KR20160040378A - 다상 구조의 dab 컨버터 - Google Patents

다상 구조의 dab 컨버터 Download PDF

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류명효
김종현
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한국전기연구원
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Abstract

본 발명에 의한 다상 구조의 DAB 컨버터가 개시된다. 본 발명에 따른 다상 구조의 DAB 컨버터는 각 입력 전압에 대응하는 다수의 스위칭 그룹들로 이루어진 다중 입력부; 및 상기 다중 입력부 내 다수의 스위칭 그룹들로부터의 다수의 교류 출력을 기 설정된 하나의 결선 방식을 통해 다상으로 결합하여 그 결합한 결과로 하나의 출력을 생성하는 단일 출력부를 포함한다.

Description

다상 구조의 DAB 컨버터{DAB CONVERTOR WITH MULTI-PHASE STRUCTURE}
본 발명은 DAB(Dual Active Bridge) 컨버터에 관한 것으로서, 특히, 다수의 교류 전압을 다상으로 결합하여 하나의 직류 전압을 생성하는 다상 구조의 DAB 컨버터에 관한 것이다.
MVDC(Medium-Voltage Direct Current)-LVDC(Low-Voltage Direct Current) 시스템, 또는 SST(전자식 변압기) 시스템 등과 같은 중/고전압의 직류 전원 시스템에서 저전압의 직류 전원 시스템으로 전력을 공급하는 경우, 고압의 입력 측에서 저압의 출력 측으로 전력을 변환하는 전력변환장치가 요구된다. 이를 위해 입력 측에는 고압의 반도체 스위치가 요구되고, 출력 측에는 대전류의 반도체 스위치가 요구되는데, 현재 상업적으로 사용되는 반도체 소자의 최대 정격은 한정되어 있어, 단일 전력변환장치로는 그 구현이 어려운 단점이 있다.
이를 보완하기 위하여 다수의 전력변환장치를 직/병렬 구조로 연결한 전력변환장치가 사용되는데, 대표적인 예로써, 멀티레벨 컨버터, MMC(Modular Multilevel Converter) 등이 있다. 이는, 다수의 컨버터를 직렬로 구성하여 교류 입력 전압으로부터 다수의 직류 출력 전압을 생성하는 방식이다. 이럴 경우, 시스템에 적용되는 스위칭 소자를 낮은 정격 용량으로 사용할 수 있다.
다수의 컨버터로부터 출력된 고압의 직류 출력 전압을 저압의 직류 출력 전압으로 변환하기 위하여 주로 DAB 컨버터가 사용되고 있다. 이는 DAB 컨버터의 양방향 동작 특성이 아주 우수하기 때문이다.
기존에는 DAB 컨버터를 이용하여 저압의 직류 출력 전압을 생성하기 위해, DAB 컨버터를 다수의 모듈을 제작하고, 다수의 출력을 병렬로 구성하여 결선하는 방법을 적용하였다. 그러나, 이러한 경우, 스위칭 소자 수가 증가하고 출력 전압의 리플이 증가하며, 각각의 모듈에서의 전류 불평형이 발생하게 된다.
이를 보완하기 위하여 인터리브(interleave) 방식의 제어 기법을 적용하여 출력 전압의 리플을 줄이거나, 전류 불평형 보상 제어 기법을 적용하여 각 모듈의 전류 불평형을 보상할 수 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 출력 측의 다수의 교류 출력을 다상으로 결합하여 하나의 출력을 생성하는 다상 구조의 DAB 컨버터를 제공하는데 있다.
그러나, 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다상 구조의 DAB 컨버터는,
각 입력 전압에 대응하는 다수의 스위칭 그룹들로 이루어진 다중 입력부; 및 상기 다중 입력부 내 다수의 스위칭 그룹들로부터의 다수의 교류 출력을 기 설정된 결선 방식을 통해 다상으로 결합하여, 그 결합한 결과로 하나의 출력을 생성하는 단일 출력부를 포함할 수 있다.
상기 다수의 스위칭 그룹들은, 상기 다수의 스위칭 그룹들 각각을 구동하는 스위칭 신호의 위상이 서로 달리 적용됨으로써, 그 적용된 결과로 위상이 달라진 다수의 교류 출력을 생성할 수 있다.
