KR20100114751A - Bi-directional non-isolated dc-dc converter and control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 양방향으로 전력흐름이 가능한 비절연 DC-DC 컨버터 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CCM(continuous conduction mode)으로 동작하고 모든 스위치가 영전압 스위칭(zero voltage switching, ZVS) 동작을 수행하는 양방향 비절연 DC-DC 컨버터 및 그 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a non-isolated DC-DC converter capable of power flow in both directions and a control method thereof, and more particularly, to operate in a continuous conduction mode (CCM) and all switches operate with zero voltage switching (ZVS). A bidirectional non-isolated DC-DC converter for performing the present invention and a control method thereof.
최근 들어, 친환경적인 자동차의 일종으로 종래의 내연기관과 배터리를 병합하여 동력원으로 사용하는 하이브리드 자동차가 개발되고 있는데, 상기 하이브리드 자동차는 시동 및 출발시에는 전기모터에 의해, 그리고 일반 주행시에는 전기모터 및 내연기관에 의해 자동차를 동작시킨다.Recently, as a kind of environmentally friendly vehicle, a hybrid vehicle using a conventional internal combustion engine and a battery combined with a power source has been developed. The hybrid vehicle is driven by an electric motor at start and start, and an electric motor and The car is operated by the internal combustion engine.
이러한 하이브리드 자동차의 일반적인 구동시스템과 이에 사용되는 양방향 DC-DC 컨버터 회로를 각각 도1 및 도2에 도시하였다. 도1의 구동시스템에서 전력변환장치(power conversion system)의 입력측에는 대용량의 고전압 배터리가 연결되고 출력측에는 모터가 연결된다.A general driving system of such a hybrid vehicle and a bidirectional DC-DC converter circuit used therein are illustrated in FIGS. 1 and 2, respectively. In the driving system of FIG. 1, a large capacity high voltage battery is connected to an input side of a power conversion system and a motor is connected to an output side.
또한, 상기 고전압 배터리와 모터의 사이에는 전력 전달의 매개체로서 모터 를 구동하기 위한 인버터와 고전압 배터리의 전압을 높은 전압으로 승압시키기 위한 DC-DC 컨버터가 연결된다.In addition, an inverter for driving the motor and a DC-DC converter for boosting the voltage of the high voltage battery to a high voltage are connected between the high voltage battery and the motor.
이때, 상기 DC-DC 컨버터는 모터 구동시 상기 고전압 배터리가 방전하여 모터로 전력을 전달하는 부스트(boost) 동작과 상기 모터의 회생 에너지를 고전압 배터리로 충전하는 벅(buck) 동작을 수행할 수 있도록 양방향으로 전력흐름이 가능해야 한다.In this case, the DC-DC converter may perform a boost operation for delivering power to the motor by discharging the high voltage battery when the motor is driven and a buck operation for charging the regenerative energy of the motor with the high voltage battery. Power flow must be possible in both directions.
도2에 도시한 종래 기술에 따른 양방향 DC-DC 컨버터는 회로의 구성이 간단하여 제어가 용이하고 DCM(discontinuous conduction mode)으로 동작하면 모든 스위치에서 소프트 스위칭이 이루어지기 때문에 스위칭 손실이 낮다는 장점이 있다.The bidirectional DC-DC converter according to the related art shown in FIG. 2 has a simple switching configuration, which is easy to control, and when switching is performed in a discontinuous conduction mode (DCM), soft switching is performed at all switches. have.
그러나, 상기 종래 기술에 따른 양방향 DC-DC 컨버터는 DCM으로 동작할 때 대전력 응용에서 높은 피크전류로 인하여 큰 정격을 가진 소자가 요구된다는 점, 인덕터의 철손으로 인해 발열량이 많다는 점, 그리고 인덕터의 전류리플이 크기 때문에 커패시터 필터의 용량이 증가한다는 점 등과 같은 문제점으로 인하여 효율 및 부피에서 큰 단점을 가진다.However, the bidirectional DC-DC converter according to the related art requires a device having a large rating due to a high peak current in a large power application when operating with DCM, a large amount of heat generated by the iron loss of the inductor, and Due to problems such as an increase in the capacity of the capacitor filter due to the large current ripple, there is a big disadvantage in efficiency and volume.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 대전력 응용에서 인덕터의 전류 리플을 낮게 설계하여 낮은 전류 정격을 가진 소자를 이용하고 커패시터 필터의 용량을 줄일 수 있는 양방향 비절연 DC-DC 컨 버터 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to design a low current ripple of an inductor in a large power application to use a device having a low current rating and to reduce the capacity of a capacitor filter. It is to provide a non-isolated DC-DC converter and a control method thereof.
