KR101961412B1 - Soft-Switching Three-Level Bidirectional DC-DC Converter - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저전압을 생성하는 제1 전압부, 상기 저전압보다 높은 고전압을 생성하는 제2 전압부, 직렬 연결된 4개의 스위치 및 적어도 하나의 인덕터를 포함하며, 각 스위치의 선택적 스위칭 동작으로 3레벨의 전압을 생성하는 3레벨 스위치부, LC 공진 소자로 구성되고, 상기 4개의 스위치 중 직렬 연결된 제1 스위치 또는 제2 스위치 도통 시 직렬 공진하여 도통된 스위치로 공진 전류를 인가하는 제1 공진부, 그리고 LC 공진 소자로 구성되고, 상기 4개의 스위치 중 직렬 연결된 제3 스위치 또는 제4 스위치 도통 시 직렬 공진하여 도통된 스위치로 공진 전류를 인가하는 제2 공진부를 포함하는 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터에 관한 것이다.According to the present invention, there is provided a voltage generating circuit comprising a first voltage generating unit generating a low voltage, a second voltage generating unit generating a high voltage higher than the low voltage, four switches connected in series and at least one inductor, And a LC resonance element. The first resonance unit applies a resonance current to the first switch or the second switch connected in series among the four switches, Level bidirectional DC-DC converter including a resonance element, and a second resonance part configured to apply a resonance current to a third switch connected in series among the four switches or to a switch that is turned on by series resonance when the fourth switch conducts .
Description
본 발명은 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터에 관한 것으로, 구체적으로는, 소프트 스위칭(soft-switching) 동작 방식의 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to a three-level bi-directional DC-DC converter, and more particularly, to a three-level bi-directional DC-DC converter of a soft-switching operation type.
양방향 직류-직류 컨버터는 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 혹은 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)과 같은 전력용 반도체의 스위칭 동작 방식에 의하여 일정 직류 전력을 다른 직류 전력으로 변환한다.The bidirectional dc-to-dc converter converts constant dc power to other dc power by the switching operation method of power semiconductor such as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
이러한 양방향 직류-직류 컨버터의 일 예를 도 1을 참고로 하여 설명한다. 도 1은 종래의 실시 예에 따른 2레벨(Two-level) 양방향 직류-직류 컨버터의 회로도이다. 도 1에서 VL은 저전압(Low Voltage)이고, VH는 저전압(VL)보다 높은 고전압(High Voltage)이다. 스위치(S1과 S2)의 스위칭 동작에 따라서 양방향으로 전력이 변환된다. 그리고 스위치(S1과 S2)의 스위칭 동작에 따른 스위치(S1과 S2)의 연결점(A)와 그라운드 (Ground) 지점(N)의 전압은 VH 전압과 0 전압으로 나타난다. 따라서 도 1에 도시된 양방향 직류-직류 컨버터를 2레벨 양방향 직류-직류 컨버터로 일컫는다.One example of such a bidirectional DC-DC converter will be described with reference to FIG. 1 is a circuit diagram of a two-level bidirectional DC-DC converter according to a conventional embodiment. 1, V L is a low voltage and V H is a high voltage higher than a low voltage V L. The power is converted in both directions in accordance with the switching operation of the switches S1 and S2. And the voltage of the switch (S1 and S2) in accordance with the switching operation of the switch (S1 and S2) connecting point (A) and the ground (Ground) the point (N) is represented by V H voltage and the zero voltage. Therefore, the bidirectional DC-DC converter shown in FIG. 1 is referred to as a two-level bidirectional DC-DC converter.
그런데 이러한 2레벨 양방향 직류-직류 컨버터는 스위칭 시 스위칭 소자에 걸리는 전압 스트레스가 높아 스위칭 전력 손실이 발생한다.However, such a two-level bi-directional DC-DC converter has a high voltage stress on the switching element at the time of switching, resulting in a switching power loss.
이러한 이유로 2레벨 양방향 직류-직류 컨버터보다 스위칭 소자에 걸리는 전압 스트레스를 낮출 수 있는 특징을 가지는 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터가 제안되었으며, 그 일 예를 도 2를 참조로 하여 설명한다. 도 2는 종래의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터의 회로도이다.For this reason, a three-level bidirectional dc-to-dc converter has been proposed, which is capable of lowering the voltage stress applied to a switching device than a two-level bidirectional dc-dc converter. 2 is a circuit diagram of a three-level bidirectional DC-DC converter according to a conventional embodiment.
도 2에 도시된 양방향 직류-직류 컨버터는 네 개의 스위치(S1, S2, S3, S4)가 직렬로 연결되고, 두 개의 커패시터(C1, C2)가 직렬로 연결된다. 스위치(S1과 S2)의 연결점(A)에 인덕터(L1)가 연결되고, 스위치(S3과 S4)의 연결점 (B)에 저전압(VL)의 그라운드가 연결된다. 그리고 스위치(S2과 S3)의 연결점은 커패시터(C1과 C2)의 연결점(N)과 연결된다.In the bi-directional DC-DC converter shown in Fig. 2, four switches S1, S2, S3 and S4 are connected in series and two capacitors C1 and C2 are connected in series. The inductor L 1 is connected to the connection point A of the
이러한 연결 구조에 의해, 두 커패시터(C1과 C2)의 전압은 각각 VH 전압의 절반 즉, VH/2가 된다. 따라서 스위치(S1과 S2)의 스위칭 동작에 따른 스위치(S1과 S2)의 연결점(A)와 커패시터(C1과 C2)의 연결점(N)의 전압은 +VH/2전압과 0 전압으로 나타난다. 반면, 스위치(S3과 S4)의 스위칭 동작에 따른 스위치(S3과 S4)의 연결점(B)와 커패시터(C1과 C2)의 연결점(N)의 전압은 -VH/2전압과 0 전압으로 나타난다. 따라서 도 2에 도시된 회로를 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터로 일컫는다. With this connection structure, the two capacitors (C1 and C2) voltage is half the voltage V H of each that is, the V H / 2. Therefore, the voltage of the connection point A of the switches S1 and S2 and the connection point N of the capacitors C1 and C2 according to the switching operation of the switches S1 and S2 appears as + V H / 2 voltage and 0 voltage. On the other hand, the voltage of the connection point B of the switches S3 and S4 and the connection point N of the capacitors C1 and C2 according to the switching operation of the switches S3 and S4 appears as -V H / 2 voltage and 0 voltage . Thus, the circuit shown in FIG. 2 is referred to as a three-level bidirectional DC-DC converter.
