KR20120068593A - 다중입력 양방향 ｄｃ―ｄｃ 컨버터 - Google Patents

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Abstract

서로 다른 특성을 갖는 여러 에너지 저장 모듈에 대해 독립적으로 충방전 제어를 하는 기술에 관한 것으로, 일 실시예에 따른 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터는 제1 전원의 입력전류를 저장하는 제1 입력부와, 제1 입력부와 연결되어 제1 전원의 입력전류를 제어하는 1차측 제1 하프브릿지와, 출력전압을 저장하는 출력부와, 출력부와 연결되어 출력전압을 제어하는 2차측 제1 하프브릿지와, 1차측이 1차측 제1 하프브릿지와 연결되고, 2차측이 2차측 제1 하프브릿지와 연결되되 전력모드에 따라 1차측 또는 2차측의 전압을 변압하는 제1 변압기를 포함하는 제1 전원 양방향 DC-DC 컨버터와, 제n 전원의 입력전류를 저장하는 제n 입력부와, 제n 입력부와 연결되어 제n 전원의 입력전류를 제어하는 1차측 제n 하프브릿지와, 제1 전원 양방향 DC-DC 컨버터의 출력부와 연결되어 출력전압을 제어하는 2차측 제n 하프브릿지와, 1차측이 1차측 제n 하프브릿지와 연결되고, 2차측이 2차측 제n 하프브릿지와 연결되되 전력모드에 따라 1차측 또는 2차측의 전압을 변압하는 제n 변압기를 포함하는 제n 전원 양방향 DC-DC 컨버터를 포함하되, 제n 전원 양방향 DC-DC 컨버터를 하나 이상 포함한다.

Description

다중입력 양방향 ＤＣ―ＤＣ 컨버터{MULTI-INPUT BIDIRECTIONAL ＤＣ―ＤＣ CONVERTER}
본 발명은 양방향 DC-DC 컨버터와 관한 것으로, 더욱 상세하게는 여러 전원을 입력으로 하는 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
선진국을 중심으로 기후변화와 환경오염의 문제점들을 해결하기 위한 방안으로 신재생에너지(New Renewable Energy)의 도입을 적극적으로 확대하고 있다. 그러나 풍력 및 태양광 같은 신재생에너지는 간헐적(intermittent)인 출력특성으로 인해 기후 및 지형적 환경에 따라 출력 변동이 심하므로 예측에 어려움이 있다. 따라서, 신재생에너지를 전력계통과 연계시 계통(grid)의 불안정성, 전력품질의 저하가 발생한다. 또한, 에너지 생산시점과 사용시점 간의 시간차로 인해 신재생에너지를 효율적으로 이용하기 어렵다.
한편, 배터리와 같은 에너지저장장치(battery energy storage system)를 이용한 계통안정화 시스템(grid stabilization system)은 신재생에너지 분산발전시스템(distributed power generation system)과의 병렬운전을 통해 신재생에너지 시스템의 출력변동을 저감시킬 수 있다. 또한 에너지 수요가 적을 때는 에너지를 저장해두었다가 피크타임에 수요자에게 에너지를 공급함으로써 신재생에너지의 생산시점과 수요시점간의 시간차 문제를 해결할 수 있다.
대규모의 신재생에너지 발전시스템과의 병렬운전을 위해서는 대용량의 에너지저장시스템이 필요하다. 최근에는 고에너지 밀도(high energy density)와 고속 충방전 특성을 가지는 리튬이온 배터리가 주목을 받고 있다. 리튬이온 배터리를 이용한 대용량 에너지저장시스템은 많은 셀들의 직병렬 연결을 통해 구성된다. 특히, 내부 저항(internal resistance)이 낮은 셀들로 구성된 배터리 모듈의 경우 직렬로 연결된 특정 셀이 고장을 일으켜 전압이 강하되면 다른 직렬 셀 모듈로부터 많은 전류가 흘러 배터리 수명을 단축시킬 수 있다.
