KR20170032643A - 양방향 전력 변환 장치 - Google Patents

양방향 전력 변환 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양방향 전력 변환 장치를 공개한다. 본 발명은 공진 회로부에 공진 파라미터를 변경할 수 있는 공진 소자 및 이를 회로에 연결하는 스위치부를 설치하여, 일 방향으로 전력을 전달할 때에는 스위치를 오프시켜 해당 방향으로 최적 설계된 공진 소자들을 이용하여 전력을 전달하고, 다른 일 방향으로 전력을 전달할 때에는 스위치를 온시켜 공진 소자를 추가로 공진 회로에 연결하여 해당 방향으로 공진 파라미터가 최적 설계된 공진 회로를 이용하여 전력을 전달할 수 있게 됨으로써, 양방향 전력 전달시 양방향 모두에 최적의 전력 변환 효율로 전력을 전달할 수 있는 전력 변환 장치를 제공할 수 있다.

Description

양방향 전력 변환 장치{Bidirectional power conversion apparatus}
본 발명은 양방향 전력 변환 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 양방향 공진형 전력 변환 장치에 관한 것이다.
입력 직류 전압을 다른 레벨을 갖는 출력 직류 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터가 산업상에 다양하게 이용되고 있는데, 일반적으로 DC/DC 컨버터는 직류 전압을 교류 전압으로 변환한 뒤 변압기로 승압 또는 강압하고 다시 직류 전압으로 정류함으로써 전압을 변압하게 된다.
이러한 DC/DC 컨버터를 구현하기 위한 회로 방식은 다양하게 존재하며, 그 한 예가 직렬 공진형 컨버터(Series Resonant Converter; SRC)이다.
도 1은 종래기술의 전형적인 직렬 공진형 컨버터의 구성을 나타내는 회로도로서, 직렬 공진형 컨버터는 인덕터(Lr)와 커패시터(Cr)의 공진 현상을 이용하는 것으로, 변환 효율이 양호한 편에 속한다.
도 1을 참조하여 구성을 살펴보면, 통상의 직렬 공진형 컨버터는, 입력 전원(10)으로부터 공급되는 직류 전압을 교번적으로 스위칭하여 교류 전압으로 변환하는 복수의 스위치(S1~S4)를 포함하는 스위칭부(20)와; 상기 스위칭부(20)에 연결되어 직렬 접속된 공진 인덕터(Lr)와 공진 커패시터(Cr)의 공진 현상을 이용해 스위칭부(20)에서 전달되는 교류 전압의 주파수 특성을 변환하는 LC 공진 회로부(30)와; 상기 LC 공진 회로부(30)에서 전달되는 교류 전압, 즉 일차측 전압을 소정 레벨의 이차측 전압으로 변환하는 소정 권선비의 변압기(TX)와; 상기 변압기(TX)의 이차측에 유기된 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 브리지 정류 회로부(40)와; 상기 스위칭부(20)의 스위칭 동작을 제어하여 부하 전류의 크기 및 형태를 제어하는 게이트 구동 회로부(51);를 기본 구성으로 한다.
이러한 구성에서 브리지 정류 회로부(40)에 의해 정류된 직류 전압을 필터링하여 부하(60)측으로 인가하는 커패시터(C0)가 부가된다.
도시된 컨버터는 IGBT, MOSFET 등의 반도체 스위치로 구현되는 4개의 스위치(S1~S4)가 풀 브리지 구조로 연결된 풀브리지 PWM 컨버터로서, 스위칭부(20)의 스위치(S1~S4) 양단에 역병렬 다이오드(D1~D4)와 스너버 커패시터(CS1~CS4)가 병렬로 연결되어 있다.
스위칭부(20)에서는 게이트 구동 회로부(51)의 구동신호에 따라 대각선으로 존재하는 스위치 쌍(S1 및 S4, 또는 S2 및 S3)이 동시에 턴온(Turn-On) 또는 턴오프(Turn-Off)되어 직류 전압을 교류 전압으로 변환한 뒤 LC 공진 회로부(30)를 통해 변압기(TX)의 이차측으로 전달하게 되어 있다.
상기 스위칭부(20)에 연결된 LC 공진 회로부(30)는 스위치 S1과 스위치 S2의 접속 노드와 스위치 S3와 S4의 접속 노드 사이에 변압기(TX)의 일차측 권선(TX1)에 직렬로 연결된 공진 인덕터(Lr)와 공진 커패시터(Cr)로 구성되며, LC 공진 현상을 이용하여 공진 인덕터(Lr)와 공진 커패시터(Cr)에 에너지를 저장하였다가 출력으로 전달하게 된다.