이러한 종래의 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터는 2레벨 양방향 직류-직류 컨버터에 비하여 각 스위치가 소거 시, 스위치 양단에 걸리는 전압이 절반으로 줄어드는 특징을 지니고 있다. 이러한 특징으로 인하여 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터는 스위치 내압 (Voltage Stress)이 낮고 도통 시 도통 저항 (On-State Resistance)이 낮은 전력용 반도체의 사용을 가능하게 하여, 2레벨 양방향 직류-직류 컨버터보다 높은 전력 변환 효율(Power Conversion Efficiency)을 지니는 특징을 지닌다. Such a conventional three-level bi-directional DC-DC converter has a characteristic that the voltage across both ends of the switch is reduced to half when each switch is erased, compared with a two-level bi-directional DC-DC converter. Because of this feature, the 3-level bi-directional dc-to-dc converters enable the use of power semiconductors with low voltage stress and low on-state resistance during conduction, And high power conversion efficiency.
하지만 종래의 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터에서 각 스위칭 소자들은 도통 시, 전력용 반도체의 스위칭 동작으로 인하여 스위칭 전력 손실이 발생되는 문제를 지니고 있다. 이를 도 3을 참조로 설명한다.However, in the conventional three-level bidirectional DC-DC converter, each switching element has a problem of switching power loss due to the switching operation of the power semiconductor during conduction. This will be described with reference to FIG.
도 3은 도 2에 도시된 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터에서 하나의 스위치의 스위칭 동작에 대응한 동작 파형도로서, 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터에서 스위치(S2)의 한 스위칭 구간에서의 스위칭 파형들 즉, 인덕터 전류(iL1)의 파형, 스위치 전류(iS2), 스위치 전압(VS2)을 나타낸다. FIG. 3 is an operational waveform diagram corresponding to the switching operation of one switch in the three-level bidirectional DC-DC converter shown in FIG. 2, in which the switching waveform of the switch S2 in the three- I.e., the waveform of the inductor current i L1 , the switch current i S2 , and the switch voltage V S2 .
스위치(S2)가 도통 시 인덕터 전류(iL1)가 스위치(S2)로 주입되고, 스위치(S2)에 주입된 인덕터 전류(iL1)는 스위치(S2) 양단의 전압(VS2)과 겹치게 되면서 스위칭 전력 손실이 발생하게 된다. 이러한 동작 방식의 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터를 하드 스위칭(Hard Switching) 동작 방식의 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터라고 한다.The inductor current i L1 when the switch S2 is turned on is injected into the switch S2 and the inductor current i L1 injected into the switch S2 overlaps the voltage V S2 across the switch S2 A switching power loss occurs. A three-level bi-directional DC-DC converter of this operating mode is referred to as a three-level bi-directional DC-DC converter of a hard switching operation type.
이러한 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터의 문제를 해결하기 위하여, 종래에는 별도의 스위칭 방식의 전력용 반도체 회로를 추가하여 스위칭 전력 손실을 줄이는 연구가 이루어지고 있다.In order to solve the problem of such a three-level bi-directional DC-DC converter, research has been conducted in the past by adding a power semiconductor circuit of a separate switching method to reduce the switching power loss.
그러나, 추가적인 스위칭 방식의 전력용 반도체 회로는 제작이 복잡하고, 생산 단가가 높으며, 수율이 낮아지는 단점을 지니며, 스위칭 동작으로 인하여 추가적인 스위칭 전력 손실이 발생함으로써 전력 변환 효율이 감소되는 단점을 지닌다.However, the power semiconductor circuit of the additional switching type is disadvantageous in that the fabrication is complicated, the production cost is high, the yield is low, and the power conversion efficiency is reduced due to additional switching power loss due to the switching operation .
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전력용 반도체 회로를 이용하지 않으면서 스위칭 전력 손실을 줄이는 소프트 스위칭 동작 방식의 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터를 제공하는 것이다.A problem to be solved by the present invention is to provide a three-level bi-directional direct-current (DC) converter of a soft switching type which reduces switching power loss without using a power semiconductor circuit.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시 예가 사용될 수 있다.Embodiments according to the present invention can be used to accomplish other tasks not specifically mentioned other than the above-described tasks.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따르면 소프트 스위칭 동작 방식의 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터가 제공된다. 이 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터는 저전압을 생성하는 제1 전압부, 상기 저전압보다 높은 고전압을 생성하는 제2 전압부, 직렬 연결된 4개의 스위치 및 적어도 하나의 인덕터를 포함하며, 각 스위치의 선택적 스위칭 동작으로 3레벨의 전압을 생성하는 3레벨 스위치부, LC 공진 소자로 구성되고, 상기 4개의 스위치 중 직렬 연결된 제1 스위치 또는 제2 스위치 도통 시 직렬 공진하여 도통된 스위치로 공진 전류를 인가하는 제1 공진부, 그리고 LC 공진 소자로 구성되고, 상기 4개의 스위치 중 직렬 연결된 제3 스위치 또는 제4 스위치 도통 시 직렬 공진하여 도통된 스위치로 공진 전류를 인가하는 제2 공진부를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a three-level bidirectional DC-DC converter of a soft switching operation type is provided. The three-level bidirectional DC-DC converter includes a first voltage section for generating a low voltage, a second voltage section for generating a high voltage higher than the low voltage, four switches connected in series and at least one inductor, Level switch portion for generating a three-level voltage by an operation, and an LC resonance element for applying a resonance current to the first switch or the second switch among the four switches connected in series, 1 resonator, and LC resonator, and a second resonator that applies a resonance current to the third switch connected in series among the four switches or the switch connected in series when the fourth switch conducts.
상기 제1 공진부는 상기 제1 및 제2 스위치의 연결점에 일단이 연결된 공진 인덕터와, 상기 인덕터의 타단에 (+) 극성이 연결되고 상기 제2 및 제3 스위치의 연결점과 상기 제2 전압부를 연결하는 노드에 (-) 극성이 연결된 공진 커패시터를 포함한다.Wherein the first resonance unit includes a resonance inductor whose one end is connected to a connection point of the first and second switches and a resonance inductor having a positive polarity connected to the other end of the inductor and a connection point of the second and third switches, (-) polarity connected to the node to which the voltage is applied.
