KR102363151B1

KR102363151B1 - Dc 배전을 위한 컨버터 및 dc 배전 시스템

Info

Publication number: KR102363151B1
Application number: KR1020190070815A
Authority: KR
Inventors: 김재국; 김지연; 안재현; 이승훈
Original assignee: 한국전력공사; 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2022-02-15
Also published as: KR20200143037A

Abstract

DC 배전에 있어서 하나의 인덕터를 포함하는 컨버터를 이용하여 DC 그리드의 전원 또는 배터리의 전원을 부하로 전달할 수 있도록 한 DC 배전을 위한 컨버터 및 DC 배전 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 DC 그리드로부터 입력된 전원을 배터리 및 부하로 전달하기 위한 컨버터에 있어서, 일단이 상기 DC 그리드의 일단과 연결되는 제1스위치와, 일단이 상기 제1스위치의 타단과 연결되고, 타단이 상기 DC 그리드의 타단과 연결되는 제2스위치와, 일단이 상기 제1스위치의 타단 및 상기 제2스위치의 일단과 연결되는 인덕터와, 일단이 상기 인덕터의 타단과 연결되는 배터리 스위치부와, 일단이 상기 배터리회로부의 타단과 연결되고, 타단이 상기 제2스위치의 타단과 연결되는 커패시터를 포함한다.

Description

DC 배전을 위한 컨버터 및 DC 배전 시스템{Converters for DC distribution and DC power distribution system}

본 발명은 DC 배전을 위한 컨버터 및 DC 배전 시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 DC 배전에 있어서 하나의 인덕터를 포함하는 컨버터를 이용하여 DC 그리드의 전원 또는 배터리의 전원을 부하로 전달할 수 있도록 한 DC 배전을 위한 컨버터 및 DC 배전 시스템에 관한 것이다.

기존의 DC 배전을 위한 회로는 두 개의 DC/DC 컨버터를 병렬로 연결하여 부하를 제어한다. DC 그리드는 벅(Buck) 회로를 거쳐 전원을 출력으로 전달하며, 배터리 측 컨버터는 배터리를 충/방전함으로써 양방향 전력 변환이 가능하다. 이를 통하여 부하가 필요로 하는 전력량에 따라 각기 다른 모드로 회로를 제어가능하다. 즉, DC 그리드에서 부하도 전력을 전달하는 모드, DC 그리드와 배터리에서 동시에 부하로 전력을 전달하는 모드, DC 그리드에서 부하로 전력을 전달하고, 배터리를 충전하는 모드 및 배터리에서 부하로 전력을 전달하는 모드 중 하나의 모드로 DC 배전을 위한 회로를 제어한다.

그러나, 기존의 DC 배전을 위한 회로는 두개의 인덕터가 사용되고, 이로 인해 회로 전체의 가격 및 크기가 증대되는 문제가 있다.

본 발명은 앞에서 설명한 문제점을 해결하기 위한 것으로, DC 배전에 있어서 하나의 인덕터를 포함하는 컨버터를 이용하여 DC 그리드의 전원 또는 배터리의 전원을 부하로 전달할 수 있도록 한 DC 배전을 위한 컨버터 및 DC 배전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

위에서 언급된 본 발명의 기술적 과제 외에도, 본 발명의 다른 특징 및 이점들이 이하에서 기술되거나, 그러한 기술 및 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

앞에서 설명한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 DC 그리드로부터 입력된 전원을 배터리 및 부하로 전달하기 위한 컨버터는, 일단이 상기 DC 그리드의 일단과 연결되는 제1스위치와, 일단이 상기 제1스위치의 타단과 연결되고, 타단이 상기 DC 그리드의 타단과 연결되는 제2스위치와, 일단이 상기 제1스위치의 타단 및 상기 제2스위치의 일단과 연결되는 인덕터와, 일단이 상기 인덕터의 타단과 연결되는 배터리 스위치부와, 일단이 상기 배터리회로부의 타단과 연결되고, 타단이 상기 제2스위치의 타단과 연결되는 커패시터를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 DC 배전을 위한 컨버터 및 DC 배전 시스템 DC 배전에 있어서 하나의 인덕터만을 포함하므로, 회로 전체의 가격 및 크기를 감소시킬 수 있다.

또한, 부피가 큰 인덕터의 개수를 기존의 회로에 비해 감소시킴으로써, 낮은 전력 밀도를 가질 수 있다.

이 밖에도, 본 발명의 실시 예들을 통해 본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 새롭게 파악될 수도 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 DC 배전 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 DC 배전을 위한 컨버터의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터가 제1모드로 작동할 때의 전류흐름을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터가 제2모드로 작동할 때의 전류흐름을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터가 제3모드로 동작할 때의 전류흐름을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터가 제4모드로 작동할 때의 전류흐름을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 DC 배전 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 DC 배전 시스템(1000)은 DC 그리드(100), 컨버터(200), 배터리(300) 및 부하(400)를 포함할 수 있다.

DC 그리드(100)는 컨버터(200)를 통해 배터리(300) 및 부하(400)로 전원을 전달할 수 있다.

컨버터(200)는 DC 그리드(100)와 연결되어 DC 그리드(100)로부터 공급되는 전원을 배터리(300) 및 부하(400)로 전달할 수 있다.

컨버터(200)는 부스트(Boost) 컨버터로써 동작하여 DC 그리드(100)로부터 공급되는 전원을 승압하여 배터리(300) 또는 부하(400)로 전달할 수 있다. 또한, 컨버터(200)는 벅(Buck) 컨버터로써 동작하여 DC 그리드(100)로부터 공급되는 전원을 감압하여 배터리(300) 또는 부하(400)로 전달할 수 있다.

