KR20180004675A - Bidirectional Converter with Auxiliary LC Resonant Circuit and Operating Method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터 및 그 구동 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 좁은 스위칭 주파수 범위에서 고효율의 배터리 충전 애플리케이션을 위한 정전류(CC) 모드 충전 및 정전압(CV) 모드 충전을 구현한 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터 및 그 구동 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a bidirectional converter having a secondary LC resonant circuit and a driving method thereof, and more particularly to a constant current (CC) mode charging and a constant voltage (CV) mode charging for a high efficiency battery charging application in a narrow switching frequency range To a bidirectional converter having one auxiliary LC resonant circuit and a driving method thereof.
전기 자동차들(EVs)에 대한 수요는 환경친화적인 특성들, 더 높은 효율 및 정숙성과 같은 상당한 장점들로 인해 전 세계적으로 급속하게 증가하고 있다. EVs의 중요한 기능들 중 하나는, EV 내의 배터리로부터의 전력을 수요 요청에 따라 전력망으로 전송하는, V2G 동작일 수 있다. V2G 특징을 사용하기 위하여, 전기 자동차들은 양방향 DC-DC 컨버터를 수반하는 양방향 AC-DC 컨버터로 구성된 양방향 충전기를 요구한다. DC-DC 컨버터는 충전 모드 도중에 전력망에서 배터리로, 방전 모드에서는 배터리에서 전력망으로의 양방향 전력 흐름을 처리할 수 있다. 많은 양방향 DC-DC 컨버터 토폴로지들이 제안되었다. 이들의 주요 목표들은, 자성 및 필터 구성 요소의 크기, 비용이 줄어들 수 있도록, 넓은 범위의 부하 변동에 대해 전력 스위치들의 소프트 스위칭을 달성하고, 고주파수로 작동시키는 것이다.Demand for electric vehicles (EVs) is rapidly increasing globally due to significant advantages such as environmentally friendly characteristics, higher efficiency and quietness. One of the important functions of the EVs may be V2G operation, which transfers power from the battery in the EV to the power network upon demand demand. To use the V2G feature, electric vehicles require a bi-directional charger consisting of a bidirectional AC-DC converter with a bidirectional DC-DC converter. DC-DC converters can handle bi-directional power flow from the power grid to the battery during the charging mode and from the battery to the power grid in the discharge mode. Many bidirectional DC-DC converter topologies have been proposed. Their main goals are to achieve soft switching of power switches for a wide range of load variations and to operate at high frequencies so that the size and cost of the magnetic and filter components can be reduced.
한국공개특허 제10-2013-0013092호(2013.02.06.)는 고압 또는 저압에서 전력의 흐름과 관계없이 양방향 모두 대칭적인 동일한 회로 구조를 가지며 CLLC 공진 구조를 어느 방향으로든 얻으므로 높은 입, 출력 전압 이득이 주파수에 의해 자유롭게 얻을 수 있는 대칭형 양방향 공진형 컨버터에 관하여 기재되어 있는데, 입력 직류 전원을 승압 또는 강압 직류 변환하기 위한 대칭형 양방형 공진형 컨버터에 있어서, 제1 브릿지 회로와 제2 브릿지회로 사이에 결합된 제1공진회로, 변압기, 제2공진회로를 포함하고, 상기 제1 브릿지 회로의 출력 양단 사이에, 제1인덕터와 제1커패시터로 이루어진 상기 제1공진회로를 연결하되, 상기 제1인덕터, 상기 변압기의 일차측 코일, 및 상기 제1커패시터를 직렬연결시키며, 상기 제2 브릿지 회로의 입력 양단 사이에, 제2인덕터와 제2커패시터로 이루어진 상기 제2공진회로를 연결하되, 상기 제2인덕터, 상기 변압기의 이차측 코일, 및 상기 제2커패시터를 직렬연결시킨 구조를 포함하고, 상기 제1 브릿지 회로를 통해 전압방향을 일정 주기로 변화시켜 상기 제1공진회로 입력하고, 상기 제2 브릿지 회로를 통해 정류된 공진 전압을 생성하거나, 상기 제 2브릿지 회로를 통해 전압방향을 일정 주기로 변화시켜 상기 제2공진회로 입력하고, 상기 제1 브릿지 회로를 통해 정류된 회생전압을 생성하는 것을 특징으로 한다. 기재된 기술에 의하면, 경부하에서 전부하에 이르기까지 일정한 소프트 스위칭을 통해 회로의 고효율화가 가능하고 전력전달 방향에 관계없이 동일한 회로 구조를 가지므로 설계가 용이하고 제어기구조가 전력방향에 관계없이 동일하며 사용하는 공진소자의 값들이 절연 변압기의 입력과 출력이 동일하도록 환산할 경우 같은 값이므로 설계와 구현이 간단해질 수 있다.Korean Patent Laid-Open No. 10-2013-0013092 (Feb. 23, 2013) has the same circuit structure symmetrical in both directions regardless of the flow of electric power at high pressure or low pressure, and since a CLLC resonance structure is obtained in any direction, There is disclosed a symmetrical bidirectional resonance type converter in which a gain can be freely obtained by a frequency. In a symmetrical dichroic resonance type converter for converting an input DC power supply into a step-up or step-down DC conversion, the first bridge circuit and the second bridge circuit Wherein the first resonant circuit comprises a first inductor and a first capacitor is connected between both ends of the output of the first bridge circuit and a first resonant circuit connected to the first resonant circuit, An inductor, a primary side coil of the transformer, and the first capacitor are connected in series, and between the input terminals of the second bridge circuit, And a second capacitor connected in series with the second inductor, the secondary coil of the transformer, and the second capacitor connected in series, wherein the voltage direction of the first resonant circuit is constantly A second resonant circuit for generating a resonant voltage rectified through the second bridge circuit or a second resonant circuit for varying a voltage direction at a constant cycle through the second bridge circuit, And generates a regenerated voltage rectified through the one bridge circuit. According to the disclosed technology, it is possible to achieve high efficiency of the circuit through a certain soft switching from the light load to the full load, and the same circuit structure regardless of the power transmission direction is easy to design, and the controller structure is the same regardless of the power direction. Design and implementation can be simplified because the values of the resonant elements are the same when the input and output of the isolation transformer are equalized.
한국등록특허 제10-1000561호(2010.12.06.)는 변압기의 이차측에 LC 공진 회로부의 공진 커패시터보다 작은 커패시터 값을 갖는 별도의 커패시터를 추가함으로써, 공진 전류 초반에 전류가 부하단이 아닌 추가된 커패시터를 통해 흐르면서 일차측 공진 전류를 급격히 상승시킬 수 있게 되고, 이에 대략 사다리꼴 형태를 갖는 전류 파형을 얻을 수 있는 바, 기존의 사인파 형태의 전류보다 동일 주파수로 운전되는 경우 실효 전류를 증대시킬 수 있는 직렬 공진형 컨버터에 관하여 기재되어 있는데, 기재된 기술에 의하면, 직류 전압을 교번적으로 스위칭하여 교류 전압으로 변환하는 복수의 스위치를 포함하는 스위칭부와; 상기 스위칭부에 연결되어 직렬 접속된 공진 인덕터와 공진 커패시터의 공진 현상을 이용해 스위칭부에서 전달되는 교류 전압의 주파수 특성을 변환하는 LC 공진 회로부와; 상기 LC 공진 회로부에 연결된 일차측 권선, 및 상기 일차측 권선과 소정의 권선비로 구비되는 이차측 권선을 포함하는 변압기와; 상기 변압기의 이차측에 변압기와 병렬로 연결되는 이차측 커패시터와; 상기 변압기의 이차측에 유기된 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 복수의 정류 다이오드를 포함하는 브리지 정류 회로부와; 상기 각 스위치에 연결된 역병렬 다이오드의 도통 상태를 감지하여 역병렬 다이오드의 도통 시점에서 상기 스위치를 턴온시키기 위한 턴온 게이트 신호를 출력하도록 된 게이트 구동 회로부;를 포함하며, 상기 게이트 구동 회로부는, 펄스 전압 신호가 입력되는 입력단에 연결되는 제1저항과; 상기 입력단에 제1저항과 병렬로 연결되어 입력단을 통해 인가되는 턴온 펄스 전압에 의해 충전되는 커패시터와; 상기 입력단과 커패시터의 출력단, 스위칭부의 스위치에 연결되는 출력단의 게이트 연결단에 각각 소스, 게이트, 드레인이 연결되어 구비되는 반도체 스위치와; 상기 반도체 스위치의 드레인과 출력단의 게이트 연결단 사이에 연결되는 제3저항과; 상기 입력단에 제1저항 및 커패시터)를 매개로 연결되어 전류 도통 경로를 형성하는 제4저항을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.Korean Patent No. 10-1000561 (Dec. 2010) discloses that by adding a separate capacitor having a smaller value of the capacitor than the resonance capacitor of the LC resonance circuit portion on the secondary side of the transformer, The primary side resonant current can be rapidly increased while flowing through the capacitor, and a current waveform having a roughly trapezoidal shape can be obtained. As a result, when the current is operated at the same frequency as that of the conventional sine wave type current, A switching unit including a plurality of switches for alternately switching a direct-current voltage to an alternating-current voltage; An LC resonance circuit unit for converting a frequency characteristic of an AC voltage transmitted from the switching unit using a resonance inductor connected in series to the switching unit and resonance of the resonance capacitor; A transformer including a primary side winding connected to the LC resonance circuit and a secondary side winding provided at the primary side winding and the predetermined winding ratio; A secondary side capacitor connected in parallel to the transformer on the secondary side of the transformer; A bridge rectifying circuit part including a plurality of rectifying diodes for rectifying an AC voltage induced on a secondary side of the transformer to a DC voltage; And a gate driving circuit unit for sensing a conduction state of the anti-parallel diode connected to each of the switches and outputting a turn-on gate signal for turning on the switch at the time of conduction of the anti-parallel diode, A first resistor connected to an input terminal to which a signal is input; A capacitor connected to the input terminal in parallel with the first resistor and charged by a turn-on pulse voltage applied through an input terminal; A semiconductor switch having a source, a gate, and a drain connected to the input end and the output end of the capacitor, and the gate end of the output end connected to the switch of the switching unit, respectively; A third resistor connected between the drain of the semiconductor switch and the gate connection of the output terminal; And a fourth resistor connected to the input terminal through a first resistor and a capacitor to form a current conduction path.
상술한 바와 같은 종래의 위상 시프트 풀-브리지(PSFB) 컨버터는 고출력 응용에서 가장 널리 사용되는 토폴로지이다. 이 컨버터는 제로-전압 천이 특징에 의해 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 그러나 이 컨버터는 EMI 잡음, 정류기 다이오드들에 대한 높은 응력 전압과 같은 넓은 부하 범위에 대해 몇 가지 문제점들을 겪는다. 또한 전체 부하에 대해 ZVS(Zero Voltage Switching, 제로 전압 스위칭)를 달성하기 위하여, 큰 누설 인덕턴스를 규정해야 한다. 이는 증대된 듀티 사이클 손실을 초래하여, 컨버터 효율 감소를 초래한다. 컨버터의 성능을 향상시키기 위하여, 스위치들의 전압 응력을 억제하기 위한 무손실, 스너버(snubbers) 또는 능동 클램프 회로들을 사용함으로써 많은 풀-브리지 제로 전류 스위칭 DC-DC 컨버터가 개발되었다. 그러나 추가적인 스너버 회로들은 크기, 비용 및 복잡성이 증가하여, 토폴로지가 고출력 전압 애플리케이션에 적합하지 않게 한다.Conventional phase shift full-bridge (PSFB) converters as described above are the most widely used topologies in high power applications. This converter can improve power conversion efficiency by the zero-voltage transition feature. However, this converter suffers from some problems with a wide load range such as EMI noise, high stress voltage for rectifier diodes. Also, to achieve ZVS (zero voltage switching) for the full load, a large leakage inductance must be specified. This results in increased duty cycle losses, resulting in reduced converter efficiency. To improve the performance of the converter, many full-bridge zero-current switching DC-DC converters have been developed by using lossless, snubbers or active clamp circuits to suppress the voltage stress of the switches. However, additional snubber circuits increase in size, cost, and complexity, making the topology unsuitable for high-power voltage applications.
우수한 성능, 즉 전체 1차 전력 스위치, 매우 높은 주파수 동작, 낮은 EMI, 간단한 제어, 고효율 및 적은 부품 수를 위한 소프트 스위칭 특징을 갖는 공진 컨버터는 양방향 애플리케이션을 위한 매력적인 후보가 된다. 넓은 전압 범위의 애플리케이션을 위한 대부분의 공진 컨버터는 LLC 공진 풀-브리지 컨버터이다. 이 컨버터는 부하 변동에 관계없이 모든 1차 스위치에 대해 완전한 제로 전압 스위칭 범위를 달성할 수 있다. 작은 전류 턴-오프는 큰 자화 인덕턴스 설계로 달성될 수 있다. 그러나, LLC 공진 컨버터는 그들 자신의 단점을 갖는다. 방전 모드에서 자화 인덕턴스는 브리지 전압과 병렬이어서, 토폴로지를 직렬 공진 컨버터(SRC)로 변환시킨다. 동작 주파수가 직렬 공진 주파수로부터 멀어져 용량성 영역에서 동작하게 함에 따라 SRC의 효율은 상당히 감소한다.Resonant converters with excellent performance: full primary power switches, very high frequency operation, low EMI, simple control, soft switching for high efficiency and low part count, are attractive candidates for interactive applications. Most resonant converters for wide voltage range applications are LLC resonant full-bridge converters. This converter can achieve a full zero voltage switching range for all primary switches regardless of load variations. A small current turn-off can be achieved with a large magnetizing inductance design. However, LLC resonant converters have their own disadvantages. In discharge mode, the magnetizing inductance is in parallel with the bridge voltage, converting the topology into a series resonant converter (SRC). As the operating frequency moves away from the series resonant frequency to operate in the capacitive range, the efficiency of the SRC is significantly reduced.
