KR20150117330A - 리플 제거를 위한 전력변환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리플 제거를 위한 전력변환 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 배터리 또는 태양전지 셀에서 제공받은 직류 전압을 승압 또는 강압하여 제1 전압을 출력하는 제1 전압 컨버터와, 상기 제1 전압 컨버터에서 출력된 상기 제1 전압이 입력되고 상기 제1 전압을 승압 또는 강압하여 제2 전압을 출력하는 제2 전압 컨버터, 및 상기 제1 전압 컨버터와 상기 제2 전압 컨버터 사이에 위치하며, 상기 제1 전압에 포함된 교류 성분을 제거하여 상기 제1 전압의 직류 성분만을 상기 제2 전압 컨버터에 전달하는 리플제거용 커패시터를 포함하는 리플 제거를 위한 전력변환 장치를 제공한다.
상기 리플 제거를 위한 전력변환 장치에 따르면, 캐스케이드 형태로 연결된 2단의 전압 컨버터 사이에 소용량의 커패시터를 연결함에 따라 기존과 같은 고용량의 전해 커패시터 없이도 교류전류에 의한 리플을 효과적으로 제거할 수 있으며 수명을 증가시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 2단의 전압 컨버터 구조를 승압-승압 또는 강압-강압의 컨버터로 적용하여 더욱 고효율의 전력변환 효율을 제공할 수 있다.

Description

리플 제거를 위한 전력변환 장치{Power conversion circuit for ripple rejection}
본 발명은 리플 제거를 위한 전력변환 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력 변환의 효율과 수명 및 신뢰성을 높일 수 있는 무전해 커패시터 타입의 리플 제거를 위한 전력변환 장치에 관한 것이다.
태양전지를 비롯한 신재생 에너지원은 지구에 한정적으로 존재하는 화석연료를 사용하지 않으며, 환경오염을 최소화한다는 점에서 오늘날 대체 에너지로 주목받고 있다. 그러나, 신재생 에너지원은 전압과 전류가 불안정하므로 부하로 안정된 전력을 공급하기 어려운 문제가 있다. 따라서, 최근에는 배터리와 같은 에너지 저장장치를 이용하여 시스템의 전력 출력을 안전화시키는 기술이 개발되고 있다.
종래의 신재생 발전 시스템은 직류 배터리 전원으로부터 전력 변환기를 연결하여 전력을 부하로 공급하는 구조를 가지고 있다. 일반적으로 직류 배터리 전원을 원하는 전압 값으로 승압 또는 강압하여 전력 변환하는 과정에서 직류 전압에 리플이 발생하게 된다. 기존에는 직류 전압의 리플을 제거하기 위하여 고용량의 전해 커패시터를 활용해 왔다. 그러나, 전해 커패시터는 고용량이고 수명이 짧은 단점이 있다.
도 1은 종래에 따른 전력 변환기에 사용된 무전해 커패시터 타입의 리플 제거 회로의 예이다. 도 1의 (a)의 경우 전력 변환 회로에 대하여 리플 제거 회로(ripple port 관련)를 병렬(shunt)로 연결한 구성이고, 도 1의 (b)는 트랜스포머 변압기 형태의 전력 변환 회로에 대하여 권선을 추가하여, 리플 제거 회로를 2 포트에서 3 포트로 확장하여 연결한 구성에 해당된다.
이와 같이, 무전해 커패시터 타입의 리플 제거 회로가 등장한 이유는 다음과 같다. 교류 출력 즉, 교류 전류를 출력으로 내기 위해서는 회로 중간에서도 교류 전류가 지나가게 되고, 이에 따라 중간에 위치한 커패시터의 전압이 크게 움직이게 된다. 이를 억제하기 위해서 기존에는 리플 제거 회로 내부에 대용량의 전해 커패시터를 사용하고 있다. 하지만, 이와 같이 고용량의 전해 커패시터를 사용할 경우 가격이 상승하고 신뢰성이 감소하며 승압비가 매우 높아서 전력 변환 효율이 좋지 않은 단점이 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제2006-0094466호(2006.08.29 공개)에 개시되어 있다.
