KR20180131742A - 포워드-플라이백 컨버터 기반의 열전발전 시스템 - Google Patents

포워드-플라이백 컨버터 기반의 열전발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 준공진형 포워드-플라이백 컨버터를 기반으로 하는 열전발전 시스템에서 스위칭 손실이나 전도 손실을 최소화 하여 고효율의 에너지 전달이 가능하도록 하고, 낮은 입력전압을 목표 전압으로 승압시키기 위한 높은 승압비를 갖도록 한 기술에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 열전발전시스템으로부터 입력되는 입력전압을 목표 레벨의 전압으로 승압하여 출력하되, 보조 스위치와 클램프 커패시터를 구비하여 메인 스위치가 턴온되었을 때 누설 인덕터에 저장되었던 전기에너지가 상기 메인 스위치 오프 시 전압 스파이크 형태로 나타나는 것을 방지하고, 공진 커패시터를 구비하여 상기 메인 스위치가 턴온 상태에서 턴오프 상태로 전환될 때 상기 메인 스위치를 통해 흐르는 전류량을 저감시키는 준공진형 포워드-플라이백 컨버터를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

포워드-플라이백 컨버터 기반의 열전발전 시스템{THEMOELLECTRIC GENERATION SYSTEM BASED FORWARD-FLYBACK CONVERTER}
본 발명은 준공진형 포워드-플라이백 컨버터를 기반으로 하는 열전발전 시스템에 관한 것으로, 특히 중전력을 전달하는데 있어서 스위칭 손실이나 전도 손실을 최소화 하여 고효율의 에너지 전달이 가능하도록 하고, 낮은 입력전압을 목표 전압으로 승압시키기 위한 높은 승압비를 갖도록 한 포워드-플라이백 컨버터 기반의 열전발전 시스템에 관한 것이다.
신재생에너지원으로 사용되고 있는 열전발전 시스템은 산업현장에서 발생하는 폐열에너지를 재활용하여 생성한 전기 에너지를 계통전원으로 회수하는 시스템을 일컫는 것으로, 이를 이용하여 산업체의 에너지 절감에 기여할 수 있다.
열전발전 시스템에서 열에너지를 전기에너지로 변환하여 주는 열전발전 스택은 1~2W의 전기에너지를 생성하는 열전모듈들을 직ㅇ병렬로 연결된 형태로 구비하고 있기 때문에 비교적 낮은 직류 전압을 생성하게 되며, 최대전력점에서 열전발전스택에 형성되는 전압은 약 30~50V 정도이다.
열전발전시스템에서 생성된 전기에너지를 계통전원으로 활용하기 위해서는 컨버터를 이용하여 최소 380V 이상의 전압으로 승압한 후 인버터를 이용하여 계통전압의 위상 및 주파수를 갖도록 해주어야 한다.
도 1a는 열전발전 시스템의 400W급 이하의 컨버터에 적용되는 종래 포워드 컨버터의 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 1차측 회로부(11), 트랜스포머(12) 및 2차측 회로부(13)를 구비한다. 상기 1차측 회로부(11)는 트랜스포머(12)의 자화 인덕터(Lm), 누설인덕터(Llk) 및 1차코일 (Npri)을 포함하는 것이지만, 여기서는 이들을 제외한 나머지 소자들을 포함하는 회로를 의미하는 것으로 설명한다. 상기 1차측 회로부(11)는 모스 트랜지스터(MOS transistor)로 구현된 메인 스위치(S1)를 구비한다. 트랜스포머(12)의 1차코일 (Npri)에 연결된 자화 인덕터(Lm)와 누설인덕터(Llk)는 트랜스포머(12)의 기생 인덕터이다. 도 2a는 도 1a 각부의 파형도를 나타낸 것이다.
도 1a 및 도 2a를 참조하면, 메인 스위치(S1)는 게이트에 공급되는 펄스폭변조신호(PWM) 형태의 제어신호에 의해 온오프 동작하고, 이에 의해 트랜스포머(12)가 구동된다.
메인 스위치(S1)가 턴온되면, 입력전압(Vin)이 누설인덕터(Llk)와 자화인덕터 (Lm)의 양단에 걸리게 된다. 그런데, 자화인덕터(Lm)의 인덕턴스 값이 누설인덕터 (Llk)의 인덕턴스 값에 비하여 100 배 정도 크기 때문에 입력전압(Vin)의 대부분이 자화인덕터(Lm)에 걸리게 되고, 이 전압이 트랜스포머(12)의 2차코일(Nfw)에 유기된다. 이에 따라 다이오드(D1)를 통해 인덕터(L0)에 전기 에너지가 저장된다. 이때 다이오드(D2)는 오프 상태이다.