또한, LC 공진 회로부(30)에 일차측 권선(TX1)이 연결된 변압기(TX)는 LC 공진 회로부(30)로부터 전달되는 공진 전압을 권선비에 따른 소정 레벨의 전압으로 변환하여 이차측 권선(TX2)을 통해 출력하게 된다.
이어 이차측 권선(TX2)에서 출력되는 변압된 교류 전압을 브리지 정류 회로부(40)의 정류 다이오드(RD1~RD4)가 직류 전압으로 변환하고, 이어 커패시터(C0)가 필터링하여 부하(60)측으로 출력하게 된다.
이와 같은 컨버터의 구동 및 전력 변환 과정에서 게이트 구동 회로부(51)는 각 스위치(S1~S4)의 턴온 및 턴오프 동작을 제어하는데, 펄스 전압 신호를 입력 신호로 하여 각 스위치(S1~S4)에 대해 턴온 및 턴오프 구동을 제어하기 위한 구동신호(게이트 신호)를 생성하여 출력하게 된다.
그런데, 도 1에 도시된 컨버터와 같은 전력 변환 회로의 경우, 변압기를 기준으로 1차측에는 항상 전원이 연결되고, 2차측에는 항상 부하가 연결되므로, 공진 인덕터(Lr)의 인덕턴스 값과 공진 커패시터(Cr)의 커패시턴스 값을 적절하게 선택함으로써, 전력 변환 효율을 최대화하는 최적의 공진 파라미터 설계가 가능하였다.
그런데, 최근에는 충전과 방전을 함께 하는 전자기기가 증가함에 따라서 하나의 전력 변환 장치에서 양방향 전력 변환이 필요한 경우가 빈번히 발생하고 있다.
이에 따라서, 최근에는 다양한 양방향 컨버터가 제안되고 있다.
도 2는 양방향 공진형 컨버터의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 변압기(TX)의 좌측을 1차측, 우측을 2차측이라고 정의할 때, 도 1의 단방향 공진형 컨버터의 2차측 정류부(40)가 단순히 다이오드들(RD1~RD4)만으로 구성되어 있었던 것에 비해, 도 2에 도시된 양방향 공진형 컨버터의 2차측은 정류뿐만 아니라 직류 전압을 교류 전압으로 변환할 수 있도록 복수의 스위치들(S5~S8)이 결합되어 구현된다는 점에서 차이가 있다.
즉, 도 2에 도시된 양방향 공진형 컨버터의 경우에는 변압기(TX)의 1차측 및 2차측 모두 제 1 공진부(30-2) 및 제 2 공진부(30-2)를 통해서 복수의 스위칭 소자들을 이용하여 직류를 교류로 전환하는 인버터 기능 및 교류를 직류로 변환할 수 있는 정류기의 기능을 수행할 수 있는 제 1 스위칭부(20-2) 및 제 2 스위칭부(40-2)와 각각 연결된다.
도 2의 양방향 공진형 컨버터의 변압기(TX)의 1차측에 상용 전원(Vd)이 연결되고, 2차측에 부하로서 배터리가 연결되어, 전력이 1차측에서 2차측으로 전달되는 경우에, 제 1 스위칭부(20-2)는 인버터로서 기능을 수행하고 제 2 스위칭부(40-2)는 정류기로서의 역할을 수행하며, 배터리가 완전히 충전되어, 배터리에 충전된 전력이 1차측에 연결된 부하로 전달되는 경우에는 제 2 스위칭부(40-2)는 인버터로서 기능을 수행하고 제 1 스위칭부(20-2)는 정류기로서의 역할을 수행한다.