배터리(300)는 DC 그리드(100)에 오류가 발생하거나, 저부하 상태인 경우 DC 그리드(100)를 대신하여 부하(400)에 전원을 공급해줄 수 있다.

여기서, 본 발명의 실시 예에 따르면, DC 그리드(100)의 오류 발생 여부를 판단하거나, 저부하 상태를 판단하는 별도의 판단부가 포함될 수도 있다.

또한, 부하(400)는 컨버터(200)를 통해 DC 그리드(100) 또는 배터리(300)를 통해 전원을 공급받을 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 DC 배전을 위한 컨버터의 회로도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 DC 배전을 위한 컨버터(200)는 제1스위치(SW1), 제2스위치(SW2), 인덕터(L), 배터리 스위치부(210) 및 커패시터(C)를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 DC 배전을 위한 컨버터(200, 이하 컨버터)는 DC 그리드(100)로부터 입력된 전원을 배터리(300) 및 부하(400)로 전달할 수 있다. 컨버터(200)는 DC 그리드(100)로부터 공급되는 전원을 변환할 수 있고, 변환된 전원을 배터리(300) 및 부하(400)로 전달할 수 있다. 여기서, 컨버터(200)는 부스트(Boost) 컨버터로써 동작하여 DC 그리드(100)로부터 공급되는 전원을 승압하여 배터리(300) 또는 부하(400)로 전달할 수 있다. 또한, 컨버터(200)는 벅(Buck) 컨버터로써 동작하여 DC 그리드(100)로부터 공급되는 전원을 감압하여 배터리(300) 또는 부하(400)로 전달할 수 있다.

제1스위치(SW1)는 일단이 DC 그리드(100)의 일단과 연결될 수 있으며, 제1스위치(SW1)는 트랜지스터, 다이오드, MOSFET 등의 반도체소자일 수 있다.

제2스위치(SW2)는 일단이 제1스위치(SW1)의 타단과 연결되고, 타단이 DC 그리드(100)의 타단과 연결될 수 있다. 여기서, 제2스위치(SW2)는 트랜지스터, 다이오드, MOSFET 등의 반도체소자일 수 있다.

인덕터(L)는 일단이 제1스위치(SW1)의 타단 및 제2스위치(SW2)의 일단과 연결될 수 있다. 즉, 인턱터(L)의 일단은 제1스위치(SW1)의 타단과 제2스위치(SW2)의 일단이 접속되는 접점에 연결될 수 있다.

배터리 스위치부(210)는 일단이 인덕터(L)의 타단과 연결될 수 있고, 타단이 커패시터(C)와 연결될 수 있다. 또한, 배터리 스위치부(210)는 제3스위치(SW3), 제4스위치(SW4), 제5스위치(SW5) 및 제6스위치(SW6)를 포함할 수 있다.

제3스위치(SW3) 및 제4스위치(SW4)는 직렬로 연결될 수 있고, 제5스위치(SW5) 및 제6스위치(SW6)는 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 제3스위치(SW3) 및 제4스위치(SW4) 전체와 제5스위치(SW5) 및 제6스위치(SW6) 전체는 병렬 연결될 수 있다.

또한, 제3스위치(SW3), 제4스위치(SW4), 제5스위치(SW5) 및 제6스위치(SW6)는 각각 배터리와 연결될 수 있다. 즉, 제3스위치(SW3) 및 제4스위치(SW4)의 일단은 배터리와 연결될 수 있고, 제5스위치(SW5) 및 제6스위치(SW6)의 일단은 배터리와 연결될 수 있다. 여기서, 제3스위치(SW3) 및 제5스위치(SW5)는 배터리(300)의 포지티브(+)단과 연결될 수 있으며, 제4스위치(SW4) 및 제6스위치(SW6)는 배터리(300)의 네거티브(-)단과 연결될 수 있다.

또한, 제3스위치(SW3) 및 제4스위치(SW4)가 연결되는 접점에는 인덕터(L)의 타단이 연결될 수 있다. 제5스위치(SW5) 및 제6스위치(SW6)가 연결되는 접점에는 커패시터(C)의 일단이 연결될 수 있다.

여기서, 제3스위치(SW3), 제4스위치(SW4), 제5스위치(SW5) 및 제6스위치(SW6)는 트랜지스터, 다이오드, MOSFET 등의 반도체소자일 수 있다.

커패시터(C)는 일단이 배터리 스위치부(210)의 타단과 연결되고, 타단이 제2스위치(SW2)의 타단과 연결될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 제1스위치(SW1) 내지 제6스위치(SW6)는 컨버터(200)가 작동하는 모드에 따라 온 및 오프될 수 있다. 즉, 컨버터(200)는 제1모드, 제2모드, 제3모드 및 제4모드 중 어느 하나의 모드에 따라 작동할 수 있고, 컨버터(200)가 작동하는 모드에 따라 제1스위치(SW1) 내지 제6스위치(SW6)는 온 및 오프될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터(200)는 컨버터(200)의 작동 모드를 제어하기 위한 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

제어부(미도시)는 제1스위치(SW1) 내지 제6스위치(SW6) 각각을 제어하기 위한 스위칭 신호들을 출력할 수 있다. 예컨대, 제어부(미도시)는 각 스위치들을 제어하기 위해 PWM(Pulse Width Modulation) 신호들을 출력할 수 있고, 각 스위치들은 입력되는 PWM 신호에 따라 온 및 오프가 제어될 수 있다. 여기서, 제어부(미도시)는 컨버터(200) 내에 포함되는 구성일 수 있고, 외부에서 컨버터(200)를 제어하기 위한 구성일 수도 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터의 제1모드에 따른 작동을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터의 제1모드에 따른 동작에 대한 파형을 나타내는 도면이다.

