KR20130067338A - 인터리브 방식으로 구동되는 양방향 ｄｃ/ｄｃ 컨버터 시스템 및 이의 구동 방법 - Google Patents

인터리브 방식으로 구동되는 양방향 ｄｃ/ｄｃ 컨버터 시스템 및 이의 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인터리브 방식으로 구동되는 양방향 DC/DC 컨버터 시스템에 관한 것으로, 이러한 본 발명은 배터리에 연결되며 제1 고주파 변압기를 포함하는 제1 입력 모듈, 상기 제1 고주파 변압기를 통하여 상기 제1 입력 모듈에 연결되는 제1 출력 모듈을 포함하는 제1 컨버터, 상기 제1 컨버터에 병렬로 상기 배터리에 연결되며 제2 고주파 변압기를 포함하는 제2 입력 모듈, 상기 제2 고주파 변압기를 통하여 상기 제2 입력 모듈에 연결되는 제2 출력 모듈을 포함하는 제2 컨버터, 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터의 일측에 병렬로 연결되는 상기 배터리, 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터에 연결되는 부하, 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터를 인터리브 방식으로 구동하기 위하여 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터에 포함된 스위칭 소자들의 턴-온 및 턴-오프를 제어하는 인터리브 스위치 제어 회로를 포함하는 인터리브 방식으로 구동되는 양방향 DC/DC 컨버터 시스템의 구성과 이의 구동 방법을 개시한다.

Description

인터리브 방식으로 구동되는 양방향 ＤＣ/ＤＣ 컨버터 시스템 및 이의 구동 방법{Bidirectional DC/DC Converter System Using Interleave Method And Driving Method thereof}
본 발명은 양방향 컨버터 시스템에 관한 것으로, 특히 보다 간소화된 구조를 채택하면서도 효과적은 시스템 구동을 지원하는 인터리브 방식으로 구동되는 양방향 DC/DC 컨버터 시스템 및 이의 구동 방법에 대한 것이다.
일반적으로 DC/DC 컨버터는 한 방향으로 즉 고압측 전압에서 저압측 전압으로 전압을 강하시키는 구성을 포함하거나 혹은 저압측 전압에서 고압측 전압으로 전압을 상승시키는 구성으로 되어 있다.
한편 차량에서는 각각 상이한 전압 값 예를 들면 고압측 전압 및 저압측 전압을 갖는 배터리를 이용하는 2개의 직류 전원계를 갖는다. 그 때문에 고효율을 요구하는 차량에서 2개의 직류 전원계간 즉 저압에서 고압 혹은 고압측 전압에서 저압측 전압으로의 전압 변환을 상호 수행하여 한정된 에너지를 효율적으로 이용하는 방법이 제안되고 있다. 그리고 상호 전력을 융통하는 경우 일반적으로 직류 전원계간에 직류 승압 회로와 직류 강압 회로를 병렬로 배치하고, 이들을 적절하게 사용하는 양방향의 DC/DC 컨버터의 구성이 채용되어 왔다.
이러한 종래의 승압형 컨버터는 PWM(Power Width Modulation) 듀티비 및 변압기의 변압비를 이용하여 승압하는 방식으로 개발되었다. 이 중 단일 컨버터는 스위칭 소자의 정격 전압 및 전류에 따른 소자선정과 변압기의 코어선정 및 제작이 어려운 단점을 안고 있다. 이 문제를 해결하기 위해 종래에는 병렬로 구성된 2개의 컨버터를 사용하는 방법이 개발되었으나 입력전류 및 출력 전압 리플이 크게 나타나는 문제가 있었다.
여기서 입출력 리플 성분을 감소시키기 위해서는 커패시터의 용량을 크게 하거나 주파수를 증가시켜 주기를 짧게 하는 방법 즉 주파수를 높이는 방법이 있다. 그러나 커패시터의 용량을 너무 크게 할 경우 시정수 증가로 인한 응답성이 현저하게 줄어드는 문제가 있으며 컨버터의 크기가 커지는 문제점이 있다. 또한 주파수를 높이면 높일수록 스위칭 손실과 스트레스가 커지는 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 입출력 리플 성분을 줄여 출력단 필터 설계를 생략하거나 개수를 줄일 수 있도록 병렬 구성의 컨버터를 인터리브 방식을 이용하여 제어하고, 영전류 스위칭 제어를 위해 변압기의 누설리액턴스와 하프브리지 형태의 스너버 커패시터를 이용하여 공진회로를 구성함으로써 시스템의 소형 경량화를 구현할 수 있는 인터리브 방식으로 구동되는 양방향 DC/DC 컨버터 시스템 및 이의 구동 방법을 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 배터리에 연결되며 제1 고주파 변압기를 포함하는 제1 입력 모듈, 상기 제1 고주파 변압기를 통하여 상기 제1 입력 모듈에 연결되는 제1 출력 모듈을 포함하는 제1 컨버터, 상기 제1 컨버터에 병렬로 상기 배터리에 연결되며 제2 고주파 변압기를 포함하는 제2 입력 모듈, 상기 제2 고주파 변압기를 통하여 상기 제2 입력 모듈에 연결되는 제2 출력 모듈을 포함하는 제2 컨버터, 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터의 일측에 병렬로 연결되는 상기 배터리, 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터에 연결되는 부하, 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터를 인터리브 방식으로 구동하기 위하여 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터에 포함된 스위칭 소자들의 턴-온 및 턴-오프를 제어하는 인터리브 스위치 제어 회로를 포함하는 인터리브 방식으로 구동되는 양방향 DC/DC 컨버터 시스템의 구성을 개시한다.
여기서 상기 제1 입력 모듈은 상기 배터리에 풀 브리지 형태로 연결되어 스위칭되는 제1 스위칭 소자들, 상기 제1 스위칭 소자들과 연결되며 상기 제1 출력 모듈에 대하여 일정 변압비를 제공하는 상기 제1 고주파 변압기, 상기 제1 스위칭 소자들과 상기 제1 고주파 변압기 사이에 배치되는 제1 인덕터를 포함하며, 상기 제1 출력 모듈은 상기 제1 고주파 변압기의 일단이 접속되는 노드와, 상기 노드에 하프브리지 형태로 각각 연결된 제2 스위칭 소자들, 상기 제2 스위칭 소자들에 각각 연결되는 제11 스너버 커패시터들 및 제12 스너버 커패시터를 포함하며, 상기 제2 입력 모듈은 상기 배터리 대하여 풀 브리지 형태로 연결되는 제3 스위칭 소자들, 상기 제2 출력 모듈에 대하여 일정 변압비를 제공하는 상기 제2 고주파 변압기, 상기 제3 스위칭 소자들과 상기 제2 고주파 변압기 사이에 배치되는 제2 인덕터를 포함하며, 상기 제2 출력 모듈은 상기 제2 고주파 변압기의 일단이 접속되는 노드와, 상기 노드에 하프브리지 형태로 연결되는 제4 스위칭 소자들, 상기 제4 스위칭 소자들에 각각 연결되는 제21 스너버 커패시터 및 제22 스너버 커패시터를 포함할 수 있다.