본 발명은 전해 커패시터 없이 리플을 제거할 수 있는 리플 제거를 위한 전력변환 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 배터리 셀에서 제공받은 직류 전압을 승압 또는 강압하여 제1 전압을 출력하는 제1 전압 컨버터와, 상기 제1 전압 컨버터에서 출력된 상기 제1 전압이 입력되고 상기 제1 전압을 승압 또는 강압하여 제2 전압을 출력하는 제2 전압 컨버터, 및 상기 제1 전압 컨버터와 상기 제2 전압 컨버터 사이에 위치하며, 상기 제1 전압에 포함된 교류 성분을 제거하여 상기 제1 전압의 직류 성분만을 상기 제2 전압 컨버터에 전달하는 리플제거용 커패시터를 포함하는 리플 제거를 위한 전력변환 장치를 제공한다.
여기서, 상기 리플 제거를 위한 전력변환 장치는, 상기 제2 전압 컨버터의 후단에 위치하며 상기 제2 전압 컨버터에서 출력된 상기 제2 전압을 충전하여 외부의 부하로 공급하는 인버터 입력용 커패시터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 전압 컨버터 및 상기 제2 전압 컨버터는, 2단 구조의 승압-승압 컨버터 또는 2단 구조의 강압-강압 컨버터로 이루어지며, 캐스케이드 형태로 연결될 수 있다.
또한, 상기 리플제거용 커패시터 또는 상기 인버터 입력용 커패시터는, 200uF 이하의 용량을 가지는 소용량 커패시터일 수 있다.
또한, 상기 리플제거용 커패시터는, 상기 제1 전압 컨버터의 제1 출력 포트와 상기 제2 전압 컨버터의 제1 입력 포트에 제1단이 연결되고, 상기 제1 전압 컨버터의 제2 출력 포트와 상기 제2 전압 컨버터의 제2 입력 포트에 제2단이 연결될 수 있다.
또한, 상기 부하는 교류 부하이고, 상기 인버터 입력용 커패시터 및 상기 교류 부하 사이에 연결되어 상기 제2 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터를 더 포함하며, 상기 인버터 입력용 커패시터는, 상기 제2 전압 컨버터의 제1 출력 포트와 상기 인버터의 제1단에 제1단이 연결되고, 상기 제2 전압 컨버터의 제2 출력 포트와 상기 인버터의 제2단에 제2단이 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 리플 제거를 위한 전력변환 장치에 따르면, 캐스케이드 형태로 연결된 2단의 전압 컨버터 사이에 소용량의 커패시터를 연결함에 따라 기존과 같은 고용량의 전해 커패시터 없이도 교류전류에 의한 리플을 효과적으로 제거할 수 있으며 수명을 증가시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 2단의 전압 컨버터 구조를 승압-승압 또는 강압-강압의 컨버터로 적용하여 더욱 고효율의 전력변환 효율을 제공할 수 있다.
도 1은 종래에 따른 전력 변환기의 리플 제거 회로의 예이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 리플 제거를 위한 전력변환 장치의 개념도이다.
도 3은 도 2의 전력변환 장치의 상세 구성 예이다.
도 4는 도 3에서 각 단의 전압 변화를 나타내는 도면이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 리플 제거를 위한 전력변환 장치의 개념도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 리플 제거를 위한 전력변환 장치(100)는 제1 전압 컨버터(110), 제2 전압 컨버터(120), 리플제거용 커패시터(130), 인버터 입력용 커패시터(140), 인버터(150)를 포함한다.
이러한 본 발명의 실시예에서 전력변환 장치는 교류 연계형(교류출력) 전력변환 장치에 해당될 수 있다. 여기서 교류 연계형(교류출력)이란 모터 제어 위한 교류 전류 출력 혹은 계통 연계형 신재생 에너지 분산 발전원 등을 포괄하는 의미이다.
먼저, 제1 전압 컨버터(110)는 배터리 셀(10)에서 제공받은 직류 전압을 승압 또는 강압하여 제1 전압을 출력하는 부분이다. 여기서 배터리 셀(10)이란 배터리, LED, 태양전지, 연료전지 등에 해당될 수 있으며, 풍력 또는 태양전지를 포함하는 신재생 에너지 전류원이 연결될 수 있다.
이러한 제1 전압 컨버터(110)는 예를 들어, 배터리 셀(10)로부터 제공되는 직류 전압을 입력받아 원하는 제1 전압의 크기로 승압하여 출력할 수 있다. 일반적으로 승압 과정에서 제1 전압에는 직류 성분과 함께 교류 성분이 섞이게 된다.
제1 전압 컨버터(110)의 후단에는 제2 전압 컨버터(120)가 캐스케이드 형태로 연결되어 있다. 제2 전압 컨버터(120)는 제1 전압 컨버터(110)에서 출력된 제1 전압이 입력되며 이 입력된 제1 전압을 다시 승압 또는 강압하여 제2 전압을 출력하는 역할을 한다.
