KR102148514B1 - Dc-dc 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서 - Google Patents

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Abstract

DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서가 개시된다. DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서는 양극단자, 음극단자 및 중성단자와 각각 연결된 라인을 포함하는 양극성 직류 버스부, 양극성 직류 버스부의 각 라인과 병렬로 연결되고 복수의 스위치를 포함하며 부하에 전력을 공급하는 DC-DC 컨버터부 및 양극단자와 중성단자 간의 제1 전압의 크기와 음극단자와 중성단자 간의 제2 전압의 크기의 균형을 맞추면서 동시에 부하에 전력을 공급하도록 DC-DC 컨버터부의 복수의 스위치를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서{A VOTAGE BALANCER WITH DC-DC CONVERTER FUNCTION}
본 개시는 전압 밸런서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서에 관한 것이다.
최근 신재생 에너지를 이용한 분산전원과 직류 기반 디지털 부하의 증가로 인해 직류 배전에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 직류 배전 방식은 교류 배전 방식에 비해서 전력효율과 전력밀도를 높일 수 있으며, 무효전력이 발생하지 않고 계통 동기화가 필요 없다. 직류 배전망은 구현 가능한 전압 레벨의 수에 따라 단극성(unipolar) 배전망과 양극성(bipolar) 배전망으로 구분된다. 양극성 배전망은 단극성 배전망에 비해 다양한 정격을 갖는 부하와 배전망과의 연계가 용이하고, 계통 신뢰성을 높일 수 있으며 중성선이 접지와 연결되어 있기 때문에 안정성을 높일 수 있다.
그러나, 양극성 배전망은 각 극의 부하 소비전력이 서로 다를 경우 전압 불평형이 발생하는 단점이 있다. 전압 불평형은 전압품질을 저하시키고 정밀한 부하에 고장을 야기할 수 있으며, 스위칭 소자를 손상시킬 수 있다. 따라서, 양극성 배전망은 전압의 불평형 현상을 해결하기 위해 항시적으로 전압 밸런서가 추가적으로 필요하다.
최근 전기자동차용 급속 충전기에서 TL(Three-Level) DC-DC 컨버터를 기반으로 전압 불평형을 해결하는 방법이 제안되었다. 도 1에는 TL(Three-Level) DC-DC 컨버터를 포함하는 전체적인 시스템이 도시되어 있다. TL 컨버터는 급속 충전기의 역할을 수행하는 동시에 각 극의 전압 균형을 유지할 수 있다. 제안된 시스템은 NPC(Neutral-Point-Clamped)와 TL 컨버터의 연계된 전압 평형 제어를 통해 NPC 만으로 전압 평형 제어를 수행하는 기존 시스템에 비해 전압 보상 범위를 증가시킬 수 있고, 추가적인 전압 밸런서 회로가 필요없는 장점이 있다.
그러나, 시스템의 전압 보상 범위는 TL 컨버터의 출력 전력에 의해서 제한되고, 결과적으로 모든 급속 충전기가 동작하고 있지 않을 경우 불평형 전압을 보상할 수 없는 단점이 있다.
따라서, 양극성 배전망과 ESS(Energy Storage System) 간 전력 전달이 없더라도 불평형 전압을 보상할 수 있고, 전압 보상 범위가 제한되지 않는 시스템의 필요성이 존재한다.
본 개시는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 개시의 목적은 전압 보상 범위의 제한이 없고 충전과 동시에 전압 불평형을 해결할 수 있는 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서를 제공하는 것이다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시 예에 따르면, DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서는 양극단자, 음극단자 및 중성단자와 각각 연결된 라인을 포함하는 양극성 직류 버스부, 상기 양극성 직류 버스부의 각 라인과 병렬로 연결되고 복수의 스위치를 포함하며 부하에 전력을 공급하는 DC-DC 컨버터부 및 상기 양극단자와 상기 중성단자 간의 제1 전압의 크기와 상기 음극단자와 상기 중성단자 간의 제2 전압의 크기의 균형을 맞추면서 동시에 상기 부하에 전력을 공급하도록 상기 DC-DC 컨버터부의 복수의 스위치를 제어하는 제어부를 포함한다.