또한, 본 발명의 다른 목적은 CCM으로 동작하여 인덕터의 철손을 저감시켜 발열량을 줄일 수 있고, 모든 스위치가 영전압 스위칭을 수행함으로써 스위칭 손실을 줄여 동작효율을 제고할 수 있는 양방향 비절연 DC-DC 컨버터 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것이다.In addition, another object of the present invention is to operate as a CCM to reduce the heat loss by reducing the inductor iron loss, all the switches by performing a zero voltage switching bidirectional non-isolated DC-DC to improve the operating efficiency by reducing the switching loss It is to provide a converter and a control method thereof.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터는, 저전압 전원과 고전압 전원을 구비한 양방향 비절연 DC-DC 컨버터에 있어서, 상기 저전압 전원에 순차적으로 직렬로 연결된 제1인덕터, 제1스위치 및 제1커패시터와, 상기 제1인덕터와 제1스위치 사이의 제1접점에서 분기되어 상기 제1스위치 및 제1커패시터에 병렬로 연결된 제2스위치를 구비한 저전압측 회로, 상기 고전압 전원에 직렬로 연결된 제2커패시터, 상기 제2커패시터에 병렬로 연결되고 서로 직렬로 연결된 제3스위치와 제4스위치, 및 상기 제3스위치와 제4스위치 사이의 제2접점과 상기 제1접점을 연결하는 제2인덕터를 구비한 고전압측 회로 및 상기 컨버터가 CCM으로 동작되고 각각의 스위치가 영전압 스위칭에 의해 턴온 되도록, 상기 제1스위치 내지 제4스위치의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the bidirectional non-isolated DC-DC converter according to the present invention is a bidirectional non-isolated DC-DC converter having a low voltage power supply and a high voltage power supply, the first being sequentially connected to the low voltage power supply in series. A low voltage side circuit having an inductor, a first switch and a first capacitor, and a second switch branched at a first contact between the first inductor and the first switch and connected in parallel to the first switch and the first capacitor, wherein A second capacitor connected in series to a high voltage power source, a third switch and a fourth switch connected in parallel to the second capacitor and connected in series with each other, and a second contact point and the first contact point between the third switch and the fourth switch; A first switch to a fourth switch such that the high voltage side circuit having a second inductor for connecting the circuits and the converter are operated by CCM and each switch is turned on by zero voltage switching. Characterized in that a control unit for controlling the operation.
또한, 상기 저전압 전원과 고전압 전원의 전압을 검출하는 전압검출부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 전압검출부의 출력을 이용하여 상기 제1스위치 내지 제4스위치의 듀티를 제어하는 것을 특징으로 한다.The apparatus may further include a voltage detector configured to detect voltages of the low voltage power and the high voltage power, and the controller controls the duty of the first to fourth switches by using the output of the voltage detector.
또한, 상기 제어부는 제1스위치와 제3스위치가 각각 제2스위치와 제4스위치에 대해 상보적 스위칭에 의한 듀티를 갖도록 제어하는 것을 특징으로 한다.The control unit may control the first switch and the third switch to have a duty by complementary switching with respect to the second switch and the fourth switch, respectively.
또한, 상기 제어부는 제2스위치와 제4스위치의 듀티의 크기가 같도록 제어하는 것을 특징으로 한다.The controller may control the duty of the second switch and the fourth switch to be the same.
또한, 상기 제1스위치 내지 제4스위치는 MOSFET 또는 IGBT인 것을 특징으로 한다.In addition, the first switch to the fourth switch is characterized in that the MOSFET or IGBT.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터 및 그 제어방법은 대전력 응용에서 컨버터의 CCM 동작으로 인덕터의 전류 리플을 낮게 설계 할 수 있기 때문에, 낮은 전류 정격을 가진 소자를 이용하고 커패시터 필터의 용량을 줄일 수 있다는 장점이 있다.As described above, the bidirectional non-isolated DC-DC converter and the control method thereof according to the present invention can use a device having a low current rating because the current ripple of the inductor can be designed to be low by the CCM operation of the converter in a large power application. And the capacity of the capacitor filter can be reduced.
또한, 본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터 및 그 제어방법은 CCM으로 동작하기 때문에 인덕터의 철손을 줄여 발열을 줄일 수 있다는 장점이 있다.In addition, since the bidirectional non-isolated DC-DC converter and the control method thereof according to the present invention operate in the CCM, there is an advantage that the heat generation can be reduced by reducing the iron loss of the inductor.
또한, 본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터 및 그 제어방법은 모든 스위치가 영전압 스위칭을 수행하기 때문에 스위칭 손실을 저감하여 전체적으로 컨버터의 효율을 제고할 수 있다는 장점이 있다.In addition, the bidirectional non-isolated DC-DC converter and the control method thereof according to the present invention have an advantage that the efficiency of the converter can be improved as a whole by reducing switching losses because all switches perform zero voltage switching.
이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터의 구성을 나타낸 회로도이다. 3 is a circuit diagram illustrating a configuration of a bidirectional non-isolated DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터는 저전압 전원(VLOW)과, 상기 저전압 전원(VLOW)에 순차적으로 직렬로 연결된 제1인덕터(L1), 제1스위치(S1) 및 제1커패시터(C1)와, 상기 제1인덕터(L1)와 제1스위치(S1) 사이의 제1접점에서 분기되어 상기 제1스위치(S1) 및 제1커패시터(C1)에 병렬로 연결된 제2스위치(S2)를 구비한 저전압측 회로를 포함한다.Two-way non-isolated DC-DC converter according to the present invention, the low voltage power source (V LOW) and the first inductor sequentially connected in series with the low voltage power source (V LOW) (L 1) , the first switch (S1) and the first A branch connected at the first contact between the capacitor C 1 and the first inductor L 1 and the first switch S1 and connected in parallel to the first switch S1 and the first capacitor C 1 ; And a low voltage side circuit having two switches S2.
