KR101387829B1 - 양방향 전력 변환 직류-직류 컨버터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 넓은 입력 전압 제어 범위에서 고 효율특성을 갖는 양방향 전력수수가 가능한 양방향 직류-직류 컨버터를 공개한다. 본 발명의 양방향 직류-직류 컨버터는 제1 직류 전원과 각각 병렬로 연결되는 1차측 제1 및 제2 공진 컨버터부를 구비하고, 순방향 동작시에 1차측 제1 공진 컨버터부의 제1 공진 변압기의 제1 권선단과 1차측 제1 공진 커패시터, 1차측 제2 공진 컨버터부의 제2 공진 변압기의 제1 권선단 및 1차측 제2 공진 커패시터 각각을 통해 흐르는 전류 경로를 형성하며, 역방향 동작시에 1차측 제1 및 제2 공진 커패시터를 우회하는 전류 경로를 형성하는 1차측단, 및 제2 직류 전원에 각각 병렬로 연결되는 2차측 제1 및 제2 공진 컨버터부를 구비하고, 역방향 동작 시에 2차측 제1 공진 컨버터부의 제1 공진 변압기의 제2 권선단과 2차측 제2 공진 컨버터부의 제2 공진 변압기의 제2 권선단 및 제1 공진 변압기의 제2 권선단과 제2 공진 변압기의 제2 권선단을 직렬로 연결하는 2차측 공진 커패시터를 통해 흐르는 전류 경로를 형성하며, 순방향 동작 시에 2차측 공진 커패시터를 우회하는 전류 경로를 형성하는 2차측단을 포함한다.

Description

양방향 전력 변환 직류-직류 컨버터{DC-DC Converter for Bidirectional Power Conversion}
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.
최근 배터리 충방전 시스템, 무정전 전원공급시스템(UPS), 하이브리드 전기자동차(HEV), 태양광발전 계통연계시스템 등 여러 분야에 양방향 DC-DC 컨버터가 활용되고 있다. 기존에는 절연형 고주파변압기를 적용한 전압원 컨버터 또는 전류원 컨버터가 양방향 DC-DC 컨버터에 적용 개발되어왔다.
기존의 양방향 DC-DC 컨버터들은 기본적으로 하드스위칭(Hard Switching)을 수행하기 때문에 스위칭손실에 의한 전력변환손실과 집적화를 위해 스위칭주파수를 높이는데 있어서 한계가 있으므로 집적화 및 스위칭손실, EMI저감을 위해 소프트 스위칭이 가능한 LLC 공진컨버터가 접목된 양방향 DC-DC 컨버터 개발이 활발히 이루어지고 있다.
도1 은 종래의 양방향 DC-DC 컨버터의 일예를 나타내고, 도2 내지 4 는 도1 의 양방향 DC-DC 컨버터의 공진 특성을 나타낸다.
도1 의 양방향 DC-DC 컨버터는 양방향 공진컨버터(Bidirectional Resonant Converter)와 승강압컨버터(Buck/Boost Converter)가 결합된 2단 구성 양방향 DC-DC 컨버터이다.
도1 에서 양방향 공진컨버터는 순방향 모드 및 역방향 모드 전력전달 시에 도2 의 LLC 동작 특성을 나타낼 수 있으나, 1, 2차측 공진커패시터(Cr1, CB1)값에 따라 도3 에 도시된 바와 같은 CCL 동작특성과 LLC 동작특성이 혼합된 CLLC 공진특성 및 도 4의 SRC 공진특성을 가지게 되어 모든 입력전압범위 및 부하범위에 대해 제어가 매우 어렵다. 이에 승강압컨버터를 양방향 공진컨버터에 결합하여 양방향 공진컨버터만을 이용하는 경우에 비하여 넓은 입력전압범위에서 전력 제어가 가능하도록 한다. 그러나 순방향 및 역방향 전력수수 시 양방향 공진컨버터 뿐만 아니라 승/강압컨버터를 적용하기 때문에 전력변환손실 및 단가(Cost)가 증가하는 등 단점을 갖는다.
도5 는 종래의 양방향 DC-DC 컨버터의 다른 예를 나타내고, 도6 은 도5 의 양방향 DC-DC 컨버터의 이득 특성을 나타낸다.
도5 의 양방향 DC-DC 컨버터는 도1 의 양방향 DC-DC 컨버터의 공진 이득 특성을 개선한 컨버터로서 한국 특허 출원 (출원번호 : 10-2012-0043433, 출원인 : 전주대학교, 카코뉴에너지(주), c출원일 : 2012.04.25.)에 개시되었다.
도5 의 양방향 DC-DC 컨버터는 FB(Full-Bridge) 공진컨버터로서 1차측단 및 2차측단에 보조스위치(SR1, SR2, SR3, SR4)와 보조다이오드(DR1,DR2,DR3,DR4)로 구성되는 보조수단을 적용하여 영전압스위칭이 가능한 양방향 DC-DC 컨버터를 제안하였다.
그러나 도6 에 도시된 바와 같이, 도5 의 양방향 DC-DC 컨버터는 일반적으로 순방향 동작 모드 시 넓은 입력전압범위(Vin)에서 가장 높은 전압을 기준으로 공진주파수점 부근에서 스위칭하여 일정 출력전압(Vo)을 제어하도록 변압기설계 및 공진회로가 설계되는데, 입력전압(Vin)이 낮아지게 되면 일정 출력전압(Vo)을 제어하기 위해 스위칭주파수를 낮은 주파수로 이동시켜 이득을 높여 불연속모드 공진특성을 가지고 동작된다. 하지만 반대로 역방향동작 모드 시에는 일정 출력전압(Vo)에서 높은 입력전압(Vin)을 기준으로 공진점에서 c동작하기 때문에 입력전압(Vin)이 낮아지게 되면 도6 에서와 같이 연속모드에서 제어하게 된다. 하지만 연속모드에서 동작하게 되면 이득변화가 크지 않기 때문에 낮은 전압으로 전력제어가 어렵다.
즉 도5 의 양방향 DC-DC 컨버터는 1차측에서 2차측으로 순방향전력전달 동작 모드 시 1차측의 넓은 입력전압 범위(Vin)에서 2차측의 일정출력전압(Vo)을 제어하고, 2차측에서 1차측으로 역방향 전력전달 동작 모드 시 2차측 일정출력전압(Vo)에서 넓은 범위로 1차측 전압(Vin)을 가변 전압제어를 하는 경우, 순방향 및 역방향 전력전달에 있어서 원하는 전압이득 특성을 얻기 어렵다.
본 발명의 목적은 2개의 변압기와 2개의 변압기 각각에 대응하는 1차측단 및 2차측단을 구비하여 양방향 전력제어 시 용이하게 이득을 제어할 수 있는 양방향 전력수수가 가능한 DC-DC 컨버터를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터는 제1 직류 전원과 각각 병렬로 연결되는 1차측 제1 및 제2 공진 컨버터부를 구비하고, 순방향 동작시에 상기 1차측 제1 공진 컨버터부의 제1 공진 변압기의 제1 권선단과 1차측 제1 공진 커패시터, 상기 1차측 제2 공진 컨버터부의 제2 공진 변압기의 제1 권선단 및 1차측 제2 공진 커패시터 각각을 통해 흐르는 전류 경로를 형성하며, 역방향 동작시에 상기 1차측 제1 및 제2 공진 커패시터를 우회하는 전류 경로를 형성하는 1차측단; 및 제2 직류 전원에 각각 병렬로 연결되는 2차측 제1 및 제2 공진 컨버터부를 구비하고, 역방향 동작 시에 상기 2차측 제1 공진 컨버터부의 상기 제1 공진 변압기의 제2 권선단과 상기 2차측 제2 공진 컨버터부의 상기 제2 공진 변압기의 제2 권선단 및 상기 제1 공진 변압기의 제2 권선단과 제2 공진 변압기의 제2 권선단을 직렬로 연결하는 2차측 공진 커패시터를 통해 흐르는 전류 경로를 형성하며, 순방향 동작 시에 상기 2차측 공진 커패시터를 우회하는 전류 경로를 형성하는 2차측단;을 포함한다.
따라서 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터는 2개의 변압기를 구비하고, 2개의 변압기에 1차측단은 병렬 회로 구성으로 연결되고, 2차측단은 직렬 회로 구성으로 연결되어 양방향 전력 제어시 넓은 입력 전압 범위에 대해 용이하게 이득을 제어할 수 있다.
도1 은 종래의 양방향 DC-DC 컨버터의 일예를 나타낸다.
도2 내지 4 는 도1 의 양방향 DC-DC 컨버터의 공진 특성을 나타낸다.
도5 는 종래의 양방향 DC-DC 컨버터의 다른 예를 나타낸다.
도6 은 도5 의 양방향 DC-DC 컨버터의 이득 특성을 나타낸다.
도7 은 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 일예를 나타낸다.
도8 은 도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 순방향 동작 시 동작 파형도이다.
도9 및 도10 은 도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 순방향 동작을 구간별로 설명하기 위한 도면이다.
도11 은 도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 순방향 동작 시 개별 등가회로를 나타낸다.
도12 는 도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 역방향 동작 시 동작 파형도이다.
도13 및 도14 은 도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 역방향 동작을 구간별로 설명하기 위한 도면이다.
도15 는 도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 역방향 동작 시 등가회로를 나타낸다.
도16 은 도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 2차측 자화 인덕턴스에 인가되는 전압을 1차측단에 반영한 등가회로이다.
