KR102273767B1 - bidirectional DC-DC converter, and energy storage system including the same - Google Patents
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Abstract
양방향 DC-DC 컨버터 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템이 제공된다. 상기 양방향 DC-DC 컨버터는 직류 전원이 연결되는 제1 노드, 제2 내지 제5 노드들, 및 접지 노드를 갖는다. 상기 양방향 DC-DC 컨버터는 상기 제1 노드와 상기 제3 노드 사이의 제1 인덕터, 상기 제3 노드와 상기 접지 노드 사이에 병렬로 연결되는 제1 스위치와 제1 다이오드, 상기 제1 노드와 상기 제4 노드 사이의 제2 인덕터, 상기 제4 노드와 상기 접지 노드 사이에 병렬로 연결되는 제2 스위치와 제2 다이오드, 상기 제2 노드와 상기 접지 노드 사이의 제1 커패시터, 상기 제4 노드와 상기 제5 노드 사이의 제3 스위치, 상기 제3 노드와 상기 제5 노드 사이에 병렬로 연결되는 제4 스위치 및 제3 다이오드, 상기 제5 노드와 상기 제2 노드 사이에 병렬로 연결되는 제5 스위치 및 제4 다이오드, 및 상기 제4 노드와 상기 제5 노드 사이에 직렬로 연결되는 제6 스위치 및 제2 커패시터를 포함한다.A bidirectional DC-DC converter and an energy storage system including the same are provided. The bidirectional DC-DC converter has a first node to which DC power is connected, second to fifth nodes, and a ground node. The bidirectional DC-DC converter includes a first inductor between the first node and the third node, a first switch and a first diode connected in parallel between the third node and the ground node, and the first node and the a second inductor between a fourth node, a second switch and a second diode connected in parallel between the fourth node and the ground node, a first capacitor between the second node and the ground node, and the fourth node; a third switch between the fifth node, a fourth switch and a third diode connected in parallel between the third node and the fifth node, and a fifth diode connected in parallel between the fifth node and the second node a switch and a fourth diode, and a sixth switch and a second capacitor connected in series between the fourth node and the fifth node.
Description
본 발명은 양방향 DC-DC 컨버터, 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a bidirectional DC-DC converter and an energy storage system including the same.
일반적인 양방향 DC-DC 컨버터는 전압을 올려주는(Step-up) 단방향 부스트 모드와 전압을 내려주는(Step-down) 단방향 벅-모드로 동작한다. 비절연형 양방향 DC-DC 컨버터는 절연형 양방향 DC-DC 컨버터에 비하여 부품의 수와 크기 등의 측면에서 여러 장점이 있어서 널리 사용된다. 비절연형 양방향 DC-DC 컨버터를 부스트 모드로 동작시킬 때, 입력 전압 대비 출력 전압을 크게 증가시키면, 승압의 한계로 인해 목표 출력 전압을 달성하지 못할 수 있다. 목표 출력 전압을 달성한다 하더라도, 듀티비(Duty ratio)가 0.8 내지 0.9 이상이 되어, 제어의 불안성을 초래할 가능성이 높아진다. 이의 대안으로서, 절연형 양방향 DC-DC- 컨버터가 등장하였지만, 변압기, 보조 인덕터, 공진 소자 등의 부품이 필요하여 전체 부품수가 증가하고 효율이 낮다는 등의 문제가 있다.A typical bidirectional DC-DC converter operates in a unidirectional boost mode in which the voltage is stepped up (step-up) and a unidirectional buck mode in which the voltage is stepped down (step-down). Non-isolated bidirectional DC-DC converters are widely used because of their advantages compared to isolated bidirectional DC-DC converters in terms of the number and size of components. When the non-isolated bidirectional DC-DC converter is operated in the boost mode, if the output voltage compared to the input voltage is greatly increased, the target output voltage may not be achieved due to the limit of step-up. Even if the target output voltage is achieved, the duty ratio becomes 0.8 to 0.9 or more, which increases the possibility of causing instability of control. As an alternative to this, an isolated bidirectional DC-DC-converter has appeared, but there are problems such as an increase in the total number of parts and low efficiency because parts such as a transformer, an auxiliary inductor, and a resonant element are required.
본 발명이 해결하려는 과제는 제어 안정성을 갖는 비절연형 양방향 DC-DC 컨버너 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a non-isolated bidirectional DC-DC converter having control stability and an energy storage system including the same.
본 발명의 일 측면에 따른 양방향 DC-DC 컨버터는 직류 전원이 연결되는 제1 노드, 제2 내지 제5 노드들, 및 접지 노드를 갖는다. 상기 양방향 DC-DC 컨버터는 상기 제1 노드와 상기 제3 노드 사이의 제1 인덕터, 상기 제3 노드와 상기 접지 노드 사이에 병렬로 연결되는 제1 스위치와 제1 다이오드, 상기 제1 노드와 상기 제4 노드 사이의 제2 인덕터, 상기 제4 노드와 상기 접지 노드 사이에 병렬로 연결되는 제2 스위치와 제2 다이오드, 상기 제2 노드와 상기 접지 노드 사이의 제1 커패시터, 상기 제4 노드와 상기 제5 노드 사이의 제3 스위치, 상기 제3 노드와 상기 제5 노드 사이에 병렬로 연결되는 제4 스위치 및 제3 다이오드, 상기 제5 노드와 상기 제2 노드 사이에 병렬로 연결되는 제5 스위치 및 제4 다이오드, 및 상기 제4 노드와 상기 제5 노드 사이에 직렬로 연결되는 제6 스위치 및 제2 커패시터를 포함한다.A bidirectional DC-DC converter according to an aspect of the present invention has a first node to which a DC power source is connected, second to fifth nodes, and a ground node. The bidirectional DC-DC converter includes a first inductor between the first node and the third node, a first switch and a first diode connected in parallel between the third node and the ground node, and the first node and the a second inductor between a fourth node, a second switch and a second diode connected in parallel between the fourth node and the ground node, a first capacitor between the second node and the ground node, and the fourth node; a third switch between the fifth node, a fourth switch and a third diode connected in parallel between the third node and the fifth node, and a fifth diode connected in parallel between the fifth node and the second node a switch and a fourth diode, and a sixth switch and a second capacitor connected in series between the fourth node and the fifth node.
부스트 모드로 동작 시에, 상기 제1 및 제2 스위치들은 서로 교대로(interleaved) 동작하고, 상기 제3 내지 제5 스위치들은 턴 오프되고, 상기 제6 스위치는 턴 온될 수 있다. 상기 제1 및 제2 스위치들은 50% 이상 내지 80% 미만의 듀티비로 턴 온될 수 있다. 상기 제1 스위치가 턴 오프 상태일 때 상기 제2 스위치는 턴 온 상태이고, 상기 제2 스위치가 턴 오프 상태일 때 상기 제1 스위치는 턴 온 상태일 수 있다.When operating in the boost mode, the first and second switches may operate alternately (interleaved), the third to fifth switches may be turned off, and the sixth switch may be turned on. The first and second switches may be turned on with a duty ratio of 50% or more to less than 80%. When the first switch is in a turn-off state, the second switch may be in a turn-on state, and when the second switch is in a turn-off state, the first switch may be in a turn-on state.
벅 모드로 동작 시에, 상기 제3 및 제4 스위치들은 서로 교대로(interleaved) 동작하고, 상기 제1, 제2 및 제6 스위치들은 턴 오프되고, 상기 제5 스위치는 턴 온될 수 있다. 상기 제3 및 제4 스위치들은 50% 미만의 듀티비로 턴 온될 수 있다. 상기 제3 스위치가 턴 온 상태일 때 상기 제4 스위치는 턴 오프 상태이고, 상기 제4 스위치가 턴 온 상태일 때 상기 제3 스위치는 턴 오프 상태일 수 있다.When operating in the buck mode, the third and fourth switches may operate alternately with each other, the first, second, and sixth switches may be turned off, and the fifth switch may be turned on. The third and fourth switches may be turned on with a duty ratio of less than 50%. When the third switch is in a turn-on state, the fourth switch may be in a turn-off state, and when the fourth switch is in a turn-on state, the third switch may be in a turn-off state.
상기 제1 노드의 제1 전압에 대한 상기 제2 노드의 제2 전압의 비는 6배 이상 10배 이하일 있다.A ratio of the second voltage of the second node to the first voltage of the first node may be 6 times or more and 10 times or less.
본 발명의 일 측면에 따른 에너지 저장 시스템은 상기 양방향 DC-DC 컨버터, 상기 양방향 DC-DC 컨버터의 제1 노드와 접지 노드 사이에 연결되는 배터리, 상기 양방향 DC-DC 컨버터의 제2 노드와 상기 접지 노드 사이의 제1 커패시터를 포함하는 DC 링크, 발전 시스템, 계통 및 부하 중 적어도 하나와 상기 DC 링크 사이에서 전력을 변환하는 전력 변환 장치, 및 상기 양방향 DC-DC 컨버터와 상기 전력 변환 장치를 제어하는 통합 제어기를 포함하는 전력 변환 시스템을 포함한다.The energy storage system according to an aspect of the present invention includes the bidirectional DC-DC converter, a battery connected between a first node of the bidirectional DC-DC converter and a ground node, and a second node of the bidirectional DC-DC converter and the ground A power conversion device for converting power between the DC link and at least one of a DC link including a first capacitor between nodes, a power generation system, a grid and a load, and controlling the bidirectional DC-DC converter and the power conversion device A power conversion system including an integrated controller.
상기 전력 변환 장치는 상기 발전 시스템과 상기 DC 링크부 사이의 전력 변환부, 및 상기 계통 및 상기 부하와 상기 DC 링크부 사이의 양방향 인버터를 포함할 수 있다.The power conversion device may include a power conversion unit between the power generation system and the DC link unit, and a bidirectional inverter between the grid and the load and the DC link unit.
