KR102098020B1 - 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치 - Google Patents

커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치는, 제1 전원에 연결되는 제1 노드 및 공통 노드를 포함하는 제1 전원단자; 제2 전원에 연결되는 제2 노드 및 상기 공통 노드를 포함하는 제2 전원단자; 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 접속된 커패시터 회로; 제1 차동 단자와 제2 차동 단자 사이에 접속되어, 양방향 직류/직류 변환을 수행하는 전력 변환 회로; 상기 제1 전원단자와 상기 제1 차동 단자 사이에 접속된 제1 스위치 회로; 상기 커패시터 회로와 상기 제2 차동 단자를 제1 결선 방향으로 접속하는 제1 방향 스위치 회로; 및 상기 커패시터 회로와 상기 제2 차동 단자)를 상기 제1 결선 방향과 반대인 제2 결선 방향으로 접속하는 제2 방향 스위치 회로; 를 포함하고, 상기 전력 변환 회로는, 상기 양방향 직류/직류 변환을 이용하여 상기 커패시터 회로의 충전 및 방전을 조절한다.

Description

커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치{A DC VOLTAGE CONTROL SYSTEM with CAPACITOR COUPLING}
본 발명은 직류(DC) 전압 승압 제어, 전기차 충전기, 배터리 뱅크 간 전력 전송기, 직류 배전 시스템 등에 적용될 수 있는 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 직류(DC) 전력은 배터리, 태양전지, 연료전지 등에 다양하게 사용되고 있는데, DC 전력 변환은 DC 전압 제어를 의미하며, 일정 전압 유지 또는 전력의 전달을 위해 필요하다. 여기서 전력의 전달은 특정 장치에서 제2의 장치로 전력을 보내는 기능을 의미한다.
DC 전압 제어기의 종류는 절연 방식과 비절연 방식, 승압 방식과 감압 방식 등으로 구분된다. 절연 방식은 장치 가운데에 절연 변압기가 삽입되는 구조로 변압기의 권선비에 따라 승압과 감압이 모두 가능하다. 비절연 방식은 승압 방식인 부스터(boost) 컨버터와 감압 방식인 벅(buck) 컨버터 및 승압과 감압이 모두 가능한 벅-부스터(buck-boost) 컨버터가 있다.
DC 전력에서 전력 전달은 높은 전압원에서 부하 또는 낮은 전압원으로 전류가 흐름으로서 이루어지기 때문에, 전달 전력의 크기를 제어하기 위해서는 전력변횐기를 이용해 전압을 높여야 하며, 전력변환기에서 출력 전압을 제어하거나 전류를 제어하는 기능을 가진다.
기존의 양방향 DC-DC 컨버터에 관한 발명으로, 등록특허 제10-1520257호(등록일: 2015.5.8)에는 양방향 DC-DC 컨버터 및 이를 이용한 배터리 충전 방법에 대해 개시하고 있다.
이 등록특허는, 승압과 감압이 모두 가능하며, 양방향 전력 변환이 가능하고, 우수한 성능과 절연 변환 기능이 보장되는 장점이 있다. 그러나, 전력변환기의 용량이 전달 전력 용량 보다 높아야 하는 문제점과, 전력변환기 용량에 비례하여 손실이 높아진다는 문제점이 있다.
또한, 배터리용 DC 컨버터에 관한 명으로, 등록특허 제10-1560792호(등록일: 2015.10.08)에는 배터리용 직류변환장치 및 그의 제어방법에 대해 개시하고 있다.
이 등록특허는, 두 개의 벅(buck) 컨버터를 이용하기에 양방향으로 승압과 감압이 모두 가능하여 배터리의 충전 및 방전이 모두 이루어질 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 두 개의 벅 컨버터 전압원을 동시에 제어해야 하기에 복잡하다는 문제점과, 승압의 범위가 모선 전원보다 항상 낮다는 문제점이 있다.
