KR101632243B1 - 양방향 직류/직류 컨버터 - Google Patents

양방향 직류/직류 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 저장 시스템(ESS)에서 양방향의 직류/직류 컨버터를 구현하는 기술에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 2 위상 인터리빙 기법과 제로 전압 스위칭 셀을 이용하여 고효율의 양방향 직류/직류 컨버터를 구현하고, 여러 단계의 변압과정을 통해 고효율의 에너지 변환이 가능하도록 하고 리플을 줄여 안정적인 에너지 교환이 가능하도록 하며, 인터리빙 기법을 이용하여 입력 전류 리플과 출력전압의 리플을 줄이고, 비교적 높은 부하에서 전도손(Conduction loss)을 저감할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

양방향 직류/직류 컨버터{BIDIRECTIONAL DC/DC CONVERTER}
본 발명은 에너지 저장 시스템에서 2 위상 인터리빙(two phase interleaving) 기법과 제로 전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching) 셀(Cell)을 이용하여 양방향 직류/직류 컨버터(DC/DC convert)를 구현하는 기술에 관한 것으로, 특히 인터리빙 기법을 이용하여 입력 전류 리플(ripple)과 출력전압의 리플을 줄이고, 비교적 높은 부하에서 전도손(Conduction loss)을 저감시키며 스위치들을 제로 전압 스위칭 방식으로 동작시킬 수 있도록 한 양방향 직류/직류 컨버터에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(ESS: Energy Stroge System)의 전체적인 구성은 전력 변환 장치인 PCS(Power Conversion System), 배터리 관리 시스템인 BMS(Battery Management System) 및 ESS를 제어하는 시스템인 EMS(Energy Management System)을 포함한다.
PCS는 다양한 에너지원(Energy Source)으로부터 공급되는 전원을 상용의 교류전원(AC)으로 변환하거나 배터리 셀(Battery Cell)에 저장하는데 적당하도록 변환해 주는 장치이다. 이때, DC 링크(Link) 단의 전압과 배터리 셀간에 양방향으로 에너지 변환이 필요하게 되는데, 이 역할을 하는 전력 변환 장치를 양방향 직류/직류 컨버터라고 한다.
일반적으로, 배터리셀은 직렬 및 병렬로 연결된 형태로 제작되어 에너지원으로 사용된다. 이와 같이 연결된 구조의 배터리셀을 에너지원으로 사용하는 경우, 에너지가 충/방전 되는 순간 리플(ripple)이 크게 발생되면 배터리셀의 수명에 나쁜 영향을 끼치게 된다. 그러므로, 에너지원으로 사용되는 배터리셀에서 커런트 리플을 줄이면 그만큼 배터리셀의 수명이 연장된다.
또한, 보다 작은 사이즈의 소자들을 이용하여 양방향 DC/DC 컨버터를 구현하고자 하는 경우 일정 주파수보다 높은 스위칭 주파수의 사용이 요구된다. 그런데, 일반적인 하드 스위칭에서는 주파수가 높을수록 스위칭 손실이 크게 발생되어 효율에 나쁜 영향을 끼친다.
근래 들어, 보다 높은 효율에서도 열을 발생하지 않고 DC/DC 컨버터를 구동할 수 있는 소프트 스위칭의 일종인 제로 전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching) 방식이 제안되었다.
도 1은 종래 기술에 의한 양방향 벅 부스터(Buck Boost)형 DC/DC 컨버터의 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 디씨 링크단(VDC), 스위치(Q11),(Q12), 인덕터(L11) 및 배터리셀 모듈(배터리 팩)(11)을 포함한다. 여기서, 상기 스위치(Q11),(Q12)는 모스트랜지스터로 구현되고, 상기 배터리셀 모듈(11)은 직렬 및 병렬로 연결된 배터리셀(Cell)들을 구비한다.
도 1을 참조하면, 충방전 모드에서 한 쌍의 스위치(Q11),(Q12)가 상보적으로 동작하고, 이에 의해 디씨 링크단(VDC)의 전원이 인덕터(L11)를 통해 배터리셀 모듈(11)에 충전되거나, 배터리셀 모듈(11)에 충전된 전원이 방전된다.
