KR102343689B1 - bidirectional DC-DC converter, and energy storage system including the same - Google Patents

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Abstract

다양한 실시예에 따르면, 양방향 DC-DC 컨버터 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템을 개시한다. 제1 노드 내지 제4 노드들 및 접지 노드를 포함하는 양방향 DC-DC 컨버터로서, 상기 제1 노드와 상기 제3 노드 사이의 제1 인덕터와 상기 제3 노드와 상기 제2 노드 사이의 제2 인덕터를 포함하는 제1 탭 인덕터, 상기 제1 노드와 상기 제4 노드 사이의 제3 인덕터와 상기 제4 노드와 상기 제2 노드 사이의 제4 인덕터를 포함하는 제2 탭 인덕터, 상기 제3 노드와 접지 노드 사이에 병렬로 연결되는 제1 스위치 및 제1 다이오드, 상기 제2 인덕터와 제2 노드 사이에 병렬로 연결되는 제2 스위치 및 제2 다이오드, 상기 제4 노드와 접지 노드 사이에 병렬로 연결되는 제3 스위치 및 제3 다이오드, 상기 제4 인덕터와 제2 노드 사이에 병렬로 연결되는 제4 스위치 및 제4 다이오드, 및 상기 제2 노드와 접지 노드 사이에 연결되는 커패시터를 포함하는 양방향 DC-DC 컨버터 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템을 개시한다.According to various embodiments, a bidirectional DC-DC converter and an energy storage system including the same are disclosed. A bidirectional DC-DC converter including first to fourth nodes and a ground node, a first inductor between the first node and the third node and a second inductor between the third node and the second node A second tapped inductor including a first tapped inductor, a third inductor between the first node and the fourth node, and a fourth inductor between the fourth node and the second node, the third node and A first switch and a first diode connected in parallel between a ground node, a second switch and a second diode connected in parallel between the second inductor and a second node, and a parallel connection between the fourth node and a ground node A bidirectional DC- comprising a third switch and a third diode, a fourth switch and a fourth diode connected in parallel between the fourth inductor and a second node, and a capacitor connected between the second node and a ground node; Disclosed are a DC converter and an energy storage system including the same.

Description

양방향 DC-DC 컨버터, 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템{bidirectional DC-DC converter, and energy storage system including the same}Bidirectional DC-DC converter, and energy storage system including the same

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 over 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 the 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 resonance element are required.

본 발명이 해결하려는 과제는 탭 인덕터를 이용하여 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 using a tapped inductor and an energy storage system including the same.

본 발명의 일 측면에 따른 양방향 DC-DC 컨버터는 제1 노드 내지 제4 노드들 및 접지 노드를 포함하는 양방향 DC-DC 컨버터로서, 상기 제1 노드와 상기 제3 노드 사이의 제1 인덕터와 상기 제3 노드와 상기 제2 노드 사이의 제2 인덕터를 포함하는 제1 탭 인덕터, 상기 제1 노드와 상기 제4 노드 사이의 제3 인덕터와 상기 제4 노드와 상기 제2 노드 사이의 제4 인덕터를 포함하는 제2 탭 인덕터, 상기 제3 노드와 접지 노드 사이에 병렬로 연결되는 제1 스위치 및 제1 다이오드, 상기 제2 인덕터와 제2 노드 사이에 병렬로 연결되는 제2 스위치 및 제2 다이오드, 상기 제4 노드와 접지 노드 사이에 병렬로 연결되는 제3 스위치 및 제3 다이오드, 상기 제4 인덕터와 제2 노드 사이에 병렬로 연결되는 제4 스위치 및 제4 다이오드, 및 상기 제2 노드와 접지 노드 사이에 연결되는 커패시터를 포함한다.A bidirectional DC-DC converter according to an aspect of the present invention is a bidirectional DC-DC converter including first to fourth nodes and a ground node, wherein a first inductor between the first node and the third node and the A first tap inductor including a second inductor between a third node and the second node, a third inductor between the first node and the fourth node, and a fourth inductor between the fourth node and the second node A second tap inductor comprising: a first switch and a first diode connected in parallel between the third node and a ground node; a second switch and a second diode connected in parallel between the second inductor and a second node , a third switch and a third diode connected in parallel between the fourth node and a ground node, a fourth switch and a fourth diode connected in parallel between the fourth inductor and a second node, and the second node; It includes a capacitor connected between the ground node.

양방향 DC-DC 컨버터의 일 예에 따르면, 부스트 모드로 동작 시에, 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치들은 서로 교대로(interleaved) 동작하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치들은 턴 오프되는 것을 특징으로 한다.According to an example of the bidirectional DC-DC converter, when operating in the boost mode, the first switch and the third switches operate alternately (interleaved) with each other, and the second switch and the fourth switches are turned off. characterized in that

양방향 DC-DC 컨버터의 다른 예에 따르면, 상기 제1 스위치는, 상기 제3 스위치가 턴 오프 상태일 때, 턴 온 상태이고, 상기 제3 스위치는, 상기 제1 스위치가 턴 오프 상태일 때, 턴 온 상태인 것을 특징으로 한다.According to another example of the bidirectional DC-DC converter, the first switch is turned on when the third switch is turned off, and the third switch is turned on when the first switch is turned off. It is characterized in that it is turned on.

양방향 DC-DC 컨버터의 다른 예에 따르면, 상기 제1 탭 인덕터는 상기 제1 스위치가 턴 오프되면 저장된 에너지를 상기 제2 노드로 전달하고, 상기 제2 탭 인덕터는 상기 제3 스위치가 턴 오프되면 저장된 에너지를 상기 제2 노드로 전달하는 것을 특징으로 한다.According to another example of the bidirectional DC-DC converter, the first tap inductor transfers stored energy to the second node when the first switch is turned off, and the second tap inductor transfers the stored energy to the second node when the third switch is turned off. It is characterized in that the stored energy is transferred to the second node.

양방향 DC-DC 컨버터의 다른 예에 따르면, 상기 제1 스위치는, 상기 제3 스위치가 턴 온, 턴 오프, 턴 온 상태로 변하는 동안, 턴 온 상태를 유지한 후 턴 오프되는 것을 특징으로 한다.According to another example of the bidirectional DC-DC converter, the first switch is turned off after maintaining a turn-on state while the third switch is turned on, turned off, and changed to a turn-on state.

양방향 DC-DC 컨버터의 다른 예에 따르면, 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치들은 80% 미만의 듀티비로 턴 온되는 것을 특징으로 한다.According to another example of the bidirectional DC-DC converter, the first switch and the third switches are turned on with a duty ratio of less than 80%.

양방향 DC-DC 컨버터의 다른 예에 따르면, 상기 제1 노드의 제1 전압에 대한 상기 제2 노드의 제2 전압의 승압비가 6배 내지 12배 중 어느 하나의 승압비를 갖는 것을 특징한다.According to another example of the bidirectional DC-DC converter, the step-up ratio of the second voltage of the second node to the first voltage of the first node has a step-up ratio of any one of 6 times to 12 times.

양방향 DC-DC 컨버터의 다른 예에 따르면, 벅 모드로 동작 시에, 상기 제2 및 제4 스위치들은 서로 교대(interleaved)로 동작하고, 상기 제1 및 제3 스위치들은 턴 오프되는 것을 특징으로 한다.According to another example of the bidirectional DC-DC converter, when operating in the buck mode, the second and fourth switches operate alternately (interleaved) with each other, and the first and third switches are turned off. .

양방향 DC-DC 컨버터의 다른 예에 따르면, 상기 제2 노드 및 상기 접지 노드 사이에 직류 전원이 연결되고, 상기 제1 탭 인덕터는 상기 제2 스위치가 턴 온되면 상기 직류 전원으로부터 에너지를 공급받고, 상기 제2 탭 인덕터는 상기 제4 스위치가 턴 온되면 상기 직류 전원으로부터 에너지를 공급받는 것을 특징으로 한다.According to another example of the bidirectional DC-DC converter, a DC power supply is connected between the second node and the ground node, and the first tap inductor receives energy from the DC power supply when the second switch is turned on, The second tap inductor may receive energy from the DC power source when the fourth switch is turned on.

양방향 DC-DC 컨버터의 다른 예에 따르면, 상기 제2 스위치는, 상기 제4 스위치가 턴 온 상태 일 때, 턴 오프 상태이고, 상기 제4 스위치는, 상기 제2 스위치가 턴 온 상태일 때, 턴 오프 상태인 것을 특징으로 한다.According to another example of the bidirectional DC-DC converter, the second switch is in a turn-off state when the fourth switch is in a turn-on state, and the fourth switch is in a turn-off state when the second switch is in a turn-on state, It is characterized in that it is turned off.

양방향 DC-DC 컨버터의 다른 예에 따르면, 상기 제2 스위치는, 상기 제4 스위치가 턴 오프, 턴 온, 턴 오프 상태로 변하는 동안에 턴 오프 상태가 유지되고, 턴 온 상태가 되는 것을 특징으로 한다.According to another example of the bi-directional DC-DC converter, the second switch is turned off, the turn-on, and the turn-off state is maintained while the fourth switch is changed to the turn-off state, and is turned on. .

양방향 DC-DC 컨버터의 다른 예에 따르면, 상기 제2 및 제4 스위치들은 40% 미만의 듀티비로 턴 온되는 것을 특징으로 한다.According to another example of the bidirectional DC-DC converter, the second and fourth switches are turned on with a duty ratio of less than 40%.

양방향 DC-DC 컨버터의 다른 예에 따르면, 상기 제1 탭 인덕터는 1:N의 권선비를 갖는 상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터를 포함하고, 상기 양방향 DC-DC 컨버터는 상기 권선비를 증가시켜 상기 양방향 DC-DC 컨버터 내의 피크 전류를 감소시키는 것을 특징으로 한다.According to another example of the bidirectional DC-DC converter, the first tapped inductor includes the first inductor and the second inductor having a turns ratio of 1:N, and the bidirectional DC-DC converter increases the turns ratio so that the It is characterized by reducing the peak current in the bidirectional DC-DC converter.

본 발명의 일 측면에 따른 에너지 저장 시스템은, 제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항의 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 상기 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.An energy storage system according to an aspect of the present invention, the bidirectional DC-DC converter of any one of claims 1 to 13, a battery connected between a first node of the bidirectional DC-DC converter and a ground node, the bidirectional DC-DC converter A power conversion device for converting power between the DC link and at least one of a DC link comprising the capacitor between a second node of the DC-DC converter and the ground node, a power generation system, a grid and a load and the bidirectional DC-DC and a power conversion system including a converter and an integrated controller for controlling the power conversion device.

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 ensure 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 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 회로도를 간략하게 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 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 제어 타이밍도를 도시한다.
도 8 내지 도 11은 벅 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터를 각 구간별로 도시한다.
도 12은 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템 및 주변 구성을 개략적으로 도시한다.
도 13는 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.
1 schematically shows a circuit diagram of a bidirectional DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
2 shows a control timing diagram when the bidirectional DC-DC converter operates in a boost mode according to an embodiment of the present invention.
3 to 6 show a bidirectional DC-DC converter operating in a boost mode for each section.
FIG. 7 shows a control timing diagram when the bidirectional DC-DC converter shown in FIG. 1 operates in a buck mode.
8 to 11 show a bidirectional DC-DC converter operating in a buck mode for each section.
12 schematically illustrates an energy storage system and peripheral configuration according to an embodiment.
13 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 for 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, but may 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 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. decide to do

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 회로도를 간략하게 도시한다.1 schematically shows a circuit diagram of a bidirectional DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 제1 내지 제4 노드(N4) 및 접지 노드(GND)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , the bidirectional DC-DC converter 100 includes first to fourth nodes N4 and a ground node GND.

제1 노드(N1)와 접지 노드(GND) 사이에는 직류 전원이 연결된다. 도 1에 직류 전원은 배터리(21)로 표시되었지만, 교류 전압이 인가되는 정류 회로의 출력 전압이 직류 전원일 수도 있으며, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 않는다. 도1에 도시되지는 않았지만, 제1 노드(N1)와 접지 노드(GND) 사이에 직류 전원과 병렬로 연결되는 커패시터를 더 포함할 수 있다. 한편, 이하에서는 제1 노드(N1)와 접지 노드(GND) 사이에 연결된 직류 전원은 배터리(21)로 가정하여 설명한다.A DC power is connected between the first node N1 and the ground node GND. Although the DC power source is indicated as the battery 21 in FIG. 1 , the output voltage of the rectifier circuit to which the AC voltage is applied may be a DC power source, and the inventive concept is not limited thereto. Although not shown in FIG. 1 , a capacitor may further include a capacitor connected in parallel to the DC power between the first node N1 and the ground node GND. Meanwhile, in the following description, it is assumed that the DC power connected between the first node N1 and the ground node GND is the battery 21 .

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)은 제1 노드(N1)의 제1 전압(V1)의 레벨보다 높다. 즉, 제1 노드(N1) 쪽은 저전압단이고, 제2 노드(N2) 쪽은 고전압단이다. 한편, 제1 노드(N1)와 접지 노드(GND) 사이에 배터리(21)가 연결되고 제2 노드(N2)에는 DC 링크가 연결될 수 있다.The bidirectional DC-DC converter 100 may operate in a boost mode and a buck mode. When operating in the boost mode, the bidirectional DC-DC converter 100 boosts the voltage of the first node N1 and outputs it to the second node N2. In this case, the first node N1 is an input node, and the second node N2 is an output node. When operating in the buck mode, the bidirectional DC-DC converter 100 reduces the voltage of the second node N2 and outputs it to the first node N1 . In this case, the second node N2 is an input node, and the first node N1 is an output node. The second voltage V2 of the second node N2 is higher than the level of the first voltage V1 of the first node N1 . That is, the first node N1 is a low voltage terminal, and the second node N2 is a high voltage terminal. Meanwhile, the battery 21 may be connected between the first node N1 and the ground node GND, and a DC link may be connected to the second node N2 .