상기 제2 공진부는 상기 제3 및 제4 스위치의 연결점에 일단이 연결된 공진 인덕터와, 상기 인덕터의 타단에 공진 커패시터의 (+) 극성이 연결되고 상기 제2 및 제3 스위치의 연결점과 상기 제2 전압부를 연결하는 노드에 공진 커패시터의 (-) 극성이 연결된 공진 커패시터를 포함한다.(+) Polarity of the resonant capacitor is connected to the other end of the inductor, and the connection point of the second and third switches and the connection point of the second and third switches are connected to each other, And a resonant capacitor to which a (-) polarity of the resonant capacitor is connected to a node connecting the voltage portion.
상기 4개의 스위치는 일정한 스위칭 주파수에 대하여 펄스폭 변조 방식으로 동작하며, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치(S2)가 서로 상보적으로 동작하고, 상기 제3 스위치와 상기 제4 스위치가 서로 상보적으로 동작한다. Wherein the four switches operate in a pulse width modulation manner with respect to a constant switching frequency, the first switch and the second switch (S2) complementarily operate with each other, and the third switch and the fourth switch It works as an enemy.
상기 제2 스위치와 제3 스위치의 게이트 신호는 180도 위상 차이를 가지고, 상기 제1 스위치와 제4 스위치의 게이트 신호는 180도 위상 차이를 가진다.The gate signals of the second switch and the third switch have a phase difference of 180 degrees, and the gate signals of the first switch and the fourth switch have a phase difference of 180 degrees.
상기 제1 전압부에 저전압이 입력되고 상기 제2 전압부에 고전압이 출력되는 승압형으로 동작하는 경우에, 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터는 4가지 모드로 동작하며, 제1 모드 시 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치는 소거되고, 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치가 도통되며, 제2 모드 시 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치은 소거되고, 상기 제1 스위치과 상기 제4 스위치가 도통되며, 제3 모드 시 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치는 소거되고, 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치가 도통되며, 제4 모드 시 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치는 소거되고, 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치가 도통된다.The three-level bidirectional DC-DC converter according to the embodiment of the present invention operates in four modes when a low voltage is input to the first voltage unit and a high voltage is output to the second voltage unit. The first switch and the fourth switch are erased in the first mode, the second switch and the third switch are conducted, the second switch and the third switch are erased in the second mode, The fourth switch is conductive, the first switch and the third switch are erased, the second switch and the fourth switch are conducted in the third mode, and in the fourth mode, the second switch and the fourth The switch is erased, and the first switch and the third switch are made conductive.
상기 제2 전압부에 고전압이 입력되고 상기 제1 전압부에 저전압이 출력되는 강압형으로 동작하는 경우에, 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터는 4가지 모드로 동작하며, 제1 모드 시 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치는 소거되고 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치가 도통되며, 제2 모드 시 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치는 소거되고 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치가 도통되며, 제3 모드 시 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치는 소거되고 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치가 도통되며, 제4 모드 시 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치는 소거되고 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치가 도통된다.The three-level bidirectional DC-DC converter according to the embodiment of the present invention operates in four modes when the high voltage is input to the second voltage unit and the low voltage is output to the first voltage unit. In the first mode, the second switch and the third switch are erased and the first switch and the fourth switch are conducted, and in the second mode, the first switch and the fourth switch are erased and the second switch The third switch is conductive, and in the third mode, the second switch and the fourth switch are erased and the first switch and the third switch are conductive, and in the fourth mode, the first switch and the third switch And the second switch and the fourth switch are turned on.
본 발명의 실시 예에 따르면, 종래의 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터의 스위칭 전력 손실 문제를 해결함으로써, 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터가 사용되는 전력 변환 응용 장치의 전력 변환 효율을 개선할 수 있다.According to embodiments of the present invention, by solving the switching power loss problem of a conventional three-level bi-directional dc-dc converter, power conversion efficiency of a power conversion application device using a three-level bidirectional dc-dc converter can be improved.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 스위칭 전력 손실 문제를 해결하기 위하여 간단한 수동소자를 이용함으로써, 제작이 용이하고 생산 단가가 낮으며, 수율을 높일 수 있다.Also, according to the embodiment of the present invention, by using a simple passive element to solve the switching power loss problem, it is easy to manufacture, the production cost is low, and the yield can be increased.
도 1은 종래의 실시 예에 따른 2레벨 양방향 직류-직류 컨버터의 회로도이다.
도 2는 종래의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터의 회로도이다.
도 3은 도 2에서 하나의 스위치의 스위칭 동작에 대응한 동작 파형도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터의 회로도이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터에서 승압형 동작 시 각 모드에 따른 등가 회로도이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터에서 강압형 동작 시 각 모드에 따른 등가 회로도이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터에서 하나의 스위치에서의 동작 파형도이다.1 is a circuit diagram of a two-level bi-directional DC-DC converter according to a conventional embodiment.
2 is a circuit diagram of a three-level bidirectional DC-DC converter according to a conventional embodiment.
FIG. 3 is an operation waveform diagram corresponding to the switching operation of one switch in FIG.
4 is a circuit diagram of a three-level bi-directional DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 5 to 8 are equivalent circuit diagrams according to the respective modes in the step-up type operation in the three-level bi-directional DC-DC converter according to the embodiment of the present invention.
9 to 12 are equivalent circuit diagrams according to the respective modes in the step-down type operation in the three-level bidirectional DC-DC converter according to the embodiment of the present invention.
13 is an operation waveform diagram of one switch in a 3-level bidirectional DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며 명세서 전체에서 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한, 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same reference numerals are used for the same or similar components throughout the specification. In the case of publicly known technologies, a detailed description thereof will be omitted.
본 명세서에서, 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", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In this specification, when a part is referred to as "including " an element, it is to be understood that it may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise. Also, the terms "part," " module, "and the like, which are described in the specification, refer to a unit for processing at least one function or operation, and may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software.