현재 개발된 양방향 풀-브리지 CLLC 공진 컨버터는 짝수 방전 모드에서 제로 전압 스위칭을 달성하기 위해 2차 측의 LC 회로를 사용함으로써 V2G 시스템을 위하여 도입되었다. 그러나 이러한 토폴로지는 넓은 범위의 출력 전압의 애플리케이션을 요구하는 배터리 충전기 애플리케이션에 적용할 때, 많은 도전 과제에 직면한다. 자화 인덕턴스는 정전류(CC) 모드 충전에서 원하는 출력 전압 범위를 생성하기 위하여 충분히 작아야 할 필요가 있다. 이것은 높은 턴 오프 전류를 야기하여, 1차 측 스위치들의 높은 스위칭 손실을 초래한다. 또한 스위칭 주파수는 넓은 부하 변동에 따라 크게 변한다. 이는 1차 스위치들에서 높은 순환 전류를 야기하고, 전력 변환 효율이 감소시키고, 시스템을 최적화하기 어렵게 한다.The bidirectional full-bridge CLLC resonant converter developed at present is introduced for the V2G system by using the LC circuit on the secondary side to achieve zero voltage switching in even discharge mode. However, this topology faces many challenges when applied to battery charger applications that require a wide range of output voltage applications. The magnetizing inductance needs to be small enough to produce the desired output voltage range in constant current (CC) mode charging. This causes a high turn-off current, resulting in a high switching loss of the primary side switches. The switching frequency also varies greatly with wide load variations. This causes high circulating currents in the primary switches, reduces power conversion efficiency, and makes the system difficult to optimize.
턴-오프 전류를 줄이기 위해, LLC 공진 컨버터에 추가적인 LC 회로를 사용하는 방법이 제안되었다. 주파수를 통해 가변 인덕터로 작동하는 LC 회로는 자화 인덕턴스와 병렬로 연결된다. 따라서, 더 높은 유효 인덕턴스가 생성된다. 결과적으로 1차 측 스위치들은 작은 턴-오프 전류로 거의 ZCS(Zoro Current Switching, 제로 전류 스위칭) 조건을 달성할 수 있는 반면, 출력 전압 이득은 넓은 부하 변동 동안 충전하기 위하여 여전히 넓게 유지한다. 그러나 이러한 토폴로지는 또한 단방향 토폴로지이고, 따라서 V2G 애플리케이션 시스템에 적용하기에 적합하지 않다.To reduce the turn-off current, a method of using an additional LC circuit in the LLC resonant converter has been proposed. An LC circuit operating as a variable inductor across the frequency is connected in parallel with the magnetizing inductance. Thus, a higher effective inductance is generated. As a result, the primary-side switches can achieve almost ZRO (Zero Current Switching) conditions with small turn-off currents, while the output voltage gain remains wide for charging during wide load fluctuations. However, this topology is also a unidirectional topology and is therefore not suitable for application in V2G application systems.
본 발명의 일측면은 유효 자화 인덕턴스를 증가시키기 위하여 보조 LC 공진회로를 3차 권선에 추가하여 좁은 스위칭 주파수 범위에서 고효율의 배터리 충전 애플리케이션을 위한 정전류(CC) 모드 충전 및 정전압(CV) 모드 충전을 구현한 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터 및 그 구동 방법을 제공한다.One aspect of the present invention is to add a secondary LC resonant circuit to the tertiary winding to increase effective magnetizing inductance to provide constant current (CC) mode charge and constant voltage (CV) mode charge for high efficiency battery charging applications in a narrow switching frequency range A bidirectional converter having a built-in auxiliary LC resonant circuit and a driving method thereof are provided.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem of the present invention is not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems which are not mentioned can be understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일 실시예에 따른 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터는, 1차측권선과 2차측권선을 포함하여 전압 변환을 수행하는 변압부; 3차권선을 통해 상기 변압부에 연결되는 보조LC공진부; 상기 1차측권선과 연결되며, 제1스위치() 내지 제4스위치()를 포함하는 제1풀-브리지회로의 스위칭 동작에 따라 상기 변압부에서 변압된 입력전원을 출력 커패시터로 전달하는 제1변환부; 및 입력 전원을 공급하는 배터리와 연결되며, 제5스위치() 내지 제8스위치()를 포함하는 제2풀-브리지회로의 스위칭 동작에 따라 입력 전원을 상기 2차측권선으로 전달하는 제2변환부를 포함하며, 상기 제1변환부 또는 상기 제2변환부는, 배터리를 충전시키는 배터리충전모드 또는 배터리를 방전시키는 배터리방전모드로 동작한다.A bidirectional converter having an auxiliary LC resonance circuit according to an embodiment of the present invention includes: a transformer including a primary winding and a secondary winding to perform voltage conversion; A secondary LC resonator connected to the transformer through a tertiary winding; A first switch connected to the primary winding, ) To the fourth switch ( A first conversion unit for transferring the input power transformed by the transforming unit to the output capacitor according to a switching operation of the first full-bridge circuit including the first full-bridge circuit; And a battery supplying input power, and the fifth switch ( ) To eighth switch And a second converter for transferring the input power to the secondary winding according to a switching operation of the second full-bridge circuit, wherein the first converter or the second converter includes a battery charging Mode or a battery discharge mode for discharging the battery.
일 실시 예에서, 상기 배터리충전모드는, 에서 상기 제2스위치() 및 상기 제3스위치()가 제로 전류 스위칭(Zero Current Switching) 조건 하에서 턴-오프(Turned-Off) 되는 제1배터리충전모드()를 포함할 수 있다.In one embodiment, the battery charging mode comprises: The second switch And the third switch ) Is turned off under a zero current switching condition in a first battery charging mode ( ).
일 실시 예에서, 상기 배터리충전모드는, 에서 상기 제2스위치() 및 상기 제3스위치()가 제로 전류 스위칭 조건 하에서 턴-온(Turned-On) 되는 제2배터리충전모드()를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the battery charging mode comprises: The second switch And the third switch ) Is turned on under zero current switching conditions. ).
일 실시 예에서, 상기 배터리충전모드는, 에서 상기 제5스위치() 및 상기 제8스위치()가 제로 전류 스위칭 조건 하에서 턴-오프 되고, 상기 제6스위치() 및 상기 제7스위치()가 제로 전류 스위칭 조건 하에서 턴-온 되는 제3배터리충전모드()를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the battery charging mode comprises: The fifth switch And the eighth switch ) Is turned off under zero current switching conditions, and the sixth switch And the seventh switch ) Is turned on under zero current switching conditions. ).
일 실시 예에서, 상기 배터리충전모드는, 에서 상기 제1스위치() 및 상기 제4스위치()가 제로 전류 스위칭 조건 하에서 턴-오프 되며, 상기 제2스위치() 및 상기 제3스위치()가 제로 전류 스위칭 조건 하에서 턴-온 되는 제4배터리충전모드()를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the battery charging mode comprises: The first switch ) And the fourth switch ( ) Is turned off under zero current switching conditions, and the second switch And the third switch ) Is turned on under the zero-current switching condition. ).
일 실시 예에서, 상기 배터리충전모드는, 에서 상기 제2스위치() 및 상기 제3스위치()가 제4배터리충전모드에서 생성된 제로 전류 스위칭으로 턴-온 되는 제5배터리충전모드()를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the battery charging mode comprises: The second switch And the third switch Is turned on with the zero current switching generated in the fourth battery charging mode (step < RTI ID = 0.0 > ).
일 실시 예에서, 상기 배터리충전모드는, 에서 상기 제6스위치() 및 상기 제7스위치()가 제로 전류 스위칭 조건으로 턴-오프 되고, 상기 제5스위치() 및 상기 제8스위치()가 제로 전압 스위칭 조건으로 턴-온 되는 제6배터리충전모드()를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the battery charging mode comprises: The sixth switch And the seventh switch ) Is turned off under the zero current switching condition, and the fifth switch And the eighth switch ) Is turned on with a zero voltage switching condition. ).
일 실시 예에서, 상기 배터리방전모드는, 에서 상기 제6스위치() 및 상기 제7스위치()가 턴-오프 되는 제1배터리방전모드()를 포함할 수 있다.In one embodiment, the battery discharge mode comprises: The sixth switch And the seventh switch ) Is turned off in the first battery discharge mode ( ).
일 실시 예에서, 상기 배터리방전모드는, 에서 상기 제5스위치() 및 상기 제8스위치()가 턴-온 되고, 상기 제1스위치() 및 상기 제4스위치()가 제로 전류 스위칭 조건으로 턴-오프 되는 제2배터리방전모드()를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the battery discharge mode comprises: The fifth switch And the eighth switch ) Is turned on, and the first switch ) And the fourth switch ( ) Is turned off under the zero-current switching condition in the second battery discharge mode ).
일 실시 예에서, 상기 배터리방전모드는, 에서 공진이 정지되어 상기 제2변환부로의 전력 전달이 중단되는 제3배터리방전모드()를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the battery discharge mode comprises: And a third battery discharge mode in which the resonance is stopped in the second conversion unit and the power transmission to the second conversion unit is stopped ).
일 실시 예에서, 상기 배터리방전모드는, 에서 상기 제5스위치() 및 상기 제8스위치()가 턴-오프 되며, 상기 제6스위치() 및 상기 제7스위치()가 제로 전류 스위칭 조건 하에서 턴-온 되는 제4배터리방전모드()를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the battery discharge mode comprises: The fifth switch And the eighth switch Is turned off, and the sixth switch And the seventh switch ) Is turned on under the zero-current switching condition in the fourth battery discharge mode ( ).
일 실시 예에서, 상기 배터리방전모드는, 에서 상기 제6스위치() 및 상기 제7스위치()가 턴-온 되는 제5배터리방전모드()를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the battery discharge mode comprises: The sixth switch And the seventh switch ) Is turned on in the fifth battery discharge mode ).
일 실시 예에서, 상기 배터리방전모드는, 에서 상기 제6스위치() 및 상기 제7스위치()가 제로 전류 스위칭 조건 하에서 턴-오프 되는 제6배터리방전모드()를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the battery discharge mode comprises: The sixth switch And the seventh switch ) Is turned off under the zero current switching condition ).
본 발명의 다른 실시예에 따른 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터의 구동 방법은 전압의 변환을 수행하는 변압부가 1차측권선과 2차측권선을 포함하고,3차권선을 통해 상기 변압부에 보조LC공진부가 연결되며, 상기 1차측권선과 연결되는 제1변환부가 제1풀-브리지회로의 스위칭 동작에 따라 상기 변압부에서 변압된 입력전원을 출력 커패시터로 전달하며, 입력 전원을 공급하는 배터리와 연결되는 제2변환부가 제2풀-브리지회로의 스위칭 동작에 따라 입력 전원을 상기 2차측권선으로 전달하는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터의 구동 방법에 있어서, 상기 제1변환부 또는 상기 제2변환부는 배터리를 충전시키는 배터리 충전 모드 또는 배터리를 방전시키는 배터리 방전 모드로 구동된다.A method of driving a bidirectional converter having a secondary LC resonant circuit according to another embodiment of the present invention includes a primary winding and a secondary winding, And a first transformer connected to the primary coil, the transformer transforming the input power to the output capacitor according to a switching operation of the first full-bridge circuit, And a second conversion section for transferring an input power source to the secondary winding in accordance with a switching operation of the second full-bridge circuit, the method comprising the steps of: The unit is driven in a battery charging mode for charging the battery or a battery discharging mode for discharging the battery.
일 실시 예에서, 상기 배터리 충전 모드는, 상기 제1풀-브리지회로 또는 상기 제2풀-브리지회로를 구성하는 스위치들의 턴-온 또는 턴-오프에 대응하여 제1배터리충전모드 내지 제6배터리충전모드로 구동될 수 있다.In one embodiment, the battery charging mode may include a first battery charging mode to a sixth battery charging mode in response to a turn-on or a turn-off of switches constituting the first full-bridge circuit or the second full- And can be driven in the charge mode.