이후 메인 스위치(S1)가 턴오프되면, 자화인덕터(Lm)에 걸리는 전압은 '0'이 되고, 입력전압(Vin)은 모두 메인 스위치(S1)의 양단에 걸리게 된다. 이에 따라, 트랜스포머(12)의 2차코일(Nfw)에 걸리는 전압도 '0'이 된다. 이때, 다이오드(D1)는 오프 상태로 되고, 다이오드(D2)가 온 상태로 되어 인덕터(L0)에 저장되었던 전기 에너지가 부하(RL)에 전달된다.
이후 상기와 같은 동작이 반복 수행되면서 입력전압(Vin)이 상기와 같은 경로를 통해 부하(RL)에 전달된다.
그러나, 이와 같은 종래의 포워드 컨버터는 메인 스위치가 턴오프될 때 입력전압에 연결된 인덕터에 저장되었던 전기 에너지가 전압 스파이크의 형태로 나타나기 때문에 효율 감소되고 메인 스위치가 파손될 우려가 있다. 또한, 메인 스위치가 턴온될 때 자화 인덕터에 흐르는 전류가 선형적으로 증가되는데, 이를 감소시킬 수 있는 경로가 존재하지 않아 리셋회로를 추가하여야 하는 문제점이 있다.
도 1b는 열전발전 시스템의 200W급 이하의 컨버터에 적용되는 종래 플라이백 컨버터의 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 1차측 회로부(21), 트랜스포머(22) 및 2차측 회로부(23)를 구비한다. 상기 1차측 회로부(21)는 트랜스포머(22)의 자화 인덕터(Lm), 누설인덕터(Llk) 및 1차코일 (Npri)을 포함하는 것이지만, 여기서는 이들을 제외한 나머지 소자들을 포함하는 회로를 의미하는 것으로 설명한다.
1차측 회로부(21)는 모스 트랜지스터로 구현된 메인 스위치(S1)를 구비한다. 도 2b는 도 1b 각부의 파형도를 나타낸 것이다.
도 1b 및 도 2b를 참조하면, 메인 스위치(S1)는 게이트에 공급되는 펄스폭변조신호(PWM) 형태의 제어신호에 의해 온오프 동작하고, 이에 의해 트랜스포머(22)가 구동된다.
메인 스위치(S1)가 턴온되면, 입력전압(Vin)이 인덕터(Llk)와 자화인덕터 (Lm)의 양단에 걸리게 된다. 그런데, 자화인덕터(Lm)의 인덕턴스 값이 누설인덕터 (Llk)의 인덕턴스 값에 비하여 100 배 정도 크기 때문에 입력전압(Vin)의 대부분이 자화인덕터(Lm)에 걸리게 된다. 이때, 트랜스포머(22)의 1차코일과 2차코일의 극성은 반대이므로 2차코일에 전류가 흐르지 못하고 자화인덕터(Lm)에 전기 에너지가 선형적으로 저장된다.
이후 메인 스위치(S1)가 턴오프되면, 자화인덕터(Lm)에 저장된 전기 에너지가 트랜스포머(22)의 2차코일과 다이오드(D3)를 통해 부하(RL)에 전달된다. 커패시터(Cfl)는 필터 커패시터로서 부하(RL)의 양단에 걸리는 전압을 일정한 값으로 고정시키는 역할을 한다.
이후, 상기와 같은 동작이 반복 수행되면서 입력전압(Vin)이 상기와 같은 경로를 통해 부하(RL)에 전달된다.
그러나, 이와 같은 종래의 플라이백 컨버터는 포워드 컨버터와 마찬가지로 메인 스위치가 턴오프될 때 입력전압에 연결된 인덕터에 저장되었던 전기 에너지가 전압 스파이크의 형태로 나타나기 때문에 효율 감소되고 메인 스위치가 파손될 우려가 있다. 또한, 에너지원의 최대전력점을 추종하는 과정에서 전력량이 변화되는데 전력량과 효율이 자화 인덕턴스의 크기에 크게 영향을 받기 때문에 자화 인덕턴스의 설계에 제한을 주게 되는 문제점이 있다.