도 4 (a)는 제1스위치(SW1) 및 제2스위치(SW2)의 온 및 오프를 제어하기 위한 제어 신호의 파형을 나타낸다. 도 4 (a)의 실선은 제1스위치(SW1)로 입력되는 제어 신호(CTR_SW1)의 파형을 나타내고, 도 4 (a)의 점선은 제2스위치(SW2)로 입력되는 제어 신호(CTR_SW2)의 파형을 나타낸다.

도 4 (b)는 제1스위치(SW1) 및 제2스위치(SW2)의 동작에 따른 인덕터(L)의 전류 파형을 나타내고, 도 4 (c)는 제1스위치(SW1) 및 제2스위치(SW2)의 동작에 따른 부하(400)의 출력 전압(Vout)의 파형을 나타낸다.

본 발명의 실시 예에 따르면 제1모드는 DC 그리드(100)에 의해 부하(400)에 전원이 공급되는 모드일 수 있다.

컨버터(200)가 제1모드로 작동 시 제3스위치(SW3) 및 제5스위치(SW5)는 오프되어 있고, 제4스위치(SW4) 및 제6스위치(SW6)는 온되어 있을 수 있다. 컨버터(200)가 제1모드로 작동 시 제1스위치(SW1) 및 제2스위치(SW2)는 번갈아가면서 온 및 오프될 수 있다.

실시 예들에 따라, 각 스위치들(SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, SW6)은 제어부(미도시)에 의해 제어될 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 제1구간(P1)에서, 제1스위치(SW1)로는 제1레벨(예컨대, 하이 레벨)의 제어 신호가 입력되고 제2스위치(SW2)로는 제2레벨(예컨대, 로우 레벨)의 제어 신호가 입력될 수 있다. 이에 따라, 제1구간(P1)에서 제1스위치(SW1)는 온되고, 제2스위치(SW2)는 오프될 수 있다. 예컨대, 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)는 상보적으로 작동할 수 있다.

제1구간(P1)에서 DC 그리드(100)로부터 입력되는 전원에 의한 전류는 온되어 있는 제1스위치(SW1)를 따라 인덕터(L)로 흐를 수 있다. 또한, 인덕터(L)로 흐른 전류는 온되어 있는 제4스위치(SW4) 및 제6스위치(SW6)를 거쳐 커패시터(C) 및 부하(400)로 전달될 수 있다. 이에 따라, 부하(400)에는 DC 그리드(100)의 전압이 공급될 수 있다. 또한, DC 그리드(100)에 의한 전압이 커패시터(C)에도 전달됨에 따라 커패시터(C)는 충전될 수 있다.

제2구간(P2)에서, 제1스위치(SW1)로는 제2레벨의 제어 신호가 입력되고 제2스위치(SW2)로는 제1레벨의 제어 신호가 입력될 수 있다. 이에 따라, 제1구간(P1)에서 제1스위치(SW1)는 오프되고, 제2스위치(SW2)는 온될 수 있다. 예컨대, 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)는 상보적으로 작동할 수 있다.

제2구간(P2)에서 DC 그리드(100)로부터 입력되는 전원에 의한 전류는 제1스위치(SW1)의 오프로 인해 부하(400)로 전달될 수 없다. 그러나, 컨버터(200)는 인덕터(L) 및 커패시터(C)를 포함하는 회로로써, LC회로일 수 있다. 즉, 커패시터(C)에 의해 부하(400) 및 인덕터(L)에는 전압이 공급될 수 있으며, 커패시터(C)의 전압에 대한 전류의 일부는 부하(400)로 전달될 수 있다. 또한, 커패시터(C)의 전압에 대한 전류의 일부는 온되어 있는 제6스위치(SW6) 및 제4스위치(SW4)를 거쳐 인덕터(L)로 흐를 수 있다. 또한, 인덕터(L)로 흐른 전류는 온되어 있는 제2스위치(SW2)를 거쳐 커패시터(C)로 전달될 수 있다. 이에 따라, 부하(400)는 계속적으로 전압이 공급될 수 있다.

제3구간(P3)에서의 컨버터(200) 또는 DC 배전 시스템(1000)의 동작은 제1구간(P1)에서의 동작과 동일하고, 제4구간(P4)에서의 동작은 제2구간(P2)에서의 동작과 동일하므로 이하 설명을 생략한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터의 제2모드에 따른 작동을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터의 제2모드에 따른 동작에 대한 파형을 나타내는 도면이다.

도 6 (a)는 제1스위치(SW1) 및 제2스위치(SW2)의 온 및 오프를 제어하기 위한 제어 신호의 파형을 나타내고, 실선은 제1스위치(SW1)로 입력되는 제어 신호(CTR_SW1)의 파형을 나타내고, 점선은 제2스위치(SW2)로 입력되는 제어 신호(CTR_SW2)의 파형을 나타낸다.

도 6 (b)는 제5스위치(SW5) 및 제6스위치(SW6)의 온 및 오프를 제어하기 위한 제어 신호의 파형을 나타내고, 실선은 제5스위치(SW5)로 입력되는 제어 신호(CTR_SW5)의 파형을 나타내고, 점선은 제6스위치(SW6)로 입력되는 제어 신호(CTR_SW6)의 파형을 나타낸다.