본 발명의 다양한 실시예들에 따른 양방향 DC-DC 컨버터는 입력 전압 대비 출력 전압이 8배인 부스트 모드로 동작할 때에도 0.8 이하의 듀티비를 갖는 제어 신호가 사용될 수 있기 때문에 제어 안정성이 확보될 수 있다. 뿐만 아니라, 전압을 내려주는 벅 모드로 동작할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 포함하는 에너지 저장 시스템은 낮은 전압을 갖는 배터리를 포함할 수 있다.The bidirectional DC-DC converter according to various embodiments of the present invention can secure control stability because a control signal having a duty ratio of 0.8 or less can be used even when operating in a boost mode in which the output voltage is 8 times the input voltage. . In addition, it can operate in a buck mode that lowers the voltage. Accordingly, the energy storage system including the bidirectional DC-DC converter according to various embodiments of the present disclosure may include a battery having a low voltage.
뿐만 아니라, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 양방향 DC-DC 컨버터는 비절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 장점을 그대로 가지며, 인터리브드 방식으로 동작함에 따라 최대 전류를 절반으로 낮출 수 있다.In addition, the bi-directional DC-DC converter according to various embodiments of the present invention has the advantages of the non-isolated bi-directional DC-DC converter, and as it operates in an interleaved manner, the maximum current can be reduced by half.
도 1은 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 회로도를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터가 부스트 모드로 동작할 때의 제어 타이밍도를 도시한다.
도 3 내지 도 6은 부스트 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터를 각 구간 별로 도시한다.
도 7은 도 1에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터가 벅 모드로 동작할 때의 회로도를 도시한다.
도 8은 도 7에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터가 벅 모드로 동작할 때의 제어 타이밍도를 도시한다.
도 9 내지 도 12는 벅 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터를 각 구간 별로 도시한다.
도 13은 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템 및 주변 구성을 개략적으로 도시한다.
도 14는 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.1 shows a circuit diagram of a bidirectional DC-DC converter according to an embodiment.
FIG. 2 shows a control timing diagram when the bidirectional DC-DC converter shown in FIG. 1 operates in a boost mode.
3 to 6 show a bidirectional DC-DC converter operating in a boost mode for each section.
FIG. 7 shows a circuit diagram when the bidirectional DC-DC converter shown in FIG. 1 operates in a buck mode.
FIG. 8 shows a control timing diagram when the bidirectional DC-DC converter shown in FIG. 7 operates in a buck mode.
9 to 12 show a bidirectional DC-DC converter operating in a buck mode for each section.
13 schematically illustrates an energy storage system and peripheral configuration according to an embodiment.
14 is a block diagram illustrating a schematic configuration of an energy storage system according to an embodiment.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the detailed description in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments presented below, it can be implemented in various different forms, and should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. do. The embodiments presented below are provided to complete the disclosure of the present invention, and to fully inform those of ordinary skill in the art to the scope of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 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. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and in the description with reference to the accompanying drawings, the same or corresponding components are given the same reference numerals, and overlapping descriptions thereof are omitted. decide to do
도 1은 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 회로도를 도시한다. 1 shows a circuit diagram of a bidirectional DC-DC converter according to an embodiment.
도 1을 참조하면, 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 제1 내지 제5 노드(N1-N5) 및 접지 노드(GND)를 갖는다.Referring to FIG. 1 , the bidirectional DC-
제1 노드(N1)와 접지 노드(GND) 사이에 직류 전원(C1)이 연결된다. 일 예에 따르면, 직류 전원(C1)은 배터리일 수 있다. 다른 예에 따르면, 직류 전원(C1)은 교류 전압이 인가되는 정류 회로의 출력 전압일 수도 있다. 도 1에 도시되지는 않았지만, 제1 노드(N1)와 접지 노드(GND) 사이에 직류 전원(C1)과 병렬로 커패시터가 연결될 수 있다.A DC power supply C1 is connected between the first node N1 and the ground node GND. According to an example, the DC power source C1 may be a battery. According to another example, the DC power supply C1 may be an output voltage of a rectifier circuit to which an AC voltage is applied. Although not shown in FIG. 1 , a capacitor may be connected in parallel with the DC power supply C1 between the first node N1 and the ground node GND.
양방향 DC-DC 컨버터(100)는 부스트 모드와 벅 모드로 동작할 수 있다. 부스트 모드로 동작하는 경우, 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 제1 노드(N1)의 전압을 승압하여 제2 노드(N2)에 출력한다. 이 경우, 제1 노드(N1)는 입력 노드이고, 제2 노드(N2)는 출력 노드이다. 벅 모드로 동작하는 경우, 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 제2 노드(N2)의 전압을 감압하여 제1 노드(N1)에 출력한다. 이 경우, 제2 노드(N2)는 입력 노드이고, 제1 노드(N1)는 출력 노드이다. 제2 노드(N2)의 제2 전압(V2)의 레벨은 제1 노드(N1)의 제1 전압(V1)의 레벨보다 높다. 도 1에 도시되지는 않았지만, 제1 노드(N1)에는 배터리가 연결되고, 제2 노드(N2)는 DC 링크가 연결될 수 있다. DC 링크는 인버터의 입력에 연결되어, 인버터는 DC 링크의 에너지를 상용 전원(Grid) 및/또는 부하에 공급할 수 있다.The bidirectional DC-
일 예에 따르면, 제1 노드(N1)에 배터리가 연결되고, 제2 노드(N2)에는 양방향 인버터를 통해 부하 또는 상용 전원이 연결될 수 있다. 부스트 모드로 동작하는 경우, 제1 노드(N1)에 연결된 배터리가 방전되며, 방전된 전력은 제2 노드(N2)에 연결된 부하 또는 상용 전원에 공급될 수 있다. 벅 모드로 동작하는 경우, 제2 노드(N2)에 연결되는 상용 전원으로부터 제1 노드(N1)에 연결된 배터리가 충전된다.According to an example, a battery may be connected to the first node N1 , and a load or commercial power may be connected to the second node N2 through a bidirectional inverter. When operating in the boost mode, the battery connected to the first node N1 is discharged, and the discharged power may be supplied to a load connected to the second node N2 or commercial power. When operating in the buck mode, the battery connected to the first node N1 is charged from the commercial power connected to the second node N2 .
양방향 DC-DC 컨버터(100)는 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이의 제1 인덕터(L1), 및 제1 노드(N1)와 제4 노드(N4) 사이의 제2 인덕터(L2)를 포함한다. 제1 전류(i1)는 제1 노드(N1)에서 제3 노드(N3)로 제1 인덕터(L1)를 통해 흐르는 전류로 정의하고, 제2 전류(i2)는 제1 노드(N1)에서 제4 노드(N4)로 제2 인덕터(L2)를 통해 흐르는 전류로 정의한다. 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)는 서로 동일한 인덕턴스를 가질 수 있다. 그러나, 본 발명은 이로 한정되지 않으며, 제1 및 제2 인덕터들(L1, L2)의 인덕터스들은 서로 상이할 수 있다. 본 발명의 용이한 이해를 위해, 제1 및 제2 인덕터들(L1, L2)는 서로 동일한 인덕턴스를 갖는 것으로 가정한다. The bidirectional DC-
양방향 DC-DC 컨버터(100)는 제3 노드(N3)와 접지 노드(GND) 사이에 병렬로 연결되는 제1 스위치(S1)와 제1 다이오드(D1), 및 제4 노드(N4)와 접지 노드(GND) 사이에 병렬로 연결되는 제2 스위치(S2)와 제2 다이오드(D2)를 포함한다. 제1 다이오드(D1)는 제1 스위치(S1)와 역병렬(antiparallel)로 연결되어, 접지 노드(GND)에서 제3 노드(N3)로 전류를 흐르게 한다. 제1 스위치(S1)가 턴 온되면, 제3 노드(N3)에서 접지 노드(GND)로도 전류가 흐를 수 있다. 제2 다이오드(D2)는 제2 스위치(S2)와 역병렬로 연결되어, 접지 노드(GND)에서 제4 노드(N4)로 전류를 흐르게 한다. 제2 스위치(S2)가 턴 온되면, 제4 노드(N4)에서 접지 노드(GND)로도 전류가 흐를 수 있다. 제1 스위치(S1)와 제1 다이오드(D1)는 수직 확산된 MOS(Vertical Diffused MOS) 구조를 갖는 전력 MOSFET 소자로 구현될 수 있다. 또한, 제2 스위치(S2)와 제2 다이오드(D2)도 역시 전력 MOSFET 소자로 구현될 수 있다.The bidirectional DC-
양방향 DC-DC 컨버터(100)는 제2 노드(N2)와 접지 노드(GND) 사이에 연결되는 제1 커패시터(C2)를 포함한다. 일 예에 따르면, 제1 커패시터(C2)는 DC 링크(DC link)를 구성할 수 있다. 제1 커패시터(C2)는 제2 노드(N2)의 제2 전압(V2)을 안정화할 수 있다. 제1 커패시터(C2)는 제2 노드(N2)의 리플 전압이 제2 전압(V2)의 레벨에 비해 작도록 충분히 큰 용량(커패시턴스)를 가질 수 있다.The bidirectional DC-
양방향 DC-DC 컨버터(100)는 제4 노드(N4)와 제5 노드(N5) 사이의 제3 스위치(S3), 제3 노드(N3)와 제5 노드(N5) 사이에 병렬로 연결되는 제4 스위치(S4) 및 제3 다이오드(D3), 제5 노드(N5)와 제2 노드(N2) 사이에 병렬로 연결되는 제5 스위치(S5) 및 제4 다이오드(D4), 및 제4 노드(N4)와 제5 노드(N5) 사이에 직렬로 연결되는 제6 스위치(S6) 및 제2 커패시터(C3)를 포함한다.The bidirectional DC-
제3 전류(i3)는 제5 노드(N5)에서 제4 노드(N4)로 흐르는 전류로 정의하며, 제3 전압(V3)은 제2 커패시터(C3)의 양단 전압으로 정의된다. The third current i3 is defined as a current flowing from the fifth node N5 to the fourth node N4 , and the third voltage V3 is defined as a voltage across the second capacitor C3 .
제3 다이오드(D3)는 제4 스위치(S4)와 역병렬로 연결되어, 제3 노드(N3)에서 제5 노드(N5)로 전류를 흐르게 한다. 제4 스위치(S4)가 턴 온되면, 제5 노드(N5)에서 제3 노드(N3)로도 전류가 흐를 수 있다. 제4 스위치(S4)와 제3 다이오드(D3)는 전력 MOSFET 소자로 구현될 수 있다.The third diode D3 is connected in anti-parallel to the fourth switch S4 to allow a current to flow from the third node N3 to the fifth node N5. When the fourth switch S4 is turned on, a current may also flow from the fifth node N5 to the third node N3 . The fourth switch S4 and the third diode D3 may be implemented as power MOSFET devices.