도 1c는 열전발전 시스템의 600W급 컨버터에 적용된 포워드-플라이백 컨버터의 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 1차측 회로부(31), 트랜스포머(32) 및 2차측 회로부(33)를 구비한다. 1차측 회로부(31)는 모스 트랜지스터로 구현된 메인 스위치(S1)를 구비한다. 1차측 회로부(31)는 도 1a의 1차측 회로부(11) 및 도 1b의 1차측 회로부(21)와 동일한 구성을 갖으며, 2차측 회로부(33)는 도 1a의 2차측 회로부(13) 및 도 1b의 2차측 회로부(23)가 직렬로 더해진 구조를 갖는다.
도 1c를 참조하면, 메인 스위치(S1)는 게이트에 공급되는 펄스폭변조신호 (PWM) 형태의 제어신호에 의해 온오프 동작하고, 이에 의해 트랜스포머(32)가 구동된다.
메인 스위치(S1)가 턴온되면, 입력전압(Vin)이 누설인덕터(Llk)와 자화인덕터 (Lm)의 양단에 걸리게 된다. 그런데, 자화인덕터(Lm)의 인덕턴스 값이 누설인덕터 (Llk)의 인덕턴스 값에 비하여 100 배 정도 크기 때문에 입력전압(Vin)의 대부분이 자화인덕터(Lm)에 걸리게 되고, 이 전압이 트랜스포머(32)의 제2 일차코일에 유기된다. 이에 따라 다이오드(D1)를 통해 인덕터(L0)에 전기 에너지가 저장된다. 이때, 다이오드(D2)는 오프 상태이다. 이와 같은 상태에서 입력전압(Vin)에 의해 자화인덕터(Lm)에 전기에너지가 계속적으로 저장된다.
이후, 메인 스위치(S1)가 턴오프되면, 다이오드(D1)가 오프되고 다이오드 (D2)가 온되면서 인덕터(L0)에 저장되었던 전기 에너지가 부하(RL)에 전달된다. 이와 동시에 자화인덕터(Lm)에 저장되었던 전기 에너지는 트랜스포머(32)의 제2 이차코일 및 다이오드(D3)를 통해 부하(RL)에 전달된다.
이후 상기와 같은 동작이 반복 수행되면서 입력전압(Vin)이 상기와 같은 경로를 통해 부하(RL)에 전달된다.
이와 같이 종래의 포워드-플라이백 컨버터는 메인 스위치가 턴오프될 때, 자화인덕터에 저장된 전기 에너지를 플라이백 통로로 넘겨 줌으로써, 리셋회로를 생략할 수 있다. 그리고, 포워드 컨버터의 2차 회로부와 플라이백 컨버터의 2차 회로부가 직렬로 연결된 구조를 가지므로 입력전압을 높은 출력전압으로 승압할 수 있다.
이와 같이 종래 기술에 의한 포워드-플라이백 컨버터는 포워드 컨버터 및 플라이백 컨버터의 출력단을 직렬로 연결함으로써 높은 승압비를 구현할 수 있고, 낮은 직류 입력전압을 계통연계가 가능한 교류전압으로 바꾸어 전력망에 공급할 수 있다.
그런데, 이와 같이 종래의 포워드-플라이백 컨버터는 1차측 회로부의 메인 스위치가 턴온될 때 입력전압의 대부분이 자화 인덕터에 저장되지만, 이때 누설 인덕터에 저장된 나머지의 전기 에너지가 1차측 회로부의 메인 스위치가 턴오프될 때 전압 스파이크(voltage spike) 형태로 나타나기 때문에 효율이 떨어지고 메인 스위치가 파손될 우려가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 열전발전 시스템의 준공진형 포워드-플라이백 컨버터 중전력을 운용할 때 스위칭 손실이나 전도 손실을 최소화 하여 고효율의 에너지 전달이 가능하도록 하고, 낮은 입력전압을 목표 전압으로 승압시킬 수 있는 높은 승압비를 갖도록 하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 포워드-플라이백 컨버터 기반의 열전발전 시스템은 열전발전시스템으로부터 입력되는 입력전압을 목표 레벨의 전압으로 승압하여 출력하되, 보조 스위치와 클램프 커패시터를 구비하여 메인 스위치가 턴온되었을 때 누설 인덕터에 저장되었던 전기에너지가 상기 메인 스위치 오프 시 전압 스파이크 형태로 나타나는 것을 방지하고, 공진 커패시터를 구비하여 상기 메인 스위치가 턴온 상태에서 턴오프 상태로 전환될 때 상기 메인 스위치를 통해 흐르는 전류량을 저감시키는 준공진형 포워드-플라이백 컨버터; 상기 준공진형 포워드-플라이백 컨버터에서 출력되는 직류전압을 요구된 레벨의 교류전압으로 변환하여 계통전압에 연계시키는 인버터; 및 상기 준공진형 포워드-플라이백 컨버터로 하여금 열전발전시스템의 최대 전력점을 추종하도록 제어하고, 계통전압의 센싱 결과를 근거로 상기 인버터의 구동을 제어하는 메인 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 포워드-플라이백 컨버터 기반의 열전발전 시스템에서 전압 스파이크(voltage spike)의 형태로 발생되는 스위칭 손실을 현저하게 줄일 수 있게 함으로써, 컨버터의 효율이 향상되고 스위칭 소자가 파괴되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 1차측 회로부에서 클램프 커패시터에 전기 에너지를 일시 저장하였다가 2차측 회로부에 전달하기 때문에 전기 에너지의 손실이 최소화 되는 효과가 있다.