도17 은 본 발명의 양방향 DC-DC 컨버터의 순방향 동작시 입출력 전압 이득 특성 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도18 은 본 발명의 양방향 DC-DC 컨버터의 역방향 동작시 입출력 전압 이득 특성 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도19 는 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터에서 보조 스위칭 소자의 다른 구성을 나타낸다.
도20 은 도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 순방향 동작시 실험 파형을 나타낸다.
도21 은 도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 역방향 동작시 실험 파형을 나타낸다.
도22 는 본 발명의 DC-DC 컨버터의 순방향 동작시 1차측 입력전압 범위에 대한 효율 특성을 나타낸다.
도23 은 본 발명의 DC-DC 컨버터의 역방향 동작시 1차측 입력전압 제어범위에 대한 효율 특성을 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.
도7 은 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 일예를 나타낸다.
도7 은 양방향 DC-DC 컨버터 중 풀 브릿지(Full Bridge : 이하 FB) 공진 컨버터를 나타낸다. 도7 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.
1차측단(110)은 1차측 제1 노드(Nd11)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에 제1 직류 전원(Vin)과 병렬로 연결되는 1차측 제1 공진 컨버터부, 1차측 제1 노드(Nd11)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에 1차측 제1 공진 컨버터부와 병렬로 연결되는 1차측 제2 공진 컨버터부를 구비한다.
1차측 제1 공진 컨버터부는 1차측 제1 노드(Nd11)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에 제1 직류 전원(Vin)과 병렬로 연결되는 1차측 제1 스위칭 소자부 및 1차측 제2 스위칭 소자부를 구비하는 1차측 제1 스위칭부와, 1차측 제1 노드(Nd11)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에 1차측 제1 스위칭부와 병렬로 연결되는 1차측 제1 보조 스위칭부 및 1차측 제1 스위칭 소자부와 1차측 제2 스위칭 소자부 사이에 연결되는 1차측 제1 공진부를 구비한다.
1차측 제1 스위칭 소자부는 1차측 제1 노드(Nd11)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에 직렬로 연결되는 1차측 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2)를 구비하고, 1차측 제2 스위칭 소자부는 1차측 제1 스위칭 소자부와 병렬로 연결되고, 1차측 제1 노드(Nd11)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에 직렬로 연결되는 1차측 제3 및 제4 스위칭 소자(S3, S4)를 구비한다. 1차측 제1 보조 스위칭부는 1차측 제1 스위칭 소자부와 1차측 제2 스위칭 소자부 사이에 병렬로 배치되며, 1차측 제1 노드(Nd11)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에 직렬로 연결되는 1차측 제1 보조 스위칭 소자부와 1차측 제2 보조스위칭 소자부를 구비하고, 1차측 제1 보조 스위칭 소자부와 1차측 제2 보조스위칭 소자부는 각각 직렬로 연결되는 1개의 보조 다이오드(DR1, DR2)와 1개의 보조 스위칭 소자(SR1, SR2)를 구비한다.
1차측 제1 공진부는 1차측 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2) 사이의 1차측 제3 노드(Nd13)와 1차측 제3 및 제4 스위칭 소자(S3, S4) 사이의 1차측 제4 노드(Nd14) 사이에 배치된다. 1차측 제1 공진부는 1차측 제3 노드(Nd13)와 1차측 제4 노드(Nd14) 사이에 직렬로 연결되는 1차측 제1 공진 커패시터(Cr1)와 제1 공진 변압기(T1)의 제1 권선단을 구비한다.
1차측 제1 보조 스위칭 소자부는 1차측 제1 노드(Nd11)와 1차측 제1 공진 커패시터(Cr1)와 제1 공진 변압기(T1)의 제1 권선단 사이의 1차측 제5 노드(Nd15)사이에, 1차측 제1 보조 다이오드(DR1)와 1차측 제1 보조 스위칭 소자(SR1)가 직렬로 연결된다. 이 때, 직렬 연결된 1차측 제1 보조 다이오드(DR1)와 1차측 제1 보조 스위칭 소자(SR1)의 배치는 서로 바뀌어도 무방하다.
그리고 1차측 제2 보조 스위칭 소자부는 1차측 제5 노드(Nd15)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에, 1차측 제2 보조 다이오드(DR2)와 1차측 제2 보조 스위칭 소자(SR2)가 직렬로 연결된다. 여기서, 1차측 제1 보조 스위칭 소자부와 마찬가지로 1차측 제2 보조 스위칭 소자부의 1차측 제2 보조 다이오드(DR2)와 1차측 제2 보조 스위칭 소자(SR2)의 배치 또한 서로 바뀌어도 무방하다.
1차측 제2 공진 컨버터부는 1차측 제1 노드(Nd11)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에 제1 직류 전원(Vin)과 병렬로 연결되는 1차측 제3 스위칭 소자부 및 1차측 제4 스위칭 소자부를 구비하는 1차측 제2 스위칭부와, 1차측 제1 노드(Nd11)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에 1차측 제2 스위칭부와 병렬로 연결되는 1차측 제2 보조 스위칭부 및 1차측 제3 스위칭 소자부와 1차측 제4 스위칭 소자부 사이에 연결되는 1차측 제2 공진부를 구비한다.
1차측 제3 스위칭 소자부는 1차측 제1 노드(Nd11)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에 직렬로 연결되는 1차측 제5 및 제6 스위칭 소자(S5, S6)를 구비하고, 1차측 제4 스위칭 소자부는 1차측 제3 스위칭 소자부와 병렬로 연결되고, 1차측 제1 노드(Nd11)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에 직렬로 연결되는 1차측 제7 및 제8 스위칭 소자(S7, S8)를 구비한다. 1차측 제2 보조 스위칭부는 1차측 제3 스위칭 소자부와 1차측 제4 스위칭 소자부 사이에 병렬로 배치되며, 1차측 제1 노드(Nd11)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에 직렬로 연결되는 1차측 제3 보조 스위칭 소자부와 1차측 제4 보조스위칭 소자부를 구비하고, 1차측 제3 보조 스위칭 소자부와 1차측 제4 보조스위칭 소자부는 각각 직렬로 연결되는 1개의 다이오드(DR1, DR2)와 1개의 보조 스위칭 소자(SR1, SR2)를 구비한다.
1차측 제2 공진부는 제5 및 제6 스위칭 소자(S5, S6) 사이의 1차측 제6 노드(Nd16)와 제7 및 제8 스위칭 소자(S7, S8) 사이의 1차측 제7 노드(Nd17) 사이에 배치된다. 1차측 제2 공진부는 1차측 제6 노드(Nd16)와 1차측 제7 노드(Nd17) 사이에 직렬로 연결되는 1차측 제2 공진 커패시터(Cr2)와 제2 공진 변압기(T2)의 제1 권선단을 구비한다. 여기서 제2 공진 변압기(T2)의 제1 권선단은 제1 공진 변압기(T1)의 제1 권선단과 극성이 서로 반대로 연결된다.
1차측 제3 보조 스위칭 소자부는 1차측 제1 노드(Nd11)와 1차측 제2 공진 커패시터(Cr2)와 제2 공진 변압기(T2)의 제1 권선단 사이의 1차측 제8 노드(Nd18)사이에, 1차측 제3 보조 다이오드(DR3)와 1차측 제3 보조 스위칭 소자(SR3)가 직렬로 연결된다. 1차측 제3 보조 다이오드(DR3)와 1차측 제3 보조 스위칭 소자(SR3) 또한 연결 순서가 서로 바뀌어도 무방하다.
그리고 1차측 제4 보조 스위칭 소자부는 1차측 제8 노드(Nd18)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에, 1차측 제4 보조 다이오드(DR4)와 1차측 제4 보조 스위칭 소자(SR4)가 직렬로 연결된다. 여기서, 직렬 연결되는 1차측 제4 보조 다이오드(DR4)와 1차측 제4 보조 스위칭 소자(SR4)의 배치 순서는 서로 변경되어도 무방하다.
즉 본 발명의 양방향 DC-DC 컨버터에서 1차측 제1 컨버터부와 1차측 제2 공진 컨버터부는 동일한 구성을 갖지만, 제2 공진 변압기(T1)의 제1 권선단과 제2 공진 변압기(T2)의 제1 권선단은 극성이 서로 반대 방향으로 병렬로 연결된다.
도7 에서 Lm1 및 Lm2는 각각 자기결합에 따른 제1 공진 변압기(T1) 및 제2 공진 변압기(T2)의 제1 권선단의 자화인덕턴스를 나타내고, Im1 및 Im2는 각각 제1 공진 변압기(T1) 및 제2 공진 변압기(T2)의 제1 권선단을 흐르는 자화 전류를 나타내며, Ll1 및 Ll2 는 각각 제1 공진 변압기(T1) 및 제2 공진 변압기(T2)의 제1 권선단의 누설 인덕턴스를 나타낸다.
1차측단(110)은 1차측 제1 노드(Nd11)와 1차측 제2 노드(Nd12) 사이에 제1 직류 전원(Vin)과 병렬로 연결되는 입력 커패시터(Cin)를 더 구비할 수 있다.
반면, 양방향 DC-DC 컨버터의 2차측단(120)는 2차측 제1 노드(Nd21)와 2차측 제2 노드(Nd22) 사이에 제2 직류 전원(Vo)과 각각 병렬로 연결되는 2차측 제1 공진 컨버터부와 2차측 제2 공진 컨버터부 및 2차측 제1 공진 컨버터부와 2차측 제2 공진 컨버터부 사이에 연결되는 2차측 공진 커패시터(Cr3)를 구비한다.