(선행기술문헌)
(특허문헌 1) KR 2016-0135958
본 발명의 일 실시 예는, 배터리를 내장한 DC 전원 설비에 적용될 수 있고, 제1 전원과 제2 전원 사이에 또는 배터리와 부하 사이에 커패시터를 추가하고, 커패시터의 전압을 조절함으로써, 출력 전력을 제어할 수 있는 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 의해, 제1 전원에 연결되는 제1 노드 및 공통 노드를 포함하는 제1 전원단자; 제2 전원에 연결되는 제2 노드 및 상기 공통 노드를 포함하는 제2 전원단자; 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 접속된 커패시터 회로; 제1 차동 단자와 제2 차동 단자 사이에 접속되어, 양방향 직류/직류 변환을 수행하는 전력 변환 회로; 상기 제1 전원단자와 상기 제1 차동 단자 사이에 접속된 제1 스위치 회로; 상기 커패시터 회로와 상기 제2 차동 단자를 제1 결선 방향으로 접속하는 제1 방향 스위치 회로; 및 상기 커패시터 회로와 상기 제2 차동 단자를 상기 제1 결선 방향과 반대인 제2 결선 방향으로 접속하는 제2 방향 스위치 회로; 를 포함하고, 상기 전력 변환 회로는, 상기 양방향 직류/직류 변환을 이용하여 상기 커패시터 회로의 충전 및 방전을 조절하는 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치가 제안된다.
상기 제1 방향 스위치 회로는, 상기 제2 방향 스위치 회로와 인터록 동작하는 커패시터 커플링 구조를 갖도록 이루어질 있다.
상기 전력 변환 회로는, 상기 제1 차동 단자에 접속되는 제1 풀 브리지 회로; 상기 제2 차동 단자에 접속되는 제2 풀 브리지 회로; 및 상기 제1 풀 브리지 회로와 상기 제2 풀 브리지 회로 사이에 접속된 트랜스포머; 를 포함할 수 있다.
상기 제1 방향 스위치 회로는, 상기 커패시터 회로의 충전을 위해 온 상태로 동작하고, 상기 제1 스위치 회로는 온상태로 동작하고, 상기 제2 방향 스위치 회로는 오프 상태로 동작하도록 이루어질 수 있다.
상기 전력 변환 회로는, 상기 커패시터 회로의 충전을 위해, 상기 제1 풀 브리지 회로의 컨버팅 동작, 상기 제2 풀 브리지 회로의 정류 동작을 수행하도록 이루어질 수 있다.
상기 제2 방향 스위치는, 상기 커패시터 회로의 방전을 위해 온 상태로 동작하고, 상기 제1 스위치 회로는 온상태로 동작하고, 상기 제1 방향 스위치 회로는 오프 상태로 동작하도록 이루어질 수 있다.
상기 전력 변환 회로는, 상기 커패시터 회로의 방전을 위해, 상기 제2 풀 브리지 회로의 컨버팅 동작, 상기 제1 풀 브리지 회로의 정류 동작을 수행하도록 이루어질 수 있다.
상기 제1 전원은, AC 전력 계통과 양방향 전력 전송기능을 가지는 제1 전력변환기; 및 상기 제1 전력변환기에 병렬로 접속되고, 태양광 발전 모듈의 전력을 변환하는 제2 전력변환기; 를 포함할 수 있다.
상기 제1 풀 브리지 회로는, 상기 제2 전원단자가 출력단의 과부하 또는 단락에 의해, 과전류가 유기되면 동작 정지되도록 이루어질 수 있다.
상기 직류 전압 제어 장치는, 상기 제2 전원단자와 전압 출력단 사이에 접속되어, 상기 제2 풀 브리지 회로에서 상기 제2 전원단자 방향으로 과전류가 발생되면, 상기 커패시터 회로의 전압이 0V 만큼 낮아지기 이전에, 오프상태로 되는 제4 방향 스위치 회로; 를 더 포함할 수 있다.
상기 직류 전압 제어 장치는, 과전류 또는 단락에 대한 보호를 위해, 상기 제4 방향 스위치 회로와 출력단자인 상기 제2 전원단자에 사이에 직렬로 접속되는 퓨즈; 를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 배터리를 내장한 DC 전원 설비에 적용될 수 있고, 제1 전원과 제2 전원 사이에 또는 배터리와 부하 사이에 커패시터를 추가하고, 커패시터의 전압을 상승 또는 하강 조절함으로써, 출력 전력을 제어할 수 있다.
부연하면, 소형, 소용량의 전력변환기로 활용할 수 있어서 장치의 부피 및 무게를 줄일 수 있고, 손실량이 적어지며 동작 효율이 높으며, 사이즈를 줄일 수 있다.
또한 커패시터 직렬 커플링 방식으로 과전류 또는 단락에 대한 보호 동작이 용이하다. 게다가, 직류(DC) 전압 승압 제어, 전기차 충전기, 배터리 뱅크 간 전력 전송기, 직류 배전 시스템 등에 적용될 수 있는 등 적용 범위가 넓다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 커패시터 커플링 구조의 직류 전압 제어 장치의 회로 예시도이다.
