KR20110077955A - 승압비 및 전력용량 증대비에 따른 확장형 비절연 소프트 스위칭 다상 ｄｃ-ｄｃ 컨버터 - Google Patents

승압비 및 전력용량 증대비에 따른 확장형 비절연 소프트 스위칭 다상 ｄｃ-ｄｃ 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고승압 연료전지 응용에 적합한 비절연 다상 DC-DC 컨버터로서, 전류 연속 모드에서 스위치는 영전압 스위칭 턴-온이 가능하며 다이오드는 영전류 스위칭 턴-오프 동작을 함으로써 역방향 회복으로 인한 서지 전압을 제거하고, 입출력의 병렬수와 직렬수를 선택하여 대전력 및 고승압 응용에서 가격과 수급가능한 부품의 사용을 용이하게 선택할 수 있으며, 모든 소자의 전압 정격과 수동 소자의 부피를 감소시킬 수 있다.
고승압, 대전력, 고효율, 소프트 스위칭, 영전압 스위칭, 영전류 스위칭, 전류 연속 모드, 비절연 컨버터

Description

고승압 및 대전력을 위한 비절연 소프트 스위칭 다상 ＤＣ-ＤＣ 컨버터{NON-ISOLATED SOFT-SWITCHED MULTIPHASE DC-DC CONVERTER FOR HIGH VOLTAGE-GAIN AND HIGH-POWER}
본 발명은 다상 DC-DC 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고승압 및 대전력을 위한 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
최근 무정전 전원 공급 장치(UPS: Uninterrupted Power Supply), 태양광 및 연료전지 등의 응용 분야에서 DC-DC(Direct Current) 컨버터의 사용이 증대되고 있다. 일반적으로 공급 전원(예를 들어, 연료 전지 등)으로부터 전원을 공급받는 고전력 시스템에서는 출력전압이 낮고 부하에 따라 변동폭이 크다. 고전력 시스템은 출력전압을 승압시키고 조정해야 한다. 고전력 시스템에서 공급 전원과 부하 사이에는 안전과 노이즈의 차단 등을 위하여 절연이 필요하므로, 절연형 DC-DC 컨버터의 사용이 요구되어 진다. 또한, 시스템이 대형화됨에 따라 DC-DC 컨버터도 대용량화와 함께 고효율 저가격화가 중요한 이슈로 요구되고 있다.
도 1 은 일반적인 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 연료전지 시스템은 연료 전지(110), DC-DC 컨버터(120), 인버터(130) 및 출력 필터(140)를 포함한다. 일례로, 일반적인 연료전지 시스템은 전압이 220V, 주파수가 60Hz, AC 출력을 가지는 부하(150)와 연결되어 있다.
연료 전지(110)는 출력전압의 변동이 크고 낮은 DC 전압을 갖는다.
DC-DC 컨버터(120)는 연료 전지(110)에서의 DC 전압을 승압해주고 조정하는 기능을 수행한다.
인버터(130)는 DC-DC 컨버터(120)에서 조정된 DC 전압을 교류(AC: Alternating Current) 전압으로 변환한다.
출력 필터(140)는 인덕터 및 커패시터를 이용하여 인버터(130)의 출력전압을 일정전압 및 일정주파수로 제어하여 부하(150)로 출력한다.
한편, 전기적인 절연이 필요하지 않은 응용에서는 비절연형 부스트 컨버터가 사용되고 있다. 용량증대를 위하여는 인터리빙 방식의 다상 부스트 컨버터가 널리 사용되어 있다. 인터리빙 다상 컨버터는 단상 컨버터에 비해 스위치의 전류부담을 줄일 수 있고, 입/출력 유효 주파수가 커져 필터의 사이즈 감소 등의 장점을 가질 수 있다.
도 2 는 종래의 인터리빙 방식의 다상 부스트 컨버터의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 인터리빙 방식의 다상 부스트 컨버터는 제1 내지 제n 인덕터(210), 제1 내지 제n 스위치(220), 제1 내지 제n 다이오드(230) 및 출력 커패시터(Co)(240)를 포함한다.
제1 내지 제n 인덕터(210)는 연료전지로부터 공급된 입력 전압(Vin)에 의한 입력 전력을 저장한다.
제1 내지 제n 스위치(220)는 턴-온되어 입력 전압(Vin)에 의해 공급된 입력 전력을 제1 내지 제n 인덕터(210)에 저장되도록 한다. 또한, 제1 내지 제n 스위치(220)는 턴-오프되어 제1 내지 제n 인덕터(210) 각각으로부터 공급된 전력을 출력 커패시터(Co)(240)에서 승압하여 인버터(130)를 거쳐 부하(150)로 공급되도록 한다.
출력 커패시터(Co)(240)는 제1 내지 제n 인덕터(210)로부터의 전력이 공급되며 공급된 전력을 승압하여 인버터(130)를 거쳐 부하(150)로 출력한다.
제1 내지 제n 다이오드(230)는 출력단(Vout)의 전류가 입력단으로 역류하는 것을 방지하기 위하여, 제1 내지 제n 인덕터(210)와 출력 커패시터(Co)(240) 사이에 연결된다.