일 실시 예에서, 상기 배터리 방전 모드는, 상기 제1풀-브리지회로 또는 상기 제2풀-브리지회로를 구성하는 스위치들의 턴-온 또는 턴-오프에 대응하여 제1배터리방전모드 내지 제6배터리방전모드로 구동될 수 있다.In one embodiment, the battery discharge mode may include a first battery discharge mode to a sixth battery discharge mode corresponding to turn-on or turn-off of the switches constituting the first full-bridge circuit or the second full- And can be driven in the discharge mode.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 종래의 양방향 컨버터에 비해 우수한 전력 효율 성능을 제공할 수 있으며, 모든 스위치에서 소프트 스위칭을 보장하며, 1차 측의 제로 전류 스위칭 및 순환 손실을 최소화함으로써 개선할 수 있으며, 요구되는 전압 이득은 작은 자화 인덕턴스를 채택함으로써 여전히 충족되어, 좁은 주파수 범위에서 작동하는 것을 허용할 수 있다.In accordance with one aspect of the present invention described above, it is possible to provide superior power efficiency performance over conventional bidirectional converters, to ensure soft switching in all switches, to minimize zero current switching and circulation losses on the primary side, And the required voltage gain is still met by employing a small magnetizing inductance, allowing it to operate in a narrow frequency range.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터를 나타낸 회로도이다.
도 2는 도 1에 있는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터의 AC 등가 회로도이다.
도 3은 도 2에 있는 유효 자화 임피던스()를 나타낸 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 양방향 컨버터의 유효 자화 인덕턴스()와 CLLC 컨버터의 자화 인덕턴스()의 임피던스를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 입력 임피던스의 위상을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 CLLC 공진 컨버터의 입력 임피던스의 위상을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 전압 이득 및 출력 전류를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 정전류(CC) 모드 충전의 공진 주파수()에서의 동작을 나타낸 회로도이다.
도 9는 본 발명의 정전압(CV) 모드 충전의 공진 주파수()에서의 동작을 나타낸 회로도이다.
도 10은 본 발명의 방전 모드를 위한 등가 회로를 나타낸 회로도이다.
도 11은 본 발명의 방전 모드에서의 입력 임피던스의 전압 이득 및 위상을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 낮은 공진 주파수()에서 2차 측 스위치의 전류를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 보조 LC 회로를 사용하는 양방향 CLLC 공진 컨버터의 동작 모드를 나타낸 회로도이다.
도 14는 본 발명의 정전압(CV) 및 정전류(CC) 모드 충전에서 제안된 공진 컨버터의 주요파형을 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 정전압(CV) 모드 충전에서 보조 LC 회로를 사용하는 양방향 CLLC 공진 컨버터의 동작 모드를 나타낸 회로도이다.
도 16은 본 발명의 방전 모드에서 제안된 공진 컨버터의 주요 파형을 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명의 보조 LC 회로를 사용하는 양방향 CLLC 공진 컨버터의 동작 모드를 나타낸 회로도이다.
도 18은 본 발명의 충전 도중에 EV 배터리의 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 프로파일 및 배터리의 등가 임피던스를 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 발명의 컨버터를 위한 전압 및 전류 파형을 나타낸 그래프이다.
도 20은 본 발명의 컨버터의 DC 출력 전압 및 전류 파형을 나타낸 그래프이다.
도 21은 본 발명의 충전 모드에서 동작하는 컨버터에 대한 전력 스테이지의 측정된 효율을 나타낸 그래프이다.
도 22는 본 발명의 PM에서 동작하는 컨버터의 손실 분석한 그래프이다.
도 23은 본 발명의 방전 모드에서 동작하는 컨버터에 대한 전압 및 전류 파형을 나타낸 그래프이다.
도 24는 본 발명의 PM 내에서 컨버터의 DC 출력 전압 및 전류 파형을 나타낸 그래프이다.
도 25는 본 발명의 상이한 배터리 전압에 대한 전력 스테이지의 측정된 효율을 나타낸 그래프이다.
도 26은 본 발명의 방전 모드에서 동작하는 컨버터에 대한 손실 분석한 그래프이다.1 is a circuit diagram showing a bidirectional converter having an auxiliary LC resonant circuit according to an embodiment of the present invention.
2 is an AC equivalent circuit diagram of a bidirectional converter with the auxiliary LC resonant circuit of Fig.
FIG. 3 is a graph showing the effective magnetization impedances ( Fig.
FIG. 4 is a graph illustrating the effective magnetizing inductance of a bidirectional converter according to an embodiment of the present invention ) And the magnetizing inductance of the CLLC converter ( ). ≪ / RTI >
5 is a graph showing the phase of the input impedance of the present invention.
6 is a graph showing the phase of input impedance of the CLLC resonance converter of the present invention.
7 is a graph showing voltage gain and output current according to the present invention.
8 is a graph showing the relationship between the resonant frequency of the constant current (CC) Fig.
9 is a graph showing the relationship between the resonance frequency of the constant voltage (CV) Fig.
10 is a circuit diagram showing an equivalent circuit for the discharge mode of the present invention.
11 is a graph showing the voltage gain and phase of the input impedance in the discharge mode of the present invention.
12 is a graph showing the relationship between the resonance frequency ) Of the secondary side switch.
13 is a circuit diagram showing an operation mode of a bi-directional CLLC resonant converter using the auxiliary LC circuit of the present invention.
14 is a graph showing the main waveforms of the resonance converter proposed in the constant voltage (CV) and constant current (CC) mode charging of the present invention.
15 is a circuit diagram showing an operation mode of a bidirectional CLLC resonant converter using a secondary LC circuit in constant voltage (CV) mode charging of the present invention.
16 is a graph showing a main waveform of the resonance converter proposed in the discharge mode of the present invention.
17 is a circuit diagram showing an operation mode of a bi-directional CLLC resonant converter using the auxiliary LC circuit of the present invention.
18 is a graph showing the constant current (CC) / constant voltage (CV) charging profile and the equivalent impedance of the battery during charging of the present invention.
19 is a graph showing voltage and current waveforms for the converter of the present invention.
20 is a graph showing the DC output voltage and current waveform of the converter of the present invention.
21 is a graph illustrating the measured efficiency of the power stage for a converter operating in the charge mode of the present invention.
22 is a graph showing a loss analysis of a converter operating in the PM of the present invention.
23 is a graph showing voltage and current waveforms for a converter operating in the discharge mode of the present invention.
24 is a graph showing the DC output voltage and current waveform of the converter in the PM of the present invention.
25 is a graph showing the measured efficiency of the power stage for different battery voltages of the present invention.
26 is a graph illustrating loss analysis for a converter operating in the discharge mode of the present invention.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings, which illustrate, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain features, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with an embodiment. It is also to be understood that the position or arrangement of the individual components within each disclosed embodiment may be varied without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is to be limited only by the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled, if properly explained. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions throughout the several views.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터를 나타낸 회로도이다.1 is a circuit diagram showing a bidirectional converter having an auxiliary LC resonant circuit according to an embodiment of the present invention.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터는, 변압부(100), 보조LC공진부(200), 제1변환부(300) 및 제2변환부(400)를 포함한다.The bidirectional converter having the auxiliary LC resonance circuit according to an embodiment of the present invention includes a
변압부(100)는, n:1의 권선비를 갖는 1차측권선과 2차측권선을 포함하여 전압 변환을 수행하며, 1차측권선의 일단에 제1공진커패시터()(111)의 일단이 연결되고, 제1공진커패시터()(111)의 타단에 제1외부인덕터()(112)의 일단이 연결되며, 2차측권선의 일단에 제2공진커패시터()(121)일단이 연결되고, 제2공진커패시터()(121)의 타단에 제2외부인덕터()(122)의 일단이 연결된다.The
보조LC공진부(200)는, 권선비 m을 제공하는 3차권선을 통해 변압부(100)에 연결되며, 3차권선의 일단에 보조커패시터()(201)의 일단이 연결되고, 보조커패시터()(201)의 타단에 보조인덕터()(202)의 일단이 연결된다.The auxiliary
제1변환부(300)는, 1차측권선과 연결되며, 제1풀-브리지회로(310)의 스위칭 동작에 따라 변압부(100)에서 변압된 입력전원을 출력 커패시터로 전달한다.The
일 실시 예에서, 제1풀-브리지회로(310)는, 제1스위치()(311) 내지 제4스위치()(314)를 포함할 수 있다.In one embodiment, the first full-bridge circuit 310 includes a first switch ) 311 to the fourth switch ) ≪ / RTI >
제1스위치()(311)는, 일단이 제2스위치()의 일단 및 출력 커패시터에 연결되며, 타단이 제1외부인덕터()(112)의 타단 및 제3스위치()(313)의 인달에 연결된다.The first switch ( ) 311 has one end connected to the second switch ) And the output capacitor, and the other end is connected to the first external inductor ) 112 and the other end of the third switch ) ≪ / RTI >
제2스위치()(312)는, 일단이 제1스위치()(311)의 일단 및 출력 커패시터에 연결되고, 타단이 1차측권선의 타단 및 제4스위치()(314)에 연결된다.The second switch ) 312 has one end connected to the first switch ) 311 and the output capacitor, and the other end is connected to the other end of the primary winding and the fourth switch ) ≪ / RTI >
제3스위치()(313)는, 일단이 제1외부인덕터()(112)의 타단 및 제1스위치()(311)의 타단에 연결되고, 타단이 제4스위치()(314)의 타단 및 출력 커패시터에 연결된다.The third switch ( ) 313 is connected at one end to the first external inductor ) 112 and the other end of the first switch ) 311, and the other end is connected to the fourth switch ) 314 and the output capacitor.
제4스위치()(314)는, 일단이 1차측권선의 타단 및 제2스위치()(312)의 타단에 연결되며, 타단이 제3스위치()(313)의 타단 및 출력 커패시터에 연결된다.The fourth switch ( ) 314 has one end connected to the other end of the primary winding and the other end of the second switch ) 312, and the other end is connected to the third switch ) 313 and the output capacitor.
제2변환부(400)는, 입력 전원을 공급하는 배터리와 연결되며, 제2풀-브리지회로(410)의 스위칭 동작에 따라 입력 전원을 2차측권선으로 전달한다.The
일 실시 예에서, 제2풀-브리지회로(410)는, 제5스위치()(411) 내지 제8스위치()(414)를 포함할 수 있다.In one embodiment, the second full-bridge circuit 410 includes a fifth switch ) 411 to an eighth switch ) ≪ / RTI >
제5스위치()(411)는, 일단이 제6스위치()(412)의 일단 및 입력 커패시어터에 연결되고, 타단이 제2외부인덕터()(122)의 타단 및 제7스위치()(413)의 일단에 연결된다.The fifth switch ( ) 411 has one end connected to the sixth switch ) 412 and the input capacitor, and the other end is connected to the second external inductor ) 122 and the seventh switch ( ) 413, respectively.
제6스위치()(412)는, 일단이 제5스위치()(411)의 일단 및 입력 커패시터에 연결되며, 타단이 2차측권선의 타단 및 제7스위치()(413)의 일단에 연결된다.The sixth switch ( ) 412 has one end connected to the fifth switch ) 411 and the input capacitor, and the other end is connected to the other end of the secondary winding and the seventh switch ) 413, respectively.
제7스위치()(413)는, 일단이 제2외부인덕터()(122)의 타단 및 제5스위치()(411)의 타단에 연결되고, 타단이 제8스위치()(414)의 타단 및 입력 커패시터에 연결된다.Seventh switch ( ) 413 has one end connected to the second external inductor ) 122 and the other end of the fifth switch ) 411, and the other end is connected to the eighth switch ) 414 and the input capacitor.
제8스위치()(414)는, 일단이 2차측권선의 타단 및 제6스위치()(412)의 타단에 연결되며, 타단이 제7스위치()(413)의 타단 및 입력 커패시터에 연결된다.Eighth switch ( ) 414 has one end connected to the other end of the secondary winding and the sixth switch ) 412, and the other end is connected to the seventh switch ) 413 and the input capacitor.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터는, 별도의 보조LC공진부(200)가 추가적인 권선을 통해 변압부(100)에 연결된다는 점을 제외하면, 토폴로지 관점에서 CLLC 공진 컨버터와 거의 유사하다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1변환부(300)의 스위치들은 입력 DC 전압을 변압기를 통해 전달하기 위해 준-구형파 AC로 변환하는 고주파 풀-브리지 인버터를 형성하는 반면, 제2변환부(400)의 스위치들은 고주파 교류를 AC를 DC 출력 전압으로 변환하는 정류기로서 작용한다. 결과적으로, 본 출원발명 컨버터의 AC 등가 회로도가 도 2에 도시되었다.The bidirectional converter having the coarse LC resonance circuit having the above-described configuration is configured such that the auxiliary
본 발명에서, n:1의 권선비를 갖는 변압기(Tr)인 변압부(100)는 1차 측과 2차 측 사이의 갈바니 절연을 제공하며, 변압부(100)의 자화인덕턴스(), 제1외부인덕터()(112), 제2외부인덕터()(122), 제1공진커패시터()(111), 제2공진커패시터()(121), 보조인덕터()(202) 및 보조커패시터()(201)는 공진 탱크를 구성를 구성한다. In the present invention, the
제1공진커패시터()(111) 및 제2공진커패시터()(121)는 자동 자속 평형(flux balancing)을 행하는데 참여하고, 각각 제1외부인덕터()(112)와 제2외부인덕터()(122)와 공진한다. 보조LC공진부(200)는 스위치의 제로 전류 스위칭을 달성하기 위해 등가 자화 인턱턴스()를 더 크게 만들기 위해 다른 권선비 m을 제공하는 3차 권선을 통해 삽입된다. 따라서, 스위치의 턴-오프 전류는 상당히 감소되며, 등가 자화 인덕턴스()는 수학식 1과 같이 표현된다.The first resonant capacitor ( ) 111 and the second resonant capacitor ( ) 121 are involved in performing automatic flux balancing, each of which is connected to a first external inductor ) 112 and a second outer inductor ( (122). The
수학식 1에서, 는 스위칭 주파수이고, , 및 이다.In Equation (1) Is the switching frequency, , And to be.
