KR101857947B1 - Interleaved type dc-dc converting apparatus - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 전원부에 전기적으로 연결된 PWM(Pulse Width Modulation)전환부, 상기 PWM 전환부와 배터리팩에 전기적으로 연결되며 상기 배터리팩에 공급되는 전력을 변환하는 전력변환부, 상기 전력변환부와 상기 PWM 전환부에 전기적으로 연결되어 상기 전력변환부와 상기 PWM 전환부를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 전력변환부는 3상 회로로 구현되고, 상기 3상 회로를 구성하는 각 단상회로에는 상기 각 단상회로를 활성화시키기 위한 스위칭 소자를 포함하고, 상기 제어부는 상기 스위칭 소자를 제어하여 상기 3상 회로가 3상 또는 2상으로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 배터리의 충방전시에 배터리에 흐르는 전류의 리플을 저감하여 배터리의 수명을 연장할 수 있다.The present invention relates to an interleaved DC-DC converter device. The apparatus includes a PWM (Pulse Width Modulation) switching unit electrically connected to a power supply unit, a power conversion unit electrically connected to the PWM switching unit and the battery pack to convert power supplied to the battery pack, And a control unit electrically connected to the switching unit to control the power conversion unit and the PWM switching unit, wherein the power conversion unit is implemented as a three-phase circuit, and each of the single-phase circuits constituting the three- And the switching unit controls the switching unit so that the three-phase circuit operates in three-phase or two-phase. According to the present invention, the life of the battery can be extended by reducing the ripple of the current flowing in the battery during charging and discharging of the battery.
Description
본 발명은 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 배터리에 있어서 배터리의 전류 리플을 감소시켜 배터리의 수명을 연장할 수 있는 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an interleaved DC-DC converter device, and more particularly, to an interleaved DC-DC converter device capable of reducing a current ripple of a battery in a battery to extend the life of the battery.
전기자동차에 사용되는 양방향 DC-DC 컨버터는 높은 효율을 요구한다. 스위칭 손실을 줄여 효율을 높이기 위해 DC-DC 컨버터는 일반적으로 DCM(Discontinuous Current Mode)으로 동작시키는데, DCM으로 동작시키는 경우 배터리에 흐르는 전류의 리플이 크게 된다. 이는 배터리의 배터리의 수명을 단축시키게 된다. Bi-directional DC-DC converters used in electric vehicles require high efficiency. DC-DC converters generally operate in DCM (Discontinuous Current Mode) in order to reduce switching losses and increase efficiency. When DCM is used, the ripple of the current flowing in the battery increases. This shortens the battery life of the battery.
따라서 배터리의 충-방전 시에 배터리에 흐르는 전류의 리플을 저감할 수 있는 양방향 DC-DC 컨버터의 제어방법이 요구된다. Therefore, there is a need for a control method of a bidirectional DC-DC converter capable of reducing the ripple of current flowing in the battery during charge-discharge of the battery.
본 발명은 배터리의 충-방전 시에 배터리에 흐르는 전류의 리플을 저감할 수 있는 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide an interleaved DC-DC converter device capable of reducing ripples of current flowing in a battery during charge-discharge of a battery.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치는 전원부에 전기적으로 연결된 PWM(Pulse Width Modulation) 변환부, 상기 PWM 변환부와 배터리팩에 전기적으로 연결되며 상기 배터리팩에 공급되는 전력을 변환하는 전력변환부, 상기 전력변환부와 상기 PWM 변환부에 전기적으로 연결되어 상기 전력변환부와 상기 PWM 변환부를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 전력변환부는 3상 회로로 구현되고, 상기 3상 회로를 구성하는 각 단상회로에는 상기 각 단상회로를 활성화시키기 위한 스위칭 소자를 포함하고, 상기 제어부는 상기 스위칭 소자를 제어하여 상기 3상 회로가 3상 또는 2상으로 동작하도록 제어하는 것을 특징한다. According to an aspect of the present invention, there is provided an interleaved DC-DC converter apparatus including a PWM (Pulse Width Modulation) converter electrically connected to a power unit, a PWM And a control unit electrically connected to the power conversion unit and the PWM conversion unit to control the power conversion unit and the PWM conversion unit, wherein the power conversion unit converts the three-phase Phase circuit includes a switching element for activating each of the single-phase circuits, and the control unit controls the switching element so that the three-phase circuit is three-phase or two-phase And controls to operate.
