KR101706551B1 - 양방향 하이브리드 전원 장치 - Google Patents

Abstract

AC-DC 양방향으로 동작가능하고, 다양한 동작 조건에 대해서 우수한 성능을 갖도록 스위칭 소자들을 제어함으로써 다양한 PFC 모드로 동작이 가능한 양방향 하이브리드 전원 장치가 제공된다.

Description

양방향 하이브리드 전원 장치 {BI-DIRECTIONAL HYBRID POWER DEVICE}

본 발명은 양방향 하이브리드 전원 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 AC-DC 와 DC-AC 로의 양방향 동작이 가능하면서도 스위칭을 통해 동작 조건에 따라 다양한 모드를 선택할 수 있게 함으로써 최적의 동작 특성을 갖는 양방향 하이브리드 전원 장치에 관한 것이다.

지속 가능한 에너지 공급 체계를 확립하기 위한 미래 에너지원의 개발의 일환으로 신재생 에너지에 대한 관심이 높아지면서, 신재생 에너지를 안정적으로 공급하기 위한 에너지 저장 시스템 (Energy Storage System; ESS) 에 대한 연구 또한 활발하게 이루어지고 있다. ESS 는 멀티 소스원, 멀티 부하와 같은 다양한 소스 및 부하 구조의 전력 시스템으로 구현되며, 멀티 소스와 멀티 부하 사이의 원활한 전력 변환을 위해 AC-DC 양방향으로 동작 가능한 전력 변환 회로가 적용되는 경우가 많다.

AC 전원과 DC 전원 사이의 전력 변환은 일반적으로 AC 전원을 DC 전원으로 변환하는 AC-DC 부와 AC-DC 부로부터 변환된 직류 전원을 승압 또는 강압 함으로써 요구되는 출력을 구현하기 위한 DC-DC 부를 포함하며, AC-DC 전력 변환이 양방향으로 동작하기 위해서는, DC-DC 부가 양방향으로 동작하는 것은 물론 AC-DC 부 또한 양방향으로 동작되어야 한다.

교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 AC-DC 컨버터는 AC 전원에서 DC 전원으로 변환시에 역률 보상 (Power Factor Correction) 기능을 포함할 수도 있고, 이는 또한 AC-DC 컨버터가 양방향으로 동작 가능하게 구성되어 DC 전원을 AC 전원으로 변환하는 인버터로도 기능할 필요가 있다.

도 1a 내지 도 1c 는 일반적인 AC-DC PFC 정류 회로를 도시한다. 도 1a 에 도시된 회로는 4개의 다이오드 (101a, 101b, 101c, 101d) 로 이루어진 정류부와 인덕터 (103), 스위치 (105), 다이오드 (107) 및 캐패시터 (109) 를 포함하는 부스트 역률 보상부를 포함하는 PFC 정류 회로이다. 스위치 (105) 가 턴 온 되면 정류부 및 인덕터를 통과한 전류는 스위치 (105) 를 통하여 흐르고, 스위치 (105) 가 턴 오프되면 정류부 및 인덕터를 통과한 전류는 다이오드 (107) 및 캐패시터 (109) 를 통하여 흐르는 방식으로 AC-DC 변환시 역률을 보상한다. 그러나, 도 1a 에 도시된 바와 같은 PFC 정류 회로는 DC-AC 방향으로 동작할 때에는 부스트 역률 보상부의 다이오드 (107) 에 의해 블로킹되어 역방향으로 동작할 수 없고, 또한 정류부의 다이오드들도 역방향 동작이 불가능하다는 문제점이 있었다.

도 1b 는 역률 보상부에 정류 다이오드를 사용하지 않으면서 역률 보상 기능을 구현할 수 있는 PFC 정류 회로를 도시한다. 도 1b 의 PFC 정류 회로는 교류 전원에 접속된 인덕터부 (111a, 111b) 와 2 개의 다이오드 (113a, 113b) 및 2 개의 스위치 (115a, 115b) 로 구성되는 정류부를 포함한다. 스위치 (115a) 가 턴 온 되면, 입력 전압이 양 (+) 인 경우에 인덕터 (111a) 를 통과한 전류는 스위치들 (115a, 115b) 을 차례로 통과하여 인덕터 (111b) 를 통해 전원으로 돌아 들어감으로써 인덕터부에 에너지를 저장하고, 스위치 (115a) 가 턴 오프 되면, 입력 전압이 양 (+) 인 경우에 인덕터 (111a) 를 통과한 전류는 다이오드 (113a), 캐패시터 (117), 스위치 (115b) 및 인덕터 (111b) 를 거쳐 전원으로 돌아 들어감으로써 캐패시터에 에너지를 저장하는 방식으로, AC 입력을 DC 로 변환할 때 역률 보상 기능을 갖는다. 그러나, 도 1b 의 PFC 정류 회로도 여전히 DC 에서 AC 방향으로 동작함에 있어서 다이오드 (113a, 113b) 에 의해 전류 흐름이 차단되어 역방향으로 동작할 수 없다는 문제점이 있었다.

