KR102209402B1 - 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 발명은, 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치를 제공하며, 특히 초기 충전시 돌입 전류를 제한할 수 있고, 전압차에 의한 동작 범위 한계를 가변할 수 있는 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치는 양방향으로 직류/직류 변환 동작하여 제1 전원 또는 제2 전원을 생성하는 전력 변환부, 상기 전력 변환부의 변환 동작에 따라 적어도 하나의 커패시터를 충전 또는 방전하는 커플링부, 상기 커플링부의 적어도 하나의 커패시터의 충전시 턴 온하는 제1 스위치부, 상기 커플링부의 적어도 하나의 커패시터의 충전시 턴 온하고, 방전시 턴 오프하는 제1 방향 스위치부와, 상기 커플링부의 적어도 하나의 커패시터의 충전시 턴 오프하고, 방전시 턴 온하는 제2 방향 스위치부를 갖는 제2 스위치부, 계통으로부터의 전원 연결시 상기 제1 전원과 상기 제2 전원의 전압 차를 상기 커플링부의 적어도 하나의 커패시터에 충전시켜 돌입 전류를 차단하는 돌입 전류 차단부, 상기 돌입 전류 차단부의 돌입 전류 차단 동작을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치{A DC VOLTAGE CONTROL APPARATUS WITH CAPACITOR COUPLING}
본 발명은 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.
대한민국 공개특허공보 제10-2016-0135958호
본 발명의 일 실시예에 따르면, 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치가 제공되며, 특히 초기 충전시 돌입 전류를 제한할 수 있고, 전압차에 의한 동작 범위 한계를 가변할 수 있는 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치가 제공된다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치는 양방향으로 직류/직류 변환 동작하여 제1 전원 또는 제2 전원을 생성하는 전력 변환부, 상기 전력 변환부의 변환 동작에 따라 적어도 하나의 커패시터를 충전 또는 방전하는 커플링부, 상기 커플링부의 적어도 하나의 커패시터의 충전시 턴 온하는 제1 스위치부, 상기 커플링부의 적어도 하나의 커패시터의 충전시 턴 온하고, 방전시 턴 오프하는 제1 방향 스위치부와, 상기 커플링부의 적어도 하나의 커패시터의 충전시 턴 오프하고, 방전시 턴 온하는 제2 방향 스위치부를 갖는 제2 스위치부, 계통으로부터의 전원 연결시 상기 제1 전원과 상기 제2 전원의 전압 차를 상기 커플링부의 적어도 하나의 커패시터에 충전시켜 돌입 전류를 차단하는 돌입 전류 차단부, 상기 돌입 전류 차단부의 돌입 전류 차단 동작을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 적은 용량의 전력 변환기를 사용하여 대전력 제어가 가능하며 장치의 부피 및 무게를 줄이고, 비용을 절감할 수 있으며, 초기 충전시 돌입 전류를 제한할 수 있고, 전압차에 의한 동작 범위 한계를 가변할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치의 개략적인 동작 흐름도이다.
도 3은 배터리 충방전 특성 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치의 개략적인 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 커패시터 커플링 구조의 직류 전압 제어 장치(100)는, 전력 변환부(110), 제1 스위치부(120), 제2 스위치부(130), 커플링부(140), 돌입 전류 차단부(150, 160) 및 제어부(170)를 포함할 수 있다.
전력 변환부(110)는 양방향으로 직류/직류 변환 동작하여 제1 전원 또는 제2 전원을 생성할 수 있다.
커플링부(140)는 적어도 하나의 커패시터를 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 커패시터(C1)에는 전력 변환부(110)의 변환 동작에 따라 전력이 충전 또는 방전될 수 있다.
제1 스위치부(120)는 커플링부(140)의 적어도 하나의 커패시터(C1)의 충전시 턴 온할 수 있고, 제2 스위치부(130)의 제1 방향 스위치부(SW21, SW22)는 커플링부(140)의 적어도 하나의 커패시터의 충전시 턴 온하고, 방전시 턴 오프하며, 제2 방향 스위치부(SW31,SW32)는 커플링부의 적어도 하나의 커패시터의 충전시 턴 오프하고, 방전시 턴 온할 수 있다.
