KR101734210B1 - 양방향 직류-직류 컨버터 - Google Patents

양방향 직류-직류 컨버터 Download PDF

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이경민
최윤걸
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Abstract

본 발명은 에너지 저장 시스템에 적용되는 양방향 직류-직류 컨버터(DC-DC convert)를 구현하는 기술에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 디씨링크단 전원과 배터리 전원 간에 자기결합 인덕터와 충방전전압 저장부를 구비하여 충전 처리과정을 수행하거나 방전 처리과정을 수행할 때 두 단계의 변압과정을 통해 처리하여 높은 이득을 구현하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 배터리셀의 구성비용을 줄일 수 있고, 높은 전압 가용 범위를 보장할 수 있으며, 누설 인덕턴스의 영향을 줄일 수 있다.

Description

양방향 직류-직류 컨버터{BIDIRECTIONAL DC-DC CONVERTER}
본 발명은 에너지 저장 시스템에 적용되는 양방향 직류-직류 컨버터(DC-DC convert)를 구현하는 기술에 관한 것으로, 특히 디씨링크단 전원과 배터리 전원 간에 충전 또는 방전 처리과정을 수행 할 때 두 단계의 변압과정을 통해 고이득을 달성할 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.
배터리 셀(Battery Cell) 같은 경우 여러 종류의 전압을 제공하는 모델이 제안되어 있다. 하지만, 단위 배터리 셀로부터 제공되는 전압과 용량이 낮아 부하를 감당하기 위해서 수 많은 배터리 셀을 직/병렬로 연결하여 사용하게 된다. 만약, 디시 링크(DC Link) 단과 배터리 간의 높은 이득을 가지는 양방향 직류-직류 컨버터의 설계가 가능하다면 배터리 셀의 직렬 연결 개수를 줄여 가격 경쟁력을 확보 할 수 있을 뿐만 아니라, 배터리 셀 관리 시스템에 투입되는 부가 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 양방향 벅 부스터(Buck Boost)형 직류-직류 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 디씨 링크단(VDC)을 통해 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.
도 2는 종래 기술에 의한 양방향 플라이백(Flyback)형 직류-직류 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 디씨 링크단을 통해 방전된다.
이와 같은 종래의 기술은 트랜스포머에 의해 디씨 링크단과 배터리셀 모듈 사이에 절연이 가능하고, 트랜스포머의 권선비를 조절하여 전압 이득을 조정할 수 있는 장점이 있지만, 트랜스포머의 누설 인덕턴스로 인한 전압 스파이크(spike)로 인하여 컨버터의 안정성이 떨어지는 물제점이 있다.
도 3은 종래 기술에 의한 양방향 벅 부스트(Buck Boost)형 직류-직류 컨버터의 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 스위치(Q31),(Q32), 인덕터(L31),(L32) 및 배터리셀 모듈(31)을 포함한다.
도 3은 상기 도 1과 같은 양방향 벅 부스터형 직류-직류 컨버터와 비교할 때 개량된 구조를 갖는 차이점이 있다.