본 발명의 실시예에 따른 경우의 유효 자화 임피던스()를 설명하면 다음과 같다.The effective magnetization impedance in the case of the embodiment of the present invention ( ) Is described as follows.
도 2에 도시된 AC 등가 회로의 자화 임피던스(), 유효 자화 임피던스() 및 입력 입피던스() 공식은 다음의 수학식 2 내지 수학식 4와 같이 유도된다.The magnetization impedance of the AC equivalent circuit shown in Fig. 2 ( ), Effective magnetization impedance ( ) And input-in-ground ( ) Is derived according to the following equations (2) to (4).
도 3은 도 2에 있는 유효 자화 임피던스()를 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a graph showing the effective magnetization impedances ( Fig.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터의 유효 자화 인덕턴스()와 CLLC 컨버터의 자화 인덕턴스()의 임피던스를 나타낸 도면이다.Fig. 4 is a graph showing the effective magnetizing inductance of a bidirectional converter having an auxiliary LC resonant circuit according to an embodiment of the present invention ) And the magnetizing inductance of the CLLC converter ( ). ≪ / RTI >
도 4를 참조하며, 자화 인덕턴스와 병렬인 보조 회로를 사용함으로써, 유효 자화 임피던스는 자화 인덕턴스보다 훨씬 크다. 수학식 1로부터, 보조커패시터()가 공진 주파수()에서 및 와 공진하도록 설계되면, 유효 자화 임피던스()는 무한대가 됨을 알 수 있다.4, by using an auxiliary circuit in parallel with the magnetizing inductance, the effective magnetizing impedance is much larger than the magnetizing inductance. From Equation (1), the auxiliary capacitor ) Is the resonant frequency ( )in And , The effective magnetization impedance (< RTI ID = 0.0 > ) Is infinite.
유효 자화 임피던스()의 이점을 이해하기 위하여, 주파수에 따른 입력 임피던스의 위상 그래프가 사용된다. 큰 유효 자화 인덕턴스에 의해, 본 발명은, 이후 공진 주파수()에서 제로 위상 각도 조건(ZPA)을 달성할 수 있는 반면, 공진 CLLC 컨버터는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 큰 위상을 갖는 유도 영역에서 동작한다.Effective magnetization impedance ( ), A phase graph of the input impedance along the frequency is used. Due to the large effective magnetizing inductance, ), While the resonant CLLC converter operates in an inductive region having a large phase as shown in Figs. 5 and 6.
CLLC 공진 컨버터에서, 주 손실 성분은 1차 스위치들 내의 하드 스위칭 턴-오프 손실 및 순환 전류이다. 그러나 자화 인덕턴스는 정전류(CC) 모드와 방전 모드에서도 역시 제로 전압 스위칭 조건과 넓은 필요한 범위의 전압 이득을 얻기 위하여 충분히 작아야 할 필요가 있다. 이는 1차 측 스위치에서 높은 턴-오프 전류와 큰 순환 전류를 야기한다. 결과적으로, 종래의 CLLC 공진 컨버터에서 고효율 및 고전압 이득 사이에 절충이 존재한다.In the CLLC resonant converter, the main loss component is the hard switching turn-off loss and the circulating current in the primary switches. However, the magnetizing inductance also needs to be small enough to obtain zero voltage switching conditions and a wide range of voltage gains in the constant current (CC) and discharge modes as well. This causes a high turn-off current and a large cycling current in the primary side switch. As a result, there is a trade-off between high efficiency and high voltage gain in conventional CLLC resonant converters.
반대로, 본 발명은, 또한 작은 자화 인덕턴스()을 채택함으로써 고전압 이득을 제공하지만, 큰 유효 자화 인덕턴스()의 상당한 진보와 함께 작은 턴-오프 전류 및 순환 전류를 달성할 수 있다.On the contrary, the present invention is also applicable to small magnetizing inductance ( ) To provide high voltage gain, but large effective magnetizing inductance ( ) And a small turn-off current and a circulating current can be achieved.
본 발명의 실시예에 따른 경우의 전압 이득 특성을 설명하면 다음과 같다.The voltage gain characteristic according to the embodiment of the present invention will be described as follows.
1차 고조파 근사를 사용하여, 배터리 충전 모드에서 본 발명의 전압 이득(M)은 수학식 5와 같이 얻어진다.Using the first-order harmonic approximation, the voltage gain M of the present invention in the battery charging mode is obtained as shown in Equation (5).
컨버터에 대한 전압 이득과 출력 전류 대 동작 스위칭 주파수 곡선이 도 7에 도시되었다. 컨버터의 이득은 부하와 관계없이 공진 주파수(ω0)에서 1이기 때문에 배터리 탄화 애플리케이션에서 정전압(CV) 모드 충전을 위해 설계하는 것이 바람직하다. 공진 주파수()에서 컨버터의 전압 이득은 부하 변동에 따라 변한다. 그러나 출력 전류는 일정하게 유지되고, 따라서 이러한 주파수에서 정전류(CC) 모드 충전을 동작시키는 것이 예상된다. 이득은 과 의 범위에서 부하 변동에 따라 변한다. 이 영역에서, 컨버터는 방전 모드를 위해 이를 사용한다.The voltage gain and output current versus operating switching frequency curve for the converter are shown in FIG. Since the gain of the converter is 1 at the resonance frequency (? 0) independent of the load, it is desirable to design for constant voltage (CV) mode charging in battery charger applications. Resonance frequency ), The voltage gain of the converter varies with the load variation. However, the output current is kept constant, and therefore it is expected to operate the constant current (CC) mode charge at this frequency. The gain is and Lt; RTI ID = 0.0 > of < / RTI > In this area, the converter uses it for the discharge mode.
본 발명의 실시예에 따른 경우의 정전류(CC) 충전 모드 구현을 설명하면 다음과 같다.The implementation of the constant current (CC) charging mode according to an embodiment of the present invention will now be described.
도 8에 도시된 바와 같이 정전류(CC) 모드에서의 단순화된 등가 회로는 키르히호프의 이론에 기초하여 분석된다. 회로에 대한 키르히호프 방정식은 수학식 6 내지 수학식 11과 같이 유도된다.The simplified equivalent circuit in the constant current (CC) mode, as shown in Figure 8, is analyzed based on Kirchhoff's theory. The Kirchhoff equation for the circuit is derived as shown in equations (6) to (11).
수학식 11로부터 충전 전류()가 부하에 관계없이 거의 일정하며, 전류 크기가 입력 전압과 자화 인덕턴스 값에 의존한다는 것을 알 수 있다. 과 가 공진 주파수()에서 0을 달성하므로, 출력 전류()는 오로지 유효 자화 임피던스()와 입력 전압()에 의존한다. From equation (11), the charging current ) Is almost constant regardless of the load, and the current magnitude depends on the input voltage and magnetization inductance value. and Is the resonance frequency ( ), So that the output current ( ) Is solely dependent on the effective magnetization impedance ( ) And input voltage ( ).
도 7은 부하의 변화에 따라 주파수를 통한 평균 출력 전류 값을 도시한다. 공진 주파수()에서 출력 전류는 등가 부하 저항()의 변화에 따라 일정하게 유지된다. 따라서 이 주파수에서 정전류(CC) 모드를 구현하는 것이 적합하다.FIG. 7 shows the average output current value through the frequency in accordance with the change of the load. Resonance frequency ), The output current is the equivalent load resistance ). ≪ / RTI > It is therefore appropriate to implement a constant current (CC) mode at this frequency.
또한 시스템의 입력 임피던스()는 공진 주파수()에서 실수이고, 따라서 제로 위상 각도 조건은 수학식 12와 같이 얻어질 수 있다.The input impedance of the system ( ) Is the resonance frequency ( ), So that a zero phase angle condition can be obtained as shown in equation (12).
본 발명의 실시예에 따른 정전압(CV) 충전 모드의 구현을 설명하면 다음과 같다.An implementation of the constant voltage (CV) charging mode according to an embodiment of the present invention will be described below.
도 9에 도시된 정전압(CV) 모드에서의 단순화된 등가 회로는 키르히호프 이론에 기초하여 분석된다. 따라서 회로에 대한 키르히호프 방정식은 수학식 13과 같이 유도된다.The simplified equivalent circuit in the constant voltage (CV) mode shown in FIG. 9 is analyzed based on Kirchhoff's theory. Thus, the Kirchhoff equation for the circuit is derived as: " (13) "
수학식 14 및 도 9의 도시로부터, 충전 전압()은 부하에 관계없이 거의 일정하다. 공진 주파수에서 이면 충족될 수 있다. 그러면 충전 전압()는 반사된 출력 전압()와 동일하고, 이는 정전압(CV) 모드 충전의 구현을 가능케 한다. 이 경우 제안된 시스템의 입력 임피던스는 이 경우 수학식 15와 같이 계산된다.From the diagrams of (14) and (9), the charging voltage ) Is almost constant regardless of load. At the resonant frequency Can be satisfied. Then charge voltage ( ) Is the reflected output voltage ( ), Which enables the implementation of constant voltage (CV) mode charging. In this case, the input impedance of the proposed system is calculated as shown in
입력 임피던스()가 수학식 15에서와 같이 부하()의 함수이기 때문에, 에 의해 결정된 의 위상은, 의 값이 충분히 크면 거의 0이 된다. 따라서 본 설계의 가장 중요한 양상은 유효 자화 임피던스()를 최대화하는 것이다. 주파수()에서 및 를 갖는 커패시터()의 공진 주파수를 선택함으로써, 의 최대값을 만들고 ZPA 조건을 달성하는 것이 가능하다.Input Impedance ( ) Is calculated as the load ( ) ≪ / RTI > Determined by Phase, Is sufficiently large, it becomes almost zero. Therefore, the most important aspect of this design is the effective magnetization impedance ( ) Is maximized. frequency( )in And A capacitor having ), And to achieve the ZPA condition.
본 발명의 실시예에 따른 방전 모드의 구현을 설명하면 다음과 같다.An implementation of the discharge mode according to the embodiment of the present invention will now be described.
도 11은 방전 모드에서 제안된 컨버터의 전압 이득을 도시한 것으로, 이 모드에서 컨버터는 공진 주파수 및 사이에서 동작한다. 종래의 CLLC 컨버터와 동일하게, 원하는 전압 이득 및 작은 주파수 변동을 충족시키기 위하여 작은 자화 인덕턴스()가 요구된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 입력 임피던스()의 위상은 유도성이어서, 컨버터는 2차 측 스위치를 위한 제로 전압 스위칭 조건을 달성할 수 있다.Figure 11 shows the voltage gain of the proposed converter in the discharge mode, in which the converter has a resonant frequency And Lt; / RTI > Similar to a conventional CLLC converter, a small magnetizing inductance (< RTI ID = 0.0 > ) Is required. As shown in Fig. 11, the input impedance ( ) Is inductive, so that the converter can achieve zero voltage switching conditions for the secondary side switch.
도 12는 본 발명 및 종래의 CLLC 공진 컨버터의 2차 측 전류의 파형을 도시한 것으로, CLLC 컨버터에서. 순환 전류는 자화 인덕턴스 전류()의 피크 값과 동일하다. 그러나 자화 인덕턴스는 넓은 전압 이득을 얻기 위하여 충분히 작아야 하는 것이 요구된다. 결과적으로, 자화 전류()의 피크 값은 상당히 커지고, 이에 의해 도 12의 (b)에 도시된 종래의 컨버터에서 큰 순환 전류를 야기한다.12 shows waveforms of a secondary side current of the present invention and a conventional CLLC resonance converter, in a CLLC converter. The circulating current is the magnetizing inductance current ( ). ≪ / RTI > However, the magnetizing inductance is required to be small enough to obtain a wide voltage gain. As a result, the magnetizing current ( ) Is considerably large, thereby causing a large circulating current in the conventional converter shown in Fig. 12 (b).
본 발명의 경우, 순환 전류는 총 전류()의 피크 값과 동일하다. 그러나 전류()는 자화 인덕턴스 전류()와 반대 값을 갖는다. 그러므로, 순환 전류는 도 12의 (a)에 도시된 바와 같이, 작고 항상 보다 낮다.For the present invention, the circulating current is the total current ). ≪ / RTI > However, ) Is the magnetizing inductance current ( ). ≪ / RTI > Therefore, as shown in Fig. 12 (a), the circulating current is small and always .