돌입 전류 차단부(150, 160)는 계통으로부터의 전원 연결시 상기 제1 전원과 상기 제2 전원의 전압 차를 상기 커플링부의 적어도 하나의 커패시터에 충전시켜 돌입 전류를 차단할 수 있다.
제어부(170)는 돌입 전류 차단부(150, 160)의 돌입 전류 차단 동작을 제어할 수 있다.
도 1에 도시된 본 발명의 일 실시 예에 따른 커패시터 커플링 구조의 직류 전압 제어 장치(100)를 보다 상세하게 살펴보면,
제1 전원단자(VT1)는, 제1 전원(VB1)에 연결되는 제1 전원 노드(N1) 및 공통 노드(NC)를 포함할 수 있다. 일 예로 제1 전원단자(VT1)는 전력 변환부(110)가 양방향 DC/DC 컨버터로 동작하는 경우, 입력 단자 및 출력 단자 중 어느 하나가 될 수 있다. 상기 제1 전원 노드(N1)는 직류(DC)의 양의 단자가 될 수 있고, 상기 공통 노드(NC)는 접지 단자가 될 수 있다.
제2 전원단자(VT2)는, 다른 하나의 제2 전원(VB2)에 연결되는 제2 전원 노드(N2) 및 상기 공통 노드(NC)를 포함할 수 있다. 일 예로 제2 전원단자(VT2)는 전력 변환부(110)가 양방향 DC/DC 컨버터로 동작하는 경우, 입력 단자 및 출력 단자 중 어느 하나가 될 수 있다. 일 예로 상기 제2 전원 노드(N2)는 직류(DC)의 양의 단자가 될 수 있고, 상기 공통 노드(NC)는 접지 단자가 될 수 있다.
커플링부(140)는, 제1 노드(N1')와 제2 노드(N2') 사이에 접속될 수 있다. 일 예로, 커플링부(140)는 적어도 하나의 커패시터(C1)를 포함할 수 있다. 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2)중에서, 제2 전원 노드(N2)는 직류(DC)의 높은 전압 단자가 될 수 있고, 제1 노드(N1)는 낮은 전압 단자가 될 수 있다. 제1 전원(VB1)의 전압(V1)과 커플링부(140)의 양단 전압을 합한 전압(V1+Vd)은 제2 전원(VB2)의 전압(V2)과 같은 전압이 될 수 있다.
전력 변환부(110)는, 제1 차동 단자(T11,T12)와 제2 차동 단자(T21,T22) 사이에 접속되어, 양방향 직류/직류 변환을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제1 차동 단자(T11,T12)를 통한 전압을 DC/DC 변환하여 제2 차동 단자(T21,T22)를 통해 제공할 수 있거나, 제2 차동 단자(T21,T22)를 통한 전압을 DC/DC 변환하여 제1 차동 단자(T11,T12)를 통해 제공할 수 있다. 제1 차동 단자(T11,T12)는 제1 스위치부(120)를 통해 제1 전원단자(VT1)에 접속될 수 있고, 제2 차동 단자(T21,T22)는 커플링부(140)의 양측 노드인 제1 노드(N1') 및 제2 노드(N2')에 접속될 수 있다.
제1 스위치부(120)는, 제1 전원단자(VT1)와 제1 차동 단자(T11,T12) 사이에 접속될 수 있다. 일 예로, 제1 스위치부(120)는, 서로 연동하는 제1 스위치(SW11) 및 제2 스위치(SW12)를 포함할 수 있고, 제1 스위치(SW11)는 제1 전원단자(VT1)의 제1 전원 노드(N1)와 제1 차동 단자(T11,T12)의 단자(T11)와의 접속/분리를 선택할 수 있고, 제2 스위치(SW12)는 제1 전원단자(VT1)의 공통 노드(NC)와 제1 차동 단자(T11,T12)의 단자(T12)와의 접속/분리를 선택할 수 있다.
