KR20200053144A - 다출력 컨버터 - Google Patents

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류명효
권민호
김명호
김호성
박시호
백주원
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한국전기연구원
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Abstract

본 출원은 다출력 컨버터에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 다출력 컨버터는, 직류의 입력 전압을 제1 교류 전압으로 변환하며, 상기 제1 교류 전압을 출력하는 복수의 연결단자를 포함하는 입력부; 및 상기 연결단자와 각각 연결되며, 상기 제1 교류 전압을 제2 교류전압으로 변압하고, 상기 제2 교류 전압을 직류의 출력전압으로 변환하는 복수의 출력부를 포함할 수 있다.

Description

다출력 컨버터 {MULTI-OUTPUT CONVERTER}
본 출원은 다출력 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 출력전원을 제공하는 복수의 출력부들을 용이하게 모듈화할 수 있는 다출력 컨버터에 관한 것이다.
신재생에너지(New Renewable Energy)는 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지로서, 지속 가능한 에너지 공급체계를 위한 미래 에너지원을 그 특성으로 한다.
유가의 불안정과 기후변화협약의 규제 대응 등으로 인해 그 중요성이 커지고 있으며, 한국에서는 태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지의 재생에너지 분야와, 연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지의 신에너지 분야가 신재생에너지로 지정되어 있다.
신재생에너지 발전시스템은 전력변환장치(Power Converter)를 필요로 한다. 특히 MVDC(Middle Voltage Direct Current)-LVDC(Low Voltage DirectCurrent), LVDC-LVDC 시스템 등에서 다양한 직류 전원이 요구된다.
기존의 직류 배전 시스템은 DC-link 전압에서 직류를 이용하는 가전, 전기 자동차, 에너지 저장시스템, 신재생 에너지원을 연계하기 위하여 각 부하 특성에 맞는 컨버터를 각각 설치해야 한다.
예를 들어, 4개의 부하에 직류를 제공하기 위해선 4개의 개별 컨버터가 필요하였다. 부하 마다 개별적으로 컨버터를 적용하는 경우 요구되는 컨버터의 개수가 증가하여 설치에 필요한 규모와 비용이 증가하는 문제점이 있다.
또한, 다양한 전압 환경에 맞추어 다양한 전압 레벨을 가지는 출력전원을 유동적으로 생성할 수 있는 컨버터는 아직 제공되지 않고 있는 실정이다.
본 출원은, 입력전원을 이용하여 하나 이상의 출력 전원을 제공할 수 있는 다출력 컨버터를 제공하고자 한다.
본 출원은, 변압기를 분리하여 출력부에 포함함으로써, 복수의 출력부를 용이하게 모듈화할 수 있는 다출력 컨버터를 제공하고자 한다.
본 출원은, 컨버터의 구성을 모듈화하여 필요에 따라 그 구성을 유동적으로 변경시킬 수 있으며, 컨버터 개수의 증가없이 여러 부하에 직류를 배전할 수 있는 다출력 컨버터를 제공하고자 한다.
본 출원은, 다양한 출력 전원을 조합하여 다양한 크기의 전압레벨을 출력할 수 있는 다출력 컨버터를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다출력 컨버터는, 직류의 입력 전압을 제1 교류 전압으로 변환하며, 상기 제1 교류 전압을 출력하는 복수의 연결단자를 포함하는 입력부; 및 상기 연결단자와 각각 연결되며, 상기 제1 교류 전압을 제2 교류전압으로 변압하고, 상기 제2 교류 전압을 직류의 출력전압으로 변환하는 복수의 출력부를 포함할 수 있다.
여기서 상기 출력부는, 상기 제1 교류 전압을 설정권선비에 따라 상기 제2 교류전압으로 변압하는 변압모듈; 및 상기 제2 교류전압을 정류하여 직류의 출력전압으로 변환하는 파워스택 모듈을 포함할 수 있다.
여기서 상기 파워 스택 모듈은, 풀-브릿지 컨버터, 하프 브릿지 컨버터 및 NPC 컨버터 중 어느 하나일 수 있으며, 양방향으로 전력을 전달가능하도록 구현될 수 있다.
여기서, 상기 입력부는 상기 파워 스택 모듈을 포함하고, 상기 파워 스택 모듈을 이용하여 상기 입력 전압을 상기 제1 교류 전압으로 변환할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 의한 다출력 컨버터는, 서로 다른 출력부의 출력단자들 사이를 각각 개방(open) 또는 폐쇄(close)하는 복수의 스위치들을 포함하여, 상기 출력단자에서 출력되는 출력전압의 경로를 제어하는 출력스위치부를 더 포함할 수 있다.
