KR102358835B1

KR102358835B1 - High efficiency bidirectional Multilevel FC DC-DC Step-Up Converter and it's operating method

Info

Publication number: KR102358835B1
Application number: KR1020200055647A
Authority: KR
Inventors: 배윤호; 김광순; 신문수; 이은철
Original assignee: 주식회사 에코스
Priority date: 2020-05-11
Filing date: 2020-05-11
Publication date: 2022-02-07
Also published as: WO2021230427A1; KR20210137628A

Abstract

본 발명은 고효율 및 고변환비를 갖는 양방향 멀티레벨 FC(flying capacitor) 승압 DC-DC 컨버터 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 양방향 멀티레벨 FC(flying capacitor) 승압 DC-DC 컨버터는, 일 측이 입력 단자에 접속되고, 다른 측이 접지에 접속되는 입력부; 제1 단자가 상기 입력 단자에 접속되고, 제2 단자가 제1 노드에 접속되는 인덕터; 일 측이 제m 노드에 접속되고, 다른 측이 접지와 연결된 접지 노드에 접속되는 출력부; 상기 제1 노드와 상기 접지 노드 사이에 전력 공급 방향을 따라 직렬로 연결된 복수의 정방향 전력 스위치; 상기 제m 노드와 상기 제1 노드 사이에 전력 회생 방향을 따라 직렬로 연결된 복수의 역방향 전력 스위치; 상기 복수의 정방향 전력 스위치 중 서로 이웃하는 두 정방향 전력 스위치의 연결점에 일측이 접속되고, 상기 복수의 역방향 전력 스위치 중 서로 이웃하는 두 역방향 전력 스위치의 연결점에 다른측이 접속된 복수의 플라잉 커패시터; 상기 제1 노드와 상기 접지 노드 사이에 상기 복수의 정방향 전력 스위치에 대해 병렬로 연결된 정방향 패스 스위치; 및 상기 제m 노드와 상기 제1 노드 사이에 상기 복수의 역방향 전력 스위치에 대해 병렬로 연결된 역방향 패스 스위치를 포함할 수 있다.The present invention relates to a bidirectional multilevel flying capacitor (FC) step-up DC-DC converter having high efficiency and a high conversion ratio, and an operating method thereof.
A bidirectional multilevel flying capacitor (FC) step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention includes an input unit having one side connected to an input terminal and the other side connected to a ground; an inductor having a first terminal connected to the input terminal and a second terminal connected to a first node; an output unit having one side connected to the mth node and the other side connected to the ground node connected to the ground; a plurality of forward power switches connected in series along a power supply direction between the first node and the ground node; a plurality of reverse power switches connected in series along a power regeneration direction between the m-th node and the first node; a plurality of flying capacitors having one side connected to a connection point of two adjacent forward power switches among the plurality of forward power switches and the other side connected to a connection point of two neighboring reverse power switches among the plurality of reverse power switches; a forward pass switch connected in parallel to the plurality of forward power switches between the first node and the ground node; and a reverse pass switch connected in parallel to the plurality of reverse power switches between the mth node and the first node.

Description

High efficiency bidirectional multilevel FC DC-DC Step-Up Converter and it's operating method

본 발명은 고효율 및 고변환비를 갖는 양방향 멀티레벨 FC(flying capacitor) 승압 DC-DC 컨버터 및 그 동작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a bidirectional multilevel flying capacitor (FC) step-up DC-DC converter having high efficiency and a high conversion ratio, and an operating method thereof.

일반적으로, 승압 DC-DC 컨버터(Step-Up DC-DC converter)는 출력전압을 입력전압보다 높게 만드는 장치로서, 계통연계 태양광 전력변환 장치, 연료전지 시스템, 배터리 기반 전기 자동차 등의 응용 분야에 필수적으로 사용되는 전력변환 장치이다.In general, a step-up DC-DC converter is a device that makes the output voltage higher than the input voltage, and is widely used in grid-connected solar power conversion devices, fuel cell systems, and battery-based electric vehicles. It is an essential power conversion device.

이러한 응용에 있어서 전력용량이 증가함에 따라 승압 DC-DC 컨버터에 기본적으로 특히 요구되는 특성은 높은 효율(high efficiency)과 높은 전압 변환비(high voltage conversion ratio)이다. 그러면서 부피(volume)와 무게가 적게 나가고 소자의 개수가 가능한 적은 컨버터라면 더욱 바람직하다고 할 수 있다.In these applications, as the power capacity increases, the basic and particularly required characteristics of the step-up DC-DC converter are high efficiency and high voltage conversion ratio. At the same time, it can be said that a converter with a small volume and weight and as few elements as possible is more preferable.

기존의 부스트 DC-DC 컨버터(Boost DC-DC converter)는 높은 전압 변환비를 얻기 위하여 듀티비(duty ratio)를 1에 가깝게 동작시키는데 이 경우 큰 입력 전류로 인해 스위치 및 다이오드 전류 스트레스가 커져 도전 손실과 역방향 회복에 의한 손실이 증가하고 인덕터의 사이즈도 증가한다. 그 결과 효율이 감소하고 승압비도 약 3배 이내로 제한된다. Existing boost DC-DC converters operate with a duty ratio close to 1 to obtain a high voltage conversion ratio. The loss due to over-reverse recovery increases and the size of the inductor also increases. As a result, the efficiency is reduced and the step-up ratio is also limited to within about 3 times.

기존의 부스트 컨버터가 갖는 이러한 기술적인 단점을 극복하고자 새로운 고효율 고승압 DC-DC 컨버터의 회로 구성에 대한 수많은 연구가 이루어졌는데 최근 고효율 고승압 DC-DC 컨버터로 주목받는 토폴로지 가운데 하나가 도 1에 도시된 바와 같은 멀티레벨 플라잉 커패시터(FC:flying capacitor) 방식의 DC-DC 컨버터이다. 도 1은 5-레벨 FC 방식 DC-DC 컨버터를 나타낸 회로 구성도이다. 도 1에서,

는 직류 입력전원,

는 출력측 필터 커패시터,

는 부하저항을 나타낸다.In order to overcome these technical shortcomings of the conventional boost converter, numerous studies have been made on the circuit configuration of a new high-efficiency high-voltage DC-DC converter. It is a DC-DC converter of a multilevel flying capacitor (FC) method as described above. 1 is a circuit diagram illustrating a 5-level FC type DC-DC converter. 1,

is the DC input power,

is the output side filter capacitor,

is the load resistance.

도 1을 참조하면, FC 방식의 DC-DC 컨버터는

가 듀티비를 나타낼 때 수학식1과 같이 변환비(

)를 산출할 수 있다. Referring to FIG. 1 , the DC-DC converter of the FC method is

When is representing the duty ratio, as in Equation 1, the conversion ratio (

) can be calculated.

도 1에서, 입력전류

는 양(+)의 값을 가지며, 직류전원

에서 부하저항

쪽으로 전력이 전달된다.1, the input current

has a positive (+) value, and DC power

load resistance at

power is transmitted to

또한, 도 1의 회로는 양방향(bidirectional) 전력전달이 가능한 구성이다. 즉, 입력측과 출력측에 모두 직류전원을 연결하면 도 2에 도시된 것과 같이 인덕터 전류의 제어 방향에 따라 양방향 전력전달이 가능하다. 즉,

이면

방향으로,

이

방향으로 전력이 전달된다. 여기서

는 저압단(low voltage side),

는 고압단(high voltage side)이고, 저압단에서 고압단으로 전력이 전달되는 동작을 전력공급동작(powering operation), 고압단에서 저압단으로 전력이 전달되는 동작을 회생동작(regeneration operation)이라 한다. In addition, the circuit of FIG. 1 is a configuration capable of bidirectional power transmission. That is, when DC power is connected to both the input side and the output side, bidirectional power transmission is possible according to the control direction of the inductor current as shown in FIG. 2 . in other words,

back side

direction,

this

power is transmitted in the direction here

is the low voltage side,

is the high voltage side, and the operation in which power is transferred from the low voltage stage to the high voltage stage is called a powering operation, and the operation in which power is transferred from the high voltage stage to the low voltage stage is called the regeneration operation. .

도 2의 회로에서 컨버터가 정상으로 동작하기 위하여

가 되어야 하며, 정상상태에서 커패시터

,

는

,

의 전압으로 각각 충전조건을 유지하도록 동작시킨다는 점에 유의한다.In order for the converter to operate normally in the circuit of FIG.

should be, and in the steady state the capacitor

,

Is

,

Note that each is operated to maintain the charging condition with a voltage of .

도 1의 FC 방식 DC-DC 컨버터와 도 2의 양방향 5-레벨 FC DC-DC 컨버터를 n-레벨로 확장하는 경우에는

개의 전력반도체 스위치(

,

)와

개의 다이오드(

,

),

개의 플라잉 커패시터(

)가 사용된다. FC 방식의 DC-DC 컨버터에서 더 많은 수의 레벨을 사용하면 멀티레벨 컨버터의 특성상 스위치와 다이오드의 전압 스트레스가 작아지고, 인덕터 전류의 유효 스위칭 주파수가 증가하는 효과가 있어 인덕터의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다.In the case of extending the FC method DC-DC converter of FIG. 1 and the bidirectional 5-level FC DC-DC converter of FIG. 2 to n-level

power semiconductor switches (

,

)Wow

two diodes (

,

),

Flying capacitors (

) is used. If a larger number of levels is used in the FC-type DC-DC converter, the voltage stress of the switch and diode decreases due to the characteristics of the multi-level converter, and the effective switching frequency of the inductor current increases, which can reduce the size of the inductor. There are advantages.

도 3은 양방향 FC DC-DC 컨버터의 동작원리를 설명하기 위한 3-레벨 회로 구성도이다. 3 is a three-level circuit configuration diagram for explaining the operating principle of a bidirectional FC DC-DC converter.

도 3을 참조하면, 양방향 3-레벨 FC DC-DC 컨버터는 4개의 MOSFET 전력반도체 스위칭 소자(

,

)와 4개의 다이오드(

,

), 1개의 플라잉 커패시터(

), 1개의 인덕터(

)로 구성된다. Referring to FIG. 3, the bidirectional 3-level FC DC-DC converter has four MOSFET power semiconductor switching elements (

,

) and 4 diodes (

,

), 1 flying capacitor (

), 1 inductor (

) is composed of

도 3의 양방향 3-레벨 FC DC-DC 컨버터에서

는 저압단,

는 고압단이고, 정상상태로 동작할 때 커패시터

은

으로 충전되어 있다. 도 3에서 회로의 특성상 반드시 지켜져야 할 스위칭 규칙은 다음 수학식2와 같다.In the bidirectional 3-level FC DC-DC converter of Fig.

is the low pressure stage,

is the high-voltage terminal, and when operating in a steady state, the capacitor

silver

is filled with In FIG. 3 , a switching rule that must be observed due to the characteristics of the circuit is the following Equation (2).

