KR101314903B1 - 양방향 직류-직류 컨버터 - Google Patents

양방향 직류-직류 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고 효율특성을 갖는 양방향 전력수수가 가능한 양방향 직류-직류 컨버터를 공개한다. 본 발명의 양방향 직류-직류 컨버터는 자기결합(Magnetic coupling)을 매개로 하는 공진 변압기의 제1 권선단과 순방향 전력 수수 시에 제1 권선단과 함께 공진하여 제2 권선단에 전류 변화를 유도하는 제1 공진 커패시터를 구비하는 1차측 공진부와, 순방향 전력 수수 시에 제1 직류 전원으로부터 1차측 공진부로 흐르는 전류 경로를 형성하여 1차측 공진부에 제1 공진 전류를 공급하는 1차측 스위칭부, 및 역방향 전력 수수 시에 제1 권선단과 전기적으로 연결되고, 1차측 스위칭부와 함께 제2 권선단의 전류 변화에 응답하여 제1 권선단에 유도된 전류를 제1 공진 커패시터를 우회하여 정류하여 제1 직류 전원을 충전하는 1차측 보조 스위칭 소자부를 구비하는 1차측단, 및 제2 권선단과 제2 공진 커패시터를 구비하는 2차측 공진부와, 역방향 전력 수수 시에 제2 직류 전원으로부터 2차측 공진부로 흐르는 전류 경로를 형성하여 2차측 공진부에 제2 공진 전류를 공급하는 2차측 스위칭부, 및 순방향 전력 수수 시에 제2 권선단과 전기적으로 연결되고, 2차측 스위칭부와 함께 제1 권선단의 전류 변화에 응답하여 제2 권선단에 유도된 전류를 제2 공진 커패시터를 우회하여 정류하여 제2 직류 전원을 충전하는 2차측 보조 스위칭 소자부를 구비하는 2차측단을 포함한다.

Description

양방향 직류-직류 컨버터 {Bidirectional DC/DC Converter}
본 발명은 자기결합(Magnetic coupling)을 매개로한 변압기 적용 양방향 전력수수 가능한 직류-직류 컨버터에 관한 것으로, 특히 저비용으로 넓은 입력전압 제어 범위에서 고 효율 양방향 전력수수 가능한 직류-직류 컨버터에 관한 것이다.
축전지(Battery) 또는 슈퍼커패시터 등과 같은 장치들은 일반적으로 전압 변동의 폭이 크게 나타난다. 따라서 안정적으로 일정한 레벨의 전력제어를 위해서는 직류-직류 컨버터(이하 DC/DC 컨버터)가 이용되고 있다.
특히 양방향 직류-직류 컨버터는 스마트그리드(Smart Grid)에 적용되고 있는 EV(Electri Vehicle) 전원시스템 및 태양광 발전 또는 전력계통에서 얻어진 전력을 2차측 전지(Battery) 또는 슈퍼커패시터 등에 충전하고, 충전된 2차측 전지 또는 슈퍼커패시터 등을 방전하여 전력계통에 연계 또는 독립 운전할 수 있도록 안정적인 전력 공급이 가능한 스마트그리드(Smart Grid) 전력제어시스템 등에 사용되고 있다.
도1 은 양방향 직류-직류컨버터가 적용된 일반적인 태양광 발전 및 전력 계통 연계 전력 제어 시스템의 개요를 나타낸다. 도2 는 무선전력전송(Contactless power transfer 또는 Wireless power transfer)방식을 적용한 Loosely magnetic coupling 방식의 양방향 직류-직류컨버터가 적용된 EV(Electri Vehicle) 전원시스템을 보여주고 있다.
도1 을 참조하면, 태양광 모듈을 이용한 태양광 발전 및 전력 계통 연계 전력 제어 시스템(Power Conditioning System : PCS)(1)은 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 하나 또는 그 이상의 솔라 셀 모듈(SC)과, 솔라 셀(SC)에서 생성된 불안정한 전압을 안정시키기 위한 DC/DC 컨버터(DDC), 하나 또는 그 이상의 2차측 전지(BT) 및 2차측 전지(BT)와 DC/DC 컨버터(DDC)에서 출력되는 태양광 발전 전력 사이에서 2차측 전지(BT)의 충/방전을 관리하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System : BMS)을 구비한다. 태양광 발전 및 전력 계통 연계 전력 제어 시스템(1)은 태양광 발전과 2차측 전지(BT)를 함께 활용하는 전력 시스템에 주로 사용되며, 일예로 도1 및 도2 에 도시된 바와 같이 전기자동차에 사용될 수 있다. 전기 자동차에는 구동 모터(Traction Motor)를 비롯한 다양한 전기 장치(ES)가 사용되며, 이러한 전기 장치가 직류 전원을 사용하는 경우에는 2차측 전지(BT) 또는 태양광 발전으로부터 인가되는 직류 전원을 그대로 이용할 수 있으나, 교류 전원을 사용하는 경우에는 직류-교류 인버터(DC/AC inverter)(DAC)를 추가로 구비하여 직류 전원을 교류 전원으로 변환한다. 직류-교류 인버터(DAC)는 DC/DC 컨버터(DDC) 또는 양방향 DC/DC 컨버터(BDDC)에서 출력되는 직류 전원 전압을 교류 전원 전압으로 변환하여 교류 전원을 사용하는 전기 장치(ES)로 공급하는 계통 연계 전원으로 기능한다.
여기서 배터리 관리 시스템(BMS)은 양방향 전력수수 가능한 양방향 DC/DC 컨버터(Bidirectional DC/DC Converter : BDDC)를 제어하여 DC/DC 컨버터(DDC)에서 출력되는 태양광 전력을 2차측 전지(BT)로 충전하거나 2차측 전지(BT)에 충전된 전력을 직류-교류 인버터(DAC)로 방전하도록 한다. 즉 태양광 발전 및 전력 계통 연계 전력 제어 시스템은 태양광 발전과 2차측 전지가 함께 사용되므로 전원이 2가지 방향에서 공급되며, 배터리 관리 시스템(BMS)은 2가지 전원 각각의 상태에 따라 2차측 전지가 충/방전되도록 양방향 전력수수 가능한 양방향 DC/DC 컨버터(BDDC)를 제어한다.
자기결합(Magnetic coupling)을 매개로한 절연형 고주파 변압기를 적용한 양방향 DC/DC 컨버터(BDDC)는 전압원 컨버터로 이루어진 방식과 전압원 컨버터와 전류원 컨버터가 접목된 방식 등이 개발되어 왔다. 하지만, 기본적으로 이들 전력변환장치들은 하드스위칭(Hard Switching)을 하기 때문에 스위칭손실에 의한 전력변환손실이 큰 단점을 가지고 있다. 이에 최근 사이즈 및 스위칭 손실, EMI(Electro-Magnetic Interference) 저감을 위해 소프트스위칭 LLC 공진컨버터가 접목된 양방향 DC/DC 컨버터가 적용되고 있다.
도3 은 종래의 양방향 DC/DC 컨버터의 일예를 나타낸다.
도3 의 양방향 DC/DC 컨버터는 일종의 LLC 공진컨버터(LLC Resonant Converter)로 구현되며, 영전압스위칭(ZVS : Zero Voltage Switching)과 영전류스위칭(ZCS : Zero Current Switching) 동작이 가능하며 규준화된 공진주파수(fs/fr = fn = 1)를 기준으로 승·강압제어가 가능하므로 주어진 입력전압제어범위 및 부하범위에 대응하여 스위칭주파수 동작 제어를 통해 출력전압제어 및 전력제어를 할 수 있다.
하지만 양방향 전력수수가 가능하도록 하기 위해 도3 의 양방향 DC/DC 컨버터는 LLC 공진컨버터 1차측 및 2차측에 공진커패시터(Cr1, Cr2)를 적용하게 되는데 적용된 1차측 및 2차측 공진커패시터의 커패시턴스 값에 따라 기존 LLC 공진컨버터 이득 특성과는 다른 동작특성을 갖게 된다.
도4 내지 도6 은 도3 의 양방향 DC/DC 컨버터의 공진 특성을 나타낸다.
순방향 전력수수(Forward Power Transfer)의 경우 양방향 전력수수 가능한 LLC 공진컨버터 1차측 및 2차측에 공진커패시터(Cr1, Cr2)가 있고, 적용된 1차측 공진커패시터(Cr1)에 비해 2차측 공진커패시터(Cr2)가 블로킹(블로킹) 커패시터(CB1)처럼 기능하도록 큰 값의 캐패시턴스를 갖는다면, 2차측 공진커패시터(Cr2, CB1)의 전압변동이 크지 않으므로 입력측에서 바라보았을 때 기존 LLC 공진컨버터 이득 특성처럼 도4 와 같이 나타난다.
하지만 2차측 공진커패시터(Cr2)에 1차측 공진커패시터(Cr1)와 동일하거나 작은 공진커패시턴스 값을 적용하였을 경우 2차측 공진커패시터(Cr2)의 전압변동이 커지게 되고, 1차측 공진커패시터(Cr1)와 연동되어 동작되므로, 도5 에 나타낸 바와 같이 CCL 공진특성과 LLC 공진특성이 혼합된 CLLC 이득특성이 나타나게 된다. 따라서 공진주파수보다 낮은 영역 및 중부하시에는 이득기울기가 공진주파수점에서의 이득보다도 적은 값을 갖는 기울기로 기울어져 기존 LLC 공진컨버터 이득특성 때와는 달리 낮은 이득특성에 따라 입력전압변동 및 부하변동에 대응한 이득제어가 어렵고, 하드 스위칭영역에서 동작하게 된다. 이러한 부하변동에 따른 이득기울기가 공진주파수점에서의 이득보다도 큰 값을 갖도록 하는 이득기울기 특성을 갖기 위해서는 적용 변압기의 자화인덕턴스(Lm1)를 매우 줄여서 중부하 조건에서의 이득 특성 기울기를 개선할 필요가 있다. 하지만 매우 저감된 자화인덕턴스에 따라 매우 큰 자화전류(Im1)가 흐르게 되어 스위칭 소자 및 적용 부품 등에 도통손실이 매우 증가하는 문제가 있다.
