KR101338147B1 - 양방향 ｄｃ－ｄｃ 컨버터 - Google Patents

양방향 ｄｃ－ｄｃ 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양방향 DC-DC 컨버터에 관한 것이다. 보다 상세하게는 배터리 충전 장치 또는 계통 연계 용도로 사용되는 양방향 DC-DC 컨버터에 적용되는 부하의종류에 관계없이 최적의 효율 및 출력 제어를 제공할 수 있는 양방향 DC-DC 컨버터에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 연결되는 부하의 특성 또는 전력 흐름의 방향에 따라 LLC 공진 컨버터 또는 DAB(Dual Active Band) 컨버터 형태로 동작이 가능하므로 1차측 또는 2차측에 연결되는 부하의 종류에 관계없이 최적의 효율 및 출력 제어를 제공할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

양방향 ＤＣ－ＤＣ 컨버터 {Bidirectional DC-DC concerter}
본 발명은 양방향 DC-DC 컨버터에 관한 것이다. 보다 상세하게는 배터리 충전 장치 또는 계통 연계 용도로 사용되는 양방향 DC-DC 컨버터에 적용되는 부하의종류에 관계없이 최적의 효율 및 출력 제어를 제공할 수 있는 양방향 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
최근 배터리 충전 장치 또는 계통 연계에 적용하기 위한 양방향 DC-DC 컨버터의 보급이 점차 확대되고 있으며, 이에 따라 양방향 DC-DC 컨버터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 추세에 있다.
일반적으로 양방향 DC-DC 컨버터는 절연 형태에 따라 비절연형 또는 절연형으로 구분되는데, 대부분 시스템의 안정성을 위해 절연형 양방향 DC-DC 컨버터가 주로 사용되고 있으며 이러한 절연형 양방향 DC-DC 컨버터 중 최근 연구가 가장 활발히 진행되고 있는 양방향 DC-DC 컨버터인 Phase-shifted ZVS 컨버터와 Isolated Boost 컨버터가 결합된 형태의 양방향 DC-DC 컨버터의 동작 방식을 간략히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 Phase-shifted ZVS 컨버터와 Isolated Boost 컨버터가 결합된 형태의 양방향 DC-DC 컨버터에 대한 회로도로써, 도 1에 도시된 바와 같이 Phase-shifted ZVS 컨버터와 Isolated Boost 컨버터가 결합된 형태의 양방향 DC-DC 컨버터의 경우 변압기 1차 측의 누설 인덕터(도 1의 Llk) 성분을 이용하고 출력 측에는 고용량의 인덕터(도 2의 L)로 구성되어 있다.
또한, 상기와 같은 구성을 갖는 양방향 DC-DC 컨버터의 경우 순방향으로 동작하는 경우(다시 말해서, 변압기의 1차측으로부터 2차측으로 전력 흐름이 발생하는 경우) Phase-shifted ZVS 컨버터와 동일한 방식으로 동작이 이루어지며, 역방향으로 동작하는 경우 (다시 말해서, 변압기의 2차측으로부터 1차측으로 전력 흐름이 발생하는 경우) Boost 컨버터와 동일한 방식으로 동작이 이루어지게 된다.