서로 다른 임피던스 특성 또는 충전상태를 갖는 배터리 셀 모듈 또는 슈퍼 캐패시터 모듈을 포함하는 다중 입력전원에 대해 독립적으로 충방전을 제어하는 기술을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터는 제1 전원의 입력전류를 저장하는 제1 입력부와, 제1 입력부와 연결되어 제1 전원의 입력전류를 제어하는 1차측 제1 하프브릿지와, 출력전압을 저장하는 출력부와, 출력부와 연결되어 출력전압을 제어하는 2차측 제1 하프브릿지와, 1차측이 1차측 제1 하프브릿지와 연결되고, 2차측이 2차측 제1 하프브릿지와 연결되되 전력모드에 따라 1차측 또는 2차측의 전압을 변압하는 제1 변압기를 포함하는 제1 전원 양방향 DC-DC 컨버터와, 제n 전원의 입력전류를 저장하는 제n 입력부와, 제n 입력부와 연결되어 제n 전원의 입력전류를 제어하는 1차측 제n 하프브릿지와, 제1 전원 양방향 DC-DC 컨버터의 출력부와 연결되어 출력전압을 제어하는 2차측 제n 하프브릿지와, 1차측이 1차측 제n 하프브릿지와 연결되고, 2차측이 2차측 제n 하프브릿지와 연결되되 전력모드에 따라 1차측 또는 2차측의 전압을 변압하는 제n 변압기를 포함하는 제n 전원 양방향 DC-DC 컨버터를 포함하되, 제n 전원 양방향 DC-DC 컨버터를 하나 이상 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터의 제1 전원 양방향 DC-DC 컨버터는, 제1 전원에 연결되는 제1 입력 인덕터를 포함하는 제1 입력부와, 제1 입력 인덕터에 연결되는 1차측 제1 스위치, 1차측 제2 스위치, 제1 캐패시터, 제2 캐패시터를 포함하는 1차측 제1 하프브릿지와, 출력 캐패시터와, 출력 캐패시터에 연결되는 2차측 제1 스위치, 2차측 제2 스위치, 제3 캐패시터, 제4 캐패시터를 포함하는 2차측 제1 하프브릿지와, 1차측의 일단이 1차측 제1 스위치와 1차측 제2 스위치의 접점에 연결되고, 타단이 제1 캐패시터와 제2 캐패시터의 접점에 연결되며, 2차측의 일단이 2차측 제1 스위치와 2차측 제2 스위치의 접점에 연결되고, 타단이 제3 캐패시터와 제4 캐패시터의 접점에 연결되는 제1 변압기를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터의 제n 전원 양방향 DC-DC 컨버터는, 제n 전원에 연결되는 제n 입력 인덕터를 포함하는 제n 입력부와, 제n 입력부와 연결되는 1차측 제n 스위치, 1차측 제(n+1) 스위치, 상기 제1 캐패시터, 상기 제2 캐패시터를 포함하는 1차측 제n 하프브릿지와, 상기 출력 캐패시터, 상기 출력 캐패시터의 양단에 연결되는 2차측 제n 스위치, 2차측 제(n+1) 스위치와 상기 제3 캐패시터와 상기 제4 캐패시터를 포함하는 2차측 제n 하프브릿지와, 1차측의 일단이 상기 1차측 제n 스위치와 상기 1차측 제(n+1) 스위치의 접점에 연결되고, 타단이 상기 제1 캐패시터와 상기 제2 캐패시터의 접점에 연결되며, 2차측의 일단이 상기 2차측 제n 스위치와 상기 2차측 제(n+1) 스위치의 접점에 연결되고, 타단이 상기 제3 캐패시터와 상기 제4 캐패시터의 접점에 연결되는 제n 변압기를 포함하는 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터.