그러나, 이러한 양방향 공진형 컨버터의 경우에는 어느 일 방향으로 전력이 전달되는 경우에 대해서는 1차측 및 2차측 공진 회로들에 포함된 커패시턴스 값 및 인덕턴스 값을 조절하여 전력 변환 효율이 극대화되는 최적의 파라미터를 설계할 수 있지만, 2차측에서 1차측으로 전력이 전달되는 경우에는 전력 변환 효율이 떨어지는 등, 양 방향 모두에 대해서 최적의 전력 변환 효율을 나타내는 공진 파라미터를 설계하는 것은 기술적으로 상당히 어려운 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 양방향 모두에 대해서 최적의 전력 변환 효율을 나타낼 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력 변환 장치는, 변압기; 상기 변압기의 제 1 권선에 연결되고, 전력 전달 방향에 따라서 온 또는 오프되어 공진 파라미터를 조절할 수 있는 공진 스위칭부를 포함하는 공진 회로부; 상기 공진 회로부에 연결되고, 전력 전달 방향에 따라서 인버터 또는 정류기로서 동작하는 제 1 스위칭 회로부; 상기 변압기의 제 2 권선에 연결되고, 전력 전달 방향에 따라서 인버터 또는 정류기로서 동작하는 제 2 스위칭 회로부; 및 전력 전달 방향에 따라서 상기 제 1 스위칭 회로부, 상기 제 2 스위칭 회로부, 및 상기 공진 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하는 제어부;를 포함한다.
또한, 상기 공진 스위칭부는, 상기 변압기의 제 1 권선에 연결되는 공진 소자; 및 상기 공진 소자의 타단과 상기 변압기의 제 1 권선에 연결된 스위치부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 공진 회로부는, 상기 변압기의 제 1 권선에 직렬로 연결된 공진 인덕터 및 공진 커패시터 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 변압기의 제 1 권선에 병렬로 연결되는 공진 스위칭부를 포함하며, 상기 공진 스위칭부는 인덕터 또는 커패시터로 구현되는 공진 소자, 및 상기 공진 소자와 상기 변압기의 제 1 권선 사이에 연결된 스위치부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 스위치부는, 상기 공진 소자와 상기 변압기의 제 1 권선 사이에 직렬로 연결된 복수의 반도체 스위치; 및 상기 복수의 반도체 스위치에 각각 병렬로 하나씩 연결된 복수의 다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 스위치부는, 상기 공진 소자와 상기 변압기의 제 1 권선 사이에, 서로 병렬로 연결된 복수의 스위치 레그를 포함하고, 상기 스위치 레그는 반도체 스위치 및 다이오드가 직렬로 연결되어 형성되고, 각 스위치 레그에 포함된 다이오드의 순방향은 서로 반대로 배치될 수 있다.
또한, 상기 스위치부는, 상기 공진 소자와 상기 변압기의 제 1 권선 사이에, 서로 병렬로 연결된 복수의 레그; 및 상기 복수의 레그의 중심 노드 사이를 연결하는 반도체 스위치;를 포함하고, 상기 복수의 레그는 상기 중심 노드에 대해서 서로 순방향이 반대로 설정된 복수의 다이오드가 직렬로 연결되되, 각 다이오드의 순방향은 상기 반도체 스위치를 중심으로 서로 대칭되는 위치의 다이오드끼리 일치될 수 있다.
또한, 상기 제 1 스위칭 회로부 및 상기 제 2 스위칭 회로부는 복수의 반도체 스위치가 풀 브릿지 구조로 형성되고, 상기 반도체 스위치에는 역병렬 다이오드가 포함되어 있으며, 각 역병렬 다이오드이 순방향은 서로 일치할 수 있다.
본 발명은 공진 회로부에 공진 파라미터를 변경할 수 있는 공진 소자 및 이를 회로에 연결하는 스위치부를 설치하여, 일 방향으로 전력을 전달할 때에는 스위치를 오프시켜 해당 방향으로 최적 설계된 공진 소자들을 이용하여 전력을 전달하고, 다른 일 방향으로 전력을 전달할 때에는 스위치를 온시켜 공진 소자를 추가로 공진 회로에 연결하여 해당 방향으로 공진 파라미터가 최적 설계된 공진 회로를 이용하여 전력을 전달할 수 있게 됨으로써, 양방향 전력 전달시 양방향 모두에 최적의 전력 변환 효율로 전력을 전달할 수 있는 전력 변환 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래기술의 전형적인 직렬 공진형 컨버터의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 2는 양방향 공진형 컨버터의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력 변환 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 공진 스위칭부에 포함되는 스위치부의 구현 예들을 도시하는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 양방향 전력 변환 장치의 구성 예를 도시한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 양방향 전력 변환 장치가 양방향 3상 전력 변환 장치로 구현된 예를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력 변환 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력 변환 장치는 변압기(TX)(300), 변압기(TX:300)의 제 1 권선에 연결된 공진 회로부(200), 상기 공진 회로부(200)에 연결된 제 1 스위칭 회로부(100), 변압기(TX:300)의 제 2 권선에 연결된 제 2 스위칭 회로부(400)를 포함하여 구성된다.
