는 과정을 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 보상 시간은, 상기 복수의 스위칭 소자들 사이의 데드 타임(Dead Time)을 고려하여 결정된다.The calculating of the compensation time (S30) may include calculating a transition period of the output voltage according to parasitic capacitance of the plurality of switching elements, and determining the compensation time according to the transition period of the output voltage. It is configured to include. Here, the compensation time is determined in consideration of the dead time between the plurality of switching elements.

에너지 저장 장치는, 도 3에 도시한 바와 같이, 두 개의 모스펫들의 출력 전압 및 출력 전류를 검출하는 출력 전압 검출 유닛과 출력 전류 검출 유닛을 포함하여 구성된다. 에너지 저장 장치는 상기 검출 유닛들을 통해 드레인-소스 전압 및 드레인 전류를 검출한다(S10). 또, 에너지 저장 장치는, 출력 전압의 영 전압 시점을 검출하는 영 전압 검출 유닛과 출력 전류의 영 전류를 검출하는 영 전류 검출 유닛을 더 포함할 수 있다. 에너지 저장 장치는 드레인-소스 전압 및 드레인 전류의 영 전압 시점 및 영 전류 시점을 검출한다(S20). 영 전압 시점 및 영 전류 시점의 검출은 컨버터 내의 제어부에서 소프트웨어적으로도 수행할 수 있다.As shown in FIG. 3, the energy storage device includes an output voltage detection unit and an output current detection unit for detecting the output voltage and the output current of the two MOSFETs. The energy storage device detects a drain-source voltage and a drain current through the detection units (S10). The energy storage device may further include a zero voltage detection unit for detecting a zero voltage point in time of the output voltage and a zero current detection unit for detecting a zero current in the output current. The energy storage device detects a zero voltage point and a zero current point of the drain-source voltage and the drain current (S20). The detection of the zero voltage point and the zero current point can also be performed in software at the control unit in the converter.

상기 공진 컨버터는 두 개의 모스펫 각각의 출력 전압 및 출력 전류의 영 전압 시점과 영 전류 시점이 일치하도록 하는 입력 신호, 즉 게이트 신호를 생성한다. 상기 공진 컨버터는, 도 2에 도시한 바와 같은 모스펫 내부의 기생 커패시턴스에 따른 드레인-소스 전압(Vds)의 위상을 빠르게 한다. 즉, 공진 컨버터는 모스펫들에 인가되는 게이트 신호들의 주기를 변경한다.The resonant converter generates an input signal, that is, a gate signal such that the zero voltage time point and the zero current time point of the output voltage and the output current of each of the two MOSFETs coincide with each other. The resonant converter speeds up the phase of the drain-source voltage Vds according to the parasitic capacitance inside the MOSFET as shown in FIG. 2. That is, the resonant converter changes the period of the gate signals applied to the MOSFETs.

예를 들어, 상기 공진 컨버터는, 모스펫들의 기생 커패시턴스에 따른 상기 출력 전압의 천이 구간을 산출하고, 상기 출력 전압의 천이 구간에 따른 보상 시간을 결정한다(S30). 이때, 공진 컨버터는, 직렬 연결된 두 개의 모스펫들 사이의 데드 타임(Dead Time), 두 개의 모스펫들이 모두 턴-온되지 아니하도록 하는 시간,을 고려하여 보상 시간을 결정한다. 그런 다음, 공진 컨버터는 보상 시간만큼 입력 신호를 빠르게 인가함으로써 출력 전압과 출력 전류의 영 전압 시점과 영 전류 시점을 일치시킨다(S40).For example, the resonant converter calculates a transition section of the output voltage according to parasitic capacitances of MOSFETs, and determines a compensation time according to the transition section of the output voltage (S30). In this case, the resonant converter determines the compensation time in consideration of a dead time between two MOSFETs connected in series, a time for not allowing both MOSFETs to be turned on. Then, the resonant converter rapidly applies the input signal by the compensation time to match the zero voltage time point and the zero current time point of the output voltage and the output current (S40).

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 공진 컨버터와 이를 포함한 에너지 저장 장치, 및 전원 변환 방법은, 스위칭 소자에 대한 입력 신호를 조절함으로써 스위칭 소자의 기생 커패시턴스에 의해 발생하는 스위칭 손실을 저감하고, 컨버터의 효율을 증대하며, 에너지 저장 능력을 제고한다. 본 발명의 실시 예들은 스위칭 소자에 대한 변조 신호의 위상을 달리함으로써 스위칭 소자의 출력 전압 및 출력 전류의 영 전압 시점과 영 전류 시점이 일치하도록 하고, 영 전류 스위칭 시점과 영 전압 스위칭 시점이 어긋나서 생기는 스위칭 손실을 저감한다.As described above, the resonant converter, the energy storage device including the same, and the power conversion method according to the embodiments of the present invention reduce the switching loss caused by the parasitic capacitance of the switching element by adjusting the input signal to the switching element. This increases the efficiency of the converter and improves energy storage. Embodiments of the present invention, by varying the phase of the modulation signal for the switching element so that the zero voltage point and zero current point of the output voltage and output current of the switching element coincides, the zero current switching point and zero voltage switching point is shifted Reduces switching losses that occur.