도 6 (c)는 제1스위치(SW1), 제2스위치(SW2), 제5스위치(SW5) 및 제6스위치(SW6)의 동작에 따른 인덕터(L)의 전류 파형을 나타내고, 도 4 (d)는 제1스위치(SW1), 제2스위치(SW2), 제5스위치(SW5) 및 제6스위치(SW6)의 동작에 따른 부하(400)의 출력 전압(Vout)의 파형을 나타낸다.

본 발명의 실시 예에 따르면 제2모드는 DC 그리드(100) 및 배터리(300)에 의해 부하(400)에 전원이 공급되는 모드일 수 있다.

컨버터(200)가 제2모드로 작동 시 제3스위치(SW3)는 오프되어 있고, 제4스위치(SW4)는 온되어 있을 수 있다. 또한, 제1스위치(SW1) 및 제2스위치(SW2)는 번갈아가면 온 및 오프될 수 있고, 제5스위치(SW5) 및 제6스위치(SW6)도 번갈아가면 온 및 오프될 수 있다.

제2스위치(SW2)가 온되는 구간의 길이는 제1스위치(SW1)가 온되는 구간의 길이와 다를 수 있다. 예컨대, 제2스위치(SW2)가 온되는 구간의 길이는 제1스위치(SW1)가 온되는 구간의 길이보다 길 수 있다.

또한, 제6스위치(SW6)가 온되는 구간의 길이는 제5스위치(SW5)가 온되는 구간의 길이와 다를 수 있다. 예컨대, 제6스위치(SW6)가 온되는 구간의 길이는 제5스위치(SW5)가 온되는 구간의 길이보다 길 수 있다.

도 5 및 도 6k 참조하면, 제1구간(P1)에서, 제1스위치(SW1) 및 제5스위치(SW5)로는 제1레벨의 제어 신호가 입력되고 제2스위치(SW2) 및 제6스위치(SW6)로는 제2레벨의 제어 신호가 입력될 수 있다. 이에 따라, 제1구간(P1)에서 제1스위치(SW1) 및 제5스위치(SW5)는 온되고, 제2스위치(SW2) 및 제6스위치(SW6)는 오프될 수 있다. 예컨대, 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)는 상보적으로 작동할 수 있다. 또한, 제5스위치(SW5)와 제6스위치(SW6)는 상보적으로 작동할 수 있다.

제1구간(P1)에서 DC 그리드(100)로부터 입력되는 전원에 의한 전류는 온되어 있는 제1스위치(SW1)를 따라 인덕터(L)로 흐를 수 있다. 또한, 인덕터(L)로 흐른 전류는 온되어 있는 제4스위치(SW4)를 거쳐 배터리(300)로 흐를 수 있다. 이때, DC 그리드(100)로부터 입력된 전원은 배터리(300)의 전원과 합쳐질 수 있고, 배터리(300)로 흐른 전류는 온되어 있는 제5스위치(SW5)를 거쳐 커패시터(C) 및 부하(400)로 전달될 수 있다. 이때, 부하(400)에는 부하(400)로 전달된 전류에 의해 DC 그리드(100)의 전원 및 배터리(300)의 전원이 합쳐진 합산전원이 공급될 수 있다. 또한, DC 그리드(100)에 의한 전압이 커패시터(C)에도 전달됨에 따라 커패시터(C)는 충전될 수 있다.

제2구간(P2)에서 제1스위치(SW1) 및 제5스위치(SW5)로는 제2레벨의 제어 신호가 입력되고 제2스위치(SW2) 및 제6스위치(SW6)로는 제1레벨의 제어 신호가 입력될 수 있다. 이에 따라, 제1구간(P1)에서 제1스위치(SW1) 및 제5스위치(SW5)는 오프되고, 제2스위치(SW2) 및 제6스위치(SW6)는 온될 수 있다. 예컨대, 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)는 상보적으로 작동할 수 있다. 또한, 제5스위치(SW5)와 제6스위치(SW6)는 상보적으로 작동할 수 있다.

제2구간(P2)에서 DC 그리드(100)로부터 입력되는 전원에 의한 전류는 제1스위치(SW1)의 오프로 인해 부하단(400)에 전달될 수 없다. 그러나, 컨버터(200)는 인덕터(L) 및 커패시터(C)를 포함하는 회로로써, LC회로일 수 있다. 즉, 커패시터(C)에 의해 부하(400) 및 인덕터(L)에는 전압이 공급될 수 있으며, 커패시터(C)의 전압에 대한 전류의 일부는 부하(400)로 전달될 수 있다. 또한, 커패시터(C)의 전압에 대한 전류의 일부는 온되어 있는 제6스위치(SW6) 및 제4스위치(SW4)를 거쳐 인덕터(L)로 흐를 수 있다. 또한, 인덕터(L)로 흐른 전류는 온되어 있는 제2스위치(SW2)를 거쳐 커패시터(C)로 전달될 수 있다. 이에 따라, 부하(400)는 계속적으로 전압이 공급될 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터의 제3모드에 따른 작동을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터의 제3모드에 따른 동작에 대한 파형을 나타내는 도면이다.

도 8 (a)는 제1스위치(SW1) 및 제2스위치(SW2)의 온 및 오프를 제어하기 위한 제어 신호의 파형을 나타내고, 실선은 제1스위치(SW1)로 입력되는 제어 신호(CTR_SW1)의 파형을 나타내고, 점선은 제2스위치(SW2)로 입력되는 제어 신호(CTR_SW2)의 파형을 나타낸다.

