KR102550710B1 - 브리지리스 부스트 컨버터 및 이를 포함하는 하이브리드배전 시스템 - Google Patents

브리지리스 부스트 컨버터 및 이를 포함하는 하이브리드배전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 교류 그리드전압 또는 직류 그리드전압에 각각 연결되는 제1 및 제2릴레이스위치와; 상기 교류 그리드전압 또는 상기 직류 그리드전압와 상기 제1 및 제2릴레이스위치에 연결되는 릴레이와; 상기 릴레이 및 상기 제2릴레이스위치에 연결되는 제1인덕터와; 상기 릴레이에 연결되는 제2인덕터와; 상기 제1인덕터에 연결되는 제1 및 제3스위치와; 상기 제2인덕터에 연결되는 제2 및 제3스위치와; 상기 제1 내지 제4스위치에 연결되고, 직류 링크전압을 출력하는 링크 커패시터를 포함하는 하이브리드배전 시스템을 제공한다.

Description

브리지리스 부스트 컨버터 및 이를 포함하는 하이브리드배전 시스템 {Bridgeless Boost Converter And Hybrid Distribution System Including The Same}
본 발명은 브리지리스 부스트 컨버터에 관한 것으로, 특히 교류 및 직류 그리드전압에 적용가능하고 전력변환 효율이 향상되는 브리지리스 부스트 컨버터 및 이를 포함하는 하이브리드배전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 배전 시스템은 교류배전 시스템과 직류배전 시스템으로 구분할 수 있다. 기존에는 주로 교류배전 시스템을 사용하였으나, 최근에는 직류배전 시스템의 장점이 부감됨에 따라 직류배전 시스템을 사용하는 지역이 점점 증가하는 추세이다. 이와 같은 직류배전 시스템의 확대 및 보급에 맞추어 교류배전 시스템뿐만 아니라 직류배전 시스템에도 적용 가능한 전력변환부가 요구되고 있다.
교류배전 시스템에 적용 가능하도록 설계된 전력변환부는 직류배전 시스템에 사용할 수 없고, 직류배전 시스템에 적용 가능하도록 설계된 전력변환부는 교류배전 시스템에 사용할 수 없다. 이에 따라 교류배전 시스템 및 직류배전 시스템 사이에 전력변환부의 호환이 불가능한 문제가 있다. 예를 들어, 교류배전 시스템의 설치지역에서 사용되던 전력변환부를 직류배전 시스템의 설치지역에서는 더 이상 사용하지 못하게 되는 문제가 있다.
도 1은 종래의 교류배전 시스템을 도시한 블록도이고, 도 2는 종래의 교류배전 시스템을 도시한 회로도이고, 도 3은 종래의 교류배전 시스템의 다수의 파형을 도시한 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 교류배전 시스템(10)은, 교류입력부(20), 필터 및 정류기(filter and rectifier)(25), 역률교정회로(power factor correction circuit: PFC circuit)(30), 직류/직류 컨버터(35), 부하(load)(40)를 포함한다.
교류입력부(20)로 입력된 교류 그리드전압은 필터 및 정류기(25)를 통하여 직류로 변경되고, 역률교정회로(30)를 통하여 피상전력에 대한 유효전력의 비인 역률이 1에 가깝게 교정되고, 직류/직류 컨버터(35)를 통하여 전압이 변경되어, 부하(40)에 전달된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 종래의 교류배전 시스템(10)은, 교류 그리드전압(Vgd)을 인가받아 직류 링크전압(Vlk)을 출력하고, 이를 위하여 제1 내지 제5다이오드(D1 내지 D5), 인덕터(L), 스위치(Q), 링크 커패시터(Clk), 링크 저항(Rlk)을 포함한다.
제1 및 제3다이오드(D1, D3)는 직렬로 연결되고, 제2 및 제4다이오드(D2, D4)는 직렬로 연결되고, 제1 및 제3다이오드(D1, D3)와 제2 및 제4다이오드(D2, D4)는 병렬로 연결되고, 제1 및 제3다이오드(D1, D3)의 연결노드는 교류 그리드전압(Vgd)의 제1전극에 연결되고, 제2 및 제4다이오드(D2, D4)의 연결노드는 교류 그리드전압(Vgd)의 제2전극에 연결된다.
교류 그리드전압(Vgd)은 제1 내지 제4다이오드(D1 내지 D4)를 통하여 직류 정류전압으로 변경된다.
인덕터(L)의 제1전극은 제1 및 제2다이오드(D1, D2)의 음극에 연결되고, 인덕터(L)의 제2전극은 제5다이오드(D5)의 양극과 스위치(Q)의 제1전극에 연결되고, 스위치(Q)의 제2전극은 제3 및 제4다이오드(D3, D4)의 양극에 연결되고, 스위치(Q)는 부스트신호(Vbt)에 따라 스위칭 된다.
링크 커패시터(Clk)의 제1전극과 링크 저항(Rlk)의 제1전극은 제5다이오드의 음극에 연결되고, 링크 커패시터(Clk)의 제2전극과 링크 저항(Rlk)의 제2전극은 스위치(Q)의 제2전극에 연결된다.
직류 정류전압은 인덕터(L), 스위치(Q), 제5다이오드(D5)를 통하여 직류 링크전압(Vlk)으로 변경된다.
도 3에 도시한 바와 같이, 그리드전압(Vgd) 및 그리드전류(Igd)는, 제1구간(T1) 동안 중간값(약 0V, 약 0A)에서 최고값(약 +311V, 약 +10A)으로 증가하다가 다시 중간값으로 감소하고, 제2구간(T2) 동안 중간값에서 최저값(약 -311V, 약 -10A)으로 감소하다가 다시 중간값으로 증가한다. 편의상 그리드전압(Vgd)은 0.035배로 축소하여 도시한다.
그리고, 링크전압(Vlk)은 제1 및 제2구간(T1, T2) 동안 중간값(약 +400V)으로 출력된다.