또한, 공진 회로부(200)는 전력 전달 방향에 따라서 온 또는 오프되어 공진 파라미터를 조절할 수 있는 공진 스위칭부(210)를 내부에 포함하고, 공진 스위칭부(210)는 공진 소자(211)와 스위치부(213)를 내부에 포함한다. 공진 회로부(200)는 공진 스위칭부(210) 이외에 공진에 이용되는 하나 이상의 인덕터 또는 커패시터를 포함하고, 이러한 인덕터 또는 커패시터는 제 1 권선에 연결될 수도 있고, 제 2 권선에 연결될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력 변환 장치에서, 제 1 스위칭 회로부(100) 및 제 2 스위칭 회로부(400)는 전력 전달 방향에 따라서 인버터 또는 정류기로서 동작하는 구성으로서, 이러한 동작 방식을 만족하는 회로 구성이라면, 그 구현 방식에 제한이 없다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제 1 스위칭 회로부(100) 및 제 2 스위칭 회로부(400)는 역병렬 다이오드가 포함된 복수의 반도체 스위치가 풀 브리지 형태로 연결되어 구현되었다(단, 다이오드는 별개의 구성으로 반도체 스위치와 병렬로 구성될 수도 있음).
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 공진 회로부(200)는 변압기(TX:300)의 제 1 권선과 직렬로 연결되도록 공진 커패시터(Cs1) 및 공진 인덕터(Ls1) 중 적어도 하나를 포함하고, 그 밖에, 변압기(TX:300)의 제 1 권선과 연결되는 공진 스위칭부(210)를 포함하며, 공진 스위칭부(210)는 변압기(TX:300)의 제 1 권선에 연결되는 공진 소자(211)와 공진 소자(211)의 타단과 변압기(TX:300)의 제 1 권선에 연결된 스위치부(213)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 공진 스위칭부(210)는 변압기(TX:300)의 제 1 권선과 병렬로 연결되도록 구현하였고, 공진 스위칭부(210)에 포함된 공진 소자(211)는 커패시터로 구현하였으나 공진 파라미터를 최적으로 설계할 수 있는 구성이라면 인덕터로도 구현이 가능하고, 본 발명의 기술적 사상의 핵심은 전력 전달 방향에 따라서 공진 스위치부(213)를 온/오프 함으로써 양방향 모두 최적의 전력 변환 효율을 나타낼 수 있는 공진 파라미터 설계가 가능하다는 점에 있는 것이고, 각 회로의 구성에 한정되는 것이 아님을 주의해야 한다.
도 3을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 변환 장치의 동작을 살펴보면, V1 이 상용 전원으로 전력을 공급하는 전력 공급원(600)이고, V2 가 V1으로부터 전력을 공급받아 전력을 충전하는 배터리(700)라고 가정하면, 변압기(TX:300)를 기준으로 제 1 권선측에서 제 2 권선측으로 전력을 전달하게 되고, 제 1 스위칭 회로부(100)는 인버터로, 제 2 스위칭 회로부(400)는 정류기로서 기능을 수행한다.
공진 스위칭부(210)의 스위치부(213)가 오프(즉, open)된 상태에서, 전력 공급원 V1 (600)이 직류 전압을 제 1 스위칭 회로부(100)로 입력하면, 제 1 스위칭 회로부(100)는 제어부(500)로부터 입력되는 제어신호에 따라서 내부에 포함된 스위치들이 교번적으로 스위칭을 수행하여 전력 공급원 V1(600)으로부터 입력된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 공진 회로부(200)로 출력한다.
제 1 스위칭 회로부(100)로부터 교류 전압을 입력받은 공진 회로부(200)는 변압기(TX:300)의 제 1 권선에 직렬로 연결된 공진 인덕터(Ls1)와 공진 커패시터(Cs1)간의 공진 현상을 이용하여 에너지를 저장하였다가 변압기(TX:300)의 제 1 권선을 통해서 제 2 권선으로 전력을 전달한다. 이 때, 공진 파라미터는 공진 인덕터(Ls1)와 공진 커패시터(Cs1)에 의해서만 결정되고, 공진 인덕터(Ls1)와 공진 커패시터(Cs1)의 값은 제 1 권선측에서 제 2 권선측으로 전력을 전달할 때 최적의 전력 변환 효율을 갖도록 설정된 상태이다.