그리고, 상기 DC-DC 컨버터부는 상기 양극단자와 상기 중성단자 사이에 연결된 제1 커패시터와 상기 음극단자와 상기 중성단자 사이에 연결된 제2 커패시터를 포함하고, 상기 양극성 직류 버스부는 상기 제1 커패시터와 병렬로 연결된 제1 저항과 상기 제2 커패시터와 병렬로 연결된 제2 저항을 포함할 수 있다.
또한, 상기 DC-DC 컨버터부는 상기 음극단자와 연결된 라인에 직렬로 배치된 제1 스위치, 상기 양극단자와 연결된 라인에 직렬로 배치된 제2 스위치, 상기 중성단자와 연결된 라인과 상기 제1 스위치의 일단과 연결된 제3 스위치 및 상기 제1 스위치의 일단과 상기 제2 스위치의 일단과 연결된 제4 스위치를 포함할 수 있다.
한편, 상기 제어부는 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치를 상보적으로 번갈아 온-오프하고, 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치를 상보적으로 번갈아 온-오프하는 전압 밸런스 기능을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 기 설정된 시비율에 기초하여 순차적으로 온-오프할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 제1 전압이 상기 제2 전압보다 큰 경우, 상기 제1 스위치를 온 시키는 기 설정된 시비율을 감소시켜 상기 제1 전압의 크기와 상기 제2 전압의 크기의 균형을 맞추고, 상기 제2 전압이 상기 제1 전압보다 큰 경우, 상기 제1 스위치를 온 시키는 기 설정된 시비율을 증가시켜 상기 제1 전압의 크기와 상기 제2 전압의 크기의 균형을 맞출 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서는 전압 보상 범위의 제한이 없고 충전과 동시에 전압 불평형을 해결할 수 있다.
도 1은 종래의 TL DC-DC 컨버터를 포함하는 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서의 블록도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서의 회로도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 부하가 연결되지 않은 상태에서 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서의 동작 모드를 설명하는 도면이다.
도 5는 부하가 연결되지 않은 상태에서 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서의 동작 모드에 따른 파형을 나타내는 도면이다.
도 6은 부하가 연결된 상태에서 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서의 동작 모드에 따른 파형을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 제어부의 제어 과정을 설명하는 도면이다.
도 8은 부하가 연결되지 않은 상태에서 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 부하가 연결된 상태에서 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서의 실험 결과를 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에 기재된 실시 예는 다양하게 변형될 수 있다. 특정한 실시 예가 도면에서 묘사되고 상세한 설명에서 자세하게 설명될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면에 개시된 특정한 실시 예는 다양한 실시 예를 쉽게 이해하도록 하기 위한 것일 뿐이다. 따라서, 첨부된 도면에 개시된 특정 실시 예에 의해 기술적 사상이 제한되는 것은 아니며, 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상술한 용어에 의해 한정되지는 않는다. 상술한 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 "모듈" 또는 "부"는 적어도 하나의 기능 또는 동작을 수행한다. 그리고, "모듈" 또는 "부"는 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 기능 또는 동작을 수행할 수 있다. 또한, 특정 하드웨어에서 수행되어야 하거나 적어도 하나의 제어부에서 수행되는 "모듈" 또는 "부"를 제외한 복수의 "모듈들" 또는 복수의 "부들"은 적어도 하나의 모듈로 통합될 수도 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
그 밖에도, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다. 한편, 각 실시 예는 독립적으로 구현되거나 동작될 수도 있지만, 각 실시 예는 조합되어 구현되거나 동작될 수도 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서의 블록도이다.