2차측 제1 공진 컨버터부는 1차측 제1 공진 컨버터부에 대응하는 구성으로 2차측 제1 노드(Nd21)와 2차측 제2 노드(Nd22) 사이에 서로 병렬로 연결되는 2차측 제1 스위칭부와 2차측 제1 보조 스위칭부 및 2차측 제1 스위칭부와 2차측 제1 보조 스위칭부 사이에 연결되는 제1 공진 변압기(T1)의 제2 권선단을 구비한다.
2차측 제1 스위칭부는 2차측 제1 노드(Nd21)와 2차측 제2 노드(Nd22) 사이에 직렬로 연결되는 2차측 제1 및 제2 스위칭 소자(Q1, Q2)를 구비하고, 2차측 제1 보조 스위칭부는 2차측 제1 노드(Nd21)와 2차측 제2 노드(Nd22) 사이에 직렬로 연결되는 2차측 제1 및 제2 보조 스위칭 소자부를 구비한다.
제1 공진 변압기(T1)의 제2 권선단은 2차측 제1 및 제2 스위칭 소자(Q1, Q2) 사이의 2차측 제3 노드(Nd23)와 2차측 제1 및 제2 보조 스위칭 소자부 사이의 2차측 제4 노드(Nd24) 사이에 연결된다.
2차측 제1 보조 스위칭 소자부는 2차측 제1 노드(Nd21)와 2차측 제4 노드(Nd24)사이에, 2차측 제1 보조 다이오드(DR5)와 2차측 제1 보조 스위칭 소자(SR5)가 직렬로 연결된다. 이 때, 2차측 제1 보조 스위칭 소자부 또한 1차측 제1 내지 제4 보조 스위칭 소자부와 유사하게 2차측 제1 보조 다이오드(DR5)와 2차측 제1 보조 스위칭 소자(SR5)의 위치가 서로 바뀌어도 무방하다.
2차측 제2 보조 스위칭 소자부는 2차측 제4 노드(Nd24)와 2차측 제2 노드(Nd22)사이에, 2차측 제2 보조 다이오드(DR6)와 2차측 제2 보조 스위칭 소자(SR6)가 직렬로 연결된다. 2차측 제1 보조 스위칭 소자부와 마찬가지로 2차측 제2 보조 스위칭 소자부의 2차측 제2 보조 다이오드(DR6)와 2차측 제2 보조 스위칭 소자(SR6)의 배치는 변경될 수 있다.
한편 2차측 제2 공진 컨버터부는 1차측 제2 공진 컨버터부에 대응하는 구성으로 2차측 제1 노드(Nd21)와 2차측 제2 노드(Nd22) 사이에 서로 병렬로 연결되는 2차측 제2 스위칭부와 2차측 제2 보조 스위칭부 및 2차측 제2 스위칭부와 2차측 제2 보조 스위칭부 사이에 연결되는 제2 공진 변압기(T2)의 제2 권선단을 구비한다.
2차측 제2 스위칭부는 2차측 제1 노드(Nd21)와 2차측 제2 노드(Nd22) 사이에 직렬로 연결되는 2차측 제3 및 제4 스위칭 소자(Q3, Q4)를 구비하고, 2차측 제2 보조 스위칭부는 2차측 제1 노드(Nd21)와 2차측 제2 노드(Nd22) 사이에 직렬로 연결되는 2차측 제3 및 제4 보조 스위칭 소자부를 구비한다.
제2 공진 변압기(T2)의 제2 권선단은 2차측 제3 및 제4 스위칭 소자(Q3, Q4) 사이의 2차측 제5 노드(Nd25)와 2차측 제3 및 제4 보조 스위칭 소자부 사이의 2차측 제6 노드(Nd26) 사이에 연결된다.
2차측 제3 보조 스위칭 소자부는 2차측 제1 노드(Nd21)와 2차측 제6 노드(Nd26)사이에, 2차측 제3 보조 다이오드(DR7)와 2차측 제3 보조 스위칭 소자(SR7)가 직렬로 연결된다. 2차측 제3 보조 다이오드(DR7)와 2차측 제3 보조 스위칭 소자(SR7)의 배치는 변경될 수 있다.
2차측 제4 보조 스위칭 소자부는 2차측 제6 노드(Nd26)와 2차측 제2 노드(Nd22)사이에, 2차측 제4 보조 다이오드(DR8)와 2차측 제4 보조 스위칭 소자(SR8)가 직렬로 연결된다. 그리고 2차측 제4 보조 다이오드(DR8)와 2차측 제4 보조 스위칭 소자(SR8)의 연결 순서 또한 변경되어도 무방하다.
그리고 2차측 공진 커패시터(Cr3)는 2차측 제4 노드(Nd24)와 2차측 제6 노드(Nd26) 사이에 연결된다.
또한 2차측단(120)에서 제1 공진 변압기(T1)의 제2 권선단 및 제2 공진 변압기(T2)의 제2 권선단은 극성이 서로 동일한 방향으로 연결된다.
도7 에 도시된 바와 같이, 비록 2차측 제1 및 제2 공진 컨버터부는 2차측 제1 및 제2 노드(Nd21, Nd22) 사이에 병렬로 연결되는 것처럼 보일수도 있으나, 2차측 공진 커패시터(Cr3)는 2차측 제4 노드(Nd24)와 2차측 제6 노드(Nd26) 사이에 연결되어 2차측 제1 및 제2 공진 컨버터부가 2차측 공진 커패시터(Cr3)를 공동으로 이용하고, 제1 공진 변압기(T1)의 제2 권선단 및 제2 공진 변압기(T2)의 제2 권선단은 극성이 동일한 방향으로 연결됨에 따라 서로 직렬로 연결된 구성으로 볼 수 있다.
그리고 1차측단에서와 마찬가지로 2차 측단의 Lm3 및 Lm3는 각각 자기결합에 따른 제1 공진 변압기(T1) 및 제2 공진 변압기(T2)의 제2 권선단의 자화인덕턴스를 나타내고, Im3 및 Im4는 각각 제1 공진 변압기(T1) 및 제2 공진 변압기(T2)의 제2 권선단을 흐르는 자화 전류를 나타내며, Ll3 및 Ll4 는 각각 제1 공진 변압기(T1) 및 제2 공진 변압기(T2)의 제2 권선단의 누설 인덕턴스를 나타낸다.
도8 은 도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 순방향 동작 시 동작 파형도이며, 도9 및 도10 은 도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 순방향 동작을 구간별로 설명하기 위한 도면이다.
도9 및 도10 을 참조하여 도8 의 양방향 DC-DC 컨버터의 순방향 동작을 설명하면, 도8 의 양방향 DC-DC 컨버터의 순방향 동작은 제1 내지 제6 시간 구간의 6개의 시간 구간((t0 ~ t1), (t1 ~ t2), (t2 ~ t3), (t3 ~ t4), (t4 ~ t5), (t5 ~ t6))으로 구분될 수 있다.
도8 에서 전압(Vab)은 1차측 제3 노드(Nd13)와 1차측 제4 노드(Nd14) 사이의 전압 레벨을 나타내고, 전압(Vcd)은 1차측 제6 노드(Nd16)와 1차측 제7 노드(Nd17) 사이의 전압 레벨을 나타낸다. 그리고 전압(Vef)은 2차측 제3 노드(Nd23)와 2차측 제4 노드(Nd24) 사이의 전압 레벨을 나타내고, 전압(Vcd)은 2차측 제6 노드(Nd26)와 2차측 제5 노드(Nd25) 사이의 전압 레벨을 나타낸다.
순방향 동작 시에는 1차측단(110)의 1차측 제1 , 제4 , 제5 및 제8 스위칭 소자(S1, S4, S5, S8)와 1차측 제2 , 제3 , 제6 및 제7 스위칭 소자(S2, S3, S6, S7)가 각각의 게이트에 대응하여 인가되는 스위칭신호(VGS1 ~ VGS8)의 전압 레벨에 응답하여 번갈아가며 온/오프된다. 1차측 제1 내지 제8 스위칭 소자(S1 ~ S8)는 각각 고정된 듀티비(도8 에서는 50%)를 가지고 교번으로 동작하는 스위칭신호(VGS1, VGS4, VGS5, VGS8)와 스위칭신호(VGS2, VGS3, VGS6, VGS7)에 응답하여 턴-온, 턴-오프된다. 그러나 2차측단(120)의 2차측 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1 ~ Q4)는 순방향 동작 시에 계속 오프 상태로 유지된다. 그리고 순방향 동작 시에 1차측단(110)의 1차측 제1 내지 제4 보조스위칭 소자(SR1 ~ SR4)는 항시 턴-오프(Turn-off)되고, 2차측단(120)의 2차측 제1 내지 제4 보조스위칭 소자(SR5 ~ SR8)는 항시 턴-온(Turn-on)된다.
도시하지 않았으나 순방향 동작에서 제1 시간 구간(t0 ~ t1)에서의 동작은 1차측 제1 , 제4 , 제5 및 제8 스위칭 소자(S1, S4, S5, S8)가 스위칭신호(VGS1, VGS4, VGS5, VGS8)에 응답하여 턴 온 되기 이전 상태로 오프 상태가 유지되고 있으며, 1차측 제2 , 제3 , 제6 및 제7 스위칭 소자(S2, S3, S6, S7)는 스위칭신호(VGS2, VGS3, VGS6, VGS7)에 응답하여 턴 오프된 상태이다. 1차측 제1 내지 제8 스위칭 소자(S1 ~ S8)가 모두 오프되어 있으며, 1차측 제1 내지 제4 보조 다이오드(DR1 ~ DR4)가 역바이어스 방향으로 연결되어 있을 뿐만 아니라, 1차측 제1 내지 제4 보조스위칭 소자(SR1 ~ SR4) 또한 오프되어 있으므로, 기본적으로 전류 경로가 생성되지 않는다. 그러나 1차측 제1 공진 커패시터(Cr1)와 제1 공진 변압기(T1)의 제1 권선단에 의해 1차측 제1 공진 전류(IT1-1) 변화가 발생하고, 1차측 제1 공진 전류(IT1-1)는 1차측 제1 및 제4 스위칭 소자(S1, S4)의 역병렬다이오드(바디 다이오드 : Body diode)를 통해 흐르게 된다. 또한 1차측 제2 공진 커패시터(Cr2)와 제2 공진 변압기(T2)의 제1 권선단에 의해 1차측 제2 공진 전류(IT2-1) 변화가 발생하고, 1차측 제2 공진 전류(IT2-1)는 1차측 제5 및 제8 스위칭 소자(S5, S8)의 역병렬다이오드를 통해 흐르게 된다.