여기서 상기 출력스위치부는, 서로 다른 출력부의 출력단자를 직렬 또는 병렬로 연결하여, 상기 출력스위치부에서 출력되는 최종출력단자의 개수 또는 최종출력전압의 크기를 제어할 수 있다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다출력 컨버터는, 변압기를 분리하여 각각의 출력부에 포함하므로, 단입력-다출력 구조의 컨버터에서 변압기 설계를 단순화할 수 있으며, 복수의 출력부들을 용이하게 모듈화하는 것이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다출력 컨버터에 의하면, 컨버터의 구성을 모듈화할 수 있으므로, 필요에 따라 그 구성을 유동적으로 변경시킬 수 있으며, 컨버터 개수의 증가없이 여러 부하에 직류를 배전하는 것이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다출력 컨버터에 의하면, 다양한 출력 전원을 조합하여 다양한 크기의 전압 레벨을 외부 부하 등에 제공할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 의한 다출력 컨버터를 나타내는 개략도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 의한 다출력 컨버터의 입력부 및 출력부를 나타내는 개략도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 의한 다출력 컨버터의 파워스택모듈을 나타내는 개략도이다.
도4는 출력스위치부를 포함하는 다출력 컨버터를 나타내는 개략도이다.
도5는 출력스위치부에 따른 다출력 컨버터의 최종출력전압을 나타내는 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "~부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 의한 다출력 컨버터를 나타내는 개략도이다.
도1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 의한 다출력 컨버터(100)는 입력부(110) 및 출력부(120)를 포함할 수 있다.
이하 도1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 다출력 컨버터(100)를 설명한다.
다출력 컨버터(100)는 직류-직류 컨버터일 수 있으며, 단일 입력에 대하여 다수의 출력을 제공할 수 있다. 즉, 다출력 컨버터(100)는 도1에 도시한 바와 같이, 일정한 크기의 입력전압(Vin)을 입력받을 수 있으며, 이를 변환하여 복수의 출력 전압(Vout1 내지 Vout4)들을 출력할 수 있다.
입력부(110)는 직류의 입력전압(Vin)을 제1 교류 전압으로 변환할 수 있으며, 변환한 제1 교류 전압을 복수의 연결단자를 통하여 출력할 수 있다. 도2(a)에 도시한 바와 같이, 입력부(110)는 하나의 파워스택모듈(111)을 포함할 수 있으며, 파워스택모듈(111)을 이용하여 입력전압을 제1 교류 전압으로 변환할 수 있다.
여기서, 파워스택듈(111)은 도3에 도시한 바와 같이, 복수의 스위치와 커패시터 등을 포함할 수 있으며, 스위치들의 스위칭 동작에 의하여 직류의 입력전압(Vin)을 제1 교류전압으로 변환할 수 있다. 각각의 스위치들은 제어부(미도시)에 의하여 동작이 제어될 수 있으며, 변환된 제1 교류 전압은 이후 출력부(120)로 인가될 수 있다. 파워스택모듈(111)은 도3(a)에 도시한 바와 같이 풀-브릿지 컨버터의 구조를 가질 수 있으며, 이외에도 도3(b)의 NPC 컨버터, 도4(c)의 하프-브리지 컨버터 등 다양한 종류의 컨버터 구조로 구현할 수 있다.
도2(a)를 참조하면, 입력부(110)에는 입력전압(Vin)이 인가될 수 있으며, 파워스택모듈(111)은 직류의 입력전압(Vin)을 제1 교류 전압으로 변환할 수 있다. 이후, 변환된 제1 교류 전압은 복수의 연결단자(t1-t1' 내지 t4-t4')로 각각 출력할 수 있다. 즉, 제1 교류전압은 복수의 연결단자(t1-t1' 내지 t4-t4')를 통하여 출력되므로, 입력부(110)를 복수개 포함하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 다만, 입력부(110)를 복수개의 구비하는 경우에 비하여, 각각의 입력부(110)에 포함되는 파워스택모듈(111) 등을 생략할 수 있으므로, 다출력 컨버터(100)의 사이즈를 줄일 수 있으며, 소요되는 비용을 절감하는 것이 가능하다.