제4 다이오드(D4)는 제5 스위치(S5)와 역병렬로 연결되어, 제5 노드(N5)에서 제2 노드(N2)로 전류를 흐르게 한다. 제5 스위치(S5)가 턴 온되면, 제2 노드(N2)에서 제5 노드(N5)로도 전류가 흐를 수 있다. 제5 스위치(S5)와 제4 다이오드(D4)는 전력 MOSFET 소자로 구현될 수 있다.The fourth diode D4 is connected in anti-parallel to the fifth switch S5 to allow a current to flow from the fifth node N5 to the second node N2. When the fifth switch S5 is turned on, a current may also flow from the second node N2 to the fifth node N5. The fifth switch S5 and the fourth diode D4 may be implemented as power MOSFET devices.
양방향 DC-DC 컨버터(100)는 제4 노드(N4)와 제5 노드(N5) 사이에 제3 스위치(S3)와 역병렬로 연결되는 다이오드, 및 제6 스위치(S6)와 역병렬로 연결되는 다이오드를 더 포함할 수 있다.The bidirectional DC-
제2 커패시터(C3)는 제6 스위치(S6)와 제5 노드(N5) 사이의 제3 전압(V3)을 안정화할 수 있다. 제2 커패시터(C3)는 제3 전압(V3)에 작은 리플이 발생하도록 충분히 큰 용량(커패시턴스)를 가질 수 있다. 다른 예에 따르면, 제2 커패시터(C3)의용량은 제1 커패시터(C2)의 용량보다 작을 수 있다.The second capacitor C3 may stabilize the third voltage V3 between the sixth switch S6 and the fifth node N5 . The second capacitor C3 may have a sufficiently large capacitance (capacitance) to generate a small ripple in the third voltage V3 . According to another example, the capacitance of the second capacitor C3 may be smaller than the capacitance of the first capacitor C2 .
도 2는 도 1에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터가 부스트 모드로 동작할 때의 제어 타이밍도를 도시한다. 도 3 내지 도 6은 부스트 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터를 각 구간 별로 도시한다.FIG. 2 shows a control timing diagram when the bidirectional DC-DC converter shown in FIG. 1 operates in a boost mode. 3 to 6 show a bidirectional DC-DC converter operating in a boost mode for each section.
도 2을 참조하면, 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 부스트 모드로 동작하는 경우, 제1 및 제2 스위치들(S1, S2)은 스위칭 주기(Ts)마다 서로 교대로(interleaved) 스위칭된다. 제3 내지 제5 스위치들(S3-S5)은 계속 턴 오프된다. 제6 스위치(S6)는 계속 턴 온되어, 제2 커패시터(C3)는 제5 노드(N5)와 제4 노드(N4) 사이에 연결된다. 제3 전압(V3)은 제5 노드(N5)의 전위와 제4 노드(N4)의 전원의 차로 정의된다.Referring to FIG. 2 , when the bidirectional DC-
스위칭 주기(Ts) 중 제1 구간(t0-t1) 동안, 제1 및 제2 스위치들(S1, S2)은 모두 턴 온된다. 시간(t1)에 제1 스위치(S1)는 턴 오프되며, 제2 구간(t1-t2) 동안, 제1 스위치(S1)는 턴 오프되고, 제2 스위치(S2)는 턴 온된다. 시간(t2)에 제1 스위치(S1)는 턴 온되며, 제3 구간(t2-t3) 동안, 제1 및 제2 스위치들(S1, S2)은 모두 턴 온된다. 시간(t3)에 제2 스위치(S2)는 턴 오프되며, 제4 구간(t3-t4) 동안, 제1 스위치(S1)는 턴 온되고, 제2 스위치(S2)는 턴 오프된다.During the first period t0 - t1 of the switching period Ts, both the first and second switches S1 and S2 are turned on. At time t1, the first switch S1 is turned off, during the second period t1-t2, the first switch S1 is turned off, and the second switch S2 is turned on. At time t2, the first switch S1 is turned on, and during the third period t2-t3, both the first and second switches S1 and S2 are turned on. At time t3, the second switch S2 is turned off, and during the fourth period t3-t4, the first switch S1 is turned on and the second switch S2 is turned off.
제1 스위치(S1)가 턴 오프되는 제2 구간(t1-t2)과 제2 스위치(S2)가 턴 오프되는 제4 구간(t3-t4)은 서로 동일할 수 있다. 즉, 스위칭 주기(Ts) 중에서 제1 스위치(S1)가 턴 온되는 시간(DTs)의 비율인 듀티비(D = DTs/Ts)는 제2 스위치(S2)의 듀티비(D)와 동일할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이로 한정되지 않으며, 제1 스위치(S1)의 듀티비와 제2 스위치(S2)의 듀티비는 서로 상이할 수도 있다. 본 발명의 용이한 이해를 위해, 제1 및 제2 스위치들(S1, S2)의 듀티비는 서로 동일한 것으로 가정한다.The second period t1-t2 in which the first switch S1 is turned off and the fourth period t3-t4 in which the second switch S2 is turned off may be the same as each other. That is, the duty ratio (D = DTs/Ts), which is the ratio of the time DTs during which the first switch S1 is turned on during the switching period Ts, is equal to the duty ratio D of the second switch S2. can However, the present invention is not limited thereto, and the duty ratio of the first switch S1 and the duty ratio of the second switch S2 may be different from each other. For easy understanding of the present invention, it is assumed that the duty ratios of the first and second switches S1 and S2 are equal to each other.
부스트 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 승압비에 따라 다르지만, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)는 50% 이상 내지 80% 미만의 듀티비로 턴 온될 수 있다. 예컨대, 승압비가 4인 경우, 제1 및 제2 스위치들(S1, S2)은 대략 50%의 듀티비(D)로 턴 온될 수 있다. 승압비가 6인 경우, 제1 및 제2 스위치들(S1, S2)은 대략 66.7%의 듀티비(D)로 턴 온될 수 있다. 승압비가 8인 경우, 제1 및 제2 스위치들(S1, S2)은 대략 75%의 듀티비(D)로 턴 온될 수 있다. 승압비가 10인 경우, 제1 및 제2 스위치들(S1, S2)은 대략 80%의 듀티비(D)로 턴 온될 수 있다.Depending on the step-up ratio of the bidirectional DC-
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 스위치들(S1, S2)은 50% 이상의 듀티비(D)로 턴 온될 수 있다. 이 때, 제1 및 제2 스위치들(S1, S2)은 스위칭 주기(Ts)마다 서로 교대로(interleaved) 턴 오프될 수 있다. 예를 들면, 제1 스위치(S1)가 턴 오프 상태일 때, 제2 스위치(S2)는 턴 온 상태일 수 있으며, 제2 스위치(S2)가 턴 오프 상태일 때, 제1 스위치(S1)는 턴 온 상태일 수 있다. 즉, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)가 모두 턴 오프되는 상태는 없을 수 있다.As shown in FIG. 2 , the first and second switches S1 and S2 may be turned on with a duty ratio D of 50% or more. In this case, the first and second switches S1 and S2 may be alternately turned off at each switching period Ts. For example, when the first switch S1 is turned off, the second switch S2 may be turned on, and when the second switch S2 is turned off, the first switch S1 may be turned on. That is, there may be no state in which both the first switch S1 and the second switch S2 are turned off.
우선, 제2 커패시터(C3)의 양단 전압, 즉, 제3 전압(V3)에 대해 살펴본다. 제2 커패시터(C3) 양단의 제3 전압(V3)은 스위칭 주기(Ts) 내에서 높아지거나 낮아질 수 있지만, 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 안정화된 후에 평균적으로 일정한 레벨을 갖는다. 제2 전압(V2)도 역시 제1 커패시터(C2) 양단의 전압으로서, 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 안정화된 후에 평균적으로 일정한 레벨을 갖는다. 제1 전압(V1)은 직류 전원(C1)의 전압으로서 일정하다. 본 명세서에서, 평균 전압은 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 안정화된 후에 스위칭 주기(Ts) 동안의 평균 전압을 의미한다.First, the voltage across the second capacitor C3, that is, the third voltage V3 will be described. The third voltage V3 across the second capacitor C3 may be increased or decreased within the switching period Ts, but has a constant level on average after the bidirectional DC-
도 1에 도시되는 제1 노드(N1), 제4 노드(N4), 제5 노드(N5) 및 제3 노드(N3)가 이루는 폐회로를 살펴보면, 제1 인덕터(L1) 양단의 평균 전압과 제2 인덕터(L2) 양단의 평균 전압은 0이므로, 스위칭 주기(Ts) 동안의 평균 제3 전압(V3)은 제3 다이오드(D3) 양단의 평균 전압(즉, 제5 노드(N5)와 제3 노드(N3) 사이의 전압)과 동일하다.Looking at the closed circuit formed by the first node N1, the fourth node N4, the fifth node N5, and the third node N3 shown in FIG. 1, the average voltage across the first inductor L1 and the 2 Since the average voltage across the inductor L2 is 0, the average third voltage V3 during the switching period Ts is the average voltage across the third diode D3 (ie, the fifth node N5 and the third voltage between nodes N3).
제1 및 제2 스위치들(S1, S2)이 모두 턴 온되는 제1 구간(t0-t1)과 제3 구간(t2-t3) 동안, 제3 노드(N3)와 제4 노드(N4)는 모두 접지 노드(GND)에 연결되므로, 평균 제3 전압(V3)은 제3 다이오드(D3) 양단의 평균 전압과 동일하다.During the first period t0-t1 and the third period t2-t3 in which both the first and second switches S1 and S2 are turned on, the third node N3 and the fourth node N4 are Since they are all connected to the ground node GND, the average third voltage V3 is equal to the average voltage across the third diode D3.
제1 스위치(S1)는 턴 오프되고 제2 스위치(S2)는 턴 온되는 제2 구간(t1-t2) 동안, 제3 다이오드(D3)에는 순방향으로 전류가 흐르므로 제3 다이오드(D3) 양단의 전압은 0이다.During the second period t1-t2 in which the first switch S1 is turned off and the second switch S2 is turned on, current flows in the forward direction through the third diode D3, so that both ends of the third diode D3 voltage is zero.