일 실시예에 따르면, 제1 노드(N1)에 배터리(21)가 연결되고, 제2 노드(N2)에는 양방향 인버터를 통해 부하 또는 상용 전원이 연결될 수 있다. 부스트 모드로 동작하는 경우, 제1 노드(N1)에 연결된 배터리(21)가 방전되어, 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 배터리(21)가 충전된다.According to an embodiment, the battery 21 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 21 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 21 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 탭 인덕터(121)와 제2 탭 인덕터(123)를 포함한다. 제1 탭 인덕터(121) 및 제2 탭 인덕터(123)는 기존 인덕터의 중간에 회로적으로 연결 가능한 탭을 만든 인덕터로서, 변압기와는 달리 '에너지의 전달’이 아니라 ‘에너지의 저장’이 목적인 인덕터이다. 제1 탭 인덕터(121)는 1:N의 권선비로 자기적으로 결합된 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)를 포함하고, 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2) 사이(제3 노드(N3))에 탭이 형성되어 있다. 제2 탭 인덕터(123)는 1:M의 권선비로 자기적으로 결합된 제3 인덕터(L3)와 제4 인덕터(L4)를 포함하고, 제3 인덕터(L3)와 제4 인덕터(L4) 사이에 탭이 형성되어 있다.The bidirectional DC-DC converter 100 includes a first tap inductor 121 and a second tap inductor 123 . The first tapped inductor 121 and the second tapped inductor 123 are inductors that have a circuit connectable tap in the middle of the existing inductor. Unlike a transformer, the purpose of 'energy storage' is not 'energy transfer'. is an inductor. The first tap inductor 121 includes a first inductor L1 and a second inductor L2 magnetically coupled with a turns ratio of 1:N, and is disposed between the first inductor L1 and the second inductor L2. A tab is formed in (the third node N3 ). The second tap inductor 123 includes a third inductor L3 and a fourth inductor L4 magnetically coupled with a turns ratio of 1:M, and is disposed between the third inductor L3 and the fourth inductor L4. A tab is formed on the

제1 인덕터(L1)는 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이에 연결되고, 제2 인덕터(L2)는 제2 노드(N2)와 제3 노드(N3) 사이에 연결된다. 제3 인덕터(L3)는 제1 노드(N1)와 제4 노드(N4) 사이에 연결되고, 제4 인덕터(L4)는 제2 노드(N2)와 제4 노드(N4) 사이에 연결된다. The first inductor L1 is connected between the first node N1 and the third node N3 , and the second inductor L2 is connected between the second node N2 and the third node N3 . The third inductor L3 is connected between the first node N1 and the fourth node N4 , and the fourth inductor L4 is connected between the second node N2 and the fourth node N4 .

제1 인덕터 내지 제4 인덕터(L1 내지 L4)는 서로 동일한 인덕턴스를 가질 수 있다. 또한, 제1 인덕터(L3) 및 제2 인덕터(L2) 간의 결합계수와 제3 인덕터(L3) 및 제4 인덕터(L4) 간의 결합계수가 서로 상응할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이로 한정되지 않으며, 제1 인덕터(L1) 및 제3 인덕터(L2) 또는 제2 인덕터(L2) 및 제4 인덕터(L4)의 인덕턴스는 서로 상이한 값을 가질 수 있고, 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2) 간의 결합계수와 제3 인덕터(L3) 및 제4 인덕터(L4) 간의 결합계수도 서로 상이한 값을 가질 수 있다. 설명의 편의를 위해, 이하에서는 제1 인덕터((L1)및 제3 인덕터(L3), 제2 인덕터(L2) 및 제4 인덕터(L4)는 서로 상응한 인덕턴스를 가지고 있고, 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)간의 결합계수와 제3 인덕터(L3) 및 제4 인덕터(L4) 간의 결합계수가 서로 상응한 값을 갖는다고 가정한다.The first to fourth inductors L1 to L4 may have the same inductance. Also, a coupling coefficient between the first inductor L3 and the second inductor L2 and a coupling coefficient between the third inductor L3 and the fourth inductor L4 may correspond to each other. However, the present invention is not limited thereto, and the inductances of the first inductor L1 and the third inductor L2 or the second inductor L2 and the fourth inductor L4 may have different values, and the first The coupling coefficient between the inductor L1 and the second inductor L2 and the coupling coefficient between the third inductor L3 and the fourth inductor L4 may also have different values. For convenience of explanation, hereinafter, the first inductor ( L1 ) and the third inductor ( L3 ), the second inductor ( L2 ), and the fourth inductor ( L4 ) have inductances corresponding to each other, and the first inductor ( L1 ) ) and the coupling coefficient between the second inductor L2 and the third inductor L3 and the fourth inductor L4 are assumed to have corresponding values.

제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2) 간의 권선비는 1:N이다. N은 1 이상의 값이며, N값이 증가하면 승압비도 증가할 수 있다. 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2) 간의 권선비는 제1 스위치(S1)의 듀티비(D) 및 각 인덕터에 흐르는 전류의 피크값을 고려하여 설정될 수 있다. 마찬가지로, 제3 인덕터(L3) 및 제4 인덕터(L4) 간의 권선비는 1:M이다. M은 1이상의 값이며, M값이 증가하면 승압비도 증가할 수 있다. 제3 인덕터(L3) 및 제4 인덕터(L4) 간의 권선비는 제3 스위치(S3)의 듀티비(D) 및 각 인덕터에 흐르는 전류의 피크값을 고려하여 설정될 수 있다. N과 M은 서로 상응한 값을 가질 수 있으나, N과 M은 서로 상이한 값일 수도 있고, 본 발명의 사상은 이에 한정되지 않는다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2) 간의 권선비와, 제3 인덕터(L3) 및 제4 인덕터(L4) 간의 권선비는 1:2로 서로 동일한 값을 갖는다고 가정하여 설명한다.The turns ratio between the first inductor L1 and the second inductor L2 is 1:N. N is a value of 1 or more, and as the value of N increases, the step-up ratio may also increase. The turns ratio between the first inductor L1 and the second inductor L2 may be set in consideration of the duty ratio D of the first switch S1 and the peak value of the current flowing through each inductor. Similarly, the turns ratio between the third inductor L3 and the fourth inductor L4 is 1:M. M is a value of 1 or more, and as the value of M increases, the step-up ratio may also increase. The turns ratio between the third inductor L3 and the fourth inductor L4 may be set in consideration of the duty ratio D of the third switch S3 and the peak value of the current flowing through each inductor. N and M may have values corresponding to each other, but N and M may be different values, and the scope of the present invention is not limited thereto. Hereinafter, for convenience of description, the turns ratio between the first inductor L1 and the second inductor L2 and the turns ratio between the third inductor L3 and the fourth inductor L4 have the same value as 1:2. It is assumed and explained.

양방향 DC-DC 컨버터(100)는 제3 노드(N3)와 접지 노드(GND) 사이에 병렬로 연결되는 제1 스위치(S1) 및 제1 다이오드(D1), 제2 인덕터(L2)와 제2 노드(N2) 사이에 병렬로 연결되는 제2 스위치(S2) 및 제2 다이오드(D2), 제4 노드(N4)와 접지 노드(GND) 사이에 병렬로 연결되는 제3 스위치(S3) 및 제3 다이오드(D3), 제4 인덕터(L4)와 제2 노드(N2) 사이에 병렬로 연결되는 제4 스위치(S4) 및 제4 다이오드(D4)를 포함한다. 제1 다이오드(D1)는 접지 노드(GND)에서 제3 노드(N3)로 전류를 흐르게 한다. 제2 다이오드(D2)는 제2 인덕터(L2)에서 제2 노드(N2)로 전류를 흐르게 하고, 제3 다이오드(D3)는 접지 노드(GND)에서 제4 노드(N4)로 전류를 흐르게 하며, 제4 다이오드(D4)는 제4 인덕터(L4)에서 제2 노드(N2)로 전류를 흐르게 한다. 제1 스위치(S1) 및 제1 다이오드(D1)는 수직 확산된 MOS(Vertical Diffused MOS) 구조를 갖는 전력 MOSFET 소자로 구현될 수 있다. 제2 스위치(S2) 및 제2 다이오드(D2), 제3 스위치(S3) 및 제3 다이오드(D3), 제4 스위치(S4) 및 제4 다이오드(D4)도 역시 전력 MOSFET 소자로 구현될 수 있다.The bidirectional DC-DC converter 100 includes a first switch S1 and a first diode D1, a second inductor L2 and a second connected in parallel between the third node N3 and the ground node GND. A second switch S2 and a second diode D2 connected in parallel between the node N2, a third switch S3 and a third diode D2 connected in parallel between the fourth node N4 and the ground node GND A third diode D3, a fourth switch S4 and a fourth diode D4 connected in parallel between the fourth inductor L4 and the second node N2 are included. The first diode D1 allows a current to flow from the ground node GND to the third node N3 . The second diode D2 allows a current to flow from the second inductor L2 to the second node N2, and the third diode D3 allows a current to flow from the ground node GND to the fourth node N4. , the fourth diode D4 allows a current to flow from the fourth inductor L4 to the second node N2. The first switch S1 and the first diode D1 may be implemented as a power MOSFET device having a vertical diffused MOS (MOS) structure. The second switch S2 and the second diode D2, the third switch S3 and the third diode D3, the fourth switch S4 and the fourth diode D4 may also be implemented as power MOSFET devices. have.

양방향 DC-DC 컨버터(100)(100)는 제2 노드(N2)와 접지 노드(GND) 사이에 연결되는 커패시터(130)를 포함한다. 예를 들면, 커패시터(130)는 DC 링크를 구성할 수 있다. 커패시터(130)는 제2 노드(N2)의 제2 전압(V2)을 안정화시킬 수 있다. 커패시터(130)는 제2 노드(N2)의 리플 전압이 제2 전압(V2) 레벨에 비해 작도록 충분히 큰 용량(커패시턴스)을 가질 수 있다.The bidirectional DC-DC converter 100 , 100 includes a capacitor 130 connected between the second node N2 and the ground node GND. For example, the capacitor 130 may constitute a DC link. The capacitor 130 may stabilize the second voltage V2 of the second node N2 . The capacitor 130 may have a sufficiently large capacitance (capacitance) such that the ripple voltage of the second node N2 is smaller than the level of the second voltage V2 .

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 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.2 shows a control timing diagram when the bidirectional DC-DC converter operates in a boost mode according to an embodiment of the present invention. 3 to 6 show a bidirectional DC-DC converter operating in a boost mode for each section.

도 2를 참조하면, 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 부스트 모드로 동작하는 경우, 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)들은 스위칭 주기(Ts) 마다 서로 교대(interleaved)로 스위칭된다. 상기 스위칭 주기(Ts)는 제1 구간(t0-t1), 제2 구간(t1-t2), 제3 구간(t2-t3) 및 제4 구간(t3-t4)을 1회 반복하는데 소요되는 시간이다. 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)들은 턴 오프 상태가 유지된다.Referring to FIG. 2 , when the bidirectional DC-DC converter 100 operates in the boost mode, the first switch S1 and the third switch S3 are alternately switched at each switching period Ts. . The switching period Ts is a time required to repeat the first period t0-t1, the second period t1-t2, the third period t2-t3, and the fourth period t3-t4 once. to be. The second switch S2 and the fourth switch S4 remain turned off.

한편, 제1 전류(I1)는 제1 노드(N1)에서 제3 노드(N3)로 제1 인덕터(L1)를 통해 흐르는 전류로 정의하고, 제2 전류(I2)는 제3 노드(N3)에서 제2 노드(N2)로 제2 인덕터(L2)를 통해 흐르는 전류로 정의한다. 제3 전류(I3)는 제1 노드(N1)에서 제4 노드(N4)로 제3 인덕터(L3)를 통해 흐르는 전류로 정의하고, 제4 전류(I4)는 제4 노드(N4)에서 제2 노드(N2)로 제4 인덕터(L4)를 통해 흐르는 전류로 정의한다.Meanwhile, the first current I1 is defined as a current flowing from the first node N1 to the third node N3 through the first inductor L1, and the second current I2 is the third node N3. It is defined as the current flowing through the second inductor L2 from the to the second node N2. The third current I3 is defined as a current flowing from the first node N1 to the fourth node N4 through the third inductor L3, and the fourth current I4 is the fourth current I4 from the fourth node N4. It is defined as the current flowing through the fourth inductor L4 to the second node N2.

스위칭 주기(Ts) 중 제1 구간(t0-t1) 동안, 제1 스위치(S1)는 턴 오프 상태이며 제3 스위치(S3)는 턴 온 상태를 유지한다. 제2 구간(t1-t2) 동안, 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)는 턴 온 상태가 된다. 제3 구간(t2-t3) 동안 제1 스위치(S1)는 턴 온 상태이고, 제2 스위치(S2)는 턴 오프 상태이다. 제4 구간(t3-t4) 동안 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)는 턴 온 상태이다.During the first period t0 - t1 of the switching period Ts, the first switch S1 is turned off and the third switch S3 remains turned on. During the second period t1-t2, the first switch S1 and the second switch S2 are turned on. During the third period t2-t3, the first switch S1 is turned on, and the second switch S2 is turned off. During the fourth period t3-t4, the first switch S1 and the third switch S3 are turned on.

