KR20180004937A - 인터리브드 방식의 dc-dc 컨버터 장치 - Google Patents

인터리브드 방식의 dc-dc 컨버터 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20180004937A
KR20180004937A KR1020160084686A KR20160084686A KR20180004937A KR 20180004937 A KR20180004937 A KR 20180004937A KR 1020160084686 A KR1020160084686 A KR 1020160084686A KR 20160084686 A KR20160084686 A KR 20160084686A KR 20180004937 A KR20180004937 A KR 20180004937A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
phase
interleaved
battery
current
present
Prior art date
Application number
KR1020160084686A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101857947B1 (ko
Inventor
노의철
정재헌
Original Assignee
부경대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 부경대학교 산학협력단 filed Critical 부경대학교 산학협력단
Priority to KR1020160084686A priority Critical patent/KR101857947B1/ko
Publication of KR20180004937A publication Critical patent/KR20180004937A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101857947B1 publication Critical patent/KR101857947B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1582—Buck-boost converters
    • B60L11/1811—
    • B60L11/1857—
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/16—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to battery ageing, e.g. to the number of charging cycles or the state of health [SoH]
    • H02J7/0054—
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
    • H02M3/1586—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel switched with a phase shift, i.e. interleaved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/10—DC to DC converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/40—DC to AC converters
    • B60L2210/46—DC to AC converters with more than three phases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/547—Voltage
    • H02M2003/1586—
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y02T10/7022—
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility
    • Y02T10/7216—
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

본 발명은 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 전원부에 전기적으로 연결된 PWM(Pulse Width Modulation)전환부, 상기 PWM 전환부와 배터리팩에 전기적으로 연결되며 상기 배터리팩에 공급되는 전력을 변환하는 전력변환부, 상기 전력변환부와 상기 PWM 전환부에 전기적으로 연결되어 상기 전력변환부와 상기 PWM 전환부를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 전력변환부는 3상 회로로 구현되고, 상기 3상 회로를 구성하는 각 단상회로에는 상기 각 단상회로를 활성화시키기 위한 스위칭 소자를 포함하고, 상기 제어부는 상기 스위칭 소자를 제어하여 상기 3상 회로가 3상 또는 2상으로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 배터리의 충방전시에 배터리에 흐르는 전류의 리플을 저감하여 배터리의 수명을 연장할 수 있다.

