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
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
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-
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
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-
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
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-
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-
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-
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-
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-
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-
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
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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-
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-
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-
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-
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
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-
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-
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-
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-
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-
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
발전 시스템(2)은 에너지원으로부터 전력을 생산하는 시스템이다. 발전 시스템(2)은 발전에 의해 생성된 전력을 에너지 저장 시스템(1)에 공급할 수 있다. 발전 시스템(2)은 예컨대 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 및 조력 발전 시스템 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, 발전 시스템(2)은 태양열이나 지열 등과 같은 신 재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 모든 발전 시스템들을 포함할 수 있다. 발전 시스템(2)은 전력을 생산할 수 있는 다수의 발전 모듈들을 병렬로 배열함으로써 대용량 에너지 시스템을 구성할 수 있다.The
계통(3)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 포함할 수 있다. 계통(3)이 정상 상태인 경우, 계통(3)은 부하(4) 및/또는 배터리 시스템(20)에 전력을 공급하거나, 배터리 시스템(20) 및/또는 발전 시스템(2)으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 계통(3)이 비정상 상태인 경우, 계통(3)과 에너지 저장 시스템(1) 간의 전력 전달은 중단된다.The
부하(4)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력, 배터리 시스템(20)에 저장된 전력, 및/또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 소비할 수 있다. 에너지 저장 시스템(1)이 설치된 가정이나 공장의 전기 장치들이 부하(4)의 일 예일 수 있다.The
에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2)에서 생산된 전력을 배터리 시스템(20)에 저장하거나, 계통(3)으로 공급할 수 있다. 에너지 저장 시스템(1)은 배터리 시스템(20)에 저장된 전력을 계통(3)으로 공급하거나, 계통(3)으로부터 공급된 전력을 배터리 시스템(20)에 저장할 수도 있다. 또한, 에너지 저장 시스템(1)은 계통(3)이 비정상 상태일 경우, 예컨대, 정전이 발생한 경우에 UPS(Uninterruptible Power Supply) 기능을 수행하여 발전 시스템(2)에서 생산된 전력이나 배터리 시스템(20)에 저장되어 있는 전력을 부하(4)에 공급할 수 있다.The
도 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
PCS(10)는 발전 시스템(2), 계통(3), 및/또는 배터리 시스템(20)으로부터 제공되는 전력을 적절한 형태의 전력으로 변환하여 부하(4), 배터리 시스템(20) 및/또는 계통(3)에 공급할 수 있다. PCS(10)는 전력 변환기(11), DC 링크(12), 양방향 인버터(13), 양방향 DC-DC 컨버터(100), 및 통합 제어기(15)를 포함할 수 있다.The
전력 변환기(11)는 발전 시스템(2)과 DC 링크(12) 사이에 연결되는 전력 변환 장치일 수 있다. 전력 변환기(11)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력을 직류 링크 전압으로 변환하여 DC 링크(12)로 전달할 수 있다. 전력 변환기(11)는 발전 시스템(2)의 종류에 따라서 예컨대 컨버터 회로, 정류 회로 등과 같은 전력 변환 회로를 포함할 수 있다. 발전 시스템(2)이 직류 전력을 생산하는 경우, 전력 변환기(11)는 발전 시스템(2)에서 생성된 직류 전력을 다른 직류 전력으로 변환하기 위한 DC-DC 컨버터 회로를 포함할 수 있다. 발전 시스템(2)이 교류 전력을 생산하는 경우, 전력 변환기(11)는 발전 시스템(2)에서 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 정류 회로를 포함할 수 있다.The