제1 스위치(S1)가 턴 오프되는 제1 구간(t0-t1)과 제3 스위치(S3)가 턴 오프되는 제3 구간(t2-t3)은 서로 상응한 시간 간격을 가질 수 있다. 스위칭 주기(Ts) 중 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)가 턴 온되는 시간의 비율이 듀티비(D)이다. 스위칭 주기(Ts)에서 제1 스위치(S1)의 턴 오프 시간과 제3 스위치(S3)의 턴 오프 시간은 서로 상응할 수 있으며, 따라서, 제1 스위치(S1)와 제3 스위치(S3)의 듀티비(D)는 동일할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이로 한정되지 않으며, 제1 스위치(S1)의 듀티비(D)와 제3 스위치(S3)의 듀티비(D)는 서로 상이할 수도 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)들의 듀티비(D)는 서로 상응한 것으로 가정하여 설명한다.The first period t0-t1 in which the first switch S1 is turned off and the third period t2-t3 in which the third switch S3 is turned off may have a corresponding time interval. The ratio of the time during which the first switch S1 and the third switch S3 are turned on during the switching period Ts is the duty ratio D. In the switching period Ts, the turn-off time of the first switch S1 and the turn-off time of the third switch S3 may correspond to each other, and thus the first switch S1 and the turn-off time of the third switch S3 The duty ratio D may be the same. However, the present invention is not limited thereto, and the duty ratio D of the first switch S1 and the duty ratio D of the third switch S3 may be different from each other. Hereinafter, for convenience of description, it is assumed that the duty ratios D of the first switch S1 and the third switch S3 correspond to each other.

부스트 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 승압비에 따라 다르지만, 제1 스위치(S1)와 제3 스위치(S3)는 80% 미만의 듀티비(D)로 턴 온될 수 있다. 한편, 상술한 바와 같이, 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)의 권선비는 1:2로 가정하고, 제3 인덕터(L3) 및 제4 인덕터(L4)의 권선비는 1:2로 가정한다. 예컨대, 승압비가 4인 경우, 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)들은 대략 50%의 듀티비(D)로 턴 온될 수 있다. 승압비가 6인 경우, 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)는 대략 62.5%의 듀티비(D)로 턴 온될 수 있다. 승압비가 8인 경우, 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)는 대략 70%의 듀티비(D)로 턴 온될 수 있고, 나아가 승압비가 12인 경우, 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)들은 대략 79%의 듀티비(D)로 턴 온된다.Depending on the step-up ratio of the bidirectional DC-DC converter 100 operating in the boost mode, the first switch S1 and the third switch S3 may be turned on with a duty ratio D of less than 80%. Meanwhile, as described above, it is assumed that the turns ratio of the first inductor L1 and the second inductor L2 is 1:2, and the turns ratio of the third inductor L3 and the fourth inductor L4 is 1:2. Assume For example, when the step-up ratio is 4, the first switch S1 and the third switch S3 may be turned on with a duty ratio D of approximately 50%. When the step-up ratio is 6, the first switch S1 and the third switch S3 may be turned on with a duty ratio D of approximately 62.5%. When the step-up ratio is 8, the first switch S1 and the third switch S3 may be turned on with a duty ratio D of approximately 70%, and further, when the step-up ratio is 12, the first switch S1 and the second switch S3 3 switches S3 are turned on with a duty ratio D of approximately 79%.

따라서, 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 승압비가 4 이상 및 12 이하인 경우, 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)들은 50%이상 내지 80% 미만의 듀티비(D)로 턴 온 될 수 있다. 이 때, 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)들은 스위칭 주기(Ts)마다 서로 교대로 턴 오프될 수 있다. 예를 들면, 제1 스위치(S1)가 턴 오프 상태일 때, 제3 스위치(S3)는 턴 온 상태일 수 있고, 제3 스위치(S3)가 턴 오프 상태일 때, 제1 스위치(S1)는 턴 온 상태일 수 있다. 즉, 권선비에 따라 달라지지만, 권선비가 1:2인 경우에 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)가 모두 턴 오프되는 상태는 없을 수도 있다.Accordingly, when the step-up ratio of the bidirectional DC-DC converter 100 is 4 or more and 12 or less, the first switch S1 and the third switch S3 are turned on with a duty ratio D of 50% or more to less than 80%. can be In this case, the first switch S1 and the third switch S3 may be alternately turned off at each switching period Ts. For example, when the first switch S1 is turned off, the third switch S3 may be turned on, and when the third switch S3 is turned off, the first switch S1 may be turned on. That is, although it depends on the turns ratio, when the turns ratio is 1:2, there may not be a state in which both the first switch S1 and the third switch S3 are turned off.

커패시터(130)의 전압인 제2 전압(V2)은 스위칭 주기(Ts) 내에서 높아지거나 낮아질 수 있지만, 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 안정화된 후에 평균적으로 일정한 레벨을 갖는다. 따라서, 본 명세서에서 평균 전압은 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 안정된 후에 스위칭 주기(Ts) 동안의 평균 전압을 의미한다.The second voltage V2, which is the voltage of the capacitor 130, may be increased or decreased within the switching period Ts, but has a constant level on average after the bidirectional DC-DC converter 100 is stabilized. Therefore, in this specification, the average voltage means the average voltage during the switching period (Ts) after the bidirectional DC-DC converter 100 is stabilized.

이하에서는, 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 안정화된 후 제1 구간(t0-t1)에서 제4 구간(t3-t4)까지 진행되고 다시 제1 구간(t0-t1)이 반복하는 것으로 가정한다.Hereinafter, it is assumed that the bidirectional DC-DC converter 100 is stabilized and then proceeds from the first section t0-t1 to the fourth section t3-t4, and the first section t0-t1 repeats again. .

도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 구간(t0-t1)에서, 제1 스위치(S1)는 턴 오프 상태이고, 제3 스위치(S3)는 턴 온 상태이다.2 and 3 , in a first period t0 - t1 , the first switch S1 is turned off and the third switch S3 is turned on.

도 3에 도시된 바와 같이, 제1 인덕터(L1)를 통해 흐른 제1 전류(I1)는 제3 노드(N3)로 흐르고, 제2 인덕터(L2)를 통해 흐른 제2 전류(I2)는 제3 다이오드(D3)로 흐른다. 제3 인덕터(L3)를 통해 흐르는 제3 전류(I3)는 제3 스위치(S3)로 흐르고, 제4 인덕터(L4)에 흐르는 제4 전류(I4)는 제3 스위치(S3)의 턴 온으로 0이다.3 , the first current I1 flowing through the first inductor L1 flows to the third node N3, and the second current I2 flowing through the second inductor L2 is 3 flows through the diode D3. The third current I3 flowing through the third inductor L3 flows to the third switch S3, and the fourth current I4 flowing through the fourth inductor L4 is turned on when the third switch S3 is turned on. 0.

제1 구간(t0-t1)에서 제1 전류(I1) 및 제2 전류(I2)는, 접지 노드(GND) 및 제3 노드(N3) 사이에 흐르는 전류가 없는 바, 서로 동일한 크기 및 방향을 갖는다. 제1 전류(I1) 및 제2 전류(I2)는 제1 인덕터(L1), 제3 노드(N3), 제2 인덕터(L2), 제2 다이오드(D2), 커패시터(130), 배터리(21) 및 제1 노드(N1)를 경유하며 순환된다. 제1 인덕터(L1)는 저장된 에너지를 방출하고, 제2 인덕터(L2)는 제1 인덕터(L1)와의 자기적 결합에 따라 유기된 에너지를 방출한다. 커패시터(130)가 연결된 제2 노드 즉, 고전압단은 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)가 방출하는 에너지와 배터리(21)가 공급하는 에너지를 전달받는다.In the first period t0 - t1, the first current I1 and the second current I2 have the same magnitude and direction as there is no current flowing between the ground node GND and the third node N3. have The first current I1 and the second current I2 are the first inductor L1 , the third node N3 , the second inductor L2 , the second diode D2 , the capacitor 130 , and the battery 21 . ) and the first node N1. The first inductor L1 emits stored energy, and the second inductor L2 emits energy induced by magnetic coupling with the first inductor L1. The second node to which the capacitor 130 is connected, that is, the high voltage terminal, receives energy emitted by the first inductor L1 and the second inductor L2 and energy supplied by the battery 21 .

도 2의 제1 전류(I1) 및 제2 전류(I2)의 그래프에서 제1 구간(t0-t1)을 참조하면, 제1 스위치(S1)가 턴 오프되는 시점(t0)에 제1 전류(I1)는 급격히 감소하면서 제2 전류(I2)는 급격히 상승하고, 제1 인덕터(L1)에 저장된 에너지 일부가 자기적으로 결합된 제2 인덕터(L2)에 전달된다. 이 후, 제1 전류(I1)와 제2 전류(I2)는 동일해지며 동일한 기울기로 감소하고, 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)에 저장된 에너지가 방출된다.Referring to the first period t0 - t1 in the graph of the first current I1 and the second current I2 of FIG. 2 , the first current ( As I1) rapidly decreases, the second current I2 rapidly rises, and a portion of energy stored in the first inductor L1 is transferred to the magnetically coupled second inductor L2. Thereafter, the first current I1 and the second current I2 become equal and decrease with the same slope, and energy stored in the first inductor L1 and the second inductor L2 is released.

제1 구간(t0-t1)에서 제3 전류(I3)는 배터리(21), 제1 노드(N1), 제3 인덕터(L3), 제4 노드(N4), 제3 스위치(S3) 및 접지 노드(GND)를 경유하여 순환한다. 제3 인덕터(L3)는 제1 구간(t0-t1) 동안 배터리(21)로부터 공급받은 에너지를 저장한다. 한편, 제4 인덕터(L4)는 전류의 흐름이 없으므로 에너지가 저장되거나 방출되지 않는다.In the first period t0 - t1 , the third current I3 is the battery 21 , the first node N1 , the third inductor L3 , the fourth node N4 , the third switch S3 and the ground Cycles via node GND. The third inductor L3 stores energy supplied from the battery 21 during the first period t0 - t1. Meanwhile, energy is not stored or emitted in the fourth inductor L4 because there is no current flow.

도 2에 도시된 제3 전류(I3)의 그래프에서 제1 구간(t0-t1)을 참조하면, 제3 전류(I3)는 일정한 기울기로 증가하고, 제3 인덕터(L3)에 배터리(21)로부터 공급된 에너지가 저장된다. 한편, 후술할 바와 같이, 상기 일정한 기울기는 제2 구간(t1-t2) 및 제4 구간(t3-t4)에서의 제3 전류(I3)가 증가되는 기울기와 동일하다. Referring to the first section t0-t1 in the graph of the third current I3 shown in FIG. 2 , the third current I3 increases with a constant slope, and the third inductor L3 is connected to the battery 21 Energy supplied from Meanwhile, as will be described later, the constant slope is the same as the slope at which the third current I3 increases in the second period t1-t2 and the fourth period t3-t4.

도 2 및 도 4를 참조하면, 제1 시간(t1)에 제1 스위치(S1)는 턴 온되고, 제2 구간(t1-t2) 동안 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)는 턴 온상태를 유지한다.2 and 4 , the first switch S1 is turned on at a first time t1, and the first switch S1 and the third switch S3 are turned on during the second period t1-t2. Keep turn on.

도 4에 도시된 바와 같이, 제1 인덕터(L1)를 통해 흐른 제1 전류(I1)는 제1 스위치(S1)로 흐르고, 제3 인덕터(L3)를 통해 흐른 제3 전류(I3)는 제3 스위치(S3)로 흐른다. 제2 전류(I2) 및 제4 전류(I4)는 0이다.4, the first current I1 flowing through the first inductor L1 flows to the first switch S1, and the third current I3 flowing through the third inductor L3 is 3 flows to the switch S3. The second current I2 and the fourth current I4 are zero.

제2 구간(t1-t2)에서, 제1 전류(I1)는 배터리(21), 제2 노드(N2), 제1 인덕터(L1), 제3 노드(N3), 제1 스위치(S1) 및 접지 노드(GND)를 경유하며 순환된다. 제1 인덕터(L1)는 배터리(21)가 공급하는 에너지를 저장한다. 제2 인덕터(L2)는 전류의 흐름이 없으므로 에너지가 저장되거나, 방출되지 않는다.In the second period t1-t2, the first current I1 is generated by the battery 21, the second node N2, the first inductor L1, the third node N3, the first switch S1, and It is cycled through the ground node (GND). The first inductor L1 stores energy supplied by the battery 21 . Since the second inductor L2 does not flow current, energy is not stored or released.

도 2에 도시된 제1 전류(I1)의 그래프에서 제2 구간(t1-t2)을 참조하면, 제1 스위치(S1)가 턴 오프 되는 시점(t1)에서 제1 전류(I1)는 급격히 상승하고, 제2 전류(I2)는 급격히 0으로 감소되어, 제2 인덕터(L2)에 저장된 에너지가 자기적으로 결합된 제1 인덕터(L1)로 전달된다. 이 후, 제1 전류(I1)는 일정한 기울기로 증가하고, 제1 인덕터(L1)에 에너지가 저장된다. 후술 할 바와 같이, 제1 전류(I1)가 증가되는 상기 일정한 기울기는 제3 구간(t2-t3) 및 제4 구간(t3-t4)에서의 제1 전류(I1)가 증가되는 기울기와 동일하다.Referring to the second period t1-t2 in the graph of the first current I1 shown in FIG. 2 , the first current I1 rapidly rises at a time t1 when the first switch S1 is turned off. and the second current I2 is rapidly reduced to zero, and energy stored in the second inductor L2 is transferred to the magnetically coupled first inductor L1. After that, the first current I1 increases with a constant slope, and energy is stored in the first inductor L1. As will be described later, the constant slope at which the first current I1 increases is the same as the slope at which the first current I1 increases in the third period t2-t3 and the fourth period t3-t4. .

제3 전류(I3)는 배터리(21), 제1 노드(N2), 제3 인덕터(L3), 제3 스위치(S3) 및 접지 노드(GND)를 경유하며 순환된다. 제3 인덕터(L3)는 배터리(21)가 공급하는 에너지를 저장한다. 제4 인덕터(L4)는 전류의 흐름이 없으므로 에너지가 저장되거나 방출되지 않는다.The third current I3 is circulated through the battery 21 , the first node N2 , the third inductor L3 , the third switch S3 , and the ground node GND. The third inductor L3 stores energy supplied by the battery 21 . Since the fourth inductor L4 does not flow current, energy is not stored or released.