수학식 2는 MOSFET

과

가 서로 상보적으로 스위칭하고, 마찬가지로

과

가 서로 상보적으로 스위칭 한다는 것을 나타낸다. 그러므로 4개의 MOSFET 가운데 독립적으로 스위칭 할 수 있는 MOSFET의 개수는 2개이다. 여기서는

,

의 스위칭 신호를 독립적인 2개의 스위칭 신호로 정한다.Equation 2 is MOSFET

class

switches complementary to each other, and likewise

class

indicates that they complement each other. Therefore, the number of MOSFETs that can be switched independently among the four MOSFETs is two. here

,

Set the switching signal of , as two independent switching signals.

도 4a 및 도 4b는 양방향 3-레벨 FC DC-DC 컨버터의 PWM 스위칭 방법을 나타낸 도면이다. 4A and 4B are diagrams illustrating a PWM switching method of a bidirectional 3-level FC DC-DC converter.

즉, 도 4a는 양방향 3-레벨 FC DC-DC 컨버터에서 듀티비 D가

인 경우에 모드의 변화를 나타내고, 도 4b는 양방향 3-레벨 FC DC-DC 컨버터에서 듀티비 D가

인 경우에 모드의 변화를 나타낸 것이다.That is, FIG. 4a shows that the duty ratio D in the bidirectional 3-level FC DC-DC converter is

shows a change in mode in the case of , and Fig. 4b shows that the duty ratio D in the bidirectional 3-level FC DC-DC converter

In the case of , the mode change is shown.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 양방향 3-레벨 FC DC-DC 컨버터는 두 스위치

과

의 PWM 게이팅 신호를 발생시키기 위하여 서로 위상이 180^o 차이가 나는 2개의 삼각파형 캐리어 신호(carrier signal)

,

와 1개의 듀티비 신호

를 사용한다. 4A and 4B , the bidirectional 3-level FC DC-DC converter has two switches

class

Two triangular waveform carrier signals out of phase by 180 ^o to generate a PWM gating signal of

,

and 1 duty ratio signal

use

스위치

의 게이팅 신호는 캐리어

과 듀티비

를 비교하여 발생시키는데

이면

,

이면

이 된다. 여기서

은

스위치를 턴온 시킨다는 의미이며

은

스위치를 턴 오프시킨다는 의미이다. switch

The gating signal of the carrier

and duty ratio

is generated by comparing

back side

,

back side

becomes this here

silver

means to turn on the switch

silver

It means turning the switch off.

마찬가지로,

의 게이팅 신호는 캐리어

와 듀티비

를 비교하여 얻는데

이면

,

이면

이 된다. Likewise,

The gating signal of the carrier

and duty

is obtained by comparing

back side

,

back side

becomes this

양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터에는 서로 독립적인 2개의 MOSFET

과

가 있는데, 이 두 스위치의 스위칭 상태에 따라 도 4에 나타낸 것처럼 4종류의 컨버터의 동작모드를 식별할 수 있다. The bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter has two MOSFETs independent of each other.

class

There is, as shown in FIG. 4, according to the switching state of these two switches, the operation modes of the four types of converters can be identified.

즉, 동작모드 M1은

온(on),

온(on)인 상태를 나타내고, 동작모드 M2는

오프(off),

온(on)인 상태를 나타내고, 동작모드 M3은

온(on),

오프(off)인 상태를 나타내며, 동작모드 M4는

오프(off),

오프(off)인 상태를 각각 나타낸다. That is, operation mode M1 is

on (on),

Indicates an on state, and the operation mode M2 is

off (off),

Indicates an on state, and the operation mode M3 is

on (on),

Indicates an off state, and operation mode M4 is

off (off),

Each indicates an off state.

2개의 캐리어 신호

,

는 서로 위상이 180^o 차이가 나는데 그로 인하여 듀티비

가 0.5보다 클 때와 작을 때 FC DC-DC 컨버터의 스위칭 시퀀스가 서로 다르게 된다.2 carrier signals

,

are 180 ^o out of phase with each other, so the duty ratio

When is greater than 0.5 and less than 0.5, the switching sequence of the FC DC-DC converter is different.

도 4a에서 듀티비

가

인 경우에는 모드의 변화가 M4→M2→M4→M3의 순서로 변경되며, 이 경우 모드 M4는 스위칭 주기의 반주기 마다 반복된다. In Fig. 4a, the duty ratio

go

In case of , the mode change is changed in the order of M4→M2→M4→M3, and in this case, mode M4 is repeated every half cycle of the switching cycle.

또한 듀티비

가 0.5보다 작은 경우 모드 M1은 존재하지 않으며, 특히

인 경우 스위칭 주기 가운데 두 스위치

과

이 턴오프 되는 모드 M4가 차지하는 비율이 50%를 넘는다는 사실에 유의한다. Also duty ratio

If is less than 0.5, mode M1 does not exist, especially

In the case of two switches in the middle of the switching period

class

Note the fact that the turn-off mode M4 accounts for more than 50%.

마찬가지로 도 4b에서 듀티비

가

인 경우에는 모드의 변화가 M1→M2→M1→M3의 순서로 변경되며, 모드 M1은 스위칭 주기의 반주기마다 반복된다. Similarly, in Fig. 4b, the duty ratio

go

In the case of , the mode change is changed in the order of M1→M2→M1→M3, and mode M1 is repeated every half cycle of the switching cycle.

듀티비

가 0.5보다 큰 경우 모드 M4는 존재하지 않으며, 특히

인 경우 스위칭 주기 가운데 모드 M1이 차지하는 비율이 50%를 넘는다는 사실에 유의한다. duty ratio

If is greater than 0.5, mode M4 does not exist, especially

Note that mode M1 accounts for more than 50% of the switching period in the case of .

듀티비가

일 때 모드 M4가 전체 스위치 주기의 50% 이상을 차지하고,

일 때 모드 M1이 전체 스위칭 주기의 50% 이상을 차지하는데, 이러한 경우 M1이나 M4를 지배적인 모드(dominant mode)라고 한다.duty ratio

When mode M4 occupies more than 50% of the total switch cycle,

When the mode M1 occupies 50% or more of the entire switching cycle, in this case, M1 or M4 is called a dominant mode.

도 5a 내지 도 5d는 양방향 3-레벨 FC DC-DC 컨버터에서 전력공급 동작의 경우 각 모드에 따른 전류의 경로를 나타낸 도면이다.5A to 5D are diagrams illustrating current paths according to each mode in the case of a power supply operation in a bidirectional 3-level FC DC-DC converter.

즉, 도 5a 내지 도 5d는 저압부(

)에서 고압부(

)로 전력이 전달되는 전력공급 동작의 경우, 즉

인 경우 각 동작모드에 따른 전류의 경로를 나타낸다. 도 5a는 모드 M1 동작을 나타내고, 도 5b는 모드 M2 동작을 나타내며, 도 5c는 모드 M3 동작을 나타내며, 도 5d는 모드 M4 동작을 나타낸다. 도 5a 내지 도 5d에서, MOSFET 스위치에 표시된 원은 MOSFET이 턴온 상태임을 나타내고, 굵은 적색으로 표시된 부분은 전류가 흐르는 도선을 나타낸다. That is, FIGS. 5A to 5D show the low-pressure part (

) in the high-pressure section (

), in the case of a power supply operation in which power is transmitted, i.e.

In case of , it represents the current path according to each operation mode. FIG. 5A shows mode M1 operation, FIG. 5B shows mode M2 operation, FIG. 5C shows mode M3 operation, and FIG. 5D shows mode M4 operation. 5A to 5D, a circle indicated on the MOSFET switch indicates that the MOSFET is turned on, and a portion indicated in bold red indicates a conducting wire through which current flows.

양방향 3-레벨 FC DC-DC 컨버터는 전력공급 동작의 경우 각 모드에 따라 도 5a 내지 도 5d와 같이 전류가 흐르고, 그에 따른 턴온 신호가 인가된 MOSFET 스위치 소자와 전류가 도통하는 소자는 표 1과 같다.In the case of the bidirectional 3-level FC DC-DC converter, in the case of power supply operation, current flows as shown in FIGS. 5A to 5D according to each mode. same.

양방향 3-레벨 FC DC-DC 컨버터가 전력공급 동작일 때 특징을 정리하면 다음과 같다. The characteristics of the bidirectional 3-level FC DC-DC converter during power supply operation are as follows.

①모든 모드에서 MOSFET

와

로 전류가 흐르지 않는다.① MOSFET in all modes

Wow

no current flows through

②모든 모드에서 다이오드

과

으로 전류가 흐르지 않는다.② Diode in all modes

class

no current flows through

③듀티비가 0.5보다 클 경우 M1, M2, M3의 모드만 존재한다. 이 경우

과

에 다른 소자에 비하여 상대적으로 오랫동안 전류가 흐르므로

과

의 전력소비가 가장 많다.③ When the duty ratio is greater than 0.5, only M1, M2, and M3 modes exist. in this case

class

Because current flows for a relatively long time compared to other devices,

class

has the highest power consumption.

④듀티비가 0.75보다 클 경우 모드 M1이 전체 스위칭 주기의 50%이상 차지하는 지배적인 모드가 된다. 지배적인 모드 M1 동안 직렬로 연결된

과

를 통하여 전류가 흐르고 다른 소자에 비하여

과

의 전력소비가 가장 많다.④ When the duty ratio is greater than 0.75, mode M1 becomes the dominant mode occupying more than 50% of the entire switching period. series connected during dominant mode M1

class

Current flows through

class

has the highest power consumption.

⑤듀티비가 0.5보다 작을 경우 M2, M3, M4의 모드만 존재한다. 이 경우

와

의 전력소비가 가장 많다.⑤ When the duty ratio is less than 0.5, only M2, M3, and M4 modes exist. in this case

Wow

Because current flows for a relatively long time compared to other devices,

Wow

has the highest power consumption.

⑥듀티비가 0.25보다 작을 경우 모드 M4가 전체 스위칭 주기의 50%이상 차지하는 지배적인 모드가 된다. 지배적인 모드 M4 동안 직렬로 연결된

와

를 통하여 전류가 흐르고 다른 소자에 비하여

와

의 전력소비가 가장 많다.⑥ When the duty ratio is less than 0.25, mode M4 becomes the dominant mode occupying more than 50% of the entire switching cycle. series connected during dominant mode M4

Wow

Current flows through

Wow

has the highest power consumption.