이러한 종래의 다상 부스트 컨버터들은 병렬확장만이 가능하여 용량증대는 용이하다. 종래의 다상 부스트 컨버터는 인터리빙 효과로 제1 내지 제n 인덕터(210)의 전류 리플이 작아 연료전지의 수명 및 성능을 향상시킨다. 또한, 종래의 다상 부스트 컨버터는 다상 구조로 인해 제1 내지 제n 스위치(220)의 전류 정격이 낮다는 장점이 있다.
하지만, 종래의 다상 부스트 컨버터들은 입/출력 전압 차가 큰 응용에서 스위치 전압 정격의 제한, 다이오드 역회복에 의한 서지 전압 및 소자의 전류스트레스 등의 문제점으로 사용이 곤란하다.
구체적으로, 종래의 다상 부스트 컨버터는 실제 승압비가 3 내지 4배로 제한되어 있다는 문제점이 있다. 또한, 종래의 다상 부스트 컨버터는 제1 내지 제n 인덕터(210)의 전류가 전류 연속 모드(CCM: Continuous Current Mode)로 동작하기 때문에 스위칭 손실이 커 스위칭 주파수가 제한된다는 문제점이 있다. 또한, 종래의 다상 부스트 컨버터는 출력전압이 높아짐에 따라 제1 내지 제n 다이오드(230)의 역 회복 특성에 의한 서지 전압(Surge Voltage)이 발생한다는 문제점이 있다. 종래의 다상 부스트 컨버터는 제1 내지 제n 스위치(220) 및 제1 내지 제n 다이오드(230)의 전압 정격이 출력전압과 같다는 문제점이 있다. 상기의 문제점들로 인해 종래의 다상 부스트 컨버터는 효율 및 부피에서 큰 단점을 갖는다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여, 2대의 컨버터의 입력을 병렬로 연결하여 용량을 증대시키고 컨버터의 출력을 직렬로 연결하여 승압비를 높일 수 있는 컨버터가 제안되고 있다. 하지만, 이러한 2대의 컨버터 연결 방식은 실제 사용가능한 승압비가 약 6 내지 8배로 제한된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 고승압 응용에 서 종래의 컨버터의 승압비(예컨대, 3 내지 4배)를 더욱 높이는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 인덕터의 전류가 전류 연속 모드(CCM)로 동작하지만 소프트 스위칭을 성취하여 스위칭 손실을 줄이고 스위칭 주파수를 증가시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 소프트 스위칭 동작으로 다이오드의 역 회복 특성에 의한 서지 전압을 제거하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 스위치와 다이오드의 전압 정격을 출력 전압보다 작게 유지시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발은 컨버터의 고전압 측을 직렬연결하여 승압비를 높이고 소자의 전압 정격을 낮출 수 있으며 전류 연속 모드(CCM)에서도 스위치와 다이오드의 소프트 스위칭을 수행하여 효율 및 전력밀도를 높이는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터는, 고승압 및 대전력을 위한 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터에 있어서, 적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 저전압측 스위치 레그를 구비하고, 상기 구비된 복수 개의 스위치 레그를 비대칭 상보적으로 스위칭하여 출력되는 전압을 제어하는 스위칭부; 적어도 하나의 스위칭 보조 커패시터 및 적어도 하나의 스위칭 보조 인덕터를 구비하고, 상기 구비된 적어도 하나의 스위칭 보조 커패시터 및 스위 칭 보조 인덕터를 이용하여 상기 복수 개의 스위치 레그에서의 소프트 스위칭을 보조하는 스위칭 보조부; 및 적어도 하나의 다이오드 레그를 구비하고, 상기 스위칭 보조부에서 출력된 전압에 대한 전압 더블러 정류동작을 수행하는 정류부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 인덕터의 전류가 전류 연속 모드(CCM)로 동작하지만 소프트 스위칭을 수행하여 스위칭 손실을 줄이고 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 병렬수와 직렬수를 조정하여 승압비를 높이거나 대전력을 용이하게 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 소프트 스위칭 동작으로 다이오드의 역 회복 특성에 의한 서지 전압을 제거할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 스위치와 다이오드의 전압 정격이 출력전압보다 작아 수동 소자를 용이하게 선정할 수 있으며 최적으로 설계할 수 있는 효과가 있다.
더 나아가, 본 발명은 모든 DC-DC 컨버터 응용에서 고효율 및 고전력밀도 등을 제공할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한 다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 함에 유의한다.
도 3 은 본 발명에 따른 고승압 및 대전력을 위한 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터의 기본 셀의 일실시예 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 비절연 소프트 스위칭 DC-DC 컨버터의 기본 셀은 소스 전원(301)과 연결되어 있으며, 스위칭부(310), 스위칭 보조부(320) 및 정류부(330)를 포함한다. 여기서, 스위칭부(310)는 저전압측 인덕터(311), 제1 및 제2 스위치(312 및 313) 및 저전압측의 제1 및 제2 커패시터(314 및 315)를 포함한다. 또한, 스위칭 보조부(320)는 스위칭 보조 인덕터(321) 및 스위칭 보조 커패시터(322)를 포함한다. 또한, 정류부(330)는 제1 및 제2 다이오드(331 및 332) 및 고전압측의 제1 및 제2 커패시터(333 및 334)를 포함한다. 여기서, 제1 및 제2 스위치(312 및 313) 및 저전압측의 제1 및 제2 커패시터(314 및 315)를 저전압측 스위치 레그(Leg)라 한다. 또한, 제1 및 제2 다이오드(331 및 332) 및 고전압측의 제1 및 제2 커패시터(333 및 334)를 고전압측 다이오드 레그라한다.