이하에서는 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터를 설명한다.Hereinafter, a three-level bidirectional DC-DC converter according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터의 회로도이다. 도 4를 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터는 제1 전압부(10), 제2 전압부(20), 3레벨 스위치부(30), 제1 공진부(40) 및 제2 공진부(50)를 포함한다.4 is a circuit diagram of a three-level bi-directional DC-DC converter according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, a three-level bidirectional DC-DC converter according to an embodiment of the present invention includes a
제1 전압부(10)는 제2 전압부(20)보다 낮은 전압 즉, 저전압(VL)을 생성하고, 제2 전압부(20)는 제1 전압부(10)보다 높은 전압 즉, 고전압(VH)을 생성한다. 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터가 승압형으로 동작하는 경우에는 제1 전압부(10)가 입력단이 되고, 제2 전압부(20)가 출력단이 된다. 그리고 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터가 강압형으로 동작하는 경우에는 제2 전압부(20)가 입력단이 되고, 제1 전압부(10)가 출력단이 된다.The
도 4에서는 일 예로, 제1 전압부(10)가 하나의 커패시터(C0)로 구성되고, 제2 전압부(20)가 직렬 연결된 2개의 커패시터(C1, C2)로 구성된 것으로 하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.4, the
3레벨 스위치부(30)는 직렬 연결된 4개의 스위치 및 적어도 하나의 인덕터를 포함하며, 각 스위치의 선택적 스위칭 동작으로 3레벨의 전압을 생성한다. 일 예로, 3레벨 스위치부(30)는 순차적으로 직렬 연결된 4개의 스위치(S1, S2, S3, S4) 및, 스위치(S1)와 스위치(S2)의 접점(A)과 제1 전압부(10)에 연결된 인덕터(L1)를 포함하며, 0V, +VH/2, -VH/2의 전압을 생성한다. The three-
모든 스위치(S1 내지 S4)는 일정한 스위칭 주파수 (Switching Frequency)에 대하여 펄스폭 변조 (Pulse-Width Modulation) 방식으로 동작한다. 그리고 스위치(S1)과 스위치(S2)는 서로 상보적(Complementary)으로 동작하고, 스위치(S3)과 스위치(S4)도 서로 상보적으로 동작한다. 또한 스위치(S2)와 스위치(S3)의 게이트 신호(Gating Signal)는 180 도 위상 (Phase) 차이를 지니고, 마찬가지로 스위치(S1)과 스위치(S4)의 게이트 신호 또한 180 도 위상 차이를 갖는다.All the switches S1 to S4 operate in a pulse-width modulation manner for a certain switching frequency. The switch S1 and the switch S2 operate complementarily with each other, and the switch S3 and the switch S4 also operate complementarily with each other. The gate signals of the switches S2 and S3 have a phase difference of 180 degrees and the gate signals of the switches S1 and S4 have a phase difference of 180 degrees.
커패시터(C1, C2)의 전압은 각각 VH 전압의 절반이 된다. 따라서 스위치(S1)와 스위치(S2)의 스위칭 동작에 따라서 스위치(S1, S2)의 연결점(A)의 전압은 +VH/2 전압으로 나타나고, 커패시터(C1, C2)의 연결점(N)에서의 전압은 0 전압으로 나타난다. 반면, 스위치(S3)과 스위치(S4)의 스위칭 동작에 따른 스위치(S3, S4)의 연결점(B)의 전압은 - VH/2 전압으로 나타나고, 커패시터(C1, C2)의 연결점(N)에서의 전압은 0 전압으로 나타난다.The voltages of the capacitors C 1 and C 2 are each half of the V H voltage. Therefore, the switch (S1) and the voltage of the switch (S2) connecting point (A) of the switch (S1, S2) according to the switching operation of the is shown as + V H / 2 voltage, a connection point (N of capacitors (C 1, C 2) ) Is represented by a zero voltage. On the other hand, the voltage of the connection point B of the switches S3 and S4 due to the switching operation of the switches S3 and S4 appears as -V H / 2 voltage and the connection point of the capacitors C 1 and C 2 N) appears as a zero voltage.
제1 공진부(40)는 LC 공진 소자로 구성되고, 스위치(S1) 또는 스위치(S2) 도통 시 직렬 공진하여 도통된 스위치(S1) 또는 스위치(S2)로 공진 전류를 인가하여, 스위치(S1) 또는 스위치(S2)가 소프트 스위칭하게 한다. 예컨대, 제1 공진부(40)는 스위치(S1, S2)의 연결점(A)에 일단이 연결된 공진 인덕터(Lr1)와, 인덕터(Lr1)의 타단에 (+) 극성이 연결되고 스위치(S2, S3)의 연결점과 커패시터(C1, C2)의 연결점(N) 간의 노드에 (-) 극성이 연결된 공진 커패시터(Cr1)를 포함한다.The
제2 공진부(50)는 LC 공진 소자로 구성되고, 스위치(S3) 또는 스위치(S4) 도통 시 직렬 공진하여 도통된 스위치(S3) 또는 스위치(S4)로 공진 전류를 인가하여, 스위치(S3) 또는 스위치(S4)가 소프트 스위칭하게 한다. 예컨대, 제2 공진부(50)는 스위치(S3, S4)의 연결점(B)에 일단이 연결된 공진 인덕터(Lr2)와, 인덕터(Lr2)의 타단에 (+) 극성이 연결되고 스위치(S2, S3)의 연결점과 커패시터(C1, C2)의 연결점(N) 간의 노드에 (-) 극성이 연결된 공진 커패시터인 커패시터(Cr2)를 포함한다.The
이러한 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터는 제1 전압부(10)에 VL 전압이 입력되고, 제2 전압부(20)에서 VH 전압을 출력 시에 승압형 (Step-Up) 컨버터로 동작하며, 이때 주제어 스위치(Main Control Switch)는 스위치(S2)와 스위치(S3)이다. 반면, 제2 전압부(20)에 VH 전압이 입력되고, 제1 전압부(10)에서 VL 전압을 출력 시에, 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터는 강압형(Step-Down) 컨버터로 동작하며, 이때 주제어 스위치는 스위치(S1)와 스위치(S4)이다.The three-level bidirectional DC-DC converter according to the embodiment of the present invention is configured such that when the voltage V L is input to the
이하에서는 도 5 내지 도 8을 참고하여 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터에서의 승압형 동작을 설명한다. 도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터에서 승압형 동작 시 각 모드에 따른 등가 회로도이다.Hereinafter, the boost operation of the three-level bidirectional DC-DC converter according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 to 8. FIG. FIGS. 5 to 8 are equivalent circuit diagrams according to the respective modes in the step-up type operation in the three-level bi-directional DC-DC converter according to the embodiment of the present invention.
도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터가 승압형 동작 시, 다음 네 가지 동작 모드를 지닌다.As shown in FIGS. 5 to 8, the three-level bi-directional DC-DC converter according to the embodiment of the present invention has the following four operation modes in the step-up type operation.