그러나, 상기와 같은 형태를 갖는 양방향 DC-DC 컨버터의 경우 경부하에 적용되는 경우 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching)이 이루어지지 않는 문제점이 있었으며, 역방향으로 동작하는 경우 출력 측의 인덕터와 변압기 1차측의 누설 인덕터에 저장되는 에너지 차이에 의해 스위치에서 큰 스파이크가 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로 연결되는 부하의 특성 또는 전력 흐름의 방향에 따라 LLC 공진 컨버터 또는 DAB(Dual Active Band) 컨버터 형태로 동작하도록 함으로써 1차측 또는 2차측에 연결되는 부하의 종류에 관계없이 최적의 효율 및 출력 제어를 제공할 수 있는 양방향 DC-DC 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터는 양방향 DC-DC 컨버터에 있어서, 제1 전원부와 병렬 연결되는 제1 커패시터; 풀 브릿지 형태로 구성되는 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치, 및 제4 스위치를 포함하며, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치가 연결된 접점에 상기 제1 커패시터의 일측이 연결되고 상기 제3 스위치와 상기 제4 스위치가 연결된 접점에 상기 제1 커패시터의 타측이 연결되는 제1 스위칭부; 1차측 권선의 일측이 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치가 연결된 접점에 연결되고 1차측 권선의 타측이 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치가 연결된 접점에 연결되는 변압기; 상기 변압기 2차측 권선과 병렬 연결되는 제1 인덕터; 일측이 상기 변압기 2차측 권선의 일측과 연결되는 제2 인덕터; 일측이 상기 변압기 2차측 권선의 타측과 연결되는 제2 커패시터; 풀 브릿지 형태로 구성되는 제5 스위치, 제6 스위치, 제7 스위치, 및 제8 스위치를 포함하며, 상기 제5 스위치와 상기 제7 스위치가 연결된 접점에 상기 제2 인덕터 타측이 연결되고 상기 제6 스위치와 상기 제8 스위치가 연결된 접점에 상기 제2 커패시터 타측이 연결되는 제2 스위칭부; 일측이 상기 제5 스위치와 상기 제6 스위치가 연결된 접점에 연결되고 타측이 상기 제7 스위치와 상기 제8 스위치가 연결되는 접점에 연결되는 제3 커패시터; 상기 제3 커패시터와 병렬 연결되는 제2 전원부; 및 상기 제2 커패시터와 병렬 연결되며 전력 흐름의 방향에 따라 온오프 동작하는 동작 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 동작 스위칭부는 상기 변압기의 1차측으로부터 2차측으로 전력 흐름이 발생하는 경우 오프 동작할 수 있다.
또한, 상기 동작 스위칭부는 상기 변압기의 2차측으로부터 1차측으로 전력 흐름이 발생하는 경우 온 동작할 수 있다.
또한, 상기 제1 스위치 내지 상기 제8 스위치는 MOSFET 스위치 또는 IGBT 스위치일 수 있다.
또한, 상기 동작 스위칭부는 MOSFET 스위치, IGBT 스위치, 또는 릴레이 스위치일 수 있다.
본 발명에 의하면 연결되는 부하의 특성 또는 전력 흐름의 방향에 따라 LLC 공진 컨버터 또는 DAB(Dual Active Band) 컨버터 형태로 동작이 가능하므로 1차측 또는 2차측에 연결되는 부하의 종류에 관계없이 최적의 효율 및 출력 제어를 제공할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 Phase-shifted ZVS 컨버터와 Isolated Boost 컨버터가 결합된 형태의 양방향 DC-DC 컨버터에 대한 회로도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 회로도, 및
도 3과 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 동작 방법에 대한 참고도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 첨가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있음은 물론이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터(1)는 제1 전원부(10), 제1 커패시터(20), 제1 스위칭부(30), 변압기(40), 제1 인덕터(50), 제2 인덕터(60), 제2 커패시터(70), 제2 스위칭부(80), 제3 커패시터(90), 제2 전원부(100), 및 동작 스위칭부(110)를 포함한다.
제1 커패시터(20)는 제1 전원부(10)와 병렬 연결되고, 제1 스위칭부(30)는 풀 브릿지 형태로 구성되는 제1 스위치(32), 제2 스위치(34), 제3 스위치(36), 및 제4 스위치(38)를 포함하며, 제1 스위치(32)와 제2 스위치(34)가 연결된 접점에 제1 커패시터(20)의 일측이 연결되고 제3 스위치(36)와 제4 스위치(38)가 연결된 접점에 제1 커패시터(20)의 타측이 연결된다.
이때, 제1 스위치(32), 제2 스위치(34), 제3 스위치(36), 및 제4 스위치(38)는 MOSFET 스위치 또는 IGBT 스위치일 수 있다.
변압기(40)는 1차측 권선(42)의 일측이 제1 스위치(32)와 제3 스위치(36)가 연결된 접점에 연결되고 1차측 권선(42)의 타측이 제2 스위치(34)와 제4 스위치(38)가 연결된 점점에 연결된다.
제1 인덕터(50)는 변압기(40)의 2차측 권선(44)과 병렬 연결되고, 제2 인덕터(60)는 일측이 변압기(40)의 2차측 권선(44)의 일측과 연결되며, 제2 커패시터(70)는 일측이 변압기(40) 2차측 권선(44)의 타측과 연결된다.