이와 같은 종래의 기술은 기본 구조가 간단하고 배터리셀 모듈에 대한 충방전 제어 구조가 간단한 장점을 가지지만, 전압변환의 비율이 낮아 배터리셀 모듈에 직렬 연결된 많은 배터리셀들을 필요로 하는 문제점이 있다. 또한, 배터리셀 모듈에 대한 충방전을 위해 하드 스위칭 동작을 하게 되므로 열이 많이 발생하게 되고, 이에 의해 효율이 저하되는 문제점이 있다.
도 2는 종래 기술에 의한 플라이백(Flyback)형 DC/DC 컨버터의 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 스위치(Q21),(Q22), 인덕터(L21),(L22),(L23), 트랜스포머(TR21) 및 배터리셀 모듈(21)을 포함한다. 여기서, 상기 스위치(Q21),(Q22)는 모스트랜지스터로 구현되고, 배터리셀 모듈(21)은 직렬 및 병렬로 연결된 배터리셀(Cell)들을 구비한다.
도 2를 참조하면, 충방전 모드에서 한 쌍의 스위치(Q21),(Q22)가 상보적으로 동작하고, 이에 의해 디씨 링크단(VDC)의 전원이 인덕터(L21),(L22),(L23) 및 트랜스포머(TR21)를 통해 배터리셀 모듈(21)에 충전되거나, 배터리셀 모듈(21)에 충전된 전원이 방전된다.
이와 같은 종래의 기술은 트랜스포머에 의해 디씨 링크단(VDC)과 배터리셀 모듈 사이에 절연이 가능하고, 트랜스포머의 권선비를 조절하여 전압 이득을 조정할 수 있는 장점이 있지만, 트랜스포머를 이용하여 전원을 전달하므로 제품의 원가가 상승되고 사이즈가 커지게 되는 단점이 있다.
도 3은 종래 기술에 의한 듀얼 액티브 브릿지(Dual Active Bridge)형 양방향 컨버터의 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 제1 브릿지 회로(31), 제2 브릿지 회로(32) 및 트랜스포머(TR31)를 포함한다. 여기서, 상기 제1 브릿지 회로(31) 및 제2 브릿지 회로(32)는 4개의 스위치로 구성된 풀 브릿지(Full Bridge) 형태 또는 두 개의 스위치로 구성된 하프 브릿지(Half Bridge) 형태로 구성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 디씨링크단(VH)에 제1 브릿지 회로(31)가 연결되고, 제2 디씨링크단(VL)에는 제2 브릿지 회로(32)가 연결되며, 상기 제1 브릿지 회로(31)와 제2 브릿지 회로(32)가 트랜스포머(TR31)에 의해 연결된 구조를 갖는다.
이와 같은 종래의 기술은 트랜스포머에 의해 디씨 링크단과 배터리셀 모듈 사이에 절연이 가능한 장점이 있지만, 브릿지 회로를 구성하기 위해 많은 개수의 스위치가 사용되는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 2 위상 인터리빙 기법과 제로 전압 스위칭(ZVS) 셀을 이용하여 고효율의 양방향 직류/직류 컨버터를 구현하고, 여러 단계의 변압과정을 통해 전기 에너지를 변환하고 안정적인 에너지 교환이 가능하게 되도록 하는 것을 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 양방향 직류/직류 컨버터는 디씨 링크단의 부극성 단자와 정극성 단자의 사이에 직렬 연결된 한 쌍의 스위치를 구비하는 제1 레그; 상기 디씨 링크단의 부극성 단자와 정극성 단자의 사이에 직렬 연결된 한 쌍의 스위치를 구비하는 제2 레그; 상기 제1 레그에서 상기 한 쌍의 스위치가 서로 연결되는 제1노드와 상기 제2 레그에서 상기 한 쌍의 스위치가 서로 연결되는 제2노드의 사이에 직렬 연결된 인덕터 및 커패시터를 구비하여 양방향으로 변환되는 직류 전압에 대해 LC 직렬공진 기능을 수행하는 LC 공진부; 및 배터리셀 전원단의 정극성 단자와 상기 제1노드의 사이에 연결된 제1 인덕터 및 상기 배터리셀 전원단의 정극성 단자와 상기 제2노드의 사이에 연결된 제2 인덕터를 구비하여 상기 제1 레그 및 상기 제2 레그에 전기 에너지를 각기 전달하는 전기에너지 전달부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 2 위상 인터리빙 기법과 제로 전압 스위칭 셀을 이용하여 고효율의 양방향 직류/직류 컨버터를 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 여러 단계의 변압과정을 통해 고효율의 에너지 변환이 가능하도록 하고 리플을 줄임으로써 안정적인 에너지 교환이 가능하게 되는 효과가 있다.