도 1a는 종래의 열전발전 시스템에 적용되는 포워드 컨버터의 회로도이다.
도 1b는 종래의 열전발전 시스템에 적용되는 플라이백 컨버터의 회로도이다.
도 1c는 종래의 열전발전 시스템에 적용되는 포워드-플라이백 컨버터의 회로도이다.
도 2a는 도 1a 각부의 동작 타이밍도이다.
도 2b는 도 1b 각부의 동작 타이밍도이다.
도 3은 본 발명에 의한 포워드-플라이백 컨버터 기반의 열전발전 시스템의 블록도이다.
도 4는 도 3의 준공진형 포워드-플라이백 컨버터에 대한 회로도이다.
도 5는 도 4 각부에 흐르는 전압 또는 전류 파형을 나타낸 파형도이다.
도 6의 (a)는 종래 기술에 의한 메인 스위치의 전류 파형도이다.
도 6의 (b)는 본 발명에 따른 메인 스위치의 전류 파형도이다.
도 7은 메인 스위치의 스위칭 동작 시 전압 및 전류 파형도이다.
도 8은 보조 스위치의 스위칭 동작 시 보조 스위치의 전압 및 전류 파형도이다.
도 9는 포워드 다이오드와 플라이백 다이오드의 전류 파형도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 의한 포워드-플라이백 컨버터 기반의 열전발전 시스템의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이 준공진형 포워드-플라이백 컨버터(Quasi- resonant active-clamp forward-flyback converter)(100), 인버터(200) 및 메인 제어부(300)를 포함한다.
준공진형 포워드-플라이백 컨버터(100)는 열전발전시스템으로부터 입력되는 낮은 레벨의 입력전압(Vin)을 380V 이상의 전압으로 승압하여 600W 급 중전력을 운용하는 역할을 수행한다.
본 발명에 따른 준공진형 포워드-플라이백 컨버터(100)는 보조 스위치와 클램프 커패시터를 구비하는데, 이들은 1차측 회로부의 메인 스위치가 턴온되었을 때 누설 인덕터에 저장되었던 전기에너지가 그 메인 스위치 오프 시 전압 스파이크 형태로 나타나는 것을 방지하는 역할을 한다.
또한, 본 발명에 따른 준공진형 포워드-플라이백 컨버터(100)는 2차측 회로부에 공진 커패시터를 구비하는데, 이 공진 커패시터는 메인 스위치가 턴온 상태에서 턴오프 상태로 전환될 때 그 메인 스위치를 통해 흐르는 전류량을 줄여 스위칭 손실을 줄이고 메인 스위치가 손상되는 것을 방지하는 역할을 한다.
도 4는 상기 준공진형 포워드-플라이백 컨버터(100)의 회로도로서 이에 도시한 바와 같이 1차측 회로부(110), 트랜스포머(120) 및 2차측 회로부(130)를 구비한다. 상기 1차측 회로부(110)는 트랜스포머(120)의 자화 인덕터(Lm), 누설인덕터(Llk) 및 1차코일 (Npri)을 포함하는 것이지만, 여기서는 이들을 제외한 나머지 소자들을 포함하는 회로를 의미하는 것으로 설명한다.
1차측 회로부(110)는 트랜스포머(120)의 제1코일(Npri)에 연결된 회로로서, 트랜스포머(120)의 제1코일에 공급되는 입력전압(Vin)을 스위칭하여 트랜스포머(120)를 구동시키는 메인 스위치(S1), 트랜스포머(120)의 누설 인덕터(Llk)에 저장되었던 전기에너지가 메인 스위치(S1) 오프 시 전압 스파이크 형태로 나타나는 것을 방지하기 위하여 누설 인덕터(Llk)의 일측 단자와 메인 스위치(S1)의 일측 단자의 사이에 직렬 연결된 클램프 커패시터(CC) 및 보조 스위치(S2)를 구비한다.