즉, 종래의 교류배전 시스템(10)은, 약 +311V 내지 약 -311V의 교류 그리드전압(Vgd)을 약 +400V의 직류 링크전압(Vlk)으로 변경하여 출력하는데, 필터 및 정류기(25), 역률교정회로(30), 직류/직류 컨버터(35)의 3개의 스테이지를 거쳐서 출력하므로, 상대적으로 낮은 전력변환 효율을 갖는다.
한편, 이러한 종래의 교류배전 시스템(10)에 교류 그리드전압(Vgd) 대신 직류 그리드전압을 입력할 경우, 제1 내지 제4다이오드(D1 내지 D4) 중 2개를 통하여 전류가 흐르고 인덕터(L), 스위치(Q), 제5다이오드(D5)에 의하여 직류 링크전압(Vlk)이 출력된다.
즉, 스위치(Q)가 온 상태 일 때 제1 내지 제4다이오드(D1 내지 D4) 중 2개, 인덕터(L), 스위치(Q)의 전류경로를 통하여 인덕터(L)에 전류가 축적되고(build-up), 스위치(Q)가 오프 상태 일 때 제1 내지 제4다이오드(D1 내지 D4) 중 2개, 인덕터(L), 제5다이오드(D5), 링크 커패시터(Clk)의 전류경로를 통하여 링크 커패시터(Clk)에 전하가 축적되는데(powering), 전류경로를 구성하는 소자의 개수가 증가하여 상대적으로 큰 손실이 발생하고 전력변환 효율이 저하되는 문제가 있다.
도 4는 종래의 직류배전 시스템을 도시한 블록도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 종래의 직류배전 시스템(50)은, 직류입력부(60), 직류/직류 컨버터(65), 부하(70)를 포함한다.
직류입력부(60)로 입력된 직류 그리드전압은 직류/직류 컨버터(65)를 통하여 전압이 변경되어 부하(70)에 전달된다.
즉, 종래의 직류배전 시스템(50)은, 직류/직류 컨버터(65)의 1개의 스테이지를 거쳐서 직류 링크전압을 출력하므로, 상대적으로 높은 전력변환 효율을 갖는다.
이와 같이, 종래의 교류배전 시스템 및 직류배전 시스템 사이에는 전력변환부의 호환이 불가능한 문제가 있고, 전력변환 효율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은, 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 교류 또는 직류 그리드전압을 입력받아 직류 링크전압을 출력함으로써, 교류 그리드전압 및 직류 그리드전압에 대한 호환성이 향상되는 브리지리스 부스트 컨버터 및 이를 포함하는 하이브리드배전 링크전압 가변 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은, 2개의 인덕터를 교차 구동함으로써, 평균전류가 감소되고 전력변환 효율이 향상되는 브리지리스 부스트 컨버터 및 이를 포함하는 하이브리드배전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 교류 그리드전압 또는 직류 그리드전압에 각각 연결되는 제1 및 제2릴레이스위치와; 상기 교류 그리드전압 또는 상기 직류 그리드전압과 상기 제1 및 제2릴레이스위치에 연결되는 릴레이와; 상기 릴레이 및 상기 제2릴레이스위치에 연결되는 제1인덕터와; 상기 릴레이에 연결되는 제2인덕터와; 상기 제1인덕터에 연결되는 제1 및 제3스위치와; 상기 제2인덕터에 연결되는 제2 및 제4스위치와; 상기 제1 내지 제4스위치에 연결되고, 직류 링크전압을 출력하는 링크 커패시터를 포함하는 하이브리드배전 시스템을 제공한다.
그리고, 상기 릴레이는 제1 내지 제3전극을 포함하는 3로 스위치이고, 상기 릴레이의 제1전극은 상기 제2인덕터에 연결되고, 상기 릴레이의 제2전극은 상기 교류 그리드전압 또는 상기 직류 그리드전압의 제2전극과 상기 제1릴레이스위치에 연결되고, 상기 릴레이의 제3전극은 상기 교류 그리드전압 또는 상기 직류 그리드전압의 제1전극과 상기 제2릴레이스위치에 연결될 수 있다.
또한, 상기 교류 그리드전압이 입력되면 상기 릴레이의 상기 제1 및 제2전극이 연결되고, 상기 직류 그리드전압이 입력되면 상기 릴레이의 상기 제1 및 제3전극이 연결될 수 있다.
그리고, 상기 교류 그리드전압이 입력되면 상기 릴레이는 상기 제2인덕터 및 상기 제1릴레이스위치를 연결하고, 상기 교류 그리드전압이 양의 값을 갖는 구간 동안, 상기 제1릴레이 스위치는 온 상태를 갖고, 상기 제2릴레이스위치와 상기 제2 및 제4스위치는 각각 오프 상태를 갖고, 상기 제1 및 제3스위치는 주기적 및 상보적으로 스위칭 되고, 상기 교류 그리드전압이 음의 값을 갖는 구간 동안, 상기 제2릴레이스위치는 온 상태를 갖고, 상기 제1릴레이스위치와 상기 제1 및 제3스위치는 오프 상태를 갖고, 상기 제2 및 제4스위치는 주기적 및 상보적으로 스위칭 될 수 있다.
또한, 상기 교류 그리드전압이 양의 값을 갖고 상기 제1릴레이스위치 및 상기 제1스위치가 온 상태를 갖고 상기 제3스위치가 오프 상태를 갖는 동안, 상기 교류 그리드전압, 상기 제1인덕터, 상기 제1스위치 및 상기 제1릴레이스위치의 전류경로를 통하여 빌드업(build-up) 동작이 수행되고, 상기 교류 그리드전압이 양의 값을 갖고 상기 제1릴레이스위치 및 상기 제3스위치가 온 상태를 갖고 상기 제1스위치가 오프 상태를 갖는 동안, 상기 교류 그리드전압, 상기 제1인덕터, 상기 제3스위치, 상기 링크 커패시터 및 상기 제1릴레이스위치의 전류경로를 통하여 파워링(powering) 동작이 수행될 수 있다.