제1 스위치(S1)는 턴 온되고 제2 스위치(S2)는 턴 오프되는 제4 구간(t3-t4) 동안, 제3 노드(N3)는 접지 노드(GND)에 연결되고 제3 다이오드(D3)에는 순방향으로 전류가 흐르므로 제3 다이오드(D3) 양단의 전압은 제2 전압(V2)과 동일하다.During a fourth period t3-t4 in which the first switch S1 is turned on and the second switch S2 is turned off, the third node N3 is connected to the ground node GND and the third diode D3 ), since a current flows in the forward direction, the voltage across the third diode D3 is the same as the second voltage V2.
전술한 바와 같이, 제1 스위치(S1)의 오프 시간과 제2 스위치(S2)의 오프 시간이 동일할 경우, 제3 다이오드(D3) 양단의 평균 전압은 제2 전압(V2)의 1/2과 동일하다. 따라서, 제3 전압(V3)은 제2 전압(V2)의 1/2과 동일하다. 아래에서는, 제2 커패시터(C3)의 용량이 충분히 커서, 제3 전압(V3)는 제2 전압(V2)의 1/2로 일정한 것으로 가정한다.As described above, when the off time of the first switch S1 and the off time of the second switch S2 are the same, the average voltage across the third diode D3 is 1/2 of the second voltage V2. same as Accordingly, the third voltage V3 is equal to 1/2 of the second voltage V2. Hereinafter, it is assumed that the capacitance of the second capacitor C3 is sufficiently large, so that the third voltage V3 is constant at 1/2 of the second voltage V2.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 구간(t0-t1) 동안 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)는 턴 온된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 인덕터(L1)을 통해 흐른 제1 전류(i1)는 제1 스위치(S1)로 흐르고, 제2 인덕터(L2)를 통해 흐른 제2 전류(i2)는 제2 스위치(S2)로 흐른다. 직류 전원(C1)의 제1 전압(V1)은 제1 인덕터(L1) 양단의 전압(L1 di1/dt), 및 제2 인덕터(L2) 양단의 전압(L2 di2/dt)와 동일하다. 따라서, 제1 전류(i1)는 제1 구간(t0-t1) 동안 시간에 따라 V1/L1의 기울기로 증가하고, 제2 전류(i2)도 제1 구간(t0-t1) 동안 시간에 따라 V2/L2의 기울기로 증가한다. 이때, 직류 전원(C1)의 에너지는 제1 및 제2 인덕터(L1, L2)에 저장된다. 제2 커패시터(C3)에 흐르는 제3 전류(i3)는 0이다.2 and 3 , during the first period t0 - t1 , the first switch S1 and the second switch S2 are turned on. 3 , the first current i1 flowing through the first inductor L1 flows to the first switch S1, and the second current i2 flowing through the second inductor L2 is 2 flows to the switch S2. The first voltage V1 of the DC power supply C1 is equal to the voltage L1 di1/dt across the first inductor L1 and the voltage L2 di2/dt across the second inductor L2. Accordingly, the first current i1 increases with a slope of V1/L1 with time during the first period t0-t1, and the second current i2 also increases with time V2 during the first period t0-t1. It increases with the slope of /L2. At this time, the energy of the DC power supply C1 is stored in the first and second inductors L1 and L2. The third current i3 flowing through the second capacitor C3 is zero.
도 2 및 도 4를 참조하면, 시간(t1)에 제1 스위치(S1)가 턴 오프되어, 제2 구간(t1-t2) 동안 제1 스위치(S1)는 턴 오프되고, 제2 스위치(S2)는 턴 온된다. 제2 인덕터(L2)를 통해 흐른 제2 전류(i2)는 제2 스위치(S2)로 흐르지만, 제1 인덕터(L1)를 통해 흐른 제1 전류(i1)는 도 4에 도시된 바와 같이 제3 다이오드(D3), 제2 커패시터(C3) 및 제2 스위치(S2)를 통해 흐른다.2 and 4 , the first switch S1 is turned off at time t1, the first switch S1 is turned off during the second period t1-t2, and the second switch S2 ) is turned on. The second current i2 flowing through the second inductor L2 flows to the second switch S2, but the first current i1 flowing through the first inductor L1 is 3 flows through the diode D3, the second capacitor C3 and the second switch S2.
제2 인덕터(L2) 양단의 전압(L2 di2/dt)은 직류 전원(C1)의 제1 전압(V1)과 동일하므로, 제2 전류(i2)는 제1 구간(t0-t1)에 이어 제2 구간(t1-t2) 동안에 시간에 따라 V2/L2의 기울기로 증가한다. 제2 인덕터(L2)는 직류 전원(C1)의 에너지를 저장한다.Since the voltage L2 di2/dt across the second inductor L2 is the same as the first voltage V1 of the DC power source C1, the second current i2 is the second current i2 following the first section t0-t1. It increases with the slope of V2/L2 according to time during 2 sections (t1-t2). The second inductor L2 stores energy of the DC power supply C1.
제1 인덕터(L1)는 제1 구간(t0-t1) 동안에 저장된 에너지를 방출한다. 제1 전류(i1)는 제3 다이오드(D3)를 순방향으로 흐르므로, 제3 다이오드(D3) 양단의 전압은 0이다. 제3 노드(N3)와 제1 노드(N1) 사이의 전압(-L1 di1/dt)과 제1 전압(V1)의 합은 제3 전압(V3), 즉, V2/2와 동일하므로, 제1 전류(i1)는 시간에 따라 -(V2/2-V1)/L1의 기울기로 감소한다. 이때, 제2 커패시터(C3)에 흐르는 제3 전류(i3)는 제1 전류(i1)와 동일하다.The first inductor L1 emits energy stored during the first period t0 - t1. Since the first current i1 flows in the forward direction through the third diode D3, the voltage across the third diode D3 is zero. Since the sum of the voltage (-L1 di1/dt) and the first voltage V1 between the third node N3 and the first node N1 is equal to the third voltage V3, that is, V2/2, the second 1 current i1 decreases with a slope of -(V2/2-V1)/L1 with time. At this time, the third current i3 flowing through the second capacitor C3 is the same as the first current i1.
도 2 및 도 5을 참조하면, 시간(t2)에 제1 스위치(S1)는 다시 턴 온되며, 제3 구간(t2-t3) 동안에, 제1 구간(t0-t1)과 동일하게 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)는 턴 온된다. 제3 구간(t2-t3) 동안 제1 전류(i1)는 시간에 따라 V1/L1의 기울기로 증가하고, 제2 전류(i2)도 시간에 따라 V2/L2의 기울기로 증가한다. 이때, 제1 및 제2 인덕터(L1, L2)는 직류 전원(C1)의 에너지를 저장한다. 제2 커패시터(C3)에 흐르는 제3 전류(i3)는 0이다.2 and 5 , the first switch S1 is turned on again at time t2, and during the third period t2-t3, the first switch S1 is the same as the first period t0-t1. (S1) and the second switch (S2) are turned on. During the third period t2-t3, the first current i1 increases with a slope of V1/L1 with time, and the second current i2 also increases with a slope of V2/L2 with time. At this time, the first and second inductors L1 and L2 store energy of the DC power supply C1. The third current i3 flowing through the second capacitor C3 is zero.
도 2 및 도 6을 참조하면, 시간(t3)에 제2 스위치(S2)가 턴 오프되어, 제4 구간(t3-t4) 동안 제1 스위치(S1)는 턴 온되고, 제2 스위치(S2)는 턴 오프된다. 2 and 6 , the second switch S2 is turned off at time t3, the first switch S1 is turned on during the fourth period t3-t4, and the second switch S2 ) is turned off.
제1 인덕터(L1)를 통해 흐른 제1 전류(i1)는 제1 스위치(S1)로 흐르지만, 제2 인덕터(L2)를 통해 흐른 제2 전류(i2)는 도 6에 도시된 바와 같이 제2 커패시터(C3)와 제4 다이오드(D4)를 거쳐 제1 커패시터(C2)로 흐른다. The first current i1 flowing through the first inductor L1 flows to the first switch S1, but the second current i2 flowing through the second inductor L2 is It flows to the first capacitor C2 through the second capacitor C3 and the fourth diode D4.
제1 인덕터(L1) 양단의 전압(L1 di1/dt)은 직류 전원(C1)의 제1 전압(V1)과 동일하므로, 제1 전류(i1)는 제4 구간(t3-t4) 동안에 시간에 따라 V1/L1의 기울기로 증가한다. 제1 인덕터(L1)는 직류 전원(C1)의 에너지를 저장한다.Since the voltage L1 di1/dt across the first inductor L1 is the same as the first voltage V1 of the DC power source C1, the first current i1 is Accordingly, it increases with the slope of V1/L1. The first inductor L1 stores energy of the DC power supply C1.
제2 인덕터(L2)는 제1 내지 제3 구간(t0-t3) 동안에 저장된 에너지를 방출한다. 제2 인덕터(L2)로부터 방출된 에너지는 제1 커패시터(C2)에 저장된다. 제2 전류(i2)는 제4 다이오드(D4)를 순방향으로 흐르므로, 제4 다이오드(D4) 양단의 전압은 0이다. 제4 노드(N4)와 제1 노드(N1) 사이의 전압(-L2 di2/dt)과 제1 전압(V1)의 합은 제2 전압(V2)과 제3 전압(V3)의 합, 즉, V2/2와 동일하므로, 제2 전류(i2)는 시간에 따라 -(V2/2-V1)/L2의 기울기로 감소한다. 이때, 제2 커패시터(C3)에 흐르는 제3 전류(i3)는 제2 전류(i2)와 동일하다.The second inductor L2 emits stored energy during the first to third periods t0-t3. Energy emitted from the second inductor L2 is stored in the first capacitor C2. Since the second current i2 flows in the forward direction through the fourth diode D4, the voltage across the fourth diode D4 is zero. The sum of the voltage (-L2 di2/dt) and the first voltage V1 between the fourth node N4 and the first node N1 is the sum of the second voltage V2 and the third voltage V3, that is, , and V2/2, the second current i2 decreases with a slope of -(V2/2-V1)/L2 with time. In this case, the third current i3 flowing through the second capacitor C3 is the same as the second current i2 .