또한, 본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터는 고전압 전원(VHigh)과, 상기 고전압 전원(VHigh)에 직렬로 연결된 제2커패시터(C2), 상기 제2커패시터(C2)에 병렬로 연결되고 서로 직렬로 연결된 제3스위치(S3)와 제4스위치(S4), 및 상기 제3스위치(S3)와 제4스위치(S4) 사이의 제2접점과 상기 제1접점을 연결하는 제2인덕터(L2)를 구비한 고전압측 회로를 포함한다.Further, the second capacitor (C 2), the second capacitor (C 2) a two-way non-isolated DC-DC converter is connected in series with the high voltage power source (V High), and the high-voltage power supply (V High) according to the invention The third switch (S3) and the fourth switch (S4) connected in parallel and in series with each other, and connecting the second contact and the first contact between the third switch (S3) and the fourth switch (S4) And a high voltage side circuit having a second inductor L 2 .
이때, 상기 저전압 전원(VLOW)은 충방전이 가능한 배터리이고, 상기 고전압 전원(VHigh)은 하이브리드 자동차를 구동하기 위한 DC/AC 인버터(모터 드라이버)의 입력전원이다. 또한, 제1스위치(S1) 내지 제4스위치(S4)는 MOSFET 스위치로 구성되 는 것이 바람직하나, 필요에 따라서는 IGBT 스위치로 구성될 수도 있다.In this case, the low voltage power supply (V LOW ) is a battery capable of charging and discharging, and the high voltage power supply (V High ) is an input power supply of a DC / AC inverter (motor driver) for driving a hybrid vehicle. In addition, the first switch (S1) to the fourth switch (S4) is preferably configured as a MOSFET switch, but may also be configured as an IGBT switch, if necessary.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터는 고전압 전원(VHigh)측의 모터가 구동시 저전압 전원(VLow)인 배터리의 방전이 이루어지는 부스트 동작과, 상기 모터의 회생에너지를 이용하여 상기 배터리를 충전하는 벅 동작을 수행할 수 있게 된다.According to the above configuration, the bidirectional non-isolated DC-DC converter according to the present invention has a boost operation in which a battery of low voltage power supply (V Low ) is discharged when the motor of the high voltage power supply (V High ) side is driven, and the regenerative operation of the motor is performed. It is possible to perform a buck operation for charging the battery using energy.
한편, 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 상기 제1스위치(S1) 내지 제4스위치(S4)는 제어부의 제어신호에 따라 동작되는데, 상기 제어부는 저전압 전원(VLow)과 고전압 전원(VHigh)의 전압을 검출하는 전압검출부의 출력 및 상기 제2인덕터(L2)의 전단에서 전류를 검출하는 전류검출부의 출력을 이용하여 상기 스위치들의 동작을 제어하기 제어신호(즉, 게이트 신호)를 생성하여 게이트 드라이버에 전달한다.On the other hand, the first switch (S1) to the fourth switch (S4) of the bi-directional DC-DC converter according to the present invention is operated according to the control signal of the controller, the controller is a low voltage power (V Low ) and high voltage power (V) in the front end of the High) output and the second inductor (L 2) of the voltage detection section for detecting a voltage by using the output of a current detection unit for detecting the current to control the operation of said switch control signals (that is, gate signal) Create it and pass it to the gate driver.
이때, 상기 제어부는 전압검출부의 출력을 이용하여 후술하는 바와 같이 각 스위치의 듀티를 제어하고, 상기 전류검출부의 출력을 이용하여 상기 듀티 제어가 보다 정밀하게 제어될 수 있도록 한다.In this case, the controller controls the duty of each switch using the output of the voltage detector as described below, and allows the duty control to be more precisely controlled using the output of the current detector.
본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터에서 상기 제어부는 후술하는 바와 같이 상기 양방향 DC-DC 컨버터가 CCM으로 동작되고 각각의 스위치가 자연스럽게 영전압 스위칭을 수행하도록 상기 제1스위치(S1) 내지 제4스위치(S4)의 동작을 제어하는 데, 더욱 구체적으로는 상기 제어부는 한 주기 동안 상기 제1스위치(S1)와 제3스위치(S3)가 각각 제2스위치(S2)와 제4스위치(S4)에 대해 비대칭 상보적 스위칭에 의한 듀티를 갖도록 제어한다.In the bidirectional DC-DC converter according to the present invention, as described below, the controller controls the bidirectional DC-DC converter to operate in CCM and each switch performs zero voltage switching. In order to control the operation of S4, more specifically, the control unit controls the first switch S1 and the third switch S3 to the second switch S2 and the fourth switch S4 for one period. Control to have a duty by asymmetric complementary switching.
즉, 상보적 스위칭에 의한 듀티라 함은, 한 주기 동안 저압측 회로의 각 스위치(S1,S2)의 전체 듀티를 1이라고 하고 상기 저전압측 회로의 주스위치가 제2스위치(S2)인 경우에 있어서, 상기 제2스위치(S2)가 D라는 듀티를 가지도록 제어되면 보조스위치인 제1스위치(S1)는 (1-D)라는 듀티를 가지게 되는 것을 의미한다. In other words, the duty by complementary switching means that the total duty of each of the switches S1 and S2 of the low voltage side circuit is 1 for one cycle and the main switch of the low voltage side circuit is the second switch S2. In this case, when the second switch S2 is controlled to have a duty of D, it means that the first switch S1, which is an auxiliary switch, has a duty of 1-D.
또한, 상기 경우에 있어서 양 스위치는 서로 겹치는 동작시간이 없도록 제어되는데, 즉 제2스위치(S2)가 턴온 되면 제1스위치(S1)가 턴오프 되고 제2스위치(S2)가 턴오프 되면 제1스위치(S1)가 턴온 된다. In this case, the two switches are controlled so that there is no overlapping operation time. That is, when the second switch S2 is turned on, the first switch S1 is turned off and when the second switch S2 is turned off, the first switch is turned off. The switch S1 is turned on.