그리고, 상기 교류 그리드전압이 음의 값을 갖고 상기 제2릴레이스위치 및 상기 제2스위치가 온 상태를 갖고 상기 제4스위치가 오프 상태를 갖는 동안, 상기 교류 그리드전압, 상기 릴레이, 상기 제2인덕터, 상기 제2스위치 및 상기 제2릴레이스위치의 전류경로를 통하여 빌드업(build-up) 동작이 수행되고, 상기 교류 그리드전압이 음의 값을 갖고 상기 제2릴레이스위치 및 상기 제4스위치가 온 상태를 갖고 상기 제2스위치가 오프 상태를 갖는 동안, 상기 교류 그리드전압, 상기 릴레이, 상기 제2인덕터, 상기 제4스위치, 상기 링크 커패시터 및 상기 제2릴레이스위치의 전류경로를 통하여 파워링(powering) 동작이 수행될 수 있다.
또한, 상기 직류 그리드전압이 입력되면 상기 릴레이는 상기 제2인덕터 및 상기 제2릴레이스위치를 연결하고, 제1직류모드 동안, 상기 제1릴레이 스위치는 온 상태를 갖고, 상기 제2릴레이스위치와 상기 제2 및 제4스위치는 각각 오프 상태를 갖고, 상기 제1 및 제3스위치는 주기적 및 상보적으로 스위칭 되고, 제2직류모드 동안, 상기 제1릴레이스위치는 온 상태를 갖고, 상기 제2릴레이스위치와 상기 제1 및 제3스위치는 오프 상태를 갖고, 상기 제2 및 제4스위치는 주기적 및 상보적으로 스위칭 될 수 있다.
그리고, 상기 제1직류모드에서 상기 제1릴레이스위치 및 상기 제1스위치가 온 상태를 갖고 상기 제3스위치가 오프 상태를 갖는 동안, 상기 직류 그리드전압, 상기 제1인덕터, 상기 제1스위치, 상기 제1릴레이스위치의 전류경로를 통하여 빌드업(build-up) 동작이 수행되고, 상기 제1직류모드에서 상기 제1릴레이스위치 및 상기 제3스위치가 온 상태를 갖고 제1스위치가 오프 상태를 갖는 동안, 상기 직류 그리드전압, 상기 제1인덕터, 상기 제3스위치, 상기 링크 커패시터, 상기 제1릴레이스위치의 전류경로를 통하여 파워링(powering) 동작이 수행될 수 있다.
또한, 상기 제2직류모드에서 상기 제1릴레이스위치 및 상기 제2스위치가 온 상태를 갖고 상기 제4스위치가 오프 상태를 갖는 동안, 상기 직류 그리드전압, 상기 릴레이, 상기 제2인덕터, 상기 제2스위치, 상기 제1릴레이스위치의 전류경로를 통하여 빌드업(build-up) 동작이 수행되고, 상기 제2직류모드에서 상기 제1릴레이스위치 및 상기 제4스위치가 온 상태를 갖고 상기 제2스위치가 오프 상태를 갖는 동안, 상기 직류 그리드전압, 상기 릴레이, 상기 제2인덕터, 상기 제4스위치, 상기 링크 커패시터, 상기 제1릴레이스위치의 전류경로를 통하여 파워링(powering) 동작이 수행될 수 있다.
그리고, 상기 릴레이는 3로 스위치를 포함하고, 상기 제1 및 제2릴레이스위치는 각각 제1 및 제2릴레이다이오드를 포함하고, 상기 제1 및 제2스위치는 각각 전계 효과 트랜지스터의 제1 및 제2트랜지스터를 포함하고, 상기 제3 및 제4스위치는 각각 제3 및 제4다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 릴레이는, 백투백 스위치 형태로 연결되는 양극성 접합 트랜지스터의 제1 및 제2릴레이트랜지스터와 백투백 스위치 형태로 연결되는 양극성 접합 트랜지스터의 제3 및 제4릴레이트랜지스터를 포함하고, 상기 제1 및 제2릴레이스위치는 각각 제1 및 제2릴레이다이오드를 포함하고, 상기 제1 및 제2스위치는 각각 전계 효과 트랜지스터의 제1 및 제2트랜지스터를 포함하고, 상기 제3 및 제4스위치는 각각 제3 및 제4다이오드를 포함할 수 있다.
본 발명은, 교류 또는 직류 그리드전압을 입력받아 직류 링크전압을 출력함으로써, 교류 그리드전압 및 직류 그리드전압에 대한 호환성이 향상되는 효과를 갖는다.
그리고, 본 발명은, 2개의 인덕터를 교차 구동함으로써, 평균전류가 감소되고 전력변환 효율이 향상되는 효과를 갖는다.
도 1은 종래의 교류배전 시스템을 도시한 블록도.
도 2는 종래의 교류배전 시스템을 도시한 회로도.
도 3은 종래의 교류배전 시스템의 다수의 파형을 도시한 도면.
도 4는 종래의 직류배전 시스템을 도시한 블록도.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드배전 시스템을 도시한 도면.
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드배전 시스템의 양 및 음의 교류 그리드전압이 입력되는 경우의 동작상태를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드배전 시스템의 교류 그리드전압이 입력되는 경우의 파형을 도시한 도면.
도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드배전 시스템의 직류 그리드전압이 입력되는 제1 및 제2직류모드의 동작상태를 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드배전 시스템의 직류 그리드전압이 입력되는 경우의 파형을 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드배전 시스템을 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 하이브리드배전 시스템을 도시한 도면.
이하, 본 발명의 구체적인 내용을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드배전 시스템을 도시한 도면이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드배전 시스템(110)은, 교류 그리드전압(Vgdac) 또는 직류 그리드전압(Vgddc)을 입력 받아 직류 링크전압(Vlk)을 출력한다.