출력부(120)는 도1에 도시한 바와 같이 복수개 구비될 수 있으며, 각각의 출력부(120)는 연결단자(t1-t1' 내지 t4-t4')와 연결될 수 있다. 출력부(120)는 연결단자(t1-t1' 내지 t4-t4')를 통하여 전달받는 제1 교류 전압을 제2 교류전압으로 변압할 수 있으며, 변압된 제2 교류전압을 다시 직류의 출력전압으로 변환할 수 있다. 여기서, 출력부(120)에서 변압하는 제2 교류전압의 크기는 각각의 출력부(120)에 연결된 부하 등이 요구하는 전압레벨 등에 따라 조절될 수 있다. 구체적으로, 출력부(120)는 도2(b)에 도시한 바와 같이, 변압모듈(121) 및 파워스택모듈(122)를 포함할 수 있다.
변압모듈(121)은 제1 교류 전압을 설정권선비에 따라 제2 교류전압으로 변압할 수 있다. 즉, 설정권선비에 따라 제1 교류 전압을 승압하거나 강압하여 제2 교류전압을 생성할 수 있다. 여기서, 변압모듈(121)은 각각의 출력부(120) 내에 포함될 수 있으며, 변압모듈(121)은 입력부(110)의 연결단자(t1-t1' 내지 t4-t4')와 직접 연결될 수 있다.
종래에는, 하나의 변압기에 복수의 출력부들을 연결하는 등의 방식으로 다출력 컨버터를 구현하였다. 그러나, 이 경우 복수의 파워스택 모듈들이 하나의 변압기에 연결되므로, 다수의 출력을 제어하기 위한 제어 알고리즘이 복잡해지는 등의 문제점이 존재하였다. 또한, 출력부가 추가되는 등의 경우마다 변압기에 대한 설정 등을 조절하여야 하므로, 모듈화하여 적용하기 어려운 등의 문제점도 존재하였다.
반면에, 본 발명의 일 실시예에 의한 다출력 컨버터는, 출력부(120) 내에 개별적으로 변압모듈(121)을 포함하므로, 각각의 출력부(120)마다 개별적으로 변압을 수행할 수 있다. 이 경우, 각각의 출력부(120) 별로 제어가 가능하므로 다른 출력부(120)가 더 포함되어도 추가적인 설정변경 등이 불필요하며, 각각의 출력부(120)별로 용이하게 모듈화하는 것이 가능하다.
한편, 출력부(120)에 포함되는 파워스택 모듈(122)은 제2 교류전압을 정류하여 직류의 출력전압으로 변환하는 것일 수 있다. 다만, 출력부(120)에 포함되는 파워스택 모듈(122)은, 입력부(110)에 포함된 파워스택 모듈(111)과 동일한 것으로, 파워스택 모듈(122)에 포함된 각각의 스위치들의 스위칭 동작에 따라, 각각 상이하게 동작할 수 있다.
즉, 제어부(미도시)의 제어에 따라, 파워스택 모듈(122)이 직류의 전압을 교류전압으로 변환하도록 하거나, 교류의 전압을 직류전압으로 변환하도록 할 수 있다. 따라서, 제어부(미도시)의 제어에 따라, 입력부(100)로부터 수신한 입력전력을 출력부(120)를 통하여 출력하거나, 출력부(120) 중 어느 하나로부터 수신한 입력전압을 다른 출력부(120) 또는 입력부(110)로 전송하는 것도 가능하다. 예를들어, 출력부(120)에 연결된 부하가 에너지 저장시스템이나 신재생에너지발전기 등인 경우에는, 출력부(120)를 통하여 입력전력을 제공받는 경우가 존재할 수 있다. 이에 대비하여, 다출력 컨버터(100)의 파워스택 모듈(111, 122)은 양방향으로 전력을 전달하도록 구현될 수 있으며, 이를통하여 직류 배전 시스템의 유동성을 증가시킬 수 있다.
구체적으로, 파워스택 모듈(111, 122)은 풀-브릿지(Full-Bridge) 컨버터, 하프 브릿지(Half-Bridge) 컨버터, NPC(Neutral Point Clamped) 컨버터 등으로 구현할 수 있다. 여기서, 도3(a)는 풀-브릿지 컨버터, 도3(b)는 NPC 컨버터, 도4(c)는 하프-브릿지 컨버터를 예시한 것이다.
추가적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 다출력 컨버터는, 도4에 도시한 바와 같이, 출력스위치부(130)를 더 포함할 수 있다.