제2 스위치부(130)의 제1 방향 스위치부(SW21, SW22)는, 커플링부(140)와 제2 차동 단자(T21,T22)를 제1 결선 방향으로 접속할 수 있다. 일 예로, 제1 방향 스위치부(SW21, SW22)는 서로 연동하는 제1 방향 스위치(SW21) 및 제2 방향 스위치(SW22)를 포함할 수 있고, 제1 방향 스위치(SW21)는 제1 노드(N1')와 제2 차동 단자(T21,T22)의 단자(T21)와의 접속/분리를 선택할 수 있고, 제2 방향 스위치(SW22)는 제2 노드(N2')와 제2 차동 단자(T21,T22)의 단자(T22)와의 접속/분리를 선택할 수 있다.
제2 스위치부(130)의 제2 방향 스위치부(SW31, SW32)는, 커플링부(140)와 제2 차동 단자(T21,T22)를 상기 제1 결선 방향과 반대인 제2 결선 방향으로 접속할 수 있다. 일 예로, 제2 방향 스위치부(SW31, SW32)는 서로 연동하는 제3 방향 스위치(SW31) 및 제4 방향 스위치(SW32)를 포함할 수 있고, 제3 방향 스위치(SW31)는 제1 노드(N1')와 제2 차동 단자(T21,T22)의 단자(T22)와의 접속/분리를 선택할 수 있고, 제4 방향 스위치(SW32)는 제2 노드(N2')와 제2 차동 단자(T21,T22)의 단자(T21)와의 접속/분리를 선택할 수 있다.
제1 방향 스위치부(SW21, SW22)는 제2 방향 스위치부(SW31, SW32)와 인터록(interlock) 동작할 수 있어, 제1 방향 스위치부(SW21, SW22)와 제2 방향 스위치부(SW31, SW32)는 동시에 턴 온되는 것이 방지될 수 있다.
전력 변환부(110)는, 양방향 직류/직류 변환을 이용하여 커플링부(140)의 충전 및 방전을 조절할 수 있다.
예를 들어, 전력 변환부(110)는, 제1 풀 브리지 회로(111)와, 제2 풀 브리지 회로(112)와, 트랜스포머(TFM)를 포함할 수 있다.
제1 풀 브리지 회로(111)는, 제1 차동 단자(T11,T12)에 접속된 복수의 스위치(S11-S14)를 포함하여, 제1 차동 단자(T11,T12)를 통해 입력되는 DC 전압을 구형파 전압으로 변환할 수 있거나, 트랜스포머(TFM)를 통해 전달되는 전압을 정류할 수 있다.
제2 풀 브리지 회로(112)는, 제2 차동 단자(T21,T22)에 접속된 복수의 스위치(S21-S24)를 포함하여, 제2 차동 단자(T21,T22)를 통해 입력되는 DC 전압을 구형파 전압으로 변환할 수 있거나, 트랜스포머(TFM)를 통해 전달되는 전압을 정류할 수 있다.
트랜스포머(TFM)는, 제1 풀 브리지 회로(111)와 제2 풀 브리지 회로(112) 사이에 접속되어, 제1 풀 브리지 회로(111)로부터의 신호를 제2 풀 브리지 회로(112)로 전달하거나, 제2 풀 브리지 회로(112)로부터의 신호를 제1 풀 브리지 회로(111)로 전달할 수 있다.
예를 들어, 전력 변환부(110)는, 제1 전원단자(VT1)를 통한 DC 전압을 DC/DC 변환하여 커플링부(140)에 제공하여 커플링부(140)의 충전을 수행할 수 있거나, 커플링부(140)의 양단 전압(Vd)을 DC/DC 변환하여 제1 전원단자(VT1)에 제공하여 커플링부(140)의 방전을 수행할 수 있다.
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.
[수학식 1]
V1+Vd = V2
상기 수학식 1에서, V1은 상기 제1 전원(VB1)에 의한 제1 전압이고, V2는 상기 제2 전원(VB2)에 의한 제2 전압이다.