상기 3상 회로의 동작하는 상의 수(phase number)는 상기 배터리 전압의 영역에 따라 다르게 제어될 수 있다. The phase number of the three-phase circuit can be controlled differently depending on the region of the battery voltage.
상기 3상 회로의 동작하는 상의 수는 상기 배터리 전압의 크기와 상기 2상 회로로 동작 시의 최대 출력 전력에 의해 결정될 수 있다. The number of phases of operation of the three-phase circuit may be determined by the magnitude of the battery voltage and the maximum output power in the operation of the two-phase circuit.
상기 제어부에 의해 상기 3상 회로는 상기 배터리 전압값이 임계전압값 이하인 경우에는 2상으로 작동하고, 상기 배터리 전압값이 상기 임계전압값을 초과하는 경우에는 3상으로 작동할 수 있다. The control unit causes the three-phase circuit to operate in two phases when the battery voltage value is less than or equal to the threshold voltage value and to operate in three phases when the battery voltage value exceeds the threshold voltage value.
상기 각 단상회로에는 두 개의 스위치가 병렬로 연결되고, 상기 두 개의 스위치 중 하나에만 ZVS(Zero Voltage Switching)용 커패시터가 병렬로 연결될 수 있다.Two switches are connected in parallel to each single-phase circuit, and a capacitor for ZVS (Zero Voltage Switching) may be connected in parallel to only one of the two switches.
본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 의하면 배터리의 충-방전시에 배터리에 흐르는 전류의 리플을 저감하여 배터리의 수명을 연장할 수 있다.According to the interleaved DC-DC converter apparatus according to the embodiment of the present invention, the ripple of the current flowing in the battery during charging / discharging of the battery can be reduced to prolong the life of the battery.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치를 포함하는 시스템도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치의 전력변환부의 회로구성의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 제1 모드의 전류의 경로를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 제2 모드의 전류의 경로를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 제3 모드의 전류의 경로를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 제4 모드의 전류의 경로를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 스위치 전압,인덕터 전류 및 스위칭 시그널을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 3상으로 작동 시에 인덕터 전류와 배터리 전류를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 3상으로 작동 시에 배터리 전압에 따른 전류 리플의 크기를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 2상으로 작동 시에 인덕터 전류와 배터리 전류를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 2상으로 작동 시에 배터리 전압에 따른 전류 리플의 크기를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 배터리 전압과 부하의 크기에 따른 2상 동작이 가능한 영역을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 배터리 전압에 따른 3상과 2상의 작동 시에 배터리 전류의 리플의 크기를 도시한 도면이다. 1 is a system diagram including an interleaved DC-DC converter device according to an embodiment of the present invention.
2 is an exemplary diagram illustrating a circuit configuration of a power conversion unit of an interleaved DC-DC converter apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing a current path of a first mode in an interleaved DC-DC converter apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing a current path of a second mode in an interleaved DC-DC converter apparatus according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing a current path of a third mode in an interleaved DC-DC converter apparatus according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram showing a current path in the fourth mode in the interleaved DC-DC converter apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating switch voltages, inductor currents, and switching signals in an interleaved DC-DC converter apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing an inductor current and a battery current when operating in three phases in an interleaved DC-DC converter apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing the magnitude of current ripple according to the battery voltage when operating in three phases in an interleaved DC-DC converter apparatus according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram showing an inductor current and a battery current when operating in a two-phase mode in an interleaved DC-DC converter apparatus according to an embodiment of the present invention.
11 is a diagram showing the magnitude of current ripple according to the battery voltage when operating in two phases in an interleaved DC-DC converter apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing an area in which a two-phase operation is possible depending on the battery voltage and the load in an interleaved DC-DC converter apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a graph showing the magnitude of the ripple of the battery current when the three-phase and two-phase operation are performed according to the battery voltage in the interleaved DC-DC converter apparatus according to the embodiment of the present invention.