도 6a 내지 도 6d는 양방향 3-레벨 FC DC-DC 컨버터에서 전력회생 동작의 경우 각 모드에 따른 전류의 경로를 나타낸 도면이다.6A to 6D are diagrams illustrating current paths according to each mode in the case of a power regenerative operation in a bidirectional 3-level FC DC-DC converter.

즉, 도 6a 내지 도 6d는 고압부(

)에서 저압부(

)로 전력이 전달되는 회생동작의 경우, 즉

인 경우 각 동작모드에 따른 전류의 경로를 나타낸다.That is, FIGS. 6A to 6D show the high-pressure part (

) in the low pressure section (

) in the case of regenerative operation in which power is transmitted, that is,

In case of , it represents the current path according to each operation mode.

도 6a는 모드 M1 동작을 나타내고, 도 6b는 모드 M2 동작을 나타내며, 도 6c는 모드 M3 동작을 나타내며, 도 6d는 모드 M4 동작을 나타낸다. 도 6a 내지 도 6d에서, MOSFET 스위치에 표시된 원은 MOSFET이 턴온 상태임을 나타내고, 굵은 적색으로 표시된 부분은 전류가 흐르는 도선을 나타낸다. 6A shows mode M1 operation, FIG. 6B shows mode M2 operation, FIG. 6C shows mode M3 operation, and FIG. 6D shows mode M4 operation. 6A to 6D, a circle indicated on the MOSFET switch indicates that the MOSFET is turned on, and a portion indicated in bold red indicates a conductor through which current flows.

양방향 3-레벨 FC DC-DC 컨버터는 전력회생 동작의 경우 각 모드에 따라 도 6a 내지 도 6d와 같이 전류가 흐르고, 그에 따른 턴온 신호가 인가된 MOSFET 스위치 소자와 전류가 도통하는 소자는 표 2와 같다.In the case of the bidirectional 3-level FC DC-DC converter, in the case of power regenerative operation, a current flows as shown in FIGS. 6A to 6D according to each mode. same.

양방향 3-레벨 FC DC-DC 컨버터가 회생동작일 때 특징을 정리하면 다음과 같다.The characteristics of the bidirectional 3-level FC DC-DC converter in regenerative operation are as follows.

①모든 모드에서 MOSFET

와

으로 전류가 흐르지 않는다.① MOSFET in all modes

Wow

no current flows through

②모든 모드에서 다이오드

과

로 전류가 흐르지 않는다.② Diode in all modes

class

no current flows through

과

class

Because current flows for a relatively long time compared to other devices,

class

has the highest power consumption.

과

를 통하여 전류가 흐르고 다른 소자에 비하여

과

class

Current flows through

class

has the highest power consumption.

와

Wow

Because current flows for a relatively long time compared to other devices,

Wow

has the highest power consumption.

와

를 통하여 전류가 흐르고 다른 소자에 비하여

와

Wow

Current flows through

Wow

has the highest power consumption.

전술한 바와 같이, 플라잉 커패시터 방식의 DC-DC 컨버터에서, 고변환비를 얻을 목적으로 듀티비를 아주 크게 하거나 아주 작게 동작시킬 때 모드 M1이나 모드 M4와 같이 스위칭 주기 동안 가장 많은 시간을 차지하는 지배적인 모드가 발생하며 이러한 지배적인 모드 동작 시간 동안 직렬 연결된 MOSFET이나 직렬 연결된 다이오드의 도전 전력 손실이 다른 소자에 의한 전력손실보다 특히 많은 부분을 차지하는 문제점을 갖는다.As described above, in the flying capacitor type DC-DC converter, when the duty ratio is made very large or very small for the purpose of obtaining a high conversion ratio, it is the dominant mode that occupies the most time during the switching cycle like mode M1 or mode M4. mode occurs, and during this dominant mode operation time, the conductive power loss of the series-connected MOSFET or series-connected diode has a problem in that it occupies a particularly large portion of the power loss caused by other devices.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 고효율 및 고변환비를 갖는 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터 및 그 동작 방법을 제공함에 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide a bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter having high efficiency and a high conversion ratio and an operating method thereof.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 멀티레벨 FC(flying capacitor) 승압 DC-DC 컨버터는, 일 측이 입력 단자에 접속되고, 다른 측이 접지에 접속되는 입력부; 제1 단자가 상기 입력 단자에 접속되고, 제2 단자가 제1 노드에 접속되는 인덕터; 일 측이 제m 노드에 접속되고, 다른 측이 접지와 연결된 접지 노드에 접속되는 출력부; 상기 제1 노드와 상기 접지 노드 사이에 전력 공급 방향을 따라 직렬로 연결된 복수의 정방향 전력 스위치; 상기 제m 노드와 상기 제1 노드 사이에 전력 회생 방향을 따라 직렬로 연결된 복수의 역방향 전력 스위치; 상기 복수의 정방향 전력 스위치 중 서로 이웃하는 두 정방향 전력 스위치의 연결점에 일측이 접속되고, 상기 복수의 역방향 전력 스위치 중 서로 이웃하는 두 역방향 전력 스위치의 연결점에 다른 측이 접속된 복수의 플라잉 커패시터; 상기 제1 노드와 상기 접지 노드 사이에 상기 복수의 정방향 전력 스위치에 대해 병렬로 연결된 정방향 패스 스위치; 및 상기 제m 노드와 상기 제1 노드 사이에 상기 복수의 역방향 전력 스위치에 대해 병렬로 연결된 역방향 패스 스위치를 포함할 수 있다.A bidirectional multilevel flying capacitor (FC) step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes an input unit having one side connected to an input terminal and the other side connected to a ground; an inductor having a first terminal connected to the input terminal and a second terminal connected to a first node; an output unit having one side connected to the mth node and the other side connected to the ground node connected to the ground; a plurality of forward power switches connected in series along a power supply direction between the first node and the ground node; a plurality of reverse power switches connected in series along a power regeneration direction between the m-th node and the first node; a plurality of flying capacitors having one side connected to a connection point of two adjacent forward power switches among the plurality of forward power switches and the other side connected to a connection point of two neighboring reverse power switches among the plurality of reverse power switches; a forward pass switch connected in parallel to the plurality of forward power switches between the first node and the ground node; and a reverse pass switch connected in parallel to the plurality of reverse power switches between the mth node and the first node.

상기 정방향 패스 스위치는, 모든 상기 정방향 전력 스위치들의 게이팅 신호를 AND 연산하여 얻어진 게이팅 신호에 의해 동작할 수 있다.The forward pass switch may operate by a gating signal obtained by performing an AND operation on the gating signals of all the forward power switches.

상기 복수의 정방향 전력 스위치가 모두 턴온(turn on)될 때, 상기 정방향 패스 스위치가 턴온(turn on) 될 수 있다.When all of the plurality of forward power switches are turned on, the forward pass switch may be turned on.

상기 역방향 패스 스위치는, 모든 상기 복수의 역방향 전력 스위치들의 게이팅 신호를 AND 연산하여 얻어진 게이팅 신호에 의해 동작할 수 있다.The reverse pass switch may operate by a gating signal obtained by performing an AND operation on the gating signals of all of the plurality of reverse power switches.

상기 복수의 역방향 전력 스위치가 모두 턴온(turn on)될 때, 상기 역방향 패스 스위치가 턴온(turn on) 될 수 있다.When all of the plurality of reverse power switches are turned on, the reverse pass switch may be turned on.

상기 복수의 정방향 전력 스위치는, 각 정방향 전력 스위치마다 역방향 다이오드가 각각 병렬로 연결될 수 있다.In the plurality of forward power switches, a reverse diode may be connected in parallel for each forward power switch.

상기 복수의 역방향 전력 스위치는, 각 역방향 전력 스위치마다 정방향 다이오드가 각각 병렬로 연결될 수 있다.In the plurality of reverse power switches, a forward diode may be connected in parallel for each reverse power switch.

상기 정방향 패스 스위치는, 역방향 패스 다이오드가 병렬로 연결될 수 있다.In the forward pass switch, a reverse pass diode may be connected in parallel.

상기 역방향 패스 스위치는, 정방향 패스 다이오드가 병렬로 연결될 수 있다.In the reverse pass switch, a forward pass diode may be connected in parallel.

한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터 동작 방법은, (a) 입력부로부터 전력이 인덕터를 경유해 상기 복수의 정방향 전력 스위치로 공급되거나, 출력부로부터 전력이 상기 복수의 역방향 전력 스위치로 회생되는 단계; (b) 상기 복수의 정방향 전력 스위치 또는 상기 복수의 역방향 전력 스위치가 턴 온되는 단계; (c) 모든 상기 정방향 전력 스위치 또는 모든 상기 역방향 전력 스위치의 턴 온 상태에 따라 정방향 패스 스위치 또는 역방향 패스 스위치가 턴 온되는 단계; 및 (d) 상기 인덕터를 경유한 전류가 상기 정방향 패스 스위치와 상기 모든 정방향 전력 스위치로 분기되어 공급되거나, 상기 출력부로부터 전류가 상기 역방향 패스 스위치와 상기 모든 역방향 전력 스위치로 분기되어 회생되는 단계 를 포함할 수 있다.On the other hand, the bidirectional multi-level FC step-up DC-DC converter operating method according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, (a) power from an input unit is supplied to the plurality of forward power switches via an inductor, regenerating power from an output unit to the plurality of reverse power switches; (b) turning on the plurality of forward power switches or the plurality of reverse power switches; (c) turning on the forward pass switch or the reverse pass switch according to the turn-on state of all the forward power switches or all the reverse power switches; and (d) the current passing through the inductor is branched and supplied to the forward pass switch and all the forward power switches, or the current from the output unit is branched to the reverse pass switch and all the reverse power switches to be regenerated may include

상기 (c) 단계에서 상기 모든 정방향 전력 스위치가 모두 턴온(turn on)될 때, 상기 정방향 패스 스위치가 턴온(turn on)될 수 있다.When all of the forward power switches are turned on in step (c), the forward pass switch may be turned on.

상기 (c) 단계에서 상기 모든 역방향 전력 스위치가 모두 턴온(turn on)될 때, 상기 역방향 패스 스위치가 턴온(turn on)될 수 있다.When all of the reverse power switches are turned on in step (c), the reverse pass switch may be turned on.

본 발명에 따른 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터는 기존의 n-레벨 FC DC-DC 컨버터의 동작을 전혀 방해하거나 변경시키지 않고, 단 2개의 능동 스위치와 2개의 다이오드를 추가함으로써 기존의 n-레벨 FC DC-DC 컨버터의 장점을 모두 가지면서 동시에 고승압비 동작을 하면서도 기존의 n-레벨 FC DC-DC 컨버터보다 개선된 효율을 구현할 수 있다.The bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter according to the present invention does not interfere with or change the operation of the existing n-level FC DC-DC converter at all, and by adding only two active switches and two diodes, the existing n- It has all the advantages of a level FC DC-DC converter, while at the same time operating at a high step-up ratio, while achieving improved efficiency compared to the existing n-level FC DC-DC converter.