예를 들어, 제1 전원(VB1)에 의한 제1 전압(V1)과 제2 전원(VB2)에 의한 제2 전압(V2)이 일정하게 유지되는 상황에서는 커플링부(140)의 전압(Vd)도 일정하게 유지될 수 있다. 만약 커플링부(140)에 추가적인 충전이 이루어져 커플링부(140)의 전압(Vd)이 평형 유지 전압보다 높아지게 되어, 즉시 평형 유지를 위한 처음 전압으로의 복귀를 위해 커플링부(140)에서 방전 동작을 수행하게 된다. 이 방전 동작은 전류(또는 전력)의 흐름으로 나타나게 된다.
이와 반대로 커플링부(140)의 방전이 이루어지면 커플링부(140)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, 커플링부(140)의 전압 방향을 조절하는 인터록(interlock) 구조로 동작하는 제1 방향 스위치부(SW21, SW22) 및 제2 방향 스위치부(SW31, SW32)중 어느 하나만 턴 온 상태로 동작될 수 있다. 일 예로, 제1 전원(VB1)의 제1 전압(V1)이 제2 전원(VB2)의 제2 전압(V2)보다 낮으면 제1 방향 스위치부(SW21, SW22)는 턴 온상태, 제2 방향 스위치부(SW31, SW32)는 턴 오프상태가 될 수 있다. 이와 반대로 제1 전원(VB1)의 제1 전압(V1)이 제2 전원(VB2)의 제2 전압(V2)보다 높으면 제2 방향 스위치부(SW31, SW32)는 턴 온상태, 제1 방향 스위치부(SW21, SW22)는 턴 오프상태가 될 수 있다.
제1 방향 스위치부(SW21, SW22)의 제1 방향 스위치(SW21) 및 제2 방향 스위치(SW22), 상기 제2 방향 스위치부(SW31, SW32)의 제3 방향 스위치(SW31) 및 제4 방향 스위치(SW32)에 의해서, 커플링부(140)에 연결되는 단상 풀 브리지 인버터인 전력 변환부(110)의 입출력 전압 제어 방향이 어느 한 방향으로 정해질 수 있다.
상기 제1 방향 스위치부(SW21, SW22) 및 제2 방향 스위치부(SW31, SW32)는 동시에 오프상태가 가능하며, 전력 변환 동작을 멈출 경우에 두 스위치 회로는 동시에 오프상태로 유지될 수 있다.
제1 전원(VB1)에 연결된 선로를 온/오프(On/Off)하는 제1 스위치부(120)는 제1 전원(VB1)의 전압 방향이 일정하기 때문에 단순한 온/오프(On/Off) 기능만 가질 수 있다.
커플링부(140)의 충전을 위해, 제1 스위치부(120)는 온상태로 동작하고, 상기 제1 방향 스위치부(SW21, SW22)는 온 상태로 동작하고, 상기 제2 방향 스위치부(SW31, SW32)는 오프 상태로 동작할 수 있다.
또한, 커플링부(140)의 충전을 위해, 전력 변환부(110)의 제1 풀 브리지 회로(111)는 컨버팅 동작을 수행하고, 제2 풀 브리지 회로(112)는 정류 동작을 수행할 수 있다.
예를 들면, 커플링부(140)의 충전을 통한 전력 전달은, 4개의 스위칭 소자(S11, S12, S13 및 S14)로 구성된 단상 풀 브리지 인버터인 제1 풀 브리지 회로(111)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(112)는 스위칭 동작을 하지 않고 단순한 정류기로 동작하여 커플링부(140)의 충전 전압을 상승시킴으로서, 제1 전원(VB1)의 전력과 커플링부(140)의 전력이 합쳐져서 제2 전원(VB2)으로 전송되는 과정이 이루어질 수 있다.