도 2를 참조하면, DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서(100)는 양극성 직류 버스부(110), DC-DC 컨버터부(120) 및 제어부(130)를 포함한다. 전기는 송전소로부터 배전소로 전달되고, 전압 밸런서(100)는 배전소로부터 전기를 공급받을 수 있다. 양극성(bipolar) 배전망으로 구현된 배전소는 양극라인, 중성라인, 음극라인의 3개의 라인을 통해 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서(100)로 전력을 공급할 수 있다.
양극성 직류 버스부(110)는 양극성 배전망과 연결된다. 즉, 양극성 직류 버스부(110)는 양극단자, 음극단자 및 중성단자와 각각 연결된 라인을 포함한다. 양극단자와 연결된 라인은 양극라인이고, 음극단자와 연결된 라인은 음극라인이며, 중성단자와 연결된 라인은 중성라인이다. 일 실시 예로서, 전압 밸런서(100)에 380V의 전압이 공급되는 경우, 중성라인에는 0V, 양극라인에는 190V, 음극라인에는 -190V가 인가될 수 있다.
DC-DC 컨버터부(120)는 양극성 직류 버스부(110)의 각 라인과 병렬로 연결되고, 복수의 스위치를 포함한다. DC-DC 컨버터부(120)는 부하에 전력을 공급할 수 있다.
DC-DC 컨버터부(120)는 양극단자와 중성단자 사이에 연결된 제1 커패시터 및 음극단자와 중성단자 사이에 연결된 제2 커패시터를 포함할 수 있다. 그리고, 양극성 직류 버스부(110)는 제1 커패시터와 병렬로 연결된 제1 저항 및 제2 커패시터와 병렬로 연결된 제2 저항을 포함할 수 있다. 즉, DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서(100)에는 양극라인과 중성라인 사이에 제1 커패시터와 제1 저항이 병렬로 연결되고, 음극라인과 중성라인 사이에 제2 커패시터와 제2 저항이 병렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 저항과 제2 저항은 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서(100)에 포함된 저항일 수 있다. 또는, 제1 저항과 제2 저항은 전압의 불평형 상황을 발생시킬 수 있는 가상의 저항을 포함할 수 있다. 예를 들어, DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서(100)는 전기자동차 충전소에 구비된 충전을 위한 시스템에 포함될 수 있다. DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서(100)는 배전망과 연결될 수 있다. 또한, 배전망은 전기자동차 충전소에서 전력을 소비하는 각종 전자장치 또는 전자장치에 전력을 공급하기 위한 시스템과 연결될 수 있다. 즉, 전기자동차 충전소의 각 장치(또는, 시스템)에 전력을 공급하는 배전망은 공통망일 수 있다. 따라서, DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서(100)의 관점에서 전기자동차 충전소의 각 장치(또는 시스템)는 상술한 가상의 저항일 수 있다.
제어부(130)는 양극단자와 중성단자 간의 제1 전압의 크기와 음극단자와 중성단자 간의 제2 전압의 크기의 균형을 맞추면서 동시에 부하에 전력을 공급하도록 DC-DC 컨버터부(120)의 복수의 스위치를 제어한다. 제1 저항 값과 제2 저항 값이 동일하다면 이론상 제1 전압의 크기와 제2 전압의 크기는 동일하다. 그러나, 실제적으로 저항의 오차값 등에 의해 제1 전압의 크기와 제2 전압의 크기는 동일하지 않을 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 제1 저항과 제2 저항은 가상의 저항을 포함할 수 있고, 가상의 저항은 서로 다른 값을 가질 수 있기 때문에 제1 전압의 크기와 제2 전압의 크기는 동일하지 않을 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 실제 인가되는 제1 전압의 크기와 제2 전압의 크기에 따라 적절히 시비율(duty ratio)을 조절함으로써 제1 전압의 크기와 제2 전압의 크기의 평형을 맞추고 유지할 수 있다.
한편, 부하는 전기자동차 또는 배터리와 같은 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다.