상술한 바와 같은 구성을 가지는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터에서, 변압부(100)의 자화인덕턴스(), 제1외부인덕터()(112), 제2외부인덕터()(122), 제1공진커패시터()(111), 제2공진커패시터()(121), 보조인덕터()(202) 및 보조커패시터()(201)는 공진 탱크를 구성할 수 있다.In the bi-directional converter having the auxiliary LC resonant circuit having the above-described configuration, the magnetizing inductance ( ), A first outer inductor ) 112, a second outer inductor ( ) 122, a first resonant capacitor ( ) 111, a second resonant capacitor ( ) 121, an auxiliary inductor ( ) 202 and an auxiliary capacitor ( ) 201 can constitute a resonance tank.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터는, 제1변환부(300) 또는 제2변환부(400)는 배터리를 충전시키는 배터리 충전 모드 또는 배터리를 방전시키는 배터리 방전 모드로 구동될 수 있다.In the bidirectional converter having the auxiliary LC resonant circuit according to another embodiment of the present invention, the
일 실시 예에서, 배터리 충전 모드는, 제1풀-브리지회로(310) 또는 제2풀-브리지회로(410)를 구성하는 스위치들의 턴-온 또는 턴-오프에 대응하여 제1배터리충전모드 내지 제6배터리충전모드로 구동될 수 있다.In one embodiment, the battery charging mode may be configured to switch from the first battery charge mode to the second full-bridge mode in response to the turn-on or turn-off of the switches constituting the first full-bridge circuit 310 or the second full- And may be driven in the sixth battery charging mode.
일 실시 예에서, 배터리 방전 모드는, 제1풀-브리지회로(310) 또는 제2풀-브리지회로(410)를 구성하는 스위치들의 턴-온 또는 턴-오프에 대응하여 제1배터리방전모드 내지 제6배터리방전모드로 구동될 수 있다.In one embodiment, the battery discharge mode is a mode in which either the first full-bridge circuit 310 or the second full-bridge circuit 410 is turned on or off in response to a turn-on or a turn- And can be driven in the sixth battery discharge mode.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터는, 배터리 충전 모드에서, 제1스위치()(311) 내지 제4스위치()(314)가 제어되고, 제5스위치()(411) 내지 제8스위치()(414)는 정류 다이오드로서 작용한다. 방전 모드에서, 제1스위치()(311) 내지 제4스위치()(314)의 보디 다이오드가 브리지 정류기 회로서 작용하는 동안, 제5스위치()(411) 내지 제8스위치()(414)은 조절된다.In the bidirectional converter having the above-described configuration and having the coarse LC resonant circuit, in the battery charging mode, the first switch ) 311 to the fourth switch ) 314 are controlled, and the fifth switch ) 411 to an eighth switch ) 414 serves as a rectifying diode. In the discharge mode, the first switch ) 311 to the fourth switch ) 314 serves as a bridge rectifier circuit, the fifth switch ) 411 to an eighth switch ) 414 are adjusted.
본 발명에서는, 분석의 복잡성을 회피하기 위하여, 1) 모든 반도체 스위치들은 보디 다이오드들 및 출력 커패시터들()이 없는 이상적인 구성요소로 간주되며, 2) 모든 커패시터와 인덕터의 기생 저항은 무시한다는 가정 하에 설명하기로 한다.In the present invention, in order to avoid the complexity of the analysis, 1) all semiconductor switches are connected to body diodes and output capacitors ( ), And 2) the parasitic resistance of all capacitors and inductors is ignored.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 보조 LC 공진 회로 구동 방법의 정전류 동작은 스위칭 기간 동안 6개의 모드를 갖는다. 정전류(CC) 모드를 위한 주요 파형들과 전류 경로들이 도 13에 도시되었다. 이 모드에서, 수학식 16에 나타난 바와 같이 공진 주파수()에서 동작한다.The constant current operation of the method of driving the auxiliary LC resonant circuit according to another embodiment of the present invention has six modes during the switching period. The main waveforms and current paths for the constant current (CC) mode are shown in FIG. In this mode, as shown in Equation (16), the resonance frequency ).
도 13(a)에 도시된 제1배터리충전모드()는, 제2스위치()(312) 및 제3스위치()(313)가 에서의 제로 전류 스위칭(Zero Current Switching) 조건 하에서 턴-오프(Turned-Off) 되며, 제2변환부(400)로 전력이 전송되지 아니하며, 1차측전류()가 제1스위치()(311) 및 제4스위치()(314)의 출력커패시터를 방전시킨 후 제로 전압 스위칭 조건 하에서 제1스위치()(311) 및 제4스위치()(314)의 보디 다이오드(body diode)를 통과할 수 있다.The first battery charging mode (FIG. 13 Is connected to the second switch ) 312 and the third switch ( ) 313 Off state under the Zero Current Switching condition at the
도 15(a)에 도시된 제1배터리충전모드()는, 제2스위치()(312) 및 제3스위치()(313)가 자화 전류()및 보조 전류()의 합인 작은 전류로 턴-오프 된다. 이들 2가지 전류는 제1스위치()(311) 및 제4스위치()(314)의 출력 커패시터를 방전시킨다. 방전 과정 이후, 1차 전류()는 보디 다이오드를 통해 전도되어, 스위치가 제로 전압 스위칭 조건 하에서 동작하게 한다. 이 모드에서는 2차 측 정류 회로 어떠한 전력도 전달되지 않는다.The first battery charging mode shown in Fig. 15 (a) Is connected to the second switch ) 312 and the third switch ( ) 313 is the magnetizing current ( ) And auxiliary current ( Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI > These two currents flow through the first switch ) 311 and a fourth switch ) ≪ / RTI > After the discharge process, the primary current ( ) Is conducted through the body diode, causing the switch to operate under zero voltage switching conditions. In this mode, no power is delivered to the secondary rectifier circuit.
도 13(b)에 도시된 제2배터리충전모드()는, 에서 제2스위치()(312) 및 제3스위치()(313)가 제로 전류 스위칭으로 턴-온(Turned-On) 되며, 1차측전류() 및 전압 소스()의 방향이 마이너스에서 플러스로 변경되며, 전력이 변압부(100), 제5스위치()(411) 및 제8스위치()(414)를 통해 배터리로 전송될 수 있다.The second battery charging mode (FIG. 13B) ), To the second switch ( ) 312 and the third switch ( ) 313 is turned on by zero current switching, and the primary side current ( ) And a voltage source ( ) Is changed from minus to plus, and power is supplied to the
무시할 수 있는 데드-타임(dead time) 기간을 가정하여, 1차 전류()는 수학식 17과 같이 얻을 수 있다.Assuming a negligible dead time period, the primary current (< RTI ID = 0.0 > Can be obtained as shown in Equation (17).
수학식 17에서, 이며, 각 성분들은 수학식 18과 같이 계산될 수 있다.In Equation 17, , And each component can be calculated as shown in Equation (18).
위 식에서, 은 변압기 권선 양단의 전압이고, 은 의 양단의 전압이며, 는 스위칭 주기이다. 또한 자화 전류()및 보조 전류()는 수학식 19 내지 수학식 21과 같이 유도될 수 있다.In the above equation, Is the voltage across the transformer winding, silver Lt; RTI ID = 0.0 > Is the switching period. Also, ) And auxiliary current ( ) Can be derived as shown in Equations (19) to (21).
수학식 20에서,In Equation (20)
상술한 제2배터리충전모드()는, 1차 전류()가 자화 전류()및 보조 전류(,())의 총 전류에 도달할 때 종료될 것이고, 이는 1차 측으로부터 2차 측으로 전력을 전달하는 공진 동작의 종료를 의미한다. 동작하는 컨버터가 에서 동작할 때, Δ는 0과 같다.The above-described second battery charging mode ( ), The primary current ( ) Is the magnetizing current ) And auxiliary current ( , ( )), Which means the end of the resonant operation which transfers power from the primary side to the secondary side. An active converter , Δ is equal to zero.
도 15(b)에 도시된 제2배터리충전모드()는, 에서, 제1스위치()(311) 및 제4스위치()(314)는, 제로 전압 스위칭 조건으로 턴-온 된다. 전력은 변압부(100) 및 2차 정류기 제5스위치()(411) 및 제8스위치()(414)를 통해 배터리로 전달된다. 1차전류()와 전압원()은 방향을 음에서 양으로 변화시킨다.The second battery charging mode (FIG. 15 (b) ), , The first switch ( ) 311 and a fourth switch ) 314 are turned on with a zero voltage switching condition. Power is supplied to the
도 13(c)에 도시된 제3배터리충전모드()는, 제2공진커패시터()(121)와 제2외부인덕터()(122) 와 자화 인덕턴스()의 총합 사이의 공진은 에서 종료되며, 제5스위치()(411) 및 제8스위치()(414)가 제로 전류 스위칭 조건으로 턴-오프 되는 반면, 제6스위치()(412) 및 제7스위치()(413)가 제로 전압 스위칭 조건으로 턴-온 되며, 1차 전류는 수학식 22와 같이 계산될 수 있다.The third battery charging mode (FIG. 13 (c) Is connected to the second resonant capacitor ( ) 121 and a second outer inductor ( ) 122 and magnetizing inductance ( ) Is the resonance between the sum of , And the fifth switch ( ) 411 and an eighth switch ) 414 is turned off under the zero current switching condition, while the sixth switch ) 412 and a seventh switch ) 413 is turned on under the zero voltage switching condition, and the primary current can be calculated as shown in Equation (22).
수학식 22에서, 이다.In Equation 22, to be.
도 15(c)에 도시된 제3배터리충전모드()는, 에서, 제1스위치()(311) 및 제4스위치()(314)는 거의 제로 전류 스위칭 조건으로 턴-오프 된다. 이 모드 동안의 동작은 제1배터리충전모드와 반대로 스위치 쌍이 변경되는 것과 유사하다. 1차 전류()는 제2스위치()(312) 및 제3스위치()(313)의 출력 커패시터를 방전시키고, 이후 보디 다이오드를 통과한다. 이것은 이들 스위치가 제로 전압 스위칭 조건 하에서 턴-온 되게 한다.The third battery charging mode (FIG. 15 (c) ), , The first switch ( ) 311 and a fourth switch ) 314 are turned off with almost zero current switching conditions. The operation during this mode is analogous to the change of the switch pair as opposed to the first battery charge mode. Primary current ( Is connected to the second switch ) 312 and the third switch ( ) 313, and then passes through the body diode. This allows these switches to be turned on under zero voltage switching conditions.
도 13(d)에 도시된 제4배터리충전모드()는, 에서 제1스위치()(311) 및 제4스위치()(314)가 제로 전류 스위칭 조건 하에서 턴-오프 되며, 1차측전류()가 제2스위치()(312) 및 제3스위치()(313)의 출력 커패시터를 방전시킨 후 제2스위치()(312) 및 제3스위치()(313)의 보디 다이오드를 통과하여 제2스위치()(312) 및 제3스위치()(313)를 제로 전압 스위칭 조건 하에서 턴-온시킬 수 있다.The fourth battery charging mode shown in Fig. 13 (d) ), The first switch ( ) 311 and a fourth switch ) 314 is turned off under zero current switching conditions, and the primary side current ( Is connected to the second switch ) 312 and the third switch ( After discharging the output capacitor of the
도 15(d)에 도시된 제4배터리충전모드()는, 에서 제2스위치()(312) 및 제3스위치()(313)는 제로 전압 스위칭 조건으로 턴-온 된다. 컨버터는 변압부(100)와 2차 정류기 제6스위치()(412) 및 제7스위치()(413)를 통해 1차 측으로부터 배터리로 전력을 전달하기 시작한다. 1차전류()와 전압원()은 방향을 양에서 음으로 변경한다.The fourth battery charging mode shown in Fig. 15 (d) ), To the second switch ( ) 312 and the third switch ( ) 313 are turned on with a zero voltage switching condition. The converter includes a
도 13(e)에 도시된 제5배터리충전모드()는, 에서 제2스위치()(312) 및 제3스위치()(313)가 제4배터리충전모드에서 생성된 제로 전압 스위칭으로 턴-온 되며, 1차측전류()와 전압 소스()의 방향이 플러스에서 마이너스로 변경되고, 전력이 변압부(100), 제6스위치()(412) 및 제7스위치()(413)를 통해 배터리로 전달될 수 있다. 이때, 1차 전류()의 방향은 제2배터리충전모드의 방향과 반대이지만, 수학식 23에서과 같이 상이한 스위치 쌍을 갖는 동일한 동작 공식이다.The fifth battery charging mode shown in Fig. 13 (e) ), To the second switch ( ) 312 and the third switch ( ) 313 is turned on with the zero voltage switching generated in the fourth battery charging mode, and the primary side current ( ) And the voltage source ( ) Is changed from positive to negative, and the electric power is supplied to the
도 13(f)에 도시된 제6배터리충전모드()는, 에서 제2공진커패시터()(121)와 제2외부인덕터()(122)와 공진 자화 인덕턴스()의 총합 사이의 공진이 시작하며, 제6스위치()(412) 및 제7스위치()(413)가 제로 전류 스위칭 조건으로 턴-오프 되는 반면, 제5스위치() (411)및 제8스위치()(414)가 제로 전압 스위칭 조건으로 턴-온 될 수 있으며, 제3배터리충전모드의 방식과 같이, 1차 전류()는 수학식 24와 같이 유도된다.The sixth battery charging mode (FIG. 13 (f) ), The second resonant capacitor ( ) 121 and a second outer inductor ( ) 122 and the resonance magnetization inductance ( ) Starts, and the resonance between the sum of the sixth switch ) 412 and a seventh switch ) 413 is turned off under the zero-current switching condition, while the fifth switch ) 411 and an eighth switch ) 414 may be turned on with a zero voltage switching condition and the primary current (e.g., Is derived as shown in equation (24).