즉, 커플링부(140)에 전력을 주입시킴으로서 전압이 상승되고 상기 수학식1에 따른 전압 평형 유지를 위해 커플링부(140)의 전압이 낮아지는 동작이 일어나면서 제1 전원(VB1)의 전력이 제2 전원(VB2)으로 전달되는 동작이 수행된다. 만약 두 개의 단상 풀 브리지 인버터인 제1 풀 브리지 회로(111) 및 제2 풀 브리지 회로(112)가 동작을 멈추면 커플링부(140)에 일정 충전 전압이 유지되며 전류를 흐르지 않는다. 이 때 커플링부(140)의 유지 전압(Vd)은 하기 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Vd = V2-V1
커플링부(140)의 방전을 위해, 제1 스위치부(120)는 온상태로 동작하고, 상기 제2 방향 스위치(SW22)는 온 상태로 동작하고, 상기 제1 방향 스위치부(SW21, SW22)는 오프 상태로 동작할 수 있다.
또한, 커플링부(140)의 방전을 위해, 전력 변환부(110)의 제2 풀 브리지 회로(112)는 컨버팅 동작을 수행하고, 제1 풀 브리지 회로(111)는 정류 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 커플링부(140)의 방전을 통한 전력 전달은, 4개의 스위칭 소자(S21, S22, S23 및 S24)로 구성된 제2 풀 브리지 회로(112)가 커플링부(140)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(112)가 스위칭 동작을 하지 않고 단순한 정류기로 동작하여 DC 전력을 제1 전원(VB1)으로 전달시키는 동작을 수행함으로서, 커플링부(140)의 충전 전압을 하강시켜 제2 전원(VB2)의 전력이 커플링부(140) 및 제1 전원(VB1)으로 전력 전송되는 과정이 이루어질 수 있다.
즉, 커플링부(140)의 전력을 방전시킴으로서 전압이 하강되고 상기 수학식1에 따른 전압 평형 유지를 위해 커플링부(140)의 전압이 높아지는 동작이 일어나면서 제2 전원(VB2)의 전력이 제1 전원(VB1)으로 전달되는 동작이 수행된다.
예를 들어, 커플링부(140)의 충전을 통한 승압 출력 제어는, 4개의 스위칭 소자(S11, S12, S13 및 S14)로 구성된 제1 풀 브리지 회로(111)가, 일 예로 배터리 전원(VB)의 DC 전력을 입력받아 교류 전력으로 변환하여 트랜스포머(TFM)에 공급하고, 4개의 스위치 소자는 다이오로 동작하는 제2 풀 브리지 회로(112)는 스위칭 동작을 하지 않고 단순한 정류기로 동작하여 커플링부(140)의 충전 전압을 제어함으로서, 배터리 전원(VB)의 전압과 커플링부(140)의 전압(Vc)이 합쳐져서 출력되는 동작을 수행할 수 있다. 즉, 커플링부(140)에 전력을 주입시킴으로서 전압(Vc)이 상승되어 출력 전압(Vo)은 하기 수학식 3과 같이 결정될 수 있다.
[수학식 3]
VB+Vc = Vo
일 예로, 제1 전원(VB1)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, 제1 전원(VB1)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, 커플링부(140)의 전압(Vc) 제어를 통해 출력 전압(Vo)을 항상 일정하게 유지할 수 있다.
일 예로, 제1 풀 브리지 회로(111)는, 상기 제2 전원단자(VT2)가 출력단의 과부하 또는 단락에 의해, 과전류가 유기되면 동작 정지될 수 있다.
출력 전압(Vo)에 과부하 또는 단락이 발생되는 경우, 제1 풀 브리지 회로(111)에 과전류가 유기되면 동작이 정지되어야 하고, 커플링부(140)의 전압(Vc)은 급속으로 방전되어 전압은 급격히 떨어져 0V까지 낮아질 수 있다.
또한, 제2 차단 스위치부(SW51, SW52)는, 제2 전원단자(VT2)와 전압 출력단(Vout) 사이에 접속되어, 제2 풀 브리지 회로(112)에서 제2 전원단자(VT2) 방향으로 과전류가 발생되면, 커플링부(140)의 전압이 0V 만큼 낮아지기 이전에, 오프상태로 될 수 있다.