도 1b 에 도시된 PFC 정류 회로는 또한, 링크 전압과 접지 사이를 연결하는 컴포넌트를 포함하고 있지 않아 EMI 가 취약해지는 문제점이 있어, 이를 해결하기 위해서 도 1c 에 도시된 바와 같이 출력단과 교류 전원의 입력 라인 사이를 접속시키는 다이오드 (129a, 129b) 를 더 구비함으로써, EMI 특성이 개선된 PFC 정류 회로가 도입되었다. 그러나, 도 1b 와 마찬가지로 도 1c 의 회로 또한 여전히 DC 에서 AC 방향으로 동작함에 있어서 다이오드 (123a, 123b) 에 의해 전류 흐름이 차단되어 역방향으로 동작할 수 없다는 문제점이 있었다.

이에, 역방향으로 동작할 수 없는 일반적인 PFC 정류 회로들의 한계를 극복하여 동일한 회로를 이용하여 AC-DC 컨버터 뿐만 아니라 DC-AC 인버터로도 동작 가능한 회로이면서, 또한 동작 조건에 따라 서로 다른 특성들을 갖는 각각의 PFC 정류 회로들에 대해서 동일 회로 내에서 각 PFC 정류 회로의 특성을 모두 포함하도록 구현함으로써 상황에 맞게 선택적으로 회로를 제어하여 원하는 회로 특성을 얻을 수 있는 회로에 대한 필요성이 인식되었다. 즉, AC 에서 DC 로의 변환 회로로 이용할 뿐만 아니라 DC 에서 AC 로의 변환 또한 가능한 양방향 전원 장치이면서, 또한 일반적인 PFC 정류 회로들의 장점을 포함하면서 동일한 회로를 이용하여 부하 조건, 입력 전압, 출력 전압 등과 같은 변화하는 동작 조건에 대해서도 개선된 EMI 특성 및 높은 효율을 획득할 수 있는 양방향 하이브리드 전원 장치가 요구된다.

한국공개특허공보 제 2006-0023221 호 (공개일: 2006. 03. 14.)

전술한 바와 같이 도 1a 내지 도 1c 에 도시된 일반적인 PFC 정류 회로들은 공통적으로 정류부의 다이오드에 의해 DC 에서 AC 의 방향으로 동작할 수 없다는 문제점이 있었다. 이는, 정류부를 4 개의 스위치들로 대체, 즉, 정류부를 4 -스위치 회로로 대체함으로써 본 발명의 전원 장치는 AC 에서 DC 뿐만 아니라 DC 에서 AC 로의 양방향으로 동작이 가능하게 된다.

또한, 전술한 바와 같이 도 1c 에 도시된 회로는 다이오드 (129a, 129b) 를 더 구비함으로써 개선된 EMI 특성을 갖는 이점이 있으며, 인덕터부와 정류부 사이에 스위칭 회로를 더 구비함으로써 효율을 개선하는 이점이 있었는바, 부하 조건, 입력 전압 또는 출력 전압 조건과 같은 다양한 동작 조건에 따라 스위칭 소자들의 스위칭을 제어함으로써 요구되는 동작 성능을 갖는 회로로 동작하는 것이 가능하게 된다.

다시 말하면, 본원 발명에서 달성하고자 하는 목적은 다음과 같다.

본 발명은 AC-DC 전원 사이의 변환에 있어서 AC-DC 부와 DC-DC 부 중에서 특히 단상 조건에서 동작하는 AC-DC 부에 해당되는 양방향 AC-DC 컨버터를 제공하기 위한 것으로서, AC-DC 변환시에는 다양한 동작 조건에 대해서도 고효율 특성을 갖는 역률 보상 기능을 갖도록 하나 이상의 제어 모드로 동작이 가능하면서도, 반대로 DC-AC 인버터로도 동작할 수 있는 양방향 AC-DC 컨버터를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명은 또한 동작 조건에 따라 다양한 유형의 회로로 동작 가능한 하이브리드 전원 장치를 제공하기 위한 것으로서, 본 발명의 하이브리드 전원 장치는 스위칭에 의해 일 제어 모드가 선택되면, 스위칭 회로가 부스트 인덕터와 정류부 사이에 포함되어 브리지 정류 회로의 위치를 출력 전압이 승압된 위치로 이동시켜 동작시킬 수 있게 되어 도통 전류의 손실이 저감되어 보다 높은 효율 특성을 갖는 전원 장치로도 동작 가능하고, 스위칭에 의해 다른 제어 모드가 선택되면 PFC 동작 개선을 위해 교류 입력 라인과 캐패시터의 한쪽 단 사이에 구비된 다이오드를 통해 전류가 우회하도록 함으로써 EMI 특성이 개선된 전원 장치로도 동작 가능하며, 스위칭에 의해 또 다른 제어 모드가 선택되면 전원 장치가 인버터로 동작할 경우에 EMI 특성 개선을 위해 추가된 다이오드로의 전류 흐름을 차단함으로써 인버터로도 정상적으로 동작 가능하게 되는 것과 같이, 부하 조건, 입력 전압 조건, 출력 전압 조건과 같은 동작 조건에 따라 필요한 동작 모드로 선택적으로 동작 가능한 하이브리드 전원 장치를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.