(1) 모드 1(도 5 참조): 스위치(S1)와 스위치(S4)는 소거되고, 스위치(S2)와 스위치(S3)가 도통된다. 이에 따라 인덕터 전류(iL1)는 순차적으로 인덕터(L1), 제2 스위치(S2), 제3 스위치(S3) 및 커패시터(C0)를 통하여 흐르게 된다. 이때, 제1 공진부(40)에서는 인덕터(Lr1), 스위치(S2)와 커패시터(Cr1)을 통하여 직렬 공진 (Series Resonance)이 발생된다. 그리고, 제2 공진부(50)에서는 인덕터(Lr2), 커패시터(Cr2)와 스위치(S3)를 통하여 직렬 공진이 발생된다. 이에 따라, 스위치(S2)의 전류(iS2)는 인덕터(L1)에 흐르는 전류(iL1)와 제1 공진부(40)의 인덕터 전류(iLr1)가 함께 흐른다. 또한 스위치(S3)의 전류(iS3)은 인덕터(L1)에 흐르는 전류(iL1)와 제2 공진부(50)의 인덕터 전류(iLr2)가 함께 흐른다.(1) Mode 1 (see Fig. 5): The switch S1 and the switch S4 are erased, and the switch S2 and the switch S3 are electrically connected. Thus, the inductor current i L1 flows sequentially through the inductor L 1 , the
(2) 모드 2(도 6 참조): 스위치(S2)와 스위치(S3)는 소거되고, 스위치(S1)와 스위치(S4)가 도통된다. 인덕터 전류(iL1)는 순차적으로 인덕터(L1), 스위치(S1), 커패시터(C1), 커패시터(C2), 스위치(S4) 및 커패시터(C0)를 통하여 흐르게 된다. 이때, 제1 공진부(40)에서는 인덕터(Lr1), 스위치(S1), 커패시터(C1), 커패시터(Cr1)을 통하여 직렬 공진이 발생된다. 그리고 제2 공진부(50)에서는 인덕터(Lr2), 커패시터(C2), 커패시터(Cr2) 및 스위치(S4)를 통하여 직렬 공진이 발생된다. 스위치(S1)의 전류(iS1)은 인덕터(L1)에 흐르는 전류(iL1)와 제1 공진부(40)의 인덕터 전류(iLr1)가 함께 흐른다. 스위치(S4)의 전류(iS4)는 인덕터(L1)에 흐르는 전류(iL1)와 제2 공진부(50)의 인덕터 전류(ir2)가 함께 흐른다.(2) Mode 2 (see Fig. 6): The switches S2 and S3 are erased, and the switches S1 and S4 are electrically connected. The inductor current i L1 flows sequentially through the inductor L 1 , the switch S 1 , the capacitor C 1 , the capacitor C 2 , the switch S 4 and the capacitor C 0 . At this time, in the
(3) 모드 3(도 7 참조): 스위치(S1)와 스위치(S3)는 소거되고, 스위치(S2)와 스위치(S4)가 도통된다. 인덕터 전류(iL1)는 인덕터(L1), 스위치(S2), 커패시터(C2), 스위치(S4) 및 커패시터(C0)를 통하여 흐르게 된다. 이때, 제1 공진부(40)에서는 인덕터(Lr1), 스위치(S2)와 커패시터(Cr1)을 통하여 직렬 공진이 발생된다. 그리고 제2 공진부(50)에서는 인덕터(Lr2), 커패시터(C2), 커패시터(Cr2)와 스위치(S4)를 통하여 직렬 공진이 발생된다. 스위치(S2)의 전류(iS2)은 인덕터(L1)에 흐르는 전류(iL1)와 제1 공진부(40)의 인덕터 전류(ILr1)가 함께 흐른다. 스위치(S4)의 전류(iS4)는 인덕터(L1)에 흐르는 전류(iL1)와 제2 공진부(50)의 인덕터 전류(iLr2)가 함께 흐른다.(3) Mode 3 (see FIG. 7): The switches S1 and S3 are erased, and the switch S2 and the switch S4 are electrically connected. The inductor current i L1 flows through the inductor L 1 , the switch S2, the capacitor C 2 , the switch S4 and the capacitor C 0 . At this time, in the
(4) 모드 4(도 8 참조): 스위치(S2)와 스위치(S4)는 소거되고, 스위치(S1)와 스위치(S3)가 도통된다. 인덕터 전류(iL1)는 순차적으로 인덕터(L1), 스위치(S1), 커패시터(C1), 스위치(S3) 및 커패시터(C0)를 통하여 흐르게 된다. 이때, 제1 공진부(40)에서는 인덕터(Lr1), 스위치(S1), 커패시터(C1), 커패시터(Cr1)을 통하여 직렬 공진이 발생된다. 제2 공진부(50)에서는 인덕터(Lr2), 커패시터(Cr2)와 스위치(S3)를 통하여 직렬 공진이 발생된다. 스위치(S1)의 전류(iS2)는 인덕터(L1)에 흐르는 전류(iL1)와 제1 공진부(40)의 인덕터 전류(iLr1)가 함께 흐른다. 또한, 스위치(S3)의 전류(iS3)는 인덕터(L1)에 흐르는 전류(iL1)와 제2 공진부(50)의 인덕터 전류(iLr2)가 함께 흐른다.(4) Mode 4 (refer to FIG. 8): Switch S2 and switch S4 are cleared, and switch S1 and switch S3 are conducted. The inductor current i L1 flows sequentially through the inductor L 1 , the switch S1, the capacitor C 1 , the switch S3 and the capacitor C 0 . At this time, in the
이하에서는 도 9 내지 도 12를 참고하여 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터에서의 강압형 동작을 설명한다. 도 9 내지 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터에서 강압형 동작 시 각 모드에 따른 등가 회로도이다.Hereinafter, the step-down operation in the three-level bidirectional DC-DC converter according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 to 12. FIG. 9 to 12 are equivalent circuit diagrams according to the respective modes in the step-down type operation in the three-level bidirectional DC-DC converter according to the embodiment of the present invention.
도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터가 강압형 동작 시, 다음 네 가지 동작 모드를 지닌다.As shown in FIGS. 9 to 12, the three-level bi-directional DC-DC converter according to the embodiment of the present invention has the following four operation modes in the step-down operation.