게다가, 직류 전압 제어 장치(100)는, 과전류 또는 단락에 대한 보호를 위해, 제2 차단 스위치부(SW51, SW52)와 출력단자(Vout)인 제2 전원단자(VT2)에 사이에 직렬로 접속되는 퓨즈(F3)를 더 포함할 수 있다.
한편, 커패시터 커플링의 동작을 위해서는 계통으로부터 초기 충전이 이루어져야 한다. 3상 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 제1 배터리(B1)를 충전하게 되고 초기 충전이 완료되면 계통과의 연결은 오픈되며, 커플링부(140)의 커패시터 커플링 전압 제어로 전력 전달이 이루어지게 된다. 이때, 초기 충전 시 제1 배터리(B1)를 충전하기 위해 전력 변환부(110)와 제2 배터리(B2)에 충전 전류가 흐르지 않게 하기 위해서, 제1 스위치부(120)는 오픈 상태로 두고 초기 충전이 완료되면 턴 온되어 상술한 커패시터 커플링 DC 전압 제어의 동작을 시작하게 되는데, 커플링부(140)의 캐패시터(C1)가 완전 방전되어 있는 상태에서 전원을 갑자기 투입하게 되면, 정격의 수십에서 수백 배에 달하는 돌입전류가 유입되어 회로에 충격을 줄 수 있다.
이를 방지하기 위해, 커플링부(140)의 캐패시터(C1)에 제1 배터리(VB1)의 전압(V1)과 제2 배터리(VB2)의 전압(V2)의 차전압 만큼을 미리 충전해 돌입전류를 방지할 수 있다.
즉, 본원발명의 일 실시예에 따른 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치(100)는 돌입 전류 차단부(150, 160)를 포함할 수 있으며, 돌입 전류 차단부(150, 160)의 돌입 전류 차단 동작을 제어하는 제어부(170)를 포함할 수 있다.
돌입 전류 차단부(150, 160)는 제1 차단 스위치부(150) 및 제2 차단 스위치부(160)를 포함할 수 있고, 제1 차단 스위치부(150)는 제1 전원 노드(N1)와 제1 노드(N1') 사이에 배치된 제1 차단 스위치(SW41) 및 제2 차단 스위치부(160)와 공통 노드(NC) 사이에 배치된 제2 차단 스위치(SW42)를 포함할 수 있으며, 제2 차단 스위치부(160)는 제2 전원 노드(N1)에 연결된 퓨즈(F3)와 제1 노드(N1') 사이에 배치된 제3 차단 스위치(SW51) 및 제2 차단 스위치(SW42)와 공통 노드(NC) 사이에 배치된 제4 차단 스위치(SW52)를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치의 개략적인 동작 흐름도이다.
도 1과 함께 도 2를 참조하면, 제1 전원(V1)을 초기 충전할 때 필요한 계통 전원(예를 들어, 3상 전원)을 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치(100)에 연결한다. 이때, 커패시터(C1)과 제2 전원(V2)에 영향을 미치지 않게 하기 위해 커패시터 (C1)의 양단에 돌입 전류 차단부(150, 160)의 제1 차단 스위치부(150) 및 제2 차단 스위치부(160)를 배치하였다.
초기 충전 시에는 제1 스위치부(120), 제2 스위치부(130), 돌입 전류 차단부(150, 160)의 제1 차단 스위치부(150) 및 제2 차단 스위치부(160)까지 모두 오픈 상태를 유지하게 되며(S11), 초기 충전이 완료되면 V1과 V2의 전압 차이에 따라(S12) 제1 및 제2 방향 스위치부(SW21, SW22, SW31, SW32)의 오픈(턴 오프)/차단(턴 온) 여부를 판단한다(S13, S14). 입력 전원 스위치부(SW6)는 초기 충전이 완료된 후 오픈 된다. 도 1에 도시된 부호 F1~3은 과전류 또는 단락에 의한 보호를 위해 직렬로 연결한 퓨즈이다.