이에 제1 공진 변압기(T1)의 제2 권선단에 2차측 제1 공진 전류(IT1-2)가 유도되고, 턴-온 상태인 2차측 제2 보조스위칭 소자(SR6) 및 2차측 제1 스위칭 소자(Q1)의 역병렬다이오드를 통해 전류 경로 경로가 형성되어 2차측 제1 공진 전류(IT1-2)가 흐른다. 또한 제2 공진 변압기(T2)의 제2 권선단에 2차측 제2 공진 전류(IT2-2)가 유도되고, 턴-온 상태인 2차측 제4 보조스위칭 소자(SR8) 및 2차측 제3 스위칭 소자(Q3)의 역병렬다이오드를 통해 전류 경로 경로가 형성되어 2차측 제2 공진 전류(IT2-2)가 흐른다.
이때, 2차측 제2 및 제4 보조 다이오드(DR6, DR8)에는 순바이어스가 인가되므로 2차측 제2 및 제4 보조스위칭 소자(SR6, SR8)로는 전류 경로가 형성되지만, 2차측 제1 및 제3 보조 다이오드(DR5, DR7)에는 순바이어스가 인가되므로 2차측 제1 및 제3 보조스위칭 소자(SR5, SR7)로는 전류 경로가 형성되지 않는다.
제2 시간 구간(t1 ~ t2)에서의 동작을 살펴보면, 상기 제1 시간 구간 (t0 ~ t1)동안에 역병렬다이오드(바디다이오드)가 도통되어 영전압스위칭 턴-온된 1차측 제1 , 제4 , 제5 및 제8 스위칭 소자(S1, S4, S5, S8)가 제2 시간 구간(t1 ~ t2)에서 스위칭신호(VGS1, VGS4, VGS5, VGS8)에 응답하여 턴-온이 유지되고, 1차측 제2 , 제3 , 제6 및 제7 스위칭 소자(S2, S3, S6, S7)는 스위칭신호(VGS2, VGS3, VGS6, VGS7)에 응답하여 턴 오프된 상태가 유지된다. 따라서 1차측 제1 공진 컨버터부는 1차측 제1 스위칭 소자(S1)와 1차측 제1 공진 커패시터(Cr1), 제1 공진 변압기(T1)의 1차 권선단 및 1차측 제4 스위칭 소자(S4)를 통해 전류 경로가 형성된다. 그리고 1차측 제2 공진 컨버터부는 1차측 제5 스위칭 소자(S5)와 1차측 제2 공진 커패시터(Cr2), 제2 공진 변압기(T2)의 1차 권선단 및 1차측 제8 스위칭 소자(S8)를 통해 전류 경로가 형성된다. 따라서, 1차측 제3 및 제4 노드(Nd13, Nd14) 사이의 전압 레벨(Vab)과 1차측 제6 및 제7 노드(Nd16, Nd17) 사이의 전압 레벨(Vcd)은 모두 제1 직류 전원(Vin)의 전압 레벨이 된다. 이는 1차측 제1 공진 컨버터부와 1차측 제2 공진 컨버터부가 서로 병렬로 연결되어 있기 때문이다.
그리고 1차측 제1 보조 스위칭부와 제2 보조 스위칭부는 1차측 제1 내지 제4 보조스위칭 소자(SR1 ~ SR4)가 모두 턴-오프되어 있어 전류 경로를 형성하지 않는다. 1차측단(110)에 형성된 전류 경로에 의해 제1 및 제2 공진 변압기(T1, T2)의 제1 권선단에는 각각 1차측 제1 및 제2 공진 전류(IT1-1, IT2-1)가 흐르게 되고, 제1 및 제2 공진 변압기(T1, T2)의 제2 권선단에는 2차측 제1 및 제2 공진 전류(IT1-2, IT2-2)가 유도된다. 비록 2차측 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1 ~ Q4)가 모두 턴-오프 되어 있으나, 2차측 제2 및 제4 보조 스위칭 소자(SR6, SR8)가 턴-온 되어 있으며, 2차측 제2 및 제4 보조 다이오드(DR6, DR8)가 순바이어스 상태이므로, 2차측 제1 및 제3 스위칭 소자(Q1, Q3)의 역병렬다이오드를 통해 전류 경로 경로가 형성되어 2차측 제1 및 제2 공진 전류(IT1-2, IT2-2)가 흐른다. 제1 시간 구간(t0 ~ t1)과 마찬가지로, 제2 시간 구간(t1 ~ t2)에서도, 2차측 제2 및 제4 보조 다이오드(DR6, DR8)에 순바이어스가 인가되므로 2차측 제2 및 제4 보조 스위칭 소자(SR6, SR8)로는 전류 경로가 형성되지만, 2차측 제1 및 제3 보조 다이오드(DR5, DR7)에는 역바이어스가 인가되므로 2차측 제1 및 제3 보조 스위칭 소자(SR5, SR7)로는 전류 경로가 형성되지 않는다.
제3 시간 구간(t2 ~ t3)에서의 동작을 살펴보면, 1차측 제1 , 제4 , 제5 및 제8 스위칭 소자(S1, S4, S5, S8)는 턴-온 상태를 유지하고 있으며, 1차측 제2 , 제3 , 제6 및 제7 스위칭 소자(S2, S3, S6, S7)는 턴 오프된 상태가 유지된다. 즉 제1 내지 제8 스위칭 소자(S1 ~ S8)의 상태는 제2 시간 구간(t1 ~ t2)과 동일하다. 그러나 직류 전압인 제1 직류 전원(Vin)이 인가되는 시간이 길어짐에 따라, 1차측 제3 노드(Nd13)와 1차측 제4 노드(Nd14) 사이에 흐르는 1차측 제1 공진 전류(IT1-1)와 제1 공진 변압기(T1)의 제1 권선단을 흐르는 자화 전류(Im1)의 전류 값이 같아지게 되고, 1차측 제6 노드(Nd16)와 1차측 제7 노드(Nd17) 사이에 흐르는 1차측 제2 공진 전류(IT2-1)와 제2 공진 변압기(T2)의 제1 권선단을 흐르는 자화 전류(Im2)의 전류 값이 같아지게 된다. 따라서 제1 및 제2 공진 변압기(T1, T2)의 제1 권선단에는 전류량의 변화가 발생하지 않게 되고, 제1 및 제2 공진 변압기(T1, T2)의 제2 권선단에는 2차측 제1 및 제2 공진 전류(IT1-2, IT2-2)가 유도되지 않는다. 비록 공진 컨버터부(100)의 2차측단(120)에는 제2 전원 전압(Vo)이 연결되어 있고, 2차측 제1 내지 제4 보조 스위칭 소자(SR6 ~ SR8)가 턴-온 상태이지만, 2차측 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1 ~ Q4)가 모두 턴-오프 상태이고, 2차측 제1 내지 제4 보조 다이오드(DR6 ~ DR8)가 역바이어스이므로 전류 경로가 형성되지 않는다. 이에 2차측 제1 및 제2 공진 전류(IT1-2, IT2-2)는 흐르지 않는다.
제4 시간 구간(t3 ~ t4)에서의 동작을 살펴보면, 1차측 제1 , 제4 , 제5 및 제8 스위칭 소자(S1, S4, S5, S8)가 턴-오프되고, 1차측 제2 , 제3 , 제6 및 제7 스위칭 소자(S2, S3, S6, S7)는 턴-온 되기 이전 상태로 오프 상태가 유지되고 있다. 즉 제4 시간 구간(t3 ~ t4)에서도 제1 시간 구간(t0 ~ t2)과 유사하게 1차측 제1 내지 제8 스위칭 소자(S1 ~ S4)가 모두 오프되어 있으며, 1차측 제1 내지 제4 보조 다이오드(DR1 ~ DR4)가 역바이어스 방향으로 연결되어 있을 뿐만 아니라, 제1 내지 제4 보조스위칭 소자(SR1 ~ SR4) 또한 오프되어 있다. 그러므로 전류 경로가 생성되지 않는다. 그러나 1차측 제1 공진 커패시터(Cr1)와 제1 공진 변압기(T1)의 제1 권선단에 의해 1차측 제1 공진 전류(IT1-1) 변화가 발생하고, 1차측 제1 공진 전류(IT1-1)는 1차측 제2 및 제3 스위칭 소자(S2, S3)의 역병렬다이오드(바디 다이오드 : Body diode)를 통해 흐르게 된다. 또한 1차측 제2 공진 커패시터(Cr2)와 제2 공진 변압기(T2)의 제1 권선단에 의해 1차측 제2 공진 전류(IT2-1) 변화가 발생하고, 1차측 제2 공진 전류(IT2-1)는 1차측 제6 및 제7 스위칭 소자(S6, S7)의 역병렬다이오드를 통해 흐르게 된다.