전술한 바와 같이, 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 안정화된 후이므로, 제1 전류(i1)와 제2 전류(i2)는 스위칭 주기(Ts)의 시작 시점과 종료 시점의 값은 동일하다. 따라서, 도 2에 도시된 제2 전류(i2)의 그래프를 참조하면, 제1 내지 제3 구간(t0-t3) 동안에 제2 전류(i2)는 V1/L2의 기울기로 증가하고, 제4 구간(t3-t4) 동안에 제2 전류(i2)는 -(V2/2-V1)/L2의 기울기로 감소한다. 스위칭 주기(Ts)의 시작 시점과 종료 시점에서의 제2 전류(i2)의 크기는 동일해야 하므로, V1/L2*(DTs)- (V2/2-V1)/L2*(Ts-DTs) = 0 이어야 한다.As described above, since the bidirectional DC-
위 식을 정리하면, 부스트 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 승압비(V2/V1)는 2/(1-D)가 된다.Summarizing the above equation, the step-up ratio (V2/V1) of the bidirectional DC-
따라서, 8배의 승압비(V2/V1)로 동작하기 위해, 제1 및 제2 스위치들(S1, S2)은 0.75, 즉 75%의 듀티비(D)로 턴 온될 수 있다. 직류 전원(C1)의 출력 전압인 제1 전압(V1)이 50V일 경우에, 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 출력 전압인 제2 전압(V2)은 400V일 수 있다. 이 경우에도, 듀티비(D)가 80% 이내이므로, 안정적인 제어가 가능하며, 피크 전류를 절반으로 낮출 수 있다.Accordingly, in order to operate at a step-up ratio V2/V1 of 8 times, the first and second switches S1 and S2 may be turned on with a duty ratio D of 0.75, that is, 75%. When the first voltage V1 that is the output voltage of the DC power C1 is 50V, the second voltage V2 that is the output voltage of the bidirectional DC-
도 7은 도 1에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터가 벅 모드로 동작할 때의 회로도를 도시한다. 도 8은 도 7에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터가 벅 모드로 동작할 때의 제어 타이밍도를 도시한다. 도 9 내지 도 12는 벅 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터를 각 구간 별로 도시한다.FIG. 7 shows a circuit diagram when the bidirectional DC-DC converter shown in FIG. 1 operates in a buck mode. FIG. 8 shows a control timing diagram when the bidirectional DC-DC converter shown in FIG. 7 operates in a buck mode. 9 to 12 show a bidirectional DC-DC converter operating in a buck mode for each section.
도 7 및 도 8을 참조하면, 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 벅 모드로 동작하는 경우, 제3 및 제4 스위치들(S3, S4)은 스위칭 주기(Ts)마다 서로 교대로(interleaved) 스위칭된다. 제1, 제2 및 제6 스위치들(S1, S2, S6)은 계속 턴 오프된다. 제5 스위치(S5)는 계속 턴 온된다.Referring to FIGS. 7 and 8 , when the bidirectional DC-
전술한 바와 같이, 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 벅 모드로 동작하는 경우, 제2 노드(N2)가 입력 노드가 되고, 제1 노드(N1)가 출력 노드가 된다. 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 제2 노드(N2)의 제2 전압(V2)을 감압하여, 제1 노드(N1)에 제1 전압(V1)을 출력한다. 따라서, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 노드(N2)에는 제2 전압(V2)을 갖는 직류 전원(VS)이 제2 노드(N2)와 접지 노드(GND) 사이에 연결되는 것으로 표현될 수 있다. 제2 전압(V2)은 제1 전압(V1)의 레벨보다 높다.As described above, when the bidirectional DC-
벅 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 직류 전원(VS)의 에너지를 제1 노드(N1)에 연결된 직류 전원(C1), 예컨대, 배터리에 공급할 수 있다. 직류 전원(C1)이 배터리인 경우, 벅 모드로 동작할 때 배터리는 충전될 수 있다. 아래에서는 직류 전원(C1)을 배터리(C1)로 지칭한다.The bidirectional DC-
스위칭 주기(Ts) 중 제1 구간(t0-t1) 동안, 제3 스위치(S3)는 턴 오프되고, 제4 스위치(S4)는 턴 온된다. 시간(t1)에 제4 스위치(S4)는 턴 오프되며, 제2 구간(t1-t2) 동안, 제3 및 제4 스위치(S3, S4)는 모두 턴 오프된다. 시간(t2)에 제3 스위치(S3)는 턴 온되며, 제3 구간(t2-t3) 동안, 제3 스위치(S3)는 턴 온되고, 제4 스위치(S4)는 턴 오프된다. 시간(t3)에 제3 스위치(S3)는 턴 오프되며, 제4 구간(t3-t4) 동안, 제3 및 제4 스위치(S3, S4)는 모두 턴 오프된다.During the first period t0 - t1 of the switching period Ts, the third switch S3 is turned off and the fourth switch S4 is turned on. At time t1, the fourth switch S4 is turned off, and during the second period t1-t2, both the third and fourth switches S3 and S4 are turned off. At time t2, the third switch S3 is turned on, during the third period t2-t3, the third switch S3 is turned on, and the fourth switch S4 is turned off. At time t3, the third switch S3 is turned off, and during the fourth period t3-t4, both the third and fourth switches S3 and S4 are turned off.
제4 스위치(S4)가 턴 온되는 제1 구간(t0-t1)과 제3 스위치(S3)가 턴 온되는 제3 구간(t2-t3)은 서로 동일할 수 있다. 즉, 스위칭 주기(Ts) 중에서 제3 스위치(S3)가 턴 온되는 시간(DTs)의 비율인 듀티비(D = DTs/Ts)는 제4 스위치(S4)의 듀티비(D)와 동일할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이로 한정되지 않으며, 제3 스위치(S3)의 듀티비와 제4 스위치(S4)의 듀티비는 서로 상이할 수도 있다. 본 발명의 용이한 이해를 위해, 제3 및 제4 스위치들(S3, S4)의 듀티비는 서로 동일한 것으로 가정한다.The first period t0-t1 in which the fourth switch S4 is turned on and the third period t2-t3 in which the third switch S3 is turned on may be the same as each other. That is, the duty ratio (D = DTs/Ts), which is the ratio of the turn-on time DTs of the third switch S3 in the switching period Ts, may be the same as the duty ratio D of the fourth switch S4. can However, the present invention is not limited thereto, and the duty ratio of the third switch S3 and the duty ratio of the fourth switch S4 may be different from each other. For easy understanding of the present invention, it is assumed that the duty ratios of the third and fourth switches S3 and S4 are equal to each other.
벅 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 감압비에 따라 다르지만, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)는 10% 이상 25% 이하의 듀티비(D)로 턴 온될 수 있다. 예컨대, 감압비가 1/4인 경우, 제3 및 제4 스위치들(S3, S4)은 대략 25%의 듀티비(D)로 턴 온될 수 있다. 감압비가 1/8인 경우, 제3 및 제4 스위치들(S3, S4)은 대략 12.5%의 듀티비(D)로 턴 온될 수 있다. 승압비가 1/10인 경우, 제3 및 제4 스위치들(S3, S4)은 대략 10%의 듀티비(D)로 턴 온될 수 있다.Depending on the step-down ratio of the bidirectional DC-
도 2에 도시된 바와 같이, 제3 및 제4 스위치들(S3, S4)은 25% 이하의 듀티비(D)로 턴 온될 수 있다. 이 때, 제3 및 제4 스위치들(S3, S4)은 스위칭 주기(Ts)마다 서로 교대로(interleaved) 턴 오프될 수 있다. 예를 들면, 제3 스위치(S3)가 턴 온 상태일 때, 제4 스위치(S4)는 턴 오프 상태일 수 있으며, 제4 스위치(S4)가 턴 온 상태일 때, 제3 스위치(S3)는 턴 오프 상태일 수 있다. 즉, 제3 및 제4 스위치들(S3, S4)이 모두 턴 온되는 상태는 없을 수 있다.As shown in FIG. 2 , the third and fourth switches S3 and S4 may be turned on with a duty ratio D of 25% or less. In this case, the third and fourth switches S3 and S4 may be alternately turned off at each switching period Ts. For example, when the third switch S3 is turned on, the fourth switch S4 may be turned off. When the fourth switch S4 is turned on, the third switch S3 is turned on. may be in a turned off state. That is, there may not be a state in which all of the third and fourth switches S3 and S4 are turned on.
도 8 및 도 9를 참조하면, 제1 구간(t0-t1) 동안 제3 스위치(S3)는 턴 오프되고, 제4 스위치(S4)는 턴 온된다.8 and 9 , during the first period t0 - t1 , the third switch S3 is turned off and the fourth switch S4 is turned on.
도 9에 도시된 바와 같이, 제2 노드(N2)와 제1 노드(N1) 사이의 제1 인덕터(L1)를 통해 직류 전원(VS)에서 배터리(C1)로 제1 전류(i1)가 흐른다. 직류 전원(VS)의 에너지는 제1 인덕터(L1)과 배터리(C1)에 충전된다. 직류 전원(VS)의 제2 전압(V2)과 배터리(C1)의 제1 전압(V1)의 차는 제1 인덕터(L1) 양단의 전압, 즉, 제3 노드(N3)와 제1 노드(N1) 사이의 전압(L1 di1/dt)과 동일하다. 제1 전류(i1)는 제1 구간(t0-t1) 동안 시간에 따라 (V2-V1)/L1의 기울기로 증가한다.As shown in FIG. 9 , a first current i1 flows from the DC power source VS to the battery C1 through the first inductor L1 between the second node N2 and the first node N1 . . Energy of the DC power supply VS is charged in the first inductor L1 and the battery C1. The difference between the second voltage V2 of the DC power source VS and the first voltage V1 of the battery C1 is the voltage across the first inductor L1, that is, the third node N3 and the first node N1. ) equal to the voltage (L1 di1/dt) between The first current i1 increases with a slope of (V2-V1)/L1 according to time during the first period t0-t1.