상기와 같은 각 스위치의 동작제어를 위하여, 본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터의 듀티 손실을 고려한 방전시의 전압전달비, 메인 듀티, 각 커패시터의 전압 및 듀티 손실에 의한 전압강하는 아래의 수식1 내지 수식4와 같이 나타낼 수 있다.In order to control the operation of each switch as described above, the voltage drop due to the voltage transfer ratio, main duty, voltage of each capacitor, and the duty loss of the discharge in consideration of the duty loss of the bidirectional non-isolated DC-DC converter according to the present invention It can be expressed as
이때, 듀티 손실은 제2인덕터(L2)에서 발생되며, Deff는 유효 듀티, ΔD는 듀티 손실, ΔV는 듀티 손실에 의한 전압강하를 각각 의미한다.In this case, the duty loss is generated in the second inductor L 2 , D eff is an effective duty, ΔD is a duty loss, and ΔV is a voltage drop due to the duty loss.
또한, 하기 입력전압(Vi) 및 출력전압(Vo)은 DC-DC 컨버터의 특성에 따라 다르게 설정되는 값이나, 하이브리드 자동차의 경우 일예로서 입력전압(Vi)은 240~280V, 출력전압(Vo)은 450~600V로 설정되는 것이 바람직하다.In addition, the following input voltage (V i ) and output voltage (V o ) is a value that is set differently according to the characteristics of the DC-DC converter, but in the case of a hybrid car as an example input voltage (V i ) is 240 ~ 280V, output voltage (V o ) is preferably set to 450 to 600V.
또한, 하기 메인 듀티는 듀티 손실이 없는 경우에 있어서 상기 설정된 전압전달비를 얻기 위한 듀티값이며, 이는 제어부에 미리 설정되어 있는 것이 바람직하다.In addition, the following main duty is a duty value for obtaining the set voltage transfer ratio when there is no duty loss, which is preferably set in advance in the controller.
따라서, 본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터의 제어부는 전압검출부의 출력을 이용하여 구해지는 전압전달비와 상기 미리 설정된 전압전달비를 비교한 후, 구해진 전압전달비가 더 큰 경우이면 유효 듀티를 감소시키고 그 반대인 경우이면 유효 듀티를 증가시키는 방식으로 각 스위치의 동작을 제어하게 된다. Therefore, the controller of the bidirectional non-isolated DC-DC converter according to the present invention compares the voltage transfer ratio obtained by using the output of the voltage detector with the predetermined voltage transfer ratio, and then the effective duty is obtained when the calculated voltage transfer ratio is larger. And decreases vice versa and increases the effective duty to control the operation of each switch.
-------------------------------[수식 1] ------------------------------- [Equation 1]
-------------------------------[수식 2] ------------------------------- [Equation 2]
, -------------[수식 3] , ------------- [Equation 3]
--------------[수식 4] -------------- [Equation 4]
한편, 본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터에서 제2인덕터(L2)의 듀티 손실을 고려한 충전시의 전압전달비, 메인 듀티, 각 커패시터의 전압 및 듀티 손실에 의한 전압강하는 아래의 수식5 내지 수식8과 같이 나타낼 수 있다.On the other hand, in the bidirectional non-isolated DC-DC converter according to the present invention, the voltage drop due to the voltage transfer ratio, the main duty, the voltage of each capacitor and the loss of duty in consideration of the duty loss of the second inductor (L 2 ) is as follows. It can be expressed as
이때, 각 변수값의 의미는 전술한 방전시에 대한 설명과 동일하므로 구체적 인 설명은 생략한다.In this case, the meaning of each variable value is the same as the description of the above-described discharge, so a detailed description thereof will be omitted.
-------------------------------[수식 5] ------------------------------- [Equation 5]
-------------------------------[수식 6] ------------------------------- [Equation 6]
, ---------------------[수식 7] , --------------------- [Equation 7]
--------------[수식 8] -------------- [Equation 8]
다음으로, 본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터의 스위칭 방식과 컨버터의 최적 설계 방법을 도4 내지 도6을 참조하여 설명한다.Next, the switching scheme of the bidirectional non-isolated DC-DC converter and the optimal design method of the converter according to the present invention will be described with reference to FIGS.
도4는 본 발명에 따른 컨버터의 스위칭 방식을 나타낸 회로도이고, 도5는 본 발명에 따른 컨버터의 등가 회로도이며, 도6은 본 발명에 따른 컨버터의 제2인덕터(L2)에 인가되는 전압과 전류 파형이다.4 is a circuit diagram illustrating a switching method of a converter according to the present invention, FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of a converter according to the present invention, and FIG. 6 is a diagram illustrating a voltage applied to a second inductor L 2 of a converter according to the present invention. Current waveform.
도4에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터는 방전 동작에서 제2스위치(S2)가 메인 듀티(D)가 되고, 제1스위치(S1)는 전술한 바와 같이 비대칭 상보적 스위칭에 의한 (1-D)의 듀티를 가지도록 제어된다.As shown in FIG. 4, in the bidirectional non-isolated DC-DC converter according to the present invention, the second switch S2 becomes the main duty D in the discharge operation, and the first switch S1 is asymmetrically complementary as described above. It is controlled to have a duty of (1-D) by the enemy switching.