도 8 (b)는 제3스위치(SW3) 및 제4스위치(SW4)의 온 및 오프를 제어하기 위한 제어 신호의 파형을 나타내고, 실선은 제3스위치(SW3)로 입력되는 제어 신호(CTR_SW3)의 파형을 나타내고, 점선은 제4스위치(SW4)로 입력되는 제어 신호(CTR_SW4)의 파형을 나타낸다.

도 8 (c)는 제1스위치(SW1), 제2스위치(SW2), 제3스위치(SW3) 및 제4스위치(SW4)의 동작에 따른 인덕터(L)의 전류 파형을 나타내고, 도 8 (d)는 제1스위치(SW1), 제2스위치(SW2), 제3스위치(SW3) 및 제4스위치(SW4)의 동작에 따른 부하(400)의 출력 전압(Vout)의 파형을 나타낸다.

본 발명의 실시 예에 따르면 제3모드는 DC 그리드(100)에 의해 배터리(300)가 충전되고, 부하(400)에 전원이 공급되는 모드일 수 있다.

컨버터(200)가 제3모드로 작동 시 제5스위치(SW5)는 오프되어 있고, 제6스위치(SW6)는 온되어 있을 수 있다. 또한, 제1스위치(SW1) 및 제2스위치(SW2)는 번갈아가면 온 및 오프될 수 있고, 제3스위치(SW3) 및 제4스위치(SW4)는 번갈아가면 온 및 오프될 수 있다.

제1스위치(SW1)가 온되는 구간의 길이는 제2스위치(SW2)가 온되는 구간의 길이와 다를 수 있다. 예컨대, 제1스위치(SW1)가 온되는 구간의 길이는 제2스위치(SW2)가 온되는 구간의 길이보다 길 수 있다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 제1구간(P1)에서, 제1스위치(SW1) 및 제4스위치(SW4)로는 제1레벨의 제어 신호가 입력되고 제2스위치(SW) 및 제3스위치(SW3)로는 제2레벨의 제어 신호가 입력될 수 있다. 이에 따라, 제1구간(P1)에서 제1스위치(SW1) 및 제4스위치(SW4)는 온되고, 제2스위치(SW2) 및 제3스위치(SW3)는 오프될 수 있다. 예컨대, 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)는 상보적으로 작동할 수 있고, 제3스위치(SW3)와 제4스위치(SW4)는 상보적으로 작동할 수 있다.

제1구간(P1)에서 DC 그리드(100)로부터 입력되는 전원에 의한 전류는 온되어 있는 제1스위치(SW1)를 따라 인덕터(L)로 흐를 수 있다. 또한, 인덕터(L)로 흐른 전류는 온되어 있는 제4스위치(SW4) 및 제6스위치(SW6)를 거쳐 커패시터(C) 및 부하(400)로 전달될 수 있다. 또한, DC 그리드(100)에 의한 전압이 커패시터(C)에도 전달됨에 따라 커패시터(C)는 충전될 수 있다.

제2구간(P2)에서, 제1스위치(SW1) 및 제3스위치(SW3)로는 제1레벨의 제어 신호가 입력되고 제2스위치(SW2) 및 제4스위치(SW4)로는 제2레벨의 제어 신호가 입력될 수 있다. 이에 따라, 제2구간(P2)에서 제1스위치(SW1) 및 제3스위치(SW3)는 온되고, 제2스위치(SW2) 및 제4스위치(SW4)는 오프될 수 있다. 예컨대, 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)는 상보적으로 작동할 수 있고, 제3스위치(SW3)와 제4스위치(SW4)는 상보적으로 작동할 수 있다.

제2구간(P2)에서 DC 그리드(100)로부터 입력되는 전원에 의한 전류는 온되어 있는 제1스위치(SW1)를 따라 인덕터(L)로 흐를 수 있다. 또한, 인덕터(L)로 흐른 전류는 온되어 있는 제3스위치(SW3)를 거쳐 배터리(300)로 전달될 수 있다. 이때, DC 그리드(100)로부터 입력된 전원은 배터리(300)를 충전시킬 수 있다.

제3구간(P3)에서, 제1스위치(SW1) 및 제4스위치(SW4)로는 제2레벨의 제어 신호가 입력되고 제2스위치(SW2) 및 제3스위치(SW3)로는 제1레벨의 제어 신호가 입력될 수 있다. 이에 따라, 제3구간(P3)에서 제1스위치(SW1) 및 제4스위치(SW4)는 오프되고, 제2스위치(SW2) 및 제4스위치(SW4)는 온될 수 있다. 예컨대, 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)는 상보적으로 작동할 수 있고, 제3스위치(SW3)와 제4스위치(SW4)는 상보적으로 작동할 수 있다.

제3구간(P3)에서 DC 그리드(100)로부터 입력되는 전원에 의한 전류는 제1스위치(SW1)의 오프로 인해 부하(400)로 전달될 수 없다. 그러나, 컨버터(200)는 인덕터(L) 및 커패시터(C)를 포함하는 회로로써, LC회로일 수 있다. 즉, 커패시터(C)에 의해 부하(400) 및 인덕터(L)에는 전압이 공급될 수 있으며, 커패시터(C)의 전압에 대한 전류의 일부는 부하(400)로 전달될 수 있다. 또한, 커패시터(C)의 전압에 대한 전류의 일부는 온되어 있는 제6스위치(SW6), 배터리(300) 및 제3스위치(SW3)를 거쳐 인덕터(L)로 흐를 수 있다. 또한, 인덕터(L)로 흐른 전류는 온되어 있는 제2스위치(SW2)를 거쳐 커패시터(C)로 전달될 수 있다. 이에 따라, 부하(400)는 계속적으로 전압이 공급될 수 있다.