수학식 24에서, 이다.In
정전압 동작에서 한 스위칭 주기 내에 4가지 동작 모드가 존재한다. 정전류(CC) 모드를 위한 주요 파형과 전류 경로가 도 14 및 도 15에 도시되었다. 컨버터는 공진 주파수()에서 동작한다.There are four operating modes in one switching period in constant voltage operation. The main waveforms and current paths for the constant current (CC) mode are shown in FIGS. 14 and 15. FIG. The converter has a resonant frequency ( ).
상술한 바와 같은 구성을 가지는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터는, 배터리를 방전시키는 배터리 방전 모드의 경우, 동작 주파수 범위가 에서 에 이르며, 제1배터리방전모드 내지 제6배터리방전모드의 6개의 모드로 구동될 수 있다.In the bidirectional converter having the auxiliary LC resonant circuit having the above-described configuration, in the case of the battery discharge mode in which the battery is discharged, in And can be driven in six modes of the first battery discharge mode to the sixth battery discharge mode.
도 17(a)에 도시된 제1배터리방전모드()는, 에서 제6스위치()(412) 및 제7스위치()(413)가 턴-오프 되며, 제2변환부(400)로 전력을 전달하지 아니하며, 2차측전류()가 제5스위치()(411) 및 제8스위치()(414)의 출력 커패시터를 방전시킨 후 제1스위치()(311) 및 제4스위치()(314)의 보디 다이오드를 통과할 수 있다.The first battery discharge mode shown in Fig. 17 (a) ), To the sixth switch ( ) 412 and a seventh switch ) 413 is turned off, the power is not transmitted to the
도 17(b)에 도시된 제2배터리방전모드()는, 에서 제5스위치()(411) 및 제8스위치()(414)가 턴-온 되며, 2차측전류()가 제5스위치()(411)를 통해 흐르며, 전력이 변압부(100)를 통해 출력단으로 전달하며, 2차측전류()의 전류 방향이 제5스위치()(411) 및 제8스위치()(414)에 대응하여 플러스로 변경되며, 제1외부인덕터()(112)가 제1공진커패시터()(111)와 공진하며, 제2외부인덕터()(122)가 제2공진커패시터()(121)와 공진하며, 2차측전류()가 및 의 전류 총 합보다 항상 크며, 2차측전류()가 와 의 합과 같은 경우 모드가 종료되며, 제1스위치()(311) 및 제4스위치()(314)가 제로 전류 스위칭 조건으로 턴-오프 될 수 있다.The second battery discharge mode shown in Fig. 17 (b) ), To the fifth switch ( ) 411 and an eighth switch ) 414 is turned on, and the secondary current ( Is connected to the fifth switch ) 411, the electric power is transmitted through the
도 17(c)에 도시된 제3배터리방전모드()는, 에서 공진이 정지되며, 전력이 더 이상 제2변환부(400)로 전달되지 아니하며, 전류()가 0이 되어 출력 커패시터가 1차측전류()에 의해 더 이상 충전되지 아니하며, 2차측전류()가 모드 동안 및 의 합과 동일할 수 있다.The third battery discharge mode shown in Fig. 17 (c) ), The resonance is stopped, the electric power is no longer transmitted to the
도 17(d)에 도시된 제4배터리방전모드()는, 에서 제5스위치()(411) 및 제8스위치()(414)가 턴-오프 되며, 해당 모드 역시 휴지 지속 시간(Dead Time Duration)으로서 제1배터리방전모드와 유사하게 동작하나, 스위치 쌍의 방전 커패시턴스가 제6스위치()(412) 및 제7스위치()(413)로 변경되며, 제6스위치()(412) 및 제7스위치()(413)의 보디 다이오드를 통해 전도되는 2차측전류()가 제로 전압 스위칭 조건 하에서 제6스위치()(412) 및 제7스위치()(413)를 턴-온시킬 수 있다.The fourth battery discharge mode shown in Fig. 17 (d) ), To the fifth switch ( ) 411 and an eighth switch ) 414 is turned off and the corresponding mode also operates similarly to the first battery discharge mode as the dead time duration, but the discharge capacitance of the switch pair is the sixth switch ) 412 and a seventh switch ) 413, and the sixth switch ) 412 and a seventh switch ) 413 that is conducted through the body diode of the secondary side current Lt; / RTI > under a zero voltage switching condition. ) 412 and a seventh switch ) ≪ / RTI >
도 17(e)에 도시된 제5배터리방전모드()는, 에서 제6스위치()(412) 및 제7스위치()(413)가 턴-온 되며, 제2변환부(400)에서 제1변환부(300)로 전력을 전송하기 시작하며, 2차측전류()의 전류 방향이 제2배터리방전모드와 반대이지만, 제6스위치()(412) 및 제7스위치()(413)의 스위치 쌍과 동일한 연산식을 가질 수 있다.The fifth battery discharge mode shown in Fig. 17 (e) ), To the sixth switch ( ) 412 and a seventh switch ) 413 is turned on and starts to transmit power from the
도 17(f)에 도시된 제6배터리방전모드()는, 에서 2차측전류()가 와 의 총 전류에 도달된 후 공진 및 전력 전달이 중단되며, 변압부(100)를 통해 전력이 변환되지 않기 때문에 1차측전류()가 0이 되며, 제6스위치()(412) 및 제7스위치()(413)가 제로 전류 스위칭 조건으로 턴-오프 될 수 있다.The sixth battery discharge mode shown in Fig. 17 (f) ), The secondary current ( )end Wow Resonance and power transmission are stopped after the total current of the
상술한 분석과 같이, 배터리 방전 모드에서 제안된 컨버터와 종래의 CLLC 컨버터의 동작 원리는 EV 배터리로부터 생성되는 전체 입력 전압 범위에 걸쳐 동일하다. 따라서 본 발명에서 제안된 컨버터의 설계 절차는 종래의 CLLC 공진 컨버터와 유사하다. 1차 측의 제1공진커패시터()(111) 및 제1외부인덕터()(112)와 2차 측의 제2공진커패시터()(121) 및 제2외부인덕터()(122) 및 자화 인덕턴스()의 공진 탱크는 전압 이득의 범위에 대한 여유를 고려함으로써 설계된다. 반면, 보조 회로의 보조커패시터()(201) 및 보조인덕터()(202)는, 제로 전압 스위칭 영역 및 작은 제로 전류 스위칭 스위칭 손실을 달성하기 위하여, 유효 자화 인덕턴스()를 최대화하도록 설계된다. 또한, 공진 주파수()는 정전류(CC) 모드 충전에서 일정한 출력 전류를 설계하기 위하여 선택된다.As with the above analysis, the principles of operation of the proposed converter and conventional CLLC converter in the battery discharge mode are the same over the entire input voltage range generated from the EV battery. Therefore, the design procedure of the converter proposed in the present invention is similar to the conventional CLLC resonance converter. And the first resonance capacitor of the primary side ) 111 and the first outer inductor ( ) 112 and the second resonance capacitor ( ) 121 and a second outer inductor ( ) 122 and magnetizing inductance ( ) Are designed by taking into account the margin for the range of voltage gain. On the other hand, the auxiliary capacitor ( ) 201 and an auxiliary inductor ( ) 202 may be configured to achieve a zero voltage switching region and a small zero current switching switching loss, ). Further, the resonance frequency ( ) Is selected to design a constant output current in constant current (CC) mode charging.
먼저 유효 자화 인덕턴스를 설명하면 다음과 같다.First, the effective magnetization inductance will be described as follows.
큰 유효 자화 인덕턴스는 작은 턴-오프 전류를 초래할 것이고, 이는 1차 측 스위치의 스위칭 손실을 감소시킨다. 그러므로 보조인덕터()(202) 및 보조커패시터()(201)는 등가 자화 인덕턴스()를 최대화하기 위하여 수학식 26과 같이 설계된다.The large effective magnetizing inductance will result in a small turn-off current, which reduces the switching loss of the primary side switch. Therefore, the auxiliary inductor ) 202 and an auxiliary capacitor ( ) 201 is the equivalent magnetizing inductance ( ) ≪ / RTI >
그러나 1차 측 전류는 휴지 시간 동안 1차 측 스위치의 출력 커패시터를 방전하기에 충분히 커야만 하고, 이 전류의 자화는 등가 자화 인덕턴스와 휴지 시간의 지속 기간에 의존한다. 따라서 1차 측의 제로 전압 스위칭은 등가 자화 인덕턴스, 스위치 출력 커패시터, 동작 스위칭 주파수 및 휴지 시간에 의존한다. 따라서, 등가 자화 인덕턴스()는 수학식 27을 충족시키도록 설계된다.However, the primary side current must be large enough to discharge the output capacitor of the primary side switch during the dormant period, and the magnetization of this current depends on the duration of the equivalent magnetizing inductance and downtime. Therefore, the zero-voltage switching on the primary side is dependent on the equivalent magnetizing inductance, the switch output capacitor, the operating switching frequency and the dwell time. Therefore, equivalent magnetizing inductance ( ) Is designed to satisfy equation (27).
위 식에서, 는 1차 스위치의 휴지 시간이고, 는 스위치의 출력 커패시터이며, 는 최대 동작 주파수이다.In the above equation, Is the dwell time of the primary switch, Is the output capacitor of the switch, Is the maximum operating frequency.
다음으로 보조커패시터()(201)의 전압 응력을 설명하면 다음과 같다.The auxiliary capacitor ( ) 201 will be described as follows.
보조커패시터()(201)의 전압 응력은 본 발명의 또 다른 제약 조건이다. 커패시터의 전압 응력은 수학식 28과 같이 계산된다.Auxiliary capacitor ( ) 201 is another constraint of the present invention. The voltage stress of the capacitor is calculated as shown in equation (28).
보조커패시터()(201)는, 제1외부인덕터()(112) 및 제1공진커패시터()(111)와 동일한 주파수에서 보조인덕터()(202)및 과 공진한다. 그러나 제1외부인덕터()(112)의 값은 보조인덕터()(202)및 보다 상당히 작다. 보조커패시터()(201)가 매우 작은 값으로 설계되면, 수학식 28과 같이 큰 전압 응력이 보조커패시터()(201)에서 생성된다. 그러므로 보조인덕터()(202)는 보조커패시터()(201)에서의 전압 응력을 줄이기 위하여 더 큰 보조커패시터()(201)를 만들기에 충분히 작게 설계되어야 한다. 본 발명에서, 보조인덕터()(202)는 자화 인덕터()의 절반이 되도록 선택된다. 이는 본 발명의 성능을 저하시킬 수 있는 보조인덕터()(202)의 상당한 코어 손실을 회피할 뿐만 아니라 보조커패시터()(201)의 전압 응력을 작은 값으로 유지할 수 있다.Auxiliary capacitor ( ) 201 includes a first outer inductor ) 112 and the first resonant capacitor ( ) 111 at the same frequency as the auxiliary inductor ) 202 and . However, the first outer inductor ) ≪ / RTI > (112) ) 202 and Lt; / RTI > Auxiliary capacitor ( ) 201 is designed to be a very small value, a large voltage stress is applied to the auxiliary capacitor ( ) ≪ / RTI > Therefore, the auxiliary inductor ) 202 is connected to the auxiliary capacitor ( ) 201 in order to reduce the voltage stress in the auxiliary capacitor < RTI ID = 0.0 > Lt; RTI ID = 0.0 > 201 < / RTI > In the present invention, the auxiliary inductor ) 202 is a magnetization inductor ). ≪ / RTI > This is because the auxiliary inductor (which can deteriorate the performance of the present invention 0.0 > 202) < / RTI > as well as the auxiliary capacitor < RTI ID = ) 201 can be kept at a small value.
다음으로 정전류(CC) 모드에서 소프트 스위칭 조건을 설명하면 다음과 같다.Next, the soft switching condition in the constant current (CC) mode will be described as follows.
정전류(CC) 모드 충전에서, 컨버터는 공진 주파수()에서 동작한다. ZV제로 전류 스위칭를 달성하기 위하여, 시스템의 입력 임피던스는 0이 되도록 요구된다. 이는 1차전압()이 1차 전류()와 동위상인 것을 의미한다. 그러므로 정전류(CC) 모드에서의 공진 주파수는, 에서 입력 임피던스()의 위상을 0으로 만들기 위하여, 수학식 29와 같이 설계된다.In constant current (CC) mode charging, the converter converts the resonant frequency ). In order to achieve ZV zero current switching, the input impedance of the system is required to be zero. This is because the primary voltage ( ) Is the primary current Quot;) < / RTI > Therefore, the resonant frequency in the constant current (CC) Input Impedance at ( Is designed as shown in Equation (29) in order to make the phase of the input signal " 0 "
제안된 컨버터의 유효성을 검증하기 위해 실험실에서 3.3kW 양방향 공진 프로토 타입이 구현되었다. 실험 컨버터는 배터리 전압을 나타내는 다음의 규격 =380~400V, =250~420V로 구현되었다. 따라서 컨버터의 요구되는 전압 이득은 정전압(CV) 모드 충전에서 약 1.05이다. RM에서, 요구 전압 이득은 약 0.95~1.6이다. 직렬 공진 주파수는 따라서 60kHz로 설계된다. 토폴로지의 규격은 표 1에 상세하게 도시된다.A 3.3 kW bidirectional resonant prototype was implemented in the laboratory to validate the proposed converter. The experimental converter is designed to meet the following specifications = 380 to 400 V, = 250 ~ 420V, respectively. Therefore, the required voltage gain of the converter is about 1.05 in constant voltage (CV) mode charging. At RM, the required voltage gain is about 0.95 to 1.6. The series resonant frequency is thus designed to be 60 kHz. The specifications of the topology are shown in detail in Table 1.