모드 1(도 9 참조): 스위치(S2)와 스위치(S3)은 소거되고, 스위치(S1)과 스위치(S4)가 도통된다. 인덕터 전류(iL1)는 인덕터(L1), 커패시터(C0), 스위치(S4), 커패시터(C2), 커패시터(C1) 및 스위치(S1)을 통하여 흐르게 된다. 이때, 제1 공진부(40)에서는 인덕터(Lr1), 커패시터(Cr1), 커패시터(C1) 및 스위치(S1)을 통하여 직렬 공진이 발생된다. 제2 공진부(50)에서는 인덕터(Lr2), 스위치(S4), 커패시터(C2)와 커패시터(Cr2)를 통하여 직렬 공진이 발생한다. 스위치(S1)의 전류(iS1)은 인덕터(L1)에 흐르는 전류(iL1)와 제1 공진부(40)의 인덕터 전류(iLr1) 가 함께 흐른다. 스위치(S4)의 전류(iS4)는 인덕터(L1)에 흐르는 전류(iL1)와 제2 공진부(50)의 인덕터 전류(ir2)가 함께 흐른다.Mode 1 (see Fig. 9): The switch S2 and the switch S3 are erased, and the switch S1 and the switch S4 are conducted. The inductor current i L1 flows through the inductor L 1 , the capacitor C 0 , the switch S 4, the capacitor C 2 , the capacitor C 1 and the switch S 1 . At this time, in the
모드 2(도 10 참조): 스위치(S1)과 스위치(S4)는 소거되고, 스위치(S2)와 스위치(S3)이 도통된다. 인덕터 전류(iL1)는 인덕터(L1), 커패시터(C0), 스위치(S2) 및 스위치(S3)를 통하여 흐르게 된다. 이때, 제1 공진부(40)에서는 인덕터(iLr1), 커패시터(Cr1)과 스위치(S2)를 통하여 직렬 공진이 발생된다. 제2 공진부(50)에서는 인덕터(LLr2), 스위치(S3)와 커패시터(Cr2)를 통하여 직렬 공진이 발생된다. 스위치(S2)의 전류(iS2)는 인덕터(L1)에 흐르는 전류(iL1)와 제1 공진부(40)의 인덕터 전류(iLr1)가 함께 흐른다. 스위치(S3)의 전류(iS3)은 인덕터(L1)에 흐르는 전류(iL1)와 제2 공진부(50)의 인덕터 전류(iLr2)가 함께 흐른다.Mode 2 (see Fig. 10): The switch S1 and the switch S4 are erased, and the switch S2 and the switch S3 are electrically connected. The inductor current i L1 flows through the inductor L 1 , the capacitor C 0 , the switch S2 and the switch S3. At this time, in the
모드 3(도 11 참조): 스위치(S2)와 스위치(S4)는 소거되고, 스위치(S1)과 스위치(S3)이 도통된다. 인덕터 전류(iL1)는 인덕터(L1), 커패시터(C0), 스위치(S3), 커패시터(C1) 및 스위치(S1) 을 통하여 흐르게 된다. 이때, 제1 공진부(40) 에서는 인덕터(iLr1), 커패시터(Cr1), 커패시터(C1) 및 스위치(S1)를 통하여 직렬 공진이 발생된다. 제2 공진부(50)에서는 인덕터(LLr2), 스위치(S3)와 커패시터(Cr2)를 통하여 직렬 공진이 발생된다. 스위치(S1)의 전류(iS1)는 인덕터(L1)에 흐르는 전류(iL1)와 제1 공진부(40)의 인덕터 전류(iLr1)가 함께 흐른다. 스위치(S3)의 전류(iS3)은 인덕터(L1)에 흐르는 전류(iL1)와 제2 공진부(50)의 인덕터 전류(iLr2)가 함께 흐른다.Mode 3 (see Fig. 11): The switch S2 and the switch S4 are erased, and the switch S1 and the switch S3 are electrically connected. The inductor current i L1 flows through the inductor L 1 , the capacitor C 0 , the
모드 4(도 12 참조): 스위치(S1)과 스위치(S3)은 소거되고, 스위치(S2)와 스위치(S4)가 도통된다. 인덕터 전류(iL1)는 인덕터(L1), 커패시터(C0), 스위치(S4), 커패시터(C2) 및 스위치(S2)를 통하여 흐르게 된다. 이때, 제1 공진부에서는 인덕터(iLr1), 커패시터(Cr1), 및 스위치(S2)를 통하여 직렬 공진이 발생된다. 제2 공진부(50)에서는 인덕터(LLr2), 스위치(S4), 커패시터(C2)와 커패시터(Cr2)를 통하여 직렬 공진이 발생된다. 스위치(S2)의 전류(iS2)은 인덕터(L1)에 흐르는 전류(iL1)와 제1 공진부의 인덕터 전류(iLr1)가 함께 흐른다. 스위치(S4)의 전류(iS4)은 인덕터(L1)에 흐르는 전류(iL1)와 제2 공진부(50)의 인덕터 전류(iLr2)가 함께 흐른다.Mode 4 (see Fig. 12): Switch S1 and switch S3 are erased, and switch S2 and switch S4 are turned on. The inductor current i L1 flows through the inductor L 1 , the capacitor C 0 , the switch S 4, the capacitor C 2 and the switch S 2 . At this time, in the first resonance part, series resonance occurs through the inductor (i Lr1 ), the capacitor (C r1 ), and the switch (S2). In the
이상과 같이 동작하는 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터는 동일한 LC 공진 회로 소자들로 구성된 2개의 공진부(40, 50)를 통하여 승압 및 강압 동작 시, 각 스위치들(S1 내지 S4)이 LC 공진 소자들의 직렬 공진으로 인한 각 공진부(40, 50)의 인덕터 전류(iLr1 또는 iLr2 )가 인덕터 전류(L1)와 함께 각 스위치에 흐르게 된다. The three-level bi-directional DC-DC converter according to the embodiment of the present invention operates in the above-described manner. In the step-up and step-down operations, the two-way bidirectional DC- To S4 are the inductor current (i Lr1 ) of each of the
이때, 각 스위치들의 스위칭 순간에 공진 회로의 인덕터 전류의 절대치(Absolute Value)가 인덕터 전류(L1)의 절대치보다 크면, 각 스위치의 전류는 도통 순간에 음전류(Negative Current)가 되어서 각 스위치의 바디 다이오드(Body Diode)를 통하여 흐르게 된다. 이때 스위치 양단의 전압은 영전압(Zero Voltage)이 되어서, 각 스위치는 영전압 스위칭 (Zero Voltage Switching)을 하게 됨으로써, 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터에 사용되는 전력용 반도체 소자들의 스위칭 전력 손실 문제가 해결된다. At this time, if the absolute value of the inductor current of the resonance circuit is larger than the absolute value of the inductor current (L 1 ) at the moment of switching of the switches, the current of each switch becomes negative current at the moment of conduction, And flows through a body diode. At this time, the voltage across the switch becomes zero voltage, and each switch performs zero voltage switching, thereby causing a problem of switching power loss of the power semiconductor devices used in the three-level bidirectional DC-DC converter Is solved.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터에서 3레벨 스위치부(30)의 각 스위치(S1 내지 S4)에서의 동작 파형도를 도 13을 참고하여 설명한다. 설명에 앞서, 각 스위치(S1 내지 S4)의 스위칭 동작 시의 파형은 동일하므로 스위치(S2)를 일 예로 하여 설명한다.Hereinafter, operation waveforms of the switches S1 to S4 of the three-
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터에서 하나의 스위치에서의 동작 파형도로서, 스위치(S2)를 일 예로 한 것이다.FIG. 13 is an operation waveform diagram of one switch in a three-level bi-directional DC-DC converter according to an embodiment of the present invention, and shows a switch S2 as an example.