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 뒤에 설명이 되는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐를 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 뒤에 설명되는 용어들은 본 발명에서의 구조, 역할 및 기능 등을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will be more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unnecessary. The terms described below are defined in consideration of the structure, role and function of the present invention, and may be changed according to the intention of the user, the intention of the operator, or the custom.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 오로지 특허청구범위에 기재된 청구항의 범주에 의하여 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. These embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art to which the present invention pertains, It is only defined by the scope of the claims. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.
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.Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하며, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
한편, 본 발명의 실시 예에 있어서, 각 구성요소들, 기능 블록들 또는 수단들은 하나 또는 그 이상의 하부 구성요소로 구성될 수 있으며, 각 구성요소들이 수행하는 전기, 전자, 기계적 기능들은 전자회로, 집적회로, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등 공지된 다양한 소자들 또는 기계적 요소들로 구현될 수 있으며, 각각 별개로 구현되거나 2 이상이 하나로 통합되어 구현될 수도 있다.In the exemplary embodiment of the present invention, each component, function block or means may be composed of one or more sub-components, and the electrical, electronic, and mechanical functions performed by the components may be electronic circuits, An integrated circuit, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or the like, or may be implemented separately or two or more may be integrated into one.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 대해서 설명하기로 한다. Hereinafter, an interleaved DC-DC converter apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치를 포함하는 시스템도이다. 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치(100)는 전력계통(200) 및 배터리팩(300)과 전기적으로 연결된다.1 is a system diagram including an interleaved DC-DC converter device according to an embodiment of the present invention. 1, an interleaved DC-
본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치(100)는 양방향 DC-DC 컨버터 장치로 작동하며, 전력계통(200)으로부터 공급받은 전력으로 배터리팩(300)을 충전하거나, 배터리팩(300)에 충전된 전력을 전력계통(200)으로 전달하는 양방향 DC-DC 컨버터 장치로 작동할 수 있다.The interleaved DC-
상기 DC-DC 컨버터 장치(100)는 PWM(Pulse Width Modulation) 변환부(110), 상기 PWM 변환부(110)와 전기적으로 연결된 전력변환부(120)와 상기 PWM 변환부(110) 및 상기 전력변환부(120)와 전기적으로 연결되어 상기 PWM 변환부(110)와 상기 전력변환부(120)를 제어하는 제어부(130)을 포함한다. The DC-
상기 PWM 변환부(110)는 전력계통으로부터 공급되는 교류를 직류로 변환하고, 상기 전력변환부(120)는 상기 PWM 변환부(110)에 의해 변환된 직류를 상(phase)제어를 통해 배터리팩(300)에 공급한다. The
이때, 전력변환부(120)는 3상 회로로 구현되고, 상기 3상 회로를 구성하는 각 단상회로에는 상기 각 단상회로를 활성화시키기 위한 스위칭 소자를 포함하고, 상기 제어부(130)는 상기 스위칭 소자를 제어하여 배터리 전압에 따라 상기 3상 회로가 3상 또는 2상으로 동작하도록 제어한다. In this case, the
상기 제어부(130)에서 제어하는 상기 전력변환부(120)의 동작하는 상(phase)수는 배터리 전압의 전압 영역에 따라 다르게 제어할 수 있는데, 상기 동작하는 상의 수는 배터리 전압의 크기와 2상 회로로 동작 시의 최대 출력 전력에 의해 결정될 수 있다.The number of operating phases of the
또한, 상기 제어부(130)는 상기 배터리 전압값이 임계전압값 이하인 경우에는 2상으로 작동하고, 상기 배터리 전압값이 상기 임계전압값을 초과하는 경우에는 3상으로 작동하도록 제어할 수 있다. The
또한, 상기 전력변환부(120)의 상기 각 단상회로에는 두 개의 스위치가 병렬로 연결되고, 상기 두 개의 스위치 중 하나에만 ZVS(Zero Voltage Switching)용 커패시터가 병렬로 연결되도록 구성될 수 있다. In addition, two switches may be connected in parallel to each single-phase circuit of the
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치(100)의 동작원리를 보다 자세히 설명하기로 한다. Hereinafter, the operation principle of the interleaved DC-