본 발명에 따른 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터의 기본 셀은 입력을 병렬로 연결하여 확장가능하고, 출력을 직렬로 연결하여 확장가능하다. 이러한 기본 셀로 이루어진 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터는 입력 및 출력을 입력 병렬수 및 출력 직렬수를 조정하여 고승압 및 대전력을 용이하게 수행할 수 있다.
스위칭부(310)는 제1 및 제2 스위치(312 및 313)를 구비하고, 이를 상보적(Complementary)으로 스위칭하여 출력되는 전압을 제어한다.
스위칭 보조부(320)는 스위칭부(310)에서의 제1 또는 제2 스위치(312 및 313)로 흐르는 전류가 턴오프되는 경우에 제1 또는 제2 스위치(312 및 313)의 내부 커패시터를 방전시켜 제1 또는 제2 스위치(312 및 313)의 영전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching)을 보조한다. 스위칭부(310)에서의 제1 또는 제2 스위치(312 및 313)로 흐르는 전류가 턴오프되는 경우에 제1 또는 제2 스위치(312 및 313)의 내부 커패시터를 방전하기 때문에, 제1 또는 제2 스위치(312 및 313)는 스위칭 보조 인덕터(321)의 인덕턴스의 크기에 의해 영전압 스위칭 턴-온 영역이 결정된다. 또한, 스위칭 보조부(320)는 스위칭 보조 인덕터(321)의 전류를 '0'까지 방전시켜 제1 또는 제2 다이오드(331 및 332)의 영전류 스위칭(ZCS: Zero Current Switching)의 턴-오프를 보조한다.
정류부(330)는 스위칭 보조부(320)에서 출력된 전압을 정류한다.
도 4 는 본 발명에 따른 고승압 및 대전력을 위한 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터의 일실시예 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 비절연 소프트 스위칭 DC-DC 컨버터는 스위칭부(410), 스위칭 보조부(420) 및 정류부(430)를 포함한다.
여기서, 스위칭부(410)는 서로 병렬로 연결된 제1 내지 제NP 저전압측 인덕터(L1 ,11, …, L1 ,1P, …, L1 , N1, …, L1 , NP), 서로 직렬로 연결되어 한 쌍(이하, 상측 및 하측이라 함)을 이루며 각 쌍이 병렬로 연결되고 제1 내지 제NP 저전압측 인덕터(L1 ,11, …, L1 ,1P, …, L1 , N1, …, L1 , NP)와 각각 직렬로 접속되는 NP쌍의 상, 하측의 제1 내지 제NP 스위치(S11 및 S'11, …, S1P 및 S'1P, …, SN1 및 S'N1, …, SNP 및 S'NP), 및 서로 직렬로 연결되어 상,하측의 제1 내지 제NP 스위치(S11 및 S'11, …, S1P 및 S'1P, …, SN1 및 S'N1, …, SNP 및 S'NP)에 병렬로 접속하는 제1 및 제2 저전압측 커패시터(CI 및 C'I)를 포함한다.
또한, 스위칭 보조부(420)는 제1 내지 제NP 저전압측 인덕터(L1 ,11, …, L1 ,1P, …, L1 , N1, …, L1 , NP)와 각각 직렬로 접속되는 제1 내지 제NP 스위칭 보조 커패시터(C1 ,11, …, C1 ,1P, …, C1 , N1, …, C1 , NP) 및 제1 내지 제NP 스위칭 보조 커패시터(C1 ,11, …, C1 ,1P, …, C1 , N1, …, C1 , NP)와 각각 직렬로 연결되는 제1 내지 제NP 스위칭 보조 인덕터(L2 ,11, …, L2 ,1P, …, L2 , N1, …, L12 , NP)를 포함한다.
또한, 정류부(430)는 서로 직렬로 연결되어 한 쌍(상측 및 하측)을 이루고 각 쌍이 직렬로 연결되고 각 쌍이 제1 내지 제NP 스위칭 보조 인덕터(L2 ,11, …, L2,1P, …, L2 , N1, …, L2 , NP)와 각각 직렬로 접속되는 상,하측의 제1 내지 제NP 다이오 드(D11 및 D'11, …, D1P 및 D'1P, …, DN1 및 D'N1, …, DNP 및 D'NP), 및 서로 직렬로 연결되고 상,하측의 제1 내지 제NP 다이오드(D11 및 D'11, …, D1P 및 D'1P, …, DN1 및 D'N1, …, DNP 및 D'NP)의 각 쌍과 각각 병렬로 접속되는 제1 내지 제N 고전압측 커패시터(Co ,1, …, Co,N)를 포함한다.