도 2는 도 1의 직류 전압 제어 장치의 커패시터 회로의 충전 동작에 대한 설명도이다.
도 3은 도 1의 직류 전압 제어 장치의 커패시터 회로의 방전 동작에 대한 설명도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 커패시터 커플링 구조의 직류 전압 제어 장치의 회로 예시도이다.
이하에서는, 본 발명은 설명되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양하게 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 각 실시 예에 있어서, 하나의 예로써 설명되는 구조, 형상 및 수치는 본 발명의 기술적 사항의 이해를 돕기 위한 예에 불과하므로, 이에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양하게 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 본 발명의 실시 예들은 서로 조합되어 여러 가지 새로운 실시 예가 이루어질 수 있다.
그리고, 본 발명에 참조된 도면에서 본 발명의 전반적인 내용에 비추어 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 부호를 사용할 것이다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위해서, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 커패시터 커플링 구조의 직류 전압 제어 장치의 회로 예시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 커패시터 커플링 구조의 직류 전압 제어 장치는, 제1 전원단자(VT1), 제2 전원단자(VT2), 커패시터 회로(C100), 전력 변환 회로(100), 제1 스위치 회로(SW10), 제1 방향 스위치 회로(SW21), 및 제2 방향 스위치 회로(SW22)를 포함할 수 있다.
상기 제1 전원단자(VT1)는, 하나의 제1 전원(VS1)에 연결되는 제1 노드(N1) 및 공통 노드(NC)를 포함할 수 있다. 일 예로 상기 제1 전원(VS1)은 상기 전력 변환 회로(100)가 양방향 DC/DC 컨버터로 동작하는 경우, 입력 단자 및 출력 단자중 어느 하나가 될 수 있다. 상기 제1 노드(N1)는 직류(DC)의 양의 단자가 될 수 있고, 상기 공통 노드(NC)는 접지 단자가 될 수 있다.
상기 제2 전원단자(VT2)는, 다른 하나의 제2 전원(VS2)에 연결되는 제2 노드(N2) 및 상기 공통 노드(NC)를 포함할 수 있다. 일 예로 상기 제2 전원(VS2)은 상기 전력 변환 회로(100)가 양방향 DC/DC 컨버터로 동작하는 경우, 입력 단자 및 출력 단자중 어느 하나가 될 수 있다. 일 예로 상기 제2 노드(N2)는 직류(DC)의 양의 단자가 될 수 있고, 상기 공통 노드(NC)는 접지 단자가 될 수 있다.
상기 커패시터 회로(C100)는, 상기 제1 노드(N1)와 상기 제2 노드(N2) 사이에 접속될 수 있다. 일 예로, 상기 커패시터 회로(C100)는 적어도 하나의 커패시터를 포함할 수 있다. 상기 제1 노드(N1)와 상기 제2 노드(N2)중에서, 상기 제2 노드(N2)는 직류(DC)의 높은 전압 단자가 될 수 있고, 상기 제1 노드(N1)는 낮은 전압 단자가 될 수 있다. 상기 제1 전원(VS1)의 전압과 상기 커패시터 회로(C100)의 양단 전압을 합한 전압(V1+Vd)은 상기 제2 전원(VS2)의 전압(V2)과 같은 전압이 될 수 있다.
상기 전력 변환 회로(100)는, 제1 차동 단자(T11,T12)와 제2 차동 단자(T21,T22) 사이에 접속되어, 양방향 직류/직류 변환을 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 차동 단자(T11,T12)를 통한 전압을 DC/DC 변환하여 상기 제2 차동 단자(T21,T22)를 통해 제공할 수 있거나, 상기 제2 차동 단자(T21,T22)를 통한 전압을 DC/DC 변환하여 상기 제1 차동 단자(T11,T12)를 통해 제공할 수 있다. 상기 제1 차동 단자(T11,T12)는 상기 제1 스위치 회로(SW10)를 통해 상기 제1 전원단자(VT1)에 접속될 수 있고, 상기 제2 차동 단자(T21,T22)는 상기 커패시터 회로(C100)의 양측 노드인 상기 제1 노드(N1) 및 상기 제2 노드(N2)에 접속될 수 있다.
상기 제1 스위치 회로(SW10)는, 상기 제1 전원단자(VT1)와 상기 제1 차동 단자(T11,T12) 사이에 접속될 수 있다. 일 예로, 상기 제1 스위치 회로(SW10)는, 서로 연동하는 제1 스위치(SW11) 및 제2 스위치(SW12)를 포함할 수 있고, 상기 제1 스위치(SW11)는 상기 제1 전원단자(VT1)의 제1 노드(N1)와 상기 제1 차동 단자(T11,T12)의 T11와의 접속/분리를 선택할 수 있고, 상기 제2 스위치(SW12)는 상기 제1 전원단자(VT1)의 공통 노드(NC)와 상기 제1 차동 단자(T11,T12)의 T12와의 접속/분리를 선택할 수 있다.