이에 제1 공진 변압기(T1)의 제2 권선단에 2차측 제1 공진 전류(IT1-2)가 유도되고, 턴-온 상태인 2차측 제1 보조스위칭 소자(SR5) 및 2차측 제2 스위칭 소자(Q2)의 역병렬다이오드를 통해 전류 경로 경로가 형성되어 2차측 제1 공진 전류(IT1-2)가 흐른다. 또한 제2 공진 변압기(T2)의 제2 권선단에 2차측 제2 공진 전류(IT2-2)가 유도되고, 턴-온 상태인 2차측 제3 보조스위칭 소자(SR7) 및 2차측 제4 스위칭 소자(Q4)의 역병렬다이오드를 통해 전류 경로 경로가 형성되어 2차측 제2 공진 전류(IT2-2)가 흐른다.
즉 제4 시간 구간(t3 ~ t4)에서의 동작은 전류 경로가 달라졌으나 기본적으로 제1 시간 구간(t0 ~ t1)에서의 동작과 유사하다.
제5 시간 구간(t4 ~ t5) 및 제6 시간 구간(t5 ~ t6)에서의 동작은 각각 제2 시간 구간(t1 ~ t2) 및 제3 시간 구간(t2 ~ t3)에서의 동작과 유사하다. 따라서 여기서는 별도로 설명하지 않는다.
결과적으로 도7 에 도시된 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 순방향 동작 시에 1차측단(110)의 1차측 제1 내지 제4 보조스위칭 소자(SR1 ~ SR4)는 항시 턴-오프되어 있음에 따라 1차측 공진에 영향을 주지 않는다. 그리고 2차측 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1 ~ Q4) 또한 항시 턴-오프되어 있음에 따라 2차측 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1 ~ Q4)의 역 병렬 다이오드가 정류 다이오드로 동작한다. 한편, 2차측 제1 내지 제4 보조스위칭 소자(SR5 ~ SR8)가 항시 턴-온 됨에 따라 2차측 공진 전류는 2차측 공진 커패시터(Cr3)를 통해 흐르지 않고, 2차측 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1 ~ Q4)의 역 병렬 다이오드와 함께 정류 동작을 수행한다. 따라서 순방향 전력 전달 동작 시에 도2 에 도시된 LLC 공진 특성을 나타내어 높은 전압이득 특성을 갖는다.
즉 순방향 동작시 1차측단에서는 서로 병렬로 연결되는 1차측 제1 공진 컨버터부와 1차측 제2 공진 컨버터부에 의해 1차측단 전체의 공진 커패시터의 크기는 1차측 제1 공진 커패시터(Cr1)와 1차측 제2 공진 커패시터(Cr2)의 합이 되는데 반해, 2차측단에서는 2차측 공진 커패시터(Cr3)를 우회하는 전류 경로가 형성됨에 따라 2차측 공진 커패시터(Cr3)가 존재하지 않는 것과 유사한 효과를 발생할 수 있다.
도11 은 도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 순방향 동작 시 개별 등가회로를 나타낸다.
도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 순방향 동작 시에 1차측단(110)은 병렬로 연결되는 제1 및 제2 공진 변압기(T1, T2)가 각각 1차측 제1 및 제2 공진커패시터(Cr1, Cr2)와 함께 개별 공진을 하게 되고, 제1 및 제2 공진 변압기(T1, T2)의 2차측 공진전류(IT1-2, IT2-2)는 각각의 2차측 제1 내지 제4 스위칭소자(Q1 ~ Q4)의 역 병렬다이오드와 2차측 제1 내지 제4 보조스위치(SR5 ~ SR8)와 2차측 제1 내지 제4 보조다이오드(DR5 ~ DR8)를 통해 정류하게 된다. 그러므로 제1 및 제2 공진 변압기(T1, T2) 변압기의 파라미터가 동일하다고 가정하면, 도11 의 (a) 및 (b)와 같이 하나의 변압기만을 가지고 1/2 부하 용량의 전압이득 특성을 분석한 개별 등가회로로 볼 수 있다. 도11 은 도7 에 대한 파라미터 값을 1차측으로 반영한 등가회로를 나타낸 것으로, 1차측 제3 노드(Nd13)와 1차측 제4 노드(Nd14) 사이의 전압(Vab)과 1차측 제6 노드(Nd16)와 1차측 제8 노드(Nd17) 사이의 전압(Vcd)는 스위칭 동작에 의해서 얻어진 단자전압을 고조파성분을 무시하고 기본파(FHA : First Harmonic Approximation)성분만을 고려한 것이고, Cr1, Cr2는 각각 1차측 제1 및 제2 공진 커패시터이고, Ll1 및 Ll2 와 N2Ll3 및 N2Ll4는 각각 제1 및 제2 변압기(T1, T2)의 1차측 및 2차측 누설인덕턴스를 나타내며, Lm1과 Lm2는 각각 제1 및 제2 변압기(T1, T2)의 자화인덕턴스를 나타낸다. 그리고 Req는 정류다이오드와 필터 커패시터를 등가화한(Req=8Ro/π2)것이다. 여기서 N은 제1 및 제2 변압기(T1, T2)의 권선비(turn ratio)를 나타낸다.
그러므로 1차측 컨버터 단자전압(Vab) 대비 2차측 컨버터 단자전압(Vef)에 대한 각각의 최종 전압이득특성 식은 입력 임피던스(Zin)대 출력 임피던스(Zo)로 나타낼 수 있으며 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013000698854-pat00001
(여기서, Ll1 와 N2Ll3 은 각각 제1 변압기(T1)의 1차측 및 2차측 누설인덕턴스를 나타내며, Lm1는 제1 변압기(T1)의 자화인덕턴스를 나타낸다. 그리고 Req는 정류다이오드와 필터 커패시터를 등가화한(Req=8Ro/π2)것이다. N은 제1 변압기(T1)의 권선비(turn ratio)를 나타내고, fs 및 fr 은 각각 순방향모드시 스위칭주파수와 공진주파수를 나타낸다.)
수학식 1에서는 도11 의 (a)의 등가회로에 따라 1차측 컨버터 단자전압(Vab) 대비 2차측 컨버터 단자전압(Vef)의 최종 전압이득 특성을 나타내었으나, 도11 의 (b)의 등가 회로에 따른 1차측 컨버터 단자전압(Vcd) 대비 2차측 컨버터 단자전압(Vgh)의 최종 전압이득 특성 또한 수학식 1에 파라미터를 변경하여 계산할 수 있다.
도12 는 도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 역방향 동작 시 동작 파형도이며, 도13 및 도14 은 도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 역방향 동작을 구간별로 설명하기 위한 도면이다.
도13 및 도14 를 참조하여 도12 의 양방향 DC-DC 컨버터의 순방향 동작을 설명하면, 도12 의 양방향 DC-DC 컨버터의 역방향 동작 또한 순방향 동작과 마찬가지로 제1 내지 제6 시간 구간의 6개의 시간 구간((t0 ~ t1), (t1 ~ t2), (t2 ~ t3), (t3 ~ t4), (t4 ~ t5), (t5 ~ t6))으로 구분될 수 있다.
도12 에서도 전압(Vef)은 2차측 제3 노드(Nd23)와 2차측 제4 노드(Nd24) 사이의 전압 레벨을 나타내고, 전압(Vcd)은 2차측 제6 노드(Nd26)와 2차측 제5 노드(Nd25) 사이의 전압 레벨을 나타낸다.
역방향 동작 시 1차측단(110)의 1차측 제1 내지 제8 스위칭 소자(S1 ~ S8)는 모두 턴오프 상태로 유지된다. 그러나, 2차측 제1 및 제4 스위칭 소자(Q1, Q4)와 2차측 제2 및 제3 스위칭 소자(Q2, Q3)는 각각의 게이트에 대응하여 인가되는 스위칭신호(VGQ1 ~ VGQ4)의 전압 레벨에 응답하여 번갈아가며 온/오프된다. 2차측 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1 ~ Q4)는 각각 고정된 듀티비(도12 에서는 50%)를 가지고 교번으로 동작하는 스위칭신호(VGQ1, VGQ4)와 스위칭신호(VGQ2, VGQ3)에 응답하여 턴-온, 턴-오프된다.
그리고 역방향 동작 시에 1차측단(110)의 1차측 제1 내지 제4 보조스위칭 소자(SR1 ~ SR4)는 항시 턴-온되고, 2차측단(120)의 2차측 제1 내지 제4 보조스위칭 소자(SR5 ~ SR8)는 항시 턴-오프된다.
도시하지 않았으나, 역방향 동작 시의 제1 시간 구간(t0 ~ t1)에서의 동작은 살펴보면, 2차측 제1 및 제4 스위칭 소자(Q1, Q4)가 스위칭신호(VGQ1, VGQ4)에 응답하여 턴 온 되기 이전 상태로 오프 상태가 유지되고 있으며, 2차측 제2 및 제3 스위칭 소자(Q2, Q3)는 스위칭신호(VGQ2, VGQ3)에 응답하여 턴 오프된 상태이다. 2차측 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1 ~ Q4)가 모두 턴 오프 되어 있으며, 2차측 제1 내지 제4 보조 다이오드(DR5 ~ DR8)가 역바이어스 방향으로 연결되어 있을 뿐만 아니라, 2차측 제1 내지 제4 보조스위칭 소자(SR5 ~ SR8) 또한 오프되어 있으므로, 전류 경로가 생성되지 않는다. 그러나 2차측 공진 커패시터(Cr3)와 제1 및 제2 공진 변압기(T1, T2)의 제2 권선단에 의해 2차측 제1 및 제2 공진 전류(IT1-2, IT2-2) 변화가 발생하고, 직렬로 연결되는 2차측 제1 및 2 공진 전류(IT1-2, IT2-2)는 2차측 제1 및 제4 스위칭 소자(Q1, Q4)의 역병렬다이오드를 통해 흐르게 된다.