전압 밸런서(100)의 구체적인 회로 및 동작은 아래에서 설명한다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서의 회로도이다.
전압 밸런서의 회로는 양극성 직류 버스부(110) 및 DC-DC 컨버터부(120)를 포함할 수 있다. 양극성 직류 버스부(110)는 양극단자, 음극단자 및 중성단자와 연결된 라인을 포함한다. 각 단자는 배전망과 연결될 수 있다. 입력 전압원 Vin은 일정하게 제어되고 있는 양극(p) 및 음극(n) 사이의 전압을 나타낸다. 양극성 직류 버스부(110)는 양극라인과 중성라인 사이에 병렬로 연결된 제1 저항(R1) 및 음극라인과 중성라인 사이에 병렬로 연결된 제2 저항(R2)을 포함한다. 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)은 전압의 불평형 상황을 발생시킬 수 있는 가상의 저항을 포함할 수 있다.
DC-DC 컨버터부(120)는 양극성 직류 버스부(110)와 병렬로 연결된다. DC-DC 컨버터부(120)는 양극라인과 중성라인 사이에 병렬로 연결된 제1 커패시터(C1) 및 음극라인과 중성라인 사이에 병렬로 연결된 제2 커패시터(C2)를 포함한다. 즉, 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)는 각각 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)과 병렬로 연결될 수 있다.
그리고, DC-DC 컨버터부(120)는 시비율을 제어하기 위한 복수의 스위치를 포함한다. 제1 스위치(S1)는 음극라인에 직렬로 연결되고, 제2 스위치(S2)는 양극라인에 직렬로 연결될 수 있다. 제3 스위치(S3)는 중성라인과 음극라인에 병렬로 연결될 수 있다. 제3 스위치(S3)는 중성단자와 제1 스위치(S1)의 일단과 연결될 수 있다. 제4 스위치(S4)는 양극라인과 음극라인에 병렬로 연결될 수 있다. 제4 스위치(S4)는 제1 스위치(S1)의 일단과 제2 스위치(S2)의 일단과 연결될 수 있다. 추가적으로 DC-DC 컨버터부(120)는 두 개의 인덕터(L1, L2) 및 부하 커패시터(Co)를 포함하고, DC-DC 컨버터부(120)의 끝단에는 부하(load)가 연결될 수 있다. 예를 들어, 부하는 전기자동차나 배터리와 같은 에너지 저장 장치일 수 있다.
본 개시의 전압 밸런서는 전압 밸런서와 DC-DC 컨버터의 기능을 동시에 수행할 수 있다. 만일, 부하가 연결되는 경우 본 개시의 전압 밸런서는 전압의 밸런싱 기능과 전력의 컨버팅 기능을 동시에 수행할 수 있고, 부하가 연결되지 않은 경우 본 개시의 전압 밸런서는 전압 밸런서로만 동작할 수 있다.
아래에서는 전압 밸런서의 동작에 대해 설명한다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 부하가 연결되지 않은 상태에서 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서의 동작 모드를 설명하는 도면이다.
먼저, 도 3을 참고하여, 전압 평형 상태와 전압 불평형 상태를 설명한다. 도 3의 회로에서 제1 전압(VC1)의 크기와 제2 전압(VC2)의 크기가 불평형인 경우, 평균 불평형 전류 Iun은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018079094653-pat00001
--- (1)
식 (1)에서 대문자는 평균값을 의미한다. 양극성 전압(제1 전압 및 제2 전압)이 평형을 유지하기 위해서는 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)를 통해 평균 직류 성분 전류가 흐르지 않아야 한다. 이 경우, Iun과 평균 인덕터 전류 IL이 동일한 값이 되어야 한다. 예를 들어, 평형 조건일 경우(예, R1 = R2), Iun은 IL은 0이 되고, 양극성 전압은 평형을 유지한다. 그러나, 불평형 조건일 경우(예, R1 ≠ R2), Iun은 특정 값을 가지게 되고 전압 밸런서가 동작하여 IL과 Iun과 같은 값이 되도록 한다.