한편 역방향 전력수수(Reverse Power Transfer)의 경우 도3 에 나타낸 것처럼 양방향 전력수수 가능한 LLC 공진컨버터에 있어서 1차측 공진커패시터(Cr1)에 비해 2차측 공진커패시터(Cr2)가 블로킹 커패시터(CB1)처럼 큰 값의 캐패시턴스를 갖는다면, 이득 특성은 도6 에 나타낸바와 같이 기존 SRC(Series Resonant Converter) 공진컨버터의 이득특성을 갖게 된다. 1차측 스위칭 소자는 턴-오프상태이고 2차측 스위칭 소자의 일정 스위칭주파수에서 듀티(Duty) 제어에 의해 1차측으로 전력전달 할 수 있지만, 스위칭시 하드스위칭에 의해 스위칭손실이 증가하는 단점을 갖는다. 2차측 공진커패시터(Cr2)에 블로킹 커패시터(CB1)와 달리 대신 작은 공진캐패시턴스 값을 적용하였을 경우 2차측 공진커패시터(Cr2)의 전압변동이 커지게 되고, 1차측 공진커패시터(Cr1)와 연동되어 동작되므로 도5 에 나타낸 바와 같이 CCL 공진특성과 LLC 공진특성이 함께 나타나는 CLLC 공진특성이 나타나서 공진주파수(fr)보다 낮은 영역 및 중부하 조건에서 기존 LLC 공진컨버터 이득특성 때와는 달리 낮은 이득특성과 하드스위칭영역에서 주로 동작하게 되어 넓은 입력전압범위에서 전력제어가 어렵게 된다.
도7 은 종래의 양방향 DC/DC 컨버터의 다른 예를 나타낸다.
도7 에 나타낸바와 같이, 최근 위에 서술된 동작특성을 이용하여 양방향 전력수수 가능한 공진컨버터 1차측은 작은 값의 공진커패시터(Cr1)를 적용하고 2차측에는 블로킹 커패시터(CB1)처럼 큰 값이 적용된 경우, 순방향 전력전달에 있어서 기존 LLC 공진컨버터 이득특성을 갖기 때문에 1차측 스위칭 소자((S1, S4), (S2, S3))는 50% 고정된 듀티로 교번하여 가변 스위칭 주파수 제어를 통해 출력전압 및 전력제어를 하도록 구성하고, 2차측 스위칭 소자는 턴-오프상태에 있기 때문에 스위칭 소자의 역병렬 다이오드(또는 Body 다이오드)가 정류다이오드로 동작된다. 역방향 전력전달에 있어서 2차측에 적용된 블로킹 커패시터(CB1)에 의해 2차측에서 1차측으로 바라보았을 때 기존 SRC 공진이득특성처럼 일정 이득 특성을 갖기 때문에 2차측 스위칭 소자((Q1, Q4), (Q2, Q3))는 50% 고정된 듀티로 교번하여 일정주파수로 동작되도록 하고, 후단의 승·강압컨버터(Buck/Boost Converter)에서 승압컨버터 동작에 의해 승압되어 2차측에서 1차측으로 전력전달을 가능하도록 한 양방향 전력수수 가능한 DC/DC 컨버터가 적용되고 있다. 도7 에는 양방향전력수수공진컨버터와 승강압컨버터, PWM(Pulse Width Modulation) 인버터로 구성된 3단 구성의 양방향 전력수수 가능한 배터리 충·방전시스템을 보여준다. 도7 에서 PWM 인버터는 계통 연계 전원으로서, 도1 의 직류-교류 인버터(DAC)에 대응하는 인버터이며, 양방향 DC/DC 컨버터의 1차측 직류 전원 전압(Vin)에서 DC/DC 변환되어 2차측으로 인가되는 직류 전압을 교류로 변환하고, 교류 전원 전압(AC)에서 인가되는 교류 전압을 직류로 변환하여, 양방향 DC/DC 컨버터의 2차측에 인가한다.
도7 의 양방향 DC/DC 컨버터는 도3 의 양방향 DC/DC 컨버터에 비하여 넓은 입력전압범위에서 전력 제어가 가능하지만, 순방향 및 역방향 전력수수 시 양방향 공진컨버터 뿐만 아니라 승·강압컨버터(Buck/Boost Converter)를 적용하기 때문에 전력변환손실 및 단가(Cost)가 증가하는 등 단점을 갖는다.
도8 및 도9 는 각각 종래의 양방향 DC/DC 컨버터의 또 다른 예를 나타낸다.
도8 및 도9 에 도시된 양방향 DC/DC 컨버터는 본 건의 발명자에 의해 출원된 출원번호 10-2011-0111497(2011.10.28 출원)에 개시된 DC/DC 컨버터로서, 도8 은 풀 브릿지(Full-Bridg : 이하 FB) DC/DC 공진 컨버터를 나타내며, 도9 는 하프 브릿지(Half-Bridg : 이하 HB) DC/DC 공진 컨버터를 나타낸다. 도8 및 도9 의 DC/DC 공진 컨버터는 별도의 승·강압컨버터(Buck/Boost Converter)를 적용하지 않고, 양방향보조스위치(SA1, SA2, SA3, SA4)와 블로킹 커패시터(blocking capacitor) (CB1, CB2, CB3, CB4)로 구성된 보조수단을 갖는 양방향 전력수수가 가능한 공진컨버터로 구성되었다.
그러나 도8 과 도9 에 도시된 양방향 DC/DC 컨버터는 모든 주 회로에서 보조스위치 및 블로킹 커패시터를 적용하기 때문에 회로 구성요소가 복잡하고, 공진전류가 보조스위치를 통해 흐르기 때문에 도통손실이 증가하는 단점이 있다.
또한 도9 의 DC/DC 컨버터의 경우, HB 공진컨버터 방식을 적용하였기 때문에 동일 출력용량에 대해 FB 공진컨버터 방식보다 높은 전류정격의 스위칭 소자를 적용해야 함으로 도통 손실증가 및 중·대용량으로 확대적용이 어렵다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 보조스위치와 다이오드로 구성된 보조수단을 구비하고, 순방향 및 역방향 전력전달 시 높은 이득특성을 갖도록 보조 스위치를 제어함으로서, 승·강압컨버터나 블로킹 커패시터를 구비하지 않고, 고 효율특성을 갖는 양방향 전력수수가 가능한 DC/DC 컨버터를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일예에 따른 양방향 DC/DC 컨버터는 자기결합(Magnetic coupling)을 매개로 하는 공진 변압기의 제1 권선단과 순방향 전력 수수 시에 상기 제1 권선단과 함께 공진하여 제2 권선단에 전류 변화를 유도하는 제1 공진 커패시터를 구비하는 1차측 공진부와, 상기 순방향 전력 수수 시에 제1 직류 전원으로부터 상기 1차측 공진부로 흐르는 전류 경로를 형성하여 상기 1차측 공진부에 제1 공진 전류를 공급하는 1차측 스위칭부, 및 역방향 전력 수수 시에 상기 제1 권선단과 전기적으로 연결되고, 상기 1차측 스위칭부와 함께 제2 권선단의 전류 변화에 응답하여 상기 제1 권선단에 유도된 전류를 상기 제1 공진 커패시터를 우회하여 정류하여 상기 제1 직류 전원을 충전하는 1차측 보조 스위칭 소자부를 구비하는 1차측단; 및 상기 제2 권선단과 제2 공진 커패시터를 구비하는 2차측 공진부와, 상기 역방향 전력 수수 시에 제2 직류 전원으로부터 상기 2차측 공진부로 흐르는 전류 경로를 형성하여 상기 2차측 공진부에 제2 공진 전류를 공급하는 2차측 스위칭부, 및 상기 순방향 전력 수수 시에 상기 제2 권선단과 전기적으로 연결되고, 상기 2차측 스위칭부와 함께 제1 권선단의 전류 변화에 응답하여 상기 제2 권선단에 유도된 전류를 상기 제2 공진 커패시터를 우회하여 정류하여 상기 제2 직류 전원을 충전하는 2차측 보조 스위칭 소자부를 구비하는 2차측단; 을 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 1차측 스위칭부는 상기 제1 직류 전원과 병렬로 연결되고, 1차측 제1 노드와 1차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제1 및 제2 스위칭 소자를 구비하는 1차측 제1 스위칭 소자부; 및 상기 1차측 제1 스위칭 소자부와 병렬로 연결되고, 상기 1차측 제1 노드와 1차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제3 및 제4 스위칭 소자를 구비하는 1차측 제2 스위칭 소자부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 제1 내지 제4 스위칭 소자는 상기 순방향 전력 수수 시에 각각의 게이트에 대응하여 인가되는 스위칭신호의 전압 레벨에 응답하여 상기 제1 및 제4 스위칭 소자와 상기 제2 및 제3 스위칭 소자가 교대로 온/오프되고, 상기 역방향 전력 수수 시에는 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자가 모두 오프되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 제1 내지 제4 스위칭 소자는 상기 역방향 전력 수수 시에 역·병렬다이오드(바디 다이오드)에 의해 정류 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 1차측 공진부는 상기 제1 및 제2 스위칭 소자 사이의 1차측 제3 노드와, 상기 제3 및 제4 스위칭 소자 사이의 1차측 제4 노드 사이에 상기 제1 공진 커패시터와 상기 제1 권선단이 직렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 1차측 보조 스위칭 소자부는 상기 1차측 제1 노드와 상기 제1 공진 커패시터와 상기 제1 권선단 사이의 1차측 제5 노드 사이에 직렬로 연결되는 제1 보조다이오드 및 제1 보조 스위칭 소자를 구비하는 1차측 제1 보조 스위칭 소자부; 및 상기 1차측 제5 노드와 상기 1차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제2 보조다이오드 및 제2 보조 스위칭 소자를 구비하는 1차측 제2 보조 스위칭 소자부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 제1 및 제2 보조 스위칭 소자는 상기 순방향 전력 수수 시에 각각의 게이트에 대응하여 인가되는 스위칭신호의 전압 레벨에 응답하여 오프되어 상기 제1 공진 전류가 상기 1차측 보조 스위칭 소자부로 흐르는 것을 차단하고, 상기 역방향 전력 수수 시에는 온되어 상기 제1 권선단에 유도된 전류가 상기 제1 및 제2 보조다이오드를 통해 정류되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 1차측 보조 스위칭 소자부는 상기 1차측 제1 노드와 상기 제1 공진 커패시터와 상기 제1 권선단 사이의 1차측 제5 노드 사이에 직렬로 연결되고, SSR(Solid State Relay), 릴레이 및 접점 중 하나로 구현되는 1차측 제1 보조 스위칭 소자부; 및 상기 1차측 제5 노드와 기 1차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되고, SSR(Solid State Relay), 릴레이 및 접점 중 하나로 구현되는 1차측 제2 보조 스위칭 소자부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 2차측 스위칭부는 상기 제2 직류 전원과 병렬로 연결되고, 2차측 제1 노드와 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제5 및 제6 스위칭 소자를 구비하는 2차측 제1 스위칭 소자부; 및 상기 2차측 제1 스위칭 소자부와 병렬로 연결되고, 상기 2차측 제1 노드와 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제7 및 제8 스위칭 소자를 구비하는 2차측 제2 스위칭 소자부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 제5 내지 제8 스위칭 소자는 상기 역방향 전력 수수 시에 각각의 게이트에 대응하여 인가되는 스위칭신호의 전압 레벨에 응답하여 상기 제5 및 제8 스위칭 소자와 상기 제6 및 제7 스위칭 소자가 교대로 온/오프되고, 상기 순방향 전력 수수 시에는 상기 제5 내지 제8 스위칭 소자가 모두 