이와 같은 종래 기술은 자기 결합 인덕터를 이용하여 높은 전압변환의 비율을 구현 할 수 있다. 하지만 누설 인덕턴스 전류의 갑작스런 변화로 인하여 높은 전압 스파이크(Spike)가 발생되어 안정성이 떨어지는 문제점이 있고, 낮은 가용범위를 가져 실제로 사용상에 많은 제약이 따르는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 디씨링크단 전원과 배터리 전원 간에 충전 처리과정을 수행하거나 방전 처리과정을 수행할 때 두 단계의 변압과정을 통해 처리하여 고이득을 달성할 수 있도록 하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 양방향 직류-직류 컨버터는, 부스트 컨버터 모드에서 배터리 전원으로부터 공급되는 전기에너지를 충전하거나 이미 충전된 전기에너지를 출력하고, 벅 컨버터 모드에서는 이전에 충전된 전기에너지로 상기 배터리 전원을 충전시키거나 디씨링크단 전원 측으로부터 공급되는 전기에너지를 충전하는 자기결합 인덕터; 상기 자기결합 인덕터가 상기 배터리 전원으로부터 공급되는 전기에너지를 충전하거나, 상기 자기결합 인덕터에 충전된 전기에너지로 상기 배터리 전원을 충전시킬 수 있도록 상기 자기결합 인덕터의 제1인덕터와 제2인덕터 간에 구동경로를 스위칭하는 자기결합인덕터 구동부; 상기 부스트 컨버터 모드에서 상기 자기결합 인덕터 측으로부터 공급되는 전기에너지를 충전하거나 이미 충전된 전기에너지를 상기 디씨링크단 전원 측으로 방전하고, 상기 벅 컨버터 모드에서는 상기 자기결합인덕터 또는 상기 디씨링크단 전원으로부터 공급되는 전기에너지를 충전하거나 이미 충전된 전기에너지를 상기 자기결합 인덕터 측으로 방전하는 충방전전압 저장부; 상기 부스트 컨버터 모드 또는 상기 벅 컨버터 모드에서 상기 충방전전압 저장부와 상기 자기결합 인덕터 간의 전기 에너지 전달이 가능하도록 스위칭하거나 다이오드 역할을 하는 제1스위치부; 및 상기 부스트 컨버터 모드 또는 상기 벅 컨버터 모드에서 상기 디씨링크단 전원과 상기 충방전전압 저장부 간의 전기에너지 전달이 가능하도록 스위칭하거나 다이오드 역할을 하는 제2스위치부를 포함한다.
본 발명은 디씨링크단 전원과 배터리 전원 간에 충전 처리과정을 수행하거나 방전 처리과정을 수행할 때 두 단계의 변압과정을 통해 처리 함으로써, 배터리셀의 구성비용을 줄일 수 있는 효과가 있고, 높은 전압 가용 범위를 보장하고 누설 인덕턴스의 영향을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 양방향 벅 부스터형 직류-직류 컨버터의 회로도이다.
도 2는 종래 기술에 의한 플라이백형 직류-직류 컨버터의 회로도이다.
도 3은 종래 기술에 의한 양방향 벅 부스트형 직류-직류 컨버터의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 양방향 직류-직류 컨버터의 회로도이다.
도 5의 (a) 내지 (j)는 양방향 직류-직류 컨버터를 벅 컨버터 모드로 구동할 때 각부의 파형도이다.
도 6a는 양방향 직류-직류 컨버터를 부스트 컨버터 모드로 구동할 때 제1단계에서 각 소자의 구동 상태를 나타낸 회로도이다.
도 6b는 양방향 직류-직류 컨버터를 부스트 컨버터 모드로 구동할 때 제2단계에서 각 모드별 소자의 구동 상태를 나타낸 회로도이다.
도 7의 (a) 내지 (j)는 양방향 직류/직류 컨버터를 벅 컨버터 모드로 구동할 때 각부의 파형도이다.
도 8a은 양방향 직류-직류 컨버터를 벅 컨버터 모드로 구동할 때 제1단계에서 각 소자의 구동 상태를 나타낸 회로도이다.
도 8b는 양방향 직류-직류 컨버터를 벅 컨버터 모드로 구동할 때 제2단계에서 각 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(400)는 자기결합 인덕터(410), 자기결합인덕터 구동부(420), 충방전전압 저장부(430), 제1스위치부(440) 및 제2스위치부(450)를 포함한다.
자기결합 인덕터(410)는 배터리 전원(Vbat)을 디씨링크단 전원(VDC) 측으로 방전시키는 부스트 컨버터 모드(Boost Converter Mode)에서 배터리 전원(Vbat)으로부터 공급되는 전기에너지를 충전하거나 이미 충전된 전기에너지를 출력하고, 디씨링크단 전원(VDC)을 배터리 전원(Vbat)에 충전시키는 벅 컨버터 모드(Buck Converter Mode)에서 이전에 충전된 전기에너지로 배터리 전원(Vbat)을 충전시키거나 디씨링크단 전원(VDC) 측으로부터 공급되는 전기에너지를 충전하는 역할을 한다.