특히 상기 스위치 제어 회로는 상기 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제1 인덕터와 상기 제11 스너버 커패시터를 포함하는 직렬 공진 형태, 상기 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제1 인덕터와 상기 제12 스너버 커패시터를 포함하는 직렬 공진 형태, 상기 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제2 인덕터와 상기 제21 스너버 커패시터를 포함하는 직렬 공진 형태 및 상기 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제2 인덕터와 상기 제22 스너버 커패시터를 포함하는 직렬 공진 형태가 각각 교번되게 수행되도록 제어할 수 있다.
한편 상기 제1 고주파 변압기는 상기 제1 입력 모듈 및 제1 출력 모듈에 대하여 1:1 변압비를 제공하며, 상기 제2 고주파 변압기 상기 제2 입력 모듈 및 제2 출력 모듈에 대하여 1:1 변압비를 제공할 수 있다.
본 발명은 또한, 배터리, 상기 배터리에 병렬로 연결되며 스위칭 소자들과 제1 인덕터 및 제1 고주파 변압기와 하프브리지 형태로 배치되는 제11 스너버 커패시터 및 제12 스너버 커패시터를 포함하는 제1 컨버터와, 상기 배터리에 병렬로 연결되며 스위칭 소자들과 제2 인덕터 및 제2 고주파 변압기와 하프브리지 형태로 배치되는 제21 스너버 커패시터 및 제22 스너버 커패시터를 포함하는 제2 컨버터, 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터에 연결되는 부하를 포함하는 양방향 DC/DC 컨버터 시스템의 구동 방법에 있어서, 상기 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제1 인덕터와, 제1 고주파 변압기, 상기 제11 스너버 커패시터를 포함하는 직렬 공진 형태를 구성하는 제1 단계, 상기 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제1 인덕터와, 제1 고주파 변압기, 상기 제12 스너버 커패시터를 포함하는 직렬 공진 형태를 구성하는 제2 단계, 상기 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제2 인덕터와, 제2 고주파 변압기, 상기 제21 스너버 커패시터를 포함하는 직렬 공진 형태를 구성하는 제3 단계 및 상기 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제2 인덕터와, 제2 고주파 변압기, 상기 제22 스너버 커패시터를 포함하는 직렬 공진 형태를 구성하는 제4 단계가 각각 교번되게 수행되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터 시스템의 인터리브 구동 방법의 구성을 개시한다.
특히 상기 구동 방법은 상기 제1 고주파 변압기에 연결된 풀 브리지의 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제1 단계의 직렬 공진 형태를 구성하고 상기 제2 고주파 변압기에 연결된 풀 브리지의 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제3 단계의 직렬 공진 형태를 구성하는 단계, 상기 제1 고주파 변압기에 연결된 풀 브리지의 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제1 단계의 직렬 공진 형태를 구성하고 상기 제2 고주파 변압기에 연결된 풀 브리지의 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제4 단계의 직렬 공진 형태를 구성하는 단계, 상기 제1 고주파 변압기에 연결된 풀 브리지의 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제2 단계의 직렬 공진 형태를 구성하고 상기 제2 고주파 변압기에 연결된 풀 브리지의 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제3 단계의 직렬 공진 형태를 구성하는 단계, 상기 제1 고주파 변압기에 연결된 풀 브리지의 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제2 단계의 직렬 공진 형태를 구성하고 상기 제2 고주파 변압기에 연결된 풀 브리지의 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제4 단계의 직렬 공진 형태를 구성하는 단계 중 적어도 하나를 구성하여 상기 배터리 전력을 상기 부하에 공급하는 모드를 구동하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 구동 방법은 상기 제11 스너버 커패시터에 인접된 스위칭 소자를 제어하여 상기 제1 단계의 직렬 공진 형태를 구성하고, 상기 제21 스너버 커패시터에 인접된 스위칭 소자를 제어하여 상기 제3 단계의 직렬 공진 형태를 구성하는 단계, 상기 제11 스너버 커패시터에 인접된 스위칭 소자를 제어하여 상기 제1 단계의 직렬 공진 형태를 구성하고, 상기 제22 스너버 커패시터에 인접된 스위칭 소자를 제어하여 상기 제4 단계의 직렬 공진 형태를 구성하는 단계, 상기 제12 스너버 커패시터에 인접된 스위칭 소자를 제어하여 상기 제2 단계의 직렬 공진 형태를 구성하고, 상기 제21 스너버 커패시터에 인접된 스위칭 소자를 제어하여 상기 제3 단계의 직렬 공진 형태를 구성하는 단계, 상기 제12 스너버 커패시터에 인접된 스위칭 소자를 제어하여 상기 제2 단계의 직렬 공진 형태를 구성하고, 상기 제22 스너버 커패시터에 인접된 스위칭 소자를 제어하여 상기 제4 단계의 직렬 공진 형태를 구성하는 단계 중 적어도 하나를 포함하여 상기 부하 측 전력을 상기 배터리 측에 공급하도록 제어하는 충전 모드를 구동하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 제1 고주파 변압기는 상기 제1 입력 모듈 및 제1 출력 모듈에 대하여 1:1 변압비를 제공하며, 상기 제2 고주파 변압기 상기 제2 입력 모듈 및 제2 출력 모듈에 대하여 1:1 변압비를 제공할 수 있다.
본 발명의 인터리브 방식으로 구동되는 양방향 DC/DC 컨버터 시스템 및 이의 구동 방법에 따르면, 본 발명은 C/DC 컨버터의 전체 사이즈 및 효율을 증대시키기 위해 DC/DC 컨버터의 전력밀도를 높이며, 커패시터 사이즈 감소를 위한 입출력 전류 리플 감소를 지원한다.
특히 본 발명은 인터리브 제어를 적용함으로서 입력 전류 리플 및 출력 전압 리플을 감소시킬 수 있도록 지원하고, 영전류 스위칭 제어를 위해 변압기의 누설리액턴스와 하프브리지 스너버 커패시터를 이용하여 공진회로를 구성함으로써 시스템의 소형 경량화를 실현할 수 있도록 지원한다.