다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 양방향 하이브리드 전원 장치는, 교류 전원의 제 1 입력단과 접속된 제 1 인덕터 및 교류 전원의 제 2 입력단과 접속된 제 2 인덕터를 포함하는 인덕터부와, 인덕터부와 병렬로 접속된 제 1 MOSFET 스위치 및 제 2 MOSFET 스위치를 포함하고, 제 1 MOSFET 스위치의 소스와 제 2 MOSFET 스위치의 소스가 서로 접속되어 양방향으로 동작 가능하며, 제 1 노드에서 제 1 MOSFET 스위치의 드레인은 인덕터부의 제 1 인덕터와 접속되고, 제 2 노드에서 제 2 MOSFET 스위치의 드레인은 인덕터부의 제 2 인덕터와 접속되는, MOSFET 스위치 회로와, 제 1 노드에서 직렬로 연결되는 제 5 MOSFET 스위치와 제 3 MOSFET 스위치, 및 제 2 노드에서 직렬로 연결되는 제 6 MOSFET 스위치와 제 4 MOSFET 스위치를 포함하고, 제 3 MOSFET 스위치와 제 5 MOSFET 스위치의 직렬 연결은 제 4 MOSFET 스위치와 제 6 MOSFET 스위치의 직렬 연결과 병렬로 접속되는, 브리지 정류 회로와, 제 3 MOSFET 스위치와 제 5 MOSFET 스위치의 직렬 연결 및 제 4 MOSFET 스위치와 제 6 MOSFET 스위치의 직렬 연결과 병렬로 접속된 캐패시터를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 제 1 MOSFET 스위치 내지 제 6 MOSFET 스위치 각각은, MOSFET, IGBT, 및 MOSFET, IGBT 및 다이오드를 병렬로 구성한 스위칭이 가능한 소자 중 하나 또는 둘 이상의 조합으로 구성될 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 하이브리드 전원 장치는, 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드를 포함하되, 제 1 다이오드의 캐소드가 교류 전원의 제 1 입력단과 접속되고, 제 2 다이오드의 캐소드가 교류 전원의 제 2 입력단과 접속되는 다이오드부와, 그리고 제 1 다이오드의 애노드 및 제 2 다이오드의 애노드와 캐패시터의 일 단 사이에 배치되어, 다이오드부로의 전류 흐름을 제어하는 보조 스위치를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 다이오드부의 다이오드는 캐패시터로도 구성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 다이오드부의 다이오드 대신에 하나 이상의, 다이오드, FET 및 릴레이와 같은 스위칭 가능한 소자로도 구성될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 다이오드부의 다이오드는 스위칭이 가능한 소자와 수동 소자의 직렬 구성으로 구성될 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 하이브리드 전원 장치는, 제 1 MOSFET 스위치 및 제 2 MOSFET 스위치가 턴 오프 되고, 보조 스위치가 스위칭 온 되도록 제어되어 동작할 수도 있다. 이와 같이 제어된 상태에서, 제 3 MOSFET 스위치가 PWM 스위칭되고 제 4 MOSFET 스위치가 턴 온 되거나, 또는 제 4 MOSFET 스위치가 PWM 스위칭되고 제 3 MOSFET 스위치가 턴 온 되도록 제어될 수도 있다. 본 발명의 전원 장치가 인버터로 동작하기 위해서 보조 스위치가 턴 오프될 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 양방향 하이브리드 전원 장치는, 제 1 MOSFET 스위치 및 제 2 MOSFET 스위치는 PWM 스위칭되고, 보조 스위치는 항상 스위칭 오프 되도록 제어되어 동작할 수도 있다. 본 발명의 전원 장치가 인버터로 동작하기 위해서 제 1 MOSFET 스위치 및 제 2 MOSFET 스위치는 턴 오프 될 수도 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 양방향 하이브리드 전원 장치는, 일 장치 내에서 AC 에서 DC 로, 그리고 DC 에서 AC 로의 양방향으로 동작이 가능한 전원 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 양방향 하이브리드 전원 장치는, 하나 이상의 PFC 정류 회로의 구성들을 모두 포함하도록 설계되어 부하 조건, 출력 전압 조건, 입력 전압 조건 등과 같은 다양한 동작 조건에도 불구하고 개선된 EMI 특성, 높은 효율과 같은 우수한 동작 성능을 갖는 제어 모드에서 동작하도록 전원 장치의 MOSFET 스위치 및 턴 온/턴 오프 스위치를 제어함으로써, 동작 조건에 따라 최적의 동작 특성을 갖는 PFC AC-DC 컨버터를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 양방향 하이브리드 전원 장치는, 부스트 인덕터에 의해 입력 노이즈가 상쇄되고, 정류 회로의 위치를 승압된 위치로 이동시켜 동작시킬 수 있게 되어 도통 전류의 손실이 저감되어 보다 높은 효율 특성을 제공할 수 있다.

아울러, 본 발명의 실시예들에 따른 양방향 하이브리드 전원 장치는, PFC성능을 개선하기 위해 다이오드 또는 캐패시터로 전류를 도통시킴으로써 EMI 및 효율을 개선하고, 인버터로 동작하는 경우에는 보조 스위치를 통해 다이오드 또는 캐패시터로의 전류의 흐름을 차단함으로써 정상적인 인버터 동작을 또한 가능하게 한다.

따라서, 전원 장치의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수도 있다.