도 2에 도시된 제3 전류(I3)의 그래프에서 제2 구간(t1-t2)을 참조하면, 제2 구간(t1-t2) 동안, 제3 전류(I3)는 일정한 기울기로 증가하고, 제3 인덕터(L3)에 에너지가 저장된다.Referring to the second period t1-t2 in the graph of the third current I3 shown in FIG. 2 , during the second period t1-t2, the third current I3 increases with a constant slope, 3 Energy is stored in the inductor (L3).

도 2 및 도 5를 참조하면, 제2 시간에 제3 스위치(S3)는 턴 오프되고, 제3 구간(t2-t3) 동안 제1 스위치(S1)는 턴 온 상태이고, 제3 스위치(S3)는 턴 오프상태이다.2 and 5 , the third switch S3 is turned off at the second time, the first switch S1 is turned on during the third period t2-t3, and the third switch S3 ) is turned off.

제1 인덕터(L1)를 통해 흐른 제1 전류(I1)는 제1 스위치(S1)로 흐르고, 제2 전류(I2)는 0 이다. 제1 전류(I1)는 배터리(21), 제1 노드(N1), 제1 인덕터(L1), 제3 노드(N3), 제1 스위치(S1) 및 접지 노드(GND)를 경유하여 순환한다. 제1 인덕터(L1)는 제3 구간(t2-t3) 동안 배터리(21)가 공급하는 에너지를 저장한다. 제2 인덕터(L2)는 전류의 흐름이 없는바 에너지를 방출하거나 저장하지 않는다.The first current I1 flowing through the first inductor L1 flows to the first switch S1, and the second current I2 is 0. The first current I1 circulates through the battery 21 , the first node N1 , the first inductor L1 , the third node N3 , the first switch S1 , and the ground node GND . The first inductor L1 stores energy supplied by the battery 21 during the third period t2-t3. The second inductor L2 does not emit or store energy as there is no current flow.

도 2에 도시된 제1 전류(I1)의 그래프에서 제3 구간(t2-t3)을 참조하면, 제1 전류(I1)는 제2 구간(t1-t2)의 기울기와 동일한 기울기로 증가되고, 제1 인덕터(L1)에 에너지가 저장된다. Referring to the third section t2-t3 in the graph of the first current I1 shown in FIG. 2, the first current I1 increases with the same slope as the slope of the second section t1-t2, Energy is stored in the first inductor L1.

제3 인덕터(L3)를 통해 흐른 제3 전류(I3)는 제4 노드(N4)를 통해 제4 인덕터(L4)로 흐른다. 제4 인덕터(L4)는 제3 인덕터(L3)와의 자기적 결합에 의해 제4 전류(I4)가 유도되며, 유도된 제4 전류(I4)는 제4 다이오드(D4)로 흐른다. 제3 전류(I3)와 제4 전류(I4)는 제4 노드(N4) 및 접지 노드(GND) 사이에 유출 또는 유입되는 전류가 없는바 서로 동일하다.The third current I3 flowing through the third inductor L3 flows to the fourth inductor L4 through the fourth node N4. A fourth current I4 is induced in the fourth inductor L4 by magnetic coupling with the third inductor L3, and the induced fourth current I4 flows to the fourth diode D4. The third current I3 and the fourth current I4 are the same as there is no current flowing out or flowing between the fourth node N4 and the ground node GND.

제3 전류(I3) 및 제 4전류는 배터리(21), 제1 노드(N1), 제3 인덕터(L3), 제4 노드(N4), 제4 인덕터(L4), 제4 스위치(S4), 제2 노드(N2) 및 커패시터(130)를 경유하여 순환된다. 제3 인덕터(L3)는 저장된 에너지를 제3 구간(t2-t3) 동안 방출하고, 제4 인덕터(L4)는 제2 시점에 제3 인덕터(L3)와의 결합에 의해 유기된 에너지를 제3 구간(t2-t3) 동안 방출한다. 고전압단(N2)은 제3 인덕터(L3)와 제4 인덕터(L4)가 방출한 에너지 및 배터리(21)가 공급하는 에너지를 제공받는다.The third current I3 and the fourth current are the battery 21 , the first node N1 , the third inductor L3 , the fourth node N4 , the fourth inductor L4 , and the fourth switch S4 . , is cycled through the second node N2 and the capacitor 130 . The third inductor L3 emits the stored energy during the third period t2-t3, and the fourth inductor L4 releases the energy induced by the coupling with the third inductor L3 at the second time period in the third period. It is released during (t2-t3). The high voltage terminal N2 receives energy emitted by the third inductor L3 and the fourth inductor L4 and energy supplied by the battery 21 .

도 2에 도시된 제3 전류(I3) 및 제4 전류(I4)의 그래프에서 제3 구간(t2-t3)을 참조하면, 제3 스위치(S3)가 턴 오프되는 시점(t2)에 제3 전류(I3)는 급격히 감소하고 제4 전류(I4)는 급격히 상승하여, 제3 인덕터(L3)에 저장된 에너지 일부가 자기적으로 결합된 제4 인덕터(L4)에 전달된다. 이 후, 제3 전류(I3)와 제4 전류(I4)는 동일해지며 동일한 기울기로 감소하고, 제3 인덕터(L3) 및 제4 인덕터(L4)에 저장된 에너지가 방출된다.Referring to the third period t2-t3 in the graph of the third current I3 and the fourth current I4 shown in FIG. 2 , the third switch S3 is turned off at a time t2 . The current I3 sharply decreases and the fourth current I4 sharply rises, and some of the energy stored in the third inductor L3 is transferred to the magnetically coupled fourth inductor L4 . Thereafter, the third current I3 and the fourth current I4 become equal and decrease with the same slope, and energy stored in the third inductor L3 and the fourth inductor L4 is released.

도 2 및 도 6을 참조하면, 제3 시간에 제3 스위치(S3)는 턴 온되고, 제4 구간(t3-t4) 동안, 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)는 턴 온 상태를 유지한다.2 and 6 , the third switch S3 is turned on at the third time, and during the fourth period t3-t4, the first switch S1 and the third switch S3 are turned on. keep the status

제1 인덕터(L1)를 통해 흐른 제1 전류(I1)는 제1 스위치(S1)로 흐르고, 제3 인덕터(L3)를 통해 흐른 제3 전류(I3)는 제3 스위치(S3)로 흐른다. 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)가 턴 온 상태에서, 제2 전류(I2) 및 제4 전류(I4)는 0이다.The first current I1 flowing through the first inductor L1 flows to the first switch S1 , and the third current I3 flowing through the third inductor L3 flows to the third switch S3 . When the first switch S1 and the third switch S3 are turned on, the second current I2 and the fourth current I4 are zero.

제1 전류(I1)는 배터리(21), 제1 노드(N1), 제1 인덕터(L1), 제3 노드(N3), 제1 스위치(S1) 및 접지 노드(GND)를 경유하며 순환된다. 제1 인덕터(L1)는 배터리(21)가 공급하는 에너지를 제4 구간(t3-t4) 동안 저장한다. 제2 인덕터(L2)는 전류의 흐름이 없는바 에너지가 저장되거나 방출되지 않는다.The first current I1 is circulated through the battery 21 , the first node N1 , the first inductor L1 , the third node N3 , the first switch S1 , and the ground node GND . The first inductor L1 stores energy supplied by the battery 21 during the fourth period t3-t4. The second inductor L2 does not store or emit energy since there is no current flow.

도 2에 도시된 제1 전류(I1)의 그래프에서 제4 구간(t3-t4)을 참조하면, 제1 전류(I1)는 제3 구간(t2-t3)에서의 제1 전류(I1)가 증가되는 기울기와 동일한 기울기로 증가하고, 제1 인덕터(L1)에 에너지가 저장된다.Referring to the fourth period t3-t4 in the graph of the first current I1 shown in FIG. 2 , the first current I1 is the first current I1 in the third period t2-t3 It increases with the same slope as the increasing slope, and energy is stored in the first inductor L1.

제3 전류(I3)는 배터리(21), 제1 노드(N1), 제3 인덕터(L3), 제3 스위치(S3) 및 접지 노드(GND)를 경유하며 순환된다. 제3 인덕터(L3)는 제4 구간(t3-t4) 동안 배터리(21)가 공급하는 에너지를 저장한다. 제4 인덕터(L4)는 전류의 흐름이 없는바 에너지가 저장되거나 방출되지 않는다.The third current I3 is circulated through the battery 21 , the first node N1 , the third inductor L3 , the third switch S3 , and the ground node GND. The third inductor L3 stores energy supplied by the battery 21 during the fourth period t3-t4. The fourth inductor L4 does not store or emit energy as there is no current flow.

도 2에 도시된 제3 전류(I3)의 그래프에서 제4 구간(t3-t4)을 참조하면, 제3 스위치(S3)가 턴 오프 되는 시점(t3)에 제3 전류(I3)는 급격히 상승하고, 제4 전류(I4)는 0으로 급감하여, 제4 인덕터(L4)에 저장된 에너지가 자기적으로 결합된 제3 인덕터(L3)로 전달된다. 이 후, 제3 전류(I3)는 제2 구간(t1-t2)의 제3 전류(I3)가 증가되는 기울기와 동일한 기울기로 증가하고, 제3 인덕터(L3)에 에너지가 저장되며, 제4 인덕터(L4)에는 전류가 흐르지 않는다.Referring to the fourth section t3-t4 in the graph of the third current I3 shown in FIG. 2 , the third current I3 rapidly rises at a time t3 when the third switch S3 is turned off. and the fourth current I4 sharply decreases to 0, and the energy stored in the fourth inductor L4 is transferred to the magnetically coupled third inductor L3. Thereafter, the third current I3 increases with the same slope as the slope at which the third current I3 of the second period t1-t2 increases, energy is stored in the third inductor L3, and the fourth current I3 increases. No current flows in the inductor L4.

일 실시예에 따르면, 제1 인덕터(L1)는 제2 구간(t1-t2), 제3 구간(t2-t3), 제4 구간(t3-t4)에서 배터리(21)로부터 공급받은 에너지를 저장한다. 제1 인덕터(L1)는 제1 스위치(S1)가 턴 오프가 되는 시점(t0)에서 제2 구간(t1-t2) 내지 제4 구간(t3-t4) 동안 저장한 에너지 일부를 제1 구간(t0-t1) 동안 방출한다. 한편, 제2 인덕터(L2)는 제1 스위치(S1)가 턴 오프되는 시점(t0)에 제1 인덕터(L1)에 의해 유기된 에너지를 제1 구간(t0-t1) 동안 방출하고, 제1 시점(t1)을 제외한 제2 구간(t1-t2), 제3 구간(t2-t3) 및 제4 구간(t3-t4)에서는 에너지가 저장되거나 방출되지 않는다.According to an embodiment, the first inductor L1 stores the energy supplied from the battery 21 in the second section t1-t2, the third section t2-t3, and the fourth section t3-t4. do. The first inductor L1 stores a portion of the energy stored during the second period t1-t2 to the fourth period t3-t4 at the time t0 when the first switch S1 is turned off during the first period ( during t0-t1). Meanwhile, the second inductor L2 emits energy induced by the first inductor L1 during a first period t0-t1 at a time t0 when the first switch S1 is turned off, and Energy is not stored or released in the second period t1-t2, the third period t2-t3, and the fourth period t3-t4 except for the time point t1.

또한, 제3 인덕터(L3)는 제1 구간(t0-t1), 제2 구간(t1-t2) 및 제4 구간(t3-t4)에서 배터리(21)로부터 공급된 에너지를 저장한다. 제3 인덕터(L3)는 제2 시간에 제3 스위치(S3)가 턴 오프되면, 제1 구간(t0-t1), 제2 구간(t1-t2) 및 제4 구간(t3-t4) 동안 저장한 에너지 중 일부를 제3 구간(t2-t3) 동안 방출한다. 한편, 제4 인덕터(L4)는 제3 스위치(S3)가 턴 오프되는 시점(t2)에 제3 인덕터(L3)에 의해 유기된 에너지를 제3 구간(t2-t3) 동안 방출하고, 제1 구간(t0-t1), 제2 구간(t1-t2) 및 제3 시점(t3)을 제외한 제4 구간(t3-t4)에서는 에너지가 저장되거나 방출되지 않는다.Also, the third inductor L3 stores energy supplied from the battery 21 in the first period t0-t1 , the second period t1-t2 , and the fourth period t3-t4 . The third inductor L3 is stored during the first period t0-t1, the second period t1-t2, and the fourth period t3-t4 when the third switch S3 is turned off at the second time. Some of the one energy is emitted during the third period (t2-t3). Meanwhile, the fourth inductor L4 emits energy induced by the third inductor L3 during the third period t2-t3 at the time t2 when the third switch S3 is turned off, and the first Energy is not stored or released in the fourth period t3-t4 except for the period t0-t1, the second period t1-t2, and the third time point t3.