이때, 고전압측 스위치들도 비대칭 상보적 스위칭을 하게 되는데, 제4스위치(S4)가 메인 듀티(D)가 되고, 제3스위치(S3)는 (1-D)의 듀티를 가지도록 제어된다.At this time, the high voltage side switches are also asymmetrically complementary switching, the fourth switch (S4) is the main duty (D), the third switch (S3) is controlled to have a duty of (1-D).
또한, 본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터는 충전 동작에서는 제3스 위치(S3)가 메인 듀티(D)가 되고, 제4스위치(S4)는 전술한 바와 같이 비대칭 상보적 스위칭에 의한 (1-D)의 듀티를 가지도록 제어된다.In addition, in the bidirectional non-isolated DC-DC converter according to the present invention, in the charging operation, the third switch S3 becomes the main duty D, and the fourth switch S4 is formed by asymmetric complementary switching as described above. It is controlled to have a duty of (1-D).
이때, 저전압측 스위치들도 비대칭 상보적 스위칭을 하게 되는데, 제1스위치(S1)가 메인 듀티(D)가 되고, 제2스위치(S2)는 (1-D)의 듀티를 가지도록 제어된다.At this time, the low voltage side switches are also asymmetrically complementary switching, the first switch (S1) is the main duty (D), the second switch (S2) is controlled to have a duty of (1-D).
한편, 도6에 도시한 바와 같이 저전압측과 고전압측 구형파 전압의 위상각(Φ)은 제2인덕터(L2)에 걸리는 전압의 크기를 제어하기 때문에 영전압 스위칭 영역을 결정하게 되는데, 위상각(Φ)의 크기가 작을수록 제2인덕터(L2)를 흐르는 전류의 크기가 작아져서 낮은 전류 정격을 가지는 소자를 사용할 수 있다는 장점이 있다. Meanwhile, as shown in FIG. 6, the phase angle Φ of the low voltage side and the high voltage side square wave voltages control the magnitude of the voltage applied to the second inductor L 2 , thereby determining the zero voltage switching region. The smaller the size of Φ, the smaller the magnitude of the current flowing through the second inductor L 2 , so that an element having a lower current rating can be used.
또한, 도5와 도6에서 알 수 있는 바와 같이, 저전압측 하프 브릿지와 고전압측 하프 브릿지에서 각각 제2인덕터(L2) 좌우편에 구형파를 생성하게 되는데, 제2인덕터(L2)의 전류 파형은 위상각, 저전압측 커패시터 전압 및 고전압측 커패시터 전압에 의해 결정된다.Further, the low voltage side half bridge and there is generated for each of the rectangular wave to the second inductor (L 2) jwawoopyeon on the higher-voltage half-bridge, the current waveform of the second inductor (L 2) As can be seen in FIGS. 5 and 6 Is determined by the phase angle, the low voltage side capacitor voltage and the high voltage side capacitor voltage.
따라서, 본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터에서 제2인덕터(L2)의 전류 정격을 낮추기 위한 최적 설계는 제1커패시터(C1)의 전압(Vc1)과 제2커패시터(C2)의 전압(Vc2)이 같도록 하는 것이 바람직한데, 이는 도6에 도시한 바와 같이 저전압측 듀티와 고전압측 듀티의 크기를 같도록 함으로써 이루어질 수 있다.Therefore, the optimal design for lowering the current rating of the second inductor L 2 in the bidirectional non-isolated DC-DC converter according to the present invention is the voltage V c1 of the first capacitor C 1 and the second capacitor C 2. It is preferable to make the voltage V c2 equal to, which can be done by making the magnitudes of the low voltage side duty and the high voltage side duty the same as shown in FIG.
도7은 본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터의 방전(승압) 동작에 대한 한 주기 동안의 주요 파형을 나타낸 도면이고, 도8은 도7의 동작을 설명하기 위한 구간별 동작원리를 나타낸 회로도이다.FIG. 7 is a view illustrating main waveforms during one cycle of a discharge (step-up) operation of the bidirectional non-isolated DC-DC converter according to the present invention, and FIG. 8 illustrates the operation principle of each section for explaining the operation of FIG. It is a circuit diagram.
상기 본 발명에 따른 컨버터는 방전시 한 주기 동안 7개의 모드로 동작하는데, 이하에서는 각 모드별 동작을 상세히 설명한다.The converter according to the present invention operates in seven modes during one cycle during discharging. Hereinafter, operation of each mode will be described in detail.