본 발명의 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터에 추가되는 스위치의 게이팅 신호는 기존의 스위치의 게이팅 신호를 모두 AND 연산함으로써 간단히 구현할 수 있으므로 추가적인 제어가 필요하지 않다.Since the gating signal of the switch added to the bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter of the present invention can be simply implemented by performing AND operation of all the gating signals of the existing switch, additional control is not required.

본 발명의 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터에 추가되는 정방향 패스 스위치와 역방향 패스 스위치의 전류정격은 기존의 n-레벨 FC DC-DC 컨버터의 스위치의 전류정격과 같다.The current rating of the forward pass switch and the reverse pass switch added to the bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter of the present invention is the same as that of the switch of the existing n-level FC DC-DC converter.

본 발명의 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터는 고효율이면서 동시에 고승압비를 구현하므로 더욱 많은 응용분야에 적용될 수 있다.The bidirectional multi-level FC step-up DC-DC converter of the present invention can be applied to more applications because it realizes high efficiency and a high step-up ratio at the same time.

본 발명의 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터는 신뢰성과 수명 향상을 기대할 수 있다.The bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter of the present invention can be expected to improve reliability and lifespan.

도 1은 5-레벨 FC 방식 DC-DC 컨버터를 나타낸 회로 구성도이다.
도 2는 기존의 양방향 5-레벨 FC DC-DC 컨버터를 나타낸 회로 구성도이다.
도 3은 기존의 양방향 3-레벨 FC DC-DC 컨버터의 회로 구성도이다.
도 4a 및 도 4b는 양방향 3-레벨 FC DC-DC 컨버터의 PWM 스위칭 방법을 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 양방향 3-레벨 FC DC-DC 컨버터에서 전력공급 동작의 경우 각 모드에 따른 전류의 경로를 나타낸 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 양방향 3-레벨 FC DC-DC 컨버터에서 전력회생 동작의 경우 각 모드에 따른 전류의 경로를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터에서 m=3인 경우 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터를 나타낸 회로 구성도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 3-레벨 플라잉 커패시터 방식 DC-DC 컨버터의 PWM 게이팅 신호를 발생하는 블록도이다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 전력공급 동작에서 전류의 경로를 나타낸 도면이다.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 전력회생 동작에서 전류의 경로를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 도전 손실 계산을 위한 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 3-레벨 플라잉 캐패시터 방식 DC-DC 컨버터 시뮬레이션을 위한 회로를 나타낸 것이다.
도 13은 기존의 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 동작 파형을 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 동작 파형을 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 5-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 m-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터 동작 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.1 is a circuit diagram illustrating a 5-level FC type DC-DC converter.
2 is a circuit diagram illustrating a conventional bidirectional 5-level FC DC-DC converter.
3 is a circuit diagram of a conventional bidirectional 3-level FC DC-DC converter.
4A and 4B are diagrams illustrating a PWM switching method of a bidirectional 3-level FC DC-DC converter.
5A to 5D are diagrams illustrating current paths according to each mode in the case of a power supply operation in a bidirectional 3-level FC DC-DC converter.
6A to 6D are diagrams illustrating current paths according to each mode in the case of a power regenerative operation in a bidirectional 3-level FC DC-DC converter.
7 is a circuit configuration diagram illustrating a bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter when m=3 in the bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
8 is a block diagram of generating a PWM gating signal of a 3-level flying capacitor type DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
9A to 9D are diagrams illustrating current paths in a power supply operation of a bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
10A to 10D are diagrams illustrating current paths in a power regenerative operation of a bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
11 is a diagram illustrating an equivalent circuit for calculating a conduction loss of a bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
12 shows a circuit for simulating a bidirectional 3-level flying capacitor type DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
13 is a diagram illustrating an operation waveform of a conventional 3-level FC step-up DC-DC converter.
14 is a diagram illustrating an operation waveform of a bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
15 is a diagram illustrating a circuit configuration of a bidirectional 5-level FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
16 is a diagram illustrating a circuit configuration of a bidirectional m-level FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
17 is a flowchart illustrating an operation method of a bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Accordingly, in some embodiments, well-known process steps, well-known device structures, and well-known techniques have not been specifically described in order to avoid obscuring the present invention. Like reference numerals refer to like elements throughout.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In order to clearly express various layers and regions in the drawings, the thicknesses are enlarged. Throughout the specification, like reference numerals are assigned to similar parts. When a part, such as a layer, film, region, plate, etc., is “on” another part, it includes not only cases where it is “directly on” another part, but also cases where there is another part in between. Conversely, when we say that a part is "just above" another part, we mean that there is no other part in the middle. Also, when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be "under" another part, it includes not only the case where it is "directly under" another part, but also the case where there is another part in the middle. Conversely, when a part is said to be "just below" another part, it means that there is no other part in the middle.

상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.Relative terms "below", "beneath", "lower", "above", "upper", etc., as shown in the drawings, refer to one element or It can be used to easily describe the correlation between components and other devices or components. The spatially relative terms should be understood as terms including different orientations of the device during use or operation in addition to the orientation shown in the drawings. For example, when an element shown in the figures is turned over, an element described as "beneath" or "beneath" another element may be placed "above" the other element. Accordingly, the exemplary term “below” may include both directions below and above. The device may also be oriented in other orientations, and thus spatially relative terms may be interpreted according to orientation.

본 명세서에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 그에 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, when a part is said to be connected to another part, this includes not only a case in which it is directly connected, but also a case in which it is electrically connected with another element interposed therebetween. In addition, when it is said that a part includes a certain component, this means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

본 명세서에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 벗어나지 않고, 제 1 구성 요소가 제 2 또는 제 3 구성 요소 등으로 명명될 수 있으며, 유사하게 제 2 또는 제 3 구성 요소도 교호적으로 명명될 수 있다.In this specification, terms such as first, second, third, etc. may be used to describe various components, but these components are not limited by the terms. The above terms are used for the purpose of distinguishing one component from other components. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second or third component, and similarly, the second or third component may also be alternately named.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used with the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not to be interpreted ideally or excessively unless clearly defined in particular.

본 개시에 있어서 일 실시 예는 본 개시의 다양한 실시 형태, 관점 또는 측면 중 하나를 포함하는 의미로 사용될 수 있다. 이하의 설명은 본 개시에 대한 이해를 돕기 위한 예시적인 것이며, 본 개시가 이하에 설명된 실시 예로만 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부 도면은 설명의 편의를 위해 구성의 일부 또는 전부를 확대, 과장하거나, 간략히 도시 또는 생략한 것일 수 있다.In the present disclosure, an embodiment may be used in a sense including one of various embodiments, aspects, or aspects of the present disclosure. The following description is illustrative for helping understanding of the present disclosure, and the present disclosure is not limited only to the embodiments described below. In addition, the accompanying drawings may enlarge, exaggerate, briefly show or omit some or all of the configuration for convenience of description.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터에서 m=3 인 경우 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터를 나타낸 회로 구성도이다.7 is a circuit diagram illustrating a bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter when m=3 in the bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터에서, m=3 인 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(70)는, 입력부(Vs), 인덕터(Ls), 복수의 정방향 전력 스위치(S_1n, S_2n), 정방향 패스 스위치(S_pass(n)), 복수의 역방향 전력 스위치(S_1p, S_2p), 역방향 패스 스위치(S_pass(p)), 플라잉 커패시터(C₁), 출력부(Vo)를 포함한다.Referring to FIG. 7 , in the bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter according to the embodiment of the present invention, the bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter 70 with m=3 includes an input unit Vs, an inductor ( Ls), multiple forward power switches (S _1n , S _2n ), forward pass switch (S _pass(n) ), multiple reverse power switches (S _1p , S _2p ), reverse pass switch (S _pass(p) ) , a flying capacitor C ₁ , and an output unit Vo.

입력부(Vs)는 일측이 접지(GND)에 연결되고, 다른 측이 인덕터(Ls)에 연결된다.One side of the input unit Vs is connected to the ground GND, and the other side is connected to the inductor Ls.

인덕터(Ls)는 제1 단자가 입력부(Vs)에 접속되고, 제2 단자가 제1 노드(P)에 접속된다.The inductor Ls has a first terminal connected to the input unit Vs and a second terminal connected to the first node P.

출력부(Vo)는 일측이 제m 노드(Q)에 접속되고, 다른 측이 접지(GND)와 연결된 접지 노드(N)에 접속된다.One side of the output unit Vo is connected to the m-th node Q, and the other side is connected to the ground node N connected to the ground GND.

복수의 정방향 전력 스위치(S_1n, S_2n)는 제1 노드(P)와 접지 노드(N) 사이에 전력 공급 방향을 따라 직렬로 연결된다. 이때, 복수의 정방향 전력 스위치(S_1n, S_2n)는 각 정방향 전력 스위치(S_1n, S_2n)마다 역방향 다이오드(D_1n, D_2n)가 각각 병렬로 연결될 수 있다.A plurality of forward power switches (S _1n , S _2n ) are connected in series between the first node (P) and the ground node (N) along the power supply direction. At this time, the plurality of forward power switches (S _1n , S _2n ) may have reverse diodes ( D _1n , D _2n ) connected in parallel for each forward power switch ( S _1n , S _2n ), respectively.

복수의 역방향 전력 스위치(S_1p, S_2p)는 제m 노드(Q)와 제1 노드(P) 사이에 전력 회생 방향을 따라 직렬로 연결된다. 이때, 복수의 역방향 전력 스위치(S_1p, S_2p)는 각 역방향 전력 스위치(S_1p, S_2p)마다 정방향 다이오드(D_1p, D_2p)가 각각 병렬로 연결될 수 있다.A plurality of reverse power switches (S _1p , S _2p ) are connected in series between the m-th node (Q) and the first node (P) along the power regeneration direction. In this case, the plurality of reverse power switches (S _1p , S _2p ) may have forward diodes (D _1p , D _2p ) connected in parallel for each reverse power switch (S _1p , S _2p ), respectively.

플라잉 커패시터(C₁)는 복수의 역방향 전력 스위치(S_1p, S_2p) 중 서로 이웃하는 두 역방향 전력 스위치의 연결점(o)에 일측이 접속되고, 복수의 정방향 전력 스위치(S_1n, S_2n) 중 서로 이웃하는 두 정방향 전력 스위치의 연결점(o')에 다른 측이 접속된다.Flying capacitor (C ₁ ) of the plurality of reverse power switches (S _1p , S _2p ) One side is connected to the connection point (o) of two neighboring reverse power switches, the plurality of forward power switches (S _1n , S _2n ) The other side is connected to the connection point (o') of two forward power switches adjacent to each other.