도 4에서는 부하가 연결되지 않아 전압 밸런서가 전압 밸런서로만 동작할 때의 동작 과정을 설명한다. 도 4에서는 양극성 전압이 평형을 유지하고, C1 = C2, L1 = L2라고 가정하였다. 본 개시의 전압 밸런서는 불평형 전압을 보상하기 위해 iL. cir을 필요한 값으로 조정하고 평균전류 I1의 값은 Iun의 값과 같아야 한다.
도 4(a)를 참조하면, 모드 1 상태가 도시되어 있다. 모드 1에서는 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)가 턴-온되고, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)는 턴-오프된다. vL . cir은 -Vc2가 되고, iL. cir은 선형적으로 감소하고 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)를 통해 흐른다. 따라서, i1은 iL.cir과 같은 파형으로 나타난다.
도 4(b)를 참조하면, 모드 2 상태가 도시되어 있다. 모드 2에서는 제3 스위치(S3)가 턴-온되고, 제1 스위치(S1)는 턴-오프된다. 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)는 이전 상태를 유지한다. vL . cir은 0이 되고, iL. cir은 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4)를 통해 흐른다. 따라서, i1은 0이 된다.
도 4(c)를 참조하면, 모드 3 상태가 도시되어 있다. 모드 3에서는 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 턴-온되고, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)는 턴-오프된다. 제3 스위치(S3)가 온 상태이긴 하지만 제3 스위치(S3)를 경유하는 전류 경로가 존재하지 않으므로 제3 스위치(S3)는 오프 상태와 같다. vL . cir은 Vc1이 되고, iL.cir은 선형적으로 증가하면서 제2 스위치(S2)를 통해 흐른다. 따라서, i1은 iL. cir과 같은 파형으로 나타난다. 모드 4 상태는 모드 2 상태와 동일하다.
도 5는 부하가 연결되지 않은 상태에서 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서의 동작 모드에 따른 파형을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 부하가 연결되지 않았을 때 전압 밸런서의 정상상태 파형이 도시되어 있다. 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)의 시비율(d)은 동일하며 180도의 위상차를 가질 수 있다. 제3 스위치(S3)와 제1 스위치(S1), 제4 스위치(S4)는 각각 상보적으로 동작할 수 있다. 본 개시의 전압 밸런서는 전압 밸런서로만 동작할 때 특정 시비율 값으로 동작할 수 있다. 예를 들어, 시비율 값은 0.4 내지 0.6 사이의 값을 가질 수 있다. 도 5에서 전압 밸런서가 정상 상태일 때 I1은 Iun과 같은 값을 가짐을 확인할 수 있으므로 전압 평형 제어가 이루어짐을 알 수 있다. IL. cir은 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018079094653-pat00002
--- (2)
만일, 전압 불평형 상태인 경우, 전압 밸런서는 시비율을 조절하여 전압 평형을 맞출 수 있다. 예를 들어, 제1 전압(VC1)이 제2 전압(VC2)보다 큰 경우, 전압 밸런서는 제1 스위치(S1)를 온 시키는 시비율을 감소시켜 제1 전압(VC1)의 크기와 제2 전압(VC2)의 크기의 균형을 맞출 수 있다. 또한, 제2 전압(VC2)이 제1 전압(VC1)보다 큰 경우, 전압 밸런서는 제1 스위치(S1)를 온 시키는 시비율을 증가시켜 제1 전압(VC1)의 크기와 제2 전압(VC2)의 크기의 균형을 맞출 수 있다.