상기 다상 구조의 DAB 컨버터는, 상기 단일 출력부로부터 출력되는 전압에 의해 충전되는 커페시터를 더 포함할 수 있다.
상기 결선 방식은, 다수의 교류 출력을 다상으로 결합하기 위한 방식으로서, 델타 결선 방식, Y 결선 방식, 및 델타-Y 결선 방식 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 단일 출력부는, 다수의 스위칭 그룹들로부터의 다수의 교류 출력을 델타 결선 방식을 통해 다상으로 결합하여 그 결합한 결과로 하나의 출력을 생성할 수 있다.
상기 단일 출력부는, 다수의 스위칭 그룹들로부터의 다수의 교류 출력을 Y 결선 방식을 통해 다상으로 결합하여 그 결합한 결과로 하나의 출력을 생성할 수 있다.
상기 단일 출력부는, 다수의 스위칭 그룹들로부터의 다수의 교류 출력을 델타-Y 결선 방식을 통해 다상으로 결합하여 그 결합한 결과로 하나의 출력을 생성할 수 있다.
상기 단일 출력부는, 다수의 스위칭 그룹들로부터의 다수의 교류 출력을 제 1 결선 방식을 통해 다상으로 결합하고, 상기 다수의 스위칭 그룹들로부터의 다수의 교류 출력을 제 2 결선 방식을 통해 다상으로 결합한 후, 상기 제 1 결선 방식을 통해 결합된 전압과 상기 제 2 결선 방식으로 통해 결합된 전압을 결합하여 상기 하나의 출력을 생성할 수 있다.
상기 단일 출력부는, 다수의 스위칭 그룹들로부터의 다수의 교류 출력 중 일부를 제 1 결선 방식을 통해 다상으로 결합하고, 상기 다수의 스위칭 그룹들로부터의 다수의 교류 출력 중 나머지를 제 2 결선 방식을 통해 다상으로 결합한 후, 상기 제 1 결선 방식을 통해 결합된 전압과 상기 제 2 결선 방식으로 통해 결합된 전압을 결합하여 상기 하나의 출력을 생성할 수 있다.
본 발명은 DAB 컨버터의 출력 측의 다수의 교류 출력을 다상으로 결합하여 하나의 출력을 생성토록 함으로써, 기존에 개발되어 있는 일반적인 스위칭 소자를 사용할 수 있을 뿐 아니라, 출력 측의 반도체 스위칭 소자의 수와 출력 전압의 리플 및 출력 맥동을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 각 모듈에서의 전류 불평형을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1a 및 도 1b는 기본적인 단상-단상 DAB 컨버터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 기본적인 다중 입력, 단일 출력의 DAB 컨버터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 DAB 컨버터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4a는 일반적인 SST 시스템을 도시하는 도면이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 DAB 컨버터가 적용된 SST 시스템을 도시하는 도면이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 다상 구조의 DAB 컨버터를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성 요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 불구하고 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다. 그러나 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성 요소가 실시예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성 요소의 기능은 해당 실시예에서의 각각의 구성요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다.
특히, 본 발명에서는 출력 측의 다수의 교류 출력을 다상으로 결합, 예컨대, 델타 결선, Y 결선 및 델타-Y 결선 중 적어도 하나의 방식을 이용하여 하나의 직류 출력을 생성하도록 한 다상 구조의 DAB(Dual Active Bridge) 컨버터를 제안한다.
도 1a 및 도 1b는 기본적인 단상-단상 DAB 컨버터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 기본적으로 하나의 입력에서 하나의 출력을 생성하는 경우, 풀-브릿지(full-bridge) 또는 하프-브릿지(half-bridge) 구조의 단상-단상 DAB 컨버터가 사용된다.
도 1a는 풀-브릿지 구조의 단상-단상 DAB 컨버터의 구조를 보여주고, 도 1b는 하프-브릿지 구조의 단상-단상 DAB 컨버터의 구조를 보여주고 있다.
그러나, 이러한 풀-브릿지 또는 하프-브릿지 구조의 단상-단상 DAB 컨버터는 MVDC-LVDC 시스템, 또는 SST 시스템 등의 고압-저압의 전력변환시스템에 적용하기에는 그 구조가 적당하지 않다.