다만, 본 발명의 효과는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

도 1a 내지 도 1c 는 일반적인PFC 정류 회로를 나타낸다.
도 2 는 본 발명의 양방향 하이브리드 전원 장치를 나타낸다.
도 3a 는 본 발명의 일 실시예에 따라 스위칭 제어된 전원 장치를 나타낸다.
도 3b 및 3c 는 도 3a 와 같이 스위칭 제어된 전원 장치에 대해 양의 입력 전원이 인가되는 경우의 전류의 흐름을 나타낸다.
도 3d 및 3e 는 도 3a 와 같이 스위칭 제어된 전원 장치에 대해 음의 입력 전원이 인가되는 경우의 전류의 흐름을 나타낸다.
도 4a 및 4b 는 다른 실시예에 따라 스위칭 제어된 전원 장치에 대해 양의 입력 전원이 인가되는 경우의 전류의 흐름을 나타낸다.
도 4c 및 4d 는 다른 실시예에 따라 스위칭 제어된 전원 장치에 대해 음의 입력 전원이 인가되는 경우의 전류의 흐름을 나타낸다.

본 발명은 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원의 “그린전기자동차 차량부품개발 및 연구기반구축사업”의 지원을 받아 수행된 연구결과이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 2 는 본 발명에 따른 양방향 하이브리드 전원 장치 (200) 의 일 실시형태를 도시한다. 본 발명에 따른 양방향 하이브리드 전원 장치 (200) 는, 교류 전원 (201) 의 양 단에 각각 접속된 인덕터 (203a, 203b) 로 구성된 부스트 인덕터부 (202) 를 포함한다. 인덕터 (203a, 203b) 는 입력 전류를 이용하여 충전 및 방전 동작을 통해 입력 교류 전압을 부스트하고 입력 노이즈를 상쇄시키는 역할을 한다. 인덕터부와 교류 전원 사이에는 추가적으로 스위치, 인덕터, 저항, 다이오드 및 캐패시터 중 적어도 하나의 구성들이 더 포함될 수도 있다.

장치 (200) 는 4 개의 MOSFET 스위치 Q3 - Q6 (207a, 207b, 207c, 207d) 로 구성된 4-스위치 정류 회로 (206) 를 포함한다. 노드 A 에서 MOSFET 스위치 Q3 (207a) 와 MOSFET 스위치 Q5 (207c) 는 서로 같은 방향으로 직렬로 접속되고, 노드 B 에서 MOSFET 스위치 Q4 (207b) 와 MOSFET 스위치 Q6 (207d) 는 서로 같은 방향으로 직렬로 접속되며, MOSFET 스위치 Q3 와 MOSFET 스위치 Q5 의 직렬 연결과 MOSFET 스위치 Q4 와 MOSFET 스위치 Q6 의 직렬 연결은 노드 C 와 노드 D 사이에서 서로 병렬로 접속된다. MOSFET 스위치 Q3 - Q6 는 스위칭 제어기 회로 (미도시) 로부터의 스위칭 제어 신호에 의해 제어된다. 4-스위치 정류회로에 병렬로 배치된, 또는 도 2 에서 노드 C 와 D 사이에 배치된 캐패시터 (209) 로 4-스위치 정류회로에 의해 정류된 출력 전압이 제공된다.

일반적으로 정류 기능의 회로는 도 1b 내지 도 1c 에 도시된 바와 같이 2 개의 다이오드와 2 개의 스위치로 구성될 수도 있지만, 본원에서는 AC-DC 양방향으로 동작 가능한 전원 장치를 구현하기 위하여, 본원 발명의 장치 (200) 는 정류부 (206) 로서 4 개의 MOSFET 스위치들로 구성된 4-스위치 정류 회로를 포함하고 있으며, 이는, 예를 들어, 도 1b 내지 1c 에 도시된 회로에서 역방향, 즉, DC 에서 AC 로의 인버터로 동작할 수 없었던 것과 달리, 본 발명에 따른 전원 장치가 DC-AC 로 변환 가능한 인버터로서도 기능하는 것을 가능하게 한다.

4-스위치 정류 회로와 병렬로 배치된 캐패시터 (209) 의 한쪽 끝 (노드 D) 과 교류 전원 (201) 의 입력단들 사이에 제 1 다이오드 (211a) 및 제 2 다이오드 (211b) 로 구성된 다이오드부 (210) 가 배치된다. 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드를 통한 전류의 흐름을 제어하기 위해서 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드와 캐패시터 사이에는 턴 온/턴 오프 스위치 (213) 를 포함한다.

제 1 다이오드 (211a) 및 제 2 다이오드 (211b) 는 캐패시터의 한쪽 끝과 교류 전원 사이에 배치됨으로써, 본 발명에 따른 전원 장치가 일 제어 모드에 따라 AC-DC 컨버터로 동작할 때에 캐패시터와 교류 전원 사이의 전류의 흐름이 제 1 다이오드 또는 제 2 다이오드를 통해 우회하게 되어, 다이오드가 개재되지 않은 경우와 비교하여 EMI 특성을 개선하고, 더 높은 효율을 갖도록 한다. 다른 실시 형태에서, 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드는 캐패시터로도 구현될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드는 다이오드, FET 또는 릴레이를 포함하는 하나 이상의 스위칭 가능한 소자들로도 구현될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드는 다이오드, FET 및 릴레이를 포함하는 스위칭이 가능한 소자와 저항, 인덕터 및 캐패시터와 같은 수동 소자의 직렬 구성으로도 구현될 수 있다.

이와 같이 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드는 본 발명에 따른 전원 장치가 컨버터로 동작할 때에는 EMI 특성 및 효율을 개선하는 역할을 하지만, 본 발명에 따른 전원 장치가 인버터로 동작하는 경우에는, 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드가 도통되어 있으면, 스위치를 통과해야 하는 전류가 제 1 다이오드 또는 제 2 다이오드를 통해 흐르게 되어 정상적인 인버터 출력을 불가능하게 하는 문제점이 발생한다.

