KR20120068593A - 다중입력 양방향 ｄｃ―ｄｃ 컨버터 - Google Patents

다중입력 양방향 ｄｃ―ｄｃ 컨버터 Download PDF

Info

Publication number
KR20120068593A
KR20120068593A KR20100130283A KR20100130283A KR20120068593A KR 20120068593 A KR20120068593 A KR 20120068593A KR 20100130283 A KR20100130283 A KR 20100130283A KR 20100130283 A KR20100130283 A KR 20100130283A KR 20120068593 A KR20120068593 A KR 20120068593A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
capacitor
primary
half bridge
input
switch
Prior art date
Application number
KR20100130283A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101168078B1 (ko
Inventor
송유진
한수빈
박석인
정학근
채수용
김규덕
유승원
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR1020100130283A priority Critical patent/KR101168078B1/ko
Priority to US12/974,891 priority patent/US20120153729A1/en
Publication of KR20120068593A publication Critical patent/KR20120068593A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101168078B1 publication Critical patent/KR101168078B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33576—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer
    • H02M3/33584—Bidirectional converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/50—Charging of capacitors, supercapacitors, ultra-capacitors or double layer capacitors

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.
KR1020100130283A 2010-12-17 2010-12-17 다중입력 양방향 ｄｃ-ｄｃ 컨버터 KR101168078B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100130283A KR101168078B1 (ko) 2010-12-17 2010-12-17 다중입력 양방향 ｄｃ-ｄｃ 컨버터
US12/974,891 US20120153729A1 (en) 2010-12-17 2010-12-21 Multi-input bidirectional dc-dc converter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100130283A KR101168078B1 (ko) 2010-12-17 2010-12-17 다중입력 양방향 ｄｃ-ｄｃ 컨버터

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120068593A true KR20120068593A (ko) 2012-06-27
KR101168078B1 KR101168078B1 (ko) 2012-07-24

Family

ID=46233435

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100130283A KR101168078B1 (ko) 2010-12-17 2010-12-17 다중입력 양방향 ｄｃ-ｄｃ 컨버터

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20120153729A1 (ko)
KR (1) KR101168078B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109672260A (zh) * 2019-02-26 2019-04-23 深圳英飞源技术有限公司 一种高频隔离变换的储能系统

Families Citing this family (43)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8503194B2 (en) * 2009-12-21 2013-08-06 Intersil Americas LLC Bidirectional signal conversion
WO2011135822A1 (ja) * 2010-04-27 2011-11-03 パナソニック株式会社 電圧制御装置、電圧制御方法及び電圧制御プログラム
CA2746304A1 (fr) * 2011-07-15 2013-01-15 Hydro-Quebec Systeme de recharge rapide multi-niveaux avec batteries de puissance imbriquees
DE102012204035A1 (de) * 2012-03-14 2013-09-19 Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH) Stromregelung für Gleichspannungswandler
JP2013236428A (ja) * 2012-05-07 2013-11-21 Sanken Electric Co Ltd 直流変換装置
AU2013370446A1 (en) * 2012-12-30 2015-05-07 Enphase Energy, Inc. Three port converter with dual independent maximum power point tracking and dual operating modes
US9584044B2 (en) * 2013-03-15 2017-02-28 Sunpower Corporation Technologies for converter topologies
US9444358B2 (en) * 2013-08-14 2016-09-13 Board Of Regents, The University Of Texas System Multiple-input isolated push-pull connected power converters
KR101541960B1 (ko) * 2013-08-29 2015-08-05 공주대학교 산학협력단 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치
TWI496409B (zh) * 2014-01-22 2015-08-11 Lite On Technology Corp 單相三線式電力控制系統及其電力控制方法
JP6003932B2 (ja) * 2014-03-11 2016-10-05 トヨタ自動車株式会社 電力変換装置及びその起動方法
CN105186892B (zh) * 2014-05-27 2018-06-08 晶宝智电科技有限公司 数位ac/dc电源转换器
US20150365035A1 (en) * 2014-06-16 2015-12-17 Samsung Electro-Mechanics Co. Ltd. Apparatus for driving switched reluctance motor and method of controlling the apparatus
KR20160046195A (ko) * 2014-10-20 2016-04-28 삼성전기주식회사 무선 전력 송신 장치
DE102015207607A1 (de) 2015-04-24 2016-10-27 Schmidhauser Ag Bidirektionaler Gleichspannungswandler
US10116159B1 (en) 2015-06-02 2018-10-30 The Florida State University Research Foundation, Inc. Family of isolated battery energy storage system (BESS) with multiple functions for DC grid application
US10374424B2 (en) 2015-08-18 2019-08-06 Argentum Electronics, Inc. Wide range power distribution systems and methods
WO2017029628A1 (en) 2015-08-18 2017-02-23 Argentum Electronics, Inc. Wide range power combiner
US10272788B2 (en) 2015-08-28 2019-04-30 General Electric Company Hybrid system with multiple energy storage devices
US10141851B2 (en) * 2016-03-25 2018-11-27 General Electric Company Resonant DC to DC power converter
EP3320612A1 (en) * 2016-07-07 2018-05-16 Huawei Technologies Co., Ltd. Four-switch three phase dc-dc resonant converter
JP6551340B2 (ja) * 2016-08-24 2019-07-31 オムロン株式会社 電圧変換装置
DE102016218160A1 (de) 2016-09-21 2018-03-22 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung und Verfahren zum Zuführen von Energie zu einer Mehrzahl von Energiespeicherbauteilen und/oder zum Bereitstellen von in den Energiespeicherbauteilen gespeicherter Energie
US10284110B2 (en) 2017-06-19 2019-05-07 Esab Ab Power supply having four quadrant converter and techniques for operation
CN108199582A (zh) * 2017-12-28 2018-06-22 天津大学 多端口模块化多电平dc-dc变压器
CN108566093B (zh) 2018-06-08 2023-10-27 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 一种多输入单输出直流变换器
CN111446860B (zh) * 2019-01-16 2021-09-21 台达电子企业管理（上海）有限公司 直流/直流变换器及其控制方法
CN111446861B (zh) 2019-01-16 2021-02-26 台达电子企业管理（上海）有限公司 直流/直流变换器及其控制方法
CN111146929A (zh) 2020-01-22 2020-05-12 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 一种功率变换器
CN111146930A (zh) 2020-01-22 2020-05-12 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 功率变换器
CN111327179B (zh) 2020-03-18 2021-10-15 南京矽力微电子技术有限公司 控制电路、控制方法及应用其的开关电源
CN111262420A (zh) 2020-03-24 2020-06-09 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 Ac/dc电源、整流电路及其控制方法
CN111505410B (zh) 2020-04-02 2022-07-29 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 调光模式检测电路、方法和无调光检测电路及照明系统
CN111431405B (zh) 2020-04-13 2021-05-14 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 电压纹波控制电路及控制方法
CN111585447A (zh) 2020-06-05 2020-08-25 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 缓冲电路及应用其的开关电源
CN112019069B (zh) 2020-09-01 2022-05-24 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 控制芯片以及应用其的开关电源
CN112202336B (zh) * 2020-09-17 2022-02-15 华南理工大学 功率方向可自动切换的双向clllc型变换器控制方法
WO2022056576A1 (en) * 2020-09-18 2022-03-24 Redarc Technologies Pty Ltd A synchronous dc-dc power converter with a single power storage element
CN112165266B (zh) 2020-09-25 2021-12-14 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 开关电源电路
CN112600408B (zh) 2020-12-02 2022-06-14 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 开关电容变换器及其驱动电路
US11880324B2 (en) 2021-06-21 2024-01-23 Caterpillar Inc. Battery data translator
US20230318470A1 (en) * 2022-03-31 2023-10-05 Lear Corporation Wide-Range Input DC/DC Converter
US20240055996A1 (en) * 2022-08-12 2024-02-15 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Electronic transformer for current sharing and load-independent voltage gain