상기 제1 방향 스위치 회로(SW21)는, 상기 커패시터 회로(C100)와 상기 제2 차동 단자(T21,T22)를 제1 결선 방향으로 접속할 수 있다. 일 예로, 상기 제1 방향 스위치 회로(SW21)는 서로 연동하는 제3 스위치(SW21-1) 및 제4 스위치(SW21-2)를 포함할 수 있고, 상기 제3 스위치(SW21-1)는 상기 제1 노드(N1)와 상기 제2 차동 단자(T21,T22)의 T21와의 접속/분리를 선택할 수 있고, 상기 제4 스위치(SW21-2)는 상기 제2 노드(N2)와 상기 제2 차동 단자(T21,T22)의 T22와의 접속/분리를 선택할 수 있다.
상기 제2 방향 스위치 회로(SW22)는, 상기 커패시터 회로(C100)와 상기 제2 차동 단자(T21,T22)를 상기 제1 결선 방향과 반대인 제2 결선 방향으로 접속할 수 있다. 일 예로, 상기 제2 방향 스위치 회로(SW22)는 서로 연동하는 제5 스위치(SW22-1) 및 제6 스위치(SW22-2)를 포함할 수 있고, 상기 제5 스위치(SW22-1)는 상기 제2 노드(N2)와 상기 제2 차동 단자(T21,T22)의 T21과의 접속/분리를 선택할 수 있고, 상기 제6 스위치(SW22-2)는 상기 제1 노드(N1)와 상기 제2 차동 단자(T21,T22)의 T21와의 접속/분리를 선택할 수 있다.
상기 제1 방향 스위치 회로(SW21)는 상기 제2 방향 스위치 회로(SW22)와 인터록(interlock) 동작할 수 있다.
상기 전력 변환 회로(100)는, 상기 양방향 직류/직류 변환을 이용하여 상기 커패시터 회로(C100)의 충전 및 방전을 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 전력 변환 회로(100)는, 제1 풀 브리지 회로(110)와, 제2 풀 브리지 회로(120)와, 트랜스포머(TFM)를 포함할 수 있다.
상기 제1 풀 브리지 회로(110)는, 상기 제1 차동 단자(T11,T12)에 접속된 복수의 스위치(S11-S14)를 포함하여, 상기 제1 차동 단자(T11,T12)를 통해 입력되는 DC 전압을 구형파 전압으로 변환할 수 있거나, 상기 트랜스포머(TFM)를 통해 전달되는 전압을 정류할 수 있다.
상기 제2 풀 브리지 회로(120)는, 상기 제2 차동 단자(T21,T22)에 접속된 복수의 스위치(S21-S24)를 포함하여, 상기 제2 차동 단자(T21,T22)를 통해 입력되는 DC 전압을 구형파 전압으로 변환할 수 있거나, 상기 트랜스포머(TFM)를 통해 전달되는 전압을 정류할 수 있다.
상기 트랜스포머(TFM)는, 상기 제1 풀 브리지 회로(110)와 상기 제2 풀 브리지 회로(120) 사이에 접속되어, 상기 제1 풀 브리지 회로(110)로부터의 신호를 상기 제2 풀 브리지 회로(120)로 전달하거나, 상기 제2 풀 브리지 회로(120)로부터의 신호를 상기 제1 풀 브리지 회로(110)로 전달할 수 있다.
예를 들어, 상기 전력 변환 회로(100)는, 상기 제1 전원단자(VT1)를 통한 DC 전압을 DC/DC 변환하여 상기 커패시터 회로(C100)에 제공하여 상기 커패시터 회로(C100)의 충전을 수행할 수 있거나, 상기 커패시터 회로(C100)의 양단 전압(Vd)을 DC/DC 변환하여 상기 제1 전원단자(VT1)에 제공하여 상기 커패시터 회로(C100)의 방전을 수행할 수 있다. 이에 대해서는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.
예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같은 직류 전압 제어 장치는, 하기 수학식 1과 같이 키르히호프(Kirchhoff)의 전압 법칙에 기초하여 양방향 절연 인버터의 전력제어에 의해 동작한다.