도 1은 종래 양방향 DC/DC 컨버터 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 DC/DC 컨버터 시스템 구동을 위해 공급되는 신호 파형도를 나타낸 도면.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 인터리브 구동 방식으로 구동되는 양방향 DC/DC 컨버터의 배터리 방전 모드 각 구간에서의 동작 상태를 설명하기 위한 도면.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 인터리브 구동 방식으로 구동되는 양방향 DC/DC 컨버터의 배터리 충전 모드 각 구간에서의 동작 상태를 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하에서 설명하는 본 발명은 신재생 에너지 및 전기자동차 등에 사용되는 DC/DC 컨버터 장치의 제어와 시스템 구성에 관한 기술로서 DC/DC 컨버터의 효율을 개선하고 소형, 경량화를 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 배터리(Vin), 배터리(Vin)에 병렬로 각각 연결되는 제1 컨버터(110) 및 제2 컨버터(120), 부하(R)를 포함하여 구성될 수 있으며, 제1 컨버터(110) 및 제2 컨버터(120)에 포함된 스위치들을 제어하기 위한 인터리브 스위치 제어 회로(130)를 포함할 수 있다.
제1 컨버터(110)는 배터리(Vin)와 부하(R) 사이에 배치되며 인터리브 스위치 제어 회로(130)의 제어에 따라 배터리(Vin) 전력을 부하(R)측에 승압하여 공급하거나 부하(R) 측 전력을 배터리(Vin) 측으로 공급하는 구성이다. 이러한 제1 컨버터(110)는 제1 고주파 변압기(Tr1)를 포함하는 제1 입력 모듈(111)과, 제1 출력 모듈(121)을 포함하여 구성될 수 있다.
제1 입력 모듈(111)은 배터리(Vin)에 브리지 형태로 연결되며 고속 스위칭 동작을 지원하는 제1 스위칭 소자들 즉 제11 내지 제14 스위칭 소자들(SW11, SW12, SW13, SW14)과, 제1 인덕터(La1) 및 제1 고주파 변압기(Tr1)를 포함할 수 있다. 제11 내지 제14 스위칭 소자들(SW11, SW12, SW13, SW14)은 배터리(Vin)에 대하여 각각 병렬로 연결되는 제11 스위칭 소자(SW11) 및 제12 스위칭 소자(SW12)와 제11 스위칭 소자(SW11)에 직렬로 연결되는 제13 스위칭 소자(SW13) 및 제12 스위칭 소자(SW12)에 직렬로 연결되는 제14 스위칭 소자(SW14)를 포함할 수 있다.
제1 고주파 변압기(Tr1)의 일단은 제11 스위칭 소자(SW11)와 제13 스위칭 소자(SW13) 사이의 노드에 접속되며, 제1 고주파 변압기(Tr1)의 타단은 제12 스위치 소자(12)와 제14 스위칭 소자(SW14) 사이의 노드에 접속된다. 그리고 제1 인덕터(La1)는 제11 스위칭 소자(SW11)와 제1 고주파 변압기(Tr1) 사이에 접속될 수 있다. 여기서 제1 고주파 변압기(Tr1)는 제1 입력 모듈(111) 및 제1 출력 모듈(121) 측에 대하여 1:1 변압비를 가지며 구성된다.
제1 출력 모듈(121)은 제1 고주파 변압기(Tr1)의 일단이 접속되는 노드와, 상기 노드에 병렬로 각각 연결된 제2 스위칭 소자들 즉 제15 스위칭 소자(SW15) 및 제16 스위칭 소자(SW16)를 포함하며, 제15 스위칭 소자(SW15)에 병렬로 연결되는 제11 스너버 커패시터(Cs11), 제16 스위칭 소자(SW16)에 병렬로 연결되는 제12 스너버 커패시터(Cs12)를 포함한다. 제1 고주파 변압기(Tr1)의 타단은 제11 스너버 커패시터(Cs11)와 제12 스너버 커패시터(Cs12) 사이의 노드에 접속된다.
제2 컨버터(120)는 배터리(Vin)와 부하(R) 사이에 배치되며 인터리브 스위치 제어 회로(130)의 제어에 따라 배터리(Vin) 전력을 부하(R)측에 승압하여 공급하거나 부하(R) 측 전력을 배터리(Vin) 측으로 공급하는 구성이다. 이러한 제2 컨버터(120)는 제2 고주파 변압기(Tr2)를 포함하는 제2 입력 모듈(112)과, 제2 출력 모듈(122)을 포함하여 구성될 수 있다.
제2 입력 모듈(112)은 제1 입력 모듈(111)과 동일한 형태로 구성될 수 있다. 즉 제2 입력 모듈(112)은 제3 스위칭 소자들 즉 제21 내지 제24 스위칭 소자들(SW21, SW22, SW23, SW24)과, 제2 인덕터(La2), 제2 고주파 변압기(Tr2)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서 제21 내지 제24 스위칭 소자들(SW21, SW22, SW23, SW24)은 제1 입력 모듈(111)에 배치된 제11 내지 제14 스위칭 소자들(SW11, SW12, SW13, SW14)과 동일한 형태로 동일한 소자들로 구성될 수 있다. 이에 따라 제2 고주파 변압기(Tr2) 역시 제2 입력 모듈(112)에 포함된 제21 스위칭 소자(SW21)와 제23 스위칭 소자(SW23) 사이의 노드에 일단이 접속되며, 타단이 제22 스위칭 소자(SW22)와 제24 스위칭 소자(SW24) 사이의 노드에 접속된다. 제2 인덕터(La2)는 제21 스위칭 소자(SW21)와 제23 스위칭 소자(SW23) 사이의 노드 및 제2 고주파 변압기(Tr2) 사이에 배치될 수 있다. 제2 고주파 변압기(Tr2)는 제1 고주파 변압기(Tr1)와 동일하게 제2 입력 모듈(112) 및 제2 출력 모둘(122)에 대하여 1:1 변압비를 제공한다.
제2 출력 모듈(122)은 제1 출력 모듈(121)과 유사한 형태로 구성될 수 있다. 즉 제2 고주파 변압기(Tr2)의 일단이 접속되는 노드와, 상기 노드에 병렬로 각각 연결되는 제4 스위칭 소자들 즉, 제25 스위칭 소자(SW25) 및 제26 스위칭 소자(SW26)를 포함한다. 그리고 제2 출력 모듈(122)은 제25 스위칭 소자(SW25)와 병렬로 연결되는 제21 스너버 커패시터(Cs21) 및 제26 스위칭 소자(SW26)와 병렬로 연결되는 제22 스너버 커패시터(Cs22)를 포함한다.