일 실시예에 따르면, 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 피크 전류를 절반으로 낮출 수 있다. 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 제1 탭 인덕터(121) 및 제2 탭 인덕터(123)에 저장된 에너지를 번갈아가며 커패시터(130)에 전달할 수 있다. 예를 들면, 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 제1 구간(t0-t1)에서 제1 탭 인덕터(121)에 저장된 에너지 및 배터리의 에너지를 상기 고전압단에 에너지를 전달한 후, 제3 구간(t2-t3)에서 제2 탭 인덕터(123)에 저장된 에너지 및 배터리의 에너지를 상기 고전압단에 전달할 수 있다. 즉, 스위칭 주기(Ts) 동안 하나의 탭 인덕터가 제공할 에너지를 두 개의 탭 인덕터가 나눠서 저장 및 방출한 바, 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 피크 전류를 절반으로 낮출 수 있다. 한편, 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 3개 이상의 탭 인덕터를 포함할 수 있으며, 이 경우, 상기 피크 전류의 크기를 더 낮출 수 있다.According to an embodiment, the bidirectional DC-DC converter 100 may cut the peak current by half. The bidirectional DC-DC converter 100 may alternately transfer energy stored in the first tap inductor 121 and the second tap inductor 123 to the capacitor 130 . For example, the bidirectional DC-DC converter 100 transfers the energy stored in the first tap inductor 121 and the energy of the battery to the high voltage terminal in the first period t0 - t1, and then transmits the energy to the high voltage terminal in the third period ( At t2-t3), the energy stored in the second tap inductor 123 and the energy of the battery may be transferred to the high voltage terminal. That is, since the two tap inductors divide and store and release energy to be provided by one tap inductor during the switching period Ts, the bidirectional DC-DC converter 100 can reduce the peak current by half. Meanwhile, the bidirectional DC-DC converter 100 may include three or more tap inductors, and in this case, the magnitude of the peak current may be further reduced.

양방향 DC-DC 컨버터(100)는 안정화된 상태에서 입력 전원을 공급받아 제1 구간(t0-t1) 내지 제4 구간(t3-t4)을 거쳐 미리 설정된 승압비를 갖는 직류 전원을 출력한다. 이 경우, 제1 전류(I1)와 제3 전류(I3)는 스위칭 주기(Ts)의 시작 시점과 종료 시점의 값은 동일하다.The bidirectional DC-DC converter 100 receives input power in a stabilized state and outputs DC power having a preset step-up ratio through the first period t0-t1 to the fourth period t3-t4. In this case, the first current I1 and the third current I3 have the same value at the start time and end time of the switching period Ts.

부스트 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 (1+N*D)/(1-D)의 승압비(V2/V1)를 갖는다. 상기 승압비(V2/V1)의 유도는 일반적으로 알려진 유도 회로 및 회로 해석으로부터 도출될 수 있는바 생략한다.The bidirectional DC-DC converter 100 operating in the boost mode has a step-up ratio (V2/V1) of (1+N*D)/(1-D). The derivation of the step-up ratio (V2/V1) is omitted since it can be derived from commonly known induction circuits and circuit analysis.

일 실시예에 따르면, 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 8배의 승압비(V2/V1)로 동작하기 위해, 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)들은 70%의 듀티비(D)(상술한 바와 같이 권선비를 1:2로 가정할 때)로 턴 온될 수 있다. 이 경우, 배터리(21)의 출력 전압인 제1 전압(V1)이 50V인 경우, 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 400V를 출력할 수 있고, 비절연 DC-DC 컨버터로 8배의 고 승압비를 가지더라도 80% 이내의 듀티비(D)로 안정적인 제어가 가능하고, 인터리브드 방식으로 피크 전류를 절반으로 낮출 수 있다.According to an embodiment, in order for the bidirectional DC-DC converter 100 to operate at an 8-fold step-up ratio (V2/V1), the first switch S1 and the third switch S3 have a 70% duty ratio ( D) (assuming a turns ratio of 1:2 as described above). In this case, when the first voltage V1, which is the output voltage of the battery 21, is 50V, the bidirectional DC-DC converter 100 can output 400V, and the non-isolated DC-DC converter is boosted by 8 times. Even with the ratio, stable control is possible with a duty ratio (D) within 80%, and the peak current can be reduced by half in the interleaved method.

또한, 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 제1 탭 인덕터(121)와 제2 탭 인덕터(123)의 권선비를 조정하여 듀티비(D) 및 피크 전류를 더 감소시킬 수 있다. 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 (1+N*D)/(1-D)의 승압비(V2/V1)를 가지므로, 상기 권선비를 증가(N의 증가)시켜 증가시켜 듀티비(D) 및 피크 전류를 감소시킬 수 있다. 예를 들면, N이 2인 경우, 승압비(V2/V1)가 6일 때 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S2)의 듀티비는 62,5%의 듀티비(D), 승압비(V2/V1)가 8일 때에 대략 79%의 듀티비(D)를 가지나, N이 4인 경우, 승압비(V2/V1)가 6일 때에 50%, 승압비(V2/V1)가 8일 때 대략 59%의 듀티비(D)를 갖는바, N이 높아질수록 동일한 승압비를 갖도록 하는 제1 스위치(s1)와 제3 스위치(S3)의 듀티비(D)는 감소된다.In addition, the bidirectional DC-DC converter 100 may further reduce the duty ratio D and the peak current by adjusting the turns ratio of the first tap inductor 121 and the second tap inductor 123 . Since the bidirectional DC-DC converter 100 has a step-up ratio (V2/V1) of (1+N*D)/(1-D), the duty ratio (D) is increased by increasing the turns ratio (increasing N). ) and peak current. For example, when N is 2, when the step-up ratio V2/V1 is 6, the duty ratio of the first switch S1 and the third switch S2 is a duty ratio D of 62.5%, and the step-up ratio D is 62.5%. When the ratio (V2/V1) is 8, it has a duty ratio D of about 79%, but when N is 4, when the step-up ratio (V2/V1) is 6, it is 50%, and the step-up ratio (V2/V1) is When the value is 8, the duty ratio D is approximately 59%. As N increases, the duty ratio D of the first switch s1 and the third switch S3 having the same step-up ratio decreases.

또한, 제1 탭 인덕터(121) 및 제2 탭 인덕터(123)의 권선비를 조절함으로 컨버터의 동작점에서 스위치의 듀티비(D)을 조절할 수 있어서, 스위치의 도통 손실과 다이오드의 역전압 회복 문제를 줄임으로 효율과 EMI(Elcctro-Magnetic Interference) 노이즈의 개선을 가져올 수 있다.In addition, by adjusting the turns ratio of the first tapped inductor 121 and the second tapped inductor 123, the duty ratio D of the switch can be adjusted at the operating point of the converter, so the conduction loss of the switch and the reverse voltage recovery problem of the diode By reducing , efficiency and EMI (Elcctro-Magnetic Interference) noise can be improved.

도 7은 도 1에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터가 벅 모드로 동작할 때의 제어 타이밍도를 도시한다. 도 8 내지 도 11은 벅 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터를 각 구간별로 도시한다.FIG. 7 shows a control timing diagram when the bidirectional DC-DC converter shown in FIG. 1 operates in a buck mode. 8 to 11 show a bidirectional DC-DC converter operating in a buck mode for each section.

도 1 및 도 7을 참조하면, 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)들은 스위칭 주기(Ts)마다 서로 교대로 스위칭 된다. 제1 스위치(S1) 및 제3 스위들은 스위칭 주기(Ts) 동안 턴 오프 상태가 유지된다. 1 and 7 , the second switch S2 and the fourth switch S4 are alternately switched with each other at every switching period Ts. The first switch S1 and the third switch remain turned off during the switching period Ts.

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)이 출력된다. 따라서, 제2 노드(N2) 및 접지 노드(GND) 사이에 제2 전압(V2)을 갖는 직류 전원(Vs)이 커패시터(130)와 병렬로 연결된다. 직류 전원(Vs)은 상용 전원이거나, 상용 전원을 정류한 전원이다. 제2 전압(V2)은 제1 전압(V1)의 레벨보다 높다.As described above, when the bidirectional DC-DC converter 100 operates in the buck mode, the second node N2 becomes an input node and the first node N1 becomes an output node. The bidirectional DC-DC converter 100 reduces the second voltage V2 of the second node N2 to output the first voltage V1 to the first node N1 . Accordingly, the DC power supply Vs having the second voltage V2 between the second node N2 and the ground node GND is connected in parallel with the capacitor 130 . The DC power (Vs) is a commercial power or a power obtained by rectifying the commercial power. The second voltage V2 is higher than the level of the first voltage V1 .

한편, 이하에서는, 제1 전류(I1)는 제3 노드(N3)에서 제1 노드(N1)로 제1 인덕터(L1)를 통해 흐르는 전류로 정의하고, 제2 전류(I2)는 제2 노드(N2)에서 제3 노드(N4)로 제2 인덕터(L2)를 통해 흐르는 전류로 정의한다. 제3 전류(I3)는 제4 노드(N4)에서 제1 노드(N1)로 제3 인덕터(L3)를 통해 흐르는 전류로 정의하고, 제4 전류(I4)는 제2 노드(N2)에서 제4 노드(N4)로 제4 인덕터(L4)를 통해 흐르는 전류로 정의한다.Meanwhile, hereinafter, the first current I1 is defined as a current flowing from the third node N3 to the first node N1 through the first inductor L1, and the second current I2 is the second node It is defined as a current flowing from (N2) to the third node (N4) through the second inductor (L2). The third current I3 is defined as a current flowing from the fourth node N4 to the first node N1 through the third inductor L3, and the fourth current I4 is defined as the current flowing from the second node N2 to the second node N2. It is defined as a current flowing through the fourth inductor L4 to the fourth node N4.

벅 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 직류 전원(Vs)의 에너지를 제1 노드(N1)에 연결된 배터리(21)에 공급할 수 있다. 즉, 벅 모드에서 배터리(21)는 직류 전원(Vs)의 에너지를 공급받아 충전이 될 수 있다.The bidirectional DC-DC converter 100 operating in the buck mode may supply energy of the DC power supply Vs to the battery 21 connected to the first node N1 . That is, in the buck mode, the battery 21 may be charged by receiving energy from the DC power supply Vs.

스위칭 주기(Ts) 중 제1 구간(t0-t1) 동안 제2 스위치(S2)는 턴 오프 상태이고, 제4 스위치(S4)는 턴 온 상태이다. 제1 시간(t1)에 제4 스위치(S4)는 턴 오프되며, 제2 구간(t1-t2) 동안 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)는 모두 턴 오프 상태가 된다. 제2 시간(t2)에 제2 스위치(S2)는 턴 온되고, 제 3 구간 동안 제2 스위치(S2)는 턴 온 상태이고, 제4 스위치(S4)는 턴 오프 상태이다. 제3 시간(t3)에 제2 스위치(S2)는 턴 오프되고, 제4 구간(t3-t4) 동안 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)는 모두 턴 오프상태가 된다.During the first period t0 - t1 of the switching period Ts, the second switch S2 is turned off, and the fourth switch S4 is turned on. At the first time t1, the fourth switch S4 is turned off, and during the second period t1-t2, both the second switch S2 and the fourth switch S4 are turned off. At the second time t2 , the second switch S2 is turned on, the second switch S2 is turned on during the third period, and the fourth switch S4 is turned off. At the third time t3, the second switch S2 is turned off, and during the fourth period t3-t4, both the second switch S2 and the fourth switch S4 are turned off.

제2 스위치(S2)가 턴 온되는 구간인 제3 구간(t2-t3)의 지속 시간과 제4 스위치(S4)가 턴 온되는 구간인 제1 구간(t0-t1)의 지속 시간은 서로 동일할 수 있다. 즉, 스위칭 주기(Ts) 중에서 제2 스위치(S2)가 턴 온되는 시간의 비율인 듀티비(D)는 제4 스위치(S4)의 듀티비(D)와 동일할 수 있다. 한편, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 제2 스위치(S2)의 듀티비(D)와 제4 스위치(S4)의 듀티비(D)는 서로 상이할 수도 있다. 본 발명의 용이한 이해를 위해, 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)들의 듀티비(D)는 서로 동일한 것으로 가정한다.The duration of the third period t2-t3, which is the period in which the second switch S2 is turned on, and the duration of the first period t0-t1, the period in which the fourth switch S4 is turned on, are the same as each other. can do. That is, the duty ratio D, which is the ratio of the time during which the second switch S2 is turned on during the switching period Ts, may be the same as the duty ratio D of the fourth switch S4. Meanwhile, the present invention is not limited thereto, and the duty ratio D of the second switch S2 and the duty ratio D 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 D of the second switch S2 and the fourth switch S4 are equal to each other.

벅 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 D/(D+N(1-D))의 감압비(V1/V2)를 갖는다. 상기 감압비(V1/V2)의 유도는 일반적으로 알려진 유도 회로 및 회로 해석으로부터 도출될 수 있는바 생략한다. 상술한 바와 같이 제1 인덕터 및 제2 인덕터의 권선비와 제3 인덕터와 제4 인덕터 간의 권선비가 1:2인 것으로 가정한다.The bidirectional DC-DC converter 100 operating in the buck mode has a step-down ratio (V1/V2) of D/(D+N(1-D)). The derivation of the reduced-pressure ratio (V1/V2) is omitted since it can be derived from a generally known induction circuit and circuit analysis. As described above, it is assumed that the turns ratio of the first and second inductors and the turns ratio between the third and fourth inductors are 1:2.

벅 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 감압비(V1/V2)에 따라 다르지만, 감압비가 1/4 내지 1/16인 경우, 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)는 10% 이상 50% 미만의 듀티비로 턴 온 될 수 있다. 예를 들면, 감압비가 1/4인 경우, 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)들은 40% 듀티비로 턴 온 될 수 있다. 감압비가 1/8인 경우, 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)들은 대락 22.2%의 듀티비(D)로 턴 온 될 수 있다. 감압비가 1/16인 경우, 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)들은 대략 11.8%의 듀티비(D)로 턴 온될 수 있다.Although it depends on the step-down ratio (V1/V2) of the bidirectional DC-DC converter 100 operating in the buck mode, when the step-down ratio is 1/4 to 1/16, the second switch S2 and the fourth switch S4 can be turned on with a duty ratio of 10% or more and less than 50%. For example, when the pressure reduction ratio is 1/4, the second switch S2 and the fourth switch S4 may be turned on at a duty ratio of 40%. When the pressure reduction ratio is 1/8, the second switch S2 and the fourth switch S4 may be turned on with a duty ratio D of approximately 22.2%. When the pressure reduction ratio is 1/16, the second switch S2 and the fourth switch S4 may be turned on with a duty ratio D of approximately 11.8%.