2차측 회로부(130)는 트랜스포머(120)의 제2 이차코일에 연결된 회로로서 제2 일차코일(Nfw)에 연결된 제1회로와 제2 이차코일(Nfl)에 연결된 제2회로를 구비한다. 제1회로는 상기 제2 일차코일(Nfw)의 일측 탭과 부하(RL)의 일측 단자 사이에 직렬 연결된 포워드 다이오드(D1) 및 출력 인덕터(LO), 상기 포워드 다이오드(D1)의 캐소우드와 중간노드(MN)의 사이에 병렬 연결된 공진 커패시터(resonant capacitor)(Cr) 및 프리휠링 다이오드(freewheeling diode)(D2) 및 상기 부하(RL)의 일측 단자와 상기 중간노드(MN)의 사이에 연결된 제1출력커패시터(Cfw)를 구비한다. 제2회로는 상기 제2 이차코일(Nfl)의 일측 탭과 상기 중간노드(MN)의 사이에 연결된 플라이백 다이오드(D3) 및 상기 중간노드(MN)와 상기 부하(RL)의 타측 단자 사이에 연결된 제2출력 커패시터(Cfl)를 구비한다.
도 5는 상기 도 4 각부에 흐르는 전압 또는 전류 파형을 나타낸 파형도이다. 도 4의 준공진형 포워드-플라이백 컨버터(100)의 기본적인 동작은 도 1c의 포워드-플라이백 컨버터의 동작과 유사한 것으로, 이 기본적인 동작을 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
메인 스위치(S1)는 게이트에 공급되는 스위칭 제어신호인 제1펄스폭변조신호 (PWM1)에 의해 온오프 동작하고, 이에 의해 트랜스포머(32)가 구동된다.
메인 스위치(S1)가 제1펄스폭변조신호(PWM1)에 의해 턴온되면, 입력전압 (Vin)이 누설인덕터(Llk)와 자화인덕터(Lm)의 양단에 걸리게 된다. 그런데, 자화인덕터(Lm)의 인덕턴스 값이 누설인덕터(Llk)의 인덕턴스 값에 비하여 훨씬(예: 100 배) 크기 때문에 입력전압(Vin)의 대부분이 자화인덕터(Lm)에 걸리게 되고, 이 전압이 트랜스포머(120)의 제2 일차코일(Nfw)에 유기된다. 이에 따라 포워드 다이오드(D1)를 통해 출력인덕터(L0)에 전기 에너지가 저장된다. 이때, 프리휠링 다이오드(D2)는 오프 상태이다. 이와 같은 상태에서 입력전압(Vin)에 의해 자화인덕터(Lm)에 전기에너지가 계속적으로 저장된다.
이후, 메인 스위치(S1)가 제1펄스폭변조신호(PWM1)에 의해 턴오프되면, 포워드 다이오드(D1)가 오프되고 프리휠링 다이오드(D2)가 온되면서 출력인덕터 (L0)에 저장되었던 전기 에너지가 부하(RL)에 전달된다. 이와 동시에, 자화인덕터 (Lm)에 저장되었던 전기 에너지는 트랜스포머(12)의 제2 이차코일(Nfl) 및 플라이백 다이오드(D3)를 통해 부하(RL)에 전달된다.
이후, 상기와 같은 동작이 반복적으로 수행되면서 입력전압(Vin)이 상기와 같은 경로를 통해 부하(RL)에 전달된다. 도 7은 상기 메인 스위치(S1)가 상기와 같이 스위칭 동작할 때 그 메인 스위치(S1)에 걸리는 전압과 그 메인 스위치(S1)를 통해 흐르는 전류량을 나타낸 파형도로서 제로 커런트 스위칭 동작이 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
이때, 제1회로의 출력단에 연결된 제1출력커패시터(Cfw)와 제2회로의 출력단에 연결된 제2출력 커패시터(Cfl)가 직렬로 연결되므로, 이들을 통해 직렬로 더해진 전압이 부하(RL)에 전달된다.