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치의 전력변환부의 회로 구성의 예시도이다. 상기 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전력변환부는 3상 회로로 구현되고, 상기 3상 회로를 구성하는 각 단상회로에는 상기 각 단상회로를 활성화시키기 위한 스위칭 소자를 포함한다. 2 is an exemplary diagram illustrating a circuit configuration of a power conversion unit of an interleaved DC-DC converter apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the power conversion unit is implemented as a three-phase circuit, and each of the single-phase circuits constituting the three-phase circuit includes a switching element for activating each of the single-phase circuits.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 제1 모드의 전류의 경로를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 제2 모드의 전류의 경로를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 제3 모드의 전류의 경로를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 제4 모드의 전류의 경로를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 스위치 전압,인덕터 전류 및 스위칭 시그널을 도시한 도면이다.FIG. 3 is a diagram showing a current path of a first mode in an interleaved DC-DC converter apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. FIG. 5 is a diagram showing the current path of the second mode in the DC-DC converter device of the interleaved method according to the embodiment of the present invention. 6 is a diagram showing a current path of the fourth mode in the interleaved DC-DC converter apparatus according to the embodiment of the present invention. In the interleaved DC-DC converter apparatus, switch voltage, inductor current, and switching signal are shown.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치(100)를 구현한 회로도에서는 3상으로 회로가 구성되며, 하단 스위치에만 ZVS(Zero Voltage Switching)용 커패시터가 병렬로 결선된다. VDC는 400V, VB의 범위는 176V~280V로 설정되며, 배터리가 충전할 때는 벅 컨버터로 동작하고, 방전할 때는 부스트 컨버터로 동작한다. Referring to FIG. 2, in a circuit diagram implementing an interleaved DC-
상기 제어부(130)는 상기 회로에서 3상으로 동작 시 각 상이 120°의 위상차를 가지고, 2상으로 동작 시 각 상이 180°의 위상차를 가지도록 제어한다. The
도 3을 참조하면, 제1 모드에서는 하단 스위치 S2를 ZVS, ZCS를 턴온하여 시작된다. S2가 턴-온하면 인덕터 L에는 정방향으로 VB가 인가되어 인덕터 전류 iL이 선형적으로 증가한다. 인덕터 전류 iL은 다음의 수학식 1로 나타낼 수 있다. Referring to FIG. 3, in the first mode, the lower switch S 2 is started by turning on ZVS and ZCS. When S 2 is turned on, V B is applied to the inductor L in a forward direction, and the inductor current i L linearly increases. The inductor current i L can be expressed by the following equation (1).
ZVS용 커패시터 전압은 OV이고, S2가 턴오프하면 제1 모드는 종료된다.The capacitor voltage for ZVS is OV, and the first mode is ended when S 2 is turned off.
도 4를 참조하면, S2를 ZVS 턴오프 하면 시작된다. 이 구간은 하단 스위치 S2의 ZVS용 캐피시터의 에너지를 충전하는 구간이다. 커패시터(C), 인덕터(L) 배터리(VB) 루프에서 L-C 직렬공진이 발생한다. 제2 모드에서 인덕터 전류 iL은 다음의 수학식 2로 나타낼 수 있다.4, is started when the S 2 ZVS turn-off. This section charges the energy of the ZVS capacitor of the lower switch S 2 . LC series resonance occurs in the capacitor (C) and the inductor (L) battery (VB) loop. In the second mode, the inductor current i L can be expressed by the following equation (2).
여기서 
ZVS용 커패시터 전압 VS2는 영전압에서 VDC까지 충전되므로 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. Since the capacitor voltage V S2 for ZVS is charged from zero voltage to V DC , it can be expressed by the following equation (3).
VS2가 VDC까지 상승하면 제2 모드는 종료된다.When V S2 rises to V DC , the second mode ends.
도 5를 참조하면, 제3 모드는 S1의 다이오드 측으로 전류가 흐르기 시작하는 구간이다. 이때 인덕터(L)에 VDC와 VB의 차이만큼 전압이 인가되어 전류는 선형적으로 감소한다. 인덕터 전류 iL은 다음의 수학식 4와 같다.Referring to FIG. 5, the third mode is a period in which a current begins to flow toward the diode of S 1 . At this time, the voltage is applied to the inductor L by the difference between V DC and V B , and the current decreases linearly. The inductor current i L is given by the following equation (4).
ZVS용 커패시터 전압 VS2는 VDC와 동일하며, 인덕터의 전류가 영전류인 시점에서 제3 모드는 종료된다.The capacitor voltage V S2 for ZVS is equal to V DC, and the third mode is ended when the current of the inductor is zero current.