본 발명에 따른 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터는 도 3의 기본 셀을 바탕으로 입력 측은 병렬로 연결되고 출력 측은 직렬로 연결되어 이루어진다. 여기서, 'N'은 직렬 연결된 출력측 전압 더블러의 수를 나타내며, 'P'는 각 전압 더블러의 출력에 병렬로 연결된 회로의 수를 나타낸다.
직렬 연결된 출력 측 전압 더블러의 수(N)를 늘리면, 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터는 승압비를 높일 수 있다. 반면, 각 전압 더블러 출력에 병렬 연결된 회로의 수(P)를 늘리면, 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터는 전력 용량을 증대시킬 수 있다. 이때, 소자의 수는 증가하나 각 소자의 전류정격은 작아지므로 대전력이 요구되는 경우에 유리하다.
전술된 바와 같이, 비절연 소프트 스위칭 DC-DC 컨버터의 스위칭부(410)는 구비된 스위치를 상보적(Complementary)으로 스위칭하여 출력되는 전압을 제어한다.
스위칭 보조부(420)는 스위칭부(410)에서의 상측 또는 하측 스위치로 흐르는 전류가 턴오프되는 경우에 상측 또는 하측 스위치의 내부 커패시터를 방전시켜 상측 또는 하측 스위치의 영전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching)을 보조한다. 스위칭부(410)에서의 상측 또는 하측 스위치로 흐르는 전류가 턴오프되는 경우에 상측 또는 하측 스위치의 내부 커패시터를 방전하기 때문에, 상측 또는 하측 스위치는 스위칭 보조 인덕터의 인덕턴스의 크기에 의해 영전압 스위칭 턴-온 영역이 결정된다. 또한, 스위칭 보조부(420)는 스위칭 보조 인덕터의 전류를 '0'까지 방전시켜 상측 또는 하측 다이오드의 영전류 스위칭(ZCS: Zero Current Switching)의 턴-오프를 보조한다.
정류부(430)는 스위칭 보조부(420)에서 출력된 전압을 정류한다.
본 발명에 따른 도 4의 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터의 승압비는 하기의 [수학식 1]과 같다.
Figure 112009081856506-PAT00001
여기서,
Figure 112009081856506-PAT00002
는 입력 전압,
Figure 112009081856506-PAT00003
는 출력 전압,
Figure 112009081856506-PAT00004
는 승압비(전압 전달비), N은 출력 직렬 수 및
Figure 112009081856506-PAT00005
는 유효 듀티를 나타낸다.
또한, 유효 듀티는 하기의 [수학식 2]와 같다.
Figure 112009081856506-PAT00006
여기서,
Figure 112009081856506-PAT00007
는 유효 듀티,
Figure 112009081856506-PAT00008
는 제어회로에서 결정된 듀티 및
Figure 112009081856506-PAT00009
는 스위칭 보조 인덕터 전류의 기울기에 의해 발생되는 듀티 손실을 나타낸다.
Figure 112009081856506-PAT00010
상기 [표 1]은 N 증가에 따른 소자의 전압 정격을 나타낸다.
한편, 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터의 동작 구간의 동작 과정 및 동작 구간별 파형에 대한 구체적인 설명은 도 8a 내지 도 8h 및 도 9의 설명에 기재하기로 한다. 또한, 도 5 는 P = 1인 경우의 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터이고, 도 6 은 N=1인 경우의 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터이므로, 도 5 및 도 6의 각 구성 요소의 설명은 상기의 도 3 및 도 4의 설명으로 대체하기로 한다.
도 5 는 본 발명에 따른 도 4의 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터에서 P=1인 경우의 일실시예 구성도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, P = 1인 경우 승압비를 높이는 DC-DC 컨버터는 스위칭부(510), 스위칭 보조부(520) 및 정류부(530)를 포함한다.
여기서, 스위칭부(510)는 서로 병렬로 연결된 제1 내지 제N 저전압측 인덕터(L1 ,1, L1 ,2, …, L1 ,N), 서로 직렬로 연결되어 한 쌍(이하, 상측 및 하측이라 함)을 이루며 각 쌍이 병렬로 연결되고 제1 내지 제N 저전압측 인덕터(L1 ,1, L1 ,2, …, L1 ,N)와 각각 직렬로 접속되는 N쌍의 상,하측의 제1 내지 제N 스위치(S1 및 S'1, S2 및 S'2, …, SN 및 S'N), 및 서로 직렬로 연결되어 상,하측의 제1 내지 제N 스위치(S1 및 S'1, S2 및 S'2, …, SN 및 S'N)에 병렬로 접속하는 제1 및 제2 저전압측 커패시터(CI 및 C'I)를 포함한다.
또한, 스위칭 보조부(520)는 제1 내지 제N 저전압측 인덕터(L1 ,1, L1 ,2, …, L1,N)와 각각 직렬로 접속되는 제1 내지 제N 스위칭 보조 커패시터(C1 ,1, C1 ,2, …, C1,N) 및 제1 내지 제N 스위칭 보조 커패시터(C1 ,1, C1 ,2, …, C1 ,N)와 각각 직렬로 연결되는 제1 내지 제N 스위칭 보조 인덕터(L2 ,1, L2 ,2, …, L2 ,N)를 포함한다.