도 2는 기본적인 다중 입력, 단일 출력의 DAB 컨버터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 MVDC-LVDC 시스템, 또는 SST 시스템 등의 고압-저압의 전력변환시스템에 적용 가능한 다중 입력, 단일 출력 DAB 컨버터의 구조를 보여주고 있다.
MVDC-LVDC 시스템 또는 SST 시스템 등의 고압-저압 전력변환시스템에서는 기본적으로 스위칭 소자의 최대 정격 용량의 제한에 의하여 멀티 레벨 컨버터, MMC 컨버터 등이 다수의 고압의 직류 출력 특성을 가지게 된다. 다수의 고압의 직류 출력을 다시 저압의 최종 직류 출력으로 변환하기 위하여 다수의 DAB 컨버터를 모듈로 제작하고, 다수의 DAB 컨버터로부터의 다수의 출력을 병렬로 구성하여 각 출력을 결선하게 된다.
이 경우, 다수의 모듈을 병렬로 구성해야 하기 때문에, 이로 인해 스위칭 소자의 수가 증가하게 되고, 각 모듈간의 전류 불평형이 발생하게 되어 전류 보상 제어 기법을 적용해야 하는 단점이 있다. 또한, 출력 전압 리플이 상대적으로 크기 때문에 출력 커패시터의 용량을 크게 설계해야 하며 이를 보상하기 위해서는 인터리브(interleave) 방식의 제어 기법을 적용해야 한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 DAB 컨버터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 도 2에 도시된 기본적인 DAB 컨버터의 단점을 보완하기 위하여 다수의 스위칭 그룹으로 이루어진 다중 입력부(310)와, 다수의 교류 출력을 다상 구조로 연결한 단일 출력부(320)를 포함하는, 다중 입력, 단일 출력 방식의 DAB 컨버터의 구조를 보여주고 있다. 다중 입력부(310)에 포함된 n개의 스위칭 그룹은 스위칭 신호의 제어 하에 직류 전압을 교류 전압으로 변환하고, 단일 출력부(320)에 포함된 스위칭 그룹은 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다. 커패시터는 단일 출력부(320)로부터 출력되는 직류 전압에 의해 충전될 수 있다.
본 발명에 따른 다중 입력, 단일 출력 DAB 컨버터는 고압의 직류 전압을 다수의 저압 교류 전압으로 구성한 후에, 다수의 교류 전압을 다상으로 결합하는 구조이다.
이렇게 구성된 본 발명에 따른 다상 구조의 DAB 컨버터는 단일 출력부(320)의 스위칭 소자의 수를 줄일 수 있으며, 다상 연결에 의해 각 모듈의 전류가 자동으로 분배될 뿐 아니라, 다상 구조를 적용함으로써 출력 전압의 리플을 줄일 수 있으며, 출력의 전류 크기도 감소하게 되어 전력 손실도 줄일 수 있다. 이때, 단일 출력부(320)는 변압기와 delta 결선 방식, Y 결선 방식 및 delta-Y 결선 방식 중 적어도 하나의 방식으로 결선될 수 있다.
도 3a 내지 도 3b를 참조하면, 도 3a는 델타 결선 방식이 적용된 DAB 컨버터를 보여주고 도 3b는 Y 결선 방식이 적용된 DAB 컨버터를 보여주고 있다.
이러한 방식은 각 입력 전압에 대응하는 스위칭 그룹들, 예컨대, 스위치 S11, S12, S13, S14를 포함하는 제1 스위치 그룹, 스위치 S21, S22, S23, S24를 포함하는 제2 스위치 그룹, …, 스위치 Sn1, Sn2, Sn3, Sn4를 포함하는 제n (n은 1보다 큰 정수) 스위치 그룹 각각을 구동하는 스위칭 신호의 위상을 달리 적용한 후, 위상이 달라진 교류 출력을 다상으로 결합하는 방식이다.
그 일예로, 도 3a를 참조하면, Vin1에 대응하는 제1 스위칭 그룹의 스위칭 신호의 위상을 0*360/n도로 하고, Vin2에 대응하는 제2 스위칭 그룹의 스위칭 신호의 위상을 1*360/n도로 하며, Vinn에 대응하는 제n 스위칭 그룹의 스위칭 신호의 위상을 (n-1)*360/n도로 하여, n상의 교류 출력을 생성하고, 이를 델타 결선 방식으로 묶는 방식이 적용된다. 즉, 다시 말하면, 다수의 직류 전압에 대응하는 각 스위칭 그룹의 스위칭 신호의 위상을 서로 다르게 적용하여 n상의 교류 출력을 생성하는 것이다.