도 13에서, (a)는 스위치(S2)의 전압(VS2)이고, (b)는 스위치(S2)가 도통 시의 인덕터 전류(iL1)이며, (c)는 스위치(S2)가 도통 시의 인덕터 전류(iLr1)이고, (d)는 스위치(S2)의 전류(iS2)이다.13, (a) shows the voltage (V S2 ) of the switch S2, (b) shows the inductor current i L1 at the time of the conduction of the switch S2, Is the inductor current (i Lr1 ) of the switch S2, and (d) is the current (i S2 ) of the switch S2.
스위치(S2)가 도통 시 인덕터 전류(iL1)과 인덕터 전류(iLr1)가 스위치(S2)로 함께 주입된다. 이때, 스위치(S2)의 스위칭 손간에 인덕터 전류(iLr1)의 절대치가 인덕터 전류(iL1)의 절대치보다 크므로, 스위치(S2)의 전류(iS2)는 도통 순간에 음전류가 되어 스위치(S2)의 바디 다이오드를 통하여 흐르게 된다. 이때 스위치(S2) 양단의 전압(VS2)은 영전압이 되어서 스위치(S2)는 영전압 스위칭을 하게 됨으로써, 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터는 소프트 스위칭 동작을 하게 된다.The inductor current i L1 and the inductor current i Lr1 at the time of conduction of the switch S2 are injected together into the switch S2. At this time, since the absolute value of the inductor current i Lr1 between the switching hand of the switch S2 is larger than the absolute value of the inductor current i L1 , the current i S2 of the switch S2 becomes a negative current at the moment of conduction, (S2) through the body diode. At this time, the voltage V S2 across the switch S2 becomes zero voltage, and the switch S2 performs the zero voltage switching, so that the three-level bi-directional DC-DC converter performs the soft switching operation.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It belongs to the scope.
10 : 제1 전압부 20 : 제2 전압부
30 : 3레벨 스위치부 40 : 제1 공진부
50 : 제2 공진부10: first voltage section 20: second voltage section
30: three-level switch unit 40: first resonance unit
50: second resonance part
Claims (7)
상기 저전압보다 높은 고전압을 생성하는 제2 전압부,
직렬 연결된 4개의 스위치 및 적어도 하나의 인덕터를 포함하며, 각 스위치의 선택적 스위칭 동작으로 3레벨의 전압을 생성하는 3레벨 스위치부,
LC 공진 소자로 구성되고, 상기 4개의 스위치 중 직렬 연결된 제1 스위치 또는 제2 스위치 도통 시 직렬 공진하여 도통된 스위치로 공진 전류를 인가하는 제1 공진부, 그리고
LC 공진 소자로 구성되고, 상기 4개의 스위치 중 직렬 연결된 제3 스위치 또는 제4 스위치 도통 시 직렬 공진하여 도통된 스위치로 공진 전류를 인가하는 제2 공진부를 포함하고,
상기 제1 전압부에 저전압이 입력되고 상기 제2 전압부에 고전압이 출력되는 승압형으로 동작하는 경우에,
3레벨 스위치부의 인덕터가 연속 도통 모드로 동작하며,
제1 모드 시 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치는 소거되고, 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치가 도통되며, 제2 모드 시 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치은 소거되고, 상기 제1 스위치과 상기 제4 스위치가 도통되며, 제3 모드 시 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치는 소거되고, 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치가 도통되며, 제4 모드 시 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치는 소거되고, 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치가 도통되는 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터.A first voltage portion for generating a low voltage,
A second voltage portion for generating a high voltage higher than the low voltage,
A three-level switch unit including four series-connected switches and at least one inductor, for generating three levels of voltages by selective switching operations of the switches,
A first resonance part constituted by an LC resonance element and applying a resonance current to a first switch connected in series among the four switches or a switch connected in series by resonance in case of conducting a second switch,
And a second resonance part composed of an LC resonance element and applying a resonance current to a third switch connected in series among the four switches or a switch connected in series by resonance in case of continuity of the fourth switch,
When a low voltage is input to the first voltage unit and a high voltage is output to the second voltage unit,
The inductor of the three-level switch unit operates in the continuous conduction mode,
The first switch and the fourth switch are erased in the first mode, the second switch and the third switch are conducted, the second switch and the third switch are erased in the second mode, The fourth switch is conductive, the first switch and the third switch are erased, the second switch and the fourth switch are conducted in the third mode, and in the fourth mode, the second switch and the fourth Level bidirectional DC-DC converter in which the switch is erased, and the first switch and the third switch are electrically connected.