이를 위하여, 하이브리드배전 시스템(110)은, 릴레이(RL), 제1 및 제2릴레이스위치(Qr1, Qr2), 제1 내지 제4스위치(Q1 내지 Q4), 제1 및 제2인덕터(L1, L2), 링크 커패시터(Clk)를 포함한다.
릴레이(RL)의 제1전극(e1)은 제2인덕터(L2)의 제1전극에 연결되고, 릴레이(RL)의 제2전극(e2)은 교류 그리드전압(Vgdac) 또는 직류 그리드전압(Vgddc)의 제2전극, 제1릴레이스위치(Qr1)의 제1전극에 연결되고, 릴레이(RL)의 제3전극(e3)은 교류 그리드전압(Vgdac) 또는 직류 그리드전압(Vgddc)의 제1전극, 제1인덕터(L1)의 제1전극, 제2릴레이스위치(Qr2)의 제1전극에 연결된다.
제1릴레이스위치(Qr1)의 제1전극은 교류 그리드전압(Vgdac) 또는 직류 그리드전압(Vgddc)의 제2전극, 릴레이(RL)의 제2전극(e2)에 연결되고, 제1릴레이스위치(Qr1)의 제2전극은 제2릴레이스위치(Qr2)의 제2전극, 제1스위치(Q1)의 제2전극, 제2스위치(Q2)의 제2전극, 링크 커패시터(Clk)의 제2전극에 연결된다.
제2릴레이스위치(Qr2)의 제1전극은 교류 그리드전압(Vgdac) 또는 직류 그리드전압(Vgddc)의 제1전극, 릴레이(RL)의 제3전극(e3)에 연결되고, 제2릴레이스위치(Qr2)의 제2전극은 제1릴레이스위치(Qr1)의 제2전극, 제1스위치(Q1)의 제2전극, 제2스위치(Q2)의 제2전극, 링크 커패시터(Clk)의 제2전극에 연결된다.
제1인덕터(L1)의 제1전극은 교류 그리드전압(Vgdac) 또는 직류 그리드전압(Vgddc)의 제1전극, 릴레이(RL)의 제3전극(e3), 제2릴레이스위치(Qr2)의 제1전극에 연결되고, 제1인덕터(L1)의 제2전극은 제1스위치(Q1)의 제1전극, 제3스위치(Q3)의 제2전극에 연결된다.
제2인덕터(L2)의 제1전극은 릴레이(RL)의 제1전극(e1)에 연결되고, 제2인덕터(L2)의 제2전극은 제2스위치(Q2)의 제1전극, 제4스위치(Q4)의 제2전극에 연결된다.
제1스위치(Q1)의 제1전극은 제1인덕터(L1)의 제2전극, 제3스위치(Q3)의 제2전극에 연결되고, 제1스위치(Q1)의 제2전극은 제1릴레이스위치(Qr1)의 제2전극, 제2릴레이스위치(Qr2)의 제2전극, 제2스위치(Q2)의 제2전극, 링크 커패시터(Clk)의 제2전극에 연결된다.
제2스위치(Q2)의 제1전극은 제2인덕터(L2)의 제2전극, 제4스위치(Q4)의 제2전극에 연결되고, 제2스위치(Q2)의 제2전극은 제1릴레이스위치(Qr1)의 제2전극, 제2릴레이스위치(Qr2)의 제2전극, 제1스위치(Q1)의 제2전극, 링크 커패시터(Clk)의 제2전극에 연결된다.
제3스위치(Q3)의 제1전극(e1)은 제4스위치(Q4)의 제1전극, 링크 커패시터(Clk)의 제1전극에 연결되고, 제3스위치(Q3)의 제2전극은 제1인덕터(L1)의 제2전극, 제1스위치(Q1)의 제1전극에 연결된다.
제4스위치(Q4)의 제1전극은 제3스위치(Q3)의 제1전극, 링크 커패시터(Clk)의 제1전극에 연결되고, 제4스위치(Q4)의 제2전극은 제2인덕터(L2)의 제2전극, 제2스위치(Q2)의 제1전극에 연결된다.
링크 커패시터(Clk)의 제1전극은 제3스위치(Q3)의 제1전극, 제4스위치(Q4)의 제1전극에 연결되고, 링크 커패시터(Clk)의 제2전극은 제1릴레이스위치(Qr1)의 제2전극, 제2릴레이스위치(Qr2)의 제2전극, 제1스위치(Q1)의 제2전극, 제2스위치(Q2)의 제2전극에 연결된다.
하이브리드배전 시스템(110)은, 교류 그리드전압(Vgdac)이 입력되면 릴레이(RL)의 제1 및 제2전극(e1, e2)이 연결되고, 직류 그리드전압(Vgddc)이 입력되면 릴레이(RL)의 제1 및 제3전극(e1, e3)이 연결되도록 동작하는데, 이를 도면을 참조하여 설명한다.
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드배전 시스템의 양 및 음의 교류 그리드전압이 입력되는 경우의 동작상태를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드배전 시스템의 교류 그리드전압이 입력되는 경우의 파형을 도시한 도면으로, 도 5를 함께 참조하여 설명한다.
도 6a, 도 6b 및 도 7에 도시한 바와 같이, 하이브리드배전 시스템(110)에 교류 그리드전압(Vgdac)이 입력될 경우, 릴레이(RL)의 제1전극(e1)은 제2전극(e2)에 연결된다.
구체적으로, 도 6a 및 도 7에 도시한 바와 같이, 교류 그리드전압(Vgdac)이 양의 값을 갖고 제1인덕터(L1)가 이용되는 제11구간(T11) 동안, 제1릴레이스위치(Qr1)는 지속적으로 온(on) 상태를 갖고, 제2릴레이스위치(Qr2), 제2 및 제4스위치(Q2, Q4)는 각각 지속적으로 오프(off) 상태를 갖는다.