본 발명의 일 실시예에 따른 서로 독립된 루프에 의해 제어되는 3상 양방향 DC-DC 컨버터는 3개의 독립적인 DC 전원과, DC 전원 각각에 연결되는 인덕터와, DC 전원과 인덕터가 연결되는 1차측 하프브릿지와, 출력 캐패시터와, 1차측 하프브릿지 각각에 대응하여 출력 캐패시터의 양단에 연결되는 2차측 하프브릿지와, 1차측 하프브릿지와 2차측 하프브릿지에 각각 Y-Y 결선으로 연결되는 3상 고주파 변압기를 포함한다.
이에 따라, 서로 다른 특성을 갖는 여러 에너지 저장 모듈에 대해 독립적으로 충방전 제어를 할 수 있다. 또한, 각 상(phase)의 제어루프를 독립적으로 제어함으로써 다른 배터리 셀이 고장이 생겨도 다른 배터리 셀에 영향을 미치지 않으므로 전체 시스템의 안정화를 이룰 수 있다. 또한, 에너지저장 모듈이 배터리인 경우 전류제어 루프를 통해 부하추종을 독립적으로 할 수 있으며, 에너지저장 모듈이 슈퍼 캐패시터인 경우 배터리 보다 고주파의 부하추종 제어를 하거나 전류제어 루프에 전압제어 루프를 추가하여 계통안정화시스템 또는 DC 마이크로그리드의 DC 링크 전압을 제어할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터의 회로 구성도,
도 2a는 일 실시예에 따른 3상 양방향 DC-DC 컨버터의 회로 구성도,
도 2b는 일 실시예에 따른 3상 양방향 DC-DC 컨버터의 동작 파형도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 사용되는 용어들은 실시 예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시 예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터의 회로 구성도이다.
도 1을 참조하면, 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터는 입력부(10), 1차측 브릿지(30), 출력부(50), 2차측 브릿지(70), 변압부(90)를 포함한다. 구체적으로, 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터는 다수의 전원(V1,..,Vn)과 각 전원에 연결되는 인덕터(L1,..,Ln)를 포함하는 입력부(10)와, 입력부(10)에 연결되는 스위치(Q1, Q2,..,Qn, Qn +1)와 캐패시터(C1, C2)를 포함하는 1차측 하프브릿지(30)와, 출력 캐패시터(C0)의 양단을 출력으로 하는 출력부(50)와, 출력부(50)에 연결되는 스위치(S1, S2,..,Sn, Sn +1)와 캐패시터(C3, C4)를 포함하는 2차측 하프브릿지(70)와, 일단이 1차측 하프브릿지(30)와 연결되고, 타단이 2차측 하프브릿지(70)와 연결되어, 입력부(10)의 전압을 설정된 비율만큼 승압시켜 출력부(50)에 전달하는 변압부(90)를 포함한다.
입력부(10)는 다수의 전원(V1,..,Vn)과, 각 전원마다 연결되는 입력 인덕터(L1,..,Ln)를 포함한다. 이 경우 전원은 에너지의 충전/방전이 가능한 배터리 또는 슈퍼 캐패시터이다. 입력부(10)는 서로 다른 제어루프에 의해 제어되는 두 개 이상의 서로 다른 전원을 포함한다. 예를 들어, 3상 양방향 DC-DC 컨버터의 경우, Y 결선으로 연결되는 입력부(10)는 결선마다 DC 전원을 포함할 수 있다. 따라서, 입력부(10)는 총 3개의 서로 다른 DC 전원을 포함하게 된다.
제1 전원, 제2 전원, 제3 전원이 먼저 서로 병렬로 연결된 후, 하나의 DC-DC 컨버터에 연결되는 경우, 제2 전원이 고장이 나는 경우 제1 전원 및 제3 전원과의 전압차이가 생긴다. 이 경우, 제1 전원 및 제3 전원의 전류가 고장난 제2 전원으로 흐르게 되므로, 제2 전원이 수명이 단축될 수 있다. 따라서, 본 발명의 경우 복수의 전원마다 서로 독립적으로 제어하기 위해, 각 전원을 포함하는 양방향 DC-DC 컨버터는 독립적인 루프에 의해 제어된다.