또한, 인터리빙 기법을 이용하여 입력 전류 리플과 출력전압의 리플을 줄이고, 비교적 높은 부하에서 전도손(Conduction loss)을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, ESS, 전기자동차, 전기스쿠터 및 전기자전거 등의 높은 양방향 에너지 교환을 필요로 하는 전력변환 장치에 적용하여 전기 에너지 효율을 향상시키고 리플 저감 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 양방향 벅 부스터형 DC/DC 컨버터의 회로도이다.
도 2는 종래 기술에 의한 플라이백형 DC/DC 컨버터의 회로도이다.
도 3은 종래 기술에 의한 듀얼 액티브 브릿지형 양방향 컨버터의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 양방향 직류/직류 컨버터의 회로도이다.
도 5는 양방향 직류/직류 컨버터를 벅 컨버터 모드로 구동할 때 각부의 파형도이다.
도 6a 내지 도 6h는 도 4를 벅 컨버터 모드로 구동할 때 각 모드별 소자의 구동 상태를 나타낸 회로도이다.
도 7은 양방향 직류/직류 컨버터를 부스트 컨버터 모드로 구동할 때 각부의 파형도이다.
도 8a 내지 도 8h는 도 4를 부스트 컨버터 모드로 구동할 때 각 모드별 소자의 구동 상태를 나타낸 회로도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 양방향 직류/직류 컨버터의 회로도로서 이에 도시한 바와 같이 양방향 직류/직류 컨버터(40)는, 디씨 링크단(VO)의 부극성 단자(-)와 정극성 단자(+)의 사이에 직렬 연결된 한 쌍의 스위치(S1,S2)를 구비하는 제1 레그(leg)(41A); 상기 디씨 링크단(VO)의 부극성 단자(-)와 정극성 단자(+)의 사이에 직렬 연결된 한 쌍의 스위치(S3,S4)를 구비하는 제2 레그(41B); 상기 제1 레그(41A)에서 상기 한 쌍의 스위치(S1,S2)가 서로 연결되는 제1노드(N1)와 상기 제2 레그(41B)에서 상기 한 쌍의 스위치(S3,S4)가 서로 연결되는 제2노드(N2)의 사이에 직렬 연결된 인덕터(Lres) 및 커패시터(Cres)를 구비하는 LC공진부(42); 및 배터리셀 전원단(Vin)의 정극성 단자(+)와 상기 제1노드(N1)의 사이에 연결된 인덕터(L1) 및 상기 배터리셀 전원단(Vin)의 정극성 단자(+)와 제2노드(N2)의 사이에 연결된 인덕터(L2)를 구비하여 상기 제1 레그(41A) 및 제2 레그(41B)에 전기 에너지를 각기 전달하는 전기에너지 전달부(43)를 포함한다.
먼저, 제로 전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching) 동작은 다음과 같은 원리로 이루어진다.
전기에너지 전달부(43)의 인덕터(L1),(L2)와 LC 공진부(42)의 인덕터(Lres) 및 커패시터(Cres)를 통한 전기 에너지 전달에 의해 스위치(S1-S4) 중에서 임의의 스위치가 턴오프되는 순간 오프된 해당 스위치의 기생 커패시터 성분을 방전시킨다. 이후 상기 스위치(S1-S4) 중에서 해당 스위치에 병렬로 연결된 바디 다이오드를 통해 전류를 흘려준다. 이 때, 상기 스위치(S1-S4) 중에서 해당 스위치를 턴온시키면 제로 전압 스위칭이 가능하게 된다. 이에 따라, 모든 부하에 대한 직류/직류 변환 효율이 향상된다. 상기 스위치(S1-S4)의 종류는 특별하게 한정되지 않지만 제로 전압 스위칭 동작의 극대화를 위해 다수 캐리어(majority carrier) 소자인 MOS FET(Metal Oxide Field Effect Transistor)를 사용 하는 것이 바람직하다.
양방향 직류/직류 컨버터(40)를 배터리셀 모듈 충전모드(Buck Mode)로 동작시키거나 배터리셀 모듈 방전모드(Boost Mode)로 동작시킬 때 제1 레그(41A) 및 제2 레그(41B)를 180도 위상으로 인터리빙(interleaving) 시킴으로써, 입력전류의 리플, 출력전압의 리플 및 전도손(Conduction loss)을 줄일 수 있게 된다.