제4구간(P4)에서, 제1스위치(SW1) 및 제3스위치(SW3)로는 제2레벨의 제어 신호가 입력되고 제2스위치(SW2) 및 제4스위치(SW4)로는 제1레벨의 제어 신호가 입력될 수 있다. 이에 따라, 제4구간(P4)에서 제1스위치(SW1) 및 제3스위치(SW3)는 오프되고, 제2스위치(SW2) 및 제4스위치(SW4)는 온될 수 있다. 예컨대, 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)는 상보적으로 작동할 수 있고, 제3스위치(SW3)와 제4스위치(SW4)는 상보적으로 작동할 수 있다.

제4구간(P4)에서 DC 그리드(100)로부터 입력되는 전원에 의한 전류는 제1스위치(SW1)의 오프로 인해 부하(400)로 전달될 수 없다. 그러나, 컨버터(200)는 인덕터(L) 및 커패시터(C)를 포함하는 회로로써, LC회로일 수 있다. 즉, 커패시터(C)에 의해 부하(400) 및 인덕터(L)에는 전압이 공급될 수 있으며, 커패시터(C)의 전압에 대한 전류의 일부는 부하(400)로 전달될 수 있다. 또한, 커패시터(C)의 전압에 대한 전류의 일부는 온되어 있는 제6스위치(SW6) 및 제4스위치(SW4)를 거쳐 인덕터(L)로 흐를 수 있다. 또한, 인덕터(L)로 흐른 전류는 온되어 있는 제2스위치(SW2)를 거쳐 커패시터(C)로 전달될 수 있다. 이에 따라, 부하(400)는 계속적으로 전압이 공급될 수 있다.

제5구간(P5)에서의 컨버터(200) 또는 DC 배전 시스템(1000)의 동작은 제1구간(P1)에서의 동작과 동일하고, 제6구간(P6)에서의 컨버터(200) 또는 DC 배전 시스템(1000)의 동작은 제2구간(P2)에서의 동작과 동일하고, 제7구간(P7)에서의 컨버터(200) 또는 DC 배전 시스템(1000)의 동작은 제3구간(P3)에서의 동작과 동일하고, 제8구간(P8)에서의 컨버터(200) 또는 DC 배전 시스템(1000)의 동작은 제4구간(P4)에서의 동작과 동일하므로 이하 설명을 생략한다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터의 제4모드에 따른 작동을 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터의 제4모드에 따른 동작에 대한 파형을 나타내는 도면이다.

도 10 (a)는 제5스위치(SW5) 및 제6스위치(SW6)의 온 및 오프를 제어하기 위한 제어 신호의 파형을 나타낸다. 도 10 (a)의 실선은 제5스위치(SW5)로 입력되는 제어 신호(CTR_SW5)의 파형을 나타내고, 도 10 (a)의 점선은 제6스위치(SW6)로 입력되는 제어 신호(CTR_SW6)의 파형을 나타낸다.

도 10 (b)는 제5스위치(SW5) 및 제6스위치(SW6)의 동작에 따른 인덕터(L)의 전류 파형을 나타내고, 도 10 (c)는 제5스위치(SW5) 및 제6스위치(SW6)의 동작에 따른 부하(400)의 출력 전압(Vout)의 파형을 나타낸다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 제4모드는 배터리(300)에 의해 부하(400)에 전원이 공급되는 모드일 수 있다. 즉, 제4모드는 DC 그리드(100)에 오류가 발생하거나, 저부하 상태인 경우, DC 그리드(100)를 대신하여 배터리(300)가 부하(400)에 전원을 공급하도록 하는 모드일 수 있다.

컨버터(200)가 제4모드로 작동 시 제1스위치(SW1) 및 제3스위치(SW3)는 오프되어 있고, 제2스위치(SW2) 및 제4스위치(SW4)는 온되어 있을 수 있다. 또한, 제5스위치(SW5) 및 제6스위치(SW6)는 번갈아가면 온 및 오프될 수 있다.

제5스위치(SW5)가 온되는 구간의 길이는 제6스위치(SW6)가 온되는 구간의 길이와 다를 수 있다. 예컨대, 제5스위치(SW5)가 온되는 구간의 길이는 제6스위치(SW6)가 온되는 구간의 길이보다 길 수 있다.

여기서, 제1스위치(SW1)가 오프되어 있으므로, DC 그리드(100)로부터 입력되는 전원에 의한 전류는 부하단(400)에 전달될 수 없고, 이에 따라, 배터리(300)를 통해 부하(400)에 전원을 공급해 줄 수 있다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 제1구간(P1)에서, 제5스위치(SW5)로는 제1레벨의 제어 신호가 입력되고 제6스위치(SW6)로는 제2레벨의 제어 신호가 입력될 수 있다. 이에 따라, 제1구간(P1)에서 제5스위치(SW5)는 온되고, 제6스위치(SW6)는 오프될 수 있다. 예컨대, 제5스위치(SW5)와 제6스위치(SW6)는 상보적으로 작동할 수 있다.

제1구간(P1)에서 배터리(300)에 의해 흐르는 전류는 온되어 있는 제5스위치(SW5)를 거쳐 커패시터(C) 및 부하(400)로 전달될 수 있다.