그런데, 1차측 회로부(110)의 메인 스위치(S1)가 턴온되었을 때 누설 인덕터 (Llk)에 저장되었던 전기에너지가 그 메인 스위치(S1) 오프 시 전압 스파이크 형태로 나타난다. 본 실시예에서는 이를 방지하기 위하여 누설 인덕터(Llk)의 일측 단자와 메인 스위치(S1)의 일측 단자의 사이에 직렬 연결된 클램프 커패시터(CC) 및 보조 스위치(S2)로 이루어진 능동형 클램프를 구비한다. 상기 메인 스위치(S1)와 보조 스위치(S2)는 도 5에서와 같은 타이밍으로 스위칭 동작한다. 즉, 전압 스파이크의 원인이 되는 누설 인덕터(Llk)의 전기 에너지를 메인 스위치(S1)가 턴 오프될 때 보조 스위치(S2)를 통해 클램프 커패시터(CC)에 저장하였다가 그 보조 스위치(S2)가 턴온될 때 2차측 회로부(130)의 제2회로 측으로 전달한다. 도 8은 상기 보조 스위치(S2)가 스위칭 동작할 때 그 보조 스위치(S2)에 걸리는 전압과 그 보조 스위치(S2)를 통해 흐르는 전류량을 나타낸 파형도로서 제로 커런트 스위칭 동작이 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
도 6의 (a)는 종래 기술에 의한 메인 스위치에 흐르는 전류량을 나타낸 파형도이고, 도 6의 (b)는 메인 스위치(S1)의 턴온 주기에서 본 발명에 따라 추가로 설치된 공진 커패시터(Cr)가 누설 인덕터(Llk)와 사인파 형태로 공진하고 이에 의해 그 메인 스위치(S1)에 흐르는 전류량을 나타낸 파형도이다. 즉, 종래 기술에서는 메인 스위치에 최대 전류가 흐를 때 그 메인 스위치가 턴오프되는 것에 비하여, 본 발명에서는 공진 커패시터(Cr)에 의한 공진 작용으로 인하여 메인 스위치(S1)의 제로 커런트 스위칭(ZCS)이 이루어지므로 스위칭 손실이 줄어들고 스위치 소자가 파손되는 것이 방지된다.
그리고, 본 발명에 따른 준공진형 포워드-플라이백 컨버터(100)에서는 상기 클램프 커패시터(CC) 및 보조 스위치(S2)로 이루어진 능동형 클램프로 인하여, 메인 스위치 (S1)가 턴온되었을 때 누설 인덕터(Llk)에 저장되었던 전기에너지가 그 메인 스위치(S1) 오프 시 전압 스파이크 형태로 나타나는 것을 방지할 수 있게 된다.
상기와 같이 누설 인덕터(Llk)의 전기 에너지를 클램프 커패시터(CC)에 저장하였다가 2차측 회로부(130)의 제2회로 측으로 전달하는 과정은 메인 스위치(S1)가 턴오프되었을 때 이루어져야 한다. 따라서, 메인 스위치(S1)의 온 시간을 DTs(D:듀티비, Ts: 메인 스위치의 스위칭 주기)라 하면, 메인 스위치(S1)의 오프시간은 (1-D)Ts 로 표현된다. 즉, 누설 인덕터(Llk)의 전기 에너지를 클램프 커패시터(CC)에 저장하였다가 2차측 회로부(130)의 제2회로 측으로 전달하는 모든 과정은 (1-D)Ts 이내에 이루어져야 한다. 이와 같은 과정은 클램프 커패시터(CC)와 누설 인덕터(Llk)의 공진에 의해 발생되므로 이 공진 주기(Tc)는 다음의 [수학식 1]로 표현된다.
Figure pat00001
상기와 같이 누설 인덕터(Llk)의 전기 에너지를 클램프 커패시터(CC)에 저장하였다가 2차측 회로부(130)의 제2회로 측으로 전달하는 과정에서 발생할 수 있는 손실을 최소화 하기 위해서는 그 과정이 단 한번에 이루어져야 한다. 이와 같은 조건은 도 5의 전류(iS2)의 파형도에서와 같이 공진 주기의 반 주기(TC/2)가 다음의 [수학식 2]를 만족해야 한다.
Figure pat00002
상기 [수학식 2]를 이용하여 상기 클램프 커패시터(CC) 값의 범위를 유도하면 다음의 [수학식 3]으로 표현된다.
Figure pat00003
또한, 본 발명에 따른 준공진형 포워드-플라이백 컨버터(100)는 2차측 회로부(130)에 스위칭 손실을 줄이기 위한 공진 커패시터(Cr)를 구비하는데, 이 공진 커패시터(Cr)는 메인 스위치(S1)가 턴온 상태에서 턴오프 상태로 전환될 때 그 메인 스위치(S1)를 통해 흐르는 전류량을 0에 가깝게 줄여 스위칭 손실을 줄어들고, 이에 의해 효율이 향상되도록 한다. 또한, 상기 공진 커패시터(Cr)는 메인 스위치(S1)가 파손되는 것을 방지하여 준공진형 포워드-플라이백 컨버터(100) 에서 600W 급의 중전력을 운용할 수 있도록 한다.