1) Mode 1 구간1)
제3스위치(S3)가 턴온인 상태에서, 제2스위치(S2)가 후술하는 바와 같이 영전압 스위칭에 의하여 턴온 되면, 저전압측 회로의 제1인덕터(L1)에는 양전압이 인가되어 충전을 하게 되고, 고전압측 회로의 제2인덕터(L2)에는 음전압이 인가되어 방전을 하게 된다. 그 후, 제어부가 제3스위치(S3)의 듀티(1-D)가 완료되는 시점에서 상기 제3스위치(S3)를 턴오프 시킴으로써 Mode 1이 종료된다.When the second switch S2 is turned on by zero voltage switching as described later in the state where the third switch S3 is turned on, a positive voltage is applied to the first inductor L 1 of the low voltage side circuit to charge. In addition, a negative voltage is applied to the second inductor L 2 of the high voltage side circuit to discharge. Thereafter, the control unit turns off the third switch S3 when the duty 1 -D of the third switch S3 is completed, thereby ending
2) Mode 2 구간2)
상기 구간은 고압측 회로의 스위치가 모두 턴오프 상태인 데드타임 구간으로서, 상기 Mode 1구간에서 제3스위치(S3)가 턴오프 되면 제3스위치(S3)와 제4스위치(S4)의 내부 커패시터가 각각 충전 및 방전을 하게 되고, 이에 따라 제2인덕터(L2)의 전류 방향도 바뀌어서 제1인덕터(L1)의 전류와 같이 제2스위치(S2)로 흐르게 된다. The section is a dead time section in which all of the switches of the high voltage circuit are turned off. When the third switch S3 is turned off in the
상기 제3스위치(S3) 및 제4스위치(S4)의 내부 커패시터가 충전 및 방전을 완 료하면 제4스위치(S4)의 내부 다이오드로 전류가 흐르는데, 이때, 제4스위치(S4)에는 게이트 전압이 인가된다.When the internal capacitors of the third switch S3 and the fourth switch S4 complete charging and discharging, current flows to the internal diode of the fourth switch S4. In this case, the fourth switch S4 has a gate voltage. Is applied.
3) Mode 3 구간3)
상기 Mode 2구간에서 제4스위치(S4)에 게이트 전압이 인가되면, 제4스위치(S4)의 내부 다이오드로 흐르던 전류가 스위치 채널의 역방향으로 흐르게 되면서 상기 제4스위치(S4)는 자연스럽게 영전압 스위칭(ZVS)를 성취하여 턴온 된다. When the gate voltage is applied to the fourth switch S4 in the
즉, 본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터는 각 스위치의 내부 커패시터의 충방전 동작에 의하여 제어부에 의한 별도의 제어동작이 없더라도 자연스럽게 영전압 스위칭을 성취할 수 있게 된다.That is, the bidirectional non-isolated DC-DC converter according to the present invention naturally achieves zero voltage switching even without a separate control operation by the controller by the charge / discharge operation of the internal capacitor of each switch.
한편, 제어부는 전술한 바와 같이 미리 설정된 전압전달비가 얻어지도록 제2스위치(S2)의 메인 듀티(D)를 유지한 후 제2스위치(S2)를 턴오프 시킴으로서 Mode 3이 종료된다.On the other hand, the controller terminates
4) Mode 4 구간4)
상기 구간은 저압측 회로의 스위치가 모두 턴오프 상태인 데드타임 구간으로서, 상기 Mode 3구간에서 제2스위치(S2)가 턴오프 되면 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2)의 내부 커패시터가 각각 충전 및 방전을 하게 되고, 상기 스위치들의 내부 커패시터가 충전 및 방전을 완료하면 제1스위치(S1)의 내부 다이오드로 전류가 흐르게 되는데, 이때 제1스위치(S1)에는 게이트 전압이 인가된다.The section is a dead time section in which all of the switches of the low voltage side circuit are turned off. When the second switch S2 is turned off in the
5) Mode 5 구간5)
상기 Mode 4구간에서 제1스위치(S1)에 게이트 전압이 인가되면, 제1스위 치(S1)의 내부 다이오드로 흐르던 전류가 스위치 채널의 역방향으로 흐르게 되면서 상기 제1스위치(S1)는 자연스럽게 영전압 스위칭(ZVS)를 성취하여 턴온 되며, 이때 제2인덕터(L2)의 전류 방향도 정방향으로 바뀌게 된다. When the gate voltage is applied to the first switch S1 in the
한편, 제어부는 제4스위치(S4)의 메인 듀티(D)를 유지한 후 상기 제4스위치(S4)를 턴오프 시킴으로서 Mode 5가 종료되는데, 본 실시예에서는 전술한 바와 같이 제2인덕터(L2)의 전류정격을 낮추기 위하여 제4스위치(S4)의 메인 듀티(D)를 제2스위치(S2)의 메인 듀티(D)와 동일하게 설정하였다.Meanwhile, the controller terminates
6) Mode 6 구간6)
상기 구간은 고압측 회로의 스위치가 모두 턴오프 상태인 데드타임 구간으로서, 상기 Mode 5구간에서 제4스위치(S4)가 턴오프 되면, 제3스위치(S3)와 제4스위치(S4)의 내부 커패시터가 각각 충전 및 방전을 하게 되고, 상기 스위치들의 내부 커패시터가 충전 및 방전을 완료하면 제3스위치(S3)의 내부 다이오드로 전류가 흐르게 되는데, 이때 제3스위치(S3)에는 게이트 전압이 인가한다.The section is a dead time section in which all of the switches of the high-voltage circuit are turned off. When the fourth switch S4 is turned off in the
7) Mode 7 구간7)
상기 Mode 6구간에서 제3스위치(S3)에 게이트 전압이 인가되면, 제3스위치(S3)의 내부 다이오드로 흐르던 전류가 스위치 채널의 역방향으로 흐르게 되면서 상기 제3스위치(S3)는 자연스럽게 영전압 스위칭(ZVS)를 성취하여 턴온 된다. When the gate voltage is applied to the third switch S3 in the
그 후, 제어부가 제1스위치(S1)의 듀티(1-D)가 완료되는 시점에서 상기 제1스위치(S1)를 턴오프 시킴으로써 Mode 7이 종료되며, 이에 의하여 한 주기가 종료 하게 된다.Thereafter, the control unit turns off the first switch S1 at the time when the duty 1-D of the first switch S1 is completed, thereby ending
이후, 전술한 바와 동일한 방식에 의하여 저압측 회로의 모든 스위치가 턴오프 상태인 데드 타임 구간에서 제2스위치(S2)가 영전압 스위칭에 의하여 턴온 되면서 Mode 1부터 반복하게 된다.Thereafter, the second switch S2 is turned on by zero voltage switching in the dead time period in which all the switches of the low voltage side circuit are turned off by the same method as described above, and is repeated from
도9는 본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터의 충전(강압) 동작에 대한 한 주기 동안의 주요 파형을 나타낸 도면이고, 도10은 도9의 동작을 설명하기 위한 구간별 동작원리를 나타낸 회로도이다.FIG. 9 is a diagram illustrating main waveforms during one cycle of a charging (stepping down) operation of the bidirectional non-isolated DC-DC converter according to the present invention, and FIG. It is a circuit diagram.