Description

인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치{INTERLEAVED TYPE DC-DC CONVERTING APPARATUS}
본 발명은 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 배터리에 있어서 배터리의 전류 리플을 감소시켜 배터리의 수명을 연장할 수 있는 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 관한 것이다.
전기자동차에 사용되는 양방향 DC-DC 컨버터는 높은 효율을 요구한다. 스위칭 손실을 줄여 효율을 높이기 위해 DC-DC 컨버터는 일반적으로 DCM(Discontinuous Current Mode)으로 동작시키는데, DCM으로 동작시키는 경우 배터리에 흐르는 전류의 리플이 크게 된다. 이는 배터리의 배터리의 수명을 단축시키게 된다.
따라서 배터리의 충-방전 시에 배터리에 흐르는 전류의 리플을 저감할 수 있는 양방향 DC-DC 컨버터의 제어방법이 요구된다.
본 발명은 배터리의 충-방전 시에 배터리에 흐르는 전류의 리플을 저감할 수 있는 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치는 전원부에 전기적으로 연결된 PWM(Pulse Width Modulation)전환부, 상기 PWM 전환부와 배터리팩에 전기적으로 연결되며 상기 배터리팩에 공급되는 전력을 변환하는 전력변환부, 상기 전력변환부와 상기 PWM 전환부에 전기적으로 연결되어 상기 전력변환부와 상기 PWM 전환부를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 전력변환부는 3상 회로로 구현되고, 상기 3상 회로를 구성하는 각 단상회로에는 상기 각 단상회로를 활성화시키기 위한 스위칭 소자를 포함하고, 상기 제어부는 상기 스위칭 소자를 제어하여 상기 3상 회로가 3상 또는 2상으로 동작하도록 제어하는 것을 특징한다.
상기 3상 회로의 동작하는 상의 수(phase number)는 상기 배터리 전압의 영역에 따라 다르게 제어될 수 있다.
상기 3상 회로의 동작하는 상의 수는 상기 배터리 전압의 크기와 상기 2상 회로로 동작 시의 최대 출력 전력에 의해 결정될 수 있다.
상기 제어부에 의해 상기 3상 회로는 상기 배터리 전압값이 임계전압값 이하인 경우에는 2상으로 작동하고, 상기 배터리 전압값이 상기 임계전압값을 초과하는 경우에는 3상으로 작동할 수 있다.
상기 각 단상회로에는 두 개의 스위치가 병렬로 연결되고, 상기 두 개의 스위치 중 하나에만 ZVS(Zero Voltage Switching)용 커패시터가 병렬로 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 의하면 배터리의 충-방전시에 배터리에 흐르는 전류의 리플을 저감하여 배터리의 수명을 연장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치를 포함하는 시스템도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치의 전력변환부의 회로구성의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 제1 모드의 전류의 경로를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 제2 모드의 전류의 경로를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 제3 모드의 전류의 경로를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 제4 모드의 전류의 경로를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 스위치 전압,인덕터 전류 및 스위칭 시그널을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 3상으로 작동 시에 인덕터 전류와 배터리 전류를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 3상으로 작동 시에 배터리 전압에 따른 전류 리플의 크기를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 2상으로 작동 시에 인덕터 전류와 배터리 전류를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 2상으로 작동 시에 배터리 전압에 따른 전류 리플의 크기를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 배터리 전압과 부하의 크기에 따른 2상 동작이 가능한 영역을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 배터리 전압에 따른 3상과 2상의 작동 시에 배터리 전류의 리플의 크기를 도시한 도면이다.
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 뒤에 설명이 되는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐를 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 뒤에 설명되는 용어들은 본 발명에서의 구조, 역할 및 기능 등을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 오로지 특허청구범위에 기재된 청구항의 범주에 의하여 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하며, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