정방향 패스 스위치(S_pass(n))는 제1 노드(P)와 접지의 노드(N) 사이에 복수의 정방향 전력 스위치(S_1n, S_2n)에 대해 병렬로 연결된다. 이때, 정방향 패스 스위치(S_pass(n))에는 역방향 패스 다이오드(D_pass(n))가 병렬로 연결될 수 있다.The forward pass switch S _pass(n) is connected in parallel to a plurality of forward power switches S _1n and S _2n between the first node P and the ground node N. In this case, a reverse pass diode D _pass(n) may be connected in parallel to the forward pass switch S _pass(n) .

또한, 정방향 패스 스위치(S_pass(n))는, 모든 정방향 전력 스위치(S_1n, S_2n)의 게이팅 신호를 AND 연산하여 얻어진 게이팅 신호에 의해 동작할 수 있다. 따라서, 복수의 정방향 전력 스위치(S_1n, S_2n)가 모두 턴온(turn on)될 때, 정방향 패스 스위치(S_pass(n))는 턴온(turn on) 될 수 있다.In addition, the forward pass switch (S _pass(n) ) may operate by a gating signal obtained by performing an AND operation on the gating signals of all the forward power switches (S _1n , S _2n ). Accordingly, when all of the plurality of forward power switches S _1n and S _2n are turned on, the forward pass switch S _pass(n) may be turned on.

역방향 패스 스위치(S_pass(p))는 제m 노드(Q)와 제1 노드(P) 사이에 복수의 정방향 전력 스위치(S_1p, S_2p)에 대해 병렬로 연결된다. 이때, 역방향 패스 스위치(S_pass(p))에는 정방향 패스 다이오드(D_pass(p))가 병렬로 연결될 수 있다. The reverse pass switch (S _pass(p) ) is connected in parallel to a plurality of forward power switches (S _1p , S _2p ) between the m-th node (Q) and the first node (P). In this case, the forward pass diode D _pass(p) may be connected in parallel to the reverse pass switch S _pass(p) .

또한, 역방향 패스 스위치(S_pass(p))는 모든 역방향 전력 스위치(S_1p, S_2p)의 게이팅 신호를 AND 연산하여 얻어진 게이팅 신호에 의해 동작할 수 있다. 따라서, 복수의 역방향 전력 스위치(S_1p, S_2p)가 모두 턴온(turn on)될 때, 역방향 패스 스위치(S_pass(p))는 턴온(turn on) 될 수 있다.In addition, the reverse pass switch (S _pass(p) ) may operate by a gating signal obtained by performing an AND operation on the gating signals of all the reverse power switches (S _1p , S _2p ). Accordingly, when all of the plurality of reverse power switches S _1p and S _2p are turned on, the reverse pass switch S _pass(p) may be turned on.

도 7은 본 발명에서 제안하는 고효율 고변환비를 갖는 플라잉 커패시터 방식 DC-DC 컨버터로서 3-레벨인 경우의 예시를 나타낸 것이다. 본 발명에서 제안된 고효율 고변환비 DC-DC 컨버터는 기존의 FC DC-DC 컨버터에 단 2개의 능동 스위치(여기서는 MOSFET

,

)와 단 2개의 다이오드(여기서는

,

)만을 추가함으로써 구현하는 특징이 있다. 7 is a flying capacitor type DC-DC converter having a high efficiency and high conversion ratio proposed by the present invention, showing an example in the case of 3-level. The high-efficiency, high-conversion ratio DC-DC converter proposed in the present invention has only two active switches (here, MOSFETs) in the existing FC DC-DC converter.

,

) and only two diodes (here

,

) is implemented by adding only

도 7에서, MOSFET

은 전력공급 동작을 하는 경우(즉

인 경우), 모드 M1 동안

과

을 통하여 전류가 흐를 때 제1 노드인 P점으로부터 접지의 노드인 N점으로 통하는 추가적인 도전 경로를 제공하는 역할을 한다. 7, MOSFET

In case of power supply operation (i.e.

), while in mode M1

class

When a current flows through , it serves to provide an additional conductive path from the first node, point P, to the ground node, point N.

또한, MOSFET

는 회생동작을 하는 경우(즉

인 경우), 모드 M4 동안

와

를 통하여 전류가 흐를 때 제m 노드인 Q점으로부터 제1 노드인 P점으로 통하는 추가적인 도전 경로를 제공하는 역할을 한다.Also, MOSFET

In case of regenerative operation (i.e.,

), while in mode M4

Wow

When a current flows through , it serves to provide an additional conductive path from the m-th node, the point Q, to the first node, the point P.

또한, 정방향 패스 다이오드

는 전력공급 동작을 하는 경우(즉

인 경우), 모드 M4 동안

와

를 통하여 전류가 흐를 때 P점으로부터 Q점으로 통하는 추가적인 도전 경로를 제공하는 역할을 한다.Also, forward pass diode

In case of power supply operation (i.e.,

), while in mode M4

Wow

It serves to provide an additional conductive path from point P to point Q when current flows through it.

또한, 역방향 패스 다이오드

은 회생동작을 하는 경우(즉

인 경우), 모드 M1 동안

과

을 통하여 전류가 흐를 때 N점으로부터 P점으로 통하는 추가적인 도전 경로를 제공하는 역할을 한다. Also, reverse pass diode

In case of regenerative operation (i.e.,

), while in mode M1

class

It serves to provide an additional conductive path from point N to point P when current flows through it.

따라서 본 발명에서 제안하는 플라잉 커패시터 방식의 DC-DC 컨버터는 추가된 2개의 MOSFET와 2개의 다이오드에도 불구하고 기존의 FC DC-DC 컨버터의 동작을 전혀 방해하지 않고 기존의 FC DC-DC 컨버터와 동일하게 동작한다. Therefore, the flying capacitor type DC-DC converter proposed in the present invention does not interfere with the operation of the existing FC DC-DC converter and is the same as the existing FC DC-DC converter despite the two additional MOSFETs and two diodes. it works

이 경우 추가된 2개의 MOSFET와 2개의 다이오드의 역할은 특정한 동작모드에서만 동작하여 컨버터의 전력손실을 줄여줌으로써 효율을 높이는 것이다. In this case, the role of the two additional MOSFETs and two diodes is to increase the efficiency by reducing the power loss of the converter by operating only in a specific operation mode.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 플라잉 커패시터 방식 DC-DC 컨버터의 PWM 게이팅 신호를 발생하는 블록도이다. 8 is a block diagram of generating a PWM gating signal of a flying capacitor type DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 두 스위치

과

,

와 1개의 듀티비 신호

를 사용한다. Referring to Figure 8, the two switches

class

,

and 1 duty ratio signal

use

스위치

의 게이팅 신호는 캐리어

과 듀티비

를 비교하여 발생시키는데

이면

,

이면

이 된다. switch

The gating signal of the carrier

and duty ratio

is generated by comparing

back side

,

back side

becomes this

마찬가지로,

의 게이팅 신호는 캐리어

와 듀티비

를 비교하여 얻는데

이면

,

이면

이 된다. 여기서

은

스위치를 턴온 시킨다는 의미이며

은

스위치를 턴 오프시킨다는 의미이다.Likewise,

The gating signal of the carrier

and duty

is obtained by comparing

back side

,

back side

becomes this here

silver

means to turn on the switch

silver

It means turning the switch off.

도 7의 DC-DC 컨버터 회로에서, MOSFET

과

은 다음 수학식 3과 같이 서로 상보적으로 스위칭하고 마찬가지로

과

도 서로 상보적으로 스위칭한다.In the DC-DC converter circuit of Fig. 7, MOSFET

class

are complementary to each other as shown in Equation 3 below, and

class

also complement each other.

도 7의 컨버터 회로에서 MOSFET

은

과

이 동시에 턴온 되는 동안만(즉, 모드 M1 동안만) 턴온 되도록 하고, MOSFET

는

와

가 동시에 턴온 되는 동안만(즉, 모드 M4 동안만) 턴온 되도록 한다. MOSFET in the converter circuit of Fig.

silver

class

to be turned on only while it is simultaneously turned on (i.e., only during mode M1), and the MOSFET

Is

Wow

is turned on only while is turned on at the same time (ie, only during mode M4).

따라서 스위치

은 스위치

과

이 동시에 턴온 되는 동안만 턴온되므로 AND 로직을 사용하여

,

인 경우에만

이 되도록 한다. So switch

silver switch

class

It is turned on only while it is turned on at the same time, so using AND logic

,

only if

make it this

또한, 스위치

는 스위치

과

가 동시에 턴온 되는 동안만 턴온되므로 AND 로직을 사용하여

,

인 경우에만

이 되도록 한다. 즉,Also, switch

is the switch

class

is turned on only while are turned on at the same time, so using AND logic

,

only if

make it this in other words,

수학식 4에서, ∧는 AND 연산자를 나타낸다.In Equation 4, ∧ represents an AND operator.

도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 전력공급 동작에서 전류의 경로를 나타낸 도면이다.9A to 9D are diagrams illustrating current paths in a power supply operation of a bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

즉, 도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(70)의 저압부(

)에서 고압부(

)로 전력이 전달되는 전력공급 동작의 경우(즉

인 경우) 각 동작모드에 따른 전류의 경로를 나타낸다. 도 9a 내지 도 9d에서 MOSFET 스위치에 표시된 원은 MOSFET이 턴온 상태임을 나타내고 굵은 적색으로 표시된 부분은 전류가 흐르는 도선을 나타낸다.That is, FIGS. 9A to 9D show a low-voltage unit (

) in the high-pressure section (

) in the case of a power supply operation in which power is delivered (i.e.

In case of ), the current path according to each operation mode is shown. In FIGS. 9A to 9D , a circle indicated on the MOSFET switch indicates that the MOSFET is turned on, and a portion indicated in bold red indicates a conducting wire through which current flows.

본 발명의 실시 예에 따른 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(70)의 전력공급 동작에서, 도 9a는 모드 M1에서 전력공급 동작을 나타내고, 도 9b는 모드 M2에서 전력공급 동작을 나타내며, 도 9c는 모드 M3에서 전력공급 동작을 나타내며, 도 9d는 모드 M4에서 전력공급 동작을 나타낸다.In the power supply operation of the bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter 70 according to the embodiment of the present invention, FIG. 9A shows the power supply operation in mode M1, and FIG. 9B shows the power supply operation in the mode M2. 9C shows the power supply operation in mode M3, and FIG. 9D shows the power supply operation in mode M4.