이러한 제1 전압 컨버터(110) 및 상기 제2 전압 컨버터(120)는 2단 구조의 승압-승압 컨버터 또는 2단 구조의 강압-강압 컨버터로 이루어짐에 따라, 고효율의 승압 또는 강압 컨버터를 구현할 수 있다.
전력변환 장치(100)의 승압(또는 강압) 효율을 높이기 위해서는 전단의 제1 전압 컨버터(110)와 후단의 제2 전압 컨버터(120) 사이에서 교류 성분을 미리 제거해 주어야 한다. 즉, 제1 전압에 포함되어 있는 교류 성분(리플 성분)은 제2 전압 컨버터(120)의 전단에서 미리 제거될 필요가 있다.
이를 위하여 본 발명의 실시예에서는 제1 및 제2 전압 컨버터(110,120) 사이에 리플제거용 커패시터(130)를 배치하여 사용한다. 이러한 리플제거용 커패시터(130)는 200uF 이하의 용량을 가지는 소용량의 커패시터에 해당된다.
이와 같은 리플제거용 커패시터(130)는 상기 제1 전압에 포함된 교류 성분(iac)을 제거하여 상기 제1 전압의 직류 성분만을 상기 제2 전압 컨버터(120)에 전달하는 역할을 한다. 이에 따라 제2 전압 컨버터(120)는 제1 전압을 다시 승압 또는 강압하여 직류 형태의 제2 전압으로 출력하게 된다.
제2 전압 컨버터(120) 후단에는 직류 고전압의 인버터 입력용 커패시터(140)가 존재한다. 이러한 인버터 입력용 커패시터(140)는 전해 커패시터가 아닌 200uF 이하의 소용량의 커패시터에 해당된다.
이 인버터 입력용 커패시터(140)는 상기 제2 전압 컨버터(120)에서 출력된 제2 전압을 충전하여 외부의 교류부하로 공급하는 역할을 한다. 다만, 교류부하에 대해서는 교류 전압을 공급해 주어야 하므로, 인버터 입력용 커패시터(140)와 교류부하 사이에는 상기 인버터 입력용 커패시터(140) 에 충전된 직류 형태의 제2 전압을 교류 형태로 변환하는 인버터(150)가 연결되어 있다.
이에 따라, 인버터 입력용 커패시터(140)는 제2 전압 컨버터(120)의 제1 출력 포트와 인버터(150)의 제1단에 그 제1단이 연결되고, 제2 전압 컨버터(120)의 제2 출력 포트와 상기 인버터(150)의 제2단에 그 제2단이 연결되는 형태를 가진다.
이상과 같은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환장치의 구성을 종래의 구성과 비교하면 다음과 같다.
기존의 도 1과 같은 전력 변환 회로의 경우, 전력 변환 회로에 대하여 리플 제거 회로를 병렬로 연결하거나 3 포트로 확장 연결하는 구성이다. 이러한 기존의 구성은 고승압비의 전력 변환 장치를 리플 제거용 커패시터의 충방전에 사용해야 하므로 효율이 나쁘고, 회로의 복잡도가 높을 뿐만 아니라, 가격이 상승하고 수명이 감소하는 문제가 있었다.
하지만, 본 발명의 실시예의 경우, 서로 캐스케이드 형태로 연결되어 있는 2단 구조의 두 전압 컨버터(110,120)를 사용함에 따라 리플 제거용 커패시터의 충방전에 고승압비의 전력 변환 장치를 사용할 필요가 없을 뿐만 아니라, 두 전압 컨버터(110,120) 사이에 장수명을 가지는 소용량의 커패시터를 단순 배치하여 교류 전류(iac)를 자연스럽게 억제하고 리플이 제거된 직류 전압을 제2 전압 컨버터(120)로 제공하여 전력 변환 효율을 높일 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 캐스케이드 형태로 연결된 2단의 전압 컨버터 사이에 소용량의 커패시터를 연결함에 따라 기존과 같은 고승압 전력변환장치 없이도 교류전류에 의한 리플을 효과적으로 제거할 수 있으며 수명을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
도 3은 도 2의 전력변환 장치의 상세 구성 예이다. 도 2에 도시된 전력변환 장치는 도 3과 같은 형태로 구현이 가능하다. 물론, 본 발명이 반드시 도 3의 구성에 의하여 한정되는 것은 아니다.