다른 예로, 도 3b를 참조하면 Vin1에 대응하는 제1 스위칭 그룹의 스위칭 신호의 위상을 0*360/n도로 하고, Vin2에 대응하는 제2 스위칭 그룹의 스위칭 신호의 위상을 1*360/n도로 하며, Vinn에 대응하는 제n 스위칭 그룹의 스위칭 신호의 위상을 (n-1)*360/n도로 하여, n상의 교류 출력을 생성하고, 이를 Y결선 방식으로 묶는 방식이 적용된다.
도 3c 다수의 교류 출력 전압에 대해 Y결선으로 결합하고, 상기 다수의 교류 출력 전압에 대해 델타 결선으로 결합한 후, 이들을 합쳐 하나의 출력을 생성하는 DAB 컨버터를 보여주고 있다.
Vin1에 대응하는 제1 스위칭 그룹의 스위칭 신호의 위상을 0*360/n도로 하고, Vin2에 대응하는 제2 스위칭 그룹의 스위칭 신호의 위상을 1*360/n도로 하며, Vinn에 대응하는 제n 스위칭 그룹의 스위칭 신호의 위상을 (n-1)*360/n도로 하여, n상의 교류 출력을 생성하고, 이를 델타 결선 방식으로 결합하고,
Vin1에 대응하는 제 2n-2 스위칭 그룹의 스위칭 신호의 위상을 0*360/n도로 하고, Vin2에 대응하는 제 2n-1 스위칭 그룹의 스위칭 신호의 위상을 1*360/n도로 하며, Vinn에 대응하는 제 2n 스위칭 그룹의 스위칭 신호의 위상을 (n-1)*360/n 도로 하여, n상의 교류 출력을 생성하고, 이를 Y결선 방식으로 결합한 후, 델타 결선 방식에 따라 출력된 전압과 Y결선 방식에 따라 출력된 전압을 결합한다. 도 3c는 델타-Y 결선 방식을 이용하여 n상으로 결합한 DAB 컨버터를 보여준다.
본 발명의 실시예에서는 Y 결선 방식과 델타 결선 방식을 적용하는 경우를 예로 설명하고 있지만 반드시 이에 한정되지 않고 다수의 결선 방식을 적용할 수 있다.
구현예에 따라서는, 다수의 교류 출력 전압의 일부에 대해서는 제 1 결선 방식으로 결합하고, 다수의 교류 출력 전압의 나머지에 대해서는 제 2 결선 방식으로 결합한 후, 제 1 결선 방식에 따라 출력되는 전압과 제 2 결선 방식에 따라 출력되는 전압을 결합함으로써, 하나의 출력을 생성하는 것도 가능하다. 이때, 제 1 결선 방식과 제 2 결선 방식은 서로 상이할 수 있다.
도 4a는 일반적인 SST 시스템을 도시하는 도면이다.
도 4a를 참조하면, 전력단은 고압의 교류 입력을 다수의 고압의 직류 출력으로 변환하고(멀티-레벨 컨버터) 이를 다시 다수의 모듈로 구성된 고압 직류-저압 직류 컨버터를 활용하여 다수의 고압 입력을 저압의 출력으로 변환하는 시스템이다.
도 4a는 풀-브릿지 DAB 컨버터를 보여주는데, 이는 하프-브릿지 DAB 컨버터로 구현될 수도 있다. 고압 교류에서 고압 직류를 생성하기 위하여 멀티레벨 컨버터가 적용하고, 다수의 DAB 컨버터를 이용하여 다수의 고압 직류를 다수의 저압 직류 출력을 얻을 수 있다.
다수의 저압에서 최종 저압 출력을 얻기 위하여 DAB 컨버터를 적용하였으며, 여기서는 기존의 방법으로 다수의 교류 출력을 병렬로 연결하여 최종적으로 출력을 결선하는 방법을 나타내고 있다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 DAB 컨버터를 적용한 SST 시스템을 도시하는 도면이다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 도 4a의 DC-DC DAB 컨버터 부분이 본 발명의 일 실시예에 따른 DAB 컨버터로 대체될 수 있다.