보다 상세하게는, 제1 전원(V1)에 초기 충전이 완료되면 제1 전원(V1)과 제2 전원(V2)간의 전력전달을 위해, 제1 및 제2 차단 스위치부(SW41, SW42, SW51, SW52)가 차단되어야 한다. 이때, 제1 전원의 전압(V1)과 제2 전원의 전압(V2)간의 전압 차이로 인해 커패시터(C1)에 돌입전류가 발생하게 되는데 그 크기는 커패시터 용량 및 리액턴스에 따라 다르나 정격 전류의 수~수십배에 해당한다. 그러므로 이를 방지하기 위해서는, 제1 전원(V1)과 제2 전원(V2)간의 차전압을 측정하여(S15), 제1 전원(V1)과 제2 전원(V2)간의 차전압만큼의 전력을 커패시터(C1)에 미리 충전한 뒤 제1 및 제2 차단 스위치부(SW41, SW42, SW51, SW52)를 차단한다.
즉, 제1 전원의 전압(V1)이 제2 전원의 전압(V2)보다 클 경우, 제1 방향 스위치부(SW21, SW22)를 오픈하고, 제2 방향 스위치부(SW31, SW32) 차단하여 전력이 제1 전원에서 제2 전원으로 흐르게 한다(S14). 제1 전원의 전압(V1)이 제2 전원의 전압(V2)보다 작을 경우, 제1 방향 스위치부(SW21, SW22)를 차단하고, 제2 방향 스위치부(SW31, SW32) 오픈하여 전력이 제2 전원에서 제1 전원으로 흐르게 한다(S13). 이후, 제1 전원(V1)과 제2 전원(V2)간의 차전압을 측정하고(S15), 제1 스위치부(SW11, SW12)를 차단한 후(S16), 제1 풀 브리지 회로(S11, S12, S13, S14)를동작시켜(S17),커패시터(C1)에 제1 전원의 전압(V1)과 제2 전원의 전압(V2)의 차전압(Vd)만큼 충전되도록 한 후, 제1 및 제2 차단 스위치부(SW41, SW42, SW51, SW52)를 차단한다(S19).
도 3은 배터리 충방전 특성 그래프이다.
한편, 제1 전원(VB1)과 제2 전원(VB2)는 배터리로 구성되므로 SOC에 따른 충방전 특성이 달라진다. 이때, 제1 전원(VB1)과 제2 전원(VB2) 간의 전압차로 인해 동작하는 커패시터 커플링 회로 특성상 조금이라도 차이가 나면 전력의 흐름이 이루어져야 하지만, 도 3의 SOC 특성 곡선에서 볼 수 있듯이, 정격 곡선 대비 충전과 방전 시에 따라 달라진다. 그러므로, 충전과 방전 곡선 운전 범위내로 제1 전원(VB1)과 제2 전원(VB2)간에 전압차가 발생하게 되어도, 전압차가 발생했다고 인식하지 못하므로 실제로는 동작을 멈추게 된다. 그러므로 제1 전원(VB1)과 제2 전원(VB2)의 전압차에 의한 동작 범위 한계를 다양하게 하기 위해 전압 범위를 변경할 필요가 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치의 개략적인 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치는 트랜스포머부(180)를 포함할 수 있다.
트랜스포머부(180)은 트랜스포머(TFM')과 스위치부(S1)를 포함할 수 있다.