입력 인덕터(L1,..,Ln)는 각 전원에 직렬로 연결된다. 입력 인덕터는 각 전원에서 생성되는 전류를 저장한다. 방전모드에서 입력 인덕터와 함께 1차측 하프브릿지(30)는 함께 DC-DC 컨버터가 부스트 모드(boost mode)로 동작한다. 입력 인덕터는 전원으로부터 출력된 전류를 저장하고, 저장된 에너지는 1차측 하프브릿지(30) 와 변압부(90)를 통해 2차측으로 출력된다. 이에 따라, 각 전원을 독립적으로 제어가 가능하며, 어느 하나의 전원이 고장나더라도 다른 루프에 연결된 전원에는 영향을 미치지 않으므로 전원의 수명을 늘릴 수 있다.
1차측 하프브릿지(30)는 기본적으로 2개의 스위치(Q1, Q2)와 2개의 캐패시터(C1, C2)를 포함한다. 이 경우, 1차측 하프브릿지(30)는 변압부(90)의 1차측에 위치한다. 스위치(Q1, Q2)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 MOSFET(MOS field-effect transistor)이다. 각 스위치에는 무손실 캐패시터가 병렬로 연결된다. 이는 소프트 스위칭을 하기 위함이다. 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터에서 1차측은 2차측 보다 저전압이다. 양방향 DC-DC 컨버터가 방전 모드(boost mode)인 경우에는 에너지가 저전압인 1차측의 전원에서 2차측의 출력단으로 전달된다.
1차측 하프브릿지(30)는 입력부(10), 변압부(90)와 연결된다. 또한, 1차측 하프브릿지(30)에서는 영 전압 스위칭(Zero Voltage Switching)이 가능하다. 1차측 하프브릿지(30)는 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터가 방전 모드(boost mode)인 경우, 입력부(10)의 DC 전원으로부터 출력되는 DC 전류를 고주파 펄스형으로 변조하여 변압부(90)의 1차측으로 전달하고 2차측 하프브릿지는 고주파 전류펄스를 정류하여 출력부로 전달한다. 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터가 충전 모드(buck mode)인 경우, 1차측 하프브릿지(30)는 2차측 하프브릿지로부터 변압부(90)를 통해 전달된 고주파 전류펄스를 정류하여 입력부(10)로 전달한다.
본 발명의 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터는 각 전원에 연결된 1차측 하프브릿지(70)에 대해 독립적인 루프제어가 가능하다. 양방향 DC-DC 컨버터에 독립적으로 제어되는 전원이 추가되는 경우, 추가된 전원에 연결되는 1차측 하프브릿지(30)는 2개의 스위치(Qn, Qn +1)를 포함한다. 따라서, 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터에 또 다른 양방향 DC-DC 컨버터가 추가되는 경우, 전체 컨버터의 1차측 하프브릿지(30)는 2개의 스위치가 추가된다.
출력부(50)는 캐패시터(C0)를 포함한다. 본 발명의 다중입력 DC-DC 컨버터는 입력전원의 수와 관계없이 하나의 출력을 가진다. 다중입력 DC-DC 컨버터의 출력은 출력부(50)의 양단 전압이다. 예를 들어, 출력부(50)는 계통연계형 인버터의 DC 입력단, 분산 전원용 컨버터의 DC 출력단 또는 부하용 컨버터의 DC 입력단과 연결될 수 있다.