DC-DC 컨버터는, 인버터 회로, 공진 네트워크 및 출력 필터 커패시터에 연결된 2차 풀-브리지 회로의 세 부분을 포함한다. 풀-브리지 회로에서, 사용되는 스위칭 디바이스는 FCH76N60이다. 표 2에 도시된 바와 같이, 전체 유효 면적(=570m2)을 갖는 변압기 PQ 72/54가 변압기()를 설계하기 위하여 사용되는 반면, 변압기 PQ 5050은 두 개의 직렬 인덕터를 위해 채택된다. 코일의 공진 보상을 위해, B32653 및 B32654의 필름 커패시터가 고려된다. 제안된 컨버터의 설계 파라미터는 표 2에 상세하게 나열되었다.The DC-DC converter includes three parts of a second full-bridge circuit coupled to the inverter circuit, the resonant network, and the output filter capacitor. In the full-bridge circuit, the switching device used is FCH76N60. As shown in Table 2, the total effective area ( = 570 m 2 ) transformer PQ 72/54 is connected to the transformer ), While the transformer PQ 5050 is employed for two series inductors. For resonance compensation of the coil, film capacitors of B32653 and B32654 are considered. The design parameters of the proposed converter are listed in detail in Table 2.
먼저, 전력 공급 모드에서의 컨버터의 동작을 설명하면 다음과 같다.First, the operation of the converter in the power supply mode will be described as follows.
전력 공급 모드에서, 제1스위치()(311) 및 제4스위치()(314)는 고주파 인버터로서 작용하는 반면, 제5스위치()(411) 내지 제8스위치()(414)의 보디 다이오드는 정류기 다이오드로서 작용한다. 전력 공급 모드에서 배터리의 충전 프로파일이 도 18에 도시되었다. 정전류(CC) 모드 충전 도중에, 출력 전류는 낮은 배터리 전압에 대해 7.85A를 유지한다. 다음 스테이지인 정전압(CV) 모드에서, 출력 전압이 420V의 최대 전압으로 유지되는 동안 충전 전류는 감소된다.In the power supply mode, the first switch ) 311 and a fourth switch ) 314 serves as a high-frequency inverter, while a fifth switch ) 411 to an eighth switch ) 414 serves as a rectifier diode. The charge profile of the battery in the power supply mode is shown in Fig. During constant current (CC) mode charging, the output current maintains 7.85A for low battery voltage. In the next stage, constant voltage (CV) mode, the charge current is reduced while the output voltage is held at the maximum voltage of 420V.
완전한 부하 조건 하에서 2가지 모드 충전을 위해 배터리 충전 모드에서 동작하는 컨버터에 대해 측정된 1차 MOSFET의 전류()와 전압 파형()이 도 19에 도시되었다.The measured current of the primary MOSFET for a converter operating in battery charging mode for two-mode charging under full load conditions ) And the voltage waveform ( Is shown in Fig.
도 19의 (a)는 400V의 공칭 입력 전압에서 1차 스위치 제1스위치()(311)및 2차 측 스위치 5스위치()(411)의 파형이다. 적색 선은 1차 스위치에 양단의 전압 응력을 나타내고, 녹색 선은 순방향 전류에 대응한다. 컨버터는 공진 주파수(f정전류(CC)=38kHz)에서 동작한다. 모든 1차 스위치가 턴-온 제로 전압 스위칭 및 턴-오프 제로 전류 스위칭를 달성한 다는 것을 알 수 있다. 2차 측의 스위치는 전체 부하 범위에 대해 완전한 ZVZCS를 달성한다. 정전압(CV) 모드 충전에 대한 동작 파형은 도 19의 (b)에 도시되었다. 컨버터는 59kHz의 공진 주파수() 하에서 동작하여, 최대 부하 조건의 70%에서 필요한 전압 이득에 도달한다. 1차 MOSFET는 제로 전압 스위칭 조건을 보장하는 음의 값에서 턴-온 된다. 턴-오프 전류는 이 경우 약 4A 정도로 매우 작다.Figure 19 (a) shows a first switch first switch ( ) 311 and the
도 20은 =3.3kW의 PM에서 컨버터의 DC 출력 전압과 전류 파형을 도시한 것이며, 도 21은 YOKOGAWA WT3000에 의해 측정된 상이한 모드 충전에서의 PM 하의 컨버터에 대한 변환 효율을 도시한다. 효율은 컨버터가 공진 주파수에서 작동할 때 입력 전압 400V에 대해 최대이다. 컨버터 효율은 공칭 입력 전압에서 500W의 낮은 부하 (부하의 15 %)에서도 96 %보다 높다. 피크 전력 스테이지 효율은 =2.3kW에서 98.1%이다.20 = 3.3 kW, and Fig. 21 shows the conversion efficiency for the converter under PM at different mode charge measured by YOKOGAWA WT3000. Efficiency is maximum for an input voltage of 400V when the converter is operating at the resonant frequency. Converter efficiency is higher than 96% even at 500W low load (15% of load) at nominal input voltage. Peak power stage efficiency = 2.3 kW to 98.1%.
도 22의 원그래프는 2.3kW 출력 전력의 PM에서 동작하는 컨버터의 손실 항복을 도시한다. 전력 스테이지에서의 손실은 1차 스위치의 손실, 드레인 소스 다이오드 스위치의 손실 및 자성 구성요소의 손실로 나뉠 수 있다. 드레인-소스 다이오드는 26%의 컨버터의 주요 손실을 차지하고, 트랜스포머(T1)가 뒤따른다. 계산 총 손실과 측정된 값 사이의 차이는 여전히 남아있고, 따라서 상이한 부분은 "others"부분으로 표시된다.The pie graph of Figure 22 shows the lossy yield of the converter operating at 2.3 kW output power PM. The losses in the power stage can be divided into loss of the primary switch, loss of the drain-source diode switch, and loss of the magnetic component. The drain-source diode accounts for a major loss of 26% of the converter, followed by a transformer (T 1 ). The difference between the calculated total loss and the measured value still remains, and thus the different parts are marked with the "others" part.
다음으로 방전 모드에서의 컨버터 작동을 설명하면 다음과 같다.Next, the operation of the converter in the discharge mode will be described as follows.
방전 모드에서, 제5스위치()(411) 내지 제8스위치()(414)은 스위치로서 작용하고, 제1스위치()(311) 및 제4스위치()(314)의 역병렬 다이오드는 전력을 DC 버스에 전달하는 정류기로서 작용한다. 방전 모드를 위한 동작 파형은 또한 도 23의 (a)-(d)에 제공된다. 요구되는 전압 이득을 달성하기 위해, 주파수는 와 사이에서 감소된다. 도 23의 (a)는 =420V에서 1차 MOSFET의 측정된 파형을 도시한다. 이는 파형의 형상이 정전압(CV) 모드 충전 내에서 거의 유사한 파형임을 나타내고, 이는 넓은 범위의 부하에 대해 제로 전압 스위칭 및 거의 제로 전류 스위칭를 얻는다. 그러나 입력 전압이 =350V, =250V일 때, 주파수는 공진 주파수()로부터 이동하고, 따라서 낮은 부하 조건에서 1차 MOSFET 파형의 형상이 변경된다. MOSFET은 여전히 ????제로 전압 스위칭을 달성하지만, 제로 전류 스위칭 조건을 얻지는 못한다. 턴-오프 전류는 공진 주파수보다 높다. 그러나 상당한 자화 인덕턴스 때문에, 전류 턴-오프는 종래의 LLC 회로와 같이 자화 전류의 피크보다 작다. 도 23의 (c)-(d)에 도시된 바와 같은 완전한 부하 조건 하에서, 입력 임피던스 위상이 거의 제로이기 때문에, 1차 스위치는 완전한 ZVZCS를 달성할 수 있다. 도 24는 =3.3kW인 RM에서 컨버터의 DC 출력 전압과 전류 파형을 도시한다.In the discharge mode, the fifth switch ( ) 411 to an eighth switch ) 414 acts as a switch, and the first switch ) 311 and a fourth switch ) 314 acts as a rectifier that transfers power to the DC bus. The operating waveforms for the discharge mode are also provided in Figures 23 (a) - (d). To achieve the required voltage gain, the frequency is Wow . 23 (a) ≪ / RTI > = 420V. This indicates that the shape of the waveform is almost a similar waveform in the constant voltage (CV) mode charge, which results in zero voltage switching and almost zero current switching for a wide range of loads. However, = 350 V, = 250 V, the frequency is the resonant frequency ( ), Thus changing the shape of the primary MOSFET waveform at low load conditions. The MOSFET still achieves zero voltage switching, but does not achieve zero current switching conditions. The turn-off current is higher than the resonant frequency. However, due to the considerable magnetization inductance, the current turn-off is smaller than the peak of the magnetizing current like a conventional LLC circuit. Under full load conditions as shown in Figures 23 (c) - (d), the primary switch can achieve a complete ZVZCS because the input impedance phase is nearly zero. Fig. 24 = 3.3 kW, the DC output voltage and current waveform of the converter are shown.
가장 높은 효율은 =2.4kW, =420V에서 97.9%를 초과한다. 컨버터가 낮은 입력 전압 하에서 작동하면, 효율은 큰 순환 및 턴-오프 손실로 인해 감소하는 경향이 있다. 2.3kW 출력 전력의 방전 모드에서 동작하는 컨버터의 손실 항복은 도 26의 원형 그래프에 도시되었다.The highest efficiency = 2.4 kW, = ≪ / RTI > 420V. If the converter is operating at a low input voltage, efficiency tends to decrease due to large cycling and turn-off losses. The lossy yield of the converter operating in the discharge mode of 2.3 kW output power is shown in the circle graph in Fig.
결론적으로 본 발명은 전력망 시스템에 대한 차량용 추가적인 LC 보조 회로를 사용하는 새로운 양방향 LLC 컨버터를 제안하였다. 이 컨버터는 종래의 양방향 컨버터에 비해 우수한 성능을 제공한다. 전력 변환 효율은, 모든 스위치에서 소프트 스위칭을 보장하고, 1차 측의 제로 전류 스위칭 및 순환 손실을 최소화함으로써 개선된다. 요구되는 전압 이득은 작은 자화 인덕턴스를 채택함으로써 여전히 충족되어, 제안된 컨버터가 좁은 주파수 범위에서 작동하는 것을 허용한다. 본 발명에서, 자세한 이론 분석, 동작 원리가 제시되었다. 제안된 방법에 기초한 실험적 프로토타입 컨버터는 제안된 기술을 검증하도록 구현되었다. 실험실 테스트 프로토타입의 측정 결과는 중간 및 높은 전력 레벨에 걸쳐 PM과 RM 모두에 대해 높은 효율을 나타낸다. 피크 효율은 2.3kW의 PM 하에서 98.1%, 2.4kW의 RM 하에서 97.9%였다.In conclusion, the present invention proposes a new bidirectional LLC converter using an additional LC auxiliary circuit for the vehicle for a power grid system. This converter provides superior performance over conventional bidirectional converters. Power conversion efficiency is improved by ensuring soft switching in all switches and minimizing zero current switching and circulation losses on the primary side. The required voltage gain is still met by employing a small magnetizing inductance, allowing the proposed converter to operate in a narrow frequency range. In the present invention, detailed theory analysis and operation principle are presented. An experimental prototype converter based on the proposed method is implemented to verify the proposed technique. Laboratory test prototype measurements show high efficiency for both PM and RM over medium and high power levels. The peak efficiency was 98.1% under the PM of 2.3 kW and 97.9% under the RM of 2.4 kW.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be possible.
100: 변압부
111: 제1공진커패시터()
112: 제1외부인덕터()
121: 제2공진커패시터()
122: 제2외부인덕터()
200: 보조LC공진부
201: 보조커패시터()
202: 보조인덕터()
300: 제1변환부
310: 제1풀-브리지회로
311: 제1스위치()
312: 제2스위치()
313: 제3스위치()
314: 제4스위치()
400: 제2변환
410: 제2풀-브리지회로
411: 제5스위치()
412: 제6스위치()
413: 제7스위치()
414: 제8스위치()100:
111: first resonant capacitor ( )
112: first outer inductor ( )
121: a second resonant capacitor ( )
122: second outer inductor ( )
200: auxiliary LC resonance part
201: auxiliary capacitor ( )
202: Auxiliary inductor ( )
300:
310: first full-bridge circuit
311: first switch ( )
312: second switch ( )
313: Third switch ( )
314: fourth switch ( )
400: second conversion
410: second full-bridge circuit
411: fifth switch ( )
412: the sixth switch ( )
413: Seventh switch ( )
414: Eighth switch ( )
Claims (16)
3차권선을 통해 상기 변압부에 연결되는 보조LC공진부;
상기 1차측권선과 연결되며, 제1스위치() 내지 제4스위치()를 포함하는 제1풀-브리지회로의 스위칭 동작에 따라 상기 변압부에서 변압된 입력전원을 출력 커패시터로 전달하는 제1변환부; 및
입력 전원을 공급하는 배터리와 연결되며, 제5스위치() 내지 제8스위치()를 포함하는 제2풀-브리지회로의 스위칭 동작에 따라 입력 전원을 상기 2차측권선으로 전달하는 제2변환부를 포함하며,
상기 제1변환부 또는 상기 제2변환부는,
배터리를 충전시키는 배터리충전모드 또는 배터리를 방전시키는 배터리방전모드로 동작하는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터.