트랜스포머(TFM')는 일차 권선 또는 이차 권선 중 적어도 하나에 탭(tap)을 형성할 수 있으며, 스위치부(S1)는 해당 권선의 끝단 또는 탭에 선택적으로 연결되어 권선비를 가변함으로써 트랜스포머의 전압 범위를 변경할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 적은 용량의 전력 변환기를 사용하여 대전력 제어가 가능하며 장치의 부피 및 무게를 줄이고, 비용을 절감할 수 있으며, 초기 충전시 돌입 전류를 제한할 수 있고, 전압차에 의한 동작 범위 한계를 가변할 수 있으며, 배터리 충방전 장치, 배터리간 전력 교환 장치, DC전원간 전력 교환 장치, 전기자동차용 G2V 및 V2G기능의 충방전 장치, 배터리 연계 DC 배전 시스템 등에 이용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
110: 전력 변환부
111: 제1 풀 브리지 회로
112: 제2 풀 브리지 회로
120: 제1 스위치부
130: 제2 스위치부
140: 커플링부
150,160: 돌입 전류 차단부
170: 제어부
TFM: 트랜스포머
VT1: 제1 전원단자
VT2: 제2 전원단자
N1: 제1 전원 노드
N1': 제1 노드
NC: 공통 노드
N2: 제2 전원 노드
N2': 제2 노드

Claims (7)

  1. 양방향으로 직류/직류 변환 동작하여 제1 전원 또는 제2 전원을 생성하는 전력 변환부;
    상기 전력 변환부의 변환 동작에 따라 적어도 하나의 커패시터를 충전 또는 방전하는 커플링부;
    상기 커플링부의 적어도 하나의 커패시터의 충전시 턴 온하는 제1 스위치부;
    상기 커플링부의 적어도 하나의 커패시터의 충전시 턴 온하고, 방전시 턴 오프하는 제1 방향 스위치부 및 상기 커플링부의 적어도 하나의 커패시터의 충전시 턴 오프하고, 방전시 턴 온하는 제2 방향 스위치부를 갖는 제2 스위치부;
    계통으로부터의 전원 연결시 상기 제1 전원과 상기 제2 전원의 전압 차를 상기 커플링부의 적어도 하나의 커패시터에 충전시켜 돌입 전류를 차단하는 돌입 전류 차단부; 및
    상기 돌입 전류 차단부의 돌입 전류 차단 동작을 제어하는 제어부
    를 포함하는 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌입 전류 차단부는
    상기 커플링부의 상기 적어도 하나의 커패시터의 일단과 공통 노드에 각각 연결되는 제1 및 제2 차단 스위치를 갖는 제1 차단 스위치부; 및
    상기 커플링부의 상기 적어도 하나의 커패시터의 타단과 공통 노드에 각각 연결되는 제3 및 제4 차단 스위치를 갖는 제2 차단 스위치부
    를 포함하는 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 초기 충전시, 상기 제1 스위치부, 상기 제1 및 제2 방향 스위치부, 상기 돌입 전류 차단부의 상기 제1 및 제2 차단 스위치부를 오픈시키는 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 계통으로부터의 전원이 상기 제1 전원을 충전하는 제1 배터리에 충전 완료되면, 상기 돌입 전류 차단부의 상기 제1 및 제2 차단 스위치부를 턴 오프시키는 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 계통으로부터의 전원이 상기 제1 전원을 충전하는 제1 배터리에 충전 완료 전에,
    상기 제1 전원의 전압 레벨이 상기 제2 전원의 전압 레벨 보다 크면, 상기 제1 방향 스위치를 턴 온시키고, 상기 제2 방향 스위치를 턴 오프시키며,
    상기 제2 전원의 전압 레벨이 상기 제1 전원의 전압 레벨 보다 크면, 상기 제2 방향 스위치를 턴 온시키고, 상기 제1 방향 스위치를 턴 오프시켜
    상기 제1 전원과 상기 제2 전원의 전압 차를 상기 커플링부의 적어도 하나의 커패시터에 충전시키는 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전력 변환부는
    입력된 전력을 전력 컨버팅 또는 정류하는 제1 풀 브리지 회로;
    상기 제1 풀 브리지 회로로부터의 컨버팅된 전력을 정류하거나, 또는 입력된 전력을 전력 컨버팅하여 상기 제1 풀 브리지 회로에 전달하는 제2 풀 브리지 회로; 및
    상기 제1 풀 브리지 회로와 상기 제2 풀 브리지 회로 사이에 접속되어 전력을 변환하는 트랜스포머부
    를 포함하는 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 트랜스포머부는
    일차 권선 및 상기 일차 권선과 전력비를 형성하는 이차 권선을 갖는 트랜스포머; 및
    상기 일차 권선 또는 상기 이차 권선 중 적어도 하나의 권선의 탭(tap)에 연결되어 권선비를 가변하는 스위치
    를 포함하는 커패시터 커플링 구조를 갖는 직류 전압 제어 장치.
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