양방향 DC-DC 컨버터가 방전 모드(boost mode)인 경우에는 입력부(10)로부터 출력부(50)로 에너지가 공급된다. 공급된 에너지는 출력부(50)의 캐패시터에 저장되고, 외부 전원 시스템의 DC 입력단에 연결되어 에너지를 공급한다. 양방향 DC-DC 컨버터가 충전 모드(buck mode)인 경우에는 출력부(50)로부터 입력부(10)로 에너지가 공급된다. 출력부(50)의 캐패시터는 외부의 전원 시스템으로부터 전달된 에너지를 저장하고, 이를 2차측 하프브릿지(70)와 변압기(90)를 통하여 입력부(10)로 전달한다.
2차측 하프브릿지(70)는 기본적으로 2개의 스위치(S1, S2)와 2개의 캐패시터를 포함한다. 이 경우, 2차측 하프브릿지(70)는 변압기(90)의 2차측에 위치한다. 스위치는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 MOSFET(MOS field-effect transistor)이다. 각 스위치는 무손실 캐패시터가 병렬로 연결된다. 이는 소프트 스위칭을 하기 위함이다.
다중입력 양방향 DC-DC 컨버터에서 1차측은 2차측 보다 저전압이다. 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터가 충전 모드(buck mode)인 경우에는 에너지가 고전압인 2차측에서 저전압인 1차측으로 전달되고, 방전 모드(boost mode)인 경우에는 에너지가 1차측에서 2차측으로 전달된다. 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터가 충전 모드(buck mode)인 경우, 2차측 브릿지(70)는 변압부(90), 출력부(50)와 연결되어, 출력부(50)의 DC 전류를 고주파 펄스형으로 변조하여 변압부(90)를 통해 1차측으로 전달한다. 한편, 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터가 방전 모드(boost mode)인 경우, 2차측 하프브릿지(70)는 변압부(90)를 통해 전달되는 펄스형 전류를 정류하여 출력부(50)로 전달한다.
본 발명의 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터는 각 전원에 연결된 1차측 하프브릿지(30)에 대해 독립적인 제어가 가능하며, 1차측 하프브릿지(30)에 대응하는 2차측 하프브릿지(70)도 독립적인 제어가 가능하다. 양방향 DC-DC 컨버터에 전원이 추가되는 경우, 추가된 전원에 연결되는 1차측 하프브릿지(30)는 2개의 스위치(Qn, Qn +1)를 포함하며, 그에 대응하는 2차측 하프브릿지(70)도 2개의 스위치(Sn, Sn +1)를 포함한다. 따라서, 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터에 또 다른 양방향 DC-DC 컨버터가 추가되는 경우, 전체 컨버터의 2차측 하프브릿지(70)는 2개의 스위치가 추가된다.
변압부(90)는 1차측의 전압을 변압하여 2차측에 변압된 전압을 인가한다. 변압부(90)는 전원과 부하를 전기적으로 절연한다. 변압부(90)는 설정된 권선비 1;K 로 권선되어 1차측의 전압을 변압한다. 변압부(90)는 저전압인 1차측의 전압을 승압하여 2차측에 전달한다. 본 발명의 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터는 각 전원에 대해 독립적인 제어루프를 구성하므로, 전원이 추가될 때마다 1차측 하프브릿지(30)의 스위치 및 2차측 하프브릿지(70)의 스위치가 각각 2개씩 추가된다. 따라서, 전원이 추가될 때마다 1차측 하프브릿지(30), 2차측 하프브릿지(70)와 연결되는 변압기(90)도 1개씩 추가된다.
도 1에는 본 발명의 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터를 구성하는 회로 소자의 연결 관계를 보다 구체적으로 나타낸다. n상의 양방향 DC-DC 컨버터의 경우, n 개의 독립된 DC 전원(V1,..,Vn)이 병렬 형태로 연결되어 있으며, 각 전원에는 입력 인덕터가(L1,..,Ln) 직렬로 연결된다. 각 결선마다 1차측 하프브릿지가 연결된다. 1차측 하프브릿지는 2개의 1차측 스위치(Q1,..,Qn , Qn +1)와 2개의 캐패시터(C1, C2)로 구성된다. 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터는 독립된 DC 전원(Vn)이 추가될 때마다 1차측 하프브릿지도 추가된다. 다만, 이 경우 2개의 스위치(Qn , Qn +1)만이 추가되고, 캐패시터(C1, C2)는 다른 1차측 하프브릿지와 공유하여 1차측 하프브릿지를 구성한다.