도 3은 도 2에 도시된 제1 및 제2 컨버터(110,120)의 구성을 더욱 구체화한 것이다. 이하에서는 설명이 편의를 위하여 제1 및 제2 컨버터(110,120)가 2단 구조의 승압-승압 컨버터 형태인 경우로 예시한다.
제1 전압 컨버터(110)는 배터리 셀(10)로부터 입력되는 직류 전압을 스위치를 이용하여 승압하고 승압된 전압을 다시 다이오드를 통해 정류하여 출력한다. 여기서, 스위치 제어부(compensator1)는 입력되는 직류 전압을 이용하여 듀티 비(Duty Cycle1)를 조절한 다음 해당 듀티비로 동작하도록 스위치를 제어하는 역할을 한다. 여기서, 승압이 많이 필요할수록 듀티비를 높게 설정하면 된다.
다이오드를 통해 정류를 한다 하더라도 정류가 완벽할 수는 없기 때문에 제1 전압 컨버터(110)에 최종 출력되는 제1 전압에는 승압된 전압 성분에 교류 전류(iac)가 존재하여 리플이 발생하게 된다. 이러한 리플 성분은 전압을 요동시키는 요인이 되기 때문에 제2 전압 컨버터(120)에 입력되기 전에 상쇄되어야 한다.
이를 위하여 제1 및 제2 전압 컨버터(110,120) 사이에는 리플제거용 커패시터(130)가 연결된다. 더 상세하게는, 리플제거용 커패시터(130)의 제1단은 제1 전압 컨버터(110)의 제1 출력 포트와 제2 전압 컨버터(120)의 제1 입력 포트에 연결되어 있으며, 제2단은 제1 전압 컨버터(110)의 제2 출력 포트와 제2 전압 컨버터(120)의 제2 입력 포트에 연결되어 있다.
이러한 리플제거용 커패시터(130)에 따라 교류 성분이 제거된 직류 성분만이 제2 전압 컨버터(120)로 인가된다. 만약, 리플제거용 커패시터(130)가 없는 경우에는 제2 전압 컨버터(120) 내부의 인덕터에는 직류 및 교류 성분이 포함된 전류(iac+idc)가 흐르게 된다.
하지만, 본 실시예의 경우 교류 성분(iac)이 대부분 리플제거용 커패시터(130)로 흐르도록 제어될 수 있다. 따라서 제2 전압 컨버터(120)에서는 직류 성분의 전압을 다시 승압하여 출력할 수 있게 된다.
물론, 이와 같이 1단과 2단 컨버터 사이의 중간 부분에서 교류 전류를 억제할 경우에는 앞서 1단 측에 포함된 인덕터에서도 교류 성분의 영항이 사라져 직류 성분만을 유지할 수 있고, 그 전단의 배터리 셀(10)에서의 직류 전압 역시 일정한 직류를 유지할 수 있게 한다.
또한, 본 실시예의 경우 리플제거용 커패시터(130)의 용량(크기)이 작기 때문에, 이 리플제거용 커패시터(130)의 양단 전압이 크게 요동한다 할지라도, 배터리 셀(10)의 직류 전압 및 최후단의 인버터 입력용 커패시터(140)의 전압 사이의 차가 충분히 크다면, 본 실시예에 따른 전력 변환장치를 고효율의 승압형 컨버터(ex, 부스트 컨버터)만으로 구성할 수도 있다. 즉, 최후단의 인버터 입력용 커패시터(140)의 전압이 워낙 높기 때문에 태양광 출력단과 최후단 간의 전압 차가 충분히 크다면 고효율 승압형 컨버터만으로 구성할 수 있게 된다.
다음, 제2 전압 컨버터(120)는 입력된 제1 전압을 제2 전압으로 승압 변환하는 회로가 포함되어 있다. 이러한 제2 전압 컨버터(120)는 제1 전압을 스위치를 이용하여 승압하여 출력한다. 스위치 제어부(compensator2)는 컨버터에 출력되는 제2 전압을 이용하여 듀티 비(Duty Cycle2)를 조절한 다음 해당 듀티비로 동작하도록 내부 스위치를 제어하는 역할을 한다. 여기서 물론 승압이 많이 필요할수록 듀티비를 높게 설정하면 된다.
이상과 같은 본 발명의 실시예에서, 듀티비 및 스위치 제어를 포함하는 제1 및 제2 전압 컨버터의 구성은 기 공지된 구성을 이용한 것으로서 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 컨버터의 내부 구성은 도시된 것 이외에도 보다 다양한 변형 예가 존재할 수 있음은 물론이다.