도 9는 본 발명에 따라 상기 2차측 회로부(130)의 포워드 다이오드(D1)와 플라이백 다이오드(D3)에 흐르는 전류량을 나타낸 파형도이다.
상기와 같이 메인 스위치(S1)가 온 상태에서 오프 상태로 천이될 때의 전류를 최대한 0에 가깝게 하기 위해서는 도 5의 전류(iS1)의 파형도에서와 같이 메인 스위치(S1)에 흐르는 사인파 형태의 전류 파형의 반주기가 최대한 메인 스위치(S1)의 온 시간에 가까워야 한다. 메인 스위치(S1)에 흐르는 사인파 형태의 전류파형의 주기는 클램프 커패시터(CC)와 누설 인덕터(Llk)의 공진에 의해 발생되는데, 이 공진 주기(Tr)는 다음의 [수학식 4]로 표현된다.
Figure pat00004
상기 공진 주기(Tr)는 다음의 [수학식 5]로 구해지므로, 메인 스위치(S1)가 온되었을 때의 시간은 다음의 [수학식 6]에서와 같이 메인 스위치(S1)의 스위칭 주기(Ts)에서 메인 스위치(S1)의 오프 시간을 뺀 시간이 된다.
Figure pat00005
Figure pat00006
따라서, 공진 커패시터(Cr)로 인한 공진주기(Tr)은 다음의 [수학식 7]과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00007
상기 [수학식 7]로부터 다음의 [수학식 8]을 유도할 수 있으며, 이렇게 유도된 [수학식 8]로부터 공진 커패시터(Cr)의 값을 구할 수 있다.
Figure pat00008
인버터(200)는 상기 준공진형 포워드-플라이백 컨버터(100)에서 생성된 직류전압(예: 380V)을 요구된 레벨의 교류전압(예: 220V)으로 변환하여 계통전압(Vg)에 연계시키는 역할을 수행한다.
메인 제어부(300)는 상기 준공진형 포워드-플라이백 컨버터(100)로 하여금 열전발전시스템(TEG)의 최대 전력점을 추종하도록 제어하는 역할을 한다. 이를 위해 첫째, 열전발전시스템(TEG)으로부터의 입력전압(Vin) 및 전류(iTE)를 센싱하여 현재의 최대 전력점을 계산하고, 그 최대 전력점에서의 기준전류(iTE.ref)를 계산하여 현재 열전발전시스템(TEG)의 전류값(iTE)이 그 기준전류(iTE.ref)를 추종하도록 한다. 이때, PI 제어가 사용된다. 둘째, 상기 준공진형 포워드-플라이백 컨버터(100)의 출력전압(VO)이 목표전압(예: 380V)을 유지하도록 제어하는 역할을 한다. 이를 위해 메인 제어부(300)는 상기 준공진형 포워드-플라이백 컨버터(100)의 메인 스위치(S1)와 보조 스위치(S2)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 펄스폭변조신호(PWM1),(PWM2)의 듀티비를 계산하여 해당 듀티비를 갖는 펄스폭변조신호(PWM1),(PWM2)로 상기 메인 스위치(S1)와 보조 스위치(S2)의 스위칭 동작을 제어한다. 이때에도 PI 제어가 사용된다.