이를 위해 자기결합 인덕터(410)는 상기 제1스위치부(440)의 일측 단에 연결된 제1노드(N1)와 상기 배터리 전원(Vbat)의 정극성 단자의 사이에 연결된 제1인덕터(Lp) 및 상기 디씨링크단 전원(VDC)의 부극성 단자와 상기 배터리 전원(Vbat)의 부극성 단자의 사이에 연결된 제2인덕터(Ls)를 구비한다.
자기결합인덕터 구동부(420)는 자기결합인덕터(410)가 배터리 전원(Vbat)으로부터 공급되는 전기에너지를 충전하거나, 자기결합인덕터(410)에 충전된 전기에너지로 배터리 전원(Vbat)을 충전시킬 수 있도록 자기결합인덕터(410)의 제1인덕터(Lp)와 제2인덕터(Ls) 간에 구동경로를 형성하기 위해 스위칭하거나 다이오드 역할을 한다.
이를 위해 자기결합인덕터 구동부(420)는 상기 제1노드(N1)와 상기 배터리 전원(Vbat)의 부극성 단자의 사이에 연결된 제1스위치(S1) 및 상기 배터리 전원(Vbat)의 정극성 단자와 상기 디씨링크단 전원(VDC)의 부극성 단자의 사이에 연결된 제2스위치(S2)를 구비한다.
충방전전압 저장부(430)는 부스트 컨버터 모드에서 자기결합인덕터(410) 측으로부터 공급되는 전기에너지를 충전하거나 이미 충전된 전기에너지를 디씨링크단 전원(VDC) 측으로 방전하고, 벅 컨버터 모드에서 자기결합인덕터(410) 또는 디씨링크단 전원(VDC)으로부터 공급되는 전기에너지를 충전하거나 이미 충전된 전기에너지를 자기결합인덕터(410) 측으로 방전하는 역할을 한다.
이를 위해 충방전전압 저장부(430)는 상기 제2스위치부(450)의 일측 단자에 연결된 제2노드(N2)와 상기 디씨링크단 전원(VDC)의 부극성 단자의 사이에 직렬 연결된 인덕터(L) 및 커패시터(C)를 구비한다.
제1스위치부(440)는 부스트 컨버터 모드 또는 벅 컨버터 모드에서 충방전전압 저장부(430)와 자기결합인덕터(410) 간의 전기 에너지 전달이 가능하도록 스위칭하거나 다이오드 역할을 한다.
이를 위해 제1스위치부(440)는 상기 인덕터(L) 및 커패시터(C)의 공통 연결노드와 상기 제1노드(N1)의 사이에 연결된 제3스위치(S3) 및 상기 제1노드(N1)와 제2노드(N2)의 사이에 연결된 제4스위치(S4)를 구비한다.
제2스위치부(450)는 부스트 컨버터 모드 또는 벅 컨버터 모드에서 디씨링크단 전원(VDC)과 충방전전압 저장부(440) 간의 전기에너지 전달이 가능하도록 스위칭하거나 다이오드 역할을 한다.
이를 위해 제2스위치부(450)는 상기 디씨링크단 전원(VDC)의 정극성 단자와 상기 제2노드(N2)의 사이에 연결된 제5스위치(S5)를 구비한다.
도 4에서 스위치(S1),(S2),(S4)는 제어부(도면에 미표시)로부터 공급되는 도 5의 (a)와 같은 게이트전압(Vg_s1,Vg_s2,Vg_s4)에 의해 스위칭 동작하고, 스위치(S3),(S5)는 제어부로부터 공급되는 도 5의 (d)와 같은 게이트전압(Vg_s3),(Vg_s5)에 의해 스위칭 동작한다. 상기 스위치(S1-S5)의 종류는 특별하게 한정되지 않으며 본 실시예에서는 모스 트랜지스터로 구현된 것을 예로 하여 설명한다.