n상의 양방향 DC-DC 컨버터는 독립된 전원의 수만큼 별개의 변압기(T1,.., Tn)를 포함한다. 각 변압기(T1,.., Tn)는 고주파 변압기(high frequency transformer)로써, 1차측과 2차측 모두에 Y-Y 결선형태로 1차측 하프브릿지, 2차측 하프브릿지와 연결된다. 이 경우, 변압기는 1차측의 일단은 1차측 하프브릿지에 포함되는 스위치(Q1,..,Qn , Qn +1)들의 접점과 연결되며, 1차측의 타단은 1차측 하프브릿지의 캐패시터(C1, C2)들의 접점과 연결된다. 각 변압기의 1차측의 일단은 서로 다른 1차측 하프브릿지에 포함되는 스위치들(Q1,..,Qn , Qn +1)의 접점에 연결되지만, 1차측의 타단은 동일한 1차측 캐패시터들(C1, C2)의 접점과 연결된다. 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터는 독립된 전원이 추가되는 경우, 그에 연결되는 1차측 하프브릿지를 구성하기 위해 2개의 스위치(Qn , Qn +1)가 추가되나, 캐패시터(C1, C2)는 다른 전원의 1차측 하프브릿지와 공유한다.
또한, 변압기(T1,.., Tn)는 2차측의 일단은 2차측 하프브릿지에 포함되는 스위치들(S1,..,Sn , Sn +1)의 접점과 연결되며, 2차측의 타단은 2차측 하프브릿지의 캐패시터들(C3, C4)의 접점과 연결된다. 각 변압기의 2차측 일단은 서로 다른 2차측 하프브릿지에 포함되는 스위치들(S1,..,Sn , Sn +1)의 접점에 연결되지만, 2차측의 타단은 동일한 2차측 캐패시터들(C3, C4)의 접점과 연결된다. 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터는 독립된 전원이 추가되는 경우, 그에 대응하여 2차측 하프브릿지를 구성하기 위해 2개의 스위치(Sn , Sn +1)가 추가되나, 캐패시터(C3, C4)는 다른 전원의 2차측 하프브릿지와 공유한다.
2차측 하프브릿지는 2개의 스위치(S1,..,Sn , Sn +1)와 2개의 캐패시터(C3, C4)로 구성된다. 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터는 독립된 DC 전원이 추가될 때마다 2차측 하프브릿지도 추가된다. 다만, 이 경우 2개의 스위치(Sn , Sn +1)만이 추가되고, 캐패시터(C3, C4)는 다른 2차측 하프브릿지와 공유하여 2차측 하프브릿지를 구성한다. 2차측 하프브릿지는 출력 캐패시터(C0)와 연결된다. 본 발명의 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터는 하나의 출력 캐패시터(C0)로 구성된다. 따라서, 다수의 2차측 하프브릿지 모두 하나의 출력 캐패시터(C0)와 연결된다.
도 2a는 일 실시예에 따른 3상 양방향 DC-DC 컨버터의 회로 구성도이고, 도 2b는 일 실시예에 따른 3상 양방향 DC-DC 컨버터의 동작 파형도이다.