발전 시스템(2)이 태양광 발전 시스템인 경우, 전력 변환기(11)는 일사량, 온도 등의 변동에 따라서 발전 시스템(2)에서 생산하는 전력을 최대로 얻을 수 있도록 최대 전력 포인트 추적(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행하는 MPPT 컨버터 회로를 포함할 수 있다. 발전 시스템(2)에서 생산되는 전력이 없을 때에는 전력 변환기(11)의 동작이 중지되어 전력 변환기(11)에서 소비되는 전력이 최소화 또는 감소될 수 있다.When the
발전 시스템(2) 또는 계통(3)에서의 순시 전압 강하, 또는 부하(4)에서의 피크 부하 발생 등과 같은 문제로 인하여, 직류 링크 전압의 레벨이 불안정해질 수 있다. 그러나, 직류 링크 전압은 양방향 DC-DC 컨버터(100) 및 양방향 인버터(13)의 정상 동작을 위하여 안정화될 필요가 있다. DC 링크(12)는 전력 변환기(11), 양방향 인버터(13) 및 양방향 DC-DC 컨버터(100) 사이에 연결되어 직류 링크 전압을 일정하게 또는 실질적으로 일정하게 유지시킬 수 있다. DC 링크(12)는 예컨대 대용량 커패시터를 포함할 수 있다. DC 링크(12)는 도 1의 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 제2 노드(N2)에 연결되는 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
양방향 인버터(13)는 DC 링크(12)와 제1 스위치(30) 사이에 연결되는 전력 변환 장치일 수 있다. 양방향 인버터(13)는 발전 시스템(2) 및 배터리 시스템(20) 중 적어도 하나로부터 제공되는 직류 링크 전압을 계통(3)의 교류 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 양방향 인버터(13)는 충전 모드에서 계통(3)의 전력을 배터리 시스템(20)에 저장하기 위하여, 계통(3)으로부터 제공되는 교류 전압을 직류 링크 전압으로 변환하여 DC 링크(12)에 출력할 수 있다.The
양방향 인버터(13)는 계통(3)으로 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 또한, 양방향 인버터(13)는 무효 전력의 발생을 억제 또는 제한하기 위하여 양방향 인버터(13)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(3)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL) 회로를 포함할 수 있다. 또한, 양방향 인버터(13)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도 현상(transient phenomena) 보호 또는 감소 등과 같은 기능을 수행할 수 있다.The
양방향 DC-DC 컨버터(100)는 DC 링크(12)와 배터리 시스템(20) 사이에 연결될 수 있다. 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 방전 모드에서 배터리 시스템(20)에 저장된 전력을 직류 링크 전압으로 DC-DC 변환하여 DC 링크(12)로 출력할 수 있다. 또한, 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 충전 모드에서 DC 링크(12)의 직류 링크 전압을 적절한 전압 레벨(예컨대, 배터리 시스템(20)에서 요구하는 충전 전압 레벨)의 직류 전압으로 DC-DC 변환하여 배터리 시스템(20)으로 출력할 수 있다. 배터리 시스템(20)의 충전 또는 방전이 수행되지 않는 경우에는 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 동작이 중단됨으로써, 전력 소비가 최소화 또는 감소될 수도 있다.The bidirectional DC-
통합 제어기(15)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리 시스템(20), 및 부하(4)의 상태를 모니터링 할 수 있다. 예컨대, 통합 제어기(15)는 계통(3)에 정전이 발생하였는지 여부, 발전 시스템(2)에서 전력이 생산되는지 여부, 발전 시스템(2)에서 생산되는 전력량, 배터리 시스템(20)의 충전 상태, 부하(4)의 소비 전력량, 시간 등을 모니터링 할 수 있다.The
통합 제어기(15)는 모니터링 결과 및 미리 정해진 알고리즘에 따라서, 전력 변환기(11), 양방향 인버터(13), 양방향 DC-DC 컨버터(100), 배터리 시스템(20), 제1 스위치(30), 제2 스위치(40)의 동작을 제어할 수 있다. The
통합 제어기(15)는 도 1에 도시되는 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 제1 내지 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
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
제1 스위치(30) 및 제2 스위치(40)는 양방향 인버터(13)와 계통(3) 사이에 직렬로 연결되며, 통합 제어기(15)의 제어에 따라서 단락 및 개방 동작을 수행하여 발전 시스템(2)과 계통(3) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 발전 시스템(2), 계통(3), 및 배터리 시스템(20)의 상태에 따라서 제1 스위치(30)와 제2 스위치(40)의 단락 및 개방 상태가 결정될 수 있다. 구체적으로, 발전 시스템(2) 및 배터리 시스템(20) 중 적어도 하나로부터의 전력을 부하(4)에 공급하거나, 계통(3)으로부터의 전력을 배터리 시스템(20)에 공급하는 경우, 제1 스위치(30)는 단락 상태가 된다. 발전 시스템(2) 및 배터리 시스템(20) 중 적어도 하나로부터의 전력을 계통(3)에 공급하거나 계통(3)으로부터의 전력을 부하(4)와 배터리 시스템(20) 중 적어도 하나에 공급하는 경우에는, 제2 스위치(40)는 단락 상태가 된다.The