이처럼 MVDC-LVDC 또는 SST 시스템 등의 고압-저압 전력변환시스템에서는, 도 4a 내지 도 4b와 같이 기본적으로 스위칭 소자의 최대 정격 용량의 제한에 의하여 멀티 레벨 컨버터, MMC 컨버터 등이 다수의 출력을 갖는 특징을 가지고 있다. 이에 기본적으로 도 2와 같이 다수의 출력을 개별적으로 병렬로 구성하여 하나의 출력을 생성하는 것이 일반적으로 적용하였으나, 스위칭 소자 수가 증가하고, 병렬 운전에 따른 전류 분배 제어 등의 다양한 제어 기법이 적용되어야만 한다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 도 3a 내지 도 3c와 같이 간단하게 다수의 출력을 기 설정된 결선 방식에 따라 다상으로 결합함으로써 스위칭 소자 수가 감소하고, 간단하게 인터리브 방식을 적용함으로써 전류 분배가 자동으로 이루어지게 된다.
이상에서 설명한 실시예들은 그 일 예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 각 입력 전압에 대응하는 다수의 스위칭 그룹들로 이루어진 다중 입력부; 및
    상기 다중 입력부 내 다수의 스위칭 그룹들로부터의 다수의 교류 출력을 기 설정된 결선 방식을 통해 다상으로 결합하여, 그 결합한 결과로 하나의 출력을 생성하는 단일 출력부를 포함하는 다상 구조의 DAB 컨버터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 다수의 스위칭 그룹들은,
    상기 다수의 스위칭 그룹들 각각을 구동하는 스위칭 신호의 위상이 서로 달리 적용됨으로써, 그 적용된 결과로 위상이 달라진 다수의 교류 출력을 생성하는 것을 특징으로 하는 다상 구조의 DAB 컨버터.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 다상 구조의 DAB 컨버터는,
    상기 단일 출력부로부터 출력되는 전압에 의해 충전되는 커페시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DAB 컨버터.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 결선 방식은,
    다수의 교류 출력을 다상으로 결합하기 위한 방식으로서, 델타 결선 방식, Y 결선 방식, 및 델타-Y 결선 방식 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 구조의 DAB 컨버터.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 단일 출력부는,
    다수의 스위칭 그룹들로부터의 다수의 교류 출력을 델타 결선 방식을 통해 다상으로 결합하여 그 결합한 결과로 하나의 출력을 생성하는 것을 특징으로 하는 다상 구조의 DAB 컨버터.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 단일 출력부는,
    다수의 스위칭 그룹들로부터의 다수의 교류 출력을 Y 결선 방식을 통해 다상으로 결합하여 그 결합한 결과로 하나의 출력을 생성하는 것을 특징으로 하는 다상 구조의 DAB 컨버터.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 단일 출력부는,
    다수의 스위칭 그룹들로부터의 다수의 교류 출력을 델타-Y 결선 방식을 통해 다상으로 결합하여 그 결합한 결과로 하나의 출력을 생성하는 것을 특징으로 하는 다상 구조의 DAB 컨버터.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 단일 출력부는,
    다수의 스위칭 그룹들로부터의 다수의 교류 출력을 제 1 결선 방식을 통해 다상으로 결합하고, 상기 다수의 스위칭 그룹들로부터의 다수의 교류 출력을 제 2 결선 방식을 통해 다상으로 결합한 후, 상기 제 1 결선 방식을 통해 결합된 전압과 상기 제 2 결선 방식으로 통해 결합된 전압을 결합하여 상기 하나의 출력을 생성하는 것을 특징으로 하는 다상 구조의 DAB 컨버터.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 단일 출력부는,
    다수의 스위칭 그룹들로부터의 다수의 교류 출력 중 일부를 제 1 결선 방식을 통해 다상으로 결합하고, 상기 다수의 스위칭 그룹들로부터의 다수의 교류 출력 중 나머지를 제 2 결선 방식을 통해 다상으로 결합한 후, 상기 제 1 결선 방식을 통해 결합된 전압과 상기 제 2 결선 방식으로 통해 결합된 전압을 결합하여 상기 하나의 출력을 생성하는 것을 특징으로 하는 다상 구조의 DAB 컨버터.
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