도 2a를 참조하면, 3상 양방향 DC-DC 컨버터는 3개의 제어루프가 형성된다. 3상 양방향 DC-DC 컨버터는 1차측과 2차측에 모두 Y-Y 결선의 3상 고주파 변압기(high frequency transformer)를 포함한다. 3상 고주파 변압기의 1차측에는 3개의 입력 인덕터(La, Lb, Lc)와 3개의 하프 브릿지가 위치한다. 하프 브릿지는 1차측 제1 스위치(Q1), 제2 스위치(Q2), 제3 스위치(Q3), 제4 스위치(Q4), 제5 스위치(Q5), 제6 스위치(Q6), 제1 캐패시터(C1), 제2 캐패시터(C2)가 3개의 하프 브릿지를 이룬다. 이 경우, 3상 고주파 변압기의 1차측 일단은 각 하프 브릿지의 스위치 간의 접점(a, b, c)에 연결된다. 또한, 3상 고주파 변압기의 1차측 타단은 제1 캐패시터(C1), 제2 캐패시터(C2)의 접점 m에 공통으로 연결된다.
한편, 3상 고주파 변압기의 2차 측에는 3개의 하프 브릿지와 출력 캐패시터(C0)가 위치한다. 2차측의 하프 브릿지는 2차측 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2), 제3 스위치(S3), 제4 스위치(S4), 제5 스위치(S5), 제6 스위치(S6), 제3 캐패시터(C3), 제4 캐패시터(C4)가 3개의 하프 브릿지를 이룬다. 제3 캐패시터(C3), 제4 캐패시터(C4)의 양단에는 출력 캐패시터(C0)가 연결된다. 3상 고주파 변압기의 2차 측 일단은 2차측 스위치의 각 접점과 연결되며, 타단은 제3 캐패시터(C3), 제4 캐패시터(C4)의 접점과 연결된다.
도 2b에는 도 2a에 나타낸 3상 양방향 DC-DC 컨버터의 이론적인 동작파형을 나타낸 것이다. a상의 전원(Va)을 포함하는 양방향 DC-DC 컨버터에서의 1차측 제1 스위치(Q1)의 턴온(turn-on)시간과 2차측 제1 스위치(S1)의 턴온(turn-on)시간이 존재한다. ILa, ILb, ILc는 a, b, c상의 인덕터(La, Lb, Lc) 입력 전류를 나타내고, Ipa, Ipb, Ipc는 변압기의 1차측 전류를 나타낸다. Vpa는 변압기의 a상의 1차측 펄스 전압을 나타내고, Vsa는 변압기의 a상의 2차측 펄스 전압을 나타낸다. Vc1은 제1 캐패시터(c1)의 양단 전압, Vc2는 제2 캐패시터(c2)의 양단 전압, Vc3는 제3 캐패시터(c3)의 양단 전압, Vc4는 제4 캐패시터(c4)의 양단 전압을 나타낸다.
변압기의 a상의 1차측 구형파 전압(Vpa)과 a상의 2차측 구형파 전압(Vsa)에는 위상차(phase shift, φa)가 존재한다. 이러한 위상차에 의해 DC-DC 컨버터의 전력전달 양이 결정된다. 각상의 하프 브릿지는 50%의 듀티비(duty ratio)로 동작한다. 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터에서는 각상의 입력 전류를 독립적으로 제어가 가능하다.
이상에서 본 발명은 도면을 참조하면서 기술되는 바람직한 실시 예를 중심으로 설명되었지만 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명은 기재된 실시 예로부터 도출 가능한 자명한 변형예를 포괄하도록 의도된 특허청구범위의 기재에 의해 해석되어져야 한다.