한편, 본 발명의 실시 예에 있어서, 각 구성요소들, 기능 블록들 또는 수단들은 하나 또는 그 이상의 하부 구성요소로 구성될 수 있으며, 각 구성요소들이 수행하는 전기, 전자, 기계적 기능들은 전자회로, 집적회로, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등 공지된 다양한 소자들 또는 기계적 요소들로 구현될 수 있으며, 각각 별개로 구현되거나 2 이상이 하나로 통합되어 구현될 수도 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 대해서 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치를 포함하는 시스템도이다. 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치(100)는 전력계통(200) 및 배터리팩(300)과 전기적으로 연결된다.
본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치(100)는 양방향 DC-DC 컨버터 장치로 작동하며, 전력계통(200)으로부터 공급받은 전력으로 배터리팩(300)을 충전하거나, 배터리팩(300)에 충전된 전력을 전력계통(200)으로 전달하는 양방향 DC-DC 컨버터 장치로 작동할 수 있다.
상기 DC-DC 컨버터 장치(100)는 PWM(Pulse Width Modulation) 변환부(110), 상기 PWM 변환부(110)와 전기적으로 연결된 전력전환부(120)와 상기 PWM 변환부(110) 및 상기 전력변환부(120)와 전기적으로 연결되어 상기 PWM 변환부(110)와 상기 전력전환부(120)를 제어하는 제어부(130)을 포함한다.
상기 PWM 변환부(110)는 전력계통으로부터 공급되는 교류를 직류로 변환하고, 상기 전력변환부(120)는 상기 PWM 변환부(110)에 의해 변환된 직류를 상(phase)제어를 통해 배터리팩(300)에 공급한다.
이때, 전력변환부(120)는 3상 회로로 구현되고, 상기 3상 회로를 구성하는 각 단상회로에는 상기 각 단상회로를 활성화시키기 위한 스위칭 소자를 포함하고, 상기 제어부(130)는 상기 스위칭 소자를 제어하여 배터리 전압에 따라 상기 3상 회로가 3상 또는 2상으로 동작하도록 제어한다.
상기 제어부(130)에서 제어하는 상기 전력변환부(120)의 동작하는 상(phase)수는 배터리 전압의 전압 영역에 따라 다르게 제어할 수 있는데, 상기 동작하는 상의 수는 배터리 전압의 크기와 2상 회로로 동작 시의 최대 출력 전력에 의해 결정될 수 있다.
또한, 상기 제어부(130)는 상기 배터리 전압값이 임계전압값 이하인 경우에는 2상으로 작동하고, 상기 배터리 전압값이 상기 임계전압값을 초과하는 경우에는 3상으로 작동하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 전력변환부(120)의 상기 각 단상회로에는 두 개의 스위치가 병렬로 연결되고, 상기 두 개의 스위치 중 하나에만 ZVS(Zero Voltage Switching)용 커패시터가 병렬로 연결되도록 구성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치(100)의 동작원리를 보다 자세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치의 전력변환부의 회로 구성의 예시도이다. 상기 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전력변환부는 3상 회로로 구현되고, 상기 3상 회로를 구성하는 각 단상회로에는 상기 각 단상회로를 활성화시키기 위한 스위칭 소자를 포함한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 제1 모드의 전류의 경로를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 제2 모드의 전류의 경로를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 제3 모드의 전류의 경로를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 제4 모드의 전류의 경로를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 스위치 전압,인덕터 전류 및 스위칭 시그널을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치(100)를 구현한 회로도에서는 3상으로 회로가 구성되며, 하단 스위치에만 ZVS(Zero Voltage Switching)용 커패시터가 병렬로 결선된다. VDC는 400V, VB의 범위는 176V~280V로 설정되며, 배터리가 충전할 때는 벅 컨버터로 동작하고, 방전할 때는 부스트 컨버터로 동작한다.
상기 제어부(130)는 상기 회로에서 3상으로 동작 시 각 상이 120°의 위상차를 가지고, 2상으로 동작 시 각 상이 180°의 위상차를 가지도록 제어한다.
도 3을 참조하면, 제1 모드에서는 하단 스위치 S2를 ZVS, ZCS를 턴온하여 시작된다. S2가 턴-온하면 인덕터 L에는 정방향으로 VB가 인가되어 인덕터 전류 iL이 선형적으로 증가한다. 인덕터 전류 iL은 다음의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
ZVS용 커패시터 전압은 OV이고, S2가 턴오프하면 제1 모드는 종료된다.
도 4를 참조하면, S2를 ZVS 턴오프 하면 시작된다. 이 구간은 하단 스위치 S2의 ZVS용 캐피시터의 에너지를 충전하는 구간이다. 커패시터(C), 인덕터(L) 배터리(VB) 루프에서 L-C 직렬공진이 발생한다. 제2 모드에서 인덕터 전류 iL은 다음의 수학식 2로 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
여기서
Figure pat00003
이고, 특성임피던스는
Figure pat00004
이다.
ZVS용 커패시터 전압 VS2는 영전압에서 VDC까지 충전되므로 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00005