도 5의 (a) 내지 (j)는 양방향 직류-직류 컨버터(400)를 방전모드 즉, 배터리 셀에 연결된 배터리 전원(Vbat)을 디씨링크단 전원(VDC) 측으로 방전시키 위해 부스트 컨버터 모드로 구동할 때 각부의 파형도를 나타낸 것이다. 도 6a 및 도 6b는 상기 양방향 직류-직류 컨버터(400)를 부스트 컨버터 모드로 구동할 때 제1단계(제1차) 및 제2단계(제2차)에서 각 소자의 구동 상태를 나타낸 회로도이다.
부스트 컨버터 모드의 제1단계 동작을 도 5 및 도 6a를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 상기 제1단계 구간(t0-t1)에서 도 5의 (a)와 같은 게이트전압(Vg _ s1), (Vg_s2), (Vg_s4)에 의해 스위치(S1),(S2),(S4)가 턴온되고, 도 5의 (d)와 같은 게이트전압(Vg _ s3),(Vg _ s5)에 의해 스위치(S3),(S5)가 턴오프되는 것에 의하여 부스트 컨버터 모드의 제1단계가 시작된다. 이때, 스위치(S1),(S2)의 턴온에 의해 배터리 전원(Vbat)의 전기에너지가 자기결합 인덕터(410)의 제1권선(Np)과 제2권선(Ns)의 비율(Np:Ns)로 자기결합 인덕터(410)에 충전된다. 이때, 자기결합 인덕터(410)의 제1권선(Np)에 걸리는 전압(VLP)과 제2권선(Ns)에 걸리는 전압(VLS)은 배터리 전원(Vbat)의 전압과 동일하게 되며 이를 일이차단의 전압에 관한 [수학식1]로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112015105063869-pat00001
이때, 스위치(S4)가 턴온되는 것에 의해 디씨링크단 전원(VDC)과 상기 전압(VLS)이 합해진 레벨의 전기에너지(VDC + VLS)가 인덕터(L)에 충전된다.
부스트 컨버터 모드의 제2단계 동작을 도 5 및 도 6b를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 상기 제2단계 구간(t1-t2)에서 도 5의 (a)와 같은 게이트전압(Vg _ s1), (Vg_s2),(Vg_s4)에 의해 스위치(S1),(S2),(S4)가 턴오프되고 도 5의 (d)와 같은 게이트전압(Vg _ s3),(Vg _ s5)에 의해 스위치(S3),(S5)가 턴온된다. 이에 따라, 스위치(S3), (S5)의 다이오드 역할에 의해 전기 에너지 방전 동작이 이루어진다. 즉, 자기결합 인덕터(410)에 충전된 전기에너지가 스위치(S3)의 바디 다이오드를 통해 커패시터(C)에 방전되고, 인덕터(L)에 충전된 전기에너지가 스위치(S5)의 바디 다이오드를 통해 디씨링크단 전원(VDC)으로 방전된다. 이때, 자기결합 인덕터(410)의 제1권선(Np)의 전압(VLP), 제2권선(Ns)의 전압(VLS), 배터리 전원(Vbat), 디씨링크단 전원(VDC)은 VLs + VLp = Vbat - VDC의 관계를 갖고, 자기결합 인덕터(410)의 제1권선(Np)의 전류(iLP), 제2권선(Ns)의 전류(iLS)는 iLs=iLp의 관계를 갖는다. 이를 상기 일이차단의 전압에 관한 [수학식2]로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112015105063869-pat00002
결국, 부스트 컨버터 모드의 제1단계에서는 배터리 전원(Vbat)을 자기결합 인덕터(410)에 충전하게 되는데 이때, 자기결합 인덕터의 전압은 상호인덕턴스와 자기인덕턴스의 영향을 받게 되어 고이득의 전기에너지 변환과정이 수행된다. 그리고, 부스트 컨버터 모드의 제2단계에서는 상기 자기결합 인덕터(410)에 충전된 전기 에너지를 충방전전압 저장부(430)의 인덕터(L)를 통해 디씨링크단 전원(VDC) 측으로 방전하는 고이득의 전기 에너지 변환과정을 수행할 수 있게 된다.