10: 입력 전원 유닛 20: 컨버터
30: 에너지 저장 유닛 41: 출력 전압 검출 유닛
42: 영 전압 검출 유닛 51: 출력 전류 검출 유닛
52: 영 전류 검출 유닛 210: 트랜스포머
220: 공진 탱크10: input power unit 20: converter
30: energy storage unit 41: output voltage detection unit
42: zero voltage detection unit 51: output current detection unit
52: zero current detection unit 210: transformer
220: resonant tank

Claims (15)

입력 신호에 따라 구동되는 복수의 스위칭 소자들을 구비하고, 입력 전원을 공급하는 입력부;
상기 입력 전원을 충전 전원으로 변환하는 변압부;
상기 충전 전원을 외부 장치에 출력하는 출력부; 및
상기 입력 신호를 발생하여 상기 복수의 스위칭 소자들을 구동하는 제어부;를 포함하되,
상기 제어부는, 상기 복수의 스위칭 소자들에 해당하는 기생 커패시턴스에 따른 상기 복수의 스위칭 소자들의 출력 전압의 천이 구간을 산출하고, 상기 출력 전압의 천이 구간을 근거로 보상 시간을 결정하고,
상기 결정된 보상 시간을 근거로 상기 복수의 스위칭 소자들의 출력 전압 및 출력 전류의 영 전압 시점과 영 전류 시점이 일치하도록 하는 상기 입력 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 공진 컨버터.An input unit including a plurality of switching elements driven according to an input signal, and supplying input power;
A transformer for converting the input power into charging power;
An output unit configured to output the charging power to an external device; And
And a controller configured to generate the input signal to drive the plurality of switching elements.
The controller may be configured to calculate a transition period of output voltages of the plurality of switching elements according to parasitic capacitances corresponding to the plurality of switching elements, determine a compensation time based on the transition period of the output voltage,
And generating the input signal such that the zero voltage time point and the zero current time point of the output voltage and the output current of the plurality of switching elements coincide based on the determined compensation time. 제1 항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 복수의 스위칭 소자들 내부의 기생 커패시턴스에 따른 상기 출력 전압의 위상을 빠르게 하는 상기 입력 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 공진 컨버터.The apparatus of claim 1,
And generating the input signal which speeds up the phase of the output voltage according to parasitic capacitance in the plurality of switching elements. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 변압부는,
상기 입력부에 연결되는 1차 권선과, 상기 1차 권선에 공급되는 상기 입력 전원에 따라 상기 충전 전원을 유도하는 2차 권선을 구비하고, 상기 입력부 및 출력부를 절연하는 트랜스포머; 및
수동 소자들로 구성되고, 상기 트랜스포머의 전단에 구비되어 공진을 발생시키는 공진 탱크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 컨버터.The method of claim 1 or 2, wherein the transformer portion,
A transformer having a primary winding connected to the input unit, a secondary winding inducing the charging power according to the input power supplied to the primary winding, and insulating the input unit and the output unit; And
Resonant converter comprising a passive element, the resonance tank provided in the front end of the transformer to generate a resonance. 제1 항에 있어서,
상기 복수의 스위칭 소자들은, 직렬 연결된 두 개의 모스펫이고,
상기 출력 전압은 드레인-소스 전압이며, 상기 출력 전류는 드레인 전류인 것을 특징으로 하는 공진 컨버터.The method according to claim 1,
The plurality of switching elements are two MOSFETs connected in series,
The output voltage is a drain-source voltage, and the output current is a drain current. 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 보상 시간은, 타 스위칭 소자와의 데드 타임을 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 공진 컨버터.The method according to claim 1,
The compensation time is a resonance converter, characterized in that determined in consideration of the dead time with other switching elements. 입력 전원을 공급하는 입력 전원 유닛;
배터리를 구비하고, 에너지를 저장하는 에너지 저장 유닛;
입력 신호에 따라 구동되는 복수의 스위칭 소자들을 구비하고, 상기 입력 전원을 충전 전원으로 변환하여 상기 배터리에 출력하는 컨버터;
상기 복수의 스위칭 소자들의 출력 전압을 검출하는 출력 전압 검출 유닛; 및
상기 복수의 스위칭 소자들의 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출 유닛;을 포함하고,
상기 컨버터는, 상기 복수의 스위칭 소자들에 해당하는 기생 커패시턴스에 따른 상기 출력 전압의 천이 구간을 산출하고, 상기 출력 전압의 천이 구간을 근거로 보상 시간을 결정하고,
상기 결정된 보상 시간을 근거로 상기 출력 전압 및 출력 전류의 영 전압 시점 및 영 전류 시점이 일치되도록 그 주기가 가변되는 상기 입력 신호를 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.An input power unit for supplying input power;
An energy storage unit having a battery and storing energy;
A converter having a plurality of switching elements driven according to an input signal, and converting the input power into charging power and outputting the charging power to the battery;
An output voltage detection unit for detecting output voltages of the plurality of switching elements; And
An output current detection unit for detecting output currents of the plurality of switching elements;