제2 스위칭부(80)는 풀 브릿지 형태로 구성되는 제5 스위치(82), 제6 스위치(84), 제7 스위치(86), 및 제8 스위치(88)를 포함하고, 제5 스위치(82)와 제7 스위치(86)가 연결된 접점에 제2 인덕터(60) 타측이 연결되고 제6 스위치(84)와 제8 스위치(88)가 연결된 접점에 제2 커패시터 타측이 연결된다.
이때, 제5 스위치(82), 제6 스위치(84), 제7 스위치(86), 및 제8 스위치(88)는 MOSFET 스위치 또는 IGBT 스위치일 수 있다.
제3 커패시터(90)는 일측이 제5 스위치(82)와 제6 스위치(84)가 연결된 접점에 연결되고 타측이 제7 스위치(86)와 제8 스위치(88)가 연결된 접점이 연결된다.
제2 전원부(100)는 제3 커패시터(90)와 병렬 연결되고 동작 스위칭부(110)는 제2 커패시터(70)와 병렬 연결되며 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터(1)의 전력 흐름의 방향에 따라 온오프 동작한다.
동작 스위칭부(110)는 제2 커패시터(70)와 병렬 연결되며 전력 흐름의 방향에 따라 온오프 동작한다.
이때, 동작 스위칭부(110)는 MOSFET 스위치, IGBT 스위치, 또는 릴레이 스위치일 수 있고, 동작 스위칭부(110)의 온오프 동작은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터(1)에서 전력 흐름의 방향이 변화하는 시점에 소요되는 지연 시간(다시 말해서, 변압기(40) 1차측으로부터 2차측으로 전력 흐름이 이루어지다가 변압기(40) 2차측으로부터 1차측으로 전력 흐름이 변화하는 동안이 지연 시간)에 이루어질 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았지만 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터(1)의 경우 변압기(40) 1차측(다시 말해서, 제1 전원부(10) 측) 또는 변압기(40) 2차측(다시 말해서, 제2 전원부(100) 측)에 연결되는 부하의 종류에 따라 전력 흐름의 방향을 변압기(40) 1차측으로부터 변압기 (40) 2차측 또는 변압기(40) 2차측으로부터 변압기(40) 1차측으로 전환하고, 이에 따라 제1 스위칭부(30), 제2 스위칭부(80), 및 동작 스위칭부(110)의 동작을 제어하는 스위칭 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터(1)의 경우 전력 흐름의 방향에 따라(다시 말해서, 변압기(40)의 1차측으로부터 2차측으로 전력 흐름이 발생하거나 또는 변압기(40)의 2차측으로부터 1차측으로 전력 흐름이 발생하는 경우) 온오프 동작하는 동작 스위칭부(110)의 동작에 의해 LLC 공진형 컨버터 형태로 동작이 이루어지거나 또는 DAB(Dual Active Band) 컨버터 형태로 동작이 이루어질 수 있는데, 이를 이하 도 3 및 도 4를 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 동작 참고도이다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이 변압기(40)의 1차측으로부터 2차측으로 전력 흐름이 발생하는 경우 동작 스위칭부(110)가 오프 동작하게 되며, 제1 스위칭부(30)에서는 스위칭 동작이 이루어지고 제2 스위칭부(30)에서는 다이오드 정류 동작이 이루어진다.(다시 말해서, MOSFET 스위치 또는 IGBT 스위치인 제5 스위치(82), 제6 스위치(84), 제7 스위치(86), 및 제8 스위치(88)는 오프 상태이고, 제5 스위치(82), 제6 스위치(84), 제7 스위치(86), 및 제8 스위치(88)와 병렬 연결된 바디 다이오드를 통해 전류의 흐름이 이루어짐)
이에 따라, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터(1)의 경우 변압기(40)의 1차측으로부터 2차측으로 전력 흐름이 발생하는 경우 LLC 공진형 컨버터 형태로 동작이 이루어지게 되며, 이와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터(1)가 LLC 공진형 컨버터 형태로 동작하는 경우 공진 인덕터와 공진 커패시터의 공진을 이용하여 전 부하에서 영전압 스위칭이 가능하게 되므로 전 부하에서 높은 효율을 얻을 수 있게 된다.
또한, LLC 공진형 컨버터의 경우 공지된 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이 변압기(40)의 2차측으로부터 1차측으로 전력 흐름이 발생하는 경우 동작 스위칭부(110)가 온 동작하게 되고, 제2 스위칭부(80) 및 제1 스위칭부(30) 모두 스위칭 동작이 이루어지게 된다.