따라서, 본 발명에 따른 전원 장치는 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드와 캐패시터 사이에 보조 스위치 (213) 를 더 포함하도록 하였으며, 보조 스위치는 본 발명의 전원 장치가 인버터로 동작하는 경우에는 스위칭 오프되어 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드로의 전류 흐름을 차단함으로써 정상적인 인버터 동작을 가능하게 한다.

또한, 본 발명에 따른 전원 장치 (200) 에는 인덕터 (203a, 203b) 와 노드 A, B 사이에 MOSFET 스위치 Q1, Q2 (205a, 205b) 로 구성된 MOSFET 스위치 회로 (204) 가 배치된다. MOSFET 스위치 Q1 (205a) 의 소스와 MOSFET 스위치 Q2 (205b) 의 소스가 서로 접속된 형태로 배치되며 MOSFET 스위치 Q1, Q2 는 양방향으로 전류를 통과시킬 수 있다. MOSFET 스위치 Q1, Q2 는 스위칭 제어 회로 (미도시) 로부터의 스위칭 제어 신호에 의해 제어된다.

구체적으로, MOSFET 스위치 Q1 및 Q2 는, 본 발명의 전원 장치가 일 제어 모드에서 AC-DC 컨버터로 동작할 시에 번갈아 턴 온/턴 오프 되도록 제어된다. 보다 구체적으로, 양 (+) 의 입력 전원에 대하여, 스위치 Q1 및 Q2 가 턴 온 되면 전류는 교류 전원으로부터 제 1 인덕터를 통해 스위치 Q1 및 Q2 를 통과하여 다시 제 2 인덕터를 통과하여 교류 전원으로 돌아 들어가는 전류 흐름을 가지며, 스위치 Q1 및 Q2 가 턴 오프 되면 교류 전원으로부터의 제 1 인덕터 (203a) 를 통과한 전류는 스위치 Q5 (207c), 캐패시터 (209) 및 Q4 (207b) 를 차례로 통과하여 제 2 인덕터 (203b) 로 들어가는 전류 흐름을 가진다. 음 (-) 의 입력 전원에 대하여는, 스위치 Q1 및 Q2 가 턴 온 되면 전류는 교류 전원으로부터 제 2 인덕터를 통해 스위치 Q2 및 Q1 을 통과하여 다시 제 1 인덕터를 통과하여 교류 전원으로 돌아 들어가는 전류 흐름을 가지며, 스위치 Q1 및 Q2 가 턴 오프 되면 교류 전원으로부터의 제 2 인덕터 (203b) 를 통과한 전류는 스위치 Q6 (207d), 캐패시터 (209) 및 Q3 (207a) 를 차례로 통과하여 제 1 인덕터 (203a) 로 들어가는 전류 흐름을 가진다. 이는, AC-DC 부스트 동작시 전파 정류 역할을 하는 다이오드의 위치를 출력 전압이 승압된 위치로 이동시켜 동작시키기 때문에 도통 전류의 손실이 저감되는 효과를 갖는다. 본 발명의 전원 장치가 인버터로 동작하는 경우에는 스위치 Q1 및 Q2 는 턴 오프 된다.

본 명세서에서 명시적으로 도시되지는 않았지만, 본 발명에 따른 전원 장치는 스위칭 제어 회로를 더 구비함으로써, MOSFET 스위치 Q1 내지 Q6 (205a, 205b, 207a, 207b, 207c, 207d) 턴 온/턴 오프와 보조 스위치 (213) 의 턴 온/턴 오프를 제어하는 제어 신호를 생성한다.

이하에서는, 본 발명에 따른 양방향 하이브리드 전원 장치 (200) 의 선택된 제어 모드에서 스위칭 상태 및 입력 전압의 부호에 따른 전원 장치 내의 전류의 흐름을 설명한다.

도 3a 에서는, 도 1c 에 도시된 바와 같은 PFC 정류 회로의 특성을 가지면서도 양방향으로 동작 가능하도록, 도 2 의 장치 (200) 에서 MOSFET 스위치 Q1 및 Q2 (205a, 205b) 가 턴 오프되고, 보조 스위치 (213) 가 스위칭 온 되도록 제어된 전원 장치 (300) 를 도시한다. 도 3a 에 도시된 전원 장치 (300) 는 EMI 특성이 개선되고 높은 효율을 갖는 역률 보상 (PFC) AC-DC 컨버터 모드로 동작한다. 양 (+) 의 입력 전원에 대해서, MOSFET 스위치 Q3 가 PWM 스위칭 제어되고 MOSFET 스위치 Q4 가 항상 턴 온 됨에 따라 도 3b 내지 3c 에 도시된 바와 같이 전류가 흐르고, 음 (-) 의 입력 전원에 대해서는, MOSFET 스위치 Q4 가 PWM 스위칭 제어되고 MOSFET 스위치 Q3 가 항상 턴 온 됨에 따라 도 3d 내지 3e 에 도시된 바와 같이 전류가 흐른다.