제2 인덕터(L2)을 통해 흐른 제2 전류(i2)는 직류 전원(C1)으로 흐르고 제2 다이오드(D2)를 통해 순환한다. 제2 전류(i2)는 제2 다이오드(D2)를 순방향으로 흐르므로, 제2 다이오드(D2) 양단의 전압은 0이며, 제2 인덕터(L2) 양단의 전압(L2 di2/dt)과 제1 전압(V1)의 합은 0이다. 따라서, 제2 전류(i2)는 제1 구간(t0-t1) 동안 시간에 따라 -V1/L2의 기울기로 감소한다. 아래에서 더욱 자세히 설명하겠지만, 제2 인덕터(L2)는 제3 구간(t2-t3) 동안 에너지를 저장하며, 제1 구간(t0-t1) 동안에 배터리(C1)에 에너지를 방출한다.The second current i2 flowing through the second inductor L2 flows to the DC power supply C1 and circulates through the second diode D2. Since the second current i2 flows in the forward direction through the second diode D2, the voltage across the second diode D2 is 0, and the voltage L2 di2/dt across the second inductor L2 and the first The sum of the voltages V1 is zero. Accordingly, the second current i2 decreases with a slope of -V1/L2 according to time during the first period t0-t1. As will be described in more detail below, the second inductor L2 stores energy during the third period t2-t3 and releases energy to the battery C1 during the first period t0-t1.
도 8 및 도 10를 참조하면, 시간(t1)에 제4 스위치(S4)가 턴 오프되어, 제2 구간(t1-t2) 동안 제3 및 제4 스위치들(S3, S4)은 모두 턴 오프된다.Referring to FIGS. 8 and 10 , the fourth switch S4 is turned off at time t1 , so that all of the third and fourth switches S3 and S4 are turned off during the second period t1 - t2 . do.
도 10에 도시된 바와 같이, 제1 인덕터(L1)을 통해 흐른 제1 전류(i1)는 직류 전원(C1)으로 흐르고 제1 다이오드(D1)를 통해 순환한다. 제1 인덕터(L1) 양단의 전압(L1 di1/dt)과 제1 전압(V1)의 합은 0이다. 따라서, 제1 전류(i1)는 제2 구간(t1-t2) 동안 시간에 따라 -V1/L1의 기울기로 감소한다. 제1 인덕터(L1)는 제1 구간(t0-t1) 동안에 저장한 에너지의 일부를 제2 구간(t1-t2) 동안에 배터리(C1)로 방출한다.As shown in FIG. 10 , the first current i1 flowing through the first inductor L1 flows to the DC power supply C1 and circulates through the first diode D1 . The sum of the voltage L1 di1/dt across the first inductor L1 and the first voltage V1 is zero. Accordingly, the first current i1 decreases with a slope of -V1/L1 according to time during the second period t1-t2. The first inductor L1 discharges a portion of the energy stored during the first period t0 - t1 to the battery C1 during the second period t1 - t2 .
제2 인덕터(L2)을 통해 흐른 제2 전류(i2)는 직류 전원(C1)으로 흐르고 제2 다이오드(D2)를 통해 순환한다. 제2 전류(i2)는 제1 구간(t0-t1)과 동일하게 제2 구간(t1-t2) 동안 시간에 따라 -V1/L2의 기울기로 감소한다. 제2 인덕터(L2)는 제2 구간(t1-t2) 동안에 배터리(C1)에 에너지를 방출한다.The second current i2 flowing through the second inductor L2 flows to the DC power supply C1 and circulates through the second diode D2. The second current i2 decreases with a slope of -V1/L2 according to time during the second period t1-t2, like the first period t0-t1. The second inductor L2 emits energy to the battery C1 during the second period t1-t2.
도 8 및 도 11을 참조하면, 시간(t2)에 제3 스위치(S3)가 턴 온되어, 제3 구간(t2-t3) 동안 제3 스위치(S3)는 턴 온되고, 제4 스위치(S4)는 턴 오프된다.8 and 11 , the third switch S3 is turned on at time t2, the third switch S3 is turned on during the third period t2-t3, and the fourth switch S4 is turned on. ) is turned off.
도 11에 도시된 바와 같이, 제1 인덕터(L1)을 통해 흐른 제1 전류(i1)는 직류 전원(C1)으로 흐르고 제1 다이오드(D1)를 통해 순환한다. 제1 전류(i1)는 제2 구간(t1-t2)과 동일하게 제3 구간(t2-t3) 동안 시간에 따라 -V1/L2의 기울기로 감소한다. 제1 인덕터(L1)는 제1 구간(t0-t1) 동안에 저장한 에너지의 일부를 제3 구간(t2-t3) 동안에 배터리(C1)로 방출한다.11 , the first current i1 flowing through the first inductor L1 flows to the DC power supply C1 and circulates through the first diode D1. The first current i1 decreases with a slope of -V1/L2 according to time during the third period t2-t3 as in the second period t1-t2. The first inductor L1 discharges a portion of the energy stored during the first period t0 - t1 to the battery C1 during the third period t2-t3.
제2 노드(N2)와 제1 노드(N1) 사이의 제2 인덕터(L2)를 통해 직류 전원(VS)에서 배터리(C1)로 제2 전류(i2)가 흐른다. 직류 전원(VS)의 에너지는 제2 인덕터(L2)과 배터리(C1)에 충전된다. 직류 전원(VS)의 제2 전압(V2)과 배터리(C1)의 제1 전압(V1)의 차는 제2 인덕터(L2) 양단의 전압, 즉, 제3 노드(N3)와 제1 노드(N1) 사이의 전압(L2 di2/dt)과 동일하다. 제2 전류(i2)는 제3 구간(t2-t3) 동안 시간에 따라 (V2-V1)/L2의 기울기로 증가한다.A second current i2 flows from the DC power source VS to the battery C1 through the second inductor L2 between the second node N2 and the first node N1. Energy of the DC power supply VS is charged in the second inductor L2 and the battery C1. The difference between the second voltage V2 of the DC power source VS and the first voltage V1 of the battery C1 is the voltage across the second inductor L2, that is, the third node N3 and the first node N1. ) equal to the voltage (L2 di2/dt) between The second current i2 increases with a slope of (V2-V1)/L2 according to time during the third period t2-t3.
도 8 및 도 12를 참조하면, 시간(t3)에 제3 스위치(S3)가 턴 오프되어, 제2 구간(t1-t2) 동안 제3 및 제4 스위치들(S3, S4)은 모두 턴 오프된다.Referring to FIGS. 8 and 12 , the third switch S3 is turned off at time t3 , so that all of the third and fourth switches S3 and S4 are turned off during the second period t1 - t2 . do.
도 12에 도시된 바와 같이, 제1 인덕터(L1)을 통해 흐른 제1 전류(i1)는 직류 전원(C1)으로 흐르고 제1 다이오드(D1)를 통해 순환한다. 제1 전류(i1)는 제2 및 제3 구간(t1-t3)과 동일하게 제4 구간(t3-t4) 동안 시간에 따라 -V1/L1의 기울기로 감소한다. 제1 인덕터(L1)는 제1 구간(t0-t1) 동안에 저장한 에너지의 일부를 제4 구간(t3-t4) 동안에 배터리(C1)로 방출한다.As shown in FIG. 12 , the first current i1 flowing through the first inductor L1 flows to the DC power supply C1 and circulates through the first diode D1 . The first current i1 decreases with a slope of -V1/L1 according to time during the fourth period t3-t4 as in the second and third periods t1-t3. The first inductor L1 discharges a portion of the energy stored during the first period t0 - t1 to the battery C1 during the fourth period t3 - t4.
제2 인덕터(L2)을 통해 흐른 제2 전류(i2)는 직류 전원(C1)으로 흐르고 제2 다이오드(D2)를 통해 순환한다. 제2 전류(i2)는 제1 및 제2 구간들(t0-t2)과 동일하게 제4 구간(t3-t4) 동안 시간에 따라 -V1/L2의 기울기로 감소한다. 제2 인덕터(L2)는 제3 구간(t2-t3) 동안에 저장한 에너지의 일부를 제4 구간(t3-t4) 동안에 배터리(C1)로 방출한다.The second current i2 flowing through the second inductor L2 flows to the DC power supply C1 and circulates through the second diode D2. The second current i2 decreases with a slope of -V1/L2 according to time during the fourth period t3-t4, like the first and second periods t0-t2. The second inductor L2 discharges a portion of the energy stored during the third period t2-t3 to the battery C1 during the fourth period t3-t4.
벅 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 안정화된 후라면, 제1 전류(i1)와 제2 전류(i2)는 스위칭 주기(Ts)의 시작 시점과 종료 시점의 값은 동일하다. 따라서, 도 8에 도시된 제1 전류(i1)의 그래프를 참조하면, 제1 구간(t0-t1) 동안에 제1 전류(i1)는 (V2-V1)/L1의 기울기로 증가하고, 제2 내지 제4 구간(t1-t4) 동안에 제1 전류(i1)는 -V1/L1의 기울기로 감소한다. 스위칭 주기(Ts)의 시작 시점과 종료 시점에서의 제1 전류(i1)의 크기는 동일해야 하므로, After the bidirectional DC-
(V2-V1)/L1*Ts- -V1/L1*(Ts-DTs) = 0 이어야 한다.(V2-V1)/L1*Ts- -V1/L1*(Ts-DTs) = 0.
위 식을 정리하면, 벅 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 감압비(V1/V2)는 D가 된다.Summarizing the above equation, the step-down ratio (V1/V2) of the bidirectional DC-
따라서, 1/8배의 감압비(V1/V2)로 동작하기 위해, 제3 및 제4 스위치들(S3, S4)은 0.125, 즉 12.5%의 듀티비(D)로 턴 온될 수 있다. 직류 전원(VS) 또는 DC 링크의 전압인 제2 전압(V2)이 400V인 경우, 출력 전압이 50V인 배터리(C1)를 충전하기 위해서는, 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 벅 모드로 1/8배의 감압비로 동작해야 한다. 이 경우, 듀티비(D)가 12.5% 이며, 피크 전류가 절반으로 낮아짐에 따라 안정적인 제어가 가능하다.Accordingly, in order to operate at a reduced pressure ratio V1/V2 of 1/8 times, the third and fourth switches S3 and S4 may be turned on with a duty ratio D of 0.125, that is, 12.5%. When the second voltage (V2), which is the voltage of the DC power supply (VS) or the DC link, is 400V, in order to charge the battery C1 having an output voltage of 50V, the bidirectional DC-
도 13은 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템 및 주변 구성을 개략적으로 도시한다.13 schematically illustrates an energy storage system and peripheral configuration according to an embodiment.