또는, 제1 전압(VC1)이 제2 전압(VC2)보다 큰 경우, 전압 밸런서는 제2 스위치(S2)를 온 시키는 시비율을 증가시켜 제1 전압(VC1)의 크기와 제2 전압(VC2)의 크기의 균형을 맞출 수 있다. 또한, 제2 전압(VC2)이 제1 전압(VC1)보다 큰 경우, 전압 밸런서는 제2 스위치(S2)를 온 시키는 시비율을 감소시켜 제1 전압(VC1)의 크기와 제2 전압(VC2)의 크기의 균형을 맞출 수 있다.
또는, 제1 전압(VC1)이 제2 전압(VC2)보다 큰 경우, 전압 밸런서는 제2 스위치(S2)를 온 시키는 시비율을 증가시키고, 제1 스위치(S1)를 온 시키는 시비율을 감소시켜 제1 전압(VC1)의 크기와 제2 전압(VC2)의 크기의 균형을 맞출 수 있다. 또한, 제2 전압(VC2)이 제1 전압(VC1)보다 큰 경우, 전압 밸런서는 제1 스위치(S1)를 온 시키는 시비율을 증가시키고, 제2 스위치(S2)를 온 시키는 시비율을 감소시켜 제1 전압(VC1)의 크기와 제2 전압(VC2)의 크기의 균형을 맞출 수 있다.
도 6은 부하가 연결된 상태에서 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서의 동작 모드에 따른 파형을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 부하가 연결되었을 때 전압 밸런서의 정상상태 파형이 도시되어 있다. 부하가 연결된 전압 밸런서의 스위치도 부하가 연결되지 않았을 때와 동일한 방식으로 제어될 수 있다.
iLo 파형을 통해 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서는 충전기능을 수행한다는 것을 알 수 있다. iLo가 존재하더라도 IL. cir은 전압 밸런서에 의해 식 (2)와 같이 제어될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 스위치(S1) 및 제4 스위치(S4)가 턴-온되면 i1은 iL2와 같다. 그리고, 도 4에 도시된 바와 유사하게 I1은 Iun과 같은 값이 되고, 양극성 전압은 평형을 이룬다. i1 파형으로부터 평균 인덕터 전류와 Iun과의 관계는 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018079094653-pat00003
--- (3)
키르히호프 법칙에 의해 평균 출력 부하 전류 Io와 평균 인덕터 전류와의 관계를 아래와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112018079094653-pat00004
--- (4)
식 (3)과 (4)를 이용하여 평균 인덕터 전류는 다음과 같이 구해질 수 있다.
Figure 112018079094653-pat00005
--- (5)
Figure 112018079094653-pat00006
--- (6)
상술한 바와 동일하게, 전압 불평형 상태인 경우, 전압 밸런서는 시비율을 조절하여 전압 평형을 맞출 수 있다. 예를 들어, 제1 전압(VC1)이 제2 전압(VC2)보다 큰 경우, 전압 밸런서는 제1 스위치(S1)를 온 시키는 시비율을 감소시켜 제1 전압(VC1)의 크기와 제2 전압(VC2)의 크기의 균형을 맞출 수 있다. 또한, 제2 전압(VC2)이 제1 전압(VC1)보다 큰 경우, 전압 밸런서는 제1 스위치(S1)를 온 시키는 시비율을 증가시켜 제1 전압(VC1)의 크기와 제2 전압(VC2)의 크기의 균형을 맞출 수 있다.
또는, 제1 전압(VC1)이 제2 전압(VC2)보다 큰 경우, 전압 밸런서는 제2 스위치(S2)를 온 시키는 시비율을 증가시켜 제1 전압(VC1)의 크기와 제2 전압(VC2)의 크기의 균형을 맞출 수 있다. 또한, 제2 전압(VC2)이 제1 전압(VC1)보다 큰 경우, 전압 밸런서는 제2 스위치(S2)를 온 시키는 시비율을 감소시켜 제1 전압(VC1)의 크기와 제2 전압(VC2)의 크기의 균형을 맞출 수 있다.