부하(R)는 제1 출력 모듈(121)과 제2 출력 모듈(122) 사이에 배치된다. 즉 부하(R)는 제15 스위칭 소자(SW15)와 제11 스너버 커패시터(Cs11) 사이의 노드와 제26 스위칭 소자(SW26)와 제22 스너버 커패시터(Cs22) 사이의 노드 사이에 접속될 수 있다.
인터리브 스위치 제어 회로(130)는 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)을 기반으로 배터리(Vin)의 방전 모드 및 충전 모드를 지원하기 위한 스위치들의 제어를 수행하는 구성이다. 이러한 인터리브 스위치 제어 회로(130)는 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)에 포함된 각 스위치들의 턴-온 상태 및 턴-오프 상태를 제어한다. 특히 본 발명의 인터리브 스위치 제어 회로(130)는 제1 컨버터(110)와 제2 컨버터(120) 구동을 일정 위상 차이를 두고 구동하여 입력 및 출력 리플을 억제 또는 저감하도록 지원할 수 있다. 또한 본 발명의 인터리브 스위치 제어 회로(130)는 각 스위칭 소자들과 인덕터, 고주파 변압기 및 스너버 커패시터를 포함하는 직렬 공진 회로를 형성하여 영전류 스위칭이 수행되도록 지원할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 배터리(Vin)에 병렬로 연결되는 제1 컨버터(110) 및 제2 컨버터(120) 내에서 제1 입력 모듈(111)과 제2 입력 모듈(112) 각각에 1:1 변압비로 배치되는 제1 출력 모듈(121) 및 제2 입력 모듈(112)을 포함하여 구성되며, 제1 출력 모듈(121) 및 제2 출력 모듈(122) 사이에 배치되는 부하(R)를 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 고주파 변압기의 변압비를 1:1로 유지할 수 있어 부하 분담률을 일정하게 유지하며 2차측 출력 모듈(120)의 직렬구조와 배압회로를 이용한 일정 배수의 승압이 가능도록 지원한다. 또한 본 발명의 시스템(100)은 고효율을 위해 고주파 변압기들의 누설인덕턴스와 스너버 커패시터들의 성분을 이용하여 공진회로를 구성함으로서 별도의 수동소자가 필요 없이 컨버터 시스템을 구축함으로써 시스템 전체 사이즈 및 전력밀도를 높일 수 있다.
특히 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 제1 컨버터(110)와 제2 컨버터(120)를 인터리브 구동 방식으로 제어하여 입출력 리플을 저감함으로써 입출력 단에 배치되는 필터 설계를 제거하거나 축소시킬 수 있도록 지원한다. 이에 따라 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 보다 간소화된 형태의 구조를 제공하면서도 고효율을 달성할 수 있도록 지원한다.
상술한 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 입력 측 배터리(Vin)를 이용할 경우, 배터리 방전모드와 충전모드로 동작할 수 있다. 이러한 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)의 구동과 관련하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)의 구동을 위한 각 스위칭 소자들 제어를 위해 공급되는 신호 파형도이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 스위칭 소자들의 제어는 풀 브리지 형태로 배치된 스위칭 소자들이 일정 위상 차이를 가지며 인터리브 방식으로 구동됨을 알 수 있다.
도 3은 방전 모드에 해당하며 도 2의 A 구간에서의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)의 방전 모드 동작 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 배터리 방전 모드 A 구간에서 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 제12 스위칭 소자(SW12)와 제13 스위칭 소자(SW13)가 턴-온 되고, 제11 스위칭 소자(SW11)와 제14 스위칭 소자(SW14)가 턴-오프 된다. 이를 위하여 인터리브 스위치 제어 회로(130)는 제12 스위칭 소자(SW12)와 제13 스위칭 소자(SW13) 턴-온을 위한 제어 신호를 각 스위칭 소자에 공급할 수 있다. 이에 따라 제1 입력 전류(I11)는 제12 스위칭 소자(SW12)와 제13 스위칭 소자(SW13)를 통하여 2차측 제1 출력 모듈(121)에 전달되어 제1 출력 전류(I21)로 공급될 수 있다. 2차측 제1 출력 모듈(121)에 전달된 제1 출력 전류(I21)는 제16 스위칭 소자(SW16)를 도통시켜 제1 인덕터(La1)와, 제1 고주파 변압기(Tr1), 제12 스너버 커패시터(Cs12)를 포함하는 직렬 공진 회로 형태를 갖추고 입력 측의 전력을 부하(R)측으로 공급하게 된다. 즉 제1 컨버터(110)가 직렬 공진 상태에서 공급하는 전력이 부하(R)측에 공급된다.
한편 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 배터리 방전 모드 A 구간에서 제22 스위칭 소자(SW22) 및 제23 스위칭 소자(SW23)가 턴-오프 상태를 유지하도록 제어하며, 제21 스위칭 소자(SW21) 및 제24 스위칭 소자(SW24)는 턴-온 상태가 될 수 있다. 이를 위하여 인터리브 스위치 제어 회로(130)는 제21 스위칭 소자(SW21) 및 제24 스위칭 소자(SW24)들의 턴-온을 위한 제어 신호를 생성하여 시스템(100)의 해당 스위칭 소자들에 공급하도록 제어할 수 있다. 제21 스위칭 소자(SW21) 및 제24 스위칭 소자(SW24)들이 턴-온되면 제2 입력 전류(I12)는 제2 고주파 변압기(Tr2)를 통하여 제2 출력 모듈(122)에 전달되어 제2 출력 전류(I22)로 공급될 수 있다. 제2 출력 전류(I22)는 제25 스위칭 소자(SW25)를 턴-온 시키게 되며, 결과적으로 제2 인덕터(La2)와, 제2 고주파 변압기(Tr2), 제21 스너버 커패시터(Cs21)를 포함하는 직렬 공진 회로를 구성하게 함으로써, 제2 컨버터(120)의 전력이 부하(R) 측으로 공급될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)의 방전 모드의 B 구간에서의 스위칭 상태를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 방전 모드 B 구간에서 제12 스위칭 소자(SW12)와 제13 스위칭 소자(SW13)는 턴-온 상태를 유지하고, 제11 스위칭 소자(SW11)와 제14 스위칭 소자(SW14) 역시 턴-오프 상태를 유지하도록 제어할 수 있다. 인터리브 스위치 제어 회로(130)는 제12 스위칭 소자(SW12)와 제13 스위칭 소자(SW13) 턴-온을 위한 제어 신호를 B 구간에서 지속적으로 공급할 수 있다. 이에 따라 제1 컨버터(110)는 A 구간에서와 같이 일정 전력을 부하(R) 측에 공급할 수 있다.