또한, 정류부(530)는 서로 직렬로 연결되어 한 쌍(상측 및 하측)을 이루고 각 쌍이 직렬로 연결되고 각 쌍이 제1 내지 제N 스위칭 보조 인덕터(L2 ,1, L2 ,2, …, L2,N)와 각각 직렬로 접속되는 상,하측의 제1 내지 제N 다이오드(D1 및 D'1, D2 및 D'2, …, DN 및 D'N), 및 서로 직렬로 연결되고 상,하측의 제1 내지 제N 다이오드(D1 및 D'1, D2 및 D'2, …, DN 및 D'N)의 각 쌍과 각각 병렬로 접속되는 제1 내지 제N 고전압측 커패시터(Co ,1, Co ,2, …, Co ,N)를 포함한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터에서 승압비를 높이고자 하는 경우에 직렬 연결된 출력 측 전압 더블러의 수(N)를 늘리면 된다. 이때, 소자의 수는 증가하나 각 소자의 전압 정격은 작아지므로 높은 출력전압이 요구되는 경우에 유리하다.
도 6 은 본 발명에 따른 도 4의 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터에서 N=1인 경우의 일실시예 구성도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, N = 1인 경우 전력용량을 증대시키는 DC-DC 컨버터는 스위칭부(610), 스위칭 보조부(620) 및 정류부(630)를 포함한다.
여기서, 스위칭부(610)는 서로 병렬로 연결된 제1 내지 제P 저전압측 인덕터(L1 ,11, L1 ,12, …, L1 ,1P), 서로 직렬로 연결되어 한 쌍(이하, 상측 및 하측이라 함)을 이루며 각 쌍이 병렬로 연결되고 제1 내지 제P 저전압측 인덕터(L1 ,11, L1 ,12, …, L1,1P)와 각각 직렬로 접속되는 P쌍의 상,하측의 제1 내지 제P 스위치(S11 및 S'11, S12 및 S'12, …, S1P 및 S'1P), 및 서로 직렬로 연결되어 상,하측의 제1 내지 제P 스위치(S11 및 S'11, S12 및 S'12, …, S1P 및 S'1P)에 병렬로 접속하는 제1 및 제2 저전압측 커패시터(CI 및 C'I)를 포함한다.
또한, 스위칭 보조부(620)는 제1 내지 제P 저전압측 인덕터(L1 ,11, L1 ,12, …, L1,1P)와 각각 직렬로 접속되는 제1 내지 제P 스위칭 보조 커패시터(C1 ,11, C1 ,12, …, C1,1P) 및 제1 내지 제P 스위칭 보조 커패시터(C1 ,11, C1 ,12, …, C1 ,1P)와 각각 직렬로 연결되는 제1 내지 제P 스위칭 보조 인덕터(L2 ,11, L2 ,12, …, L2 ,1P)를 포함한다.
또한, 정류부(630)는 서로 직렬로 연결되어 한 쌍(상측 및 하측)을 이루고 각 쌍이 직렬로 연결되고 각 쌍이 제1 내지 제P 스위칭 보조 인덕터(L2 ,11, L2 ,12, …, L2,1P)와 각각 직렬로 접속되는 상,하측의 제1 내지 제P 다이오드(D11 및 D'11, D12 및 D'12, …, D1P 및 D'1P), 및 서로 직렬로 연결되고 상,하측의 제1 내지 제P 다이오드(D11 및 D'11, D12 및 D'12, …, D1P 및 D'1P)의 각 쌍과 각각 병렬로 접속되는 제1 고전압측 커패시터(Co ,1)를 포함한다.
도 6 은 N = 1인 경우에 전력용량을 높이는 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터를 나타낸다. 전력 용량을 증대시키고자 하는 경우에 각 전압 더블러 출력에 병렬 연결된 회로의 수(P)를 늘리면 된다. 이때, 수동 소자의 수는 증가하나 각 수동 소자의 전류정격은 작아지므로 대전력이 요구되는 경우에 유리하다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 도 4의 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터는 승압비를 높이거나 전력용량을 증대시키는 경우에 입력 병렬 수(P)와 출력 직렬 수(N)를 승압비나 전력용량에 따라 조정함으로써, 가격 및 수급이 용이한 수동 소자를 선정할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 도 4의 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터는 직렬확장 및 병렬확장 시 모두 인터리빙이 적용되어 입출력 수동소자의 부피를 감소시킬 수 있다.
도 7 은 본 발명에 따른 도 4의 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터에서 N=2, P=1인 경우의 일실시예 구성도이다.
본 발명에 따른 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터의 일례로 N=2, P=1인 경우를 살펴보기로 한다.
도 7에 도시된 바와 같이, N=2, P=1인 경우의 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터는 스위칭부(710), 스위칭 보조부(720) 및 정류부(730)를 포함한다.