오프되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 제5 내지 제8 스위칭 소자는 상기 순방향 전력 수수 시에 역·병렬다이오드(바디 다이오드)에 의해 정류 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 2차측 공진부는 상기 제5 및 제6 스위칭 소자 사이의 2차측 제3 노드와, 상기 제7 및 제8 스위칭 소자 사이의 2차측 제4 노드 사이에 상기 제2 공진 커패시터와 상기 제2 권선단이 직렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 2차측 보조 스위칭 소자부는 상기 2차측 제1 노드와 상기 제2 공진 커패시터와 상기 제2 권선단 사이의 2차측 제5 노드 사이에 직렬로 연결되는 제3 보조다이오드 및 제3 보조 스위칭 소자를 구비하는 2차측 제1 보조 스위칭 소자부; 및 상기 2차측 제5 노드와 상기 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제4 보조다이오드 및 제4 보조 스위칭 소자를 구비하는 2차측 제2 보조 스위칭 소자부;를 포함으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 제3 및 제4 보조 스위칭 소자는 상기 역방향 전력 수수 시에 각각의 게이트에 대응하여 인가되는 스위칭신호의 전압 레벨에 응답하여 오프되어 상기 제2 공진 전류가 상기 2차측 보조 스위칭 소자부로 흐르는 것을 차단하고, 상기 순방향 전력 수수 시에는 온되어 상기 제2 권선단에 유도된 전류가 상기 제3 및 제4 보조다이오드를 통해 정류되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 상기 2차측 보조 스위칭 소자부는 상기 2차측 제1 노드와 상기 제2 공진 커패시터와 상기 제2 권선단 사이의 2차측 제5 노드 사이에 직렬로 연결되고, SSR(Solid State Relay), 릴레이 및 접점 중 하나로 구현되는 2차측 제3 보조 스위칭 소자부; 및 상기 2차측 제5 노드와 상기 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되고, SSR(Solid State Relay), 릴레이 및 접점 중 하나로 구현되는 2차측 제4 보조 스위칭 소자부; 를 포함으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 제1 내지 제8 스위칭 소자는 Power Mosfet, IGBT, Power TR, SCR 중 하나로 구현되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 제1 내지 제4 보조 스위칭 소자는 Power Mosfet, IGBT, Power TR, SCR 중 하나로 구현되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 예에 따른 양방향 DC/DC 컨버터는 자기결합(Magnetic coupling)을 매개로 하는 공진 변압기의 제1 권선단과 순방향 전력 수수 시에 상기 제1 권선단과 함께 공진하여 상기 제1 권선단에 전류 변화를 유도하는 제1 공진 커패시터를 구비하는 1차측 공진부와, 상기 순방향 전력 수수 시에 제1 직류 전원으로부터 상기 1차측 공진부로 흐르는 전류 경로를 형성하여 상기 1차측 공진부에 제1 공진 전류를 공급하는 1차측 스위칭부, 및 역방향 전력 수수 시에 상기 제1 권선단과 전기적으로 연결되고, 상기 1차측 스위칭부와 함께 제2 권선단의 전류 변화에 응답하여 상기 제1 권선단에 유도된 전류를 상기 1차측 공진 커패시터를 거치지 않고 정류하여 상기 제1 직류 전원을 충전하는 1차측 보조 스위칭 소자부를 구비하는 1차측단; 및 상기 공진 변압기의 제2 권선단과, 상기 역방향 전력 수수 시에 상기 제2 권선단과 함께 공진하여 상기 제2 권선단에 전류 변화를 유도하고, 상기 순방향 전력 수수 시에 상기 제2 권선단과 전기적으로 차단되는 2차측 공진부와, 상기 역방향 전력 수수 시에 제2 직류 전원으로부터 상기 2차측 공진부와 함께 상기 제2 권선단으로 흐르는 전류 경로를 형성하여 상기 2차측 공진부에 제2 공진 전류를 공급하는 2차측 스위칭부, 및 순방향 전력 수수 시에 상기 제2 권선단과 전기적으로 연결되어 상기 2차측 스위칭부와 함께 제1 권선단의 전류 변화에 응답하여 상기 제2 권선단에 유도된 전류를 상기 2차측 공진부를 우회하여 정류하여 상기 제2 직류 전원을 충전하는 2차측 보조 스위칭 소자부를 구비하는 2차측단; 을 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 2차측 스위칭부는 상기 제2 직류 전원과 병렬로 연결되고, 상기 2차측 제1 노드와 상기 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제11 스위칭소자와 제12 스위칭소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 2차측 공진부는 상기 2차측 스위칭부와 병렬로 연결되고, 상기 2차측 제1 노드와 상기 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제2 공진 커패시터와 제3 공진 커패시터를 구비하는 2차측 공진 커패시터부; 및 상기 제2 및 제3 공진 커패시터 사이의 2차측 제3 노드와, 상기 제11 및 제12 스위칭 소자 사이의 2차측 제4 노드 사이에 상기 제2 권선단과 직렬로 연결되는 2차측 양방향스위칭소자부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 2차측 보조 스위칭 소자부는 상기 2차측 제1 노드와 상기 제2 권선단와 상기 2차측 양방향 스위칭 소자부 사이의 2차측 제5 노드 사이에 직렬로 연결되는 제3 보조다이오드 및 제3 보조 스위칭 소자를 구비하는 2차측 제3 보조 스위칭 소자부; 및 상기 2차측 제5 노드와 상기 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제4 보조다이오드 및 제4 보조 스위칭 소자를 구비하는 2차측 제4 보조 스위칭 소자부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 2차측 양방향스위칭소자부는 상기 제2 공진 캐패시터와 상기 제3 공진 캐패시터 사이의 2차측 제3 노드와 상기 2차측 제3 보조 스위칭 소자부와 상기 2차측 제4 보조 스위칭 소자부 사이의 2차측 제5 노드 사이에 직렬로 연결되는 2개의 스위칭소자를 구비하고, 상기 2개씩의 스위칭소자는 서로 다른 전류 방향으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 2차측 제11 및 제12 스위칭소자는 상기 역방향 전력 수수 시에 각각의 게이트에 대응하여 인가되는 스위칭신호의 전압 레벨에 응답하여 상기 2차측 제11 스위칭소자와 상기 2차측 제12 스위칭소자가 교대로 온/오프되고, 상기 순방향 전력 수수 시에는 상기 2차측 제11 및 제12 스위칭소자가 모두 오프되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 2차측 제11 및 제12 스위칭소자는 상기 순방향 전력 수수 시에 역·병렬다이오드(바디 다이오드)에 의해 정류 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 2차측 제11 및 제12 스위칭소자는 Power Mosfet, IGBT, Power TR, SCR 중 하나로 구현되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 2차측 제3 및 제4 보조스위칭소자는 상기 순방향 전력수수 시에 턴-온 되어, 상기 제3 및 제4 보조다이오드와 제11 및 제12 스위칭소자가 정류 동작을 수행하도록 하고, 상기 역방향 전력수수 시에는 턴-오프 되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 2차측 양방향스위칭소자부의 2개의 스위칭소자는 상기 순방향 전력수수 시에 턴-오프 되어 상기 2차측 공진커패시부와 상기 제2 권선단 사이의 전류 경로를 차단하고, 상기 역방향 전력수수시에 턴-온되어 상기 2차측 공진커패시부와 상기 제2 권선단을 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 2차측 제3 및 제4 보조스위칭소자 각각은 Power Mosfet, IGBT, Power TR, SCR, SSR 릴레이 및 접점 중 하나로 구현되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 2차측 양방향스위칭소자부의 2개의 스위칭소자 각각은 역병렬다이오드(바디다이오드)를 갖는 Power Mosfet, IGBT, Power TR 중 하나를 상호 반대 방향으로 직렬 연결하여 구현되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 2차측 양방향스위칭소자부의 2개의 스위칭소자 각각은 역병렬다이오드(바디다이오드)를 갖지 않는 IGBT, Power Mosfet, TR, SCR 중 하나를 상호 반대 방향으로 병렬 연결하여 구현되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 2차측 양방향스위칭소자부의 2개의 스위칭소자 각각은 SSR 릴레이 또는 접점 중 하나로 구현되는 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명에 따른 양방향 DC/DC 컨버터는 보조스위치와 다이오드로 구성된 보조수단을 구비하고, 보조 스위치를 제어하여 순방향 및 역방향 전력전달 시 높은 이득특성을 갖도록 양방향 DC/DC 컨버터를 제어할 수 있다. 그러므로 승·강압컨버터나 블로킹 커패시터를 구비하지 않고, 고 효율특성을 갖는 양방향 전력수수가 가능하고, 도통 손실을 줄일 수 있으며, 제조 단가를 낮출 수 있다.
도1 은 일반적인 태양광 발전 및 전력 계통 연계 전력 제어 시스템의 개요를 나타낸다.
도2 는 자기결합(Magnetic coupling)에 의한 공진 변압기적용 양방향 DC/DC 컨버터가 적용된 EV 시스템을 나타낸다.
도3 은 종래의 양방향 DC/DC 컨버터의 일예를 나타낸다.
도4 내지 도6 은 도3 의 양방향 DC/DC 컨버터의 공진 특성을 나타낸다.
도7 은 종래의 양방향 DC/DC 컨버터의 다른 예를 나타낸다.
도8 내지 도9 는 종래의 양방향 DC/DC 컨버터의 또다른 예를 나타낸다.
도10 은 본 발명에 따른 자기결합을 매개로한 변압기 적용 양방향 DC/DC 컨버터의 일 예를 나타낸다.
도11 은 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터의 순방향 동작시 동작 파형도이다.
도12 내지 도15 는 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터의 순방향 동작을 구간별로 설명하기 위한 도면이다.
도16 은 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터의 역방향 동작시 동작 파형도이다.
도17 내지 도20 은 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터의 역방향 동작을 구간별로 설명하기 위한 도면이다.
도21 은 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터의 순방향 공진 특성을 나타낸다.