한편 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 배터리 방전 모드의 B 구간에서 제22 스위칭 소자(SW22) 및 제23 스위칭 소자(SW23)가 턴-오프 상태에서 턴-온 상태로 변경되며, 제21 스위칭 소자(SW21) 및 제24 스위칭 소자(SW24)는 턴-온 상태에서 턴-오프 상태로 천이될 수 있다. 이에 따라 제2 입력 전류(I21)는 제21 스위칭 소자(SW21) 및 제23 스위칭 소자(SW23)를 통하여 2차측 제2 출력 모듈(122)에 제2 출력 전류(I22)로 전달될 수 있다. 전달된 제2 출력 전류(I22)는 제26 스위칭 소자(SW26)를 도통시켜 제2 인덕터(La2)와, 제2 고주파 변압기(Tr2), 제22 스너버 커패시터(Cs22)를 포함하는 직렬 공진 회로를 구성할 수 있으며, 배터리(Vin)의 전력은 이 패스를 기반으로 입력 측 전력을 부하(R) 측으로 공급할 수 있다. 즉 B 구간에서 제2 컨버터(120)는 부하(R) 측에 일정 전력을 공급할 수 있다. 이를 위하여 인터리브 스위치 제어 회로(130)는 제22 스위칭 소자(SW22) 및 제23 스위칭 소자(SW23)들의 턴-온을 위한 제어 신호를 생성하여 시스템에 공급하도록 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이 B 구간에서는 제1 컨버터(110) 및 제2 컨버터(120)가 각각 공급하는 출력 전류가 부하(R)에 공급될 수 있다. 이러한 전력 공급은 A 구간에서의 제1 컨버터(110) 및 제2 컨버터(120)의 전력 공급과 동일하게 수행된다. 결과적으로 A 구간 및 B 구간에서 전력의 공급이 지속적으로 이루어짐으로 본 발명은 입출력 리플 발생이 억제할 수 있다. 입출력 리플 발생이 억제되는 경우 입출력 단에 리플 억제를 위해 설치되는 필터 구성은 생략될 수 있을 것이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)의 방전 모드의 C 구간에서의 스위칭 상태를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 방전 모드의 C 구간에서 제12 스위칭 소자(SW12)와 제13 스위칭 소자(SW13)는 턴-온 상태에서 턴-오프 상태로 전환되고, 제11 스위칭 소자(SW11)와 제14 스위칭 소자(SW14) 역시 턴-오프 상태에서 턴-온 상태로 전환된다. 인터리브 스위치 제어 회로(130)는 제11 스위칭 소자(SW11)와 제14 스위칭 소자(SW14) 턴-온을 위한 제어 신호를 생성하여 해당 스위칭 소자들에 공급할 수 있다. 이에 따라 제1 입력 전류(I11)는 제11 스위칭 소자(SW11) 및 제14 스위칭 소자(SW14)를 통하여 제1 출력 모듈(121)에 제1 출력 전류(I21)로 전달될 수 있다. 제1 출력 모듈(121)에 전달된 제1 출력 전류(I21)는 제15 스위칭 소자(SW15)를 도통시켜 제1 인덕터(La1)와, 제1 고주파 변압기(Tr1), 제11 스너버 커패시터(Cs11)를 포함하는 직렬 공진 회로 형태를 갖추고 입력 측의 전력을 부하(R) 측으로 공급한다. 즉 C 구간에서 제1 컨버터(110)의 전력이 부하(R) 측에 공급된다.
한편 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 배터리 방전 모드의 C 구간에서 제22 스위칭 소자(SW22) 및 제23 스위칭 소자(SW23)가 턴-온 상태를 유지하며, 제21 스위칭 소자(SW21) 및 제22 스위칭 소자(SW22)는 턴-오프 상태를 유지할 수 있다. 이에 따라 제2 컨버터(120)는 B 구간에서와 같이 직렬 공진 회로를 통하여 부하(R) 측으로 공급될 수 있다.
상기 C 구간에서도 제1 컨버터(110)의 전력이 부하(R) 측으로 공급되며, 제2 컨버터(120)의 전력 또한 부하(R) 측으로 공급될 수 있다. 이에 따라 구간 변경이 발생하더라도 전력 공급의 변화가 없어 입출력 리플이 제거될 수 있다.
도 6은 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)의 배터리 방전 모드 D 구간 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 배터리 방전모드 D 구간에서는 제12 스위칭 소자(SW12)와 제13 스위칭 소자(SW13)는 턴-오프 상태를 유지하며, 제11 스위칭 소자(SW11)와 제14 스위칭 소자(SW14)는 턴??온 상태를 유지한다. 제11 스위칭 소자(SW11)와 제14 스위칭 소자(SW14)가 턴-온 상태를 유지하면, 제1 입력 전류(I11)는 제1 출력 모듈(121)의 제15 스위칭 소자(SW15)를 계속적으로 턴-온 시키게 되며 제1 인덕터(La1)와, 제1 고주파 변압기(Tr1), 제11 스너버 커패시터(Cs11)는 직렬 공진 형태로 구성될 수 있다. 결과적으로 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)에서 제1 컨버터(110)는 제11 스위칭 소자(SW11)와 제14 스위칭 소자(SW14)를 통하여 입력측 전력을 부하(R) 측으로 전달할 수 있다.
한편, 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 배터리 방전모드 D 구간에서 제22 스위칭 소자(SW22)와 제23 스위칭 소자(SW23)가 턴-온 상태에서 턴-오프 상태로 천이되도록 제어한다. 한편 본 발명의 시스템(100)은 제21 스위칭 소자(SW21) 및 제24 스위칭 소자(SW24)는 턴-오프 상태에서 턴-온 상태로 천이되도록 제어할 수 있다. 이를 위하여 인터리브 스위치 제어 회로(130)는 제21 스위칭 소자(SW21) 및 제24 스위칭 소자(SW24) 턴-온을 위한 제어 신호를 공급할 수 있다. 한편 상기 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 제21 스위칭 소자(SW21) 및 제24 스위칭 소자(SW24)가 턴-온됨으로써 제2 입력 전류(I12)가 제2 고주파 변압기(Tr2)를 통하여 제2 출력 모듈(122)에 제2 출력 전류(I22)로 전달되며 이에 따라 제25 스위칭 소자(SW25)가 턴-온 된다. 결과적으로 제2 인덕터(La2)와, 제2 고주파 변압기(Tr2), 제21 스너버 커패시터(Cs21)가 직렬 공진 회로 형태를 구성하며, 제2 컨버터(120)의 전력은 부하(R) 측으로 공급될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 제1 컨버터(110) 및 제2 컨버터(120)가 지속적으로 부하(R) 측에 전력을 공급함으로써 입출력 리플이 억제될 수 있다. 이에 따라 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 입출력 리플 억제에 따른 입출력 단에 설계될 필터를 생략할 수 있다. 또한 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 전력 공급 과정에서 인덕터와 스너버커패시터를 포함하는 직렬 공진 회로를 구성함으로 영전류 스위칭을 수행하여 스위칭에 따라 손실 억제 및 그에 따른 효율 증가를 획득할 수 있다. 실질적으로 제1 컨버터(110) 및 제2 컨버터(120) 내부에 배치된 스너버 커패시터들이 스위칭 소자들의 스위칭 동작 변화에 따라 직렬 공진 회로를 구성하는데 교번적으로 이용된다. 이에 따라 본 발명의 제1 컨버터(110) 및 제2 컨버터(120)는 스위칭 소자들이 동작하는 동안 직렬 공진 회로를 기반으로 입력 측 전력을 출력 측에 전달하며 이때 입출력 단에는 리플이 억제될 수 있다.