계통(3)에서 정전이 발생한 경우에는, 제2 스위치(40)는 개방 상태가 되고 제1 스위치(30)는 단락 상태가 된다. 즉, 발전 시스템(2)과 배터리 시스템(20) 중 적어도 하나로부터의 전력을 부하(4)에 공급하는 동시에, 부하(4)에 공급되는 전력이 계통(3)으로 누설되는 것을 방지한다. 이와 같이, 에너지 저장 시스템(1)을 단독 운전 시스템(stand alone system)으로 동작시킴으로써, 계통(3)의 전력선 등에서 작업하는 인부가 발전 시스템(2) 또는 배터리 시스템(20)으로부터 전달되는 전력에 의하여 감전되는 사고를 방지할 수 있게 한다.When a power outage occurs in the
배터리 시스템(20)은 발전 시스템(2)과 계통(3) 중 적어도 하나로부터 전력을 공급받아 저장하고, 저장하고 있는 전력을 부하(4)와 계통(3) 중 적어도 하나에 공급할 수 있다. 배터리 시스템(20)은 도 1의 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 제1 노드(N1)에 연결될 수 있다. 배터리 시스템(20)의 출력 전압은 예컨대 50V일 수 있다.The
배터리 시스템(20)은 전력을 저장하기 위해 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리(21), 및 배터리(21)를 제어 및 보호하는 배터리 관리부(22)를 포함할 수 있다. 배터리 관리부(22)는 배터리(21)와 연결되며, 통합 제어기(15)로부터의 제어 명령 또는 내부 알고리즘에 따라 배터리 시스템(20)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예컨대, 배터리 관리부(22)는 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다.The
배터리 관리부(22)는 배터리(21)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태(State of Charge, SOC) 등을 얻을 수 있다. 예컨대, 배터리 관리부(22)는 센서들을 이용하여 배터리(21)의 셀 전압, 전류 및 온도를 측정할 수 있다. 배터리 관리부(22)는 측정된 셀 전압, 전류 및 온도를 기초로 배터리(21)의 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등을 산출할 수 있다. 배터리 관리부(22)는 측정 결과 및 산출 결과 등을 기초로 배터리(21)를 관리할 수 있으며, 상기 측정 결과 및 산출 결과 등을 통합 제어기(15)에 전송할 수 있다. 배터리 관리부(22)는 통합 제어기(15)로부터 수신한 충전 및 방전 제어 명령에 따라 배터리(21)의 충전 및 방전 동작을 제어할 수 있다.The
양방향 DC-DC 컨버터(100)는 예컨대 50V의 출력 전압을 갖는 배터리 시스템(20)과 예컨대 400V의 직류 링크 전압을 갖는 DC 링크(12) 사이에서 전압을 변환할 수 있다. 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 승압비는 대략 8배이지만, 본 발명의 실시예들에 따르면 80% 이하의 듀티비를 갖는 제어 신호가 사용될 수 있기 때문에 제어 안정성이 확보될 수 있으며, 피크 전압을 낮춤에 따라 안정적인 전력 변환이 가능하다. 게다가, 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 전압을 내려주는 벅 모드로 동작할 수 있다. 따라서, 배터리 시스템(20)의 출력 전압을 낮출 수 있기 때문에, 적은 용량이 필요한 경우, 적은 개수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리(21)가 사용될 수 있다.The bidirectional DC-
본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.The spirit of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, and not only the claims described below, but also all scopes equivalent to or changed from these claims, 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 노드10: 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)
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.
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.
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.
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.
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.
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%.
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.
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.
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.
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.
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.
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%.
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.
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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