또는, 제1 전압(VC1)이 제2 전압(VC2)보다 큰 경우, 전압 밸런서는 제2 스위치(S2)를 온 시키는 시비율을 증가시키고, 제1 스위치(S1)를 온 시키는 시비율을 감소시켜 제1 전압(VC1)의 크기와 제2 전압(VC2)의 크기의 균형을 맞출 수 있다. 또한, 제2 전압(VC2)이 제1 전압(VC1)보다 큰 경우, 전압 밸런서는 제1 스위치(S1)를 온 시키는 시비율을 증가시키고, 제2 스위치(S2)를 온 시키는 시비율을 감소시켜 제1 전압(VC1)의 크기와 제2 전압(VC2)의 크기의 균형을 맞출 수 있다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 제어부의 제어 과정을 설명하는 도면이다.
도 7은 제어부(130)의 제어 과정이 도시되어 있다. 제어부(130)는 전압 밸런서에 충전 대상 부하가 연결되었을 때 충전을 제어하는 모듈과 부하 연결에 상관없이 양극성 전압의 평형을 제어하는 전압 평형 제어 모듈(131)을 포함할 수 있다. 본 개시는 전압의 평형을 유지하는 특징에 관한 것이므로 도 7에서는 양극성 전압의 평형을 제어하는 과정만 설명한다.
전압 밸런서에 입력되는 전압(Vin)은 일정한 값으로 NPC에 의해 제어되고 있다고 가정하였기 때문에 제어부(130)는 제2 전압(VC2)만 일정한 값으로 제어한다. 전압 평형 제어 모듈(131)은 VC2 전압제어기와 iL. cir 전류제어기가 직렬 연결된 2중 PI 루프 제어기로 구현될 수 있다. 전압 평형 제어 모듈(131)은 iL. cir 전류 제어루프의 출력신호를 Vin으로 나누어 최종적으로 시비율 차(△d)를 생성할 수 있다. 제어부(130)는 시비율(d)과 시비율 차(△d)에 기초하여 PWM에 사용되는 수정된 시비율 d1, d2를 생성할 수 있다. 제어부(130)는 d1에 기초하여 제1 스위치(S1)과 제3 스위치(S3)를 제어하고, d2에 기초하여 제2 스위치(S2)와 제4 스위치(S4)를 제어한다.
아래에서는 본 개시의 전압 밸런서의 시뮬레이션 및 테스트 결과에 대해 설명한다.
도 8은 부하가 연결되지 않은 상태에서 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 8(a)에는 부하가 연결되지 않은 전압 밸런서의 출력 파형이 도시되어 있다. 시뮬레이션 조건으로 입력 전압(Vin)은 400V, 시비율(d)은 0.4로 설정하고, 의도적인 불평형 부하 조건을 위해 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2) 중 하나는 번갈아 분리되었다.
전압 밸런서는 0.2s 전에서 평형상태이다. 이때, 불평형 전류가 흐르지 않기 때문에 IL,cir은 0이다. 0.2s 에서 제1 저항(R1)이 분리되었다. 이때, 전압 평형 제어를 통해 IL,cir은 증가하고 과도 상태가 지난 후, 식(2)에 의해 산출된 값을 유지한다. 0.3s 에서 제1 저항(R1)이 재연결되면 전압 밸런서는 평형 상태가 되므로 IL,cir은 다시 0이 된다. 0.4s 일 때, 제2 저항(R2)이 분리되고, IL,cir은 식(2)에 의해 산출된 값이 될 때까지 감소한다. 0.5s 일 때, 제2 저항(R2)이 재연결되면 전압 밸런서는 평형 상태가 된다. 도 8(a)에 도시된 바와 같이, 본 개시의 전압 밸런서는 전압 평형 제어를 할 수 있다. 전압 밸런서는 출력 전력이 0인 상황에서도 불평형 전압을 보상할 수 있다.