한편, 도 7의 (a) 내지 (j)는 양방향 직류-직류 컨버터(400)를 충전모드 즉, 디씨링크단 전원(VDC)을 배터리 전원(Vbat)에 충전시키 위해 벅 컨버터 모드로 구동할 때 각부의 파형도를 나타낸 것이다. 도 8a 및 도 8b는 상기 양방향 직류-직류 컨버터(400)를 벅 컨버터 모드로 구동할 때 제1단계 및 제2단계에서 각 소자의 구동 상태를 나타낸 회로도이다.
벅 컨버터 모드의 제1단계 동작을 도 7 및 도 8a를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 상기 제1단계 구간(t0-t1)에서 도 7의 (a)와 같은 게이트전압(Vg _ s1), (Vg_s2),(Vg_s4)에 의해 스위치(S1),(S2),(S4)가 턴온되고, 도 7의 (d)와 같은 게이트전압(Vg _ s3),(Vg _ s5)에 의해 스위치(S3),(S5)가 턴오프되는 것에 의하여 벅 컨버터 모드의 제1단계가 시작된다. 이때, 상기 스위치(S1),(S2),(S4)는 다이오드 역할을 한다. 이에 따라, 상기 스위치(S1),(S4)의 바디 다이오드, 상기 인덕터(L) 및 커패시터(C)로 이루어지는 방전 경로가 형성되어 상기 인덕터(L)로부터 방전되는 전기에너지가 상기 커패시터(C)에 충전된다. 그리고, 상기 스위치(S1),(S2)를 통해서는 상기 자기결합 인덕터(410)의 제1권선(Np)과 제2권선(Ns)에 충전된 전기에너지가 방전되어 배터리 전원(Vbat)이 충전된다.
이때, 자기결합 인덕터(410)의 제1권선(Np)의 전압(VLP), 제2권선(Ns)의 전압(VLS), 배터리 전원(Vbat)은 VLs = VLp = Vbat의 관계를 갖고, 이를 상기 일이차단의 전압에 관한 [수학식3]으로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112015105063869-pat00003
벅 컨버터 모드의 제2단계 동작을 도 7 및 도 8b를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 상기 제1단계 구간(t0-t1)에서 도 7의 (a)와 같은 게이트전압(Vg _ s1), (Vg _ s2),(Vg _ s4)에 의해 스위치(S1),(S2),(S4)가 턴온되고, 도 7의 (d)와 같은 게이트전압(Vg _ s3),(Vg _ s5)에 의해 스위치(S3),(S5)가 턴온되는 것에 의하여 벅 컨버터 모드의 제2단계가 시작된다. 이때, 스위치(S5)를 통해서는 디씨링크단 전원(VDC)으로부터 공급되는 전기에너지가 인덕터(L)에 충전된다. 이와 동시에 스위치(S3)를 통해서는 커패시터(C)에 충전된 전기 에너지가 자기결합 인덕터(410)에 방전되어 그 자기결합 인덕터(410)의 제1권선(Np)과 제2권선(Ns)에 충전된다. 이때, 자기결합 인덕터(410)의 제1권선(Np)의 전류(iLP),제2권선(Ns)의 전류(iLS), 제1권선(Np)의 전압(VLP), 제2권선(Ns)의 전압(VLS)은 iLs = iLp, VLs + VLp = Vdc - Vbat의 관계를 갖고, 이를 상기 일이차단의 전압에 관한 [수학식4]으로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112015105063869-pat00004
결국, 벅 컨버터 모드에서는 제1단계에서 인덕터(L)를 통해 전기에너지 변환과정을 수행한 후, 제2단계에서 자기결합 인덕터(410)를 통해 전기에너지 변환과정을 수행하므로 자기결합 인덕터(410)의 전압이 상호인덕턴스와 자기인덕턴스의 영향을 받게 되어 고이득의 압은 상호인덕턴스와 자기인덕턴스의 영향을 받게 되어 고이득의 전기에너지 변환과정을 수행할 수 있게 된다.