한편 E, F, G, H 구간에서의 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100) 동작은 상술한 A, B, C, D에서의 동작의 반복 동작이 될 수 있다. 이에 따라 해당 구간에서의 동작 설명은 생략하기로 한다.
이상에서는 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)의 방전 모드 구동에 대한 시스템 동작 상태를 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 시스템(100)의 충전 모드 구동에 따른 시스템 동작 상태에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)의 충전 모드 구동 중 도 2의 A 구간설명을 위한 도면이다.
도 2 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 배터리 충전모드 A 구간의 경우 제16 스위칭 소자(SW16)를 턴-온하고 제15 스위칭 소자(SW15)를 턴-오프 되도록 제어한다. 또한 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 제26 스위칭 소자(SW26)는 턴-오프 상태로 유지하며, 제25 스위칭 소자(SW25)는 턴-온 상태를 유지하도록 제어할 수 있다. 이를 위하여 인터리브 스위치 제어 회로(130)는 제16 스위칭 소자(SW16) 및 제25 스위칭 소자(SW25) 턴-온을 위한 제어 신호를 해당 스위칭 소자에 전달하도록 제어할 수 있다. 이에 따라 제11 출력 측 전류(Ir11)는 제16 스위칭 소자(SW16)를 통하여 제1 고주파 변압기(Tr1)를 통하여 제21 출력 측 전류(Ir21)로 전달되며, 이 제21 출력 측 전류(Ir21)는 제11 스위칭 소자(SW11) 및 제14 스위칭 소자(SW14)를 도통시키도록 제어할 수 있다. 결과적으로 제1 인덕터(La1)와, 제1 고주파 변압기(Tr1), 제11 스너버 커패시터(Cs11)가 직렬 공진 형태를 이룸으로써 출력 측 전력이 배터리(Vin) 측으로 공급될 수 있다. 즉 제1 컨버터(110)는 충전 모드 단계에서 제16 스위칭 소자(SW16)를 통하여 부하(R) 측 전력을 입력 측으로 전달할 수 있다.
또한 제25 스위칭 소자(SW25)가 턴-온되면 제12 출력 측 전류(Ir12)는 제25 스위칭 소자(SW25)를 통하여 제2 고주파 변압기(Tr2)에 전달되고, 결과적으로 제22 출력 측 전류(Ir22)로서 제22 스위칭 소자(SW22) 및 제23 스위칭 소자(SW23)를 도통시킬 수 있다. 이에 따라 제2 인덕터(La2)와, 제2 고주파 변압기(Tr2), 제22 스너버 커패시터(Cs22)가 직렬 공진 형태를 이룬 상태에서 출력 측 전력이 배터리(Vin) 측으로 공급될 수 있다. 즉 제2 컨버터(120)는 제25 스위칭 소자(SW25)를 통하여 출력 측 전력을 입력 측에 공급할 수 있다.
도 8은 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)의 충전 모드 구동 중 도 2의 B 구간설명을 위한 도면이다.
도 2 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 배터리 충전모드 B 구간의 경우 제16 스위칭 소자(SW16)를 턴-온 상태로 유지하는 한편 제15 스위칭 소자(SW15)의 턴-오프 상태 또한 유지하도록 제어한다. 한편 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 제26 스위칭 소자(SW26)는 턴-오프 상태에서 턴-온 상태로 천이시키며 제25 스위칭 소자(SW25)는 턴-온 상태를 턴-오프 상태로 천이하도록 제어할 수 있다. 이를 위하여 인터리브 스위치 제어 회로(130)는 제16 스위칭 소자(SW16) 및 제26 스위칭 소자(SW26) 턴-온을 위한 제어 신호를 해당 스위칭 소자에 전달하도록 제어할 수 있다.
즉 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)의 충전 모드 B 구간에서 제1 컨버터(110)는 A 구간과 동일하게 유지하며, 제2 컨버터(120)는 동작 상태를 변경하도록 제어한다. 이에 따라 제2 컨버터(120) 내에서는 제26 스위칭 소자(SW26)가 턴-온되면 제12 출력 측 전류(Ir12)는 제26 스위칭 소자(SW26)를 통하여 제2 고주파 변압기(Tr2)에 전달되고, 결과적으로 제22 출력 측 전류(Ir22)로서 제21 스위칭 소자(SW21) 및 제24 스위칭 소자(SW24)를 도통시킬 수 있다. 이에 따라 제2 인덕터(La2)와, 제2 고주파 변압기(Tr2), 제21 스너버 커패시터(Cs21)가 직렬 공진 형태를 이룬 상태에서 출력 측 전력이 배터리(Vin) 측으로 공급될 수 있다. 즉 제2 컨버터(120)는 제26 스위칭 소자(SW26)를 통하여 출력 측 전력을 입력 측에 공급할 수 있다.
도 9는 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)의 충전 모드 구동 중 도 2의 C 구간설명을 위한 도면이다.
도 2 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 배터리 충전모드 C 구간의 경우 제15 스위칭 소자(SW15)를 턴-오프 상태에서 턴-온 상태로 변경하고 제16 스위칭 소자(SW16)를 턴-온 상태에서 턴-오프 되도록 제어한다. 한편 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 제26 스위칭 소자(SW26)는 턴-온 상태를 유지시키며 제25 스위칭 소자(SW25)는 턴-오프 상태를 유지하도록 제어할 수 있다. 이를 위하여 인터리브 스위치 제어 회로(130)는 제15 스위칭 소자(SW15) 및 제26 스위칭 소자(SW26) 턴-온을 위한 제어 신호를 해당 스위칭 소자에 전달하도록 제어할 수 있다.