본 발명의 실시 예에 따른 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(70)는 전력공급 동작의 경우에 다음 표 3과 같이 전류가 도통하는 소자를 나타낼 수 있다.The bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter 70 according to an embodiment of the present invention may represent a device through which current conducts as shown in Table 3 below in the case of a power supply operation.

즉, 표 3은 전력공급 동작의 경우 턴온 신호가 인가된 MOSFET 스위칭 소자와 전류가 도통하는 소자를 나타낸다. 전력공급 동작일 때 듀티비가 0.75보다 클 경우 모드 M1이 전체 스위칭 주기의 50%이상 차지하는 지배적인 모드가 된다. That is, Table 3 shows a MOSFET switching device to which a turn-on signal is applied and a device through which current conducts in the case of a power supply operation. When the duty ratio is greater than 0.75 during power supply operation, mode M1 becomes the dominant mode occupying 50% or more of the entire switching cycle.

반면에 듀티비가 0.25 보다 작으면 모드 M4가 지배적인 모드가 된다.On the other hand, when the duty ratio is less than 0.25, mode M4 becomes the dominant mode.

본 발명의 실시 예에 따른 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(70)의 전력공급 동작일 때 특징을 정리하면 다음과 같다. When the power supply operation of the bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter 70 according to an embodiment of the present invention is summarized, the characteristics are as follows.

①모든 모드에서 MOSFET

와

, 다이오드

과

으로 전류가 흐르지 않는다.① MOSFET in all modes

Wow

, diode

class

no current flows through

②모드 M1의 경우

,

에 턴온 신호가 인가되고 P점에서 N점으로 흐르는 인덕터 전류는

경로와

-

경로로 분기해서 흐르게 되어

가 없는 기존의 FC DC-DC 컨버터와 비교할 때

,

스위치의 전류 스트레스가 감소하게 되는 효과가 있다.②In case of mode M1

,

A turn-on signal is applied to and the inductor current flowing from point P to point N is

path and

-

branching into a path and flowing

Compared to conventional FC DC-DC converters without

,

There is an effect that the current stress of the switch is reduced.

③모드 M1의 경우

,

가 모두 턴온 되었을 때 P점과 N점 사이의 합성 저항은

이 없는 경우보다 감소하므로 도전 손실이 감소하여 전체 효율을 높이는 효과를 갖는다.③ In case of mode M1

,

When all is turned on, the combined resistance between points P and N is

Since it is reduced compared to the case without it, the conduction loss is reduced and thus the overall efficiency is increased.

④모드 M4의 경우

,

에 턴온 신호가 인가되지만 인덕터 전류는

,

로 흐르지 않고

,

로 흐른다. P점에서 Q점으로 흐르는 인덕터 전류는

경로와

-

경로로 분기해서 흐르게 되어

가 없는 기존의 FC DC-DC 컨버터와 비교할 때

,

스위치의 전류 스트레스가 감소하게 되는 효과가 있다.④ In case of mode M4

,

A turn-on signal is applied to the , but the inductor current is

,

does not flow to

,

flows into The inductor current flowing from point P to point Q is

path and

-

branching into a path and flowing

Compared to conventional FC DC-DC converters without

,

There is an effect that the current stress of the switch is reduced.

⑤모드 M4의 경우

,

를 통하여 전류가 흐를 때 P점과 Q점 사이의 합성 저항은

가 없는 경우보다 감소하므로 전체 효율을 높이는 효과를 갖는다.⑤ In case of mode M4

,

When a current flows through

Since it is reduced compared to the case without

도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 전력회생 동작에서 전류의 경로를 나타낸 도면이다.10A to 10D are diagrams illustrating current paths in a power regenerative operation of a bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

즉, 도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(70)의 고압부(

)에서 저압부(

)로 전력이 전달되는 회생동작의 경우, 즉

인 경우 각 동작모드에 따른 전류의 경로를 나타낸다. That is, FIGS. 10A to 10D show the high-voltage part (

) in the low pressure section (

) in the case of regenerative operation in which power is transmitted, that is,

In case of , it represents the current path according to each operation mode.

또한 다음 표 4는 회생동작의 경우 턴온 신호가 인가된 MOSFET 스위치 소자와 전류가 도통하는 소자를 나타낸다. In addition, Table 4 below shows the MOSFET switch device to which the turn-on signal is applied and the device through which current conducts in the case of regenerative operation.

본 발명의 실시 예에 따른 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(70)는 회생동작일 때도 전력공급 동작과 마찬가지로 듀티비가 0.75보다 클 경우 모드 M1이 전체 스위칭 주기의 50% 이상 차지하는 지배적인 모드가 되며, 듀티비가 0.25 보다 작으면 모드 M4가 지배적인 모드가 된다. The bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter 70 according to the embodiment of the present invention is a dominant mode in which mode M1 occupies 50% or more of the entire switching cycle when the duty ratio is greater than 0.75, similar to the power supply operation, even in the regenerative operation. , and when the duty ratio is less than 0.25, mode M4 becomes the dominant mode.

본 발명의 실시 예에 따른 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(70)의 회생동작일 때 특징을 정리하면 다음과 같다.The characteristics of the regenerative operation of the bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter 70 according to an embodiment of the present invention are summarized as follows.

①모든 모드에서 MOSFET

와

, 다이오드

과

로 전류가 흐르지 않는다.① MOSFET in all modes

Wow

, diode

class

no current flows through

②모드 M4의 경우

,

에 턴온 신호가 인가되고 Q점에서 P점으로 흐르는 인덕터 전류는

경로와

-

경로로 분기해서 흐르게 되어

가 없는 기존의 FC DC-DC 컨버터와 비교할 때

,

스위치의 전류 스트레스가 감소하게 되는 효과가 있다.②In case of mode M4

,

A turn-on signal is applied to and the inductor current flowing from point Q to point P is

path and

-

branching into a path and flowing

Compared to conventional FC DC-DC converters without

,

There is an effect that the current stress of the switch is reduced.

③모드 M4의 경우

,

가 모두 턴온 되었을 때 Q점과 P점 사이의 합성 저항은

가 없는 경우보다 감소하므로 도전 손실이 감소하여 전체 효율을 높이는 효과를 갖는다.③ In case of mode M4

,

When all is turned on, the combined resistance between points Q and P is

Since it is reduced compared to the case where there is no , conduction loss is reduced, and thus the overall efficiency is increased.

④모드 M1의 경우

,

에 턴온 신호가 인가되지만 인덕터 전류는

,

로 흐르지 않고

,

으로 흐른다. N점에서 P점으로 흐르는 인덕터 전류는

경로와

-

경로로 분기해서 흐르게 되어

가 없는 기존의 FC DC-DC 컨버터와 비교할 때

,

다이오드의 전류 스트레스가 감소하게 되는 효과가 있다.④ In case of mode M1

,

A turn-on signal is applied to the , but the inductor current is

,

does not flow to

,

flows to The inductor current flowing from point N to point P is

path and

-

branching into a path and flowing

Compared to conventional FC DC-DC converters without

,

There is an effect that the current stress of the diode is reduced.

⑤모드 M1의 경우

,

를 통하여 전류가 흐를 때 N점과 P점 사이의 합성 저항은

이 없는 경우보다 감소하므로 전체 효율을 높이는 효과를 갖는다.⑤ In case of mode M1

,

When current flows through, the combined resistance between points N and P is

Since it is reduced compared to the case without it, it has the effect of increasing the overall efficiency.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 효율 개선 효과를 살펴보기 위하여 대표적인 예시로 전력공급모드이면서 가 되어 컨버터가 높은 승압 동작을 하는 경우 효율이 어느 정도 개선되는지 살펴보기로 한다. On the other hand, in order to examine the efficiency improvement effect of the bidirectional multi-level FC step-up DC-DC converter according to the embodiment of the present invention, as a representative example, the efficiency is improved when the converter performs a high step-up operation while in the power supply mode. let's see

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 도전 손실 계산을 위한 등가회로를 나타낸 도면이다.11 is a diagram illustrating an equivalent circuit for calculating a conduction loss of a bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

즉, 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터에서, 전력공급 동작이면서

의 경우 제안된 FC DC-DC 컨버터 도전 손실 계산을 위한 등가회로를 나타낸다. That is, FIG. 11 is a power supply operation in the bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter according to the embodiment of the present invention.

shows the equivalent circuit for calculating the conduction loss of the proposed FC DC-DC converter.

도 11의 등가회로는 각각의 모드마다 전류의 경로에 놓이는 온 드롭과 저항성분을 표시하고 있다. 즉,

은 MOSFET의 온(on) 저항을 나타내고,

와

는 다이오드 온 드롭 전압(on-drop voltage)과 온(on) 저항을 각각 나타낸다. The equivalent circuit of FIG. 11 indicates on-drop and resistive components placed in the current path for each mode. in other words,

represents the on-resistance of the MOSFET,

Wow

denotes diode on-drop voltage and on-resistance, respectively.

또한, 인덕터의 전류는 리플(ripple)을 포함하는 직류 전류인데, 리플 성분은 직류 성분에 비할 때 무시할 만큼 작다고 가정하고, 스위칭 주기 동안 직류전류

인 것으로 가정한다. In addition, the current of the inductor is a DC current including a ripple, and it is assumed that the ripple component is negligible compared to the DC component, and the DC current during the switching period

is assumed to be

스위칭 주기를

라고 할 때 도 11에 보인 각 모드의 지속시간은 다음 수학식 5와 같다.switching cycle

, the duration of each mode shown in FIG. 11 is the following Equation 5.

이어, 스위칭 주기 동안 2차례 반복되는 모드 M1 동안 합성 저항은

이므로 총 전력손실

을 계산하면, 다음 수학식 6과 같다.Then, during mode M1, which is repeated twice during the switching cycle, the combined resistance is

So the total power loss

is calculated as in Equation 6 below.

또한, 모드 M2와 M3 동안 등가 회로가 같으므로, 모드 M2 동안 전력손실

, 모드 M3 동안 전력손실을

라고 할 때,

및

는 다음 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.Also, since the equivalent circuit is the same during modes M2 and M3, power loss during mode M2

, reduce power loss during mode M3

when said,

and

can be expressed as in Equation 7 below.

따라서, 전체 스위칭 주기 동안의 전력손실

는 다음 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.Therefore, power loss during the entire switching cycle

can be expressed as in Equation 8 below.

한편, 일반적인 3-레벨 FC DC-DC 컨버터와 비교했을 때의 효율 개선 효과를 알아보기 위하여 기존 FC DC-DC 컨버터의 전체 스위칭 주기 동안의 전력손실

을 계산하면 도 11에서

을 오프한 경우와 같으므로, 다음 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.Meanwhile, in order to examine the efficiency improvement effect compared to the general 3-level FC DC-DC converter, the power loss during the entire switching cycle of the existing FC DC-DC converter.