한편, 변압기(TX:300)의 제 2 권선을 통해서 교류 전압을 입력받은 제 2 스위칭 회로부(400)는 내부에 포함된 다이오드들을 이용하여 교류 전압을 정류하여 직류 전압을 생성하고, 직류 전압을 배터리(700)로 출력하여 충전시킨다.
한편, 배터리(700)의 충전이 완료되어 제 1 스위칭 회로부(100)에 연결되었던 전력 공급원(600)이 제거되고, 대신에 부하가 제 1 스위칭 회로부(100)에 연결됨으로써 배터리(700)로부터 부하로 전력을 전달하는 경우에, 제 2 스위칭 회로부(400)는 인터버로서 동작하고, 제 1 스위칭 회로부(100)는 정류기로서 동작한다.
이 때, 변압기(TX:300)의 제 2 권선 측으로부터 제 1 권선 측으로 전력 변환 효율을 최적화하기 위해서, 제어부(500)는 공진 스위칭부(210)의 스위치부(213)를 온(ON)시켜, 공진 소자(211)인 커패시터를 공진 회로부(200)에 추가적으로 연결함으로써 공진 파라미터를 최적화한다.
그 후, 배터리(700)에 충전된 직류 전원은 제 2 스위칭 회로부(400)로 입력되고, 제 2 스위칭 회로부(400)에 포함된 반도체 스위치들은 제어부(500)로부터 입력된 제어신호에 따라서 스위칭되어 배터리(700)로부터 입력된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 제 2 권선을 통해서 제 1 권선에 연결된 공진 회로부(200)로 전달한다.
공진 회로부(200)는 공진 회로부(200)에 포함된 공진 인덕터(Ls1), 공진 커패시터(Cs1), 및 공진 스위칭부(210)에 포함된 공진 소자(211)인 커패시터(Cp1)를 이용하여 공진 현상을 발생시켜 에너지를 제 1 스위칭 회로부(100)로 전달한다. 이 때, 공진 소자(211)인 커패시터(Cp1)의 값은 공진 인덕터(Ls1) 및 공진 커패시터(Cs1)와 함께 공진 현상을 발생시켜 변압기(TX:300)의 제 2 권선측으로부터 전달된 에너지를 최고의 전력 변환 효율로 제 1 스위칭 회로부(100)로 전달할 수 있도록 선택된 값으로 설계되었다.
공진 회로부(200)를 통해서 교류 전압을 입력받은 제 1 스위칭 회로부(100)는 내부에 포함된 다이오드들을 이용하여 교류 전압을 정류하여 직류 전압을 생성하고, 직류 전압을 자신에게 연결된 부하로 제공한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 공진 스위칭부에 포함되는 스위치부의 구현 예들을 도시하는 회로도이다.
공진 스위칭부(210)에 포함되는 스위치부(213)는 단순히 릴레이 스위치로 구현될 수도 있을 뿐만 아니라, 도 4에 도시된 바와 같이 반도체 스위치와 다이오드를 이용하여 구현될 수도 있다.
도 4를 참조하면, 스위치부(213)를 반도체 스위치와 다이오드를 이용하여 구현하는 예들을 설명하면, 먼저, (a)에 도시된 바와 같이, 스위치부(213)는 공진 소자와 연결되는 노드 A와 변압기(TX:300)의 제 1 권선과 연결되는 노드 B 사이에 직렬로 복수의 반도체 스위치가 연결되고, 복수의 반도체 스위치에 각각 병렬로 하나씩 다이오드가 연결되어 구현될 수 있다. 이 때, 다이오드의 순방향은 서로 반대가 되도록 배치될 수 있다.
또한, 도 4의 (b) 에 도시된 바와 같이, 스위치부(213)는 노드 A 와 노드 B 사이에 서로 병렬로 연결된 복수의 스위치 레그(leg)를 포함하도록 구성될 수 있다. 이 때, 각 스위치 레그는 반도체 스위치 및 다이오드가 직렬로 연결되어 형성되는데, 이 때, 각 스위치 레그에 포함된 다이오드의 순방향은 서로 반대로 배치된다.