Figure 112017128580848-pat00001
상기 수학식1에서, V1은 상기 제1 전원(VS1)에 의한 제1 전압이고, V2는 상기 제2 전원(VS2)에 의한 제2 전압이다.
예를 들어, 상기 제1 전원(VS1)에 의한 제1 전압(V1)과 상기 제2 전원(VS2)에 의한 제2 전압(V2)이 일정하게 유지되는 상황에서는 상기 커패시터 회로(C100)의 전압(Vd)도 일정하게 유지될 수 있다. 만약 커패시터 회로(C100)에 추가적인 충전이 이루어져 커패시터 회로(C100)의 전압(Vd)이 평형 유지 전압보다 높아지게 되어, 즉시 평형 유지를 위한 처음 전압으로의 복귀를 위해 커패시터 회로(C100)에서 방전 동작을 수행하게 된다. 이 방전 동작은 전류(또는 전력)의 흐름으로 나타나게 된다.
이와 반대로 커패시터 회로(C100)의 방전이 이루어지면 커패시터 회로(C100)의 전압(Vd)이 평형 유지 전압보다 낮아지게 되어, 즉시 평형 유지를 위한 초음 전압으로의 복귀를 위해 충전 동작을 하게 된다. 이 충전 동작 또한 전류(또는 전력)의 흐름으로 나타나게 된다. 전술한 충전 또는 방전 동작으로 전류(또는 전력)의 흐름을 제어할 수 있다.
또한, 커패시터 회로(C100)의 전압 방향을 조절하는 인터록(interlock) 구조로 동작하는 제1 방향 스위치 회로(SW21) 및 제2 방향 스위치 회로(SW22)중 어느 하나만 온상태로 동작될 수 있다. 일 예로, 제1 전원(VS1)의 제1 전압(V1)이 제2 전원(VS2)의 제2 전압(V2)보다 낮으면 제1 방향 스위치 회로(SW21)는 온상태, 제2 방향 스위치 회로(SW22)는 오프상태가 될 수 있다. 이와 반대로 제1 전원(VS1)의 제1 전압(V1)이 제2 전원(VS2)의 제2 전압(V2)보다 높으면 제2 방향 스위치 회로(SW22)는 온상태, 제1 방향 스위치 회로(SW21)는 오프상태가 될 수 있다.
상기 제1 방향 스위치 회로(SW21)의 제3 스위치(SW21-1) 및 제4 스위치(SW21-2), 상기 제2 방향 스위치 회로(SW22)의 제5 스위치(SW22-1) 및 제6 스위치(SW22-2)에 의해서, 커패시터 회로(C100)에 연결되는 단상 풀 브리지 인버터인 전력 변환 회로(100)의 입출력 전압 제어 방향이 어느 한 방향으로 정해질 수 있다.
상기 제1 방향 스위치 회로(SW21) 및 제2 방향 스위치 회로(SW22)는 동시에 오프상태가 가능하며, 전력 변환 동작을 멈출 경우에 두 스위치 회로는 동시에 오프상태로 유지될 수 있다.
제1 전원(VS1)에 연결된 선로를 온/오프(On/Off)하는 제1 스위치 회로(SW10)는 제1 전원(VS1)의 전압 방향이 일정하기 때문에 단순한 온/오프(On/Off) 기능만 가질 수 있다.
커패시터 회로(C100)의 충전을 통한 전력 전달 기능은 도 2를 참조하여 설명하고, 커패시터 회로(C100)의 방전을 통한 반대 방향의 전력 전달은 도 3을 참조하여 설명하고, 커패시터 회로(C100)의 충전을 통한 승압 출력 제어는 도 4를 참조하여 설명한다.
본 발명의 각 도면에 대해, 동일한 부호 및 동일한 기능의 구성요소에 대해서는 가능한 불필요한 중복 설명은 생략될 수 있고, 각 도면에 대해 가능한 차이점에 대한 사항이 설명될 수 있다.
도 2는 도 1의 직류 전압 제어 장치의 커패시터 회로의 충전 동작에 대한 설명도이다.
도 2를 참조하면, 상기 커패시터 회로(C100)의 충전을 위해, 상기 제1 스위치 회로(SW10)는 온상태로 동작하고, 상기 제1 방향 스위치 회로(SW21)는 온 상태로 동작하고, 상기 제2 방향 스위치 회로(SW22)는 오프 상태로 동작할 수 있다.
또한, 상기 커패시터 회로(C100)의 충전을 위해, 상기 전력 변환 회로(100)의 제1 풀 브리지 회로(110)는 컨버팅 동작을 수행하고, 상기 제2 풀 브리지 회로(120)는 정류 동작을 수행할 수 있다.