상기와 같이 리플을 줄일 수 있는 이유는 제1 레그(41A)와 제2 레그(41B)가 180도의 위상차를 가지고 전기 에너지를 전달하기 때문이다. 예를 들어, 전달하고자 하는 전기에너지의 듀티비가 0.5인 경우 상기와 같은 전기 에너지 전달에 의해 리플의 크기를 절반으로 줄일 수 있다. 그리고, 상기와 같이 전도손을 줄일 수 있는 이유는 전기 에너지가 두 개의 인덕터(L1),(L2)로 나누어서 전달하기 때문이며, 부하가 커질수록 스위칭 손실의 저감폭에 비하여 전도손 저감폭이 더 크다.
도 5는 도 4의 양방향 직류/직류 컨버터(40)를 벅 컨버터 모드(Buck Converter Mode)로 구동할 때 각부의 파형도를 나타낸 것이다. 도 6a 내지 도 6h는 도 4를 벅 컨버터 모드로 구동할 때 각 모드별 소자의 구동 상태를 나타낸 회로도이다.
디씨 링크단(VO)으로 공급되는 디씨 전원을 배터리셀 전원단(Vin)에 연결된 배터리 셀 모듈에 충전하기 위한 벅 컨버터 모드(Buck Converter Mode)의 동작을 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 4에서 모스 트랜지스터로 구현된 스위치(S1-S4)는 제어부(도면에 미표시)로부터 공급되는 게이트전압(Vg_s1-Vg_s4)에 의해 각기 턴온된다.
제1모드(Mode1: to~t1)에서, 스위치(S1)는 병렬 연결된 바디 다이오드를 통해 전류가 흐른 후 '하이'의 게이트전압(Vg_s1)에 턴온되므로 제로전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching)이 가능하게 된다. 이때, 스위치(S3)의 기생커패시터에 전기 에너지가 충전되고, 스위치(S4)의 기생커패시터에 충전된 전기에너지가 방전된다. 이후, 상기 스위치(S3)는 '로우'의 게이트전압(Vg_s3)에 의해 턴오프된다. LC공진부(42)의 커패시터(Cres)에 충전된 전기 에너지가 방전된다. 이때, 전기에너지 전달부(43)의 인덕터(L1)에 충전된 전기 에너지는 배터리셀 전원단(Vin)에 방전되고, 인덕터(L2)에 전기 에너지가 충전된다.
제2모드(Mode2: t1~t2)에서, 상기 제1모드에서와 같이 스위치(S4)의 기생커패시터에 충전된 전기 에너지가 방전되고, 상기 스위치(S4)와 병렬 연결된 바디 다이오드를 통해 전류가 흐른 후 '하이'의 게이트전압(Vg_s4)에 의해 상기 스위치(S4)가 턴온되므로 제로전압 스위칭 동작이 가능하게 된다. 이때, LC공진부(42)의 커패시터(Cres)에 충전된 전기 에너지의 방전동작이 종료된다. 전기에너지 전달부(43)의 인덕터(L1)에 충전된 전기 에너지가 배터리셀 전원단(Vin)에 방전되고, 인덕터(L2)에 전기 에너지가 충전된다.
제3모드(Mode3: t2~t3)에서, 상기 LC공진부(42)의 커패시터(Cres)에 전기 에너지가 충전되기 시작한다. 이때, 전기에너지 전달부(43)의 인덕터(L1)에 충전된 전기 에너지가 배터리셀 전원단(Vin)에 방전되고, 인덕터(L2)에 전기 에너지가 충전된다.
제4모드(Mode4: t3~t4)에서, 스위치(S3)의 기생커패시터에 충전된 전기에너지가 방전되고, 스위치(S4)의 기생커패시터에 전기에너지가 충전된다. 이후, 스위치(S4)는 '로우'의 게이트전압(Vg_s4)에 의해 턴오프되고, 상기 LC공진부(42)의 커패시터(Cres)에 전기 에너지가 충전된다. 그리고, 전기에너지 전달부(43)의 인덕터(L1),(L2)에 충전된 전기 에너지가 배터리셀 전원단(Vin)에 각기 방전된다.