제1 및 제3스위치(Q1, Q3)는 주기적으로 스위칭 되어 온 상태 및 오프 상태를 교대로 갖는데, 서로 상보적(complementary)으로 스위칭 되어 제1스위치(Q1)가 온 상태를 가질 때 제3스위치(Q3)는 오프 상태를 갖고 제1스위치(Q1)가 오프 상태를 가질 때 제3스위치(Q3)는 온 상태를 갖는다.
즉, 제1릴레이스위치(Qr1) 및 제1스위치(Q1)가 온 상태를 갖고 제3스위치(Q3)가 오프 상태를 갖는 동안 교류 그리드전압(Vgdac), 제1인덕터(L1), 제1스위치(Q1), 제1릴레이스위치(Qr1)의 전류경로를 통하여 제1인덕터(L1)의 전류가 증가하는 빌드업(build-up) 동작이 수행되어 제1인덕터(L1)에 전류가 축적되고, 제1릴레이스위치(Qr1) 및 제3스위치(Q3)가 온 상태를 갖고 제1스위치(Q1)가 오프 상태를 갖는 동안 교류 그리드전압(Vgdac), 제1인덕터(L1), 제3스위치(Q3), 링크 커패시터(Clk), 제1릴레이스위치(Qr1)의 전류경로를 통하여 제1인덕터(L1)의 제2전극의 전압이 증가하는 파워링(powering) 동작이 수행되어 링크 커패시터(Clk)에 전하가 축적된다.
그리고, 도 6b 및 도 7에 도시한 바와 같이, 교류 그리드전압(Vgdac)이 음의 값을 갖고 제2인덕터(L2)가 이용되는 제12구간(T12) 동안, 제2릴레이스위치(Qr2)는 지속적으로 온 상태를 갖고, 제1릴레이스위치(Qr1), 제1 및 제3스위치(Q1, Q3)는 각각 지속적으로 오프 상태를 갖는다.
제2 및 제4스위치(Q2, Q4)는 주기적으로 스위칭 되어 온 상태 및 오프 상태를 교대로 갖는데, 서로 상보적(complementary)으로 스위칭 되어 제2스위치(Q2)가 온 상태를 가질 때 제4스위치(Q4)는 오프 상태를 갖고 제2스위치(Q2)가 오프 상태를 가질 때 제4스위치(Q4)는 온 상태를 갖는다.
즉, 제2릴레이스위치(Qr2) 및 제2스위치(Q2)가 온 상태를 갖고 제4스위치(Q4)가 오프 상태를 갖는 동안 교류 그리드전압(Vgdac), 릴레이(RL), 제2인덕터(L2), 제2스위치(Q2), 제2릴레이스위치(Qr2)의 전류경로를 통하여 제2인덕터(L2)의 전류가 증가하는 빌드업(build-up) 동작이 수행되어 제2인덕터(L2)에 전류가 축적되고, 제2릴레이스위치(Qr2) 및 제4스위치(Q4)가 온 상태를 갖고 제2스위치(Q2)가 오프 상태를 갖는 동안 교류 그리드전압(Vgdac), 릴레이(RL), 제2인덕터(L2), 제4스위치(Q4), 링크 커패시터(Clk), 제2릴레이스위치(Qr2)의 전류경로를 통하여 제2인덕터(L2)의 제2전극의 전압이 증가하는 파워링(powering) 동작이 수행되어 링크 커패시터(Clk)에 전하가 축적된다.
이에 따라, 교류 그리드전압(Vgdac) 및 교류 그리드전류(Igdac)는, 제11구간(T11) 동안 중간값(약 0V, 약 0A)에서 최고값(약 +311V, 약 8A)으로 증가하다가 다시 중간값으로 감소하고, 제12구간(T12) 동안 중간값에서 최저값(약 -311V, 약 -8A)으로 감소하다가 다시 중간값으로 증가한다. 편의상 교류 그리드전압(Vgdac)은 0.025배로 축소하여 도시한다.
그리고, 링크 커패시터(Clk) 양단의 링크전압(Vlk)은 제11 및 제12구간(T11, T12) 동안 최고값 및 최저값(약 +410V, 약 +390V) 사이의 중간값(약 +400V)으로 출력된다.
여기서, 교류 그리드전압(Vgdac)은 약 220Vrms이고, 제1 및 제2인덕터(L1, L2)는 각각 약 300μH이고, 링크 커패시터(Clk)는 약 330μF이고, 출력은 약 1kW 일 수 있다.
양의 교류 그리드전압(Vgdac)에 대한 제1 및 제3스위치(Q1, Q3)의 스위칭 주파수와, 음의 교류 그리드전압(Vgdac)에 대한 제2 및 제4스위치(Q2, Q4)의 스위칭 주파수는 입력되는 교류 그리드전압(Vgdac)의 주파수보다 큰 값일 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드배전 시스템(110)에 교류 그리드전압(Vgdac)이 입력될 경우, 교류 그리드전압(Vgdac) 및 교류 그리드전류(Igdac)의 중간값, 최고값, 최저값의 위상이 서로 일치하여 역률교정(power factor correction)이 원활히 수행되고, 교류 그리드전압(Vgdac)이 승압되어 직류 링크전압(Vlk)으로 출력된다.
도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드배전 시스템의 직류 그리드전압이 입력되는 제1 및 제2직류모드의 동작상태를 도시한 도면이고, 도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드배전 시스템의 직류 그리드전압이 입력되는 경우의 파형을 도시한 도면으로, 도 5를 함께 참조하여 설명한다.
도 8a, 도 8b 및 도 9에 도시한 바와 같이, 하이브리드배전 시스템(110)에 직류 그리드전압(Vgddc)이 입력될 경우, 릴레이(RL)의 제1전극(e1)은 제3전극(e3)에 연결된다.