도 3b 는 본원 발명의 일 실시 형태에 따른 일 제어 모드에 따라 도 2 의 전원 장치가 도 3a 에 도시된 바와 같이 스위칭 제어된 전원 장치 (300) 에 대해서, 양 (+) 의 입력 전원이 인가되고 MOSFET 스위치 Q3 가 턴 온 되었을 때의 전류의 흐름을 도시한다. 양 (+) 의 입력 전원인 동안에 MOSFET 스위치 Q4 는 항상 턴 온 상태로 유지된다. 인덕터를 통과한 전류는 턴 온 된 MOSFET 스위치 Q3을 통해 흐르고, 노드 D 에서 MOSFET 스위치 Q4 를 돌아 인덕터를 통과하여 입력 전원으로 돌아 들어가는 전류와 스위칭 온 된 보조 스위치 (213) 를 통해 다이오드로 흐르는 전류로 분기된다.

도 3c 는 본원 발명의 일 실시 형태에 따른 일 제어 모드에 따라 도 3a 와 같이 제어된 전원 장치 (300) 에 대해서, 양 (+) 의 입력 전원이 인가되고 MOSFET 스위치 Q3 가 턴 오프 되었을 때의 전류의 흐름을 도시한다. 양 (+) 의 입력 전원인 동안에 MOSFET 스위치 Q4 는 항상 턴 온 상태로 유지된다. 이 과정에서 MOSFET 스위치 Q3 가 턴 온 된 기간 동안에 인덕터에 축적된 에너지가 출력단으로 이동한다. 인덕터를 통과하여 MOSFET 스위치 Q5 와 캐패시터를 통과한 전류는 노드 D 에서 MOSFET 스위치 Q4 로 흐르는 전류와 스위칭 온 된 보조 스위치 (213) 를 통해 다이오드로 흐르는 전류로 분기된다. 이와 같이 전류가 분기됨으로 인해서, 도통 손실이 감소되어 회로의 효율이 증가하는 동시에, 노드 D 로부터 다이오드를 통해 입력 전원으로 들어가는 전류의 흐름을 만들어 줌으로써 장치의 EMI 특성이 개선된다.

도 3d 는 본원 발명의 일 실시 형태에 따른 일 제어 모드에 따라 도 2 의 전원 장치가 도 3a 에 도시된 바와 같이 스위칭 제어된 전원 장치 (300) 에 대해서, 음 (-) 의 입력 전원이 인가되고 MOSFET 스위치 Q4 가 턴 온 되었을 때의 전류의 흐름을 도시한다. 음 (-) 의 입력 전원인 동안에 MOSFET 스위치 Q3 는 항상 턴 온 상태로 유지된다. 인덕터를 통과한 전류는 턴 온 된 MOSFET 스위치 Q4 를 통해 흐르고, 노드 D 에서 MOSFET 스위치 Q3 를 돌아 인덕터를 통과하여 입력 전원으로 돌아 들어가는 전류와 스위칭 온 된 보조 스위치 (213) 를 통해 다이오드로 흐르는 전류로 분기된다.

도 3e 는 본원 발명의 일 실시 형태에 따른 일 제어 모드에 따라 도 3a 와 같이 제어된 전원 장치 (300) 에 대해서, 음 (-) 의 입력 전원이 인가되고 MOSFET 스위치 Q4 가 턴 오프 되었을 때의 전류의 흐름을 도시한다. 음 (-) 의 입력 전원인 동안에 MOSFET 스위치 Q3 는 항상 턴 온 상태로 유지된다. 이 과정에서 Q4 가 턴 온 된 기간 동안에 인덕터에 축적된 에너지가 출력단으로 이동한다. 인덕터를 통과하여 MOSFET 스위치 Q6 와 캐패시터를 통과한 전류는 노드 D 에서 MOSFET 스위치 Q3 로 흐르는 전류와 스위칭 온 된 보조 스위치 (213) 를 통해 다이오드로 흐르는 전류로 분기된다. 이와 같이 전류가 분기됨으로 인해서, 도통 손실이 감소되어 회로의 효율이 증가하는 동시에, 노드 D 로부터 다이오드를 통해 입력 전원으로 들어가는 전류의 흐름을 만들어 줌으로써 장치의 EMI 특성이 개선된다.

도 3a 에 도시된 바와 같이 스위칭 제어된 장치 (300) 가 DC-AC 인버터로 동작하도록 결정되면, 보조 스위치 (213) 는 스위칭 오프 된다. 이는 전류가 출력단으로부터 다이오드를 통과하여 입력단으로 흐르는 것을 방지하고, 출력단으로부터의 직류 입력이 4-스위치 회로와 인덕터를 통해 전달되도록 하여, 정상적인 인버터 동작을 가능하게 한다.

도 4a 내지 4d 에서는, 본원 발명의 다른 실시 형태에 따른 다른 제어 모드에 따라 PFC 정류 회로의 특성을 가지면서도 양방향으로 동작 가능하도록, 도 2 의 장치 (200) 에서 보조 스위치 (213) 가 항상 스위칭 오프 되고, MOSFET 스위치 Q1 및 Q2 는 주기적으로 턴 온/턴 오프 되도록 제어된 전원 장치 (200) 에서의 전류의 흐름을 도시한다. 전원 장치 (300) 의 보조 스위치 (213) 가 스위칭 오프 된 상태에서, 전원 장치 (300) 는 도 3a 와는 또 다른 방식으로 높은 효율을 가지며 양방향으로도 동작 가능한 PFC AC-DC 컨버터 모드로 동작할 수 있다.