이 경우, 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)는 스위칭 주기(Ts)마다 서로 교대로 턴 온될 수 있다. 예를 들면, 제2 스위치(S2)가 턴 온 상태일 때, 제4 스위치(S4)는 턴 오프 상태일 수 있으며, 제4 스위치(S4)가 턴 온 상태일 때, 제2 스위치(S2)는 턴 오프 상태 일 수 있다. 즉, 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)들은 모두 턴 온되는 상태는 없을 수 있다. 이를 통해, 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 피크 전류를 절반으로 감소시킬 수 있고, 리플 발생을 최소화 할 수 있다.In this case, the second switch S2 and the fourth switch S4 may be alternately turned on at every switching period Ts. For example, when the second switch S2 is turned on, the fourth switch S4 may be turned off. When the fourth switch S4 is turned on, the second switch S2 is turned on. may be in a turned off state. That is, there may not be a state in which both the second switch S2 and the fourth switch S4 are turned on. Through this, the peak current of the bidirectional DC-DC converter 100 can be reduced by half, and ripple can be minimized.

예를 들면, 직류 전원(Vs)의 제2 전압(V2)이 400V인 경우, 제1 전압(V1)이 50V인 배터리를 충전하기 위해, 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 1/8의 감압비를 갖는다. 이 경우, 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)는 대략 22.2%의 듀티비로 턴 온되도록 제어되며, 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)가 교대로 턴 온되므로 피크 전류를 절반으로 줄일 수 있다.For example, when the second voltage V2 of the DC power source Vs is 400V, in order to charge the battery having the first voltage V1 of 50V, the bidirectional DC-DC converter 100 reduces the pressure by 1/8 have rain In this case, the second switch S2 and the fourth switch S4 are controlled to be turned on at a duty ratio of approximately 22.2%, and the second switch S2 and the fourth switch S4 are turned on alternately, so that the peak current can be reduced by half.

도 7 및 도 8을 참조하면, 제1 구간(t0-t1) 동안 제2 스위치(S2)는 턴 오프 상태이고 제4 스위치(S4)는 턴 온 상태를 유지한다.7 and 8 , during the first period t0 - t1 , the second switch S2 is turned off and the fourth switch S4 maintains the turned on state.

도 8에 도시된 바와 같이, 제1 인덕터(L1)를 통해 흐르는 제1 전류(I1)는 제1 노드(N1)를 지나 배터리(21)로 향한다. 제3 인덕터(L3)를 통해 흐르는 제3 전류(I3)도 제1 노드(N1)를 지나 배터리(21)로 향하고, 제4 인덕터(L4)를 통해 흐르는 제4 전류(I4)는 제4 노드(N4)를 지나 제3 인버터로 흐른다.As shown in FIG. 8 , the first current I1 flowing through the first inductor L1 passes through the first node N1 to the battery 21 . The third current I3 flowing through the third inductor L3 also goes to the battery 21 through the first node N1, and the fourth current I4 flowing through the fourth inductor L4 is the fourth node It flows through (N4) to the third inverter.

제1 전류(I1)는 제1 인덕터(L1), 제1 노드(N1), 배터리(21), 접지 노드(GND) 및 제1 다이오드(D1)를 경유하여 순환한다. 제1 인덕터(L1)는 저장된 에너지 일부를 방출한다. 한편, 제2 인덕터(L2)는 전류의 흐름이 없는바 에너지가 저장되거나 방출되지 않는다.The first current I1 circulates through the first inductor L1 , the first node N1 , the battery 21 , the ground node GND, and the first diode D1 . The first inductor L1 emits some of the stored energy. Meanwhile, the second inductor L2 does not store or emit energy as there is no current flow.

도 7에 도시된 제1 전류(I1)의 그래프에서 제1 구간(t0-t1)을 참조하면, 제1 전류(I1)는 일정한 기울기로 감소되고, 제1 인덕터(L1)에 저장된 에너지가 방출된다. 배터리(21)는 제1 인덕터가 방출된 에너지가 전달되어 충전된다.Referring to the first section t0 - t1 in the graph of the first current I1 shown in FIG. 7 , the first current I1 is reduced with a constant slope, and the energy stored in the first inductor L1 is released do. The battery 21 is charged by transferring the energy emitted by the first inductor.

제3 전류(I3) 및 제4 전류(I4)는, 접지 노드(GND) 및 제4 노드(N4) 사이에 흐르는 전류의 흐름이 없는바, 서로 동일하다. 제3 전류(I3) 및 제4 전류(I4)는 직류 전원(Vs), 제2 노드(N2), 제4 스위치(S4), 제4 인덕터(L4), 제3 노드(N3), 제3 인덕터(L3), 제1 노드(N1) 및 배터리(21)를 경유하여 순환한다. 제3 전류(I3) 및 제4 전류(I4)는 제3 인덕터(L3) 및 제4 인덕터(L4)에 에너지를 저장하면서, 배터리(21)를 충전시킨다. 즉, 직류 전원(Vs)이 공급한 에너지는 제1 구간(t0-t1) 동안 제3 인덕터(L3) 및 제4 인덕터(L4)에 저장되고 배터리(21)를 충전시킨다. The third current I3 and the fourth current I4 are the same as there is no current flowing between the ground node GND and the fourth node N4 . The third current I3 and the fourth current I4 are the DC power source Vs, the second node N2, the fourth switch S4, the fourth inductor L4, the third node N3, and the third It circulates via the inductor L3, the first node N1, and the battery 21. The third current I3 and the fourth current I4 charge the battery 21 while storing energy in the third inductor L3 and the fourth inductor L4 . That is, the energy supplied from the DC power supply Vs is stored in the third inductor L3 and the fourth inductor L4 during the first period t0 - t1 and charges the battery 21 .

도 7에 도시된 제3 전류(I3) 및 제4 전류(I4)의 그래프에서 제1 구간(t0-t1)을 참조하면, 제4 스위치(S4)가 턴 온되는 시점(t0)에 제3 전류(I3)는 급격히 감소하고 제4 전류(I4)는 급격히 상승하여, 제3 인덕터(L3)에 저장된 에너지 일부가 자기적으로 결합된 제4 인덕터(L4)에 전달된다. 이 후, 제3 전류(I3)와 제4 전류(I4)는 동일하며, 동일한 기울기로 증가하고, 제3 인덕터(L3) 및 제4 인덕터(L4)에 에너지가 저장된다.Referring to the first period t0 - t1 in the graph of the third current I3 and the fourth current I4 shown in FIG. 7 , the third The current I3 sharply decreases and the fourth current I4 sharply rises, and some of the energy stored in the third inductor L3 is transferred to the magnetically coupled fourth inductor L4 . Thereafter, the third current I3 and the fourth current I4 are the same and increase with the same slope, and energy is stored in the third inductor L3 and the fourth inductor L4 .

도 7 및 도 9를 참조하면, 제1 시간(t1)에 제4 스위치(S4)가 턴 오프되고, 제2 구간(t1-t2) 동안 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)는 턴 오프 상태가 된다.7 and 9 , the fourth switch S4 is turned off at a first time t1, and the second switch S2 and the fourth switch S4 are turned off during the second period t1-t2. is turned off.

도 9에 도시된 바와 같이, 제1 인덕터(L1)를 통해 흐른 제1 전류(I1)는 배터리(21)로 흐른다. 제3 인덕터(L3)를 통해 흐른 제3 전류(I3)도 배터리(21)로 흐른다.As shown in FIG. 9 , the first current I1 flowing through the first inductor L1 flows into the battery 21 . The third current I3 flowing through the third inductor L3 also flows to the battery 21 .

제1 전류(I1)는 제1 인덕터(L1), 제1 노드(N1), 배터리(21), 접지 노드(GND) 및 제1 다이오드(D1)를 경유하며 순환된다. 제1 인덕터(L1)는 저장된 에너지 일부를 제2 구간(t1-t2) 동안 방출한다. 제1 전류(I1)는 제1 인덕터(L1)가 방출하는 에너지를 배터리(21)로 전달하여 배터리(21)를 충전시킨다. 제2 인덕터(L2)는 전류의 흐름이 없는바 에너지가 저장되거나 방출되지 않는다.The first current I1 is circulated through the first inductor L1 , the first node N1 , the battery 21 , the ground node GND, and the first diode D1 . The first inductor L1 emits a portion of the stored energy during the second period t1-t2. The first current I1 transfers energy emitted by the first inductor L1 to the battery 21 to charge the battery 21 . The second inductor L2 does not store or emit energy since there is no current flow.

도 7에 도시된 제1 전류(I1)의 그래프에서 제2 구간(t1-t2)을 참조하면, 제1 전류(I1)는 제1 구간(t0-t1)에서 제1 전류(I1)가 감소된 기울기와 동일한 기울기로 감소되고, 제1 인덕터(L1)에 저장된 에너지가 방출된다.Referring to the second period t1-t2 in the graph of the first current I1 shown in FIG. 7 , the first current I1 decreases in the first period t0-t1 in the first current I1. is reduced to the same slope as the current slope, and energy stored in the first inductor L1 is released.

제3 전류(I3)는 제3 인덕터(L3), 제1 노드(N1), 배터리(21), 접지 노드(GND) 및 제3 다이오드(D3)를 경유하며 순환된다. 제3 인덕터(L3)는 저장한 에너지 일부를 제2 구간(t1-t2) 동안 방출한다. 배터리(21)는 제3 인덕터(L3)가 방출하는 에너지를 전달 받아 충전된다.The third current I3 is circulated through the third inductor L3 , the first node N1 , the battery 21 , the ground node GND, and the third diode D3 . The third inductor L3 emits a portion of the stored energy during the second period t1-t2. The battery 21 is charged by receiving the energy emitted by the third inductor L3.

도 7에 도시된 제3 전류(I3) 및 제4 전류(I4)의 그래프에서 제2 구간(t1-t2)을 참조하면, 제4 스위치(S4)가 턴 오프되는 시점(t1)에 제3 전류(I3)는 급격히 증가하고 제4 전류(I4)는 0으로 급격히 감소하며, 제4 인덕터(L4)에 저장된 에너지가 자기적으로 결합된 제3 인덕터(L3)로 전달된다. 이 후, 제3 전류(I3)는 점차 감소하고, 제3 인덕터(L3)에 저장된 에너지가 방출된다.Referring to the second period t1-t2 in the graph of the third current I3 and the fourth current I4 shown in FIG. 7 , the third current I3 and the fourth current I4 are displayed at a time t1 when the fourth switch S4 is turned off. The current I3 sharply increases and the fourth current I4 sharply decreases to 0, and the energy stored in the fourth inductor L4 is transferred to the magnetically coupled third inductor L3. After that, the third current I3 gradually decreases, and the energy stored in the third inductor L3 is released.

도 7 및 도 10을 참조하면, 제2 시간(t2)에 제2 스위치(S2)가 턴 온되고, 제3 구간(t2-t3) 동안 제2 스위치(S2)는 턴 온 상태가 유지되고, 제4 스위치(S4)는 턴 오프 상태가 유지된다.7 and 10 , the second switch S2 is turned on at the second time t2, and the second switch S2 remains turned on during the third period t2-t3, The fourth switch S4 remains turned off.

도 10에 도시된 바와 같이, 제1 인덕터(L1)를 통해 흐른 제1 전류(I1)는 배터리(21)로 흐르고, 제2 인덕터(L2)를 통해 흐른 제2 전류(I2)는 제2 노드(N2)를 통해 제1 인덕터(L1)로 흐른다.10, the first current I1 flowing through the first inductor L1 flows to the battery 21, and the second current I2 flowing through the second inductor L2 is the second node It flows through (N2) to the first inductor (L1).

제1 전류(I1) 및 제2 전류(I2)는, 제3 노드(N3) 및 접지 노드(GND) 사이에 흐르는 전류의 흐름이 없는바, 서로 동일하다. 제1 전류(I1) 및 제3 전류(I3)는 직류 전원(Vs), 제2 노드(N2), 제2 스위치(S2), 제2 인덕터(L2), 제3 노드(N3), 제1 인덕터(L1), 제1 노드(N1), 배터리(21), 접지 노드(GND)를 경유하여 순환한다. 제1 전류(I1) 및 제3 전류(I3)는 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)에 에너지를 저장하면서, 배터리(21)를 충전시킨다. 즉, 직류 전원(Vs)이 공급하는 에너지는 제3 구간(t2-t3) 동안 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)에 저장되고, 배터리(21)를 충전시킨다.The first current I1 and the second current I2 are equal to each other because there is no current flowing between the third node N3 and the ground node GND. The first current I1 and the third current I3 are the DC power supply Vs, the second node N2, the second switch S2, the second inductor L2, the third node N3, and the first It circulates via the inductor L1, the first node N1, the battery 21, and the ground node GND. The first current I1 and the third current I3 charge the battery 21 while storing energy in the first inductor L1 and the second inductor L2 . That is, the energy supplied by the DC power supply Vs is stored in the first inductor L1 and the second inductor L2 during the third period t2-t3 and charges the battery 21 .

도 7에 도시된 제1 전류(I1) 및 제2 전류(I2)의 그래프에서 제3 구간(t2-t3)을 참조하면, 제2 스위치(S2)가 턴 온되는 시점(t2)에 제1 전류(I1)는 급격히 감소하고, 제2 전류(I2)는 급격히 상승하여, 제1 인덕터(L1)에 저장된 에너지 일부가 자기적으로 결합된 제2 인덕터(L2)에 전달된다. 이후, 제1 전류(I1)와 제2 전류(I2)는 동일해지며, 동일한 기울기로 증가하고, 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)에 에너지가 저장된다.Referring to the third period t2-t3 in the graph of the first current I1 and the second current I2 shown in FIG. 7 , the first switch S2 is turned on at a time t2. The current I1 sharply decreases, and the second current I2 sharply rises, so that a portion of the energy stored in the first inductor L1 is transferred to the magnetically coupled second inductor L2. Thereafter, the first current I1 and the second current I2 become equal and increase with the same slope, and energy is stored in the first inductor L1 and the second inductor L2.