제5모드(Mode5: t4~t5)에서, 스위치(S3)는 병렬 연결된 바디 다이오드를 통해 전류가 흐른 후 '하이'의 게이트전압(Vg_s3)에 의해 턴온되므로 제로전압 스위칭 동작이 가능하게 된다. 이때, 스위치(S1)의 기생커패시터에 전기 에너지가 충전되고, 스위치(S2)의 기생커패시터에 충전된 전기에너지가 방전된다. 이후, 상기 스위치(S1)는 '로우'의 게이트전압(Vg_s1)에 의해 턴오프되고, LC공진부(42)의 커패시터(Cres)에 전기 에너지가 충전된다. 이때, 전기에너지 전달부(43)의 인덕터(L1)에 전기 에너지가 충전되고, 인덕터(L2)로부터 전기 에너지가 방전된다.
제6모드(Mode6: t5~t6)에서, 스위치(S2)는 병렬 연결된 바디 다이오드를 통해 전류가 흐른 후 '하이'의 게이트전압(Vg_s2)에 의해 턴온되므로 제로전압 스위칭 동작이 가능하게 된다. 이때, LC공진부(42)의 커패시터(Cres)에 대한 전기 에너지 충전동작이 종료된다. 이후, 전기에너지 전달부(43)의 인덕터(L1)에 전기 에너지가 충전되고, 인덕터(L2)로부터 충전된 전기 에너지가 방전된다.
제7모드(Mode7: t6~t7)에서, LC공진부(42)의 커패시터(Cres)에 충전된 전기 에너지가 방전되기 시작한다. 이후, 전기에너지 전달부(43)의 인덕터(L1)에 전기 에너지가 충전되고, 인덕터(L2)로부터 충전된 전기 에너지가 방전된다.
제8모드(Mode6: t7~t8)에서, 스위치(S1)의 기생 커패시터에 충전된 전기 에너지가 방전되고, 스위치(S2)의 기생 커패시터에 전기 에너지가 충전된다. 이후, 상기 스위치(S2)는 '로우'의 게이트전압(Vg_s2)에 의해 턴오프되고, LC공진부(42)의 커패시터(Cres)에 충전된 전기 에너지가 방전된다. 이때, 전기에너지 전달부(43)의 인덕터(L1),(L2)로부터 전기 에너지가 방전된다.
한편, 도 7은 도 4의 양방향 직류/직류 컨버터(40)를 부스트 컨버터 모드(Boost Converter Mode)로 구동할 때 각부의 파형도를 나타낸 것이다. 도 8a 내지 도 8h는 도 4를 부스트 컨버터 모드로 구동할 때 각 모드별 소자의 구동 상태를 나타낸 회로도이다.
배터리셀 전원단(Vin)을 통해 배터리 셀 모듈로부터 공급되는 디씨 전원을 디씨 링크단(VO)에 출력(방전)하기 위한 부스트 컨버터 모드(Boost Converter Mode)의 동작을 도 7 및 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
제1모드(Mode1: to~t1)에서, 스위치(S1)는 병렬 연결된 바디 다이오드를 통해 전류가 흐른 후 '하이'의 게이트전압(Vg_s1)에 턴온되므로 제로전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching)이 가능하게 된다. 이때, 스위치(S3)의 기생커패시터에 전기 에너지가 충전되고, 스위치(S4)의 기생커패시터에 충전된 전기에너지가 방전된다. 이후, 상기 스위치(S3)는 '로우'의 게이트전압(Vg_s3)에 의해 턴오프된다. LC공진부(42)의 커패시터(Cres)에 전기 에너지가 충전된다. 이때, 전기에너지 전달부(43)의 인덕터(L1)에 전기 에너지가 충전되고, 인덕터(L2)로부터 전기 에너지가 방전된다.
제2모드(Mode2: t1~t2)에서, 상기 제1모드에서와 같이 스위치(S4)의 기생커패시터에 충전된 전기 에너지가 방전되고, 상기 스위치(S4)와 병렬 연결된 바디 다이오드를 통해 전류가 흐른 후 '하이'의 게이트전압(Vg_s4)에 의해 상기 스위치(S4)가 턴온되므로 제로전압 스위칭 동작이 가능하게 된다. 이때, LC공진부(42)의 커패시터(Cres)에 대한 충전동작이 종료된다. 전기에너지 전달부(43)의 인덕터(L1)에 전기 에너지가 충전되고, 인덕터(L2)로부터 충전된 전기 에너지가 방전된다.