도 4a 내지 4b 에서는 본원 발명의 다른 실시 형태에 따른 다른 제어 모드에 따라 도 2 의 전원 장치 (200) 에서 보조 스위치 (213) 가 항상 스위칭 오프되도록 제어된 전원 장치 (300) 에 대해 양 (+) 의 입력 교류 전원이 인가되는 경우의 전류의 흐름을 도시한다. 양 (+) 의 입력 교류 전원이 인가되는 경우에, 도 4a 는 MOSFET 스위치 Q1 및 Q2 가 턴 온 될 때의 전류의 흐름을 도시하고, 도 4b 는 MOSFET 스위치 Q1 및 Q2 가 턴 오프 될 때의 전류의 흐름을 도시한다. 도 4a 를 참조하면, MOSFET 스위치 Q1 및 Q2 가 턴 온 되면 전류는 MOSFET 스위치 Q1 및 Q2 를 통해 회로의 내측으로 흐른다. MOSFET 스위치 Q1 및 Q2 가 턴 오프 되면 전류는 도 4b 에 도시된 바와 같이 MOSFET 스위치 Q5, 캐패시터 및 MOSFET 스위치 Q4 를 통해 회로의 외측으로 흐른다.

도 4c 내지 4d 에서는 본원 발명의 다른 실시 형태에 따른 다른 제어 모드에 따라 도 2 의 전원 장치 (200) 에서 보조 스위치 (213) 가 항상 스위칭 오프되도록 제어된 전원 장치 (300) 에 대해 음 (-) 의 입력 교류 전원이 인가되는 경우의 전류의 흐름을 도시한다. 음 (-) 의 입력 교류 전원이 인가되는 경우에, 도 4c 는 MOSFET 스위치 Q1 및 Q2 가 턴 온 될 때의 전류의 흐름을 도시하고, 도 4d 는 MOSFET 스위치 Q1 및 Q2 가 턴 오프 될 때의 전류의 흐름을 도시한다. 도 4c 를 참조하면, MOSFET 스위치 Q1 및 Q2 가 턴 온 되면 전류는 MOSFET 스위치 Q2 및 Q1 을 통해 회로의 내측으로 흐른다. MOSFET 스위치 Q1 및 Q2 가 턴 오프 되면 전류는 도 4d 에 도시된 바와 같이 MOSFET 스위치 Q6, 캐패시터 및 MOSFET 스위치 Q3 를 통해 회로의 외측으로 흐른다.

도 4a 내지 도 4d 와 같은 제어 모드에 따를 때, 도 4a 및 도 4c 와 같이 MOSFET 스위치 Q1 및 Q2 가 턴 온 된 동안에 인덕터에 에너지가 축적된다. 인덕터는 에너지를 축적하는 동시에 입력 노이즈를 상쇄시키는 역할도 한다. MOSFET 스위치 Q1 및 Q2 가 턴 오프 되면, MOSFET 스위치 Q1 및 Q2 가 턴 온 된 동안에 인덕터에 축적된 에너지가 브리지 정류 회로를 통해 출력단으로 이동한다. 이 제어 모드에서는, 정류부를 출력 전압이 승압된 위치로 이동시켜 동작시키기 때문에 도통 전류의 손실이 저감되는 특성을 가진다.

도 4a 내지 4d 에 도시된 바와 같이 동작하도록 스위칭 제어된 장치 (200) 가 DC-AC 인버터로 동작하도록 결정되면, MOSFET 스위치 Q1 및 Q2 는 턴 오프 되도록 제어된다. 이는 회로가 단락되는 것을 방지하고 출력단으로부터의 직류 입력이 4-스위치 회로와 인덕터를 통해 흐르는 정상적인 인버터 동작을 가능하게 한다.

본원 발명의 양방향 하이브리드 전원 장치 (200) 는 도 3a 에 도시된 바와 같이 스위칭 제어된 제어 모드에서 동작하거나, 도 4a 내지 4d 에 도시된 바와 같은 제어 모드에서 동작할 수도 있으나, 본 발명의 또 다른 실시 형태로서, 전원 장치 (200) 를 도 4a 내지 4d 와 같이 MOSFET 스위치 Q1 및 Q2 가 턴 온/턴 오프되는 것과 MOSFET 스위치 Q3 및 Q4 가 동기화하여 턴 온/턴 오프되도록 하는 제어 모드 (제 1 하이브리드 모드) 에서 동작시킬 수도 있고, 또는 MOSFET 스위치 Q3 또는 Q4 를 입력 전원의 사이클에 따라 부분적으로 풀 턴 온 (full turn on) 또는 풀 턴 오프 (full turn off) 되도록 하는 제어 모드 (제 2 하이브리드 모드) 에서 동작시킬 수도 있다.

동작 조건에 따라 제어 모드를 선택하는 하는 것에 있어서, 부하가 경부하일 때 또는 고부하일 때, 출력 전압이 낮을 때 또는 높을 때, 입력 전압이 낮을 때 또는 높을 때 등과 같은 동작 조건에 따라 최적의 동작 특성을 갖는 특정 제어 모드가 정해져 있는 것은 아니고, 회로에 구성된 소자나 설계에 따라서 최적의 결과를 내는 제어 모드는 달라질 수 있으며, 이를 고려하여 상황에 맞게 전원 장치의 제어 모드를 적절히 선택함으로써 변화하는 동작 조건에 따라 최적의 동작 특성을 갖는 전원 장치를 구현하는 것이 가능하다.