도 6을 참조하면, 제4 모드는 인덕터의 전류가 영전류인 시점에서 시작된다. 커패시터(C), 인덕터(L), 배터리(VB) 경로를 통하여 L-C 직렬공진이 발생한다. 이 구간에서 인덕터 전류 iL은 다음의 수학식 5와 같다.Referring to FIG. 6, the fourth mode starts when the current of the inductor is zero current. LC series resonance occurs through the path of the capacitor C, the inductor L, and the battery VB. In this section, the inductor current i L is given by the following equation (5).
ZVS용 커패시터 전압 VS2는 VDC에서 0V까지 방전되므로 다음의 수학식 6으로 나타낼 수 있다.Since the capacitor voltage V S2 for ZVS is discharged from V DC to 0 V, it can be expressed by the following equation (6).
VS2가 OV인 시점에서 제4 모드는 종료된다. The fourth mode ends when V S2 is OV.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 3상으로 작동 시에 인덕터 전류와 배터리 전류를 도시한 도면이다. 제2모드와 제4 모드 구간이 스위칭 주기와 비교하여 매우 작다고 가정하면 각 상의 전류는 삼각파로 가정할 수 있다. FIG. 8 is a diagram showing an inductor current and a battery current when operating in three phases in an interleaved DC-DC converter apparatus according to an embodiment of the present invention. Assuming that the second mode and the fourth mode section are very small compared to the switching period, the current of each phase can be assumed to be a triangular wave.
3상 동작 시 배터리의 전류 리플의 크기는 DC 링크와 배터리 전압에 따라 세 구간으로 나눌 수 있는데, 0V~133V, 133V~ 267V, 그리고 267V~400V 구간이다. 본 발명의 실시예에서 배터리의 전압변동 범위는 176V~ 280V 이므로 176V~267V와 267V~280V 두 구간에 대해 전류 리플의 크기를 분석하기로 한다. 이는 하나의 예로서 전압값의 범위는 시스템의 구성에 따라 변경될 수 있다. During 3-phase operation, the current ripple of the battery can be divided into three sections according to DC link and battery voltage, from 0V to 133V, 133V to 267V, and 267V to 400V. In the embodiment of the present invention, since the voltage fluctuation range of the battery is 176V to 280V, the magnitude of the current ripple will be analyzed for two periods of 176V to 267V and 267V to 280V. As an example, the range of the voltage value may be changed depending on the configuration of the system.
배터리 전압이 176V~267V인 경우 배터리 전류의 한 주기 T3에서 배터리 전류가 상승하는 구간을 D3T3로 정의했을 때, 배터리 전류는 인덕터 전류의 합이므로 배터리 전류 변화량은 다음의 수학식 7로 나타낼 수 있고, 시스템 듀티 D를 이용하면 다음의 수학식 8과 같이 구할 수 있다. When the battery voltage of 176V ~ 267V, when defining the section in which the battery current increases in a period T 3 of the battery current to the D 3 T 3, the battery current change amount, so the battery current is the sum of the inductor current is the following equation (7) of And using the system duty D, the following equation (8) can be obtained.
마찬가지로 배터리 전압이 267V~280V인 경우 배터리 전류 변화량을 구하면 다음의 수학식 9와 같다.Similarly, when the battery voltage is in the range of 267 V to 280 V, the variation of the battery current is obtained as shown in Equation (9).
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 3상으로 작동 시에 배터리 전압에 따른 전류 리플의 크기를 도시한 도면이다. 상기 도 9는 상기 수학식 8과 9를 이용하여 3상 동작 시 충-방전 전력에 따른 배터리 전압에 대한 전류 리플의 크기를 도시한 도면이다.FIG. 9 is a graph showing the magnitude of current ripple according to the battery voltage when operating in three phases in an interleaved DC-DC converter apparatus according to an embodiment of the present invention. 9 is a graph showing the magnitude of the current ripple with respect to the battery voltage according to the charge-discharge power in the three-phase operation using Equations 8 and 9.