제3모드(Mode3: t2~t3)에서, 상기 LC공진부(42)의 커패시터(Cres)로부터 전기 에너지가 방전되기 시작한다. 이때, 전기에너지 전달부(43)의 인덕터(L1)에 전기 에너지가 충전되고, 인덕터(L2)로부터 전기 에너지가 방전된다.
제4모드(Mode4: t3~t4)에서, 스위치(S3)의 기생커패시터에 충전된 전기에너지가 방전되고, 스위치(S4)의 기생커패시터에 전기에너지가 충전된다. 이후, 스위치(S4)는 '로우'의 게이트전압(Vg_s4)에 의해 턴오프되고, 상기 LC공진부(42)의 커패시터(Cres)로부터 전기 에너지가 방전된다. 그리고, 전기에너지 전달부(43)의 인덕터(L1),(L2)에 전기 에너지가 각기 충전된다.
제5모드(Mode5: t4~t5)에서, 스위치(S3)는 병렬 연결된 바디 다이오드를 통해 전류가 흐른 후 '하이'의 게이트전압(Vg_s3)에 의해 턴온되므로 제로전압 스위칭 동작이 가능하게 된다. 이때, 스위치(S1)의 기생커패시터에 전기 에너지가 충전되고, 스위치(S2)의 기생커패시터에 충전된 전기에너지가 방전된다. 이후, 상기 스위치(S1)는 '로우'의 게이트전압(Vg_s1)에 의해 턴오프되고, LC공진부(42)의 커패시터(Cres)로부터 충전된 전기 에너지가 방전된다. 이때, 전기에너지 전달부(43)의 인덕터(L1)로부터 충전된 전기 에너지가 방전되고, 인덕터(L2)에 전기 에너지가 충전된다.
제6모드(Mode6: t5~t6)에서, 스위치(S2)는 병렬 연결된 바디 다이오드를 통해 전류가 흐른 후 '하이'의 게이트전압(Vg_s2)에 의해 턴온되므로 제로전압 스위칭 동작이 가능하게 된다. 이때, LC공진부(42)의 커패시터(Cres)로부터 전기 에너지 방전동작이 종료된다. 이후, 전기에너지 전달부(43)의 인덕터(L1)로부터 전기 에너지가 방전되고, 인덕터(L2)에 전기 에너지가 충전된다.
제7모드(Mode7: t6~t7)에서, LC공진부(42)의 커패시터(Cres)에 전기 에너지가 충전되기 시작한다. 이후, 전기에너지 전달부(43)의 인덕터(L1)로부터 전기 에너지가 방전되고, 인덕터(L2)에 전기 에너지가 충전된다.
제8모드(Mode6: t7~t8)에서, 스위치(S1)의 기생 커패시터에 충전된 전기 에너지가 방전되고, 스위치(S2)의 기생 커패시터에 전기 에너지가 충전된다. 이후, 상기 스위치(S2)는 '로우'의 게이트전압(Vg_s2)에 의해 턴오프되고, LC공진부(42)의 커패시터(Cres)에 전기 에너지가 충전된다. 이때, 전기에너지 전달부(43)의 인덕터(L1),(L2)에 전기 에너지가 충전된다.
양방향 직류/직류 컨버터(40)의 전압 변환비율은 종래의 비분리형 양방향 직류/직류 컨버터(non isolated bidirectional dc dc converter)와 동일 하다. 즉, 본 발명에 따른 부스트 컨버터 모드의 전압변환 비율은 아래의 [수학식 1]과 같고, 벅 컨버터 모드에서의 전압변환 비율은 아래의 [수학식 2]와 같다.
Figure 112015066897051-pat00001
여기서, "Vhigh"는 도 4에서 디씨 링크단(VO)의 전압을 의미하고, "Vlow"는 도 4에서 배터리셀 전원단(Vin)의 전압을 의미하며, "D"는 시비율(Duty Cycle)을 의미하는 것으로 전체 주기에서 메인 스위치가 온되어 있는 시간의 비율을 의미한다. 부스트 컨버터 모드에서는 스위치(S1,S3)가 상기 메인 스위치이고, 벅 컨버터 모드에서는 스위치(S2,S4)가 메인 스위치이다.