VS2가 VDC까지 상승하면 제2 모드는 종료된다.
도 5를 참조하면, 제3 모드는 S1의 다이오드 측으로 전류가 흐르기 시작하는 구간이다. 이때 인덕터(L)에 VDC와 VB의 차이만큼 전압이 인가되어 전류는 선형적으로 감소한다. 인덕터 전류 iL은 다음의 수학식 4와 같다.
Figure pat00006
ZVS용 커패시터 전압 VS2는 VDC와 동일하며, 인덕터의 전류가 영전류인 시점에서 제3 모드는 종료된다.
도 6을 참조하면, 제4 모드는 인덕터의 전류가 영전류인 시점에서 시작된다. 커패시터(C), 인덕터(L), 배터리(VB) 경로를 통하여 L-C 직렬공진이 발생한다. 이 구간에서 인덕터 전류 iL은 다음의 수학식 5와 같다.
Figure pat00007
ZVS용 커패시터 전압 VS2는 VDC에서 0V까지 방전되므로 다음의 수학식 6으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00008
VS2가 OV인 시점에서 제4 모드는 종료된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 3상으로 작동 시에 인덕터 전류와 배터리 전류를 도시한 도면이다. 제2모드와 제4 모드 구간이 스위칭 주기와 비교하여 매우 작다고 가정하면 각 상의 전류는 삼각파로 가정할 수 있다.
3상 동작 시 배터리의 전류 리플의 크기는 DC 링크와 배터리 전압에 따라 세 구간으로 나눌 수 있는데, 0V~133V, 133V~ 267V, 그리고 267V~400V 구간이다. 본 발명의 실시예에서 배터리의 전압변동 범위는 176V~ 280V 이므로 176V~267V와 267V~280V 두 구간에 대해 전류 리플의 크기를 분석하기로 한다. 이는 하나의 예로서 전압값의 범위는 시스템의 구성에 따라 변경될 수 있다.
배터리 전압이 176V~267V인 경우 배터리 전류의 한 주기 T3에서 배터리 전류가 상승하는 구간을 D3T3로 정의했을 때, 배터리 전류는 인덕터 전류의 합이므로 배터리 전류 변화량은 다음의 수학식 7로 나타낼 수 있고, 시스템 듀티 D를 이용하면 다음의 수학식 8과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00009
Figure pat00010
마찬가지로 배터리 전압이 267V~280V인 경우 배터리 전류 변화량을 구하면 다음의 수학식 9와 같다.
Figure pat00011
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 3상으로 작동 시에 배터리 전압에 따른 전류 리플의 크기를 도시한 도면이다. 상기 도 9는 상기 수학식 8과 9를 이용하여 3상 동작 시 충-방전 전력에 따른 배터리 전압에 대한 전류 리플의 크기를 도시한 도면이다.
한편, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 2상으로 작동 시에 인덕터 전류와 배터리 전류를 도시한 도면이다. 2상 동작 시 배터리 전류 리플의 크기는 176V~ 200V, 200V~ 280V의 두 구간으로 구분하여 구할 수 있다.
배터리 전압이 176V~ 200V인 경우 배터리 전류의 한 주기 T2에서 배터리 전류가 상승하는 구간을 D2T2로 정의했을 때, 배터리 전류는 인덕터 전류의 합이므로 배터리 전류 변화량은 다음의 수학식 10으로 나타낼 수 있고, 시스템 듀티 D를 이용하면 다음의 수학식 11과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00012
Figure pat00013
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 2상으로 작동 시에 배터리 전압에 따른 전류 리플의 크기를 도시한 도면이다. 구체적으로 상기 도 11은 상기 수학식 11과 12를 이용하여 2상 동작 시 충-방전전력에 따른 배터리전압에 대한 전류 리플의 크기를 나타내었다.
시스템을 구성하는 전력 반도체 소자의 전류 정격은 3상 동작을 기준으로 설계한다. 따라서 2상 동작 시 최대 출력 전력은 3상을 기준으로 설계된 전력 반도체 소자의 전류 정격에 제한을 받게 된다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 배터리 전압과 부하의 크기에 따른 2상 동작이 가능한 영역을 도시한 도면이다. 상기 도 12를 참조하면, 2상 동작 시 배터리 전압이 증가함에 따라 최대 출력이 증가하는 것을 알 수 있다. 상기 도 12에서 A영역은 배러티 전압에 따른 2상으로 동작 가능한 부하 영역이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서, 배터리 전압에 따른 3상과 2상의 작동 시에 배터리 전류의 리플의 크기를 도시한 도면이다. 상기 도 13을 참조하면, 배터리 전압 VB가 231V보다 작은 경우 2상으로 동작하면 전류 리플을 줄일 수 있는 것을 알 수 있다. 그러나, 상기 도 12 및 13을 통해 알 수 있듯이 VB가 231V인 경우 2상 최대출력이 2.62kW이므로 이보다 출력이 낮은 경우에만 2상으로 전환하여 리플 전류의 크기를 줄일 수 있다.
2상으로 동작 시 VB에 따른 2상 동작 최대출력 P0의 크기는 굵은 선과 같으며 동작 범위는 B영역과 같다. 부하 명령치와 현재 배터리 전압 크기를 이용하여 동작하여 현재 동작하는 상의 수를 결정할 수 있다
배터리 전압이 176V~231V로 증가함에 따라 최대 출력 전력은 2kW~2.63kW로 증가한다. 또한 2상으로 동작하는 경우 3상 동작 시와 비교하여 스위칭 주파수가 낮기 때문에 주파수제어를 사용할 수 있는 경부하 구간이 확장될 수 있다.
본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치 110: PWM 변환부
120: 전력변환부 130: 제어부
200: 전력계통 300: 배터리팩