When calculated, in FIG. 11

Since it is the same as the case in which is turned off, it can be expressed as in Equation 9 below.

따라서, 본 발명에서

를 삽입함으로써 얻는 긍정적인 효과인 전력손실의 감소분은 다음 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.Therefore, in the present invention

The reduction in power loss, which is a positive effect obtained by inserting , can be expressed as in Equation 10 below.

본 발명의 실시 예에 따른 FC DC-DC 컨버터의 효율을

, 기존의 FC DC-DC 컨버터의 효율을

이라고 할 때 효율개선 효과는 다음 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.The efficiency of the FC DC-DC converter according to the embodiment of the present invention

, the efficiency of conventional FC DC-DC converters

The efficiency improvement effect can be expressed as in Equation 11 below.

즉, 수학식11과 같이, 두 컨버터에 동일한 입력전력

이 인가되었을 때 본 발명에 따른 FC DC-DC 컨버터의 출력전력을

, 기존의 FC DC-DC 컨버터의 출력전력을

이라고 할 때, 효율 개선 효과는

이 클수록, 인덕터 전류

이 클수록, 듀티비

가 클수록 증가하고, 입력전압

가 클수록 감소하는 것을 알 수 있다. 또한, 전력공급 동작에서

일 때 효율 개선 효과는 다이오드 파라미터와 무관하게 정해진다는 사실을 확인할 수 있다.That is, as in Equation 11, the same input power to both converters

When this is applied, the output power of the FC DC-DC converter according to the present invention is

, the output power of the existing FC DC-DC converter

When that is said, the efficiency improvement effect is

The larger is, the more the inductor current

The larger the value, the greater the duty ratio.

It increases as the value increases, and the input voltage

It can be seen that the larger the value, the smaller it is. In addition, in the power supply operation

It can be seen that the efficiency improvement effect is determined regardless of the diode parameter.

도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 3-레벨 플라잉 커패시터 방식 DC-DC 컨버터 시뮬레이션을 위한 회로를 나타낸 것이다.12 shows a circuit for simulating a bidirectional 3-level flying capacitor type DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

즉, 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 효율개선 효과를 입증하기 위하여, 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 경우에 대하여 전력공급모드이면서

가 되어 컨버터가 높은 승압 동작을 하는 경우 각부의 전압, 전류를 살펴보는 시뮬레이션을 실시한 것이다. That is, in order to prove the efficiency improvement effect of the bidirectional multi-level FC step-up DC-DC converter according to the embodiment of the present invention, in the case of the bi-directional 3-level FC step-up DC-DC converter, the power supply mode and

This is a simulation that examines the voltage and current of each part when the converter is in high step-up operation.

도 12를 참조하면, 시뮬레이션에서 사용된 회로 정수 및 제어 정수는 다음 표 5와 같다. Referring to FIG. 12 , the circuit constants and control constants used in the simulation are shown in Table 5 below.

표 5에서, 입력전압(Vs)이 50 V이고, 출력 전압의 명령값은 400V 일 때, FC 승압 DC-DC 컨버터는 8배 승압하는 동작을 하도록 듀티비

는 0.875로 정한다.In Table 5, when the input voltage (Vs) is 50 V and the command value of the output voltage is 400 V, the duty ratio so that the FC step-up DC-DC converter performs an 8-fold step-up operation.

is set to 0.875.

도 13은 기존의 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 동작 파형을 나타낸 도면이다.13 is a diagram illustrating an operation waveform of a conventional 3-level FC step-up DC-DC converter.

즉, 도 13은 항상

의 신호를 인가하여 회로에서 제거함으로써 기존의 FC 승압 DC-DC 컨버터처럼 동작하게 할 때의 동작 파형을 나타낸 것이다. That is, Fig. 13 is always

It shows the operation waveform when operating like the existing FC step-up DC-DC converter by applying and removing the signal from the circuit.

도 13의 파형에서, 인덕터 전류의 평균값(

)은

A이고 출력전압

의 평균값(

)은

V가 됨을 알 수 있다. 입력전압 평균값(

)는 50 V이고, 출력측 저항

는 29.35 Ω이므로 컨버터의 효율

은 다음 수학식 12와 같다.In the waveform of Fig. 13, the average value of the inductor current (

)silver

A is the output voltage

the average value of (

)silver

It can be seen that V becomes Input voltage average value (

) is 50 V, and the output resistance

is 29.35 Ω, so the efficiency of the converter is

is the following Equation 12.

도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 동작 파형을 나타낸 도면이다.14 is a diagram illustrating an operation waveform of a bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

도 14를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터는

A,

V가 됨을 알 수 있다. 입력전압

는 50 V이고, 출력측 저항

는 29.35 Ω이므로 컨버터의 효율

는 다음 수학식 13과 같다.14, the bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention is

A,

It can be seen that V becomes input voltage

is 50 V, and the output resistance

is 29.35 Ω, so the efficiency of the converter is

is the following Equation 13.

그러므로, 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 시뮬레이션 검증의 경우에는,

,

가 없는 기존의 FC 3-레벨 DC-DC 컨버터의 효율

과 본 발명에 따른 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터에 대하여 효율

을 비교하면 약 5.02 %의 효율개선 효과가 있음을 확인할 수 있다. Therefore, in the case of simulation verification of the bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter according to the embodiment of the present invention,

,

Efficiency of conventional FC 3-level DC-DC converters without

and the efficiency for the bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter according to the present invention

It can be seen that there is an efficiency improvement effect of about 5.02%.

따라서 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터가 고승압비 상태에서 고효율을 구현하는데 매우 효과적임을 입증하는 것이다.Therefore, it is to prove that the bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter according to the embodiment of the present invention is very effective in realizing high efficiency in a high step-up ratio state.

도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 5-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 회로 구성을 나타낸 도면이다. 15 is a diagram illustrating a circuit configuration of a bidirectional 5-level FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

도 15를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 5-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(80)는, 스위치

,

와 다이오드

,

가 첨가됨으로써 지배적인 모드에서 인덕터 전류가 흐르는 또 다른 도전 통로가 확보되며, 그에 따라 도전 손실은 감소하게 된다. 15 , a bidirectional 5-level FC step-up DC-DC converter 80 according to an embodiment of the present invention is a switch

,

with diode

,

By adding , another conductive path is secured for the inductor current to flow in the dominant mode, thereby reducing conduction losses.

도 15의 회로에서, 도전 손실이 감소함으로써 전체 컨버터의 효율은 증가하고 동시에 고승압비를 구현하는 것이다.In the circuit of Fig. 15, the efficiency of the entire converter is increased by reducing the conduction loss, and at the same time, a high step-up ratio is realized.

도 15에서, 스위치

의 게이팅 신호는 다음 수학식 14와 같이

,

의 게이팅 신호를 AND 연산하여 구할 수 있다. 수학식 14에서 ∧는 AND 연산자를 나타낸다.15, the switch

The gating signal of

,

It can be obtained by ANDing the gating signal of . In Equation 14, ∧ denotes an AND operator.

또한, 도 15에서, 스위치

의 게이팅 신호는 다음 수학식 15와 같이

,

의 게이팅 신호를 AND 연산하여 구할 수 있다. 수학식 15에서 ∧는 AND 연산자를 나타낸다.Also, in Fig. 15, the switch

The gating signal of

,

It can be obtained by ANDing the gating signal of . In Equation 15, ∧ denotes an AND operator.

도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 회로 구성을 나타낸 도면이다.16 is a diagram illustrating a circuit configuration of a bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

도 16을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(90)는, 스위치

,

와 다이오드

,

가 첨가됨으로써 지배적인 모드에서 인덕터 전류가 흐르는 또 다른 도전 통로가 확보됨으로써 도전 손실은 감소하게 된다. Referring to FIG. 16 , a bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter 90 according to an embodiment of the present invention includes a switch

,

with diode

,

Conduction loss is reduced by securing another conductive path through which the inductor current flows in the dominant mode by adding .

도 16의 회로에서 도전 손실이 감소함으로써 전체 컨버터의 효율은 증가하고 동시에 고승압비를 구현하게 된다.As the conduction loss is reduced in the circuit of FIG. 16 , the efficiency of the entire converter is increased and a high step-up ratio is realized at the same time.

도 16에서, 스위치

의 게이팅 신호는 다음 수학식 16과 같이

,

의 게이팅 신호를 AND 연산하여 산출할 수 있다. 수학식 16에서 ∧는 AND 연산자를 나타낸다.In Fig. 16, the switch

The gating signal of

,

It can be calculated by performing an AND operation on the gating signal of . In Equation 16, ∧ denotes an AND operator.

또한, 도 16에서, 스위치

의 게이팅 신호는 다음 수학식 17과 같이

,

의 게이팅 신호를 AND 연산하여 산출할 수 있다. 수학식 17에서 ∧는 AND 연산자를 나타낸다.Also, in Fig. 16, the switch

The gating signal of

,

It can be calculated by performing an AND operation on the gating signal of . In Equation 17, ∧ denotes an AND operator.

도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터 동작 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.17 is a flowchart illustrating an operation method of a bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

도 17을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(90)는, 입력부로부터 전력이 인덕터를 경유해 복수의 정방향 전력 스위치로 공급되거나, 출력부로부터 전력이 복수의 역방향 전력 스위치로 회생된다(S710).Referring to FIG. 17 , in the bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter 90 according to an embodiment of the present invention, power from an input unit is supplied to a plurality of forward power switches via an inductor, or power is supplied from an output unit to a plurality of is regenerated by the reverse power switch of (S710).

즉, 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(90)는, 전력공급 동작의 경우에, 입력부(Vs)로부터 인덕터(Ls)를 경유해 복수의 정방향 전력 스위치(S_1n, S_2n, , S_(m-2)n, S_(m-1)n)를 통해 출력부(Vo)로 공급된다.That is, the bidirectional multi-level FC step-up DC-DC converter 90 according to the embodiment of the present invention, in the case of the power supply operation, from the input unit (Vs) via the inductor (Ls) a plurality of forward power switches (S _1n ) , S _2n , , S _(m-2)n , S _(m-1)n ) is supplied to the output unit Vo.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(90)는, 전력회생 동작의 경우에, 출력부(Vo)로부터 복수의 역방향 전력 스위치(S_1p, S_2p, , S_(m-2)p, S_(m-1)p)를 통해 인덕터(Ls)를 경유해 입력부(Vs)로 회생된다.In addition, the bidirectional multi-level FC step-up DC-DC converter 90 according to an embodiment of the present invention, in the case of a power regenerative operation, a plurality of reverse power switches (S _1p , S _2p , , S from the output unit Vo) _(m-2)p , S _(m-1)p ) is regenerated to the input unit Vs via the inductor Ls.