상기 저전압보다 높은 고전압을 생성하는 제2 전압부,
직렬 연결된 4개의 스위치 및 적어도 하나의 인덕터를 포함하며, 각 스위치의 선택적 스위칭 동작으로 3레벨의 전압을 생성하는 3레벨 스위치부,
LC 공진 소자로 구성되고, 상기 4개의 스위치 중 직렬 연결된 제1 스위치 또는 제2 스위치 도통 시 직렬 공진하여 도통된 스위치로 공진 전류를 인가하는 제1 공진부, 그리고
LC 공진 소자로 구성되고, 상기 4개의 스위치 중 직렬 연결된 제3 스위치 또는 제4 스위치 도통 시 직렬 공진하여 도통된 스위치로 공진 전류를 인가하는 제2 공진부를 포함하고,
상기 제2 전압부에 고전압이 입력되고 상기 제1 전압부에 저전압이 출력되는 강압형으로 동작하는 경우에,
3레벨 스위치부의 인덕터가 연속 도통 모드로 동작하며,
제1 모드 시 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치는 소거되고 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치가 도통되며, 제2 모드 시 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치는 소거되고 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치가 도통되며, 제3 모드 시 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치는 소거되고 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치가 도통되며, 제4 모드 시 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치는 소거되고 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치가 도통되는 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터.A first voltage portion for generating a low voltage,
A second voltage portion for generating a high voltage higher than the low voltage,
A three-level switch unit including four series-connected switches and at least one inductor, for generating three levels of voltages by selective switching operations of the switches,
A first resonance part constituted by an LC resonance element and applying a resonance current to a first switch connected in series among the four switches or a switch connected in series by resonance in case of conducting a second switch,
And a second resonance part composed of an LC resonance element and applying a resonance current to a third switch connected in series among the four switches or a switch connected in series by resonance in case of continuity of the fourth switch,
When a high voltage is input to the second voltage unit and a low voltage is output to the first voltage unit,
The inductor of the three-level switch unit operates in the continuous conduction mode,
In the first mode, the second switch and the third switch are erased and the first switch and the fourth switch are conducted, and in the second mode, the first switch and the fourth switch are erased and the second switch The third switch is conductive, and in the third mode, the second switch and the fourth switch are erased and the first switch and the third switch are conductive, and in the fourth mode, the first switch and the third switch Level bidirectional DC-DC converter in which the second switch and the fourth switch are electrically connected.
상기 제1 공진부는
상기 제1 및 제2 스위치의 연결점에 일단이 연결된 공진 인덕터와, 상기 인덕터의 타단에 (+) 극성이 연결되고 상기 제2 및 제3 스위치의 연결점과 상기 제2 전압부를 연결하는 노드에 (-) 극성이 연결된 공진 커패시터를 포함하는 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터.3. The method according to claim 1 or 2,
The first resonator
A resonant inductor having one end connected to the connection point of the first and second switches; and a node connected to the other end of the inductor and connected to the connection point of the second and third switches and the second voltage, A three-level bi-directional dc-to-dc converter comprising a resonant capacitor having a polarity connected thereto.
상기 제2 공진부는 상기 제3 및 제4 스위치의 연결점에 일단이 연결된 공진 인덕터와, 상기 인덕터의 타단에 (+) 극성이 연결되고 상기 제2 및 제3 스위치의 연결점과 상기 제2 전압부를 연결하는 노드에 (-) 극성이 연결된 공진 커패시터를 포함하는 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터.3. The method according to claim 1 or 2,
The second resonance unit includes a resonance inductor whose one end is connected to the connection point of the third and fourth switches, and a resonance inductor whose positive polarity is connected to the other end of the inductor, and the connection point of the second and third switches is connected to the second voltage unit Level bidirectional dc-to-dc converter comprising a resonant capacitor having a (-) polarity connected to a node to which a node is connected.
상기 4개의 스위치는 일정한 스위칭 주파수에 대하여 펄스폭 변조 방식으로 동작하며, 상기 제2 스위치와 제3 스위치의 게이트 신호는 180도 위상 차이를 가지고, 상기 제1 스위치과 제4 스위치의 게이트 신호는 180도 위상 차이를 가지며,
상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치(S2)가 서로 상보적으로 동작하고, 상기 제3 스위치와 상기 제 4스위치가 서로 상보적으로 동작 시, 각 스위치가 영전압 스위칭 동작을 하는 3레벨 양방향 직류-직류 컨버터.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the four switches operate in a pulse width modulation fashion for a constant switching frequency, the gate signals of the second and third switches have a phase difference of 180 degrees, and the gate signals of the first and fourth switches are 180 degrees Phase difference,
Wherein the first switch and the second switch operate complementarily with each other, and when the third switch and the fourth switch are complementary to each other, each switch performs a zero voltage switching operation, - DC converter.
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| CN115664211B (en) * | 2022-12-14 | 2023-04-07 | 惠州市乐亿通科技有限公司 | DC/DC converter and power supply device |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4836980B2 (en) | 2008-03-11 | 2011-12-14 | 三菱電機株式会社 | DC / DC power converter |
| US20140117867A1 (en) * | 2011-06-10 | 2014-05-01 | Koninklijke Philips N.V. | Driver device and driving method for driving a load, in particular an led unit |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102008002525A1 (en) * | 2008-06-19 | 2009-12-24 | Robert Bosch Gmbh | DC converter |
| JP6018870B2 (en) * | 2012-10-05 | 2016-11-02 | 株式会社日立製作所 | DC power supply device and control method thereof |
| US9419522B1 (en) * | 2013-02-13 | 2016-08-16 | University Of Maryland | ZVS DC/DC converter for converting voltage between a battery and a DC link in a hybrid energy storage system and method thereof |
| KR101464478B1 (en) * | 2013-07-15 | 2014-11-24 | 주식회사 동아일렉콤 | Multi input llc resonant type dc-dc converter |
| US9614442B2 (en) * | 2014-04-16 | 2017-04-04 | The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate | Modular DC-DC Converter including a DC transformer module |
| WO2016011380A1 (en) * | 2014-07-17 | 2016-01-21 | The Trustees Of Dartmouth College | System and method for two-phase interleaved dc-dc converters |
-
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4836980B2 (en) | 2008-03-11 | 2011-12-14 | 三菱電機株式会社 | DC / DC power converter |
| US20140117867A1 (en) * | 2011-06-10 | 2014-05-01 | Koninklijke Philips N.V. | Driver device and driving method for driving a load, in particular an led unit |
| JP6235464B2 (en) | 2011-06-10 | 2017-11-22 | フィリップス ライティング ホールディング ビー ヴィ | Driving device and driving method for driving load, especially LED unit |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| C.C. Lin et al. "Study of a non-isolated bidirectional DC-DC converter". IETDL. 2012. |
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