여기서, 스위칭부(710)는 서로 병렬로 연결된 제1 및 제2 저전압측 인덕터(L1 ,1 및 L1 ,2), 서로 직렬로 연결되어 한 쌍(이하, 상측 및 하측이라 함)을 이루며 각 쌍이 병렬로 연결되고 제1 및 제2 저전압측 인덕터(L1 ,1 및 L1 ,2)와 각각 직렬로 접속되는 2쌍의 상,하측의 제1 및 제2 스위치(S1, S'1 및 S2, S'2), 및 서로 직렬로 연결되어 상,하측의 제1 및 제2 스위치(S1 및 S'1 및 S2 및 S'2)에 각각 병렬로 접속하는 제1 및 제2 저전압측 커패시터(CI 및 C'I)를 포함한다.
또한, 스위칭 보조부(720)는 제1 및 제2 저전압측 인덕터(L1 ,1 및 L1 ,2)와 각각 직렬로 접속되는 제1 및 제2 스위칭 보조 커패시터(C1 ,1 및 C1 ,2) 및 제1 및 제2 스위칭 보조 커패시터(C1 ,1 및 C1 ,2)와 각각 직렬로 연결되는 제1 및 제2 스위칭 보조 인덕터(L2 ,1 및 L2 ,2)를 포함한다.
또한, 정류부(730)는 서로 직렬로 연결되어 한 쌍(상측 및 하측)을 이루고 각 쌍이 직렬로 연결되고 각 쌍이 제1 및 제2 스위칭 보조 인덕터(L2 ,1 및 L2 ,2)와 각각 직렬로 접속되는 상,하측의 제1 및 제2 다이오드(D1 및 D'1, 및 D2 및 D'2), 및 서로 직렬로 연결되고 상,하측의 제1 및 제2 다이오드(D1 및 D'1, 및 D2 및 D'2)의 각 쌍과 각각 병렬로 접속되는 제1 및 제2 고전압측 커패시터(Co ,1 및 Co ,2)를 포함한다.
도 8a 내지 도 8h 는 본 발명에 따른 도 7의 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터에서의 동작 구간별 동작 방법에 대한 일실시예 설명도이다. 도 9 는 본 발명에 따른 도 7의 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터에서의 동작 구간 파형에 대한 일실시예 설명도이다.
이하, 도 8a 내지 도 8h 및 도 9를 통해 도 7의 DC-DC 컨버터의 동작 과정에 대해서 상세하게 살펴보기로 한다. 즉, 본 발명에 따른 도 7의 DC-DC 컨버터에서 N=2, P=1인 경우를 도 8a 내지 도 8h 및 도 9를 통해 동작 구간과 동작 구간별 동작 파형(전압 및 전류의 흐름)을 살펴보기로 한다.
도 8a 내지 도 8h 및 도 9에 도시된 바와 같이, DC-DC 컨버터의 동작 구간은 제1 내지 제8 구간(901 내지 908)으로 나누어진다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 제1 구간(901)은 스위칭 주파수에 의해 스위칭부(710)에서의 하측의 제1 및 제2 스위치(S'1 및 S'2)가 턴-온되고, 하측의 제1 및 제2 다이오드(D'1, 및 D'2)가 온되는 구간이다. 하측의 제1 스위치(S'1)에 게이트 전압이 인가되고 내부 다이오드로 흐르던 전류가 스위치 채널로 흐르게 되면서 영전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching)이 수행된다. 제1 구간(901)은 하측의 제2 스위치(S'2)가 턴-오프될 때 종료된다.
이후, 도 8b에 도시된 바와 같이, 제2 구간(902)은 스위칭 주파수에 의해 스위칭부(710)에서의 하측의 제1 스위치(S'1)가 턴-온되고 하측의 제2 스위치(S'2)가 턴-오프되고 하측의 제1 및 제2 다이오드(D'1, 및 D'2)가 온 동작을 유지하는 구간이다. 하측의 제2 스위치(S'2)가 턴-오프되면서 상, 하측의 제2 스위치(S2 , S'2)의 내부 커패시터가 각각 충전 및 방전을 한다. 충전 및 방전이 완료되면, 상측의 제2 스위치(S2)의 내부 다이오드로 전류가 흐른다. 제2 구간(902)은 상측의 제2 스위치(S2)에 게이트 전압이 인가될 때 종료된다.
이후, 도 8c에 도시된 바와 같이, 제3 구간(903)은 스위칭 주파수에 의해 스위칭부(710)에서의 하측의 제1 스위치(S'1)가 턴-온되고 상측의 제2 스위치(S2)가 턴-온되고 하측의 제1 다이오드(D'1) 및 상측의 제2 다이오드(D2)가 온되는 구간이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 상측의 제2 스위치(S2)에 게이트 전압이 인가되고 내부 다이오드로 흐르던 전류가 스위치 채널로 흐르게 되면서 영전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching)이 수행된다. 제3 구간(903)은 상측의 제2 스위치(S2)가 턴-오프될 때 종료된다.