이어, 복수의 정방향 전력 스위치 또는 복수의 역방향 전력 스위치가 턴 온(Turn On) 된다(S720).Then, a plurality of forward power switches or a plurality of reverse power switches are turned on (S720).

이어, 모든 정방향 전력 스위치가 턴 온 되면 정방향 패스 스위치가 턴 온 되거나 또는 모든 역방향 전력 스위치가 턴 온 되면 역방향 패스 스위치가 턴 온 된다(S730).Then, when all the forward power switches are turned on, the forward pass switches are turned on, or when all the reverse power switches are turned on, the reverse pass switches are turned on ( S730 ).

이때, 모든 정방향 전력 스위치 또는 모든 역방향 전력 스위치의 턴온 상태에 따라 정방향 패스 스위치 또는 역방향 패스 스위치가 턴온 되는 것이다.At this time, the forward pass switch or the reverse pass switch is turned on according to the turn-on state of all the forward power switches or all the reverse power switches.

즉, 모든 정방향 전력 스위치(S_1n, S_2n, , S_(m-2)n, S_(m-1)n)가 턴 온(turn on)될 때, 정방향 패스 스위치(S_pass(n))는 턴 온(turn on) 되고, 모든 역방향 전력 스위치(S_1p, S_2p, , S_(m-2)p, S_(m-1)p)가 턴 온(turn on) 될 때, 역방향 패스 스위치(S_pass(p))는 턴 온(turn on) 되는 것이다.That is, when all the forward power switches (S _1n , S _2n , , S _(m-2)n , S _(m-1)n ) are turned on, the forward pass switch (S _pass(n) ) is turned on, and when all reverse power switches (S _1p , S _2p , , S _(m-2)p , S _(m-1)p ) are turned on, the reverse pass switch (S _pass(p) ) is to be turned on.

이어, 인덕터를 경유한 전류가 정방향 패스 스위치 및 모든 정방향 전력 스위치로 분기되어 공급되거나, 출력부로부터 전류가 역방향 패스 스위치 및 모든 역방향 전력 스위치로 분기되어 회생된다(S740).Next, the current passing through the inductor is branched and supplied to the forward pass switch and all forward power switches, or the current from the output unit is branched and regenerated by branching to the reverse pass switch and all the reverse power switches ( S740 ).

즉, 본 발명의 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(90)는, 전력공급 동작의 경우에, 입력부(Vs)로부터 인덕터(Ls)를 경유해 정방향 패스 스위치(S_pass(n)) 및 모든 정방향 전력 스위치(S_1n, S_2n, , S_(m-2)n, S_(m-1)n)로 분기되어 출력부(Vo)로 공급된다.That is, the bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter 90 of the present invention, in the case of power supply operation, from the input unit (Vs) via the inductor (Ls) to the forward pass switch (S _pass(n) ) and all The forward power switches S _1n , S _2n , S _(m-2)n , S _(m-1)n are branched and supplied to the output unit Vo.

또한, 본 발명의 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(90)는, 전력회생 동작의 경우에, 출력부(Vo)로부터 전원이 역방향 패스 스위치(S_pass(p)) 및 모든 역방향 전력 스위치(S_1p, S_2p, , S_(m-2)p, S_(m-1)p)로 분기되어 인덕터(Ls)를 경유해 입력부(Vs)로 회생되는 것이다.In addition, the bidirectional multi-level FC step-up DC-DC converter 90 of the present invention, in the case of a power regenerative operation, the power from the output unit Vo is a reverse pass switch (S _{pass (p)} ) and all reverse power switches ( S _1p , S _2p , , S _(m-2)p , S _(m-1)p ) is regenerated to the input unit Vs via the inductor Ls.

따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터는 다음과 같은 효과를 갖는다.Accordingly, the bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention has the following effects.

즉, 양방향 n-레벨 FC DC-DC 컨버터의 동작은 기존의 n-레벨 FC DC-DC 컨버터의 동작을 전혀 방해하거나 변경시키지 않으므로, 본 발명의 양방향 n-레벨 FC DC-DC 컨버터의 동작특성은 기존의 n-레벨 FC DC-DC 컨버터의 동작특성과 동일하다고 할 수 있다.That is, since the operation of the bidirectional n-level FC DC-DC converter does not interfere with or change the operation of the existing n-level FC DC-DC converter, the operating characteristics of the bidirectional n-level FC DC-DC converter of the present invention are It can be said that the operation characteristics of the existing n-level FC DC-DC converter are the same.

또한, 본 발명의 양방향 n-레벨 FC DC-DC 컨버터는 단 2개의 능동 스위치와 2개의 다이오드를 추가함으로써 기존의 n-레벨 FC DC-DC 컨버터의 장점을 모두 가지면서 동시에 고승압비 동작을 하면서도 기존의 n-레벨 FC DC-DC 컨버터보다 개선된 효율을 구현할 수 있다.In addition, the bidirectional n-level FC DC-DC converter of the present invention has all the advantages of the existing n-level FC DC-DC converter by adding only two active switches and two diodes while simultaneously operating at a high step-up ratio. It is possible to realize improved efficiency compared to the conventional n-level FC DC-DC converter.

또한, 본 발명의 양방향 n-레벨 FC DC-DC 컨버터에 추가되는 스위치의 게이팅 신호는 기존의 스위치의 게이팅 신호를 모두 AND 연산함으로써 간단히 구현할 수 있으므로 추가적인 제어가 필요하지 않다.In addition, since the gating signal of the switch added to the bidirectional n-level FC DC-DC converter of the present invention can be simply implemented by performing an AND operation on all of the gating signals of the existing switch, additional control is not required.

또한, 본 발명의 양방향 n-레벨 FC DC-DC 컨버터에 추가되는 스위치의 전류정격은 기존의 n-레벨 FC DC-DC 컨버터의 스위치의 전류정격과 같다.In addition, the current rating of the switch added to the bidirectional n-level FC DC-DC converter of the present invention is the same as the current rating of the switch of the existing n-level FC DC-DC converter.

본 발명의 양방향 n-레벨 FC DC-DC 컨버터는 고효율이면서 동시에 고승압비를 구현하므로 더욱 많은 응용분야에 적용될 수 있다.The bidirectional n-level FC DC-DC converter of the present invention can be applied to many more fields of application because it realizes high efficiency and a high step-up ratio at the same time.

그리고, 본 발명의 양방향 n-레벨 FC DC-DC 컨버터는 승압/강압 DC-DC 컨버터의 신뢰성과 수명향상을 기대할 수 있다.In addition, the bidirectional n-level FC DC-DC converter of the present invention can be expected to improve the reliability and lifespan of the step-up/step-down DC-DC converter.

전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 고효율 및 고변환비를 갖는 양방향 멀티레벨 FC(flying capacitor) 승압 DC-DC 컨버터 및 그 동작 방법을 실현할 수 있다.As described above, according to the present invention, a bidirectional multilevel flying capacitor (FC) step-up DC-DC converter having high efficiency and a high conversion ratio and an operating method thereof can be realized.

이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is common in the technical field to which the present invention pertains that various substitutions, modifications and changes are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those who have the knowledge of

10 : FC 방식 DC-DC 컨버터
20 : 양방향 5-레벨 FC DC-DC 컨버터
30 : 양방향 3-레벨 FC DC-DC 컨버터
70 : 양방향 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터
80 : 양방향 5-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터
90 : 양방향 m-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터10: FC type DC-DC converter
20: Bidirectional 5-level FC DC-DC converter
30: bidirectional 3-level FC DC-DC converter
70: bidirectional 3-level FC step-up DC-DC converter
80: Bidirectional 5-level FC step-up DC-DC converter
90: bidirectional m-level FC step-up DC-DC converter

Claims

an input unit having one side connected to the input terminal and the other side connected to the ground;
an inductor having a first terminal connected to the input terminal and a second terminal connected to a first node;
an output unit having one side connected to the mth node and the other side connected to the ground node connected to the ground;
a plurality of forward power switches connected in series along a power supply direction between the first node and the ground node;
a plurality of reverse power switches connected in series along a power regeneration direction between the m-th node and the first node;
a plurality of flying capacitors having one side connected to a connection point of two adjacent forward power switches among the plurality of forward power switches and the other side connected to a connection point of two neighboring reverse power switches among the plurality of reverse power switches;
a forward pass switch connected in parallel to the plurality of forward power switches between the first node and the ground node; and
a reverse pass switch connected in parallel to the plurality of reverse power switches between the mth node and the first node;
Including, bidirectional multilevel FC (flying capacitor) step-up DC-DC converter.

According to claim 1,
The forward pass switch is operated by a gating signal obtained by ANDing the gating signals of all the forward power switches, a bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter.

3. The method of claim 2,
When all of the plurality of forward power switches are turned on, the forward pass switch is turned on, bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter.

According to claim 1,
The reverse pass switch is operated by a gating signal obtained by performing an AND operation on the gating signals of all of the plurality of reverse power switches.

5. The method of claim 4,
When all of the plurality of reverse power switches are turned on, the reverse pass switch is turned on, bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter.

According to claim 1,
The plurality of forward power switches, each of which has a reverse diode connected in parallel for each forward power switch, is a bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter.

According to claim 1,
The plurality of reverse power switches, each of which has a forward diode connected in parallel for each reverse power switch, is a bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter.

According to claim 1,
The forward pass switch, the reverse pass diode is connected in parallel, bi-directional multi-level FC step-up DC-DC converter.

According to claim 1,
The reverse pass switch is, the forward pass diode is connected in parallel, a bidirectional multi-level FC step-up DC-DC converter.

(a) power from the input unit is supplied to the plurality of forward power switches via the inductor, or the power is regenerated from the output unit to the plurality of reverse power switches;
(b) turning on the plurality of forward power switches or the plurality of reverse power switches;
(c) turning on the forward pass switch or the reverse pass switch according to the turn-on state of all the forward power switches or all the reverse power switches; and
(d) the power passing through the inductor is branched and supplied to the forward pass switch and all of the forward power switches, or power from the output unit is branched to the reverse pass switch and all of the reverse power switches to be regenerated;
A bidirectional multilevel FC step-up DC-DC converter operating method comprising a.

11. The method of claim 10,
When all the forward power switches are turned on (turn on) in step (c), the forward pass switch is turned on (turn on), bi-directional multi-level FC step-up DC-DC converter operating method.

11. The method of claim 10,
When all the reverse power switches are turned on (turn on) in step (c), the reverse pass switch is turned on (turn on), bi-directional multi-level FC step-up DC-DC converter operating method.