구체적으로, 도 8a 및 도 9에 도시한 바와 같이, 직류 그리드전압(Vgddc)이 입력되고 제1인덕터(L1)가 이용되는 제1직류모드 동안, 제1릴레이스위치(Qr1)는 지속적으로 온(on) 상태를 갖고, 제2릴레이스위치(Qr2), 제2 및 제4스위치(Q2, Q4)는 각각 지속적으로 오프(off) 상태를 갖는다.
제1 및 제3스위치(Q1, Q3)는 주기적으로 스위칭 되어 온 상태 및 오프 상태를 교대로 갖는데, 서로 상보적(complementary)으로 스위칭 되어 제1스위치(Q1)가 온 상태를 가질 때 제3스위치(Q3)는 오프 상태를 갖고 제1스위치(Q1)가 오프 상태를 가질 때 제3스위치(Q3)는 온 상태를 갖는다.
즉, 제1릴레이스위치(Qr1)가 온 상태를 갖고 제1스위치(Q1)의 제1게이트전압(Vgs(Q1))이 하이레벨(약 1V)을 가져서 제1스위치(Q1)가 온 상태를 갖고 제3스위치(Q3)가 오프 상태를 갖는 제1직류모드의 제21구간(T21) 동안, 직류 그리드전압(Vgddc), 제1인덕터(L1), 제1스위치(Q1), 제1릴레이스위치(Qr1)의 전류경로를 통하여 제1인덕터(L1)의 전류가 증가하는 빌드업(build-up) 동작이 수행되어 제1인덕터(L1)에 전류가 축적된다.
그리고, 제1릴레이스위치(Qr1)가 온 상태를 갖고 제1스위치(Q1)의 제1게이트전압(Vgs(Q1))이 로우레벨(약 0V)를 가져서 제1스위치(Q1)가 오프 상태를 갖고 제3스위치(Q3)가 온 상태를 갖는 제1직류모드의 제22구간(T22) 동안, 직류 그리드전압(Vgddc), 제1인덕터(L1), 제3스위치(Q3), 링크 커패시터(Clk), 제1릴레이스위치(Qr1)의 전류경로를 통하여 제1인덕터(L1)의 제2전극의 전압이 증가하는 파워링(powering) 동작이 수행되어 링크 커패시터(Clk)에 전하가 축적된다.
그리고, 도 8b 및 도 9에 도시한 바와 같이, 직류 그리드전압(Vgddc)이 입력되고 제2인덕터(L2)가 이용되는 제2직류모드 동안, 제1릴레이스위치(Qr1)는 지속적으로 온 상태를 갖고, 제2릴레이스위치(Qr1), 제1 및 제3스위치(Q1, Q3)는 각각 지속적으로 오프 상태를 갖는다.
제2 및 제4스위치(Q2, Q4)는 주기적으로 스위칭 되어 온 상태 및 오프 상태를 교대로 갖는데, 서로 상보적(complementary)으로 스위칭 되어 제2스위치(Q2)가 온 상태를 가질 때 제4스위치(Q4)는 오프 상태를 갖고 제2스위치(Q2)가 오프 상태를 가질 때 제4스위치(Q4)는 온 상태를 갖는다.
즉, 제1릴레이스위치(Qr1)가 온 상태를 갖고 제2스위치(Q2)의 제2게이트전압(Vgs(Q2))이 하이레벨(약 1V)을 가져서 제2스위치(Q2)가 온 상태를 갖고 제4스위치(Q4)가 오프 상태를 갖는 제2직류모드의 제23구간(T23) 동안, 직류 그리드전압(Vgddc), 릴레이(RL), 제2인덕터(L2), 제2스위치(Q2), 제1릴레이스위치(Qr1)의 전류경로를 통하여 제2인덕터(L2)의 전류가 증가하는 빌드업(build-up) 동작이 수행되어 제2인덕터(L2)에 전류가 축적된다.
그리고, 제1릴레이스위치(Qr1) 및 제4스위치(Q4)가 온 상태를 갖고 제2스위치(Q2)의 제2게이트전압(Vgs(Q2))이 로우레벨(약 0V)를 가져서 제2스위치(Q2)가 오프 상태를 갖는 제2직류모드의 제24구간(T24) 동안, 직류 그리드전압(Vgddc), 릴레이(RL), 제2인덕터(L2), 제4스위치(Q4), 링크 커패시터(Clk), 제1릴레이스위치(Qr1)의 전류경로를 통하여 제2인덕터(L2)의 제2전극의 전압이 증가하는 파워링(powering) 동작이 수행되어 링크 커패시터(Clk)에 전하가 축적된다.
이에 따라, 제1인덕터(L1)의 제1인덕터전류(IL1)는, 제21구간(T21) 동안 최저값(약 0.3A)에서 최고값(약 1.8A)으로 증가하고, 제22, 제23, 제24구간(T22, T24, T24) 동안 최고값에서 최저값으로 감소한다.
그리고, 제2인덕터(L2)의 제2인덕터전류(IL2)는, 제23구간(T23) 동안 최저값(약 0.3A)에서 최고값(약 1.8A)으로 증가하고, 제24, 제21, 제22구간(T24, T21, T22) 동안 최고값에서 최저값으로 감소한다.
또한, 직류 그리드전압(Vgddc)이 하이브리드배전 시스템(110)에 입력되는 경우, 제1 및 제2인덕터전류(IL1, IL2)는 각각 평균적으로 제1 및 제2인덕터전류의 합(IL1+IL2)의 1/2 정도이다.
여기서, 직류 그리드전압(Vgddc)은 약 380V이고, 제1 및 제2인덕터(L1, L2)는 약 300μH이고, 링크 커패시터(Clk)는 약 330μF이고, 출력은 약 1kW 일 수 있으며, 링크전압(Vlk)은 평균 약 415V 일 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드배전 시스템(110)에 직류 그리드전압(Vgddc)이 입력될 경우, 입력전류가 제1 및 제2인덕터(L1, L2)에 동등하게 분배되어 인덕터, 스위치 등의 다수의 소자의 평균전류가 감소되어 도전손실(conduction loss)가 감소되고, 직류 그리드전압(Vgddc)이 승압되어 직류 링크전압(Vlk)으로 출력된다.