제2구간(P2)에서, 제5스위치(SW5)로는 제2레벨의 제어 신호가 입력되고 제6스위치(SW6)로는 제1레벨의 제어 신호가 입력될 수 있다. 이에 따라, 제1구간(P1)에서 제5스위치(SW5)는 오프되고, 제6스위치(SW6)는 온될 수 있다. 예컨대, 제5스위치(SW5)와 제6스위치(SW6)는 상보적으로 작동할 수 있다.

제2구간(P2)에서 배터리(300) 전원에 의한 전류는 제5스위치(SW5)의 오프로 인해 부하(400)로 전달될 수 없다. 그러나, 컨버터(200)는 인덕터(L) 및 커패시터(C)를 포함하는 회로로써, LC회로일 수 있다. 즉, 커패시터(C)에 의해 부하(400) 및 인덕터(L)에는 전압이 공급될 수 있으며, 커패시터(C)의 전압에 대한 전류의 일부는 부하(400)로 전달될 수 있다. 또한, 커패시터(C)의 전압에 대한 전류의 일부는 온되어 있는 제6스위치(SW6) 및 제4스위치(SW4)를 거쳐 인덕터(L)로 흐를 수 있다. 또한, 인덕터(L)로 흐른 전류는 온되어 있는 제2스위치(SW2)를 거쳐 커패시터(C)로 전달될 수 있다. 이에 따라, 부하(400)는 계속적으로 전압이 공급될 수 있다.

제3구간(P3)에서의 컨버터(200) 또는 DC 배전 시스템(1000)의 동작은 제1구간(P1)에서의 동작과 동일하고, 제4구간(P4)에서의 컨버터(200) 또는 DC 배전 시스템(1000)의 동작은 제2구간(P2)에서의 동작과 동일하므로 이하 설명을 생략한다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면 DC 배전에 있어서 하나의 인덕터를 포함하는 컨버터를 이용하여 DC 그리드의 전원 또는 배터리의 전원을 부하로 전달할 수 있도록 한 DC 배전을 위한 컨버터 및 DC 배전 시스템을 실현할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: DC 그리드
200: 컨버터
210: 배터리 스위치부
300: 배터리
400: 부하