상기 본 발명에 따른 컨버터는 충전시 한 주기 동안 7개의 모드로 동작하는데, 이하에서는 각 모드별 동작을 상세히 설명한다.The converter according to the present invention operates in seven modes during one cycle during charging. Hereinafter, operation of each mode will be described in detail.
1) Mode 1 구간1)
제3스위치(S3)가 턴온인 상태에서, 제1스위치(S1)가 후술하는 바와 같이 영전압 스위칭에 의하여 턴온 되면, 제2인덕터(L2)를 흐르는 전류는 제3스위치(S3)와 저전압측 회로의 제1인덕터(L1)에 나뉘어 흐르게 된다.When the third switch S3 is turned on and the first switch S1 is turned on by zero voltage switching as described below, the current flowing through the second inductor L 2 is lower than the third switch S3. The flow is divided into the first inductor L 1 of the side circuit.
한편, 제어부는 전술한 바와 같이 미리 설정된 전압전달비가 얻어지도록 제3스위치(S3)의 메인 듀티(D)를 유지한 후 상기 제3스위치(S3)를 턴오프 시킴으로서 Mode 1이 종료된다.Meanwhile, as described above, the control unit maintains the main duty D of the third switch S3 to obtain a predetermined voltage transfer ratio, and then turns off the third switch S3 to end
2) Mode 2 구간2)
상기 구간은 고압측 회로의 스위치가 모두 턴오프 상태인 데드타임 구간으로 서, 상기 Mode 1구간에서 제3스위치(S3)가 턴오프 되면 제3스위치(S3)와 제4스위치(S4)의 내부 커패시터가 각각 충전 및 방전을 하게 되고, 상기 스위치들의 내부 커패시터가 충전 및 방전을 완료하면 제4스위치(S4)의 내부 다이오드로 전류가 흐르게 된다. The section is a dead time section in which all of the switches of the high voltage circuit are turned off. When the third switch S3 is turned off in the
이때, 제4스위치(S4)에는 게이트 전압이 인가된다.In this case, a gate voltage is applied to the fourth switch S4.
3) Mode 3 구간3)
상기 Mode 2구간에서 제4스위치(S4)에 게이트 전압이 인가되면, 제4스위치(S4)의 내부 다이오드로 흐르던 전류가 스위치 채널의 역방향으로 흐르게 되면서 상기 제4스위치(S4)는 자연스럽게 영전압 스위칭(ZVS)를 성취하여 턴온 된다. When the gate voltage is applied to the fourth switch S4 in the
한편, 제어부는 제1스위치(S1)의 메인 듀티(D)를 유지한 후 상기 제1스위치(S1)를 턴오프 시킴으로서 Mode 3이 종료되는데, 본 실시예에서는 전술한 바와 같이 제1스위치(S1)의 메인 듀티(D)를 제3스위치(S3)의 메인 듀티(D)와 동일하게 설정하였다.Meanwhile, the controller terminates
4) Mode 4 구간4)
상기 구간은 저압측 회로의 스위치가 모두 턴오프 상태인 데드타임 구간으로서, 상기 Mode 3구간에서 제1스위치(S1)가 턴오프 되면 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2)의 내부 커패시터가 각각 충전 및 방전을 하게 되고, 상기 스위치들의 내부 커패시터가 충전 및 방전을 완료하면 제2스위치(S2)의 내부 다이오드로 전류가 흐르게 된다. The section is a dead time section in which all the switches of the low voltage side circuit are turned off. When the first switch S1 is turned off in the
이때, 제2스위치(S2)에는 게이트 전압이 인가한다.At this time, a gate voltage is applied to the second switch S2.
5) Mode 5 구간5)
상기 Mode 4구간에서 제2스위치(S2)에 게이트 전압이 인가되면, 제2스위치(S2)의 내부 다이오드로 흐르던 전류가 스위치 채널의 역방향으로 흐르게 되면서 상기 제2스위치(S2)는 자연스럽게 영전압 스위칭(ZVS)를 성취하여 턴온 된다. 이때, 제2인덕터(L2)의 전류 방향도 역방향으로 바뀌게 된다. When the gate voltage is applied to the second switch S2 in the
한편, 제어부는 제4스위치(S4)의 듀티(1-D)가 완료되는 시점에서 상기 제4스위치(S4)를 턴오프 시킴으로써 Mode 5가 종료된다.On the other hand, the controller terminates
6) Mode 6 구간6)
상기 구간은 고압측 회로의 스위치가 모두 턴오프 상태인 데드타임 구간으로서, 상기 Mode 5구간에서 제4스위치(S4)가 턴오프 되면, 제3스위치(S3)와 제4스위치(S4)의 내부 커패시터가 각각 충전 및 방전을 하게 되고, 상기 스위치들의 내부 커패시터가 충전 및 방전을 완료하면 제3스위치(S3)의 내부 다이오드로 전류가 흐르게 된다. The section is a dead time section in which all of the switches of the high-voltage circuit are turned off. When the fourth switch S4 is turned off in the
이때, 제3스위치(S3)에는 게이트 전압이 인가한다.At this time, a gate voltage is applied to the third switch S3.