도22 는 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터의 역방향 공진 특성을 나타낸다.
도23 은 본 발명에 따른 양방향 DC/DC 컨버터의 적용 예를 나타낸다.
도24 는 본 발명에 따른 양방향 DC/DC 컨버터의 다른 예를 나타낸다.
도25 는 도24의 양방향 DC/DC 컨버터의 순방향 동작시 동작파형을 나타낸다.
도26 은 도24의 양방향 DC/DC 컨버터의 역방향 동작시 동작파형을 나타낸다.
도27 은 도24 의 발명에 따른 양방향 DC/DC 컨버터의 적용 예를 나타낸다.
도28 은 본 발명에 따른 양방향 DC/DC 컨버터에서 보조 스위칭 소자의 다른 구성을 나타낸다.
도29 는 본 발명에 따른 양방향 DC/DC 컨버터에서 양방향 스위칭 소자의 다른 구성을 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “...부”, “...기”, “모듈”, “블록” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도10 은 본 발명에 따른 자기결합(Magnetic coupling)을 매개로한 변압기(T1) 적용 양방향 DC/DC 컨버터의 일예를 나타낸다.
도10 은 양방향 DC/DC 컨버터 중 풀 브릿지(Full Bridge : 이하 FB) 공진 컨버터를 나타낸다. 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터는 제1 직류 전원(Vin)과 제2 직류 전원(Vo) 및 1차측단 및 2차측단(110, 120)을 구비하는 공진 컨버터부(100)를 구비한다.
공진 컨버터부(100)의 1차측단(110)은 1차측 제1 노드(Nd11)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에 제1 직류 전원(Vin)과 병렬로 연결되는 1차측 제1 스위칭 소자부와 1차측 제2 스위칭 소자부를 구비하는 1차측 스위칭부와, 1차측 제1 노드(Nd11)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에 1차측 스위칭부와 병렬로 연결되는 1차측 보조 스위칭 소자부 및 1차측 제1 스위칭 소자부와 1차측 제2 스위칭 소자부 사이에 연결되는 1차측 공진부를 구비한다.
1차측 제1 스위칭 소자부는 1차측 제1 노드(Nd11)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에 직렬로 연결되는 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2)를 구비하고, 1차측 제2 스위칭 소자부는 1차측 제1 노드(Nd11)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에 직렬로 연결되는 제3 및 제4 스위칭 소자(S3, S4)를 구비한다. 1차측 보조 스위칭 소자부는 1차측 제1 스위칭 소자부와 1차측 제2 스위칭 소자부 사이에 병렬로 배치되는 1차측 제1 보조 스위칭 소자부와 1차측 제2 보조스위칭 소자부를 구비하고, 1차측 제1 보조 스위칭 소자부와 1차측 제2 보조스위칭 소자부는 각각 직렬로 연결되는 1개의 다이오드(DR1, DR2)와 1개의 보조 스위칭 소자(SR1, SR2)를 구비한다.
1차측 공진부는 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2) 사이의 1차측 제3 노드(Nd13)와 제3 및 제4 스위칭 소자(S3, S4) 사이의 1차측 제4 노드(Nd14) 사이에 배치된다. 1차측 공진부는 1차측 제3 노드(Nd13)와 1차측 제4 노드(Nd14) 사이에 직렬로 연결되는 1차측 공진 커패시터부와 공진 변압기(T1)의 제1 권선단을 구비한다. 도10 에서 Lm1는 자기결합에 따른 공진 변압기(T1)의 제1 권선단의 자화인덕턴스를 나타내고, Im1은 제1 권선단을 흐르는 자화 전류를 나타내며, Ll1은 제1 권선단의 누설 인덕턴스를 나타낸다.
1차측 제1 보조 스위칭 소자부는 제1 노드(Nd11)와 1차측 공진 커패시터부와 공진 변압기(T1)의 제1 권선단 사이의 1차측 제5 노드(Nd15)사이에, 제1 보조 다이오드(DR1)와 제1 보조 스위칭 소자(SR1)가 직렬로 연결된다. 이 때, 제1 보조 다이오드(DR1)의 캐소드(cathod)가 제1 노드(Nd11)에 연결되고, 제1 보조 다이오드(DR1)의 애노드(anode)가 제1 보조 스위칭 소자(SR1)의 일단에 연결된다.
그리고 1차측 제2 보조 스위칭 소자부는 1차측 제5 노드(Nd15)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에, 제2 보조 다이오드(DR2)와 제2 보조 스위칭 소자(SR2)가 직렬로 연결된다. 여기서, 제2 보조 다이오드(DR2)의 캐소드(cathod)가 1차측 제5 노드(Nd15)에 연결되고, 제2 보조 다이오드(DR2)의 애노드(anode)가 제2 보조 스위칭 소자(SR2)의 일단에 연결된다.
한편 DC/DC 컨버터의 2차측단(120)은 2차측 제1 노드(Nd21)와 2차측 제2 노드(Nd22) 사이에 제2 직류 전원(Vo)과 병렬로 연결되는 2차측 제1 스위칭 소자부와 2차측 제2 스위칭 소자부를 구비하는 2차측 스위칭부, 2차측 제1 노드(Nd21)와 2차측 제2 노드(Nd22) 사이에 2차측 스위칭부와 병렬로 연결되는 2차측 보조 스위칭 소자부 및 2차측 제1 스위칭 소자부와 2차측 제2 스위칭 소자부 사이에 연결되는 2차측 공진부를 구비한다.
2차측 제1 스위칭 소자부는 2차측 제1 노드(Nd21)와 2차측 제2 노드(Nd22) 사이에 직렬로 연결되는 제5 및 제6 스위칭 소자(S5, S6)를 구비하고, 2차측 제2 스위칭 소자부는 2차측 제1 노드(Nd21)와 2차측 제2 노드(Nd22) 사이에 직렬로 연결되는 제7 및 제8 스위칭 소자(S7, S8)를 구비한다. 2차측 보조 스위칭 소자부는 2차측 제1 스위칭 소자부와 2차측 제2 스위칭 소자부 사이에 직렬로 배치되는 2차측 제1 보조 스위칭 소자부와 2차측 제2 스위칭 소자부를 구비하고, 2차측 제1 보조 스위칭 소자부와 2차측 제2 스위칭 소자부는 각각 직렬로 연결되는 1개의 다이오드(DR3, DR4)와 1개의 보조 스위칭 소자(SR3, SR4)를 구비한다.
2차측 공진부는 제5 및 제6 스위칭 소자(S5, S6) 사이의 2차측 제3 노드(Nd23)와 제7 및 제8 스위칭 소자(S7, S8) 사이의 2차측 제4 노드(Nd24) 사이에 배치된다. 2차측 공진부는 2차측 제3 노드(Nd23)와 2차측 제4 노드(Nd24) 사이에 직렬로 연결되는 2차측 공진 커패시터부와 공진 변압기(T1)의 제2 권선단을 구비한다. 그리고 Lm2는 자기결합에 따른 공진 변압기(T1)의 제2 권선단의 자화인덕턴스를 나타내고, Im2는 제2 권선단을 흐르는 자화 전류를 나타내며, Ll2는 제2 권선단의 누설 인덕턴스를 나타낸다.
2차측 제1 보조 스위칭 소자부는 2차측 제1 노드(Nd21)와 2차측 공진 커패시터부와 공진 변압기(T1)의 제2 권선단 사이의 2차측 제5 노드(Nd25)사이에, 제3 보조 다이오드(DR3)와 제3 보조 스위칭 소자(SR1)가 직렬로 연결된다. 이 때, 제3 보조 다이오드(DR3)의 캐소드(cathod)가 2차측 제1 노드(Nd21)에 연결되고, 제3 보조 다이오드(DR3)의 애노드(anode)가 제3 보조 스위칭 소자(SR3)의 일단에 연결된다.
그리고 2차측 제2 보조 스위칭 소자부는 2차측 제5 노드(Nd25)와 2차측 제2 노드(Nd22) 사이에, 제4 보조 다이오드(DR4)와 제4 보조 스위칭 소자(SR4)가 직렬로 연결된다. 여기서, 제4 보조 다이오드(DR4)의 캐소드(cathod)가 2차측 제5 노드(Nd25)에 연결되고, 제4 보조 다이오드(DR4)의 애노드(anode)가 제4 보조 스위칭 소자(SR4)의 일단에 연결된다.
도11 은 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터의 순방향 동작 시 동작 파형도이며, 도12 내지 도15 는 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터의 순방향 동작을 구간별로 설명하기 위한 도면이다.
도11 내지 도15 를 참조하여 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터의 순방향 동작을 설명하면, 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터의 순방향 동작은 제1 내지 제5 시간 구간의 5개의 시간 구간((t0 ~ t1), (t1 ~ t2), (t2 ~ t3), (t3 ~ t4), (t4 ~ t5)으로 구분될 수 있다.
도11 에서 전압(Vab)은 1차측 제3 노드(Nd13)와 1차측 제4 노드(Nd14) 사이의 전압 레벨을 나타낸다.
순방향 동작 시에는 1차측단(110)의 제1 및 제4 스위칭 소자(S1, S4)와 제2 및 제3 스위칭 소자(S2, S3)가 각각의 게이트에 대응하여 인가되는 스위칭신호(VGS1 ~ VGS4)의 전압 레벨에 응답하여 번갈아가며 온/오프된다. 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1 ~ S4)는 각각 고정된 듀티비(도11 에서는 50%)를 가지고 교번으로 동작하는 스위칭신호(VGS1, VGS4)와 스위칭신호(VGS2, VGS3)에 응답하여 턴-온, 턴-오프된다. 그러나 2차측단(120)의 제5 내지 제8 스위칭 소자(S5 ~ S8)는 순방향 동작 시에 계속 오프 상태로 유지된다. 그리고 순방향 동작 시에 1차측단(110)의 제1 및 제2 보조스위칭 소자(SR1, SR2)는 항시 턴-오프(Turn-off)되고, 2차측단(120)의 제3 및 제4 보조스위칭 소자(SR3, SR4)는 항시 턴-온(Turn-on)된다.