도 8(b)에는 도 8(a)의 0.25s 부분을 확대한 파형이 도시되어 있다. 도 8(b)의 파형은 도 5의 이론적 파형과 거의 동일하다는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 부하가 연결된 상태에서 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 9(a)에는 부하가 연결된 전압 밸런서의 출력 파형이 도시되어 있다. 도 9(a)를 참조하면 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)의 불평형 상황에서도 전압 밸런서가 균등한 전압을 유지할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 9(b)에는 도 9(a)의 0.06s 부분을 확대한 파형이 도시되어 있다. 도 9(b)에서 ILo는 약 3.3A이고, 이때 Vo는 50V이다. 따라서, 출력 전력(Po)은 약 165W이다. 즉, 기존의 TL 컨버터의 전압 평형 방식은 불평형 전력(Pun) > 출력전력(Po) 또는 Po = 0일 경우 전압 평형 제어를 할 수 없지만, 본 개시의 전압 밸런서는 Pun > Po 에서도 전압 평형 제어를 할 수 있다. 따라서, 본 개시의 전압 밸런서는 기존 TL 컨버터의 전압 평형 방식에 비해 넓은 전압 보상 범위를 가질 수 있다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서의 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 개시의 전압 밸런서는 시뮬레이션 결과와 동일한 실험 결과를 나타낸다. 즉, 본 개시의 전압 밸런서는 전압의 불평형 상황에서 d2가 조금씩 변하면서 제1 전압(VC1)을 일정한 값으로 유지하고 결과적으로 양극성 전압 VC1과 VC2가 같은 값으로 유지함을 확인할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100: 전압 밸런서 110: 양극성 직류 버스부
120: DC-DC 컨버터부 130: 제어부

Claims (6)

  1. 양극단자, 음극단자 및 중성단자와 각각 연결된 라인을 포함하는 양극성 직류 버스부;
    상기 양극단자와 상기 중성단자 사이에 연결된 제1 커패시터와 상기 음극단자와 상기 중성단자 사이에 연결된 제2 커패시터와 복수의 스위치를 포함하며 부하에 전력을 공급하는 DC-DC 컨버터부;
    상기 양극단자와 상기 음극단자 사이에 배치되는 입력 전압원;
    상기 DC-DC 컨버터부의 끝단에 연결되는 부하; 및
    상기 양극단자와 상기 중성단자 간의 상기 제1 커패시터의 제1 전압의 크기와 상기 음극단자와 상기 중성단자 간의 상기 제2 커패시터의 제2 전압의 크기의 균형을 맞추면서 동시에 상기 부하에 전력을 공급하도록 상기 DC-DC 컨버터부의 복수의 스위치를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 DC-DC 컨버터부는,
    상기 음극단자와 연결된 라인에 직렬로 배치된 제1 스위치, 상기 양극단자와 연결된 라인에 직렬로 배치된 제2 스위치, 상기 중성단자와 연결된 라인과 상기 제1 스위치의 일단과 연결된 제3 스위치 및 상기 제1 스위치의 일단과 상기 제2 스위치의 일단과 연결된 제4 스위치를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 기 설정된 시비율에 기초하여 순차적으로 온-오프하되, 상기 제1 전압이 상기 제2 전압보다 큰 경우, 상기 제1 스위치를 온 시키는 기 설정된 시비율을 감소시켜 상기 제1 전압의 크기와 상기 제2 전압의 크기의 균형을 맞추고, 상기 제2 전압이 상기 제1 전압보다 큰 경우, 상기 제1 스위치를 온 시키는 기 설정된 시비율을 증가시켜 상기 제1 전압의 크기와 상기 제2 전압의 크기의 균형을 맞추는, DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양극성 직류 버스부는,
    상기 제1 커패시터와 병렬로 연결된 제1 저항과 상기 제2 커패시터와 병렬로 연결된 제2 저항을 포함하는 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치를 상보적으로 번갈아 온-오프하고, 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치를 상보적으로 번갈아 온-오프하는 DC-DC 컨버터 기능을 포함하는 전압 밸런서.
  5. 삭제
  6. 삭제
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