또한, 도 4의 (c) 에 도시된 바와 같이, 스위치부(213)는 노드 A 와 노드 B 사이에, 서로 병렬로 연결된 복수의 레그와 복수의 레그의 중심 노드 사이를 연결하는 반도체 스위치를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 복수의 레그는 중심 노드에 대해서 서로 순방향이 반대로 설정된 복수의 다이오드가 직렬로 연결되되, 각 다이오드의 순방향은 반도체 스위치를 중심으로 서로 대칭되는 위치의 다이오드끼리 일치되도록 설정될 수 있다
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 양방향 전력 변환 장치의 구성 예를 도시한 회로도이다.
도 5에 도시된 양방향 전력 변환 장치에서, 제 1 스위칭 회로부(100)는 풀 브릿지 구조로 배치된 4개의 반도체 스위치(S1~S4)로 구성된다. 각각의 반도체 스위치는 역병렬 다이오드(D1~D4)가 포함되어 있고, 각 반도체 스위치(S1~S4)의 양단에는 스너버 커패시터(C1~C4)가 연결되어 있다.
한편, 도 3에 도시된 예에서, 공진 회로부(200)는 변압기(TX:300)의 제 1 권선에만 연결되도록 설치되었으나, 도 5에 도시된 예에서, 공진 회로부(200)는 변압기(TX:300)의 제 1 권선에 연결된 공진 커패시터(Cs1), 공진 인덕터(Ls1) 및 공진 스위칭부(210) 이외에 변압기(TX:300)의 제 2 권선에 연결된 공진 커패시터(Cs2) 및 공진 인덕터(Ls2)를 더 포함하여 구성된다.
또한, 도 5에 도시된 양방향 전력 변환 장치에서, 제 2 스위칭 회로부(400)는 제 1 스위칭 회로부(100)와 마찬가지로 풀 브릿지 구조로 배치된 4개의 반도체 스위치(S5~S8)로 구성된다. 각각의 반도체 스위치(S5~S8)는 역병렬 다이오드(D5~D8)가 포함되어 있고, 각 반도체 스위치(S5~S8)의 양단에는 스너버 커패시터(C5~C8)가 연결되어 있다.
도 3에 도시된 예와 마찬가지로, 도 5에 도시된 양방향 전력 변환 장치에서도 상용 전원(Vd)(600)에서 배터리(700)로 전력을 전달하는 경우에, 제 1 스위칭 회로부(100)는 제어부(500)로부터 입력되는 제어신호에 따라서 서로 대각선 방향의 한 쌍의 반도체 스위치들(S1-S2 및 S3-S4)이 서로 교번적으로 온/오프되어 상용 전원(Vd)(600)으로부터 입력된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 공진 회로부(200)로 전달한다.
공진 회로부(200)는 공진 스위칭부(210)의 스위치부(213)가 오프된 상태에서 공진 인덕터들(Ls1,Ls2) 및 공진 컨덕터들(Cs1,Cs2)의 공진 작용에 따라서 제 1 스위칭 회로부(100)로부터 입력된 교류 전압의 크기를 변환하여 제 2 스위칭 회로부(400)로 전달한다.
교류 전압을 입력받은 제 2 스위칭 회로부(400)는 정류기로서 동작하여, 입력된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 배터리(700)로 출력함으로써 배터리(700)를 충전한다. 이 때, 제 2 스위칭 회로부(400)를 구성하는 복수의 반도체 스위치의 역병렬 다이오드가 정류 다이오드로서 기능을 수행한다.
한편, 배터리(700)의 충전이 완료되어, 배터리(700)에 충전된 전력을 제 1 스위칭 회로부(100)에 연결된 부하로 전달하는 경우에는, 제어부(500)에서 공진 스위칭부(210)의 스위치부(213)를 온시키는 제어신호를 출력하여 스위치부(213)를 온시키는 한편, 제 2 스위칭 회로부(400)의 서로 대각선 방향에 배치된 한 쌍의 반도체 스위치들을 교번적으로 온/오프 시킴으로써 배터리(700)에 충전된 직류 전압을 교류로 변환하여 공진 회로부(200)로 출력한다.
공진 회로부(200)는 스위치부(213)가 온되어 공진 소자가 제 1 권선에 연결됨으로써 공진 파라미터가 변경된 상태에서, 제 2 스위칭 회로부(400)로 입력된 교류 전압을 최적의 전력 변환 효율을 나타내도록 변환하여 제 1 스위칭 회로부(100)로 출력한다.