도 10 및 도 11은 각각 본 발명의 제2 및 제3실시예에 따른 하이브리드배전 시스템을 도시한 도면으로, 제1실시예와 동일한 부분에 대한 설명은 생략한다.
도 10에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드배전 시스템(210)은, 릴레이(RL), 제1 및 제2릴레이다이오드(Dr1, Dr2), 제1 및 제2트랜지스터(T1, T2), 제3 및 제4다이오드(D3, D4), 제1 및 제2인덕터(L1, L2), 링크 커패시터(Clk)를 포함한다.
제1 및 제2릴레이다이오드(Dr1, Dr2)는 각각 제1실시예의 제1 및 제2릴레이스위치(Qr1, Qr2)에 대응되고, 제1 및 제2트랜지스터(T1, T2)는 각각 제1실시예의 제1 및 제2스위치(Q1, Q2)에 대응되고, 제3 및 제4다이오드(D3, D4)는 각각 제1실시예의 제3 및 제4스위치(Q3, Q4)에 대응된다.
릴레이(RL)는 3로 스위치(single-pole double-throw)로 이루어지고, 제1 및 제2트랜지스터(T1, T2)는 각각 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor: FET)로 이루어질 수 있다.
도 11에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 하이브리드배전 시스템(310)은, 제1 내지 제4릴레이트랜지스터(Tr1 내지 Tr4), 제1 및 제2릴레이다이오드(Dr1, Dr2), 제1 및 제2트랜지스터(T1, T2), 제3 및 제4다이오드(D3, D4), 제1 및 제2인덕터(L1, L2), 링크 커패시터(Clk)를 포함한다.
제1 내지 제4릴레이트랜지스터(Tr1 내지 Tr4)는 제1실시예의 릴레이(RL)에 대응되고, 제1 및 제2릴레이다이오드(Dr1, Dr2)는 각각 제1실시예의 제1 및 제2릴레이스위치(Qr1, Qr2)에 대응되고, 제1 및 제2트랜지스터(T1, T2)는 각각 제1실시예의 제1 및 제2스위치(Q1, Q2)에 대응되고, 제3 및 제4다이오드(D3, D4)는 각각 제1실시예의 제3 및 제4스위치(Q3, Q4)에 대응된다.
제1 및 제2릴레이트랜지스터(Tr1, Tr2)와 제3 및 제4릴레이트랜지스터(Tr3, Tr4)는 동일한 드레인전극 또는 동일한 소스전극이 서로 연결되는 백투백(back-to-back) 스위치의 형태로 연결되고, 제1 내지 제4릴레이트랜지스터(Tr1 내지 Tr4)와 제1 및 제2트랜지스터(T1, T2)는 각각 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor: FET)로 이루어질 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 브리지리스 부스트 컨버터와 이를 포함하는 하이브리드배전 시스템에서는, 교류 그리드전압 또는 직류 그리드전압을 승압하여 직류 링크전압으로 출력하여 부하에 공급함으로써, 교류 그리드전압 및 직류 그리드전압에 대한 호환성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 브리지리스 부스트 컨버터와 이를 포함하는 하이브리드배전 시스템에서는, 교류 그리드전압에 대하여 교류 그리드전류와의 위상일치에 의하여 역률교정을 원활히 수행하고, 직류 그리드전압에 대하여 제1 및 제2인덕터(L1, L2)의 교차(interleaving) 구동에 의하여 평균전류 및 도전손실을 감소시키고 전력변환 효율을 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 하이브리드배전 시스템
Vgdac: 교류 그리드전압 Vgdac: 직류 그리드전압
Qr1, Qr2: 제1 및 제2정류스위치
Q1 내지 Q4: 제1 내지 제4스위치 L1, L2: 제1 및 제2인덕터
Clk: 링크 커패시터 Vlk: 가변 직류 링크전압

Claims (11)

  1. 교류 그리드전압 또는 직류 그리드전압에 연결되는 제1릴레이스위치 및 상기 교류 그리드전압 또는 상기 직류 그리드전압에 연결되는 제2릴레이스위치와;
    상기 교류 그리드전압 또는 상기 직류 그리드전압과 상기 제1 및 제2릴레이스위치에 연결되는 릴레이와;
    상기 릴레이 및 상기 제2릴레이스위치에 연결되는 제1인덕터와;
    상기 릴레이에 연결되는 제2인덕터와;
    상기 제1인덕터에 연결되는 제1 및 제3스위치와;
    상기 제2인덕터에 연결되는 제2 및 제4스위치와;
    상기 제1 내지 제4스위치에 연결되고, 직류 링크전압을 출력하는 링크 커패시터
    를 포함하는 하이브리드배전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 릴레이의 제1전극은 상기 제2인덕터에 연결되고,
    상기 릴레이의 제2전극은 상기 교류 그리드전압 또는 상기 직류 그리드전압의 제2전극과 상기 제1릴레이스위치에 연결되고,
    상기 릴레이의 제3전극은 상기 교류 그리드전압 또는 상기 직류 그리드전압의 제1전극과 상기 제2릴레이스위치에 연결되는 하이브리드배전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 교류 그리드전압이 입력되면 상기 릴레이의 상기 제1 및 제2전극이 연결되고, 상기 직류 그리드전압이 입력되면 상기 릴레이의 상기 제1 및 제3전극이 연결되는 하이브리드배전 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 교류 그리드전압이 입력되면 상기 릴레이는 상기 제2인덕터 및 상기 제1릴레이스위치를 연결하고,