이에 따라, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터(1)의 경우 변압기 2차측으로부터 1차측으로 전력 흐름이 발생하는 경우 DAB(Dual Active Band) 컨버터와 같은 형태로 동작이 이루어지게 되며, 이와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터(1)가 DAB 컨버터 형태로 동작하는 경우 일정 부하 이상에서 고효율을 제공할 수 있게 된다.
또한, DAB 컨버터의 경우 공지된 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터(1)가 LLC 공진 컨버터 동작 형태에서 DAB 컨버터 동작 형태로 전환하기 위한 동작 스위칭부(120)의 온 동작은 제2 커패시터부(70)가 완전 방전된 후 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터(1)의 경우 전력 흐름의 방향에 따라 제1 스위칭부(30)가 스위칭 동작하고, 제2 스위칭부(80)가 다이오드 정류 동작하며, 동작 스위칭부(110)가 오프 동작하여 LLC 공진형 컨버터 형태로 동작이 이루어지거나 또는 제1 스위칭부(30) 및 제2 스위칭부(80)가 스위칭동ㅂ작하고, 동작 스위칭부(110)가 온 동작하여 DAB 컨버터 형태로 동작이 이루어질 수 있으며, 이에 따라 연결되는 부하의 종류(예를 들어, 무부하, 경부하, 또는 부하가 작은 경우)에 관계없이 최적의 효율 및 출력 제어를 제공할 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경, 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면들에 의해서 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
(1) : 양방향 DC-DC 컨버터 (10) : 제1 전원부
(20) : 제1 커패시터 (30) : 제1 스위칭부
(32) : 제1 스위치 (34) : 제2 스위치
(36) : 제3 스위치 (38) : 제4 스위치
(40) : 변압기 (50) : 제1 인덕터
(60) : 제2 인덕터 (70) : 제2 커패시터
(80) : 제2 스위칭부 (82) : 제5 스위치
(84) : 제6 스위치 (86) : 제7 스위치
(88) : 제8 스위치 (90) : 제3 커패시터
(100) : 제2 전원부 (110) : 동작 스위칭부

Claims (5)

  1. 양방향 DC-DC 컨버터에 있어서,
    제1 전원부와 병렬 연결되는 제1 커패시터;
    풀 브릿지 형태로 구성되는 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치, 및 제4 스위치를 포함하며, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치가 연결된 접점에 상기 제1 커패시터의 일측이 연결되고 상기 제3 스위치와 상기 제4 스위치가 연결된 접점에 상기 제1 커패시터의 타측이 연결되는 제1 스위칭부;
    1차측 권선의 일측이 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치가 연결된 접점에 연결되고 1차측 권선의 타측이 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치가 연결된 접점에 연결되는 변압기;
    상기 변압기 2차측 권선과 병렬 연결되는 제1 인덕터;
    일측이 상기 변압기 2차측 권선의 일측과 연결되는 제2 인덕터;
    일측이 상기 변압기 2차측 권선의 타측과 연결되는 제2 커패시터;
    풀 브릿지 형태로 구성되는 제5 스위치, 제6 스위치, 제7 스위치, 및 제8 스위치를 포함하며, 상기 제5 스위치와 상기 제7 스위치가 연결된 접점에 상기 제2 인덕터 타측이 연결되고 상기 제6 스위치와 상기 제8 스위치가 연결된 접점에 상기 제2 커패시터 타측이 연결되는 제2 스위칭부;
    일측이 상기 제5 스위치와 상기 제6 스위치가 연결된 접점에 연결되고 타측이 상기 제7 스위치와 상기 제8 스위치가 연결되는 접점에 연결되는 제3 커패시터;
    상기 제3 커패시터와 병렬 연결되는 제2 전원부; 및
    상기 제2 커패시터와 병렬 연결되며 전력 흐름의 방향에 따라 온오프 동작하는 동작 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 동작 스위칭부는 상기 변압기의 1차측으로부터 2차측으로 전력 흐름이 발생하는 경우 오프 동작하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 동작 스위칭부는 상기 변압기의 2차측으로부터 1차측으로 전력 흐름이 발생하는 경우 온 동작하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 스위치 내지 상기 제8 스위치는 MOSFET 스위치 또는 IGBT 스위치인 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 동작 스위칭부는 MOSFET 스위치, IGBT 스위치, 또는 릴레이 스위치인 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
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