Figure 112015066897051-pat00002
여기서, "Vhigh"는 도 4에서 디씨 링크단(VO)의 전압을 의미하고, "Vlow"는 도 4에서 배터리셀 전원단(Vin)의 전압을 의미하며, "D"는 시비율(Duty Cycle)을 의미하는 것으로 전체 주기에서 메인 스위치가 온되어 있는 시간의 비율을 의미한다. 부스트 컨버터 모드에서는 스위치(S1,S3)가 상기 메인 스위치이고, 벅 컨버터 모드에서는 스위치(S2,S4)가 메인 스위치이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
40 : 양방향 직류/직류 컨버터 41A : 제1레그
41B : 제2레그 42 : LC공진부
43 : 전기에너지 전달부

Claims (11)

  1. 디씨 링크단의 부극성 단자와 정극성 단자의 사이에 직렬 연결된 한 쌍의 스위치를 구비하는 제1 레그;
    상기 디씨 링크단의 부극성 단자와 정극성 단자의 사이에 직렬 연결된 한 쌍의 스위치를 구비하는 제2 레그;
    상기 제1 레그에서 상기 한 쌍의 스위치가 서로 연결되는 제1노드와 상기 제2 레그에서 상기 한 쌍의 스위치가 서로 연결되는 제2노드의 사이에 직렬 연결된 인덕터 및 커패시터를 구비하여 양방향으로 변환되는 직류 전압에 대해 LC 직렬공진 기능을 수행하는 LC 공진부; 및
    배터리셀 전원단의 정극성 단자와 상기 제1노드의 사이에 연결된 제1 인덕터 및 상기 배터리셀 전원단의 정극성 단자와 상기 제2노드의 사이에 연결된 제2 인덕터를 구비하여 상기 제1 레그 및 상기 제2 레그에 전기 에너지를 각기 전달하는 전기에너지 전달부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 직류/직류 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배터리셀 전원단은
    다수의 태양전지 셀을 구비하여 태양광을 전기 에너지로 변환하는 배터리셀 모듈에 연결된 것을 특징으로 하는 양방향 직류/직류 컨버터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 양방향 직류/직류 컨버터는
    상기 디씨 링크단의 전기 에너지를 상기 배터리셀 전원단으로 전달하거나,
    상기 배터리셀 전원단의 전기 에너지를 상기 디씨 링크단으로 전달하는 것을 특징으로 하는 양방향 직류/직류 컨버터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 스위치는 MOS FET(Metal Oxide Field Effect Transistor)인 것을 특징으로 하는 양방향 직류/직류 컨버터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 스위치는
    바디 다이오드와 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 양방향 직류/직류 컨버터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 스위치는
    턴오프될 때 기생 커패시터 성분이 방전되고, 상기 바디 다이오드를 통해 전류가 흐른 후 제로 전압 스위칭되는 것을 특징으로 하는 양방향 직류/직류 컨버터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 스위치가 제로 전압 스위칭될 때 상기 LC 공진부가 이용되는 것을 특징으로 하는 양방향 직류/직류 컨버터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 양방향 직류/직류 컨버터는
    배터리셀 모듈 충전모드(Buck Mode)로 동작되거나 배터리셀 모듈 방전모드(Boost Mode)로 동작될 때 상기 제1 레그 및 상기 제2 레그가 180도 위상으로 인터리빙(Interleaving)되는 것을 특징으로 하는 양방향 직류/직류 컨버터.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 레그 및 상기 제2 레그는
    180도의 위상차를 가지고 전기 에너지를 전달하는 것을 특징으로 하는 양방향 직류/직류 컨버터.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 레그 및 상기 제2 레그는
    전기 에너지 방전과 충전 동작을 180도의 위상차로 교번되게 수행하는 것을 특징으로 하는 양방향 직류/직류 컨버터.
  11. 제1항에 있어서, 상기 양방향 직류/직류 컨버터에서 부스트 컨버터 모드의 전압변환 비율은 아래의 첫 번째 수학식을 따르고, 벅 컨버터 모드의 전압변환 비율은 아래의 두 번째 수학식을 따르는 것을 특징으로 하는 양방향 직류/직류 컨버터.

    Figure 112015066897051-pat00003

    Figure 112015066897051-pat00004

    여기서, "Vhigh"는 상기 디씨 링크단의 전압을 의미하고, "Vlow"는 상기 배터리셀 전원단의 전압을 의미하며, "D"는 시비율(Duty Cycle)을 의미한다.
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