즉 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)의 충전 모드 C 구간에서 제2 컨버터(120)는 B 구간과 동일하게 유지하며, 제1 컨버터(110)는 동작 상태를 변경하도록 제어한다. 이에 따라 제1 컨버터(110) 내에서는 제15 스위칭 소자(SW15)가 턴-온되면 제11 출력 측 전류(Ir11)는 제15 스위칭 소자(SW15)를 통하여 제1 고주파 변압기(Tr1)에 전달되고, 결과적으로 제12 출력 측 전류(Ir12)로서 제12 스위칭 소자(SW12) 및 제13 스위칭 소자(SW13)를 도통시킬 수 있다. 이에 따라 제1 인덕터(La1)와, 제1 고주파 변압기(Tr1), 제12 스너버 커패시터(Cs12)가 직렬 공진 형태를 이룬 상태에서 출력 측 전력이 배터리(Vin) 측으로 공급될 수 있다. 즉 제1 컨버터(110)는 제15 스위칭 소자(SW15)를 통하여 출력 측 전력을 입력 측에 공급할 수 있다.
도 10은 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)의 충전 모드 구동 중 도 2의 D 구간설명을 위한 도면이다.
도 2 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 배터리 충전모드 D 구간의 경우 제16 스위칭 소자(SW16)를 턴-오프 상태로 유지하고 제15 스위칭 소자(SW15)를 턴-온 상태로 유지하도록 제어한다. 한편 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 제26 스위칭 소자(SW26)가 턴-온 상태에서 턴-오프 상태가 되도록 천이시키며 제25 스위칭 소자(SW25)는 턴-오프 상태에서 턴-온 상태로 천이되도록 제어할 수 있다. 이를 위하여 인터리브 스위치 제어 회로(130)는 제15 스위칭 소자(SW15) 및 제25 스위칭 소자(SW25) 턴-온을 위한 제어 신호를 해당 스위칭 소자에 전달하도록 제어할 수 있다.
즉 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)의 충전 모드 D 구간에서 제1 컨버터(110)는 C 구간과 동일하게 유지하며, 제2 컨버터(120)는 동작 상태를 변경하도록 제어한다. 이에 따라 제2 컨버터(120) 내에서는 제25 스위칭 소자(SW26)가 턴-온되면 제12 출력 측 전류(Ir12)는 제25 스위칭 소자(SW25)를 통하여 제2 고주파 변압기(Tr2)에 전달되고, 결과적으로 제22 출력 측 전류(Ir22)로서 제22 스위칭 소자(SW22) 및 제23 스위칭 소자(SW23)를 도통시킬 수 있다. 이에 따라 제2 인덕터(La2)와, 제2 고주파 변압기(Tr2), 제22 스너버 커패시터(Cs22)가 직렬 공진 형태를 이룬 상태에서 출력 측 전력이 배터리(Vin) 측으로 공급될 수 있다. 즉 제2 컨버터(120)는 제25 스위칭 소자(SW25)를 통하여 출력 측 전력을 입력 측에 공급할 수 있다.
상기 도 7 내지 도 10에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 배터리(Vin)를 충전하는 충전 모드에서도 부하(R) 측의 전력이 제1 컨버터(110)와 제2 컨버터(120)를 통하여 일정하게 공급됨으로써 입출력 리플 발생을 억제할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 입출력 단에 설치할 필터 설계를 생략할 수 있도록 지원한다. 한편 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템(100)은 부하(R) 측 전력을 입력 측으로 공급하는 과정에서 제1 컨버터(110)와 제2 컨버터(120)에 각각 포함된 스너버 커패시터들을 교번되게 이용하여 직렬 공진 회로를 구성함으로써 일정한 전력을 공급하면서도 영전류 상태에서 스위칭이 이루어지도록 지원할 수 있다. 결과적으로 본 발명의 시스템(100)은 보다 효율적인 시스템 운용이 가능하도록 지원할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 양방향 DC/DC 컨버터 시스템 및 이의 구동 방법은 변압기의 누설인덕턴스와 2차측의 스너버 커패시터를 이용한 영전류 스위칭을 기반으로 시스템 구동을 지원하며, 인터리브 방식으로 전력 공급 및 충전을 지원함으로서 입출력 리플 발생 억제를 달성할 수 있다. 결과적으로 본 발명의 시스템 및 구동 방법은 시스템의 소형 경량화를 달성하면서도 보다 효율적인 시스템 구동을 지원할 수 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
스위칭 소자 : SW11, SW12, SW21, SW22, SW13, SW14, SW23, SW24, SW15, SW16, SW25, SW26,
배터리 : Vin 부하 : R
제1 컨버터 : 110 제1 입력 모듈 : 111
제2 입력 모듈 : 112 제2 컨버터 : 120
제1 출력 모듈 : 121 제2 출력 모듈 : 122
양방향 DC/DC 컨버터 시스템 : 100
인덕터 : La1, La2 고주파 변압기 : Tr1, Tr2
스너버 커패시터 : Cs11, Cs12, Cs21, Cs21
인터리브 스위치 제어 회로 : 130

Claims (8)

  1. 배터리에 연결되며 제1 고주파 변압기를 포함하는 제1 입력 모듈, 상기 제1 고주파 변압기를 통하여 상기 제1 입력 모듈에 연결되는 제1 출력 모듈을 포함하는 제1 컨버터;
    상기 제1 컨버터에 병렬로 상기 배터리에 연결되며 제2 고주파 변압기를 포함하는 제2 입력 모듈, 상기 제2 고주파 변압기를 통하여 상기 제2 입력 모듈에 연결되는 제2 출력 모듈을 포함하는 제2 컨버터;
    상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터의 일측에 병렬로 연결되는 상기 배터리;
    상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터에 연결되는 부하;
    상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터를 인터리브 방식으로 구동하기 위하여 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터에 포함된 스위칭 소자들의 턴-온 및 턴-오프를 제어하는 인터리브 스위치 제어 회로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 인터리브 방식으로 구동되는 양방향 DC/DC 컨버터 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 입력 모듈은
    상기 배터리에 풀 브리지 형태로 연결되어 스위칭되는 제1 스위칭 소자들, 상기 제1 스위칭 소자들과 연결되며 상기 제1 출력 모듈에 대하여 일정 변압비를 제공하는 상기 제1 고주파 변압기, 상기 제1 스위칭 소자들과 상기 제1 고주파 변압기 사이에 배치되는 제1 인덕터를 포함하며,
    상기 제1 출력 모듈은
    상기 제1 고주파 변압기의 일단이 접속되는 노드와, 상기 노드에 하프브리지 형태로 각각 연결된 제2 스위칭 소자들, 상기 제2 스위칭 소자들에 각각 연결되는 제11 스너버 커패시터들 및 제12 스너버 커패시터를 포함하며,
    상기 제2 입력 모듈은
    상기 배터리 대하여 풀 브리지 형태로 연결되는 제3 스위칭 소자들, 상기 제2 출력 모듈에 대하여 일정 변압비를 제공하는 상기 제2 고주파 변압기, 상기 제3 스위칭 소자들과 상기 제2 고주파 변압기 사이에 배치되는 제2 인덕터를 포함하며,
    상기 제2 출력 모듈은