순방향 동작에서 먼저 도12 을 참조하여, 제1 시간 구간(t0 ~ t1)에서의 동작을 살펴보면, 제1 및 제4 스위칭 소자(S1, S4)가 스위칭신호(VGS1, VGS4)에 응답하여 턴 온 되기 이전 상태로 오프 상태가 유지되고 있으며, 제2 및 제3 스위칭 소자(S2, S3)는 스위칭신호(VGS2, VGS3)에 응답하여 턴 오프된 상태이다. 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1 ~ S4)가 모두 오프되어 있으며, 제1 및 제2 보조 다이오드(DR1, DR2)가 역바이어스 방향으로 연결되어 있을 뿐만 아니라, 제1 및 제2 보조스위칭 소자(SR1, SR2) 또한 오프되어 있으므로, 기본적으로 전류 경로가 생성되지 않는다. 그러나 제1 공진 커패시터(Cr1)와 공진 변압기(T1)의 제1 권선단에 의해 1차측 공진 전류(IT1-1) 변화가 발생하고, 1차측 공진 전류(IT1-1)는 제1 및 제4 스위칭 소자(S1, S4)의 역병렬다이오드(바디 다이오드 : Body diode)를 통해 흐르게 된다. 이에 공진 변압기(T1)의 제2 권선단에 2차측 공진 전류(IT1-2)가 유도되고, 턴-온 상태인 제3 보조스위칭 소자(SR3) 및 제8 스위칭 소자(S8)의 역병렬다이오드를 통해 전류 경로 경로가 형성되어 2차측 공진 전류(IT1-2)가 흐른다. 이때, 제3 보조 다이오드(DR3)에 순바이어스가 인가되므로 제3 보조스위칭 소자(SR3)로는 전류 경로가 형성되지만, 제4 보조 다이오드(DR4)에는 역바이어스가 인가되므로 제4 보조스위칭 소자(SR4)로는 전류 경로가 형성되지 않는다.
도13 을 참조하여, 제2 시간 구간(t1 ~ t2)에서의 동작을 살펴보면, 상기 제1 시간 구간 (t0 ~ t1)동안에 제1 및 제4 스위칭 소자(S1, S4)의 역병렬다이오드(바디다이오드)가 도통 시 턴-온 되면 영전압스위칭 턴-온 되고, 제2 시간 구간(t1 ~ t2)에서는 제1 및 제4 스위칭 소자(S1, S4)가 턴-온 유지되고, 제2 및 제3 스위칭 소자(S2, S3)는 스위칭신호(VGS2, VGS3)에 응답하여 턴 오프된 상태가 유지된다. 따라서 제1 스위칭 소자(S1)와 공진 커패시터(Cr1), 공진 변압기(T1)의 1차 권선단 및 제4 스위칭 소자(S4)를 통해 전류 경로가 형성된다. 따라서, 1차측 제3 및 제4 노드(Nd13, Nd14) 사이의 전압 레벨(Vab)는 제1 직류 전원(Vin)의 전압 레벨이 된다. 이때, 보조 스위칭부는 제1 보조스위칭 소자 및 제2 보조스위칭 소자가 턴-오프되어 있어 전류 경로를 형성하지 않는다. 1차측단(110)에 형성된 전류 경로에 의해 공진 변압기(T1)의 1차 권선단에는 1차측 공진 전류(IT1-1)가 흐르게 되고, 공진 변압기(T1)의 2차 권선단에는 2차측 공진 전류(IT1-2)가 유도된다. 비록 제5 내지 제8 스위칭 소자(S5 ~ S8)가 모두 턴-오프 되어 있으나, 제3 보조 스위칭 소자(SR3)가 턴-온 되어 있으며, 제3 보조 다이오드(DR3)가 순바이어스 상태이므로, 제8 스위칭 소자(S8)의 역병렬다이오드를 통해 전류 경로 경로가 형성되어 2차측 공진 전류(IT1-2)가 흐른다. 제1 시간 구간(t0 ~ t1)과 마찬가지로, 제2 시간 구간(t1 ~ t2)에서도, 제3 보조 다이오드(DR3)에 순바이어스가 인가되므로 제3 보조스위칭 소자(SR3)로는 전류 경로가 형성되지만, 제4 보조 다이오드(DR4)에는 역바이어스가 인가되므로 제4 보조스위칭 소자(SR4)로는 전류 경로가 형성되지 않는다.
도14 를 참조하여, 제3 시간 구간(t2 ~ t3)에서의 동작을 살펴보면, 제1 및 제4 스위칭 소자(S1, S4)는 턴-온 상태를 유지하고 있으며, 제2 및 제3 스위칭 소자(S2, S3)는 스위칭신호(VGS2, VGS3)에 응답하여 턴 오프된 상태가 유지된다. 즉 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1 ~ S4)의 상태는 제2 시간 구간(t1 ~ t2)과 동일하다. 그러나 직류 전압인 제1 입력 전원(Vin)이 인가되는 시간이 길어짐에 따라, 1차측 제3 노드(Nd13)와 1차측 제4 노드(Nd14) 사이에 흐르는 1차측 공진 전류(IT1-1)와 제1 권선단을 흐르는 자화 전류(Im1)의 전류 값이 같아지게 된다. 따라서 공진 변압기(T1)의 제1 권선단에는 전류량의 변화가 발생하지 않게 되고, 공진 변압기(T1)의 제2 권선단에는 2차측 공진 전류(IT1-2)가 유도되지 않는다. 비록 공진 컨버터부(100)의 2차측단(120)에는 제2 전원 전압(Vo)이 연결되어 있고, 제3 및 제4 보조 스위칭 소자(SR3 ~ SR4)가 턴-온 상태이지만, 제5 내지 제8 스위칭 소자(S5 ~ S8)는 모두 턴-오프 상태이고, 제3 및 제4 보조 다이오드(DR3 ~ DR4)가 역바이어스이므로 전류 경로가 형성되지 않는다. 이에 2차측 공진 전류(IT1-2)는 흐르지 않는다.
도15 를 참조하여, 제4 시간 구간(t3 ~ t4)에서의 동작을 살펴보면, 제1 및 제4 스위칭 소자(S1, S4)가 턴-오프되고, 제2 및 제3 스위칭 소자(S2, S3)는 스위칭신호(VGS2, VGS3)에 응답하여 턴-온 되기 이전 상태로 오프 상태가 유지되고 있다. 즉 제4 시간 구간(t3 ~ t4)에서도 제1 시간 구간(t0 ~ t2)과 유사하게 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1 ~ S4)가 모두 오프되어 있으며, 제1 및 제2 보조 다이오드(DR1, DR2)가 역바이어스 방향으로 연결되어 있을 뿐만 아니라, 제1 및 제2 보조스위칭 소자(SR1, SR2) 또한 오프되어 있다. 그러므로 전류 경로가 생성되지 않는다. 그러나 제1 공진 커패시터(Cr1)와 공진 변압기(T1)의 제1 권선단에 의해 1차측 공진 전류(IT1-1) 변화가 발생하고, 1차측 공진 전류(IT1-1)는 제2 및 제3 스위칭 소자(S2, S3)의 역병렬다이오드를 통해 흐르게 된다. 이에 공진 변압기(T1)의 제2 권선단에 2차측 공진 전류(IT1-2)가 유도되고, 턴-온 상태인 제4 보조스위칭 소자(SR4) 및 제7 스위칭 소자(S7)의 역병렬다이오드를 통해 전류 경로 경로가 형성되어 2차측 공진 전류(IT1-2)가 흐른다. 이때, 제4 보조 다이오드(DR4)에 순바이어스가 인가되므로 제4 보조스위칭 소자(SR4)로는 전류 경로가 형성되지만, 제3 보조 다이오드(DR3)에는 역바이어스가 인가되므로 제3 보조스위칭 소자(SR3)로는 전류 경로가 형성되지 않는다.
제5 시간 구간(t4 ~ t5)에서의 동작은 개념적으로 제2 시간 구간(t1 ~ t2)과 동일하므로, 여기서는 별도로 설명하지 않는다.
결과적으로 도10 에 도시된 본 발명에 따른 양방향 DC/DC 컨버터는 순방향 동작 시, 제1 및 제2 보조스위칭 소자(SR1, SR2)는 항시 턴-오프되고, 제3 및 제4 보조스위칭 소자(SR3, SR4)는 항시 턴-온 되므로, 1차측 공진 전류(Itl-1)는 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1 ~ S4)와 공진 변압기(T1) 및 제1 공진 커패시터(Cr1)를 통해 흐르게 된다. 그리고 제5 내지 제8 스위칭 소자(S5 ~ S8)는 모두 턴-오프 상태로 유지되므로, 2차측단에서는 제7 내지 제8 스위칭 소자(S7, S8)의 역 병렬 다이오드와 제3 및 제4 보조 스위칭 소자(SR3, SR4) 및 제3 및 제4 보조 다이오드(DR3, DR4)를 통해 정류되어 흐르게 된다. 따라서 1차측 공진전류(IT1-1)가 제1 및 제2 보조스위치(SR1, SR2)와 제1 및 제2 보조 다이오드(DR1, DR2)로 구성된 1차측 보조스위칭부를 통해 흐르지 않고, 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1 ~ S4)와 제1 공진커패시터(Cr1) 및 공진 변압기(T1)의 제1 권선단을 통해 1차측 공진 전류(IT1-1)가 흘러 높은 이득특성을 갖는 LLC 공진컨버터처럼 동작을 하게 된다.
도16 은 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터의 역방향 동작 시 동작 파형도이며, 도17 내지 도20 은 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터의 역방향 동작을 구간별로 설명하기 위한 도면이다.
도16 내지 도20 을 참조하면, 도10 에 도시된 본 발명에 따른 양방향 DC/DC 컨버터는 역방향 동작 시, 제3 및 제4 보조스위칭 소자(SR3, SR4)는 항시 턴-오프되고, 제1 및 제2 보조스위칭 소자(SR1, SR2)는 항시 턴-온 되므로, 2차측 공진 전류(Itl-2)는 제5 내지 제8 스위칭 소자(S5 ~ S8)와 공진 변압기(T1)의 제2 권선단 및 제2 공진 커패시터(Cr2)를 통해 흐르게 된다. 그리고 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1 ~ S4)는 모두 턴-오프 상태로 유지되므로, 1차측단에서는 제3 내지 제4 스위칭 소자(S3, S4)의 역 병렬 다이오드와 제1 및 제2 보조 스위칭 소자(SR1, SR2) 및 제1 및 제2 보조 다이오드(DR1, DR2)를 통해 정류되어 흐르게 된다. 따라서 2차측 공진 전류(IT1-2)가 제3 및 제4 보조스위치(SR3, SR4)와 제3 및 제4 보조 다이오드(DR3, DR4)로 구성된 2차측 보조스위칭부를 통해 흐르지 않고, 제5 내지 제8 스위칭 소자(S5 ~ S8)와 제2 공진커패시터(Cr2) 및 변압기(T1) 제2 권선단을 통해 2차측 공진 전류(IT1-2)가 흘러 높은 이득특성을 갖는 LLC 공진컨버터처럼 동작을 하게 된다.