A transformer for performing voltage conversion including a primary winding and a secondary winding;
A secondary LC resonator connected to the transformer through a tertiary winding;
A first switch connected to the primary winding, ) To the fourth switch ( A first conversion unit for transferring the input power transformed by the transforming unit to the output capacitor according to a switching operation of the first full-bridge circuit including the first full-bridge circuit; And
Connected to a battery supplying input power, and a fifth switch ) To eighth switch And a second converter for transferring the input power to the secondary winding according to the switching operation of the second full-bridge circuit,
Wherein the first conversion unit or the second conversion unit comprises:
A bidirectional converter having a secondary LC resonant circuit operating in a battery charging mode charging the battery or a battery discharging mode discharging the battery.
에서 상기 제2스위치() 및 상기 제3스위치()가 제로 전류 스위칭(Zero Current Switching, ZCS) 조건 하에서 턴-오프(Turned-Off) 되는 제1배터리충전모드()를 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터.
The battery charging method according to claim 1,
The second switch And the third switch ) Is turned off under Zero Current Switching (ZCS) conditions. ) ≪ / RTI > of claim 1 or 2, characterized in that the auxiliary LC resonant circuit comprises an auxiliary LC resonant circuit.
에서 상기 제2스위치() 및 상기 제3스위치()가 제로 전압 스위칭(Zero Voltage Switching, ZVS) 조건 하에서 턴-온(Turned-On) 되는 제2배터리충전모드()를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터.
The battery charging method according to claim 2,
The second switch And the third switch Is turned on under the Zero Voltage Switching (ZVS) condition, Further comprising a second LC resonant circuit.
에서 상기 제5스위치() 및 상기 제8스위치()가 제로 전류 스위칭 조건 하에서 턴-오프 되고, 상기 제6스위치() 및 상기 제7스위치()가 제로 전압 스위칭 조건 하에서 턴-온 되는 제3배터리충전모드()를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터.
4. The method of claim 3,
The fifth switch And the eighth switch ) Is turned off under zero current switching conditions, and the sixth switch And the seventh switch ) Is turned on under the zero voltage switching condition Further comprising a second LC resonant circuit.
에서 상기 제1스위치() 및 상기 제4스위치()가 제로 전류 스위칭 조건 하에서 턴-오프 되며, 상기 제2스위치() 및 상기 제3스위치()가 제로 전압 스위칭 조건 하에서 턴-온 되는 제4배터리충전모드()를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터.
5. The method of claim 4,
The first switch ) And the fourth switch ( ) Is turned off under zero current switching conditions, and the second switch And the third switch ) Is turned on under the zero voltage switching condition. Further comprising a second LC resonant circuit.
에서 상기 제2스위치() 및 상기 제3스위치()가 제4배터리충전모드에서 생성된 제로 전압 스위칭으로 턴-온 되는 제5배터리충전모드()를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터.
6. The method of claim 5,
The second switch And the third switch Is turned on with the zero voltage switching generated in the fourth battery charging mode (step < RTI ID = 0.0 > Further comprising a second LC resonant circuit.
에서 상기 제6스위치() 및 상기 제7스위치()가 제로 전류 스위칭 조건으로 턴-오프 되고, 상기 제5스위치() 및 상기 제8스위치()가 제로 전압 스위칭 조건으로 턴-온 되는 제6배터리충전모드()를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터.
7. The method of claim 6,
The sixth switch And the seventh switch ) Is turned off under the zero current switching condition, and the fifth switch And the eighth switch ) Is turned on with a zero voltage switching condition. Further comprising a second LC resonant circuit.
에서 상기 제6스위치() 및 상기 제7스위치()가 턴-오프 되는 제1배터리방전모드()를 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터.
The method of claim 1, wherein the battery discharge mode comprises:
The sixth switch And the seventh switch ) Is turned off in the first battery discharge mode ( ) ≪ / RTI > of claim 1 or 2, characterized in that the auxiliary LC resonant circuit comprises an auxiliary LC resonant circuit.
에서 상기 제5스위치() 및 상기 제8스위치()가 턴-온 되고, 상기 제1스위치() 및 상기 제4스위치()가 제로 전류 스위칭 조건으로 턴-오프 되는 제2배터리방전모드()를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터.
The method of claim 8, wherein the battery discharge mode comprises:
The fifth switch And the eighth switch ) Is turned on, and the first switch ) And the fourth switch ( ) Is turned off under the zero-current switching condition in the second battery discharge mode Further comprising a second LC resonant circuit.
에서 공진이 정지되어 상기 제2변환부로의 전력 전달이 중단되는 제3배터리방전모드()를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터.
The method of claim 9, wherein the battery discharge mode comprises:
And a third battery discharge mode in which the resonance is stopped in the second conversion unit and the power transmission to the second conversion unit is stopped Further comprising a second LC resonant circuit.
에서 상기 제5스위치() 및 상기 제8스위치()가 턴-오프 되며, 상기 제6스위치() 및 상기 제7스위치()가 제로 전압 스위칭 조건 하에서 턴-온 되는 제4배터리방전모드()를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터.
11. The method of claim 10, wherein the battery discharge mode comprises:
The fifth switch And the eighth switch Is turned off, and the sixth switch And the seventh switch ) Is turned on under the zero voltage switching condition Further comprising a second LC resonant circuit.
에서 상기 제6스위치() 및 상기 제7스위치()가 턴-온 되는 제5배터리방전모드()를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터.
12. The method of claim 11, wherein the battery discharge mode comprises:
The sixth switch And the seventh switch ) Is turned on in the fifth battery discharge mode Further comprising a second LC resonant circuit.
에서 상기 제6스위치() 및 상기 제7스위치()가 제로 전류 스위칭 조건 하에서 턴-오프 되는 제6배터리방전모드()를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터.
13. The method of claim 12, wherein the battery discharge mode comprises:
The sixth switch And the seventh switch ) Is turned off under the zero current switching condition Further comprising a second LC resonant circuit.
상기 제1변환부 또는 상기 제2변환부는 배터리를 충전시키는 배터리 충전 모드 또는 배터리를 방전시키는 배터리 방전 모드로 구동되는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터의 구동 방법.
Wherein a transformer section for performing voltage conversion includes a primary winding and a secondary winding, a secondary LC resonant section is connected to the transforming section through a tertiary winding, and a first converting section connected to the primary winding, And a second conversion unit connected to a battery for supplying an input power supplies the input power according to the switching operation of the second full-bridge circuit, A method of driving a bi-directional converter having an auxiliary LC resonant circuit for transferring a current to a secondary winding,
Wherein the first conversion unit or the second conversion unit has a supplemental LC resonance circuit driven in a battery charging mode for charging the battery or a battery discharge mode for discharging the battery.
상기 제1풀-브리지회로 또는 상기 제2풀-브리지회로를 구성하는 스위치들의 턴-온 또는 턴-오프에 대응하여 제1배터리충전모드 내지 제6배터리충전모드로 구동되는 것을 특징으로 하는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터의 구동 방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the first full-bridge circuit or the second full-bridge circuit is driven in a first battery charging mode to a sixth battery charging mode in response to a turn-on or a turn-off of the switches constituting the first full-bridge circuit or the second full- A method of driving a bidirectional converter having a resonant circuit.
상기 제1풀-브리지회로 또는 상기 제2풀-브리지회로를 구성하는 스위치들의 턴-온 또는 턴-오프에 대응하여 제1배터리방전모드 내지 제6배터리방전모드로 구동되는 것을 특징으로 하는 보조 LC 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터의 구동 방법.15. The method of claim 14, wherein the battery discharge mode comprises:
Wherein the first full-bridge circuit or the second full-bridge circuit is driven in a first battery discharge mode to a sixth battery discharge mode corresponding to turn-on or turn-off of the switches constituting the first full-bridge circuit or the second full- A method of driving a bidirectional converter having a resonant circuit.
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Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108512279A (en) * | 2018-04-28 | 2018-09-07 | 芜湖中电兆威电子股份有限公司 | A kind of high-precision charging power source circuit and its operation method |
CN110266194A (en) * | 2019-07-03 | 2019-09-20 | 江苏恰德森科技有限公司 | A kind of bidirectional DC-DC converter of symmetric resonator |
KR20200080928A (en) * | 2018-12-27 | 2020-07-07 | 서울대학교산학협력단 | Resonant converter including power network with passive devices |
CN111800013A (en) * | 2019-04-08 | 2020-10-20 | 株式会社村田制作所 | LLC converter capable of reducing exciting current and providing high gain |
EP3782841A1 (en) * | 2019-08-21 | 2021-02-24 | Hyundai Motor Company | System of increasing temperature of battery for vehicle |
CN114156570A (en) * | 2021-11-30 | 2022-03-08 | 北京理工大学 | Power battery composite heating system based on bidirectional LC resonance |
KR102461119B1 (en) * | 2022-02-18 | 2022-11-01 | 주식회사 이노벡스 | Isolated bidirectional inverter for battery charghing-discharging system |
US20230048674A1 (en) * | 2019-12-17 | 2023-02-16 | Valeo Siemens Eautomotive (Shenzhen) Co., Ltd. | Resonant tank circuit and method for configuring resonant tank circuit |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
TWI752360B (en) * | 2019-10-09 | 2022-01-11 | 盈正豫順電子股份有限公司 | Widened-voltage bidirectional isolated multi-level dc-dc converter and method thereof |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5438497A (en) * | 1993-05-13 | 1995-08-01 | Northern Telecom Limited | Tertiary side resonant DC/DC converter |
KR101000561B1 (en) | 2010-07-21 | 2010-12-14 | 주식회사 코디에스 | Series resonant converter |
KR20130013092A (en) | 2011-07-27 | 2013-02-06 | 한국전기연구원 | Symmetric and bidirectional resonant converter |
-
2017
- 2017-07-03 KR KR1020170084460A patent/KR102009200B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5438497A (en) * | 1993-05-13 | 1995-08-01 | Northern Telecom Limited | Tertiary side resonant DC/DC converter |
KR101000561B1 (en) | 2010-07-21 | 2010-12-14 | 주식회사 코디에스 | Series resonant converter |
KR20130013092A (en) | 2011-07-27 | 2013-02-06 | 한국전기연구원 | Symmetric and bidirectional resonant converter |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
A.K.S. Bhat. "Analysis and Design of a Parallel Resonant Converter with the Resonating Capacitor on a Tertiary Winding". IEEE. (발표일 : 1993.12.)* * |
노선영 외. "양방향 배터리 충전기를 위한 새로운 대칭 공진형 컨터버". 전력전자학술대회 논문집. (발표일 : 2015.11.)* * |
홍석용. "전기 자동차 탑재형 충전기를 위한 새로운 L3C 공진형 컨버터". 서울과학기술대학교 석사학위 논문. 2014. * |
Cited By (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108512279A (en) * | 2018-04-28 | 2018-09-07 | 芜湖中电兆威电子股份有限公司 | A kind of high-precision charging power source circuit and its operation method |
KR20200080928A (en) * | 2018-12-27 | 2020-07-07 | 서울대학교산학협력단 | Resonant converter including power network with passive devices |
CN111800013A (en) * | 2019-04-08 | 2020-10-20 | 株式会社村田制作所 | LLC converter capable of reducing exciting current and providing high gain |
CN110266194A (en) * | 2019-07-03 | 2019-09-20 | 江苏恰德森科技有限公司 | A kind of bidirectional DC-DC converter of symmetric resonator |
CN110266194B (en) * | 2019-07-03 | 2024-05-10 | 江苏恰德森科技有限公司 | Bidirectional DC-DC converter with symmetrical resonant cavities |
KR20210023038A (en) * | 2019-08-21 | 2021-03-04 | 현대자동차주식회사 | System of increasing temperature of battery for vehicle |
CN112406579A (en) * | 2019-08-21 | 2021-02-26 | 现代自动车株式会社 | System for increasing battery temperature for vehicle |
US11299066B2 (en) | 2019-08-21 | 2022-04-12 | Hyundai Motor Company | System of increasing temperature of battery for vehicle |
EP3782841A1 (en) * | 2019-08-21 | 2021-02-24 | Hyundai Motor Company | System of increasing temperature of battery for vehicle |
US20230048674A1 (en) * | 2019-12-17 | 2023-02-16 | Valeo Siemens Eautomotive (Shenzhen) Co., Ltd. | Resonant tank circuit and method for configuring resonant tank circuit |
US11973429B2 (en) * | 2019-12-17 | 2024-04-30 | Valeo Siemens Eautomotive (Shenzhen) Co., Ltd. | Resonant tank circuit and method for configuring resonant tank circuit |
CN114156570A (en) * | 2021-11-30 | 2022-03-08 | 北京理工大学 | Power battery composite heating system based on bidirectional LC resonance |
CN114156570B (en) * | 2021-11-30 | 2024-01-26 | 北京理工大学 | Power battery composite heating system based on bidirectional LC resonance |
KR102461119B1 (en) * | 2022-02-18 | 2022-11-01 | 주식회사 이노벡스 | Isolated bidirectional inverter for battery charghing-discharging system |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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