도 13을 참조하면, 본 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2), 계통(grid system)(3)과 연계하여 부하(4)에 전력을 공급한다. 에너지 저장 시스템(1)은 전력을 저장하는 배터리 시스템(20) 및 전력 변환 시스템(Power Conversion System, 이하 'PCS'라 함)(10)을 포함한다. PCS(10)는 발전 시스템(2), 계통(3), 및/또는 배터리 시스템(20)으로부터 제공되는 전력을 적절한 형태의 전력으로 변환하여 부하(4), 배터리 시스템(20) 및/또는 계통(3)에 공급할 수 있다.Referring to FIG. 13 , the
발전 시스템(2)은 에너지원으로부터 전력을 생산하는 시스템이다. 발전 시스템(2)은 발전에 의해 생성된 전력을 에너지 저장 시스템(1)에 공급할 수 있다. 발전 시스템(2)은 예컨대 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 및 조력 발전 시스템 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, 발전 시스템(2)은 태양열이나 지열 등과 같은 신 재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 모든 발전 시스템들을 포함할 수 있다. 발전 시스템(2)은 전력을 생산할 수 있는 다수의 발전 모듈들을 병렬로 배열함으로써 대용량 에너지 시스템을 구성할 수 있다.The
계통(3)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 포함할 수 있다. 계통(3)이 정상 상태인 경우, 계통(3)은 부하(4) 및/또는 배터리 시스템(20)에 전력을 공급하거나, 배터리 시스템(20) 및/또는 발전 시스템(2)으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 계통(3)이 비정상 상태인 경우, 계통(3)과 에너지 저장 시스템(1) 간의 전력 전달은 중단된다.The
부하(4)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력, 배터리 시스템(20)에 저장된 전력, 및/또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 소비할 수 있다. 에너지 저장 시스템(1)이 설치된 가정이나 공장의 전기 장치들이 부하(4)의 일 예일 수 있다.The
에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2)에서 생산된 전력을 배터리 시스템(20)에 저장하거나, 계통(3)으로 공급할 수 있다. 에너지 저장 시스템(1)은 배터리 시스템(20)에 저장된 전력을 계통(3)으로 공급하거나, 계통(3)으로부터 공급된 전력을 배터리 시스템(20)에 저장할 수도 있다. 또한, 에너지 저장 시스템(1)은 계통(3)이 비정상 상태일 경우, 예컨대, 정전이 발생한 경우에 UPS(Uninterruptible Power Supply) 기능을 수행하여 발전 시스템(2)에서 생산된 전력이나 배터리 시스템(20)에 저장되어 있는 전력을 부하(4)에 공급할 수 있다.The
도 14는 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.14 is a block diagram illustrating a schematic configuration of an energy storage system according to an embodiment.
도 14를 참조하면, 에너지 저장 시스템(1)은 전력을 변환하는 PCS(10), 배터리 시스템(20), 제1 스위치(30), 및 제2 스위치(40)를 포함할 수 있다. 배터리 시스템(20)은 배터리(21) 및 배터리 관리부(22)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 14 , the
PCS(10)는 발전 시스템(2), 계통(3), 및/또는 배터리 시스템(20)으로부터 제공되는 전력을 적절한 형태의 전력으로 변환하여 부하(4), 배터리 시스템(20) 및/또는 계통(3)에 공급할 수 있다. PCS(10)는 전력 변환기(11), DC 링크(12), 양방향 인버터(13), 양방향 DC-DC 컨버터(100), 및 통합 제어기(15)를 포함할 수 있다.The
전력 변환기(11)는 발전 시스템(2)과 DC 링크(12) 사이에 연결되는 전력 변환 장치일 수 있다. 전력 변환기(11)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력을 직류 링크 전압으로 변환하여 DC 링크(12)로 전달할 수 있다. 전력 변환기(11)는 발전 시스템(2)의 종류에 따라서 예컨대 컨버터 회로, 정류 회로 등과 같은 전력 변환 회로를 포함할 수 있다. 발전 시스템(2)이 직류 전력을 생산하는 경우, 전력 변환기(11)는 발전 시스템(2)에서 생성된 직류 전력을 다른 직류 전력으로 변환하기 위한 DC-DC 컨버터 회로를 포함할 수 있다. 발전 시스템(2)이 교류 전력을 생산하는 경우, 전력 변환기(11)는 발전 시스템(2)에서 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 정류 회로를 포함할 수 있다.The
발전 시스템(2)이 태양광 발전 시스템인 경우, 전력 변환기(11)는 일사량, 온도 등의 변동에 따라서 발전 시스템(2)에서 생산하는 전력을 최대로 얻을 수 있도록 최대 전력 포인트 추적(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행하는 MPPT 컨버터 회로를 포함할 수 있다. 발전 시스템(2)에서 생산되는 전력이 없을 때에는 전력 변환기(11)의 동작이 중지되어 전력 변환기(11)에서 소비되는 전력이 최소화 또는 감소될 수 있다.When the
발전 시스템(2) 또는 계통(3)에서의 순시 전압 강하, 또는 부하(4)에서의 피크 부하 발생 등과 같은 문제로 인하여, 직류 링크 전압의 레벨이 불안정해질 수 있다. 그러나, 직류 링크 전압은 양방향 DC-DC 컨버터(100) 및 양방향 인버터(13)의 정상 동작을 위하여 안정화될 필요가 있다. DC 링크(12)는 전력 변환기(11), 양방향 인버터(13) 및 양방향 DC-DC 컨버터(100) 사이에 연결되어 직류 링크 전압을 일정하게 또는 실질적으로 일정하게 유지시킬 수 있다. DC 링크(12)는 예컨대 대용량 커패시터를 포함할 수 있다. DC 링크(12)는 도 1의 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 제2 노드(N2)에 연결되는 제1 커패시터(C1)를 포함할 수 있다. 다른 예에 따르면, DC 링크(12)는 도 1의 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 제2 노드(N2)와 접지 노드(GND) 사이에 연결될 수 있다. 직류 링크 전압은 예컨대 400V일 수 있다.Due to problems such as an instantaneous voltage drop in the
양방향 인버터(13)는 DC 링크(12)와 제1 스위치(30) 사이에 연결되는 전력 변환 장치일 수 있다. 양방향 인버터(13)는 발전 시스템(2) 및 배터리 시스템(20) 중 적어도 하나로부터 제공되는 직류 링크 전압을 계통(3)의 교류 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 양방향 인버터(13)는 충전 모드에서 계통(3)의 전력을 배터리 시스템(20)에 저장하기 위하여, 계통(3)으로부터 제공되는 교류 전압을 직류 링크 전압으로 변환하여 DC 링크(12)에 출력할 수 있다.The
양방향 인버터(13)는 계통(3)으로 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 또한, 양방향 인버터(13)는 무효 전력의 발생을 억제 또는 제한하기 위하여 양방향 인버터(13)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(3)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL) 회로를 포함할 수 있다. 또한, 양방향 인버터(13)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도 현상(transient phenomena) 보호 또는 감소 등과 같은 기능을 수행할 수 있다.The
양방향 DC-DC 컨버터(100)는 DC 링크(12)와 배터리 시스템(20) 사이에 연결될 수 있다. 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 방전 모드에서 배터리 시스템(20)에 저장된 전력을 직류 링크 전압으로 DC-DC 변환하여 DC 링크(12)로 출력할 수 있다. 또한, 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 충전 모드에서 DC 링크(12)의 직류 링크 전압을 적절한 전압 레벨(예컨대, 배터리 시스템(20)에서 요구하는 충전 전압 레벨)의 직류 전압으로 DC-DC 변환하여 배터리 시스템(20)으로 출력할 수 있다. 배터리 시스템(20)의 충전 또는 방전이 수행되지 않는 경우에는 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 동작이 중단됨으로써, 전력 소비가 최소화 또는 감소될 수도 있다.The bidirectional DC-
통합 제어기(15)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리 시스템(20), 및 부하(4)의 상태를 모니터링 할 수 있다. 예컨대, 통합 제어기(15)는 계통(3)에 정전이 발생하였는지 여부, 발전 시스템(2)에서 전력이 생산되는지 여부, 발전 시스템(2)에서 생산되는 전력량, 배터리 시스템(20)의 충전 상태, 부하(4)의 소비 전력량, 시간 등을 모니터링 할 수 있다.The
통합 제어기(15)는 모니터링 결과 및 미리 정해진 알고리즘에 따라서, 전력 변환기(11), 양방향 인버터(13), 양방향 DC-DC 컨버터(100), 배터리 시스템(20), 제1 스위치(30), 제2 스위치(40)의 동작을 제어할 수 있다. The
통합 제어기(15)는 도 1에 도시되는 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 제1 내지 제6 스위치들(S1-S6)을 제어할 수 있다. 예컨대, 통합 제어기(15)는 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 부스트 모드로 동작하도록, 제1 및 제2 스위치들(S1, S2)은 서로 교대로(interleaved) 턴 오프시키고, 제3 내지 제5 스위치들(S3-S5)을 턴 오프시키고, 제6 스위치(S6)를 턴 온시킬 수 있다. 통합 제어기(15)는 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 벅 모드로 동작하도록, 제3 및 제4 스위치들(S3, S4)은 서로 교대로(interleaved) 턴 온시키고, 제1, 제2, 및 제6 스위치들(S1, S2, S6)을 턴 오프시키고, 제5 스위치(S5)를 턴 온시킬 수 있다.The
계통(3)에 정전이 발생할 경우, 통합 제어기(15)는 배터리 시스템(20)에 저장된 전력 또는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력이 부하(4)에 공급되도록 제어할 수 있다. 또한, 통합 제어기(15)는 부하(4)에 충분한 전력이 공급될 수 없을 경우에, 부하(4)의 전기 장치들에 대하여 우선 순위를 정하고, 우선 순위가 높은 전기 장치들에 우선적으로 전력을 공급하도록 부하(4)를 제어할 수도 있다. 또한, 통합 제어기(15)는 배터리 시스템(20)의 충전 및 방전을 제어할 수 있다.When a power failure occurs in the
제1 스위치(30) 및 제2 스위치(40)는 양방향 인버터(13)와 계통(3) 사이에 직렬로 연결되며, 통합 제어기(15)의 제어에 따라서 단락 및 개방 동작을 수행하여 발전 시스템(2)과 계통(3) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 발전 시스템(2), 계통(3), 및 배터리 시스템(20)의 상태에 따라서 제1 스위치(30)와 제2 스위치(40)의 단락 및 개방 상태가 결정될 수 있다. 구체적으로, 발전 시스템(2) 및 배터리 시스템(20) 중 적어도 하나로부터의 전력을 부하(4)에 공급하거나, 계통(3)으로부터의 전력을 배터리 시스템(20)에 공급하는 경우, 제1 스위치(30)는 단락 상태가 된다. 발전 시스템(2) 및 배터리 시스템(20) 중 적어도 하나로부터의 전력을 계통(3)에 공급하거나 계통(3)으로부터의 전력을 부하(4)와 배터리 시스템(20) 중 적어도 하나에 공급하는 경우에는, 제2 스위치(40)는 단락 상태가 된다.The
계통(3)에서 정전이 발생한 경우에는, 제2 스위치(40)는 개방 상태가 되고 제1 스위치(30)는 단락 상태가 된다. 즉, 발전 시스템(2)과 배터리 시스템(20) 중 적어도 하나로부터의 전력을 부하(4)에 공급하는 동시에, 부하(4)에 공급되는 전력이 계통(3)으로 누설되는 것을 방지한다. 이와 같이, 에너지 저장 시스템(1)을 단독 운전 시스템(stand alone system)으로 동작시킴으로써, 계통(3)의 전력선 등에서 작업하는 인부가 발전 시스템(2) 또는 배터리 시스템(20)으로부터 전달되는 전력에 의하여 감전되는 사고를 방지할 수 있게 한다.When a power outage occurs in the