도10 의 양방향 DC/DC 컨버터는 공진 컨버터부(100)의 1차측단 및 2차측단(110, 120) 각각의 구성이 서로 대칭을 이루는 동일 구조이므로, 도17 내지 도20 에 도시된 양방향 DC/DC 컨버터의 역방향 동작은 실질적으로 순방향 동작과 동일하다. 따라서 본 발명에서는 도17 내지 도20 에 도시된 양방향 DC/DC 컨버터의 역방향 동작을 상세하게 설명하지 않는다.
상기에서는 순방향 동작시에 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1 ~ S4)가 각각 50%의 고정된 듀티비를 가지고 교번으로 동작하는 스위칭신호(VGS1, VGS4)와 스위칭신호(VGS2, VGS3)에 응답하여 턴-온, 턴-오프되고, 역방향 동작시에 제5 내지 제8 스위칭 소자(S5 ~ S8)가 각각 50%의 고정된 듀티비를 가지고 교번으로 동작하는 스위칭신호(VGS5, VGS8)와 스위칭신호(VGS6, VGS7)에 응답하여 턴-온, 턴-오프 것으로 설명하였다. 그러나 도11 및 도16 각각에서 제1 시간 구간(t0 ~ t2) 및 제4 시간 구간(t3 ~ t4)은 스위칭신호(VGS1,~ VGS8)가 모두 오프되는 구간이다. 따라서 실질적으로 순방향 동작시의 스위칭 신호(VGS1 ~ VGS4)와 역방향 동작시의 스위칭신호(VGS5 ~ VGS8)는 정확히 50%의 듀티비를 갖지 않는다. 비록 설명의 편의를 위해서 도11 및 도16 에서는 제1 시간 구간(t0 ~ t2) 및 제4 시간 구간(t3 ~ t4)이 다른 시간 구간에 비해 크게 표시되었으나, 제1 시간 구간(t0 ~ t2) 및 제4 시간 구간(t3 ~ t4)은 다른 시간 구간에 비해 무시할 수 있는 수준의 극히 짧은 데드 타임 구간이므로, 본 발명에서는 간략하게 스위칭 신호(VGS1 ~ VGS4)와 스위칭신호(VGS5 ~ VGS8)가 50%의 듀티비를 갖는 것으로 설명하였다.
도21 은 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터의 순방향 공진 특성을 나타내며, 도22 은 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터의 역방향 공진 특성을 나타낸다.
도21 에 도시된 바와 같이, 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터는 순방향 동작 시, 1차측단(110)에서는 제1 보조 스위칭 소자부로 전류 경로가 형성되지 않고, 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1 ~ S4)를 통해 전류 경로가 형성되는 반면, 2차측단(120)에서는 제2 보조 스위칭 소자부를 통해 전류 경로가 형성되어 고효율 특성을 갖는 LLC 공진컨버터로 동작할 수 있다.
마찬가지로, 도22 에 도시된 바와 같이, 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터는 역방향 동작 시, 2차측단(120)에서는 제2 보조 스위칭 소자부로 전류 경로가 형성되지 않고, 제5 내지 제8 스위칭 소자(S5 ~ S8)를 통해 전류 경로가 형성되는 반면, 1차측단(110)에서는 제1 보조 스위칭 소자부를 통해 전류 경로가 형성되어 고효율 특성을 갖는 LLC 공진컨버터로 동작할 수 있다.
도21 과 도22 가 실질적으로 동일한 LLC 공진 특성을 나타내는 것은 상기한 바와 같이, 공진 컨버터부(100)의 1차측단 및 2차측단(110, 120) 각각의 구성이 서로 대칭을 이루는 동일 구조이기 때문이다.
또한 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터는 공진 컨버터부(100)의 1차측단 및 2차측단(110, 120)의 1차측 공진부 및 2차측 공진부에서 1차측 공진부는 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2) 사이의 1차측 제3 노드(Nd13)와 제3 및 제4 스위칭 소자(S3, S4) 사이의 1차측 제4 노드(Nd14) 사이에 배치되고, 1차측 공진부는 1차측 제3 노드(Nd13)와 1차측 제4 노드(Nd14) 사이에 직렬로 연결되는 1차측 공진 커패시터부와 공진 변압기(T1)의 제1 권선단을 구성함으로 1차측 공진커패시터부와 공진변압기(T1)의 제1 권선단이 서로 바꾸어 연결되어도 동일 동작특성을 갖는다. 2차측 공진부도 1차측 공진부와 각각의 구성이 서로 대칭을 이루는 동일 구조이므로 2차측 공진커패시터부와 변압기(T1)의 제2 권선단이 직렬로 연결되므로 서로 바꾸어 연결되어도 동일 동작특성을 갖는다.
도23 은 본 발명에 따른 양방향 DC/DC 컨버터의 적용 예를 나타낸다.
도23 의 양방향 DC/DC 컨버터는 2차측에 제2 직류 전원(Vo) 대신 PWM 인버터부(200)를 구비한다. PWM 인버터부(200)는 도7 내지 도9 의 PWM 인버터와 마찬가지로 계통 연계 전원으로서, 도1 의 직류-교류 인버터(DAC)에 대응하는 인버터이다. 그리고 PWM 인버터부(200)는 1차측단(110)으로부터 DC/DC 변환되어 2차측단(120)에 인가된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하거나, 교류 전원 전압(AC)에서 인가되는 교류 전압을 직류로 변환하여, 양방향 DC/DC 컨버터의 2차측(120)에 인가한다.
도24 는 본 발명에 따른 양방향 DC/DC 컨버터의 다른 예를 나타낸다.
도24 의 양방향 DC/DC 컨버터는 1차측단에 도10 의 풀-브리지(Full Bridge) 회로와 2차측단에 하프-브리지(Half Bridge)회로를 결합한 구조를 갖는다.
도24 의 양방향 DC/DC 컨버터 또한 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터와 마찬가지로, 제1 직류 전원(Vin)과 제2 직류 전원(Vo) 및 1차측단 및 2차측단(310, 320)을 구비하는 공진 컨버터부(300)를 구비한다. 공진 컨버터부(300)의 1차측단(310)의 구성은 도10 의 DC/DC 컨버터의 1차측단(110)과 동일한 구성을 갖는다. 그러나 2차측단(320)은 순방향 및 역방향 전력전달 시 전압이득 조정을 통한 전력제어를 위해 2차측 보조스위칭소자부와 2차측 양방향 스위칭소자부 및 공진커패시터부를 갖는 하프-브리지(Half Bridge) 회로방식으로 구성되어 있다.
공진 컨버터부(300)의 1차측단(310)의 구성이 도10 의 DC/DC 컨버터의 1차측단(110)과 동일하므로 여기서는 설명하지 않는다.
이에 2차측단(320)의 구성을 살펴보면, 2차측단(320)은 2차측 제1 노드(Nd31)와 2차측 제2 노드(Nd32) 사이에 제2 직류 전원(Vo)과 병렬로 연결되는 2차측 공진부와 2차측 스위칭 소자부 및 2차측 보조스위칭소자부를 구비한다. 2차측 스위칭 소자부는 2차측 제1 노드(Nd31)와 2차측 제2 노드(Nd32) 사이에 직렬로 연결되는 제11 및 제12 스위칭 소자(S11, S12)를 구비한다. 2차측 보조스위칭소자부는 2차측 제1 노드(Nd31)와 2차측 제2 노드(Nd32) 사이에 직렬로 연결되는 제3 보조다이오드(DR3) 및 제3 보조스위칭 소자(SR3)로 구성된 2차측 제3 보조스위칭소자부와 제4 보조다이오드(DR4) 및 제4 보소스위칭소자(SR4)로 구성된 제4 보조스위칭소자부를 구비한다.
2차측 공진부는 2차측 제1 노드(Nd31)와 2차측 제2 노드(Nd32) 사이에 병렬로 연결되는 2차측 공진 커패시터부, 2차측 보조스위칭소자부와 2차측 공진 커패시터부 사이에 연결되는 2차측 양방향스위칭소자부 및 2차측 보조스위칭소자부와 2차측 스위칭 소자부 사이에 공진 변압기(T1)의 2차 권선단을 구비한다.
2차측 공진 캐패시터부는 2차측 스위칭소자부와 병렬로 연결되고, 상기 2차측 제1 노드(Nd31)와 상기 2차측 제2 노드(Nd32) 사이에 직렬로 연결되는 제2 공진 캐패시터(Cr2)와 제3 공진 캐패시터(Cr3)를 구비한다.
2차측 양방향보조스위칭 소자부는 2차측 제2 및 제3 공진 커패시터(Cr2, Cr3) 사이 2차측 제3 노드(Nd33)와 2차측 제3 보조스위칭소자부(DR3, SR3) 및 제4 보조스위칭소자부(DR4, SR4) 사이의 2차측 제5 노드(Nd35) 사이에 직렬로 연결되는 2개의 양방향보조스위칭 소자(SA1, SA2)를 구비한다. 또는 상호 반대방향으로 병렬 연결되는 역병렬다이오드(바디다이오드)가 없는 양방향보조스위칭소자를 구비 할 수 있다. 그리고 공진 변압기(T1)의 2차 권선단은 제11 및 제12 스위칭 소자(S11, S12) 사이의 2차측 제4 노드(Nd34)와 2차측 제5 노드(Nd35) 사이에 구비된다.
도10 내지 도24 에서 스위칭 소자(S1 ~ S8, S11, S12)는 Power Mosfet가 사용되었으나, 스위칭 소자(S1 ~ S8, S11, S12)는 Power Mosfet, IGBT, Power TR, SCR 등으로 구현될 수 있다.
도25 는 도24의 양방향 DC/DC 컨버터의 순방향 동작시 동작파형을 나타내고, 도26 은 도24의 양방향 DC/DC 컨버터의 역방향 동작시 동작파형을 나타낸다.