한편, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 2상으로 작동 시에 인덕터 전류와 배터리 전류를 도시한 도면이다. 2상 동작 시 배터리 전류 리플의 크기는 176V~ 200V, 200V~ 280V의 두 구간으로 구분하여 구할 수 있다.FIG. 10 is a diagram showing an inductor current and a battery current in an operation in two phases in an interleaved DC-DC converter apparatus according to an embodiment of the present invention. The battery current ripple during two-phase operation can be divided into two sections, 176V to 200V and 200V to 280V.
배터리 전압이 176V~ 200V인 경우 배터리 전류의 한 주기 T2에서 배터리 전류가 상승하는 구간을 D2T2로 정의했을 때, 배터리 전류는 인덕터 전류의 합이므로 배터리 전류 변화량은 다음의 수학식 10으로 나타낼 수 있고, 시스템 듀티 D를 이용하면 다음의 수학식 11과 같이 구할 수 있다.When the battery voltage is 176 V to 200 V, and the battery current increases in one cycle T 2 of the battery current is defined as D 2 T 2 , the battery current is the sum of the inductor currents, And using the system duty D, the following equation (11) can be obtained.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 2상으로 작동 시에 배터리 전압에 따른 전류 리플의 크기를 도시한 도면이다. 구체적으로 상기 도 11은 상기 수학식 11과 12를 이용하여 2상 동작 시 충-방전전력에 따른 배터리전압에 대한 전류 리플의 크기를 나타내었다. 11 is a diagram showing the magnitude of current ripple according to the battery voltage when operating in two phases in an interleaved DC-DC converter apparatus according to an embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 11 shows the magnitude of the current ripple with respect to the battery voltage according to the charge-discharge power in the two-phase operation using Equations (11) and (12).
시스템을 구성하는 전력 반도체 소자의 전류 정격은 3상 동작을 기준으로 설계한다. 따라서 2상 동작 시 최대 출력 전력은 3상을 기준으로 설계된 전력 반도체 소자의 전류 정격에 제한을 받게 된다.The current ratings of the power semiconductor devices constituting the system are designed based on three-phase operation. Therefore, the maximum output power in the 2-phase operation is limited by the current rating of the power semiconductor device designed based on the 3-phase.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 배터리 전압과 부하의 크기에 따른 2상 동작이 가능한 영역을 도시한 도면이다. 상기 도 12를 참조하면, 2상 동작 시 배터리 전압이 증가함에 따라 최대 출력이 증가하는 것을 알 수 있다. 상기 도 12에서 A영역은 배러티 전압에 따른 2상으로 동작 가능한 부하 영역이다.FIG. 12 is a diagram showing an area in which a two-phase operation is possible depending on the battery voltage and the load in an interleaved DC-DC converter apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 12, it can be seen that the maximum output increases as the battery voltage increases during the two-phase operation. In FIG. 12, the region A is a load region that can operate in two phases according to the polarity voltage.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 배터리 전압에 따른 3상과 2상의 작동 시에 배터리 전류의 리플의 크기를 도시한 도면이다. 상기 도 13을 참조하면, 배터리 전압 VB가 231V보다 작은 경우 2상으로 동작하면 전류 리플을 줄일 수 있는 것을 알 수 있다. 그러나, 상기 도 12 및 13을 통해 알 수 있듯이 VB가 231V인 경우 2상 최대출력이 2.62kW이므로 이보다 출력이 낮은 경우에만 2상으로 전환하여 리플 전류의 크기를 줄일 수 있다. FIG. 13 is a graph showing the magnitude of the ripple of the battery current when the three-phase and two-phase operation are performed according to the battery voltage in the interleaved DC-DC converter apparatus according to the embodiment of the present invention. Referring to FIG. 13, when the battery voltage VB is less than 231 V, the current ripple can be reduced if the battery voltage VB is operated in two phases. However, as can be seen from FIGS. 12 and 13, when the VB is 231 V, the two-phase maximum output is 2.62 kW. Therefore, when the output is lower than VB, the two-
2상으로 동작 시 VB에 따른 2상 동작 최대출력 P0의 크기는 굵은 선과 같으며 동작 범위는 B영역과 같다. 부하 명령치와 현재 배터리 전압 크기를 이용하여 동작하여 현재 동작하는 상의 수를 결정할 수 있다 2-phase operation in 2-phase operation 2-phase operation in accordance with V B The maximum output P 0 is the same as the bold line and the operating range is the same as the B area. It is possible to operate using the load command value and the current battery voltage magnitude to determine the number of phases currently operating
배터리 전압이 176V~231V로 증가함에 따라 최대 출력 전력은 2kW~2.63kW로 증가한다. 또한 2상으로 동작하는 경우 3상 동작 시와 비교하여 스위칭 주파수가 낮기 때문에 주파수제어를 사용할 수 있는 경부하 구간이 확장될 수 있다. As the battery voltage increases from 176V to 231V, the maximum output power increases from 2kW to 2.63kW. In addition, since the switching frequency is lower than that in the 3-phase operation, the light-load section in which the frequency control can be used can be extended.