이후, 도 8d에 도시된 바와 같이, 제4 구간(904)은 스위칭 주파수에 의해 스위칭부(710)에서의 하측의 제1 스위치(S'1)가 턴-온되고 상측의 제2 스위치(S2)가 턴-오프되고 하측의 제1 다이오드(D'1) 및 상측의 제2 다이오드(D2)가 온 동작을 유지하는 구간이다. 상측의 제2 스위치(S2)가 턴-오프되면서 상, 하측의 제2 스위치(S2 , S'2)의 내부 커패시터가 각각 충전 및 방전을 한다. 충전 및 방전이 완료되면, 하측의 제2 스위치(S'2)의 내부 다이오드로 전류가 흐른다. 또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 제4 구간(904)에서 스위칭 보조 인덕터(L2 ,1)의 전류가 '0'까지 방전을 하면서 제5 구간(905)에서 상측 제1 다이오드(D1)은 자연적으로 영전류 스위칭(ZCS) 턴-오프된다. 제4 구간(904)은 하측의 제2 스위치(S'2)에 게이트 전압이 인가될 때 종료된다.
이후, 도 8e에 도시된 바와 같이, 제5 구간(905)은 스위칭 주파수에 의해 스위칭부(710)에서의 하측의 제1 및 제2 스위치(S'1 및 S'2)가 턴-온되고, 하측의 제1 및 제2 다이오드(D'1, 및 D'2)가 온되는 구간이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 하측의 제2 스위치(S'2)에 게이트 전압이 인가되고 내부 다이오드로 흐르던 전류가 스위치 채널로 흐르게 되면서 영전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching)이 수행된다. 제5 구간(905)은 하측의 제2 스위치(S'2)가 턴-오프될 때 종료된다.
도 8f에 도시된 바와 같이, 제6 구간(906)은 스위칭 주파수에 의해 스위칭부(710)에서의 하측의 제1 스위치(S'1)가 턴-오프되고 하측의 제2 스위치(S'2)가 턴-온되고 하측의 제1 및 제2 다이오드(D'1, 및 D'2)가 온 동작을 유지하는 구간이다. 하측의 제1 스위치(S'1)가 턴-오프되면서 상, 하측의 제1 스위치(S1 , S'1)의 내부 커패시터가 각각 충전 및 방전을 한다. 충전 및 방전이 완료되면, 상측의 제1 스위치(S1)의 내부 다이오드로 전류가 흐른다. 또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 제4 구간(904)에서 스위칭 보조 인덕터(L2 ,2)의 전류가 '0'까지 방전을 하면서 제5 구간(905)에서 하측 제2 다이오드(D'2)은 자연적으로 영전류 스위칭(ZCS) 턴-오프된다. 제6 구간(906)은 상측의 제1 스위치(S1)에 게이트 전압이 인가될 때 종료된다.
도 8g에 도시된 바와 같이, 제7 구간(907)은 스위칭 주파수에 의해 스위칭부(710)에서의 상측의 제1 스위치(S1)가 턴-온되고 하측의 제2 스위치(S'2)가 턴-온되고 상측의 제1 다이오드(D1) 및 하측의 제2 다이오드(D'2)가 온되는 구간이다. 상측의 제1 스위치(S1)에 게이트 전압이 인가되고 내부 다이오드로 흐르던 전류가 스위치 채널로 흐르게 되면서 영전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching)이 수행된다. 제7 구간(907)은 상측의 제1 스위치(S1)가 턴-오프될 때 종료된다.
도 8h에 도시된 바와 같이, 제8 구간(908)은 스위칭 주파수에 의해 스위칭부(710)에서의 상측의 제1 스위치(S1)가 턴-오프되고 하측의 제2 스위치(S'2)가 턴-온되고 상측의 제1 다이오드(D1) 및 하측의 제2 다이오드(D'2)가 온 동작을 유지하는 구간이다. 상측의 제1 스위치(S1)가 턴-오프되면서 상, 하측의 제1 스위치(S11 , S'1)의 내부 커패시터가 각각 충전 및 방전을 한다. 충전 및 방전이 완료되면, 하측의 제1 스위치(S'1)의 내부 다이오드로 전류가 흐른다. 제8 구간(908)은 하측의 제1 스위치(S'1)에 게이트 전압이 인가될 때 종료된다.
이후, 본 발명에 따른 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터는 제1 내지 제8 구간(901 내지 908)을 반복적으로 수행한다.
전술된 바와 같이, 본 발명에 따른 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터는 제1 내지 제8 구간(901 내지 908)의 수행에 따라 고승압의 연료전지 응용에 적합하고, 전류 연속 모드(CCM)에서도 스위치의 영전압 스위칭(ZVS) 턴-온이 가능하며, 다이오드의 영전류 스위칭(ZCS) 턴-오프 동작으로 역방향 회복으로 인한 서지 전압을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터는 병렬수(P)와 직렬수(N)를 조정하여 대전력 및 고승압 응용에서도 가격과 수급이 부품 사용을 용이하게 선택할 수 있다. 더 나아가, 본 발명에 따른 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터는 모든 소자의 전압 정격과 수동소자의 부피를 종래의 부스트 컨버터보다 감소시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
본 발명에 따른 다상 DC-DC 컨버터는 고승압 및 대전력 확장가능하고, 전류 연속 모드에서 소프트 스위칭(영전압 스위칭 및 영전류 스위칭)이 가능하고, 병렬 및 직렬 조합으로 대전력 및 고승압 사양에도 가격과 수급이 용이한 부품 사용을 가능하게 하여 고효율 및 고전력밀도를 달성할 수 있다.