도25 의 순방향 동작시 동작파형과 도26 의 역방향 동작시 동작파형은 각각 도11 및 도16 의 동작 파형과 동일하게 나타난다. 즉 도24 의 양방향 DC/DC 컨버터의 순방향 동작과 역방향 동작은 각각 제1 내지 제5 시간 구간의 5개의 시간 구간((t0 ~ t1), (t1 ~ t2), (t2 ~ t3), (t3 ~ t4), (t4 ~ t5)으로 구분될 수 있으며, 순방향 동작 시 1차측단(310)의 제1 및 제4 스위칭 소자(S1, S4)와 제2 및 제3 스위칭 소자(S2, S3)가 각각의 게이트에 대응하여 인가되는 스위칭신호(VGS1 ~ VGS4)의 전압 레벨에 응답하여 번갈아가며 온/오프되고, 역방향 동작 시 2차측단(320)의 제11 및 제12 스위칭 소자(S11, S12)가 각각의 게이트에 대응하여 인가되는 스위칭신호(VGS11, VGS12)의 전압 레벨에 응답하여 번갈아가며 온/오프된다. 순방향 동작시 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1 ~ S4)와 역방향 동작시 제11 및 제12 스위칭 소자(S11, S12)는 각각 고정된 듀티비(예를 들면 50%)를 가지고 교번으로 동작하는 스위칭신호(VGS1 ~ VGS4)와 스위칭신호(VGS11, VGS12)에 응답하여 턴-온, 턴-오프 된다.
그리고 순방향 동작 시에 1차측단(310)의 제1 및 제2 보조스위칭 소자(SR1, SR2) 및 2차측단(320)의 2개의 양방향보조스위칭 소자(SA1, SA2)는 항시 턴-오프(Turn-off)되고, 2차측단(320)의 제3 및 제4 보조스위칭 소자(SR3, SR4)는 항시 턴-온(Turn-on)된다. 반대로 역방향 동작시에 1차측단(310)의 제1 및 제2 보조스위칭 소자(SR1, SR2) 및 2차측단(320)의 2개의 양방향보조스위칭 소자(SA1, SA2)는 항시 턴-온되고, 2차측단(320)의 제3 및 제4 보조스위칭 소자(SR3, SR4)는 항시 턴-오프된다.
도24 의 양방향 DC/DC 컨버터의 순방향 동작시에는 2개의 양방향보조스위칭 소자(SA1, SA2)가 항시 턴 오프 되어 있으므로, 2차측단(320)에는 도12 내지 도15 와 마찬가지로 제12 스위칭 소자(S12)와 제3 보조 스위칭 소자(SR3)를 통해 전류 경로가 형성되거나, 제11 스위칭 소자(S11)와 제4 보조 스위칭 소자(SR4)를 통해 전류 경로가 형성된다. 그러나 역방향 동작시에는 2개의 양방향보조스위칭 소자(SA1, SA2)가 항시 턴 온되어 있으므로, 2차측단(320)에는 제11 스위칭 소자(S11)와 2개의 양방향보조스위칭 소자(SA1, SA2) 및 제3 공진 커패시터(Cr3)를 통해 전류 경로가 형성되거나, 제12 스위칭 소자(S12)와 2개의 양방향보조스위칭 소자(SA1, SA2) 및 제2 공진 커패시터(Cr2)를 통해 전류 경로가 형성된다. 즉 도10 의 양방향 DC/DC 컨버터와 유사하게 동작한다.
도27 은 도24 의 양방향 DC/DC 컨버터의 적용예를 나타낸다.
도27 의 양방향 DC/DC 컨버터 또한 도23 의 양방향 DC/DC 컨버터와 마찬가지로 2차측에 제2 직류 전원(Vo) 대신 PWM 인버터부(400)를 구비한다. PWM 인버터부(400)는 계통 연계 전원으로, 인버터이다. 그리고 PWM 인버터부(400)는 1차측단(310)으로부터 DC/DC 변환되어 2차측단(320)에 인가된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하거나, 교류 전원 전압(AC)에서 인가되는 교류 전압을 직류로 변환하여, 양방향 DC/DC 컨버터의 2차측(320)에 인가한다.
도28 은 본 발명에 따른 양방향 DC/DC 컨버터에서 보조 스위칭 소자의 다른 구성을 나타낸다.
도28 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 보조스위칭소자부는 Power Mosfet, IGBT, Power TR, SCR 등의 스위칭 소자와 다이오드의 결합으로 구성될 수 있을 뿐만 아니라, SSR(Solid State Relay) 또는 릴레이 및 접점으로 구현될 수 있다. 또한 보조스위칭소자부가 스위칭 소자와 다이오드의 결합으로 구성되는 경우, 스위칭 소자와 다이오드의 배치는 서로 바뀌어도 무방하다.
도29 은 본 발명에 따른 양방향 DC/DC 컨버터에서 양방향 스위칭소자부의 다른 구성을 나타낸다.
도24 의 양방향 양방향보조스위칭소자(SA1,SA2)는 도29 에 도시된 바와 같이 서로 위치가 바뀔 수 있다. 그리고 양방향보조스위칭소자(SA1,SA2)로는 Power Mosfet, IGBT, Power TR, SCR 등의 스위칭소자 뿐만 아니라 SSR(Solid State Relay) 또는 릴레이 및 접점 등이 적용될 수 있다. 또한 상호 반대방향으로 병렬 연결되는 역병렬다이오드(바디다이오드)가 없는 양방향보조스위칭소자 등이 적용될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (39)

  1. 자기결합(Magnetic coupling)을 매개로 하는 공진 변압기의 제1 권선단과 순방향 전력 수수 시에 상기 제1 권선단과 함께 공진하여 제2 권선단에 전류 변화를 유도하는 제1 공진 커패시터를 구비하는 1차측 공진부와, 상기 순방향 전력 수수 시에 제1 직류 전원으로부터 상기 1차측 공진부로 흐르는 전류 경로를 형성하여 상기 1차측 공진부에 제1 공진 전류를 공급하는 1차측 스위칭부, 및 역방향 전력 수수 시에 상기 제1 권선단과 전기적으로 연결되고, 상기 1차측 스위칭부와 함께 제2 권선단의 전류 변화에 응답하여 상기 제1 권선단에 유도된 전류를 상기 제1 공진 커패시터를 우회하여 정류하여 상기 제1 직류 전원을 충전하는 1차측 보조 스위칭 소자부를 구비하는 1차측단; 및
    상기 제2 권선단과 제2 공진 커패시터를 구비하는 2차측 공진부와, 상기 역방향 전력 수수 시에 제2 직류 전원으로부터 상기 2차측 공진부로 흐르는 전류 경로를 형성하여 상기 2차측 공진부에 제2 공진 전류를 공급하는 2차측 스위칭부, 및 상기 순방향 전력 수수 시에 상기 제2 권선단과 전기적으로 연결되고, 상기 2차측 스위칭부와 함께 제1 권선단의 전류 변화에 응답하여 상기 제2 권선단에 유도된 전류를 상기 제2 공진 커패시터를 우회하여 정류하여 상기 제2 직류 전원을 충전하는 2차측 보조 스위칭 소자부를 구비하는 2차측단; 을 포함하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 1차측 스위칭부는
    상기 제1 직류 전원과 병렬로 연결되고, 1차측 제1 노드와 1차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제1 및 제2 스위칭 소자를 구비하는 1차측 제1 스위칭 소자부; 및
    상기 1차측 제1 스위칭 소자부와 병렬로 연결되고, 상기 1차측 제1 노드와 1차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제3 및 제4 스위칭 소자를 구비하는 1차측 제2 스위칭 소자부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 스위칭 소자는
    상기 순방향 전력 수수 시에 각각의 게이트에 대응하여 인가되는 스위칭신호의 전압 레벨에 응답하여 상기 제1 및 제4 스위칭 소자와 상기 제2 및 제3 스위칭 소자가 교대로 온/오프되고, 상기 역방향 전력 수수 시에는 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자가 모두 오프되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 스위칭 소자는
    상기 역방향 전력 수수 시에 역·병렬다이오드(바디 다이오드)에 의해 정류 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 스위칭 소자는
    Power Mosfet, IGBT, Power TR, SCR 중 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 1차측 공진부는
    상기 제1 및 제2 스위칭 소자 사이의 1차측 제3 노드와, 상기 제3 및 제4 스위칭 소자 사이의 1차측 제4 노드 사이에 상기 제1 공진 커패시터와 상기 제1 권선단이 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 1차측 보조 스위칭 소자부는
    상기 1차측 제1 노드와 상기 제1 공진 커패시터와 상기 제1 권선단 사이의 1차측 제5 노드 사이에 직렬로 연결되는 제1 보조다이오드 및 제1 보조 스위칭 소자를 구비하는 1차측 제1 보조 스위칭 소자부; 및
    상기 1차측 제5 노드와 상기 1차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제2 보조다이오드 및 제2 보조 스위칭 소자를 구비하는 1차측 제2 보조 스위칭 소자부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 보조 스위칭 소자는
    상기 순방향 전력 수수 시에 각각의 게이트에 대응하여 인가되는 스위칭신호의 전압 레벨에 응답하여 오프되어 상기 제1 공진 전류가 상기 1차측 보조 스위칭 소자부로 흐르는 것을 차단하고, 상기 역방향 전력 수수 시에는 온되어 상기 제1 권선단에 유도된 전류가 상기 제1 및 제2 보조다이오드를 통해 정류되도록 하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 보조 스위칭 소자는
    Power Mosfet, IGBT, Power TR, SCR 중 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 1차측 보조 스위칭 소자부는
    상기 1차측 제1 노드와 상기 제1 공진 커패시터와 상기 제1 권선단 사이의 1차측 제5 노드 사이에 직렬로 연결되고, SSR(Solid State Relay), 릴레이 및 접점 중 하나로 구현되는 1차측 제1 보조 스위칭 소자부; 및
    상기 1차측 제5 노드와 상기 1차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되고, SSR(Solid State Relay), 릴레이 및 접점 중 하나로 구현되는 1차측 제2 보조 스위칭 소자부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 2차측 스위칭부는
    상기 제2 직류 전원과 병렬로 연결되고, 2차측 제1 노드와 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제5 및 제6 스위칭 소자를 구비하는 2차측 제1 스위칭 소자부; 및
    상기 2차측 제1 스위칭 소자부와 병렬로 연결되고, 상기 2차측 제1 노드와 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제7 및 제8 스위칭 소자를 구비하는 2차측 제2 스위칭 소자부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제5 내지 제8 스위칭 소자는
    상기 역방향 전력 수수 시에 각각의 게이트에 대응하여 인가되는 스위칭신호의 전압 레벨에 응답하여 상기 제5 및 제8 스위칭 소자와 상기 제6 및 제7 스위칭 소자가 교대로 온/오프되고, 상기 순방향 전력 수수 시에는 상기 제5 내지 제8 스위칭 소자가 모두 오프되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제5 내지 제8 스위칭 소자는
    상기 순방향 전력 수수 시에 역·병렬다이오드(바디 다이오드)에 의해 정류 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제5 내지 제8 스위칭 소자는
    Power Mosfet, IGBT, Power TR, SCR 중 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 2차측 공진부는
    상기 제5 및 제6 스위칭 소자 사이의 2차측 제3 노드와, 상기 제7 및 제8 스위칭 소자 사이의 2차측 제4 노드 사이에 상기 제2 공진 커패시터와 상기 제2 권선단이 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 2차측 보조 스위칭 소자부는
    상기 2차측 제1 노드와 상기 제2 공진 커패시터와 상기 제2 권선단 사이의 2차측 제5 노드 사이에 직렬로 연결되는 제3 보조다이오드 및 제3 보조 스위칭 소자를 구비하는 2차측 제1 보조 스위칭 소자부; 및