제3 전류(I3)는 제1 노드(N1), 배터리(21), 접지 노드(GND), 제3 다이오드(D3) 및 제4 노드(N4)를 경유하며 순환한다. 제3 인덕터(L3)는 저장된 에너지의 일부를 제3 구간(t2-t3) 동안 방출한다. 제3 전류(I3)는 제3 인덕터(L3)가 방출하는 에너지를 배터리(21)에 전달하여 배터리(21)를 충전시킨다. 즉, 한편, 제4 인덕터(L4)는 전류의 흐름이 없는바 에너지가 저장되거나 방출되지 않는다.The third current I3 circulates through the first node N1 , the battery 21 , the ground node GND, the third diode D3 , and the fourth node N4 . The third inductor L3 emits a portion of the stored energy during the third period t2-t3. The third current I3 transfers energy emitted by the third inductor L3 to the battery 21 to charge the battery 21 . That is, on the other hand, energy is not stored or emitted in the fourth inductor L4 as there is no current flow.

도 7에 도시된 제3 전류(I3)의 그래프에서 제3 구간(t2-t3)을 참조하면, 제3 전류(I3)는 제2 구간(t1-t2)의 제3 전류(I3)가 감소된 기울기와 동일한 기울기로 감소되고, 제3 인덕터(L3)는 에너지를 방출한다.Referring to the third period t2-t3 in the graph of the third current I3 shown in FIG. 7 , the third current I3 decreases in the third current I3 of the second period t1-t2. is reduced to the same slope as the current slope, and the third inductor L3 emits energy.

도 7 및 도 11을 참조하면, 제3 시간(t3)에 제2 스위치(S2)가 턴 오프되어, 제4 구간(t3-t4) 동안 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)는 턴 오프 상태가 유지된다.7 and 11 , the second switch S2 is turned off at the third time t3, and the second switch S2 and the fourth switch S4 are turned off during the fourth period t3-t4. The turned off state is maintained.

도 11에 도시된 바와 같이, 제1 인덕터(L1)를 통해 흐른 제1 전류(I1)는 배터리(21)로 흐르고, 제3 인덕터(L3)를 통해 흐른 제3 전류(I3)는 제1 노드(N1)를 통해 배터리(21)로 흐른다.11, the first current I1 flowing through the first inductor L1 flows to the battery 21, and the third current I3 flowing through the third inductor L3 is the first node It flows to the battery 21 through (N1).

제1 전류(I1)는 제1 인덕터(L1), 제1 노드(N1), 배터리(21), 접지 노드(GND) 및 제1 다이오드(D1)를 경유하여 순환된다. 제1 인덕터(L1)는 저장된 에너지 일부를 제4 구간(t3-t4) 동안 방출한다. 배터리(21)는 제1 인덕터(L1)가 방출하는 에너지를 전달받아 충전된다. 제2 인덕터(L2)는 전류의 흐름이 없는바 에너지가 저장되거나 방출되지 않는다.The first current I1 is circulated through the first inductor L1 , the first node N1 , the battery 21 , the ground node GND, and the first diode D1 . The first inductor L1 emits a portion of the stored energy during the fourth period t3-t4. The battery 21 is charged by receiving the energy emitted by the first inductor L1. The second inductor L2 does not store or emit energy since there is no current flow.

도 7에 도시된 제1 전류(I1) 및 제2 전류(I2)의 그래프에서 제4 구간(t3-t4)을 참조하면, 제 2 스위치가 턴 오프되는 시점(t3)에 제1 전류(I1)는 급격히 증가하고 제2 전류(I2)는 0으로 급격히 감소되어, 제2 인덕터(L2)에 저장된 에너지가 자기적으로 결합된 제1 인덕터(L1)로 전달된다. 이 후, 제1 전류(I1)는 점차 감소되고, 제1 인덕터(L1)에 저장된 에너지가 방출된다.Referring to the fourth period t3-t4 in the graph of the first current I1 and the second current I2 shown in FIG. 7 , the first current I1 at a time t3 when the second switch is turned off. ) sharply increases and the second current I2 sharply decreases to 0, and the energy stored in the second inductor L2 is transferred to the magnetically coupled first inductor L1. After that, the first current I1 is gradually decreased, and the energy stored in the first inductor L1 is released.

제3 전류(I3)는 제3 인덕터(L3), 제1 노드(N1), 배터리(21), 접지 노드(GND), 제3 다이오드(D3), 제4 노드(N4)를 경유하여 순환된다. 제3 인덕터(L3)는 저장된 에너지 일부를 제4 구간(t3-t4) 동안 방출한다. 배터리(21)는 제3 인덕터(L3)가 방출하는 에너지를 전달받아 충전된다. 제4 인덕터(L4)는 전류의 흐름이 없는바 에너지가 저장되거나 방출되지 않는다.The third current I3 is circulated through the third inductor L3, the first node N1, the battery 21, the ground node GND, the third diode D3, and the fourth node N4. . The third inductor L3 emits a portion of the stored energy during the fourth period t3-t4. The battery 21 is charged by receiving the energy emitted by the third inductor L3. The fourth inductor L4 does not store or emit energy as there is no current flow.

도 7에 도시된 제3 전류(I3)의 그래프에서 제4 구간(t3-t4)을 참조하면, 제3 전류(I3)는 제2 구간(t1-t2) 및 제3 구간(t2-t3)의 제3 전류(I3)가 감소된 기울기와 동일한 기울기로 감소되고, 제3 인덕터(L3)에 저장된 에너지가 방출된다.Referring to the fourth section t3-t4 in the graph of the third current I3 shown in FIG. 7 , the third current I3 includes the second section t1-t2 and the third section t2-t3. of the third current I3 is reduced to the same slope as the reduced slope, and energy stored in the third inductor L3 is released.

벅 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 안정화된 후라면, 제1 전류(I1) 및 제3 전류(I3)는 스위칭 주기(Ts)의 시작 시점과 종료 시점의 값이 동일하다. 제1 인덕터(L1)가 저장한 에너지를 방출하는 제1 구간(t0-t1), 제2 구간(t1-t2) 및 제4 구간(t3-t4) 동안, 제1 전류(I1)는 일정한 기울기로 감소하고, 제1 인덕터(L1)가 직류 전원(Vs)으로부터 에너지를 공급 받는 제3 구간(t2-t3) 동안 제1 전류(I1)는 일정한 기울기로 증가한다.After the bidirectional DC-DC converter 100 operating in the buck mode is stabilized, the first current I1 and the third current I3 have the same value at the start time and end time of the switching period Ts. During the first period t0-t1, the second period t1-t2, and the fourth period t3-t4 in which the energy stored by the first inductor L1 is emitted, the first current I1 has a constant slope , and the first current I1 increases with a constant slope during the third period t2-t3 in which the first inductor L1 receives energy from the DC power source Vs.

마찬가지로, 제3 인덕터(L3)가 저장한 에너지를 방출하는 제2 구간(t1-t2), 제3 구간(t2-t3) 및 제4 구간(t3-t4) 동안, 제3 전류(I3)는 일정한 기울기로 감소하고, 제3 인덕터(L3)가 직류 전원(Vs)으로부터 에너지를 공급 받는 제1 구간 동안 제3 전류(I3)는 일정한 기울기로 증가한다.Similarly, during the second period t1-t2, the third period t2-t3, and the fourth period t3-t4 in which the energy stored by the third inductor L3 is emitted, the third current I3 is It decreases with a constant slope, and during the first period in which the third inductor L3 receives energy from the DC power source Vs, the third current I3 increases with a constant slope.

도 12은 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템 및 주변 구성을 개략적으로 도시한다.12 schematically illustrates an energy storage system and peripheral configuration according to an embodiment.

도 12을 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. 12 , the energy storage system 1 according to the present embodiment supplies power to the load 4 in connection with the power generation system 2 and the grid system 3 . The energy storage system 1 includes a battery system 20 for storing power and a power conversion system (hereinafter referred to as 'PCS') 10 . The PCS 10 converts the power provided from the power generation system 2 , the grid 3 , and/or the battery system 20 into an appropriate form of power to the load 4 , the battery system 20 and/or the grid. (3) can be supplied.

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 power generation system 2 is a system that produces electric power from an energy source. The power generation system 2 may supply power generated by power generation to the energy storage system 1 . The power generation system 2 may include, for example, at least one of a solar power generation system, a wind power generation system, and a tidal power generation system. For example, the power generation system 2 may include all power generation systems that generate power using renewable energy such as solar heat or geothermal heat. The power generation system 2 may configure a large-capacity energy system by arranging a plurality of power generation modules capable of generating power in parallel.

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 grid 3 may include a power plant, a substation, a power transmission line, and the like. When the grid 3 is in a steady state, the grid 3 supplies power to the load 4 and/or the battery system 20 , or supplies power from the battery system 20 and/or the power generation system 2 . can receive When the grid 3 is in an abnormal state, power transmission between the grid 3 and the energy storage system 1 is stopped.

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 load 4 may consume power produced by the power generation system 2 , power stored in the battery system 20 , and/or power supplied from the grid 3 . Electrical devices of a home or factory in which the energy storage system 1 is installed may be an example of the load 4 .

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 energy storage system 1 may store the power generated by the power generation system 2 in the battery system 20 or may supply it to the system 3 . The energy storage system 1 may supply the electric power stored in the battery system 20 to the system 3 , or store the electric power supplied from the system 3 in the battery system 20 . In addition, the energy storage system 1 performs a UPS (Uninterruptible Power Supply) function when the system 3 is in an abnormal state, for example, when a power outage occurs, and the power produced by the power generation system 2 or the battery system 20 ) stored in the load (4) can be supplied.

도 13는 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.13 is a block diagram illustrating a schematic configuration of an energy storage system according to an embodiment.

도 13를 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. 13 , the energy storage system 1 may include a PCS 10 that converts power, a battery system 20 , a first switch 30 , and a second switch 40 . The battery system 20 may include a battery 21 and a battery manager 22 .

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 PCS 10 converts the power provided from the power generation system 2 , the grid 3 , and/or the battery system 20 into an appropriate form of power to the load 4 , the battery system 20 and/or the grid. (3) can be supplied. The PCS 10 may include a power converter 11 , a DC link 12 , a bidirectional inverter 13 , a bidirectional DC-DC converter 100 , and an integrated controller 15 .

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 power converter 11 may be a power converter connected between the power generation system 2 and the DC link 12 . The power converter 11 may convert the power generated by the power generation system 2 into a DC link voltage and transmit it to the DC link 12 . The power converter 11 may include, for example, a power conversion circuit such as a converter circuit, a rectifier circuit, and the like, depending on the type of the power generation system 2 . When the power generation system 2 generates DC power, the power converter 11 may include a DC-DC converter circuit for converting the DC power generated by the power generation system 2 into another DC power. When the power generation system 2 generates AC power, the power converter 11 may include a rectifying circuit for converting AC power generated by the power generation system 2 into DC power.

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 power generation system 2 is a photovoltaic power generation system, the power converter 11 tracks the maximum power point so as to obtain the maximum power generated by the power generation system 2 according to variations in insolation, temperature, etc. (Maximum Power Point) Tracking) may include an MPPT converter circuit that performs control. When there is no power generated by the power generation system 2 , the operation of the power converter 11 is stopped, so that the power consumed by the power converter 11 can be minimized or reduced.

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 커패시터를 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 power generation system 2 or grid 3, or a peak load generation in the load 4, the level of the DC link voltage may become unstable. However, the DC link voltage needs to be stabilized for normal operation of the bidirectional DC-DC converter 100 and the bidirectional inverter 13 . The DC link 12 may be connected between the power converter 11 , the bidirectional inverter 13 , and the bidirectional DC-DC converter 100 to keep the DC link voltage constant or substantially constant. DC link 12 may include, for example, a large capacitor. The DC link 12 may include a capacitor connected to the second node N2 of the bidirectional DC-DC converter 100 of FIG. 1 . According to another example, the DC link 12 may be connected between the second node N2 and the ground node GND of the bidirectional DC-DC converter 100 of FIG. 1 . The DC link voltage may be, for example, 400V.

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 bidirectional inverter 13 may be a power conversion device connected between the DC link 12 and the first switch 30 . The bidirectional inverter 13 may convert a DC link voltage provided from at least one of the power generation system 2 and the battery system 20 into an AC voltage of the grid 3 and output it. The bidirectional inverter 13 converts the AC voltage provided from the grid 3 into a DC link voltage and outputs it to the DC link 12 in order to store the power of the grid 3 in the battery system 20 in the charging mode. can

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 bidirectional inverter 13 may include a filter for removing harmonics from the AC voltage output to the grid 3 . In addition, the bidirectional inverter 13 is a phase locked loop (PLL) for synchronizing the phase of the AC voltage output from the bidirectional inverter 13 and the phase of the AC voltage of the grid 3 in order to suppress or limit the generation of reactive power. circuit may be included. Also, the bidirectional inverter 13 may perform functions such as limiting a voltage fluctuation range, improving a power factor, removing a DC component, protecting or reducing transient phenomena, and the like.

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-DC converter 100 may be coupled between the DC link 12 and the battery system 20 . The bidirectional DC-DC converter 100 may DC-DC convert power stored in the battery system 20 into a DC link voltage in a discharging mode and output it to the DC link 12 . In addition, the bidirectional DC-DC converter 100 DC-DC converts the DC link voltage of the DC link 12 to a DC voltage of an appropriate voltage level (eg, a charging voltage level required by the battery system 20) in the charging mode. and output to the battery system 20 . When charging or discharging of the battery system 20 is not performed, the operation of the bidirectional DC-DC converter 100 is stopped, so that power consumption may be minimized or reduced.