도 1 은 일반적인 연료전지 시스템의 구성도,
도 2 는 종래의 인터리빙 방식의 다상 부스트 컨버터의 구성도,
도 3 은 본 발명에 따른 고승압 및 대전력을 위한 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터의 기본 셀의 일실시예 구성도,
도 4 는 본 발명에 따른 고승압 및 대전력을 위한 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터의 일실시예 구성도,
도 5 는 본 발명에 따른 도 4의 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터에서 P=1인 경우의 일실시예 구성도,
도 6 은 본 발명에 따른 도 4의 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터에서 N=1인 경우의 일실시예 구성도,
도 7 은 본 발명에 따른 도 4의 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터에서 N=2, P=1인 경우의 일실시예 구성도,
도 8a 내지 도 8h 는 본 발명에 따른 도 7의 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터에서의 동작 구간별 동작 방법에 대한 일실시예 설명도,
도 9 는 본 발명에 따른 도 7의 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터에서의 동작 구간 파형에 대한 일실시예 설명도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
310, 410, 510, 610: 스위칭부 320, 420, 520, 620: 스위칭 보조부
330, 430, 530, 630: 정류부

Claims (7)

  1. 고승압 및 대전력을 위한 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터에 있어서,
    적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 저전압측 스위치 레그를 구비하고, 상기 구비된 복수 개의 스위치 레그를 비대칭 상보적으로 스위칭하여 출력되는 전압을 제어하는 스위칭부;
    적어도 하나의 스위칭 보조 커패시터 및 적어도 하나의 스위칭 보조 인덕터를 구비하고, 상기 구비된 적어도 하나의 스위칭 보조 인덕터를 이용하여 상기 복수 개의 스위치 레그에서의 소프트 스위칭을 보조하는 스위칭 보조부; 및
    적어도 하나의 다이오드 레그를 구비하고, 상기 스위칭 보조부에서 출력된 전압에 대한 전압 더블러 정류동작을 수행하는 정류부
    를 포함하는 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 보조부는,
    상기 구비된 적어도 하나의 스위칭 보조 인덕터를 이용하여 상기 스위칭부에 구비된 복수 개의 스위치 레그 중 어느 하나의 일측 스위치가 턴-오프되면 타측의 스위치의 내부 커패시터를 방전시켜 상기 스위칭부의 영전압 스위칭을 보조하는 비 절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 보조부는,
    상기 구비된 적어도 하나의 스위칭 보조 인덕터의 전류를 영전류값까지 방전시켜 상기 정류부의 영전류 스위칭을 보조하는 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭부의 입력측은 병렬로 연결되고,
    상기 정류부는 승압비에 따라 직렬 연결이 증가된 출력측의 적어도 하나의 다이오드 레그를 구비하고,
    상기 스위칭 보조부는 상기 직렬 연결이 증가된 적어도 하나의 다이오드 레그에 각각 연결되는 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭부의 입력측은 병렬로 연결되고,
    상기 정류부는 전력용량 증대비에 따라 병렬 연결이 증가된 출력측의 적어도 하나의 다이오드 레그를 구비하고,
    상기 스위칭 보조부는 상기 병렬 연결이 증가된 적어도 하나의 다이오드 레그에 각각 연결되는 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭부는 서로 병렬로 연결된 복수 개의 저전압측 인덕터, 서로 직렬로 연결되어 한 쌍(이하, 상측 및 하측이라 함)을 이루며 각 쌍이 병렬로 연결되고 상기 복수 개의 저전압측 인덕터와 각각 직렬로 접속되는 상,하측의 복수 개의 스위치, 및 서로 직렬로 연결되어 상기 상,하측의 복수 개의 스위치에 병렬로 접속하는 제1 및 제2 저전압측 커패시터를 포함하고,
    상기 스위칭 보조부는 상기 스위칭부의 복수 개의 저전압측 인덕터와 각각 직렬로 접속되는 복수 개의 스위칭 보조 커패시터 및 상기 복수 개의 스위칭 보조 커패시터와 각각 직렬로 연결되는 복수 개의 스위칭 보조 인덕터를 포함하고,
    상기 정류부는 서로 직렬로 연결되어 한 쌍을 이루고 각 쌍이 직렬로 연결되고 각 쌍이 상기 복수 개의 스위칭 보조 인덕터와 각각 직렬로 접속되는 상,하측의 복수 개의 다이오드, 및 서로 직렬로 연결되고 상기 상,하측의 복수 개의 다이오드의 각 쌍과 각각 병렬로 접속되는 복수 개의 고전압측 커패시터를 포함하는 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 스위칭 보조부는,
    상기 스위칭부의 복수 개의 저전압측 인덕터와 각각 직렬로 접속되는 제1 내지 제NP 스위칭 보조 커패시터 및 제1 내지 제NP 스위칭 보조 커패시터와 각각 직렬로 연결되는 제1 내지 제NP 스위칭 보조 인덕터를 포함하는 비절연 소프트 스위칭 다상 DC-DC 컨버터.
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