도 4는 도 3에서 각 단의 전압 변화를 나타내는 도면이다. 제1 전압 컨버터(110)에 입력되는 직류 전압은 A 라고 한다면, 그 출력된 전압은 소용량의 무전해 커패시터에 충전된 승압된 전압으로서 교류 성분 B를 포함하게 된다. 이는 리플제거용 커패시터(130)의 관점에서 설명하면, 리플제거용 커패시터(130)의 전압은 도 3의 제어기(compensator 1,2)에 의해서 강제적으로 직류 형태로 제어되지 않으므로, 교류 리플 성분이 모이기 때문에 리플제거용 커패시터(130)의 양단에서 측정되는 전압은 B와 같은 형태가 될 것이다.
물론, 리플제거용 커패시터(130) 자리에 대용량 전해 커패시터를 사용한다면, 제2 전압 컨버터(120)에 입력되는 전압은 교류 성분이 제거된 C와 같은 형태가 될 것이며, 제2 전압 컨버터(120)는 이러한 직류 전압 C를 다시 승압하여 D와 같은 형태로 출력하게 될 것이다.
그러나, A 전압과 D전압 사이에 전압편차가 크므로 B 전압이 교류로 움직여도 그 편차 안에서만 존재한다면, 전해 커패시터 사용할 때의 제1 및 제2 전압 컨버터 회로와 마찬가지로 승압-승압의 고효율 2단 구조로 구성이 가능하게 된다.
이상과 같은 본 발명의 실시예에 따른 리플 제거를 위한 전력변환 장치에 따르면, 캐스케이드 형태로 연결된 2단의 전압 컨버터 사이에 소용량의 커패시터를 연결함에 따라 고용량의 전해 커패시터 없이도 교류전류에 의한 리플을 효과적으로 제거할 수 있으며 수명을 증가시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 2단의 전압 컨버터 구조를 승압-승압 또는 강압-강압의 컨버터로 적용하여 더욱 고효율의 전력변환 효율을 제공할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 리플 제거를 위한 전력변환 장치
110: 제1 전압 컨버터 120: 제2 전압 컨버터
130: 리플제거용 커패시터 140: 인버터 입력용 커패시터
150: 인버터

Claims (6)

  1. 배터리 셀에서 제공받은 직류 전압을 승압 또는 강압하여 제1 전압을 출력하는 제1 전압 컨버터;
    상기 제1 전압 컨버터에서 출력된 상기 제1 전압이 입력되고 상기 제1 전압을 승압 또는 강압하여 제2 전압을 출력하는 제2 전압 컨버터; 및
    상기 제1 전압 컨버터와 상기 제2 전압 컨버터 사이에 위치하며, 상기 제1 전압에 포함된 교류 성분을 제거하여 상기 제1 전압의 직류 성분만을 상기 제2 전압 컨버터에 전달하는 리플제거용 커패시터를 포함하는 리플 제거를 위한 전력변환 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 전압 컨버터의 후단에 위치하며 상기 제2 전압 컨버터에서 출력된 상기 제2 전압을 충전하여 외부의 부하로 공급하는 인버터 입력용 커패시터를 더 포함하는 리플 제거를 위한 전력변환 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 전압 컨버터 및 상기 제2 전압 컨버터는,
    2단 구조의 승압-승압 컨버터 또는 2단 구조의 강압-강압 컨버터로 이루어지며, 캐스케이드 형태로 연결된 리플 제거를 위한 전력변환 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 리플제거용 커패시터 또는 상기 인버터 입력용 커패시터는,
    200uF 이하의 용량을 가지는 소용량 커패시터인 리플 제거를 위한 전력변환 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 리플제거용 커패시터는,
    상기 제1 전압 컨버터의 제1 출력 포트와 상기 제2 전압 컨버터의 제1 입력 포트에 제1단이 연결되고, 상기 제1 전압 컨버터의 제2 출력 포트와 상기 제2 전압 컨버터의 제2 입력 포트에 제2단이 연결되는 전력변환 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 부하는 교류 부하이고,
    상기 인버터 입력용 커패시터 및 상기 교류 부하 사이에 연결되어 상기 제2 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터를 더 포함하며,
    상기 인버터 입력용 커패시터는,
    상기 제2 전압 컨버터의 제1 출력 포트와 상기 인버터의 제1단에 제1단이 연결되고, 상기 제2 전압 컨버터의 제2 출력 포트와 상기 인버터의 제2단에 제2단이 연결되는 리플 제거를 위한 전력변환 장치.
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