    상기 교류 그리드전압이 양의 값을 갖는 구간 동안, 상기 제1릴레이 스위치는 온 상태를 갖고, 상기 제2릴레이스위치와 상기 제2 및 제4스위치는 각각 오프 상태를 갖고, 상기 제1 및 제3스위치는 주기적 및 상보적으로 스위칭 되고,
    상기 교류 그리드전압이 음의 값을 갖는 구간 동안, 상기 제2릴레이스위치는 온 상태를 갖고, 상기 제1릴레이스위치와 상기 제1 및 제3스위치는 오프 상태를 갖고, 상기 제2 및 제4스위치는 주기적 및 상보적으로 스위칭 되는 하이브리드배전 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 교류 그리드전압이 양의 값을 갖고 상기 제1릴레이스위치 및 상기 제1스위치가 온 상태를 갖고 상기 제3스위치가 오프 상태를 갖는 동안, 상기 교류 그리드전압, 상기 제1인덕터, 상기 제1스위치 및 상기 제1릴레이스위치의 전류경로를 통하여 빌드업(build-up) 동작이 수행되고,
    상기 교류 그리드전압이 양의 값을 갖고 상기 제1릴레이스위치 및 상기 제3스위치가 온 상태를 갖고 상기 제1스위치가 오프 상태를 갖는 동안, 상기 교류 그리드전압, 상기 제1인덕터, 상기 제3스위치, 상기 링크 커패시터 및 상기 제1릴레이스위치의 전류경로를 통하여 파워링(powering) 동작이 수행되는 하이브리드배전 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 교류 그리드전압이 음의 값을 갖고 상기 제2릴레이스위치 및 상기 제2스위치가 온 상태를 갖고 상기 제4스위치가 오프 상태를 갖는 동안, 상기 교류 그리드전압, 상기 릴레이, 상기 제2인덕터, 상기 제2스위치 및 상기 제2릴레이스위치의 전류경로를 통하여 빌드업(build-up) 동작이 수행되고,
    상기 교류 그리드전압이 음의 값을 갖고 상기 제2릴레이스위치 및 상기 제4스위치가 온 상태를 갖고 상기 제2스위치가 오프 상태를 갖는 동안, 상기 교류 그리드전압, 상기 릴레이, 상기 제2인덕터, 상기 제4스위치, 상기 링크 커패시터 및 상기 제2릴레이스위치의 전류경로를 통하여 파워링(powering) 동작이 수행되는 하이브리드배전 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 직류 그리드전압이 입력되면 상기 릴레이는 상기 제2인덕터 및 상기 제2릴레이스위치를 연결하고,
    제1직류모드 동안, 상기 제1릴레이 스위치는 온 상태를 갖고, 상기 제2릴레이스위치와 상기 제2 및 제4스위치는 각각 오프 상태를 갖고, 상기 제1 및 제3스위치는 주기적 및 상보적으로 스위칭 되고,
    제2직류모드 동안, 상기 제1릴레이스위치는 온 상태를 갖고, 상기 제2릴레이스위치와 상기 제1 및 제3스위치는 오프 상태를 갖고, 상기 제2 및 제4스위치는 주기적 및 상보적으로 스위칭 되는 하이브리드배전 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1직류모드에서 상기 제1릴레이스위치 및 상기 제1스위치가 온 상태를 갖고 상기 제3스위치가 오프 상태를 갖는 동안, 상기 직류 그리드전압, 상기 제1인덕터, 상기 제1스위치, 상기 제1릴레이스위치의 전류경로를 통하여 빌드업(build-up) 동작이 수행되고,
    상기 제1직류모드에서 상기 제1릴레이스위치 및 상기 제3스위치가 온 상태를 갖고 제1스위치가 오프 상태를 갖는 동안, 상기 직류 그리드전압, 상기 제1인덕터, 상기 제3스위치, 상기 링크 커패시터, 상기 제1릴레이스위치의 전류경로를 통하여 파워링(powering) 동작이 수행되는 하이브리드배전 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2직류모드에서 상기 제1릴레이스위치 및 상기 제2스위치가 온 상태를 갖고 상기 제4스위치가 오프 상태를 갖는 동안, 상기 직류 그리드전압, 상기 릴레이, 상기 제2인덕터, 상기 제2스위치, 상기 제1릴레이스위치의 전류경로를 통하여 빌드업(build-up) 동작이 수행되고,
    상기 제2직류모드에서 상기 제1릴레이스위치 및 상기 제4스위치가 온 상태를 갖고 상기 제2스위치가 오프 상태를 갖는 동안, 상기 직류 그리드전압, 상기 릴레이, 상기 제2인덕터, 상기 제4스위치, 상기 링크 커패시터, 상기 제1릴레이스위치의 전류경로를 통하여 파워링(powering) 동작이 수행되는 하이브리드배전 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 릴레이는 3로 스위치를 포함하고,
    상기 제1 및 제2릴레이스위치는 각각 제1 및 제2릴레이다이오드를 포함하고,
    상기 제1 및 제2스위치는 각각 전계 효과 트랜지스터의 제1 및 제2트랜지스터를 포함하고,
    상기 제3 및 제4스위치는 각각 제3 및 제4다이오드를 포함하는 하이브리드배전 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 릴레이는, 백투백 스위치 형태로 연결되는 양극성 접합 트랜지스터의 제1 및 제2릴레이트랜지스터와 백투백 스위치 형태로 연결되는 양극성 접합 트랜지스터의 제3 및 제4릴레이트랜지스터를 포함하고,
    상기 제1 및 제2릴레이스위치는 각각 제1 및 제2릴레이다이오드를 포함하고,
    상기 제1 및 제2스위치는 각각 전계 효과 트랜지스터의 제1 및 제2트랜지스터를 포함하고,
    상기 제3 및 제4스위치는 각각 제3 및 제4다이오드를 포함하는 하이브리드배전 시스템.
KR1020210034195A 2021-03-16 2021-03-16 브리지리스 부스트 컨버터 및 이를 포함하는 하이브리드배전 시스템 KR102550710B1 (ko)

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