또한, 상기 메인 제어부(300)는 인버터(200)의 구동을 제어하기 위하여 계통전압(Vg)을 센싱하고, 위상고정루프(PLL)(321) 및 목표전류 연산부(322)를 통해서는 그 센싱된 계통전압(Vg)을 근거로 계통으로 공급하는 기준전류(ig.ref)를 계산하여 피드 포워드값을 생성한다. 그리고, 현재 계통으로 공급하는 계통전류(ig)를 센싱하여 상기 기준전류(ig.ref)를 추종하기 위한 PI 제어를 수행한다. 그리고, 상기 메인 제어부(300)는 상기 인버터(200)의 스위치들을 제어하기 위한 펄스폭변조신호(PWM3-PWM6)의 듀티비를 계산하여 해당 듀티비를 갖는 펄스폭변조신호(PWM3-PWM6)를 인버터(200)에 출력한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100 : 준공진형 포워드-플라이백 컨버터 110 : 1차측 회로부
120 : 트랜스포머 130 : 2차측 회로부
200 : 인버터 300 : 메인 제어부

Claims (7)

  1. 열전발전시스템으로부터 입력되는 입력전압을 목표 레벨의 전압으로 승압하여 출력하되, 보조 스위치와 클램프 커패시터를 구비하여 메인 스위치가 턴온되었을 때 누설 인덕터에 저장되었던 전기에너지가 상기 메인 스위치 오프 시 전압 스파이크 형태로 나타나는 것을 방지하고, 공진 커패시터를 구비하여 상기 메인 스위치가 턴온 상태에서 턴오프 상태로 전환될 때 상기 누설 인덕터와 공진하고 이에 의해 상기 메인 스위치를 통해 흐르는 전류량이 줄어들도록 하는 준공진형 포워드-플라이백 컨버터;
    상기 준공진형 포워드-플라이백 컨버터에서 출력되는 직류전압을 요구된 레벨의 교류전압으로 변환하여 계통전압에 연계시키는 인버터; 및
    상기 준공진형 포워드-플라이백 컨버터로 하여금 열전발전시스템의 최대 전력점을 추종하도록 제어하고, 계통전압의 센싱 결과를 근거로 상기 인버터의 구동을 제어하는 메인 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 포워드-플라이백 컨버터 기반의 열전발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 준공진형 포워드-플라이백 컨버터는
    트랜스포머의 제1코일에 공급되는 입력전압을 스위칭하여 상기 트랜스포머를 구동시키고, 상기 메인 스위치 및 상기 트랜스포머의 누설 인덕터에 저장되었던 전기에너지가 상기 메인 스위치 오프 시 전압 스파이크 형태로 나타나는 것을 방지하기 위하여 상기 누설 인덕터의 일측 단자와 상기 메인 스위치의 일측 단자의 사이에 직렬 연결된 상기 클램프 커패시터 및 상기 보조 스위치를 구비하는 1차측 회로부; 및
    상기 트랜스포머 제2 일차코일에 연결된 제1회로와 제2 이차코일에 연결된 제2회로를 포함하는 2차측 회로부를 구비하되,
    상기 제1회로는 상기 공진 커패시터를 구비하여 상기 누설 인덕터와 공진하고, 이에 의해 상기 메인 스위치를 통해 사인파 전류가 흘러 상기 메인 스위치가 턴온 상태에서 턴오프 상태로 전환될 때 상기 메인 스위치를 통해 흐르는 전류량이 0에 가깝도록 하는 것을 특징으로 하는 포워드-플라이백 컨버터 기반의 열전발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 클램프 커패시터는
    상기 메인 스위치가 오프될 때 상기 보조 스위치를 통해 상기 누설 인덕터의 전기 에너지를 전달받아 저장하였다가 상기 보조 스위치가 턴온될 때 상기 제2회로 측으로 전달하는 것을 특징으로 하는 포워드-플라이백 컨버터 기반의 열전발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 클램프 커패시터의 용량은 다음의 [수학식]으로 결정되는 것을 특징으로 하는 포워드-플라이백 컨버터 기반의 열전발전 시스템.
    Figure pat00009

    여기서, CC는 클램프 커패시터이고, Dmin는 최소 듀티비이고, TS는 메인 스위치의 스위칭 주기이고, Llk는 누설 인덕터이다.
  5. 제1항에 있어서, 상기 공진 커패시터의 용량은 다음의 [수학식]으로 결정되는 것을 특징으로 하는 포워드-플라이백 컨버터 기반의 열전발전 시스템.

    Figure pat00010

    여기서, Cr은 공진 커패시터이고, TS는 메인 스위치의 스위칭 주기이고, Llk는 누설 인덕터이고, CC는 클램프 커패시터이다.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    열전발전시스템의 전압 및 전류를 센싱하여 현재의 최대 전력점을 계산하고, 상기 최대 전력점에서의 기준전류를 계산하여 현재 상기 열전발전시스템의 전류값이 상기 기준전류를 추종하도록 PI 제어하는 것을 특징으로 하는 포워드-플라이백 컨버터 기반의 열전발전 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 메인 제어부는
    상기 준공진형 포워드-플라이백 컨버터의 출력전압이 목표전압을 유지하도록 하기 위하여, 상기 메인 스위치와 상기 보조 스위치의 스위칭 동작을 제어하기 위한 듀티비를 계산하여 해당 듀티비를 갖는 펄스폭변조신호를 각기 생성한 후 상기 펄스폭변조신호로 상기 메인 스위치와 상기 보조 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 포워드-플라이백 컨버터 기반의 열전발전 시스템.
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