본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.Although the present invention has been described with reference to preferred embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It is not intended to limit the scope. It is to be understood by those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.
100: 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치 110: PWM 변환부
120: 전력변환부 130: 제어부
200: 전력계통 300: 배터리팩100: Interleaved DC-DC converter device 110: PWM converter
120: power conversion unit 130:
200: Power system 300: Battery pack
Claims (5)
전원부에 전기적으로 연결된 PWM(Pulse Width Modulation) 변환부;
상기 PWM 변환부와 배터리팩에 전기적으로 연결되며 상기 배터리팩에 공급되는 전력을 변환하는 전력변환부;
상기 전력변환부와 상기 PWM 변환부에 전기적으로 연결되어 상기 전력변환부와 상기 PWM 변환부를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 전력변환부는 3상 회로로 구현되고, 상기 3상 회로를 구성하는 각 단상회로에는 상기 각 단상회로를 활성화시키기 위한 스위칭 소자를 포함하고, 상기 제어부는 상기 스위칭 소자를 제어하여 상기 3상 회로가 3상 또는 2상으로 동작하도록 제어하고,
상기 전력변환부는 상기 배터리팩이 충전될 때 벅(buck) 작동을 수행하고, 상기 배터리팩이 방전할 때 부스트(boost) 작동을 수행하고,
상기 제어부에 의해 상기 3상 회로는
상기 배터리팩의 전압값이 임계전압값 이하인 경우에는 2상으로 작동하고,
상기 배터리팩의 전압값이 상기 임계전압값을 초과하는 경우에는 3상으로 작동하는 것을 특징으로 하는
인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치.
In an interleaved DC-DC converter device,
A PWM (Pulse Width Modulation) converter electrically connected to the power supply unit;
A power conversion unit electrically connected to the PWM conversion unit and the battery pack to convert power supplied to the battery pack;
And a control unit electrically connected to the power conversion unit and the PWM conversion unit to control the power conversion unit and the PWM conversion unit,
Wherein the power conversion unit is implemented by a three-phase circuit, each of the single-phase circuits constituting the three-phase circuit includes a switching element for activating each of the single-phase circuits, and the control unit controls the switching element, 3-phase or 2-phase,
The power conversion unit performs a buck operation when the battery pack is charged, performs a boost operation when the battery pack discharges,
The control unit causes the three-phase circuit
When the voltage value of the battery pack is equal to or less than the threshold voltage value,
And operates in three phases when the voltage value of the battery pack exceeds the threshold voltage value.
An interleaved DC-DC converter device.
상기 3상 회로의 동작하는 상의 수(phase number)는 상기 배터리팩 전압의 영역에 따라 다르게 제어되는 것을 특징으로 하는
인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the phase number of the three-phase circuit is controlled in accordance with the region of the battery pack voltage.
An interleaved DC-DC converter device.
상기 3상 회로의 동작하는 상의 수는 상기 배터리팩의 전압의 크기와 상기 2상 회로로 동작 시의 최대 출력 전력에 의해 결정되는,
인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the number of phases of operation of the three-phase circuit is determined by a magnitude of a voltage of the battery pack and a maximum output power of the two-
An interleaved DC-DC converter device.
상기 각 단상회로에는 두 개의 스위치가 병렬로 연결되고, 상기 두 개의 스위치 중 하나에만 ZVS(Zero Voltage Switching)용 커패시터가 병렬로 연결되는,
인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치.
The method according to claim 1,
Wherein two switches are connected in parallel in each of the single-phase circuits, and capacitors for ZVS (Zero Voltage Switching) are connected in parallel to only one of the two switches.
An interleaved DC-DC converter device.
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