Claims (5)

  1. 인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치에 있어서,
    전원부에 전기적으로 연결된 PWM(Pulse Width Modulation)전환부;
    상기 PWM 전환부와 배터리팩에 전기적으로 연결되며 상기 배터리팩에 공급되는 전력을 변환하는 전력변환부;
    상기 전력변환부와 상기 PWM 전환부에 전기적으로 연결되어 상기 전력변환부와 상기 PWM 전환부를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 전력변환부는 3상 회로로 구현되고, 상기 3상 회로를 구성하는 각 단상회로에는 상기 각 단상회로를 활성화시키기 위한 스위칭 소자를 포함하고, 상기 제어부는 상기 스위칭 소자를 제어하여 상기 3상 회로가 3상 또는 2상으로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는,
    인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 3상 회로의 동작하는 상의 수(phase number)는 상기 배터리 전압의 영역에 따라 다르게 제어되는 것을 특징으로 하는
    인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 3상 회로의 동작하는 상의 수는 상기 배터리 전압의 크기와 상기 2상 회로로 동작 시의 최대 출력 전력에 의해 결정되는,
    인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부에 의해 상기 3상 회로는
    상기 배터리 전압값이 임계전압값 이하인 경우에는 2상으로 작동하고,
    상기 배터리 전압값이 상기 임계전압값을 초과하는 경우에는 3상으로 작동하는 것을 특징으로 하는
    인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 각 단상회로에는 두 개의 스위치가 병렬로 연결되고, 상기 두 개의 스위치 중 하나에만 ZVS(Zero Voltage Switching)용 커패시터가 병렬로 연결되는,
    인터리브드 방식의 DC-DC 컨버터 장치.











KR1020160084686A 2016-07-05 2016-07-05 인터리브드 방식의 dc-dc 컨버터 장치 KR101857947B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160084686A KR101857947B1 (ko) 2016-07-05 2016-07-05 인터리브드 방식의 dc-dc 컨버터 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160084686A KR101857947B1 (ko) 2016-07-05 2016-07-05 인터리브드 방식의 dc-dc 컨버터 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180004937A true KR20180004937A (ko) 2018-01-15
KR101857947B1 KR101857947B1 (ko) 2018-05-16

Family

ID=61001271

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160084686A KR101857947B1 (ko) 2016-07-05 2016-07-05 인터리브드 방식의 dc-dc 컨버터 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101857947B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022145646A1 (ko) * 2020-12-31 2022-07-07 영화테크(주) 전기 차량용 전력 변환기

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6034132B2 (ja) 2012-10-24 2016-11-30 株式会社ソニー・インタラクティブエンタテインメント Ｄｃ／ｄｃコンバータおよびそれを用いたゲーム機器
KR101554192B1 (ko) * 2014-07-14 2015-09-18 경북대학교 산학협력단 양방향 dc-dc 컨버터, 이의 소프트 스위칭 방법 및 이 방법을 수행하기 위한 기록 매체

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022145646A1 (ko) * 2020-12-31 2022-07-07 영화테크(주) 전기 차량용 전력 변환기

Also Published As

Publication number Publication date
KR101857947B1 (ko) 2018-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Prudente et al. Voltage multiplier cells applied to non-isolated DC–DC converters
Das et al. A nonisolated bidirectional ZVS-PWM active clamped DC–DC converter
CN107408889B (zh) 功率转换器
EP3553928B1 (en) Snubber circuit and power conversion system using same
US9780695B2 (en) Control method of inverter circuit
WO2013114758A1 (ja) 共振形ｄｃ－ｄｃコンバータの制御装置
EP2985897B1 (en) Power conversion device
US8830701B2 (en) DC-DC converter
Ahmed Modeling and simulation of ac–dc buck-boost converter fed dc motor with uniform PWM technique
EP2360826B1 (en) A dc-dc converter arrangement
KR20090044137A (ko) 무변압기형 부스트 컨버터
Alharbi et al. Current ripple minimisation based on phase-shedding of DC-DC interleaved converters for EV charging system
KR20190115364A (ko) 단상 및 3상 겸용 충전기
Kim et al. Soft-switching step-up converter with ripple-free output current
Srivastava et al. A modified duty cycle frequency control soft switching of full bridge DC-DC converter for electric vehicle battery charging
JP2015012750A (ja) 電力変換装置
Angkititrakul et al. Active inductor current balancing for interleaving multi-phase buck-boost converter
KR101857947B1 (ko) 인터리브드 방식의 dc-dc 컨버터 장치
Priya et al. Analysis of multidevice interleaved boost converter for high power applications
Hasimi et al. Comparative analysis of bidirectional DC-DC converters for Fuel Cell Hybrid Vehicles
KR102036753B1 (ko) 전류 리플을 최소화하기 위한 ac-dc 컨버터 장치
KR101575493B1 (ko) Ｄｃ-ｄｃ 컨버터 전류 추정 방법
Khodabakhsh et al. A comparative study of conventional and T-type ZVS-PWM full-bridge converters
WO2017158022A1 (en) Converter device and method to operate said converter device
JP7024784B2 (ja) 交直変換回路及び力率改善回路

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right