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5027264A (en) 1989-09-29 1991-06-25 Wisconsin Alumni Research Foundation Power conversion apparatus for DC/DC conversion using dual active bridges
DE19829777A1 (de) 1998-07-03 2000-01-05 Abb Patent Gmbh DC/DC-Konverter
US7138730B2 (en) * 2002-11-22 2006-11-21 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Topologies for multiple energy sources
US7518886B1 (en) * 2005-02-18 2009-04-14 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Multiphase soft switched DC/DC converter and active control technique for fuel cell ripple current elimination
US8284576B2 (en) * 2010-04-16 2012-10-09 Honeywell International Inc. Multi-module bidirectional zero voltage switching DC-DC converter

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109672260A (zh) * 2019-02-26 2019-04-23 深圳英飞源技术有限公司 一种高频隔离变换的储能系统

Also Published As

Publication number Publication date
KR101168078B1 (ko) 2012-07-24
US20120153729A1 (en) 2012-06-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101168078B1 (ko) 다중입력 양방향 ｄｃ-ｄｃ 컨버터
KR101251064B1 (ko) 고승압비 다중입력 양방향 ｄｃ－ｄｃ 컨버터
US9673719B2 (en) Dual Active Bridge with flyback mode
Tao et al. Multi-input bidirectional DC-DC converter combining DC-link and magnetic-coupling for fuel cell systems
She et al. On integration of solid-state transformer with zonal DC microgrid
US8853888B2 (en) Multiple-input DC-DC converter
KR101199490B1 (ko) 고승압비 다상 인터리브 양방향 ｄｃ－ｄｃ 컨버터
Suryadevara et al. Full-bridge ZCS-converter-based high-gain modular DC-DC converter for PV integration with medium-voltage DC grids
Grainger et al. Power electronics for grid-scale energy storage
CN103141019A (zh) 包括要并联或串联连接的dc电源的dc-dc变换器
Park et al. An interleaved half-bridge bidirectional dc-dc converter for energy storage system applications
Xue et al. A novel bi-directional DC-DC converter for distributed energy storage device
Park et al. Battery energy storage system with interleaving structure of dual-active-bridge converter and non-isolated DC-to-DC converter with wide input and output voltage
Bayat et al. Partly isolated three‐port DC–DC converter based on impedance network
Moradisizkoohi et al. A bipolar DC-DC converter with wide voltage-gain range for energy storage integration in ship power systems
Mukherjee et al. A Brief Review on Triple Active Bridge DC-DC Converter
Al-Jafeary et al. A Multi-Pulse Phase-Modulation/Duty Cycle Control for a Triple Active Bridge Converter
Cui et al. Direct 400 Vdc to 1 Vdc power conversion with input series output parallel connection for data center power supplies
Srinivas et al. A novel single-input multi-port isolated bi-directional converter for EV applications
Grbović et al. Interface converters for ultra-capacitor applications in power conversion systems
Santhi et al. A ZVCS lc-resonant push-pull power converter circuit for battery-fuel cell hybrid systems
Anuradha et al. Bi-Directional Flyback DC-DC Converter For Solar PV-Battery Charger System
Ko et al. High Efficiency Asymmetric Dual Active Clamp Forward Converter with Phase-Shift Control for Small Conduction Loss
Rathore et al. Modulation and Analysis of Current-Fed High Gain Multilevel DC-DC Converter in BESS Charging Mode
Kumar et al. Analysis of Isolated DC-DC Coupled-Inductor Based Dual Active Bridge Converter for EV Charging Systems

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150713

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160708

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170704

Year of fee payment: 6