10 : 입력부
30 : 1차측 하프브릿지
50 : 출력부
70 : 2차측 하프브릿지
90 : 변압부

Claims (4)

  1. 제1 전원의 입력전류를 저장하는 제1 입력부와, 상기 제1 입력부와 연결되어 상기 제1 전원의 입력전류를 제어하는 1차측 제1 하프브릿지와, 출력전압을 저장하는 출력부와, 상기 출력부와 연결되어 출력전압을 제어하는 2차측 제1 하프브릿지와, 1차측이 상기 1차측 제1 하프브릿지와 연결되고, 2차측이 상기 2차측 제1 하프브릿지와 연결되되 전력모드에 따라 1차측 또는 2차측의 전압을 변압하는 제1 변압기를 포함하는 제1 전원 양방향 DC-DC 컨버터와;
    제n 전원의 입력전류를 저장하는 제n 입력부와, 상기 제n 입력부와 연결되어 상기 제n 전원의 입력전류를 제어하는 1차측 제n 하프브릿지와, 상기 제1 전원 양방향 DC-DC 컨버터의 출력부와 연결되어 출력전압을 제어하는 2차측 제n 하프브릿지와, 1차측이 상기 1차측 제n 하프브릿지와 연결되고, 2차측이 상기 2차측 제n 하프브릿지와 연결되되 전력모드에 따라 1차측 또는 2차측의 전압을 변압하는 제n 변압기를 포함하는 제n 전원 양방향 DC-DC 컨버터를 포함하되,
    상기 제n 전원 양방향 DC-DC 컨버터를 하나 이상 포함하는 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 전원 양방향 DC-DC 컨버터는,
    상기 제1 전원에 연결되는 제1 입력 인덕터를 포함하는 제1 입력부와, 상기 제1 입력 인덕터에 연결되는 1차측 제1 스위치, 1차측 제2 스위치, 제1 캐패시터, 제2 캐패시터를 포함하는 1차측 제1 하프브릿지와, 출력 캐패시터와, 상기 출력 캐패시터에 연결되는 2차측 제1 스위치, 2차측 제2 스위치, 제3 캐패시터, 제4 캐패시터를 포함하는 2차측 제1 하프브릿지와, 1차측의 일단이 상기 1차측 제1 스위치와 상기 1차측 제2 스위치의 접점에 연결되고, 타단이 상기 제1 캐패시터와 상기 제2 캐패시터의 접점에 연결되며, 2차측의 일단이 상기 2차측 제1 스위치와 상기 2차측 제2 스위치의 접점에 연결되고, 타단이 상기 제3 캐패시터와 상기 제4 캐패시터의 접점에 연결되는 제1 변압기를 포함하는 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제n 전원 양방향 DC-DC 컨버터는,
    상기 제n 전원에 연결되는 제n 입력 인덕터를 포함하는 제n 입력부와, 상기 제n 입력부와 연결되는 1차측 제n 스위치, 1차측 제(n+1) 스위치, 상기 제1 캐패시터, 상기 제2 캐패시터를 포함하는 1차측 제n 하프브릿지와, 상기 출력 캐패시터, 상기 출력 캐패시터의 양단에 연결되는 2차측 제n 스위치, 2차측 제(n+1) 스위치와 상기 제3 캐패시터와 상기 제4 캐패시터를 포함하는 2차측 제n 하프브릿지와, 1차측의 일단이 상기 1차측 제n 스위치와 상기 1차측 제(n+1) 스위치의 접점에 연결되고, 타단이 상기 제1 캐패시터와 상기 제2 캐패시터의 접점에 연결되며, 2차측의 일단이 상기 2차측 제n 스위치와 상기 2차측 제(n+1) 스위치의 접점에 연결되고, 타단이 상기 제3 캐패시터와 상기 제4 캐패시터의 접점에 연결되는 제n 변압기를 포함하는 다중입력 양방향 DC-DC 컨버터.
  4. 서로 독립된 루프에 의해 제어되는 3상 양방향 DC-DC 컨버터에 있어서,
    3개의 독립적인 DC 전원과;
    상기 DC 전원 각각에 연결되는 인덕터와;
    상기 DC 전원과 인덕터가 연결되는 1차측 하프브릿지와;
    출력 캐패시터와;
    상기 1차측 하프브릿지 각각에 대응하여 출력 캐패시터의 양단에 연결되는 2차측 하프브릿지; 및
    상기 1차측 하프브릿지와 2차측 하프브릿지에 각각 Y-Y 결선으로 연결되는 3상 고주파 변압기;
    를 포함하는 3상 양방향 DC-DC 컨버터.
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