통상의 양방향 직류-직류 컨버터의 경우 벅 컨버터 모드에서 배터리전원 Vbat=VDC * 듀티율로 표현되고, 부스트 컨버터 모드에서는 VDC = Vbat*/(1-듀티비)로 표현된다. 이에 비하여 본 발명의 실시예에 따른 양방향 직류-직류 컨버터의 경우 상기와 같은 두 단계의 전기에너지 변환과정에 의해 우수한 변압이득을 갖게 되는데 이를 [수학식]으로 표현하면 다음과 같다.
즉, 부스트 컨버터 모드에서 디씨링크단 전원(VDC)은 다음의 [수학식5]로 표현된다.
Figure 112015105063869-pat00005
여기서, "D"는 듀티비이다.
그리고, 벅 컨버터 모드에서는 배터리 전원(Vbat)은 다음의 [수학식6]으로 표현된다.
Figure 112015105063869-pat00006
도 9는 본 발명의 듀티비에 따른 부스트 컨버터 모드에서의 변환 이득을 통상의 기술과 비교한 그래프로서 통상의 기술에 비하여 승압 개선 효과가 월등하게 우수한 것을 확인 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 듀티비에 따른 벅 컨버터 모드에서의 변환 이득을 통상의 술과 비교한 그래프로서 통상의 기술에 비하여 감압 개선 효과가 월등하게 우수한 것을 확인 할 수 있다.
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.
400 : 양방향 직류-직류 컨버터 410 : 자기결합 인덕터
420 : 자기결합인덕터 구동부 430 : 충방전전압 저장부
440 : 제1스위치부(440) 450 : 제2스위치부

Claims (10)

  1. 부스트 컨버터 모드에서 배터리 전원으로부터 공급되는 전기에너지를 충전하거나 이미 충전된 전기에너지를 출력하고, 벅 컨버터 모드에서는 이전에 충전된 전기에너지로 상기 배터리 전원을 충전시키거나 디씨링크단 전원 측으로부터 공급되는 전기에너지를 충전하는 자기결합 인덕터;
    상기 자기결합 인덕터가 상기 배터리 전원으로부터 공급되는 전기에너지를 충전하거나, 상기 자기결합 인덕터에 충전된 전기에너지로 상기 배터리 전원을 충전시킬 수 있도록 상기 자기결합 인덕터의 제1인덕터와 제2인덕터 간에 구동경로를 스위칭하는 자기결합인덕터 구동부;
    상기 부스트 컨버터 모드에서 상기 자기결합 인덕터 측으로부터 공급되는 전기에너지를 충전하거나 이미 충전된 전기에너지를 상기 디씨링크단 전원 측으로 방전하고, 상기 벅 컨버터 모드에서는 상기 자기결합인덕터 또는 상기 디씨링크단 전원으로부터 공급되는 전기에너지를 충전하거나 이미 충전된 전기에너지를 상기 자기결합 인덕터 측으로 방전하는 충방전전압 저장부;
    상기 부스트 컨버터 모드 또는 상기 벅 컨버터 모드에서 상기 충방전전압 저장부와 상기 자기결합 인덕터 간의 전기 에너지 전달이 가능하도록 스위칭하거나 다이오드 역할을 하는 제1스위치부; 및
    상기 부스트 컨버터 모드 또는 상기 벅 컨버터 모드에서 상기 디씨링크단 전원과 상기 충방전전압 저장부 간의 전기에너지 전달이 가능하도록 스위칭하거나 다이오드 역할을 하는 제2스위치부를 포함하되,
    상기 자기결합 인덕터는
    상기 부스트 컨버터 모드의 제1단계에서 상기 배터리 전원을 충전하고,
    상기 충방전전압 저장부는
    상기 부스트 컨버터 모드의 제2단계에서 상기 자기결합 인덕터로부터 공급되는 전기 에너지를 충전하는 것을 특징으로 하는 양방향 직류-직류 컨버터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 충방전전압 저장부는 상기 벅 컨버터 모드의 제1단계에서 이전에 충전된 전기 에너지를 상기 자기결합 인덕터 측으로 방전하고,
    상기 자기결합 인덕터는 상기 벅 컨버터 모드의 제2단계에서 상기 충방전전압 저장부로부터 공급되는 전기 에너지를 저장하는 것을 특징으로 하는 양방향 직류-직류 컨버터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 자기결합 인덕터는
    상기 제1스위치부의 일측 단자와 상기 배터리 전원의 정극성 단자의 사이에 연결된 제1인덕터 및
    상기 디씨링크단 전원의 부극성 단자와 상기 배터리 전원의 부극성 단자의 사이에 연결된 제2인덕터를 구비한 것을 특징으로 하는 양방향 직류-직류 컨버터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 자기결합인덕터 구동부는
    상기 제1인덕터의 타측 단자와 상기 제2인덕터의 일측 단자의 사이에 연결된 제1스위치 및
    상기 제1인덕터의 일측 단자와 상기 제2인덕터의 타측 단자의 사이에 연결된 제2스위치를 구비한 것을 특징으로 하는 양방향 직류-직류 컨버터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 충방전전압 저장부는