배터리 시스템(20)은 발전 시스템(2)과 계통(3) 중 적어도 하나로부터 전력을 공급받아 저장하고, 저장하고 있는 전력을 부하(4)와 계통(3) 중 적어도 하나에 공급할 수 있다. 배터리 시스템(20)은 도 1의 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 제1 노드(N1)에 연결될 수 있다. 배터리 시스템(20)의 출력 전압은 예컨대 50V일 수 있다.The
배터리 시스템(20)은 전력을 저장하기 위해 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리(21), 및 배터리(21)를 제어 및 보호하는 배터리 관리부(22)를 포함할 수 있다. 배터리 관리부(22)는 배터리(21)와 연결되며, 통합 제어기(15)로부터의 제어 명령 또는 내부 알고리즘에 따라 배터리 시스템(20)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예컨대, 배터리 관리부(22)는 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다.The
배터리 관리부(22)는 배터리(21)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태(State of Charge, SOC) 등을 얻을 수 있다. 예컨대, 배터리 관리부(22)는 센서들을 이용하여 배터리(21)의 셀 전압, 전류 및 온도를 측정할 수 있다. 배터리 관리부(22)는 측정된 셀 전압, 전류 및 온도를 기초로 배터리(21)의 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등을 산출할 수 있다. 배터리 관리부(22)는 측정 결과 및 산출 결과 등을 기초로 배터리(21)를 관리할 수 있으며, 상기 측정 결과 및 산출 결과 등을 통합 제어기(15)에 전송할 수 있다. 배터리 관리부(22)는 통합 제어기(15)로부터 수신한 충전 및 방전 제어 명령에 따라 배터리(21)의 충전 및 방전 동작을 제어할 수 있다.The
양방향 DC-DC 컨버터(100)는 예컨대 50V의 출력 전압을 갖는 배터리 시스템(20)과 예컨대 400V의 직류 링크 전압을 갖는 DC 링크(12) 사이에서 전압을 변환할 수 있다. 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 승압비는 대략 8배이지만, 본 발명의 실시예들에 따르면 80% 이하의 듀티비를 갖는 제어 신호가 사용될 수 있기 때문에 제어 안정성이 확보될 수 있으며, 피크 전압을 낮춤에 따라 안정적인 전력 변환이 가능하다. 게다가, 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 전압을 내려주는 벅 모드로 동작할 수 있다. 따라서, 배터리 시스템(20)의 출력 전압을 낮출 수 있기 때문에, 적은 용량이 필요한 경우, 적은 개수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리(21)가 사용될 수 있다.The bidirectional DC-
본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.The spirit of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, and not only the claims described below, but also all scopes equivalent to or changed from these claims are within the scope of the spirit of the present invention. will do it
Claims (10)
상기 제1 노드와 상기 제3 노드 사이의 제1 인덕터;
상기 제3 노드와 상기 접지 노드 사이에 병렬로 연결되는 제1 스위치와 제1 다이오드;
상기 제1 노드와 상기 제4 노드 사이의 제2 인덕터;
상기 제4 노드와 상기 접지 노드 사이에 병렬로 연결되는 제2 스위치와 제2 다이오드;
상기 제2 노드와 상기 접지 노드 사이의 제1 커패시터;
상기 제4 노드와 상기 제5 노드 사이의 제3 스위치;
상기 제3 노드와 상기 제5 노드 사이에 병렬로 연결되는 제4 스위치 및 제3 다이오드;
상기 제5 노드와 상기 제2 노드 사이에 병렬로 연결되는 제5 스위치 및 제4 다이오드; 및
상기 제4 노드와 상기 제5 노드 사이에 직렬로 연결되는 제6 스위치 및 제2 커패시터를 포함하는 양방향 DC-DC 컨버터.A bidirectional DC-DC converter having a first node to which a DC power source is connected, second to fifth nodes, and a ground node, comprising:
a first inductor between the first node and the third node;
a first switch and a first diode connected in parallel between the third node and the ground node;
a second inductor between the first node and the fourth node;
a second switch and a second diode connected in parallel between the fourth node and the ground node;
a first capacitor between the second node and the ground node;
a third switch between the fourth node and the fifth node;
a fourth switch and a third diode connected in parallel between the third node and the fifth node;
a fifth switch and a fourth diode connected in parallel between the fifth node and the second node; and
A bidirectional DC-DC converter comprising a sixth switch and a second capacitor connected in series between the fourth node and the fifth node.
부스트 모드로 동작 시에, 상기 제1 및 제2 스위치들은 서로 교대로(interleaved) 동작하고, 상기 제3 내지 제5 스위치들은 턴 오프되고, 상기 제6 스위치는 턴 온되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.According to claim 1,
Bidirectional DC, characterized in that when operating in the boost mode, the first and second switches operate alternately with each other, the third to fifth switches are turned off, and the sixth switch is turned on -DC converter.
상기 제1 및 제2 스위치들은 50% 이상 내지 80% 미만의 듀티비로 턴 온되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.3. The method of claim 2,
Bidirectional DC-DC converter, characterized in that the first and second switches are turned on with a duty ratio of 50% or more to less than 80%.
상기 제1 스위치가 턴 오프 상태일 때 상기 제2 스위치는 턴 온 상태이고, 상기 제2 스위치가 턴 오프 상태일 때 상기 제1 스위치는 턴 온 상태인 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.3. The method of claim 2,
The bidirectional DC-DC converter, characterized in that when the first switch is in a turn-off state, the second switch is in a turn-on state, and when the second switch is in a turn-off state, the first switch is in a turn-on state.
벅 모드로 동작 시에, 상기 제3 및 제4 스위치들은 서로 교대로(interleaved) 동작하고, 상기 제1, 제2 및 제6 스위치들은 턴 오프되고, 상기 제5 스위치는 턴 온되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.According to claim 1,
When operating in the buck mode, the third and fourth switches operate alternately (interleaved) with each other, the first, second and sixth switches are turned off, and the fifth switch is turned on. bidirectional DC-DC converter.
상기 제3 및 제4 스위치들은 50% 미만의 듀티비로 턴 온되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.6. The method of claim 5,
wherein the third and fourth switches are turned on with a duty ratio of less than 50%.
상기 제3 스위치가 턴 온 상태일 때 상기 제4 스위치는 턴 오프 상태이고, 상기 제4 스위치가 턴 온 상태일 때 상기 제3 스위치는 턴 오프 상태인 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.6. The method of claim 5,
The bidirectional DC-DC converter, characterized in that when the third switch is turned on, the fourth switch is turned off, and when the fourth switch is turned on, the third switch is turned off.
상기 제1 노드의 제1 전압에 대한 상기 제2 노드의 제2 전압의 비는 6배 이상 10배 이하인 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.According to claim 1,
Bidirectional DC-DC converter, characterized in that the ratio of the second voltage of the second node to the first voltage of the first node is 6 times or more and 10 times or less.
상기 양방향 DC-DC 컨버터의 제1 노드와 접지 노드 사이에 연결되는 배터리;
상기 양방향 DC-DC 컨버터의 제2 노드와 상기 접지 노드 사이의 제1 커패시터를 포함하는 DC 링크;
발전 시스템, 계통 및 부하 중 적어도 하나와 상기 DC 링크 사이에서 전력을 변환하는 전력 변환 장치; 및
상기 양방향 DC-DC 컨버터와 상기 전력 변환 장치를 제어하는 통합 제어기를 포함하는 전력 변환 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템.The bidirectional DC-DC converter of any one of claims 1 to 8;
a battery connected between a first node of the bidirectional DC-DC converter and a ground node;
a DC link comprising a first capacitor between a second node of the bidirectional DC-DC converter and the ground node;
a power conversion device for converting power between the DC link and at least one of a power generation system, a grid, and a load; and
and a power conversion system including an integrated controller for controlling the bidirectional DC-DC converter and the power conversion device.
상기 전력 변환 장치는 상기 발전 시스템과 상기 DC 링크부 사이의 전력 변환부, 및 상기 계통 및 상기 부하와 상기 DC 링크부 사이의 양방향 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.10. The method of claim 9,
The power conversion device comprises a power conversion unit between the power generation system and the DC link unit, and a bidirectional inverter between the grid and the load and the DC link unit.
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