예를 들면, 도 2에 도시된 커패시터 회로(C100)의 충전을 통한 전력 전달은, 4개의 스위칭 소자(S11, S12, S13 및 S14)로 구성된 단상 풀 브리지 인버터인 제1 풀 브리지 회로(110)가 제1 전압(V1)의 DC 전력을 입력받아 교류 전력으로 변환하여 단상 변압기인 트랜스포머(TFM)에 공급하고, 4개의 스위칭 소자(S21, S22, S23 및 S24)로 구성된 단상 풀 브리지 인버터인 제2 풀 브리지 회로(120)는 스위칭 동작을 하지 않고 단순한 정류기로 동작하여 커패시터 회로(C100)의 충전 전압을 상승시킴으로서, 제1 전원(VS1)의 전력과 커패시터 회로(C100)의 전력이 합쳐져서 제2 전원(VS2)로 전송되는 과정이 이루어질 수 있다.
즉, 커패시터 회로(C100)에 전력을 주입시킴으로서 전압이 상승되고 상기 수학식1에 따른 전압 평형 유지를 위해 커패시터 회로(C100)의 전압이 낮아지는 동작이 일어나면서 제1 전원(VS1)의 전력이 제2 전원(VS2)로 전달되는 동작이 수행된다. 만약 두 개의 단상 풀 브리지 인버터인 제1 풀 브리지 회로(110) 및 제2 풀 브리지 회로(120)가 동작을 멈추면 커패시터 회로(C100)에 일정 충전 전압이 유지되며 전류를 흐르지 않는다. 이 때 커패시터 회로(C100)의 유지 전압(Vd)은 하기 수학식 2와 같다.
Figure 112017128580848-pat00002
도 3은 도 1의 직류 전압 제어 장치의 커패시터 회로의 방전 동작에 대한 설명도이다.
도 3을 참조하면, 상기 커패시터 회로(C100)의 방전을 위해, 상기 제1 스위치 회로(SW10)는 온상태로 동작하고, 상기 제2 방향 스위치(SW22)는 오프 상태로 동작하고, 상기 제1 방향 스위치 회로(SW21)는 온 상태로 동작할 수 있다.
또한, 상기 커패시터 회로(C100)의 방전을 위해, 상기 전력 변환 회로(100)의 제2 풀 브리지 회로(120)는 컨버팅 동작을 수행하고, 상기 제1 풀 브리지 회로(110)는 정류 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 도 3에 도시된 커패시터 회로(C100)의 방전을 통한 전력 전달은, 4개의 스위칭 소자(S21, S22, S23 및 S24)로 구성된 제2 풀 브리지 회로(120)가 커패시터 회로(C100)의 충전 전력을 입력받아 교류 전력으로 변환하여 트랜스포머(TFM)에 공급하고, 4개의 스위칭 소자(S11, S12, S13 및 S14)로 구성된 제2 풀 브리지 회로(120)가 스위칭 동작을 하지 않고 단순한 정류기로 동작하여 DC 전력을 제1 전원(VS1)으로 전달시키는 동작을 수행함으로서, 커패시터 회로(C100)의 충전 전압을 하강시켜 제2 전원(VS2)의 전력이 커패시터 회로(C100) 및 제1 전원(VS1)으로 전력 전송되는 과정이 이루어질 수 있다.
즉, 커패시터 회로(C100)의 전력을 방전시킴으로서 전압이 하강되고 상기 수학식1에 따른 전압 평형 유지를 위해 커패시터 회로(C100)의 전압이 높아지는 동작이 일어나면서 제2 전원(VS2)의 전력이 제1 전원(VS1)으로 전달되는 동작이 수행된다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 커패시터 커플링 구조의 직류 전압 제어 장치의 회로 예시도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 커패시터 커플링 구조의 직류 전압 제어 장치는, 제1 전원단자(VT1), 제2 전원단자(VT2), 커패시터 회로(C100), 전력 변환 회로(100), 제1 스위치 회로(SW10), 및 제4 스위치 회로(SW40)를 포함할 수 있다.
상기 제1 전원단자(VT1)는, 전압 입력단(Vin)에 연결되는 제1 노드(N1) 및 공통 노드(NC)를 포함할 수 있다. 상기 제2 전원단자(VT2)는, 전압 출력단(Vout)에 연결되는 제2 노드(N2) 및 상기 공통 노드(NC)를 포함할 수 있다.