이에 1차측 제1 공진 컨버터부에서는 제1 공진 변압기(T1)의 제1 권선단에 1차측 제1 공진 전류(IT1-1)가 유도되고, 턴-온 상태인 1차측 제1 보조스위칭 소자(SR1) 및 1차측 제4 스위칭 소자(S4)의 역병렬다이오드를 통해 전류 경로 경로가 형성되어 1차측 제1 공진 전류(IT1-1)가 흐른다. 또한 1차측 제2 공진 컨버터부에서는 제2 공진 변압기(T2)의 제1 권선단에 1차측 제2 공진 전류(IT2-1)가 유도되고, 턴-온 상태인 1차측 제4 보조스위칭 소자(SR4) 및 1차측 제7 스위칭 소자(S7)의 역병렬다이오드를 통해 전류 경로 경로가 형성되어 1차측 제2 공진 전류(IT2-1)가 흐른다.
1차측 제1 공진 컨버터부와 1차측 제2 공진 컨버터부의 1차측 제1 공진 전류(IT1-1)와 1차측 제2 공진 전류(IT2-1)의 전류 경로가 서로 상이한 것은 상기한 바와 같이 제1 및 제2 공진 변압기(T1, T2)의 제1 권선단의 극성이 서로 반대이기 때문이다. 그리고 1차측 제1 공진 컨버터부와 1차측 제2 공진 컨버터부가 제1 직류 전원(Vin)과 병렬로 연결됨에 따라 1차측 제1 및 제2 공진 전류(IT1-1, IT2-1)는 합쳐지게 된다.
제2 시간 구간(t1 ~ t2)에서 2차측 제1 및 제4 스위칭 소자(Q1, Q4)가 스위칭신호(VGQ1, VGQ4)에 응답하여 턴 온되고, 2차측 제2 및 제3 스위칭 소자(Q2, Q3)는 턴 오프 상태를 유지한다. 2차측 제1 및 제4 스위칭 소자(Q1, Q4)는 제1 시간 구간(t0 ~ t1) 동안 역병렬다이오드(바디다이오드)가 도통되어 영전압스위칭 턴-온 된다.
따라서 2차측단(120)은 제1 시간 구간(t0 ~ t1)과 마찬가지로 제1 공진 컨버터부는 턴-온된 2차측 제1 및 제4 스위칭 소자(Q1, Q4)와 2차측 공진 커패시터(Cr3)를 통해 전류 경로가 형성된다.
2차측단(120)에 형성된 전류 경로에 의해 제1 및 제2 공진 변압기(T1, T2)의 제2 권선단에는 각각 2차측 제1 및 제2 공진 전류(IT1-2, IT2-2)가 흐르게 되고, 제1 및 제2 공진 변압기(T1, T2)의 제1 권선단에는 1차측 제1 및 제2 공진 전류(IT1-1, IT2-1)가 유도된다. 1차측 제1 내지 제8 스위칭 소자(S1 ~ S8)가 모두 턴-오프 되어 있으나, 1차측 제1 내지 제4 보조 스위칭 소자(SR1 ~ SR4)가 턴-온 되어 있으며, 1차측 제1 및 제4 보조 다이오드(DR1, DR4)가 순바이어스 상태이므로, 1차측 제4 및 제7 스위칭 소자(S4, S7)의 역병렬다이오드를 통해 전류 경로 경로가 형성되어 1차측 제1 및 제2 공진 전류(IT1-2, IT2-2)가 각각 제1 공진 컨버터부 및 제2 공진 컨버터부로 흐른다.
제3 시간 구간(t2 ~ t3)에서 1차측 제1 내지 제8 스위칭 소자(S1 ~ S8)와 2차측 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1 ~ Q4), 1차측 제1 내지 제4 보조 스위칭 소자(SR1 ~ SR4) 및 2차측 제1 내지 제4 보조 스위칭 소자(SR5 ~ SR8)은 모두 제2 시간 구간(t1 ~ t2)과 동일한 상태를 갖는다. 그러나 직류 전압인 제2 직류 전원(Vo)이 인가되는 시간이 길어짐에 따라, 2차측 제3 노드(Nd23)와 2차측 제4 노드(Nd24) 사이에 흐르는 2차측 제1 공진 전류(IT1-2)와 제1 공진 변압기(T1)의 제2 권선단을 흐르는 자화 전류(Im3)의 전류 값이 같아지게 되고, 2차측 제6 노드(Nd26)와 2차측 제5 노드(Nd25) 사이에 흐르는 2차측 제2 공진 전류(IT2-2)와 제2 공진 변압기(T2)의 제2 권선단을 흐르는 자화 전류(Im4)의 전류 값이 같아지게 된다.
따라서 제1 및 제2 공진 변압기(T1, T2)의 제2 권선단에는 전류량의 변화가 발생하지 않게 되고, 제1 및 제2 공진 변압기(T1, T2)의 제1 권선단에는 1차측 제1 및 제2 공진 전류(IT1-1, IT2-1)가 유도되지 않는다. 이에 1차측 제1 및 제2 공진 전류(IT1-1, IT2-1)는 흐르지 않는다.
제4 시간 구간(t3 ~ t4) 내지 제6 시간 구간(t5 ~ t6)에서의 동작은 각각 제1 시간 구간(t0 ~ t1) 내지 제3 시간 구간(t2 ~ t3)에서의 동작하므로, 별도로 설명하지 않는다.
도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 역방향 동작 시에 2차측단(120)의 2차측 제1 내지 제4 보조스위칭 소자(SR5 ~ SR8)는 항시 턴-오프되어 있음에 따라 2차측 공진에 영향을 주지 않는다. 그리고 역방향 동안 2차측단(120)의 제1 및 제2 공진 변압기(T1, T2)의 제2 권선단은 2차측 공진 커패시터(Cr3)와 함께 동일한 극성 방향으로 직렬 연결됨에 따라 제1 및 제2 공진 변압기(T1, T2)의 제2 권선단에는 제2 직류 전원(Vo)의 1/2의 전압 만이 인가되어 제1 직류 전원(Vin)을 제어하게 된다. 그러므로 순방향 동작 모드시 가장 높은 입력전압(Vin)조건에서 일정 출력전압(Vo)을 규준화된 공진주파수(fr)지점의 스위칭동작주파수에서 제어하도록 변압기를 설계하였기 때문에 역방향 동작 모드 시에는 규준화된 공진주파수(fr)지점의 스위칭동작주파수에서는 반대로 가장 낮은 입력전압(Vin)을 제어 할 수 있고, 입력 전압(Vin)을 높일 경우 규준화된 공진주파수(fr)지점보다 낮은 주파수로 스위칭동작주파수를 이동시켜 전압이득을 높일 수 있다. 따라서 역방향 동작 시에도 순방향 동작시와 마찬가지로 공진주파수 지점에서부터 공진주파수보다 낮은 주파수범위의 불연속모드 구간에서 원하는 전압이득제어가 가능하게 된다.
그리고 역방향 동작 동안 1차측 제1 내지 제8 스위칭소자(S1 ~ S8)는 턴-오프 상태로 역.병렬다이오드에 의해 정류다이오드로 동작되며, 이때 1차측 제1 내지 제4 보조스위칭소자(SR1 ~ SR4)는 항상 턴-온 되어 동작됨으로 공진전류는 1차측 제1 및 제2 공진커패시터(Cr1, Cr2)를 통해 흐르지 않고 1차측 제1 내지 제8 스위칭소자(S1 ~ S8)의 역.병렬다이오드와 1차측 제1 내지 제4 보조스위칭소자(SR1 ~ SR4)와 1차측 제1 내지 제4 보조다이오드(DR1 ~ DR4)를 통해 흐르면서 정류되어 동작한다. 결과적으로 역방향 동작 시에도 도2 와 같이 높은 전압이득특성을 갖는 LLC공진컨버터처럼 동작하게 된다.
도15 는 도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 역방향 동작 시 등가회로를 나타낸다.
양방향 전력변환을 위한 양방향 DC-DC 컨버터의 역방향동작 모드 시 제1 및 제2 공진 변압기(T1, T2)의 제2 권선단은 같은 극성으로 직렬 연결되어 2차측 공진커패시터(Cr3)와 함께 공진을 하게 되고, 제1 및 제2 공진 변압기(T1, T2)의 제1 권선단은 다른 극성전압이 인가되지만 1차측 제1 공진 컨버터부와 1차측 제2 공진 컨버터부의 1차측 제1 내지 제8 스위칭소자(S1 ~ S8)의 역병렬다이오드와 1차측 제1 내지 제4 보조스위치(SR1 ~ SR4)를 통해 정류하게 된다. 그러므로 도15 와 같이 1차측단은 병렬, 2차측단은 직렬로 연결된 등가회로로 볼 수 있다. 도15 는 도 7에 대한 파라미터 값을 2차측으로 반영한 등가회로를 나타낸 것으로, Ll1/N2, Ll2/N2 및 Ll3, Ll4그리고 Lm3, Lm4는 제1 및 제2 공진 변압기(T1, T2)의 1차측 누설인덕턴스 및 2차측 누설인덕턴스 그리고 2차측 자화인덕턴스를 나타낸 것이다. 또한 2RAC1/N2과 2RAC2/N2은 도 7의 부하저항, 정류 다이오드 그리고 필터 커패시터를 등가화하여 2차측으로 유도된 1/2 부하 용량에 대한 등가 부하저항이다. 그러므로 2차측 단자전압(Veh)대 2차측 자화인덕턴스 Lm3, Lm4에 인가되는 전압(Vm3, Vm4)과의 이득특성 식(GVm3, GVm4)은 수학식 2 및 3과 같이 나타날 수 있다.