    상기 제2 고주파 변압기의 일단이 접속되는 노드와, 상기 노드에 하프브리지 형태로 연결되는 제4 스위칭 소자들, 상기 제4 스위칭 소자들에 각각 연결되는 제21 스너버 커패시터 및 제22 스너버 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 인터리브 방식으로 구동되는 양방향 DC/DC 컨버터 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스위치 제어 회로는
    상기 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제1 인덕터와 상기 제11 스너버 커패시터를 포함하는 직렬 공진 형태,
    상기 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제1 인덕터와 상기 제12 스너버 커패시터를 포함하는 직렬 공진 형태,
    상기 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제2 인덕터와 상기 제21 스너버 커패시터를 포함하는 직렬 공진 형태 및
    상기 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제2 인덕터와 상기 제22 스너버 커패시터를 포함하는 직렬 공진 형태가 각각 교번되게 수행되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 인터리브 방식으로 구동되는 양방향 DC/DC 컨버터 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 고주파 변압기는
    상기 제1 입력 모듈 및 제1 출력 모듈에 대하여 1:1 변압비를 제공하며,
    상기 제2 고주파 변압기
    상기 제2 입력 모듈 및 제2 출력 모듈에 대하여 1:1 변압비를 제공하는 것을 특징으로 하는 인터리브 방식으로 구동되는 양방향 DC/DC 컨버터 시스템.
  5. 배터리, 상기 배터리에 병렬로 연결되며 스위칭 소자들과 제1 인덕터 및 제1 고주파 변압기와 하프브리지 형태로 배치되는 제11 스너버 커패시터 및 제12 스너버 커패시터를 포함하는 제1 컨버터와, 상기 배터리에 병렬로 연결되며 스위칭 소자들과 제2 인덕터 및 제2 고주파 변압기와 하프브리지 형태로 배치되는 제21 스너버 커패시터 및 제22 스너버 커패시터를 포함하는 제2 컨버터, 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터에 연결되는 부하를 포함하는 양방향 DC/DC 컨버터 시스템의 구동 방법에 있어서,
    상기 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제1 인덕터와, 제1 고주파 변압기, 상기 제11 스너버 커패시터를 포함하는 직렬 공진 형태를 구성하는 제1 단계,
    상기 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제1 인덕터와, 제1 고주파 변압기, 상기 제12 스너버 커패시터를 포함하는 직렬 공진 형태를 구성하는 제2 단계,
    상기 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제2 인덕터와, 제2 고주파 변압기, 상기 제21 스너버 커패시터를 포함하는 직렬 공진 형태를 구성하는 제3 단계 및
    상기 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제2 인덕터와, 제2 고주파 변압기, 상기 제22 스너버 커패시터를 포함하는 직렬 공진 형태를 구성하는 제4 단계가 각각 교번되게 수행되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터 시스템의 인터리브 구동 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 고주파 변압기에 연결된 풀 브리지의 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제1 단계의 직렬 공진 형태를 구성하고 상기 제2 고주파 변압기에 연결된 풀 브리지의 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제3 단계의 직렬 공진 형태를 구성하는 단계;
    상기 제1 고주파 변압기에 연결된 풀 브리지의 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제1 단계의 직렬 공진 형태를 구성하고 상기 제2 고주파 변압기에 연결된 풀 브리지의 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제4 단계의 직렬 공진 형태를 구성하는 단계;
    상기 제1 고주파 변압기에 연결된 풀 브리지의 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제2 단계의 직렬 공진 형태를 구성하고 상기 제2 고주파 변압기에 연결된 풀 브리지의 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제3 단계의 직렬 공진 형태를 구성하는 단계;
    상기 제1 고주파 변압기에 연결된 풀 브리지의 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제2 단계의 직렬 공진 형태를 구성하고 상기 제2 고주파 변압기에 연결된 풀 브리지의 스위칭 소자들을 제어하여 상기 제4 단계의 직렬 공진 형태를 구성하는 단계;
    중 적어도 하나를 구성하여 상기 배터리 전력을 상기 부하에 공급하는 모드를 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터 시스템의 인터리브 구동 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제11 스너버 커패시터에 인접된 스위칭 소자를 제어하여 상기 제1 단계의 직렬 공진 형태를 구성하고, 상기 제21 스너버 커패시터에 인접된 스위칭 소자를 제어하여 상기 제3 단계의 직렬 공진 형태를 구성하는 단계;
    상기 제11 스너버 커패시터에 인접된 스위칭 소자를 제어하여 상기 제1 단계의 직렬 공진 형태를 구성하고, 상기 제22 스너버 커패시터에 인접된 스위칭 소자를 제어하여 상기 제4 단계의 직렬 공진 형태를 구성하는 단계;
    상기 제12 스너버 커패시터에 인접된 스위칭 소자를 제어하여 상기 제2 단계의 직렬 공진 형태를 구성하고, 상기 제21 스너버 커패시터에 인접된 스위칭 소자를 제어하여 상기 제3 단계의 직렬 공진 형태를 구성하는 단계;
    상기 제12 스너버 커패시터에 인접된 스위칭 소자를 제어하여 상기 제2 단계의 직렬 공진 형태를 구성하고, 상기 제22 스너버 커패시터에 인접된 스위칭 소자를 제어하여 상기 제4 단계의 직렬 공진 형태를 구성하는 단계;
    중 적어도 하나를 포함하여 상기 부하 측 전력을 상기 배터리 측에 공급하도록 제어하는 충전 모드를 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터 시스템의 인터리브 구동 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 고주파 변압기는
    상기 제1 입력 모듈 및 제1 출력 모듈에 대하여 1:1 변압비를 제공하며,
    상기 제2 고주파 변압기
    상기 제2 입력 모듈 및 제2 출력 모듈에 대하여 1:1 변압비를 제공하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC/DC 컨버터 시스템의 인터리브 구동 방법.
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