The converter calculates a transition period of the output voltage according to parasitic capacitance corresponding to the plurality of switching elements, and determines a compensation time based on the transition period of the output voltage,
And the input signal whose period is varied such that the zero voltage point and zero current point of the output voltage and output current coincide with each other based on the determined compensation time. 제7 항에 있어서, 상기 컨버터는,
공진 탱크와 트랜스포머를 구비하고, 상기 입력 전원을 상기 충전 전원으로 변환하는 변압부;
상기 복수의 스위칭 소자들을 구비하고, 상기 입력 전원을 상기 변압부에 공급하는 입력부;
상기 충전 전원을 상기 배터리에 출력하는 출력부; 및
상기 출력 전압의 천이 구간을 산출하고, 상기 출력 전압의 천이 구간을 근거로 한 보상 시간을 결정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.The method of claim 7, wherein the converter,
A transformer having a resonant tank and a transformer and converting the input power into the charging power;
An input unit including the plurality of switching elements and supplying the input power to the transformer unit;
An output unit configured to output the charging power to the battery; And
And a controller configured to calculate a transition period of the output voltage and determine a compensation time based on the transition period of the output voltage. 제8 항에 있어서,
상기 복수의 스위칭 소자들은, 직렬 연결된 두 개의 모스펫이고,
상기 출력 전압은 드레인-소스 전압이며, 상기 출력 전류는 드레인 전류인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.The method of claim 8,
The plurality of switching elements are two MOSFETs connected in series,
The output voltage is a drain-source voltage and the output current is a drain current. 제9 항에 있어서,
상기 출력 전압의 상기 영 전압을 검출하는 영 전압 검출 유닛; 및
상기 출력 전류의 상기 영 전류를 검출하는 영 전류 검출 유닛;을 더 포함하는 에너지 저장 장치.10. The method of claim 9,
A zero voltage detection unit for detecting the zero voltage of the output voltage; And
And a zero current detection unit for detecting the zero current of the output current. 제7 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입력 전원 유닛은,
교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 인버터; 및
상기 직류 전원을 저장하는 하나 이상의 직류 링크 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.The method according to any one of claims 7 to 10, wherein the input power supply unit,
An inverter for converting AC power into DC power; And
And at least one direct current link capacitor for storing said direct current power. 제7 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입력 전원 유닛은,
직류 전원을 발전하는 직류 전원 발전 장치와 연결되어 상기 직류 전원을 상기 입력 전원으로 공급하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.The method according to any one of claims 7 to 10, wherein the input power supply unit,
Energy storage device, characterized in that connected to the DC power generator for generating a DC power supply to supply the DC power to the input power. 복수의 스위칭 소자들을 구비한 공진 컨버터를 이용하여 배터리에 에너지를 저장하는 에너지 저장 장치의 전원 변환 방법에 있어서,
상기 복수의 스위칭 소자들의 출력 전압 및 출력 전류를 검출하는 단계;
상기 출력 전압 및 출력 전류의 영 전압 시점 및 영 전류 시점을 검출하는 단계;
상기 영 전류 시점 및 영 전압 시점의 차이에 따른 보상 시간을 연산하는 단계; 및
상기 보상 시간을 이용하여 상기 복수의 스위칭 소자들에 대한 입력 신호를 생성하는 단계;를 포함하되,
상기 보상 시간을 연산하는 단계는,
상기 복수의 스위칭 소자들에 해당하는 기생 커패시턴스에 따른 상기 출력 전압의 천이 구간을 산출하는 과정; 및
상기 출력 전압의 천이 구간을 근거로 상기 보상 시간을 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전원 변환 방법.In the power conversion method of the energy storage device for storing energy in the battery using a resonant converter having a plurality of switching elements,
Detecting an output voltage and an output current of the plurality of switching elements;
Detecting a zero voltage point and a zero current point of time of the output voltage and output current;
Calculating a compensation time according to a difference between the zero current point and the zero voltage point; And
Generating an input signal for the plurality of switching elements using the compensation time;
Computing the compensation time,
Calculating a transition period of the output voltage according to parasitic capacitance corresponding to the plurality of switching elements; And
And determining the compensation time based on the transition period of the output voltage. 삭제delete 제13 항에 있어서,
상기 보상 시간은, 상기 복수의 스위칭 소자들 사이의 데드 타임을 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 전원 변환 방법.The method of claim 13,
The compensation time is a power conversion method of the energy storage device, characterized in that determined in consideration of the dead time between the plurality of switching elements.
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