7) Mode 7 구간7)
상기 Mode 6구간에서 제3스위치(S3)에 게이트 전압이 인가되면, 제3스위치(S3)의 내부 다이오드로 흐르던 전류가 스위치 채널의 역방향으로 흐르게 되면서 상기 제3스위치(S3)는 자연스럽게 영전압 스위칭(ZVS)를 성취하여 턴온 된다.When the gate voltage is applied to the third switch S3 in the
그 후, 제어부가 제2스위치(S2)의 듀티(1-D)가 완료되는 시점에서 상기 제2 스위치(S2)를 턴오프 시킴으로써 Mode 7이 종료되며, 이에 의하여 한 주기가 종료하게 된다.Thereafter, the control unit turns off the second switch S2 at the time when the duty 1-D of the second switch S2 is completed, thereby ending
이후, 전술한 바와 동일한 방식에 의하여 저압측 회로의 모든 스위치가 턴오프 상태인 데드 타임 구간에서 제1스위치(S1)가 영전압 스위칭에 의하여 턴온 되면서 Mode 1부터 반복하게 된다.Subsequently, the first switch S1 is turned on by zero voltage switching in the dead time period in which all the switches of the low voltage side circuit are turned off by the same method as described above, and is repeated from
상기 도7 및 도9에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터는 충전 또는 방전시 저전압측 회로의 제1인덕터(L1)에 전류가 연속적으로 흐르는 CCM으로 동작되기 때문에 대전력 응용시 전류 리플을 낮게 할 수 있고, 이에 따라 낮은 전류 정격의 소자를 사용할 수 있고 커패시터 필터의 용량을 줄일 수 있다는 장점이 있다.As shown in FIG. 7 and FIG. 9, the bidirectional non-isolated DC-DC converter according to the present invention operates as a CCM continuously flowing current to the first inductor L 1 of the low voltage side circuit during charging or discharging. The current ripple can be lowered in power applications, which allows the use of devices with lower current ratings and the capacity of capacitor filters.
또한, 본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터는 상기와 같은 CCM 동작으로 인하여 제1인덕터(L1)의 철손을 줄여 발열을 저감시킬 수 있다는 장점이 있다.In addition, the bidirectional non-isolated DC-DC converter according to the present invention has an advantage of reducing heat generation by reducing iron loss of the first inductor L 1 due to the CCM operation as described above.
또한, 본 발명에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터는 충전 또는 방전시에 각각의 스위치가 내부 커패시터의 충방전에 의하여 자연스럽게 영전압 스위칭을 수행하기 때문에 스위칭 손실을 저감하여 컨버터의 전체적인 효율을 제고할 수 있다는 장점이 있다.In addition, the bidirectional non-isolated DC-DC converter according to the present invention improves the overall efficiency of the converter by reducing switching loss since each switch performs zero voltage switching naturally by charging and discharging of an internal capacitor during charging or discharging. There is an advantage that it can.
도1은 종래 기술에 따른 하이브리드 자동차의 시스템 구성도,1 is a system configuration of a hybrid vehicle according to the prior art,
도2는 종래의 양방향 벅부스트 DC-DC 컨버터의 회로도, 2 is a circuit diagram of a conventional bidirectional buck-boost DC-DC converter,
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터의 회로도,3 is a circuit diagram of a bidirectional non-isolated DC-DC converter according to an embodiment of the present invention;
도4는 도3의 DC-DC 컨버터의 스위칭 방식을 설명한 회로도,4 is a circuit diagram illustrating a switching scheme of the DC-DC converter of FIG. 3;
도5는 도3의 DC-DC 컨버터에 대한 등가 회로도,5 is an equivalent circuit diagram for the DC-DC converter of FIG.
도6은 도3의 DC-DC 컨버터의 고전압측 인덕터에 인가되는 전압과 전류 파형을 나타낸 도면,FIG. 6 is a diagram showing voltage and current waveforms applied to a high voltage side inductor of the DC-DC converter of FIG. 3; FIG.
도7은 도3의 DC-DC 컨버터의 승압 동작에 대한 주요 파형을 나타낸 도면,FIG. 7 is a view showing main waveforms of a boost operation of the DC-DC converter of FIG. 3; FIG.
도8은 도3의 DC-DC 컨버터의 승압 동작을 설명하기 위한 구간별 동작원리를 나타낸 회로도, FIG. 8 is a circuit diagram illustrating an operation principle of each section for explaining a boost operation of the DC-DC converter of FIG.
도9는 도3의 DC-DC 컨버터의 강압 동작에 대한 주요 파형을 나타낸 도면, 및FIG. 9 shows main waveforms for the step-down operation of the DC-DC converter of FIG. 3; and
도10은 도3의 DC-DC 컨버터의 강압 동작을 설명하기 위한 구간별 동작원리를 나타낸 회로도이다.FIG. 10 is a circuit diagram illustrating an operation principle of each section for explaining the step-down operation of the DC-DC converter of FIG. 3.
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