상기 커패시터 회로(C100)는, 상기 제1 노드(N1)와 상기 제2 노드(N2) 사이에 접속될 수 있다. 상기 전력 변환 회로(100)는, 제1 차동 단자(T11,T12)와, 상기 커패시터 회로(C100)에 접속된 제2 차동 단자(T21,T22) 사이에 접속되어, 직류/직류 변환을 수행할 수 있다.
상기 제1 스위치 회로(SW10)는, 상기 제1 전원단자(VT1)와 상기 제1 차동 단자(T11,T12) 사이에 접속될 수 있다. 상기 제4 스위치 회로(SW40)는, 상기 제2 전원단자(VT2)와 전압 출력단(Vout) 사이에 접속될 수 있다.
상기 전력 변환 회로(100)는, 상기 직류/직류 변환을 이용하여 상기 커패시터 회로(C100)의 전압을 조절할 수 있다. 일 예로, 상기 전력 변환 회로(100)는, 제1 풀 브리지 회로(110), 제2 풀 브리지 회로(120), 및 트랜스포머(TFM)를 포함할 수 있다.
상기 제1 풀 브리지 회로(110)는, 제1 차동 단자(T11,T12)에 접속되어, 단상 풀 브리지 인버터로 동작할 수 있다. 상기 제2 풀 브리지 회로(120)는, 상기 제2 차동 단자(T21,T22)에 접속되어, 정류기로 동작할 수 있다. 상기 트랜스포머(TFM)는, 상기 제1 풀 브리지 회로(110)와 상기 제2 풀 브리지 회로(120) 사이에 접속될 수 있다.
예를 들어, 도 4에 도시된 커패시터 회로(C100)의 충전을 통한 승압 출력 제어는, 4개의 스위칭 소자(S11, S12, S13 및 S14)로 구성된 제1 풀 브리지 회로(110)가, 일 예로 배터리 전원(VB)의 DC 전력을 입력받아 교류 전력으로 변환하여 트랜스포머(TFM)에 공급하고, 4개의 스위치 소자는 다이오드(D1, D2, D3 및 D4)로 동작하는 제2 풀 브리지 회로(120)는 스위칭 동작을 하지 않고 단순한 정류기로 동작하여 커패시터 회로(C100)의 충전 전압을 제어함으로서, 배터리 전원(VB)의 전압과 커패시터 회로(C100)의 전압(Vc)이 합쳐져서 출력되는 동작을 수행할 수 있다. 즉, 커패시터 회로(C100)에 전력을 주입시킴으로서 전압(Vc)이 상승되어 출력 전압(Vo)은 하기 수학식 3과 같이 결정될 수 있다.
Figure 112017128580848-pat00003
일 예로, 상기 제1 전원(VS1)은, AC 전력 계통과 양방향 전력 전송기능을 가지는 제1 전력변환기(PCS for Battery)와, 상기 제1 전력변환기(PCS for Battery)에 병렬로 접속되고, 태양광 발전 모듈(PV Module)의 전력을 변환하는 제2 전력변환기(PCS for PV)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 전원(VS1)은 배터리 전원(VB)이 될 수 있고, 상기 배터리 전원(VB)은, AC 전력 계통과 양방향 전력 전송기능을 가지는 제1 전력변환기(PCS for Battery)와, 태양광 발전 모듈(PV Module)의 전력을 변환하여 입력받는 전력변환기(PCS for PV)를 병렬로 접속하여 구성될 수 있다. 여기서, 배터리의 충전 상태(SOC; state of Charge)에 따른 전압 변동이 반드시 동반될 수 있다. 이에, 커패시터 회로(C100)의 전압(Vc) 제어를 통해 출력 전압(Vo)을 항상 일정하게 유지할 수 있다.
일 예로, 상기 제1 풀 브리지 회로(110)는, 상기 제2 전원단자(VT2)가 출력단의 과부하 또는 단락에 의해, 과전류가 유기되면 동작 정지될 수 있다.
도 4에서, 출력 전압(Vo)에 과부하 또는 단락이 발생되는 경우, 상기 제1 풀 브리지 회로(110)에 과전류가 유기되면 동작이 정지되어야 하고, 커패시터 회로(C100)의 전압(Vc)은 급속으로 방전되어 전압은 급격히 떨어져 0V까지 낮아질 수 있다.
또한, 상기 제4 방향 스위치 회로(SW40)는, 상기 제2 전원단자(VT2)와 전압 출력단(Vout) 사이에 접속되어, 상기 제2 풀 브리지 회로(120)에서 상기 제2 전원단자(VT2) 방향으로 과전류가 발생되면, 상기 커패시터 회로(C100)의 전압이 0V 만큼 낮아지기 이전에, 오프상태로 될 수 있다.