Figure 112013000698854-pat00002
(여기서,
Figure 112013000698854-pat00003
Figure 112013000698854-pat00004
)
Figure 112013000698854-pat00005
(여기서,
Figure 112013000698854-pat00006
Figure 112013000698854-pat00007
)
도16 은 도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 2차측 자화 인덕턴스에 인가되는 전압을 1차측단에 반영한 등가회로이다.
2차측단(120)에서 직렬로 연결된 두 개의 자화인덕턴스(Lm3, Lm4)에 인가된 전압(Vm3, Vm4)을 1차측으로 유도하여 1차측 부하(RAC)에 흐르는 전류(IT1)를 구하기 위해서 키르히호프의 전류 법칙(이하 KCL) 및 , 키르히호프의 전압 법칙(이하 KVL)을 적용하여 1차측 부하(RAC)에 인가되는 전압(VAC)을 해석할 수 있다. 정확한 해석을 위해 도16 과 같이 2차측단(120)에서 1차측단(110)으로 유도된 두 개의 전압원(NVm3,NVm4)을 가지며 두 개의 전압원으로부터 유입되는 두 개의 전류(IT1-1, IT1-2)는 하나의 부하에 유입되는 형태를 가지는 등가회로로 나타낼 수 있다. 도 16의 등가회로 회로 분석 시 KCL, KVL 법칙을 이용하면 2차측 파라미터 오차 변화에도 정확한 전압이득 특성을 얻을 수 있게 된다. 또한 부하 설정 또한 실제 동작에 적용되는 부하 파라미터를 적용하여 구할 수 있게 되어 공진 탱크회로가 직렬, 병렬 구조를 가지는 LLC 공진컨버터의 전압이득특성을 분석 할 수 있게 된다. 변압기T1의 1차측 자화인덕턴스에 인가되는 전압 NVm3에 대해 변압기 T1의 1차측 누설인덕턴스 Ll1에 흐르는 전류 IT1-1을 수학식 4에 나타내었다.
Figure 112013000698854-pat00008
그리고 변압기 T2의 1차측 자화인덕턴스에 인가되는 전압 NVm4에 대해 변압기 T2의 1차측 누설인덕턴스 Ll2에 흐르는 전류 IT1-2를 수학식 5에 나타내었다.
Figure 112013000698854-pat00009
1차측 부하(RAC)에 흐르는 전류 IT1은 수학식 4와 5 의 합으로 수학식 6으로 나타난다.
Figure 112013000698854-pat00010
그리고 최종 출력전압이득은 수학식 7을 통해 얻을 수 있게 된다. 도15 와 도16 의 등가회로와 수학식 2 내지 6에 의하여 얻은 최종전압이득 특성식은 수학식 (8)과 같다.
Figure 112013000698854-pat00011
본 발명에서는 2kW 정격출력용량을 갖는 양방향 전력변환을 위한 LLC 공진 직류-직류 컨버터를 적용하여 순방향 모드 시 1차측 입력전압(Vin:41V∼60V) 조건에서 2차측 일정 출력전압(Vo:400V)및 최대정격용량 2kW에 대해 실험하여 본 발명의 적용 가능함을 입증하였다. 그리고 역방향 모드 시 2차측 일정 출력전압(Vo:400V)조건에서 1차측 제어전압범위(41V∼60V) 및 최대정격용량 2kW에 대해 실험하였다. 실험조건과 주요정격, 파라미터에 대해 표 1과 표 2에 나타냈다.
Figure 112013000698854-pat00012
Figure 112013000698854-pat00013
도17 은 본 발명의 양방향 DC-DC 컨버터의 순방향 동작시 입출력 전압 이득 특성 시뮬레이션 결과를 나타내고, 도18 은 역방향 동작시 입출력 전압 이득 특성 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도17 및 도18 은 표2 의 파라미터 값을 가지고 수학식1 및 수학식 7을 각각 Math-CAD에 적용하여 얻은 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도19 는 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터에서 보조 스위칭 소자의 다른 구성을 나타낸다.
도19 에 도시된 바와 같이 본 발명의 양방향 DC-DC 컨버터에서 1차측 및 2차측 제1 내지 제4 보조스위칭소자(Sr1 ~ Sr8)와 1차측 및 2차측 제1 내지 제4 보조다이오드(Dr1 ~ Dr8)는 Power Mosfet, IGBT, Power TR, SCR, SSR, 릴레이 및 기계적 접점 등을 이용한 보조수단으로 구현될 수 있다. 그리고 스위칭 소자와 다이오드의 배치는 서로 바뀌어도 무방하다.
또한 1차측 제1 내지 제8 스위칭 소자(S1 ~ S8)와 2차측 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1 ~ Q4)는 Power Mosfet 뿐만 아니라 IGBT, Power TR, SCR 등의 스위칭소자로 구현될 수도 있다.
도20 은 도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 순방향 동작시 실험 파형을 나타내고, 도21 은 도7 의 양방향 DC-DC 컨버터의 역방향 동작시 실험 파형을 나타낸다.
도20 에서 (a) 내지 (c)는 각각 1차측 입력 제어 전압(Vin)이 41V, 50V, 60V일 때 2차측 일정 출력전압(Vo)인 400V 제어에 대하여 최대정격용량이 2kW일 때, 단자전압(Vs1), 전류(IT1-1, IT1-2)와 공진 커패시터 전압(Vcr1)을 측정한 파형이다.
도20 에 도시된 바와 같이 본 발명의 양방향 DC-DC 컨버터는 순방향 모드 동작시 주어진 1차측 입력 제어전압(Vin)에서 일정출력전압(Vo)을 제어하는 것에 있어 규준화된 공진주파수(fr)지점에서부터 낮은 주파수 영역의 불연속 구간 동안 스위칭동작됨을 볼 수 있다.
그리고 도21 에서 (a) 내지 (c)는 각각 2차측 일정 출력전압(Vo)이 400V이고 41V, 50V, 60V의 1차측 입력 제어전압(Vin)에 대해 부하용량 2kW일 때, 단자전압(VQ3),전류(IT1-2, IT1-1)와 공진커패시터 전압(Vcr3)을 측정한 파형이다.
순방향 모드 동작시 처럼 역방향 모드 동작에서도 2차측 일정 출력전압(Vo)에서 1차측 넓은 입력 제어전압(Vin:41V, 50V, 60V)에 대하여 규준화된 공진주파수(fr)지점에서부터 낮은 주파수 영역의 불연속 구간 동안 스위칭 동작됨을 볼 수 있다.
도22 는 본 발명의 DC-DC 컨버터의 순방향 동작시 1차측 입력전압 범위에 대한 효율 특성을 나타내고, 도23 은 역방향 동작시 1차측 입력전압 제어범위에 대한 효율 특성을 나타낸다.
도22 에서 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터는 순방향 모드 시 1차측 입력 제어전압(Vin) 60V, 2차측 일정 출력전압 및 부하 용량 400V/2kW 일 때 최대 93.64%의 효율 특성을 보여주었고, 도23 에서 역방향 모드 시 2차측 일정 출력전압(Vo) 400V,1차측 입력 제어전압 및 부하 용량 60V / 2kW 일 때 최대 93.33%의 효율 특성을 보여주었다.