본 발명에 개시된 양방향 하이브리드 전원 장치는, AC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터로, 즉, 양방향으로 동작 가능한 전원 장치를 제공할 수 있고, 하나 이상의 PFC 정류 회로의 구성들을 모두 포함하도록 설계되어 부하 조건, 출력 전압 조건, 입력 전압 조건 등과 같은 다양한 동작 조건에도 불구하고 개선된 EMI 특성, 높은 효율과 같은 우수한 동작 성능을 갖는 제어 모드에서 동작하도록 전원 장치의 MOSFET 스위치 및 턴 온/턴 오프 스위치를 제어함으로써, 동작 조건에 따라 최적의 동작 특성을 갖는 하이브리드 전원 장치를 제공할 수 있다.

상기에서는 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (11)

1. 양방향 하이브리드 전원 장치로서,
   교류 전원의 제 1 입력단과 접속된 제 1 인덕터 및 상기 교류 전원의 제 2입력단과 접속된 제 2 인덕터를 포함하는 인덕터부;
   상기 인덕터부와 병렬로 접속된 MOSFET 스위치 회로로서, 상기 MOSFET 스위치 회로는 제 1 MOSFET 스위치 및 제 2 MOSFET 스위치를 포함하고, 상기 제 1 MOSFET 스위치의 소스와 상기 제 2 MOSFET 스위치의 소스가 접속되어 상기 MOSFET 스위치 회로가 양방향으로 동작 가능하며, 제 1 노드에서 상기 제 1 MOSFET 스위치의 드레인은 상기 제 1 인덕터와 접속되고, 제 2 노드에서 상기 제 2 MOSFET 스위치의 드레인은 상기 제 2 인덕터와 접속되는, 상기 MOSFET 스위치 회로;
   제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 MOSFET 스위치들을 포함하는 브리지 정류 회로 로서, 상기 제 3 MOSFET 스위치와 상기 제 5 MOSFET 스위치는 상기 제 1 노드에서 직렬로 연결되고, 상기 제 4 MOSFET 스위치와 상기 제 6 MOSFET 스위치는 상기 제 2 노드에서 직렬로 연결되고, 상기 제 3 MOSFET 스위치와 상기 제 5 MOSFET 스위치의 직렬 연결은 상기 제 4 MOSFET 스위치와 상기 제 6 MOSFET 스위치의 직렬 연결과 병렬로 접속되며, 상기 브리지 정류 회로;
   상기 제 3 MOSFET 스위치와 상기 제 5 MOSFET 스위치의 직렬 연결 및 상기 제 4 MOSFET 스위치와 상기 제 6 MOSFET 스위치의 직렬 연결과 병렬로 접속된 캐패시터;
   제 1 다이오드 및 제 2 다이오드를 포함하는 다이오드부로서, 상기 제 1 다이오드의 캐소드가 상기 교류 전원의 상기 제 1 입력단과 접속되고, 상기 제 2 다이오드의 캐소드가 상기 교류 전원의 상기 제 2 입력단과 접속된, 상기 다이오드부; 및
   상기 제 1 다이오드의 애노드 및 상기 제 2 다이오드의 애노드와 상기 캐패시터의 일 단 사이에 배치되어, 상기 다이오드부로의 전류 흐름을 제어하는 보조 스위치를 포함하는, 양방향 하이브리드 전원 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 MOSFET 스위치 내지 제 6 MOSFET 스위치 각각은, MOSFET, IGBT, 및 MOSFET, IGBT 및 다이오드를 병렬로 구성한 스위칭이 가능한 소자 중 하나 또는 둘 이상의 조합으로 대체 가능한, 양방향 하이브리드 전원 장치.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 다이오드부의 다이오드는 캐패시터로 대체 가능한, 양방향 하이브리드 전원 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 다이오드부의 다이오드는 하나 이상의 스위칭이 가능한 소자로 대체 가능하고, 상기 스위칭이 가능한 소자는 FET 및 릴레이를 포함하는, 양방향 하이브리드 전원 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 다이오드부의 다이오드는 스위칭이 가능한 소자와 수동 소자의 직렬 구성으로 대체 가능하고, 상기 스위칭이 가능한 소자는 다이오드, FET 및 릴레이를 포함하는, 양방향 하이브리드 전원 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 전원 장치는 상기 제 1 MOSFET 스위치 및 상기 제 2 MOSFET 스위치가 턴 오프 되고, 상기 보조 스위치가 스위칭 온 되도록 제어되는, 양방향 하이브리드 전원 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 제 3 MOSFET 스위치가 PWM 스위칭되고 상기 제 4 MOSFET 스위치가 턴온 되거나, 또는 상기 제 4 MOSFET 스위치가 PWM 스위칭되고 상기 제 3 MOSFET 스위치가 턴 온 되도록 제어되는, 양방향 하이브리드 전원 장치.
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 전원 장치가 인버터로 동작하는 경우, 상기 보조 스위치는 스위칭 오프 되는, 양방향 하이브리드 전원 장치.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 MOSFET 스위치 및 상기 제 2 MOSFET 스위치는 PWM 스위칭되고,상기 보조 스위치는 항상 스위칭 오프 되도록 제어되는, 양방향 하이브리드 전원 장치.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 전원 장치가 인버터로 동작하는 경우, 상기 제 1 MOSFET 스위치 및 상기 제 2 MOSFET 스위치는 턴 오프되는, 양방향 하이브리드 전원 장치.
    

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