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 integrated controller 15 may monitor the status of the power generation system 2 , the grid 3 , the battery system 20 , and the load 4 . For example, the integrated controller 15 determines whether a power failure has occurred in the system 3, whether power is produced in the power generation system 2, the amount of power produced in the power generation system 2, the state of charge of the battery system 20, It is possible to monitor the power consumption, time, etc. of the load 4 .

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 integrated controller 15 includes the power converter 11, the bi-directional inverter 13, the bi-directional DC-DC converter 100, the battery system 20, the first switch 30, and the second according to the monitoring result and a predetermined algorithm. 2 It is possible to control the operation of the switch (40).

통합 제어기(15)는 도 1에 도시되는 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 제1 내지 제4 스위치들(S1-S4)을 제어할 수 있다. 예컨대, 통합 제어기(15)는 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 부스트 모드로 동작하도록, 제1 및 제3 스위치들(S1, S3)은 서로 교대로(interleaved) 턴 오프시키고, 제2 및 제4 스위치들(S2, S4)을 턴 오프시킬 수 있다. 통합 제어기(15)는 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 벅 모드로 동작하도록, 제2 및 제4 스위치들(S2, S4)은 서로 교대로(interleaved) 턴 온시키고, 제1 및 제3 스위치들(S1, S3))을 턴 오프시킬 수 있다.The integrated controller 15 may control the first to fourth switches S1 to S4 of the bidirectional DC-DC converter 100 illustrated in FIG. 1 . For example, the integrated controller 15 turns off the bidirectional DC-DC converter 100 so that the first and third switches S1 and S3 alternately turn off each other, and the second and second 4 switches S2 and S4 may be turned off. The integrated controller 15 turns on the bidirectional DC-DC converter 100 so that the bidirectional DC-DC converter 100 operates in a buck mode, the second and fourth switches S2 and S4 alternately turn on each other (interleaved), and the first and third switches (S1, S3) may be turned off.

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 outage occurs in the system 3 , the integrated controller 15 may control the power stored in the battery system 20 or the power generated in the power generation system 2 to be supplied to the load 4 . In addition, when sufficient power cannot be supplied to the load 4, the integrated controller 15 prioritizes the electrical devices of the load 4 and preferentially applies power to the high-priority electrical devices. It is also possible to control the load 4 to supply. Also, the integrated controller 15 may control charging and discharging of the battery system 20 .

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 first switch 30 and the second switch 40 are connected in series between the bidirectional inverter 13 and the grid 3, and perform short-circuit and open operations under the control of the integrated controller 15 to generate a power generation system ( Controls the flow of current between 2) and the grid (3). The short-circuit and open states of the first switch 30 and the second switch 40 may be determined according to the states of the power generation system 2 , the system 3 , and the battery system 20 . Specifically, when power from at least one of the power generation system 2 and the battery system 20 is supplied to the load 4 or power from the grid 3 is supplied to the battery system 20 , the first switch (30) becomes a short circuit state. When power from at least one of the power generation system 2 and the battery system 20 is supplied to the grid 3 or power from the grid 3 is supplied to at least one of the load 4 and the battery system 20 , the second switch 40 is in a short-circuited state.

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 system 3 , the second switch 40 is in an open state and the first switch 30 is in a short-circuited state. That is, while supplying power from at least one of the power generation system 2 and the battery system 20 to the load 4 , the power supplied to the load 4 is prevented from leaking to the system 3 . In this way, by operating the energy storage system 1 as a stand alone system, a worker who works on the power line of the system 3 or the like uses the power transmitted from the power generation system 2 or the battery system 20 . To prevent electric shock accidents.

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 battery system 20 may receive and store power from at least one of the power generation system 2 and the system 3 , and supply the stored power to at least one of the load 4 and the system 3 . The battery system 20 may be connected to the first node N1 of the bidirectional DC-DC converter 100 of FIG. 1 . The output voltage of the battery system 20 may be, for example, 50V.

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 battery system 20 may include a battery 21 including at least one battery cell to store power, and a battery manager 22 to control and protect the battery 21 . The battery manager 22 is connected to the battery 21 and may control the overall operation of the battery system 20 according to a control command from the integrated controller 15 or an internal algorithm. For example, the battery manager 22 may perform an overcharge protection function, an overdischarge protection function, an overcurrent protection function, an overvoltage protection function, an overheat protection function, a cell balancing function, and the like.

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 battery manager 22 may obtain the voltage, current, temperature, remaining power, lifespan, and state of charge (SOC) of the battery 21 . For example, the battery manager 22 may measure the cell voltage, current, and temperature of the battery 21 using sensors. The battery manager 22 may calculate the amount of power remaining, the lifespan, and the state of charge of the battery 21 based on the measured cell voltage, current, and temperature. The battery manager 22 may manage the battery 21 based on the measurement result and calculation result, and transmit the measurement result and calculation result to the integrated controller 15 . The battery manager 22 may control charging and discharging operations of the battery 21 according to a charging and discharging control command received from the integrated controller 15 .

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-DC converter 100 may convert a voltage between the battery system 20 having, for example, an output voltage of 50V and a DC link 12 having, for example, a DC link voltage of 400V. Although the step-up ratio of the bidirectional DC-DC converter 100 is approximately 8 times, according to embodiments of the present invention, control stability can be secured because a control signal having a duty ratio of 80% or less can be used, and the peak voltage By lowering , stable power conversion is possible. In addition, the bidirectional DC-DC converter 100 may operate in a voltage-down buck mode. Accordingly, since the output voltage of the battery system 20 can be lowered, when a small capacity is required, the battery 21 including a small number of battery cells can be used.

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, fall within the scope of the spirit of the present invention. will do it

10: 전력 변환 시스템
11: 전력 변환기
12: DC 링크
13: 양방향 인버터
15: 통합 제어기
20: 배터리 시스템
21: 배터리
22: 배터리 관리부
100: 양방향 DC-DC 컨버터
121: 제1 탭 인덕터
L1, L2: 제1 인덕터, 제2 인덕터
123: 제2 탭 인덕터
L3, L4: 제3 인덕터, 제4 인덕터
130: 커패시터
S1, S2, S3, S4: 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치, 제4 스위치
D1, D2, D3, D4: 제1 다이오드, 제2 다이오드, 제3 다이오드, 제4 다이오드
N1, N2, N3, N4: 제1 노드, 제2 노드, 제3 노드, 제4 노드
GND: 접지 노드
10: power conversion system
11: power converter
12: DC link
13: Bi-directional inverter
15: integrated controller
20: battery system
21: battery
22: battery management unit
100: bidirectional DC-DC converter
121: first tap inductor
L1, L2: first inductor, second inductor
123: second tap inductor
L3, L4: third inductor, fourth inductor
130: capacitor
S1, S2, S3, S4: first switch, second switch, third switch, fourth switch
D1, D2, D3, D4: first diode, second diode, third diode, fourth diode
N1, N2, N3, N4: first node, second node, third node, fourth node
GND: ground node

Claims (14)

제1 노드 내지 제4 노드들 및 접지 노드를 포함하는 양방향 DC-DC 컨버터로서,
상기 제1 노드와 상기 제3 노드 사이의 제1 인덕터와 상기 제3 노드와 상기 제2 노드 사이의 제2 인덕터를 포함하는 제1 탭 인덕터;
상기 제1 노드와 상기 제4 노드 사이의 제3 인덕터와 상기 제4 노드와 상기 제2 노드 사이의 제4 인덕터를 포함하는 제2 탭 인덕터;
상기 제3 노드와 접지 노드 사이에 병렬로 연결되는 제1 스위치 및 제1 다이오드;
상기 제2 인덕터와 제2 노드 사이에 병렬로 연결되는 제2 스위치 및 제2 다이오드;
상기 제4 노드와 접지 노드 사이에 병렬로 연결되는 제3 스위치 및 제3 다이오드;
상기 제4 인덕터와 제2 노드 사이에 병렬로 연결되는 제4 스위치 및 제4 다이오드; 및
상기 제2 노드와 접지 노드 사이에 연결되는 커패시터;를 포함하고,
상기 제3 노드와 상기 제2 노드 사이에 상기 제2 인덕터와 상기 제2 스위치가 직렬로 연결되고,
상기 제4 노드와 상기 제2 노드 사이에 상기 제4 인덕터와 상기 제4 스위치가 직렬로 연결되는 양방향 DC-DC 컨버터.
A bidirectional DC-DC converter comprising first to fourth nodes and a ground node, comprising:
a first tap inductor including a first inductor between the first node and the third node and a second inductor between the third node and the second node;
a second tap inductor including a third inductor between the first node and the fourth node and a fourth inductor between the fourth node and the second node;
a first switch and a first diode connected in parallel between the third node and a ground node;
a second switch and a second diode connected in parallel between the second inductor and a second node;
a third switch and a third diode connected in parallel between the fourth node and a ground node;
a fourth switch and a fourth diode connected in parallel between the fourth inductor and a second node; and
a capacitor connected between the second node and a ground node; and
The second inductor and the second switch are connected in series between the third node and the second node,
A bidirectional DC-DC converter in which the fourth inductor and the fourth switch are connected in series between the fourth node and the second node.
제1항에 있어서,
부스트 모드로 동작 시에, 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치들은 서로 교대로(interleaved) 동작하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치들은 턴 오프되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
According to claim 1,
When operating in the boost mode, the first switch and the third switches operate alternately (interleaved) with each other, and the second switch and the fourth switches are turned off.
제2항에 있어서,
상기 제3 스위치가 턴 오프 상태일 때, 상기 제1 스위치는 턴 온 상태이고,
상기 제1 스위치가 턴 오프 상태일 때, 상기 제3 스위치는 턴 온 상태인 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
3. The method of claim 2,
When the third switch is turned off, the first switch is turned on,
Bidirectional DC-DC converter, characterized in that when the first switch is turned off, the third switch is turned on.
제3항에 있어서,
상기 제1 탭 인덕터는 상기 제1 스위치가 턴 오프되면 저장된 에너지를 상기 제2 노드로 전달하고,
상기 제2 탭 인덕터는 상기 제3 스위치가 턴 오프되면 저장된 에너지를 상기 제2 노드로 전달하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
4. The method of claim 3,
The first tap inductor transfers the stored energy to the second node when the first switch is turned off,
wherein the second tap inductor transfers stored energy to the second node when the third switch is turned off.
제3항에 있어서,
상기 제1 스위치는, 상기 제3 스위치가 턴 온, 턴 오프, 턴 온 상태로 변하는 동안, 턴 온 상태를 유지한 후 턴 오프되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
4. The method of claim 3,
wherein the first switch is turned on, turned off, and turned off after maintaining the turn on state while the third switch changes to the turn on state, the turn off state, and the turn on state.
제2항에 있어서,
상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치들은 50% 이상 내지 80% 미만의 듀티비로 턴 온되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
3. The method of claim 2,
The bidirectional DC-DC converter, characterized in that the first switch and the third switches are turned on at a duty ratio of 50% or more to less than 80%.
제6항에 있어서,
상기 제1 노드의 제1 전압에 대한 상기 제2 노드의 제2 전압의 승압비가 6배 내지 12배 중 어느 하나의 승압비를 갖는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
7. The method of claim 6,
Bidirectional DC-DC converter, characterized in that the step-up ratio of the second voltage of the second node to the first voltage of the first node has any one of a step-up ratio of 6 to 12 times.
제1항에 있어서,
벅 모드로 동작 시에, 상기 제2 및 제4 스위치들은 서로 교대(interleaved)로 동작하고, 상기 제1 및 제3 스위치들은 턴 오프되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
According to claim 1,
When operating in the buck mode, the second and fourth switches operate alternately (interleaved) with each other, and the first and third switches are turned off.
제8항에 있어서,
상기 제4 스위치가 턴 온 상태 일 때, 상기 제2 스위치는 턴 오프 상태이고,
상기 제2 스위치가 턴 온 상태일 때, 상기 제4 스위치는 턴 오프 상태인 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
9. The method of claim 8,
When the fourth switch is turned on, the second switch is turned off,
Bidirectional DC-DC converter, characterized in that when the second switch is turned on, the fourth switch is turned off.
제9항에 있어서,
상기 제2 노드와 상기 접지 노드 사이에 직류 전원이 연결되고,
상기 제1 탭 인덕터는 상기 제2 스위치가 턴 온되면 상기 직류 전원으로부터 에너지를 공급받고,
상기 제2 탭 인덕터는 상기 제4 스위치가 턴 온되면 상기 직류 전원으로부터 에너지를 공급받는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
10. The method of claim 9,
DC power is connected between the second node and the ground node,
The first tap inductor receives energy from the DC power supply when the second switch is turned on,
The second tap inductor is a bidirectional DC-DC converter, characterized in that when the fourth switch is turned on, the energy is supplied from the DC power source.
제9항에 있어서,
상기 제2 스위치는, 상기 제4 스위치가 턴 오프, 턴 온, 턴 오프 상태로 변하는 동안에 턴 오프 상태가 유지되고, 턴 온 상태가 되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
10. The method of claim 9,
The second switch is turned off, the turn on, and the turn off state is maintained while the fourth switch changes to the turn off state, and is turned on.
제8항에 있어서,
상기 제2 및 제4 스위치들은 50% 미만의 듀티비로 턴 온되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
9. The method of claim 8,
wherein the second and fourth switches are turned on with a duty ratio of less than 50%.
제1항에 있어서,
상기 제1 탭 인덕터는 1:N의 권선비를 갖는 상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터를 포함하고,
상기 양방향 DC-DC 컨버터는 상기 권선비를 증가시켜 상기 양방향 DC-DC 컨버터 내의 피크 전류를 감소시키는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
According to claim 1,
The first tap inductor includes the first inductor and the second inductor having a turns ratio of 1:N,
The bidirectional DC-DC converter increases the turns ratio to decrease the peak current in the bidirectional DC-DC converter.
제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항의 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 상기 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 13;
a battery connected between a first node of the bidirectional DC-DC converter and a ground node;
a DC link comprising the 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.
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