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 (27)

  1. 제1 직류 전원과 각각 병렬로 연결되는 1차측 제1 및 제2 공진 컨버터부를 구비하고, 순방향 동작시에 상기 1차측 제1 공진 컨버터부의 제1 공진 변압기의 제1 권선단과 1차측 제1 공진 커패시터, 상기 1차측 제2 공진 컨버터부의 제2 공진 변압기의 제1 권선단 및 1차측 제2 공진 커패시터 각각을 통해 흐르는 전류 경로를 형성하며, 역방향 동작시에 상기 1차측 제1 및 제2 공진 커패시터를 우회하는 전류 경로를 형성하는 1차측단; 및
    제2 직류 전원에 각각 병렬로 연결되는 2차측 제1 및 제2 공진 컨버터부를 구비하고, 역방향 동작 시에 상기 2차측 제1 공진 컨버터부의 상기 제1 공진 변압기의 제2 권선단과 상기 2차측 제2 공진 컨버터부의 상기 제2 공진 변압기의 제2 권선단 및 상기 제1 공진 변압기의 제2 권선단과 제2 공진 변압기의 제2 권선단을 직렬로 연결하는 2차측 공진 커패시터를 통해 흐르는 전류 경로를 형성하며, 순방향 동작 시에 상기 2차측 공진 커패시터를 우회하는 전류 경로를 형성하는 2차측단;을 포함하고,
    상기 1차측 제1 공진 컨버터부는
    1차측 제1 노드와 1차측 제2 노드 사이에 상기 제1 직류 전원과 병렬로 연결되는 1차측 제1 스위칭 소자부 및 1차측 제2 스위칭 소자부를 구비하는 1차측 제1 스위칭부;
    상기 1차측 제1 노드와 상기 1차측 제2 노드 사이에 상기 1차측 제1 스위칭부와 병렬로 연결되는 1차측 제1 보조 스위칭부; 및
    상기 1차측 제1 스위칭 소자부와 상기 1차측 제2 스위칭 소자부 사이에 연결되는 1차측 제1 공진부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서, 상기 1차측 제1 스위칭 소자부는
    상기 1차측 제1 노드와 1차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 1차측 제1 및 제2 스위칭 소자를 구비하고,
    상기 1차측 제2 스위칭 소자부는
    상기 1차측 제1 노드와 1차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 1차측 제3 및 제4 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 1차측 제1 공진부는
    상기 1차측 제1 및 제2 스위칭 소자 사이의 1차측 제3 노드와 상기 1차측 제3 및 제4 스위칭 소자 사이의 1차측 제4 노드 사이에 직렬로 연결되는 상기 1차측 제1 공진 커패시터 및 상기 제1 공진 변압기의 제1 권선단을 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 1차측 제1 보조 스위칭부는
    상기 1차측 제1 노드와 상기 1차측 제1 공진 커패시터와 상기 제1 공진 변압기의 제1 권선단 사이의 1차측 제5 노드 사이에 연결되는 1차측 제1 보조 스위칭 소자부; 및
    상기 1차측 제5 노드와 상기 1차측 제2 노드 사이에 연결되는 1차측 제2 보조스위칭 소자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 1차측 제1 보조 스위칭 소자부는
    상기 1차측 제1 노드와 상기 1차측 제5 노드 사이에 직렬로 연결되는 1차측 제1 보조 다이오드와 1차측 제1 보조 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 1차측 제2 보조 스위칭 소자부는
    상기 1차측 제5 노드와 상기 1차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 1차측 제2 보조 다이오드와 1차측 제2 보조 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 1차측 제2 공진 컨버터부는
    상기 1차측 제1 노드와 상기 1차측 제2 노드 사이에 상기 제1 직류 전원과 병렬로 연결되는 1차측 제3 스위칭 소자부 및 1차측 제4 스위칭 소자부를 구비하는 1차측 제2 스위칭부;
    상기 1차측 제1 노드와 상기 1차측 제2 노드 사이에 상기 1차측 제2 스위칭부와 병렬로 연결되는 1차측 제2 보조 스위칭부; 및
    상기 1차측 제3 스위칭 소자부와 상기 1차측 제4 스위칭 소자부 사이에 연결되는 1차측 제2 공진부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 1차측 제3 스위칭 소자부는
    상기 1차측 제1 노드와 상기 1차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 1차측 제5 및 제6 스위칭 소자를 구비하고,
    상기 1차측 제4 스위칭 소자부는
    상기 1차측 제3 스위칭 소자부와 병렬로 연결되고, 상기 1차측 제1 노드와 상기 1차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 1차측 제7 및 제8 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 1차측 제2 공진부는
    상기 제5 및 제6 스위칭 소자 사이의 1차측 제6 노드와 상기 제7 및 제8 스위칭 소자 사이의 1차측 제7 노드 사이에 직렬로 연결되는 상기 1차측 제2 공진 커패시터 및 상기 제2 공진 변압기의 제1 권선단을 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 1차측 제2 보조 스위칭부는
    상기 1차측 제1 노드와 상기 1차측 제2 공진 커패시터와 상기 제2 공진 변압기의 제1 권선단 사이의 1차측 제8 노드 사이에 연결되는 1차측 제3 보조 스위칭 소자부; 및
    상기 1차측 제8 노드와 상기 1차측 제2 노드 사이에 연결되는 1차측 제4 보조스위칭 소자부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 1차측 제3 보조 스위칭 소자부는
    상기 1차측 제1 노드와 상기 1차측 제8 노드 사이에 직렬로 연결되는 1차측 제3 보조 다이오드와 1차측 제3 보조 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 1차측 제4 보조 스위칭 소자부는
    상기 1차측 제8 노드와 상기 1차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 1차측 제4 보조 다이오드와 1차측 제4 보조 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 제1 공진 변압기의 제1 권선단 및 상기 제2 공진 변압기의 제1 권선단은
    단자 전압의 극성이 서로 반대 방향으로 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  13. 제1 항에 있어서, 상기 2차측 제1 공진 컨버터부는
    2차측 제1 노드와 2차측 제2 노드 사이에 상기 제2 직류 전원과 병렬로 연결되는 2차측 제1 스위칭부;
    상기 2차측 제1 노드와 상기 2차측 제2 노드 사이에 상기 2차측 제1 스위칭부와 병렬로 연결되는 2차측 제1 보조 스위칭부; 및
    상기 2차측 제1 스위칭부와 상기 2차측 제1 보조 스위칭부 사이에 연결되는 상기 제1 공진 변압기의 제2 권선단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 2차측 제1 스위칭부는
    상기 2차측 제1 노드와 상기 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 2차측 제1 및 제2 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 2차측 제1 보조 스위칭부는
    상기 2차측 제1 노드와 상기 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 2차측 제1 및 제2 보조 스위칭 소자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 제1 공진 변압기의 제2 권선단은
    상기 2차측 제1 및 제2 스위칭 소자 사이의 2차측 제3 노드와 상기 2차측 제1 및 제2 보조 스위칭 소자부 사이의 2차측 제4 노드 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  16. 제15 항에 있어서, 상기 2차측 제1 보조 스위칭 소자부는
    상기 2차측 제1 노드와 상기 2차측 제4 노드 사이에 직렬로 연결되는 2차측 제1 보조 다이오드와 2차측 제1 보조 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 2차측 제2 보조 스위칭 소자부는
    상기 2차측 제4 노드와 상기 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 2차측 제2 보조 다이오드와 2차측 제2 보조 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  17. 제1 항에 있어서, 상기 2차측 제2 공진 컨버터부는
    2차측 제1 노드와 2차측 제2 노드 사이에 상기 제2 직류 전원과 병렬로 연결되는 2차측 제2 스위칭부;
    상기 2차측 제1 노드와 상기 2차측 제2 노드 사이에 상기 2차측 제2 스위칭부와 병렬로 연결되는 2차측 제2 보조 스위칭부; 및
    상기 2차측 제2 스위칭부와 상기 2차측 제2 보조 스위칭부 사이에 연결되는 상기 제2 공진 변압기의 제2 권선단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  18. 제17 항에 있어서, 상기 2차측 제2 스위칭부는
    상기 2차측 제1 노드와 상기 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 2차측 제3 및 제4 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 2차측 제2 보조 스위칭부는
    상기 2차측 제1 노드와 상기 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 2차측 제3 및 제4 보조 스위칭 소자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  19. 제14 항에 있어서, 상기 제2 공진 변압기의 제2 권선단은
    상기 2차측 제3 및 제4 스위칭 소자 사이의 2차측 제5 노드와 상기 2차측 제3 및 제4 보조 스위칭 소자부 사이의 2차측 제6 노드 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  20. 제19 항에 있어서, 상기 2차측 제3 보조 스위칭 소자부는
    상기 2차측 제1 노드와 상기 2차측 제6 노드 사이에 직렬로 연결되는 2차측 제3 보조 다이오드와 2차측 제3 보조 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 2차측 제4 보조 스위칭 소자부는
    상기 2차측 제6 노드와 상기 2차측 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는 2차측 제4 보조 다이오드와 2차측 제4 보조 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  21. 제20 항에 있어서, 상기 2차측 공진 커패시터는
    상기 2차측 제4 노드와 상기 2차측 제6 노드 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  22. 제21 항에 있어서, 상기 제1 공진 변압기의 제2 권선단 및 상기 제2 공진 변압기의 제2 권선단은
    단자전압의 극성이 동일한 방향으로 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  23. 제22 항에 있어서, 상기 1차측 제1 내지 제8 스위칭소자 및 상기 2차측 제1 내지 제4 스위칭소자는
    상기 순방향 전력 수수 시에 각각의 게이트에 대응하여 인가되는 스위칭신호의 전압 레벨에 응답하여 상기 1차측 제1, 제4, 제5 및 제8 스위칭소자와 1차측 제2, 제3, 제6 및 제7 스위칭소자가 교대로 온/오프되고, 상기 2차측 제1 내지 제4 스위칭 소자는 모두 오프되며,
    상기 역방향 전력 수수 시에 상기 1차측 제1 내지 제8 스위칭소자가 모두 오프되고, 상기 2차측 제1 및 제4 스위칭소자 및 상기 2차측 제2 및 제3 스위칭소자는 각각의 게이트에 대응하여 인가되는 스위칭신호의 전압 레벨에 응답하여 교대로 온/오프되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  24. 제23 항에 있어서, 상기 1차측 제1 내지 제4 보조 스위칭 소자는
    상기 순방향 전력 수수 시에 모두 오프되고, 역방향 전력 수수시에 모두 온되며,
    상기 2차측 제2 내지 제4 보조 스위칭 소자는
    상기 순방향 전력 수수 시에 모두 온되고, 역방향 전력 수수시에 모두 오프되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  25. 제21 항에 있어서, 상기 1차측 제1 내지 제8 스위칭소자는
    상기 역방향 전력 수수 시에 역병렬다이오드(바디 다이오드)에 의해 정류 동작을 수행하고,
    상기 2차측 제1 내지 제4 스위칭소자는
    상기 순방향 전력 수수 시에 역병렬다이오드(바디 다이오드)에 의해 정류 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
  26. 제25 항에 있어서, 상기 1차측 제1 내지 제8 스위칭소자와 상기 2차측 제1 내지 제4 스위칭소자는
    Power Mosfet, IGBT, Power TR, SCR 중 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.

  27. 제26 항에 있어서, 상기 1차측 제1 내지 제4 보조스위칭소자 및 2차측 제1 및 제4 보조스위칭소자 각각은
    Power Mosfet, IGBT, Power TR, SCR, SSR(Solid State Relay), 릴레이 및 접점 중 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터.
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