Claims

DC 그리드로부터 입력된 전원을 배터리 및 부하로 전달하기 위한 컨버터에 있어서,
일단이 상기 DC 그리드의 일단과 연결되는 제1스위치;
일단이 상기 제1스위치의 타단과 연결되고, 타단이 상기 DC 그리드의 타단과 연결되는 제2스위치;
일단이 상기 제1스위치의 타단 및 상기 제2스위치의 일단과 연결되는 인덕터;
일단이 상기 인덕터의 타단과 연결되는 배터리 스위치부; 및
일단이 상기 배터리 스위치부의 타단과 연결되고, 타단이 상기 제2스위치의 타단과 연결되는 커패시터를 포함하고,
상기 배터리 스위치부는,
제3스위치, 제4스위치, 제5스위치 및 제6스위치를 포함하고,
상기 제3스위치와 상기 제4스위치는 직렬로 연결되고,
상기 제5스위치와 상기 제6스위치는 직렬로 연결되는 DC 배전을 위한 컨버터.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제3스위치 및 제4스위치의 각 일단은 배터리와 연결되고, 상기 제3스위치 및 제4스위치의 각 타단은 상기 인덕터와 연결되고,
상기 제5스위치 및 제6스위치의 각 일단은 배터리와 연결되고, 상기 제5스위치 및 제6스위치의 각 타단은 상기 커패시터와 연결되는 DC 배전을 위한 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 컨버터는,
상기 DC 그리드에 의해 상기 부하에 전원이 공급되는 제1모드;
상기 DC 그리드 및 상기 배터리에 의해 상기 부하에 전원이 공급되는 제2모드;
상기 DC 그리드에 의해 상기 배터리가 충전되고, 상기 부하에 전원이 공급되는 제3모드;
상기 배터리에 의해 상기 부하에 전원이 공급되는 제4모드 중 어느 하나의 모드에 따라 작동하고,
상기 제1스위치 내지 상기 제6스위치는 상기 제1모드 내지 상기 제4모드 중 어느 하나의 모드에 따라 온 및 오프되는 DC 배전을 위한 컨버터.
제4항에 있어서,
상기 컨버터가 상기 제1모드로 작동할 때,
상기 제3스위치 및 상기 제5스위치는 오프되고, 상기 제4스위치 및 상기 제6스위치는 온되며, 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치는 번갈아가면 온 및 오프되고,
상기 제1스위치가 온되고, 제2스위치가 오프된 경우, 상기 DC 그리드에 의해 상기 부하에 전원이 공급되는 DC 배전을 위한 컨버터.
제4항에 있어서,
상기 컨버터가 상기 제2모드로 작동할 때,
상기 제3스위치는 오프되고, 상기 제4스위치는 온되고, 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치는 번갈아가며 온 및 오프되고, 상기 제5스위치 및 상기 제6스위치는 번갈아가며 온 및 오프되고,
상기 제1스위치 및 상기 제5스위치가 온되고, 제2스위치 및 제6스위치가 오프된 경우, 상기 부하에는 상기 DC 그리드의 전원 및 상기 배터리의 전원이 합쳐진 합산전원이 공급되는 DC 배전을 위한 컨버터.
제4항에 있어서,
상기 컨버터가 상기 제3모드로 작동할 때,
상기 제5스위치가 오프되고, 상기 제6스위치가 온되고, 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치가 번갈아가며 온 및 오프되고, 상기 제3스위치 및 상기 제4스위치가 번갈아가며 온 및 오프되고,
상기 제1스위치 및 상기 제3스위치가 온되고, 상기 제2스위치 및 상기 제4스위치가 오프된 경우, 상기 DC 그리드에 의해 상기 배터리가 충전되고,
상기 제1스위치 및 상기 제4스위치가 온되고, 상기 제2스위치 및 상기 제3스위치가 오프된 경우, 상기 DC 그리드에 의해 상기 부하에 전원이 공급되는 DC 배전을 위한 컨버터.
제4항에 있어서,
상기 컨버터가 상기 제4모드로 작동할 때,
상기 제1스위치 및 제3스위치가 오프되고, 상기 제2스위치 및 상기 제4스위치가 온되고, 상기 제5스위치 및 상기 제6스위치가 번갈아가며 온 및 오프되고,
상기 제5스위치가 온되고, 상기 제6스위치가 오프된 경우, 상기 배터리에 의해 상기 부하에 전원이 공급되는 DC 배전을 위한 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 컨버터는 상기 컨버터의 작동 모드를 제어하기 위한 제어부를 더 포함하는 DC 배전을 위한 컨버터.
제9항에 있어서,
상기 제어부는 상기 제1스위치, 상기 제2스위치 및 상기 배터리 스위치부 각각을 제어하기 위한 스위칭 신호들을 출력하는 DC 배전을 위한 컨버터.
전원을 공급하는 DC 그리드와 연결되고, 상기 전원을 부하 및 배터리로 전달하는 컨버터; 및
상기 컨버터와 연결되고, 상기 컨버터를 통해 상기 DC 그리드로부터 전원을 공급받아 충전하거나 또는 상기 부하로 전원을 공급하는 상기 배터리를 포함하고,
상기 컨버터는 인덕터, 커패시터, 제1스위치, 제2스위치, 제3스위치, 제4스위치, 제5스위치 및 제6스위치를 포함하고,
상기 제1스위치는 일단이 상기 DC 그리드의 일단과 연결되고,
상기 제2스위치는 일단이 상기 제1스위치의 타단과 연결되고, 타단이 상기 DC 그리드의 타단과 연결되고,
상기 인덕터는 일단이 상기 제1스위치의 타단 및 상기 제2스위치의 일단과 연결되고,
상기 제3스위치 및 상기 제4스위치의 일단은 배터리와 연결되고, 타단은 상기 인덕터와 연결되고,
상기 제5스위치 및 상기 제6스위치의 일단은 배터리와 연결되고, 타단은 상기 커패시터와 연결되는 DC 배전 시스템.
제11항에 있어서,
상기 컨버터는,
상기 DC 그리드에 의해 상기 부하에 전원이 공급되는 제1모드;
상기 DC 그리드 및 상기 배터리에 의해 상기 부하에 전원이 공급되는 제2모드;
상기 DC 그리드에 의해 상기 배터리가 충전되고, 상기 부하에 전원이 공급되는 제3모드;
상기 배터리에 의해 상기 부하에 전원이 공급되는 제4모드 중 어느 하나의 모드에 따라 작동하고,
상기 제1스위치 내지 상기 제6스위치는 상기 제1모드 내지 상기 제4모드 중 어느 하나의 모드에 따라 온 및 오프되는 DC 배전 시스템.
제12항에 있어서,
상기 컨버터가 상기 제1모드로 작동할 때,
상기 제3스위치 및 상기 제5스위치는 오프되고, 상기 제4스위치 및 상기 제6스위치는 온되며, 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치는 번갈아가면 온 및 오프되고,
상기 제1스위치가 온되고, 제2스위치가 오프된 경우, 상기 DC 그리드에 의해 상기 부하에 전원이 공급되는 DC 배전 시스템.
제12항에 있어서,
상기 컨버터가 상기 제2모드로 작동할 때,
상기 제3스위치는 오프되고, 상기 제4스위치는 온되고, 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치는 번갈아가며 온 및 오프되고, 상기 제5스위치 및 상기 제6스위치는 번갈아가며 온 및 오프되고,
상기 제1스위치 및 상기 제5스위치가 온되고, 제2스위치 및 제6스위치가 오프된 경우, 상기 부하에는 상기 DC 그리드의 전원 및 상기 배터리의 전원이 합쳐진 합산전원이 공급되는 DC 배전 시스템.
제12항에 있어서,
상기 컨버터가 상기 제3모드로 작동할 때,
상기 제5스위치가 오프되고, 상기 제6스위치가 온되고, 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치가 번갈아가며 온 및 오프되고, 상기 제3스위치 및 상기 제4스위치가 번갈아가며 온 및 오프되고,
상기 제1스위치 및 상기 제3스위치가 온되고, 상기 제2스위치 및 상기 제4스위치가 오프된 경우, 상기 DC 그리드에 의해 상기 배터리가 충전되고,
상기 제1스위치 및 상기 제4스위치가 온되고, 상기 제2스위치 및 상기 제3스위치가 오프된 경우, 상기 DC 그리드에 의해 상기 부하에 전원이 공급되는 DC 배전 시스템.
제12항에 있어서,
상기 컨버터가 상기 제4모드로 작동할 때,
상기 제1스위치 및 제3스위치가 오프되고, 상기 제2스위치 및 상기 제4스위치가 온되고, 상기 제5스위치 및 상기 제6스위치가 번갈아가며 온 및 오프되고,
상기 제5스위치가 온되고, 상기 제6스위치가 오프된 경우, 상기 배터리에 의해 상기 부하에 전원이 공급되는 DC 배전 시스템.