게다가, 상기 직류 전압 제어 장치는, 과전류 또는 단락에 대한 보호를 위해, 상기 제4 방향 스위치 회로(SW40)와 출력단자(Vout)인 상기 제2 전원단자(VT2)에 사이에 직렬로 접속되는 퓨즈(F1)를 더 포함할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 실시 예로써 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
C100: 커패시터 회로
100: 전력 변환 회로
SW10: 제1 스위치 회로
SW21: 제1 방향 스위치 회로
SW22: 제2 방향 스위치 회로
SW40: 제4 스위치 회로
110: 제1 풀 브리지 회로
120: 제2 풀 브리지 회로
TFM: 트랜스포머
VT1: 제1 전원단자
VT2: 제2 전원단자
N1: 제1 노드
NC: 공통 노드
N2: 제2 노드

Claims (11)

  1. 제1 전원에 연결되는 제1 노드 및 공통 노드를 포함하는 제1 전원단자;
    제2 전원에 연결되는 제2 노드 및 상기 공통 노드를 포함하는 제2 전원단자;
    상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 접속된 커패시터 회로;
    제1 차동 단자와 제2 차동 단자 사이에 접속되어, 양방향 직류/직류 변환을 수행하는 전력 변환 회로;
    상기 제1 전원단자와 상기 제1 차동 단자 사이에 접속된 제1 스위치 회로;
    상기 커패시터 회로와 상기 제2 차동 단자를 제1 결선 방향으로 접속하는 제1 방향 스위치 회로; 및
    상기 커패시터 회로와 상기 제2 차동 단자를 상기 제1 결선 방향과 반대인 제2 결선 방향으로 접속하는 제2 방향 스위치 회로; 를 포함하고,
    상기 전력 변환 회로는, 상기 양방향 직류/직류 변환을 이용하여 상기 커패시터 회로의 충전 및 방전을 조절하는
    커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 방향 스위치 회로는
    상기 제2 방향 스위치 회로와 인터록 동작하는 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치
  3. 제1항에 있어서, 상기 전력 변환 회로는,
    상기 제1 차동 단자에 접속되는 제1 풀 브리지 회로;
    상기 제2 차동 단자에 접속되는 제2 풀 브리지 회로; 및
    상기 제1 풀 브리지 회로와 상기 제2 풀 브리지 회로 사이에 접속된 트랜스포머;
    를 포함하는 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 방향 스위치 회로는,
    상기 커패시터 회로의 충전을 위해 온 상태로 동작하고, 상기 제1 스위치 회로는 온상태로 동작하고, 상기 제2 방향 스위치 회로는 오프 상태로 동작하는 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전력 변환 회로는
    상기 커패시터 회로의 충전을 위해, 상기 제1 풀 브리지 회로의 컨버팅 동작, 상기 제2 풀 브리지 회로의 정류 동작을 수행하는
    커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 방향 스위치는,
    상기 커패시터 회로의 방전을 위해 오프 상태로 동작하고, 상기 제1 스위치 회로는 온상태로 동작하고, 상기 제1 방향 스위치 회로는 온 상태로 동작하는 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 전력 변환 회로는
    상기 커패시터 회로의 방전을 위해, 상기 제2 풀 브리지 회로의 컨버팅 동작, 상기 제1 풀 브리지 회로의 정류 동작을 수행하는
    커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치.
  8. 제3항에 있어서, 상기 제1 전원은,
    AC 전력 계통과 양방향 전력 전송기능을 가지는 제1 전력변환기; 및
    상기 제1 전력변환기에 병렬로 접속되고, 태양광 발전 모듈의 전력을 변환하는 제2 전력변환기;
    를 포함하는 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 풀 브리지 회로는,
    상기 제2 전원단자가 출력단의 과부하 또는 단락에 의해, 과전류가 유기되면 동작 정지되는 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 전원단자와 전압 출력단 사이에 접속되어, 상기 제2 풀 브리지 회로에서 상기 제2 전원단자로의 방향으로 과전류가 발생되면, 상기 커패시터 회로의 전압이 0V 만큼 낮아지기 이전에, 오프상태로 되는 제4 방향 스위치 회로; 를 더 포함하는
    커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    과전류 또는 단락에 대한 보호를 위해, 상기 제4 방향 스위치 회로와 출력단자인 상기 제2 전원단자에 사이에 직렬로 접속되는 퓨즈; 를 더 포함하는
    커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치.

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