제 1 스위칭 회로부(100)는 공진 회로부(200)로부터 입력된 교류 전압을 반도체 스위치들(S5~S8)의 역병렬 다이오드들(D5~D8)을 정류 다이오드로 활용함으로써 직류로 변환하여 부하로 출력한다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력 변환 장치의 구성 및 동작에 대해서 살펴보았다.
본 발명의 기술 분야의 당업자라면, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형 실시예의 도출이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예컨대, 본 발명의 양방향 전력 변환 장치는, 도 6에 도시된 바와 같이, 양방향 3상 전력 변환 장치에도 적용이 가능함은 물론이다. 도 6에 도시된 변형 실시예에서, 제 1 스위칭 회로부(100) 및 제 2 스위칭 회로부(400)는 반도체 스위치가 직렬로 연결되어 구성되는 스위치 레그(leg) 3개가 병렬로 연결되어 구성되고, 공진 스위칭부(210)는 각 스위치 레그의 중심 노드들과 Y 결선 방식으로 결합된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 제 1 스위칭 회로부
200 : 공진 회로부
210 : 공진 스위칭부
211 : 공진 소자
213 : 스위치부
300 : 변압기
400 : 제 2 스위칭 회로부
500 : 제어부
600 : 전력 공급원
700 : 배터리

Claims (7)

  1. 변압기;
    상기 변압기의 제 1 권선에 연결되고, 전력 전달 방향에 따라서 온 또는 오프되어 공진 파라미터를 조절할 수 있는 공진 스위칭부를 포함하는 공진 회로부;
    상기 공진 회로부에 연결되고, 전력 전달 방향에 따라서 인버터 또는 정류기로서 동작하는 제 1 스위칭 회로부;
    상기 변압기의 제 2 권선에 연결되고, 전력 전달 방향에 따라서 인버터 또는 정류기로서 동작하는 제 2 스위칭 회로부; 및
    전력 전달 방향에 따라서 상기 제 1 스위칭 회로부, 상기 제 2 스위칭 회로부, 및 상기 공진 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 전력 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공진 스위칭부는
    상기 변압기의 제 1 권선에 연결되는 공진 소자; 및
    상기 공진 소자의 타단과 상기 변압기의 제 1 권선에 연결된 스위치부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 전력 변환 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 공진 회로부는
    상기 변압기의 제 1 권선에 직렬로 연결된 공진 인덕터 및 공진 커패시터 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 변압기의 제 1 권선에 병렬로 연결되는 공진 스위칭부를 포함하며,
    상기 공진 스위칭부는 인덕터 또는 커패시터로 구현되는 공진 소자, 및 상기 공진 소자와 상기 변압기의 제 1 권선 사이에 연결된 스위치부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 전력 변환 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 스위치부는
    상기 공진 소자와 상기 변압기의 제 1 권선 사이에 직렬로 연결된 복수의 반도체 스위치; 및
    상기 복수의 반도체 스위치에 각각 병렬로 하나씩 연결된 복수의 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 전력 변환 장치.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 스위치부는
    상기 공진 소자와 상기 변압기의 제 1 권선 사이에, 서로 병렬로 연결된 복수의 스위치 레그를 포함하고,
    상기 스위치 레그는 반도체 스위치 및 다이오드가 직렬로 연결되어 형성되고, 각 스위치 레그에 포함된 다이오드의 순방향은 서로 반대로 배치된 것을 특징으로 하는 양방향 전력 변환 장치.
  6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 스위치부는
    상기 공진 소자와 상기 변압기의 제 1 권선 사이에, 서로 병렬로 연결된 복수의 레그; 및
    상기 복수의 레그의 중심 노드 사이를 연결하는 반도체 스위치;를 포함하고,
    상기 복수의 레그는 상기 중심 노드에 대해서 서로 순방향이 반대로 설정된 복수의 다이오드가 직렬로 연결되되, 각 다이오드의 순방향은 상기 반도체 스위치를 중심으로 서로 대칭되는 위치의 다이오드끼리 일치되는 것을 특징으로 하는 양방향 전력 변환 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭 회로부 및 상기 제 2 스위칭 회로부는
    복수의 반도체 스위치가 풀 브릿지 구조로 형성되고,
    상기 반도체 스위치에는 역병렬 다이오드가 포함되어 있으며,
    각 역병렬 다이오드이 순방향은 서로 일치하는 것을 특징으로 하는 양방향 전력 변환 장치.
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