    상기 제2스위치부의 일측 단자와 상기 디씨링크단 전원의 부극성 단자의 사이에 직렬 연결된 인덕터 및 커패시터를 구비한 것을 특징으로 하는 양방향 직류-직류 컨버터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1스위치부는
    상기 충방전전압 저장부의 중간노드와 상기 제1인덕터의 타측 단자의 사이에 연결된 제3스위치 및
    상기 충방전전압 저장부의 일측 단자와 상기 제1인덕터의 타측 단자의 사이에 연결된 제4스위치를 구비한 것을 특징으로 하는 양방향 직류-직류 컨버터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2스위치부는
    상기 디씨링크단 전원의 정극성 단자와 상기 충방전전압 저장부의 일측 단자의 사이에 연결된 제5스위치를 구비한 것을 특징으로 하는 양방향 직류-직류 컨버터.
  9. 제5항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 스위치는 모스 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 양방향 직류-직류 컨버터.
  10. 제9항에 있어서, 상기 모스트랜지스터는 버디 다이오드와 병렬 연결된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 양방향 직류-직류 컨버터.
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10389104B1 (en) * 2015-01-09 2019-08-20 Clemson University Circuit breaker for DC circuits using coupled induction
US10707759B2 (en) 2018-01-10 2020-07-07 International Business Machines Corporation Boosting battery voltage with boost converters
CN108539983B (zh) * 2018-04-19 2020-06-19 西安交通大学 一种快速充放电双向反激电路
CN109004829B (zh) * 2018-07-06 2020-12-01 天津大学 一种低电流纹波耦合电感双向直流变换器
US10418909B1 (en) * 2018-07-24 2019-09-17 Dialog Semiconductor (Uk) Limited Output switched switching converter
CN110247456B (zh) * 2019-07-15 2021-07-16 钰泰半导体南通有限公司 一种多节锂电池均衡管理开关系统及其电流检测方法
EP4064536A4 (en) * 2021-01-28 2022-09-28 Contemporary Amperex Technology Co., Limited POWER CONTROL METHOD FOR POWER CONVERSION DEVICE, AND POWER CONVERSION DEVICE

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005261059A (ja) 2004-03-11 2005-09-22 Toyota Industries Corp 電流双方向コンバータ
JP2008099423A (ja) 2006-10-11 2008-04-24 Honda Motor Co Ltd Ｄｃ−ｄｃコンバータ

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI495242B (zh) * 2013-10-09 2015-08-01 Nat Univ Tsing Hua 雙向直流轉換器
US20160181925A1 (en) * 2014-12-17 2016-06-23 National Chung Shan Institute Of Science And Technology Bidirectional dc-dc converter

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005261059A (ja) 2004-03-11 2005-09-22 Toyota Industries Corp 電流双方向コンバータ
JP2008099423A (ja) 2006-10-11 2008-04-24 Honda Motor Co Ltd Ｄｃ−ｄｃコンバータ

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Navid Molavi et al. "High Step-Up/Down DC-DC Bidirectional Converter with Low Switch Voltage Stress. IEEE. (발표일 : 2015.02.)*
S.Manoharan et al. "Closed Loop Control of Non-Isolated Bidirectional Dc/Dc Converter". IOSRJEN. (발표일 : 2013.06.)

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