    상기 2차측 제5 노드와 상기 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제4 보조다이오드 및 제4 보조 스위칭 소자를 구비하는 2차측 제2 보조 스위칭 소자부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 제3 및 제4 보조 스위칭 소자는
    상기 역방향 전력 수수 시에 각각의 게이트에 대응하여 인가되는 스위칭신호의 전압 레벨에 응답하여 오프되어 상기 제2 공진 전류가 상기 2차측 보조 스위칭 소자부로 흐르는 것을 차단하고, 상기 순방향 전력 수수 시에는 온되어 상기 제2 권선단에 유도된 전류가 상기 제3 및 제4 보조다이오드를 통해 정류되도록 하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 제3 및 제4 보조 스위칭 소자는
    Power Mosfet, IGBT, Power TR, SCR 중 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  19. 제16 항에 있어서,
    상기 2차측 보조 스위칭 소자부는
    상기 2차측 제1 노드와 상기 제2 공진 커패시터와 상기 제2 권선단 사이의 2차측 제5 노드 사이에 직렬로 연결되고, SSR(Solid State Relay), 릴레이 및 접점 중 하나로 구현되는 2차측 제3 보조 스위칭 소자부; 및
    상기 2차측 제5 노드와 상기 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되고, SSR(Solid State Relay), 릴레이 및 접점 중 하나로 구현되는 2차측 제4 보조 스위칭 소자부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  20. 자기결합(Magnetic coupling)을 매개로 하는 공진 변압기의 제1 권선단과 순방향 전력 수수 시에 상기 제1 권선단과 함께 공진하여 상기 제1 권선단에 전류 변화를 유도하는 제1 공진 커패시터를 구비하는 1차측 공진부와, 상기 순방향 전력 수수 시에 제1 직류 전원으로부터 상기 1차측 공진부로 흐르는 전류 경로를 형성하여 상기 1차측 공진부에 제1 공진 전류를 공급하는 1차측 스위칭부, 및 역방향 전력 수수 시에 상기 제1 권선단과 전기적으로 연결되고, 상기 1차측 스위칭부와 함께 제2 권선단의 전류 변화에 응답하여 상기 제1 권선단에 유도된 전류를 상기 제1 공진 커패시터를 거치지 않고 정류하여 상기 제1 직류 전원을 충전하는 1차측 보조 스위칭 소자부를 구비하는 1차측단; 및
    상기 공진 변압기의 제2 권선단과, 상기 역방향 전력 수수 시에 상기 제2 권선단과 함께 공진하여 상기 제2 권선단에 전류 변화를 유도하고, 상기 순방향 전력 수수 시에 상기 제2 권선단과 전기적으로 차단되는 2차측 공진부와, 상기 역방향 전력 수수 시에 제2 직류 전원으로부터 상기 2차측 공진부와 함께 상기 제2 권선단으로 흐르는 전류 경로를 형성하여 상기 2차측 공진부에 제2 공진 전류를 공급하는 2차측 스위칭부, 및 순방향 전력 수수 시에 상기 제2 권선단과 전기적으로 연결되어 상기 2차측 스위칭부와 함께 제1 권선단의 전류 변화에 응답하여 상기 제2 권선단에 유도된 전류를 상기 2차측 공진부를 우회하여 정류하여 상기 제2 직류 전원을 충전하는 2차측 보조 스위칭 소자부를 구비하는 2차측단; 을 포함하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 1차측 스위칭부는
    상기 제1 직류 전원과 병렬로 연결되고, 1차측 제1 노드와 1차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제1 및 제2 스위칭 소자를 구비하는 1차측 제1 스위칭 소자부; 및
    상기 1차측 제1 스위칭 소자부와 병렬로 연결되고, 상기 1차측 제1 노드와 1차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제3 및 제4 스위칭 소자를 구비하는 1차측 제2 스위칭 소자부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  22. 제21 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 스위칭 소자는
    상기 순방향 전력 수수 시에 각각의 게이트에 대응하여 인가되는 스위칭신호의 전압 레벨에 응답하여 상기 제1 및 제4 스위칭 소자와 상기 제2 및 제3 스위칭 소자가 교대로 온/오프되고, 상기 역방향 전력 수수 시에는 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자가 모두 오프되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  23. 제22 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 스위칭 소자는
    상기 역방향 전력 수수 시에 역·병렬다이오드(바디 다이오드)에 의해 정류 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 1차측 공진부는
    상기 제1 및 제2 스위칭 소자 사이의 1차측 제3 노드와, 상기 제3 및 제4 스위칭 소자 사이의 1차측 제4 노드 사이에 상기 제1 공진 커패시터와 상기 제1 권선단이 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  25. 제24 항에 있어서,
    상기 1차측 보조 스위칭 소자부는
    상기 1차측 제1 노드와 상기 제1 공진 커패시터와 상기 제1 권선단 사이의 1차측 제5 노드 사이에 직렬로 연결되는 제1 보조다이오드 및 제1 보조 스위칭 소자를 구비하는 1차측 제1 보조 스위칭 소자부; 및
    상기 1차측 제5 노드와 상기 1차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제2 보조다이오드 및 제2 보조 스위칭 소자를 구비하는 1차측 제2 보조 스위칭 소자부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  26. 제25 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 보조 스위칭 소자는
    상기 순방향 전력 수수 시에 각각의 게이트에 대응하여 인가되는 스위칭신호의 전압 레벨에 응답하여 오프되어 상기 제1 공진 전류가 상기 1차측 보조 스위칭 소자부로 흐르는 것을 차단하고, 상기 역방향 전력 수수 시에는 온되어 상기 제1 권선단에 유도된 전류가 상기 제1 및 제2 보조다이오드를 통해 정류되도록 하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  27. 제20 항에 있어서,
    상기 2차측 스위칭부는
    상기 제2 직류 전원과 병렬로 연결되고, 상기 2차측 제1 노드와 상기 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제11 스위칭소자와 제12 스위칭소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  28. 제27 항에 있어서,
    상기 2차측 공진부는
    상기 2차측 스위칭부와 병렬로 연결되고, 상기 2차측 제1 노드와 상기 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제2 공진 커패시터와 제3 공진 커패시터를 구비하는 2차측 공진 커패시터부; 및
    상기 제2 및 제3 공진 커패시터 사이의 2차측 제3 노드와, 상기 제11 및 제12 스위칭 소자 사이의 2차측 제4 노드 사이에 상기 제2 권선단과 직렬로 연결되는 2차측 양방향스위칭소자부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  29. 제28 항에 있어서,
    상기 2차측 보조 스위칭 소자부는
    상기 2차측 제1 노드와 상기 제2 권선단와 상기 2차측 양방향 스위칭 소자부 사이의 2차측 제5 노드 사이에 직렬로 연결되는 제3 보조다이오드 및 제3 보조 스위칭 소자를 구비하는 2차측 제3 보조 스위칭 소자부; 및
    상기 2차측 제5 노드와 상기 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 제4 보조다이오드 및 제4 보조 스위칭 소자를 구비하는 2차측 제4 보조 스위칭 소자부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  30. 제29 항에 있어서,
    상기 2차측 양방향스위칭소자부는
    상기 제2 공진 캐패시터와 상기 제3 공진 캐패시터 사이의 2차측 제3 노드와 상기 2차측 제3 보조 스위칭 소자부와 상기 2차측 제4 보조 스위칭 소자부 사이의 2차측 제5 노드 사이에 직렬로 연결되는 2개의 스위칭소자를 구비하고, 상기 2개의 스위칭소자는 서로 다른 전류 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  31. 제27 항에 있어서,
    상기 2차측 제11 및 제12 스위칭소자는
    상기 역방향 전력 수수 시에 각각의 게이트에 대응하여 인가되는 스위칭신호의 전압 레벨에 응답하여 상기 2차측 제11 스위칭소자와 상기 2차측 제12 스위칭소자가 교대로 온/오프되고, 상기 순방향 전력 수수 시에는 상기 2차측 제11 및 제12 스위칭소자가 모두 오프되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  32. 제31 항에 있어서,
    상기 2차측 제11 및 제12 스위칭소자는
    상기 순방향 전력 수수 시에 역·병렬다이오드(바디 다이오드)에 의해 정류 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  33. 제32 항에 있어서,
    상기 2차측 제11 및 제12 스위칭소자는
    Power Mosfet, IGBT, Power TR, SCR 중 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  34. 제29 항에 있어서,
    상기 2차측 제3 및 제4 보조스위칭소자는
    상기 순방향 전력수수 시에 턴-온 되어, 상기 제3 및 제4 보조다이오드와 제11 및 제12 스위칭소자가 정류 동작을 수행하도록 하고, 상기 역방향 전력수수 시에는 턴-오프 되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  35. 제30 항에 있어서,
    상기 2차측 양방향스위칭소자부의 2개의 스위칭소자는
    상기 순방향 전력수수 시에 턴-오프 되어 상기 2차측 공진커패시부와 상기 제2 권선단 사이의 전류 경로를 차단하고,
    상기 역방향 전력수수시에 턴-온되어 상기 2차측 공진커패시부와 상기 제2 권선단을 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  36. 제34 항에 있어서,
    상기 2차측 제3 및 제4 보조스위칭소자 각각은
    Power Mosfet, IGBT, Power TR, SCR, SSR 릴레이 및 접점 중 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  37. 제36 항에 있어서,
    상기 2차측 양방향스위칭소자부의 2개의 스위칭소자 각각은
    역병렬다이오드(바디다이오드)를 갖는 Power Mosfet, IGBT, Power TR 중 하나를 상호 반대 방향으로 직렬 연결하여 구현되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  38. 제36 항에 있어서,
    상기 2차측 양방향스위칭소자부의 2개의 스위칭소자 각각은
    역병렬다이오드(바디다이오드)를 갖지 않는 IGBT, Power Mosfet, TR, SCR 중 하나를 상호 반대 방향으로 병렬 연결하여 구현되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  39. 제36 항에 있어서,
    상기 2차측 양방향스위칭소자부의 2개의 스위칭소자 각각은
    SSR 릴레이 또는 접점 중 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
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