출력스위치부(130)는 서로 다른 출력부(120)들의 출력단자들 사이를 연결하는 복수의 스위치(s1 내지 s9)들을 포함할 수 있으며, 각각의 스위치(s1 내지 s9)들을 개방 또는 폐쇄하여 출력단자에서 출력되는 출력전압의 경로를 제어할 수 있다. 여기서, 스위치 s1 내지 s6은 출력부(120)들을 병렬연결하기 위한 스위치이고, 스위치 s7 내지 s9는 출력부(120)들을 직렬 연결을 위한 스위치에 해당한다. 즉, 출력스위치부(130)의 스위치의 동작에 따라 출력부(130)들의 직렬연결 또는 병렬연결이 결정될 수 있으며, 이를 통하여 출력스위치부(130)에서 출력되는 최종출력단자의 개수 또는 최종출력전압의 크기가 제어될 수 있다.
예를들어, 도5(a)에 도시한 바와 같이, 출력부(120)의 출력전력들을 하나의 외부 부하에 전달하고자 하는 경우, 출력스위치부(130)의 스위치(s1 내지 s6)를 폐쇄하고, 스위치(s7 내지 s9)를 개방할 수 있다. 이 경우, 복수의 출력부(120)들은 병렬연결되어 하나의 부하에 연결될 수 있다.
다른 예를들면, 출력스위치부(130)에 포함된 각 스위치들의 개방 또는 폐쇄를 제어하여, 출력부(120) 중 일부는 병렬연결하고, 나머지는 직렬연결하는 것도 가능하다. 실시예에 따라서는, 도5(b)에 도시한 바와 같이 2개의 출력부(130)를 각각 직렬연결하고, 직렬연결된 2개의 출력부(130)들을 서로 병렬연결하도록 할 수 있다.
또한, 출력스위치부(130)의 스위치(s1 내지 s6)를 개방하고, 스위치(s7 내지 s9)를 폐쇄하여, 출력부(120)들이 모두 직렬 연결하는 것도 가능하다. 이 경우, 도5(c)에 도시한 바와 같이, 1500V의 큰 전압값을 가지는 출력전력을 출력할 수 있다.
이외에도, 출력부(120)의 출력전력들을 각각의 출력부(120)에 대응하는 외부 부하들에 전달하고자 하는 경우에는, 스위치(s1 내지 s9)를 모두 개방하는 것도 가능하다. 즉, 각각의 출력부(120)는 외부 부하에 각각 출력전력을 전달하는 직렬의 연결경로를 형성할 수 있다. 따라서, 도1에 도시한 바와 같이, 각 부하들은 각각의 출력부(120)로부터 직류 전압(Vout1, Vout2, Vout3, Vout4)를 가지는 출력전력을 제공받을 수 있다.
상술한 바와 같이, 출력스위치부(130)의 동작에 따라 외부의 부하에 인가되는 출력전압의 크기가 달라질 수 있다. 예를들어, 출력부(120)의 출력전압은 저압 직류배전에서 주로 사용되는 380V일 수 있으며, 보다 큰 레벨의 전압을 출력하기 위하여, 출력스위치부(130)는 출력부(130)의 출력단자들을 직렬연결할 수 있다. 이때, 2개의 출력부(130)를 직렬연결하는 경우에는 750V의 최종출력전압을 형성할 수 있다. 또한, 도1의 출력부(120)들을 모두 직렬연결하는 경우에는 최대 1500V의 최종출력전압을 형성할 수 있다.
또한, 다출력 컨버터(100)에 포함되는 출력부(120)의 개수는 도1에 도시된 바와 같이, 4개에 한정되는 것은 아니며, 그 이상 또는 그 이하의 개수로 구성될 수 있다. 마찬가지로, 출력스위치부(130)는 도3에 도시한 바와 같이 스위치(s1 내지 s9)에 한정되지 않으며, 출력부(120)를 직렬 또는 병렬로 연결하기 위한 다양한 구성으로 포함될 수 있다. 여기서, 출력스위치부(130)는 서로다른 출력부(120)의 출력단자들 사이를 개방 또는 폐쇄하기 위한 것으로서, BJT(Bipolar Juncton Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor), IGBT(Insulated Gate Biploar Transistor) 등일 수 있다.
한편, 다출력컨버터(100)에는 다양한 종류의 부하 등이 연결될 수 있으며, 각각의 부하들은 직류 전원을 필요로 하거나 직류 전원을 공급할 수 있다. 예를들어, 가전 제품, 전기 자동차, 에너지 저장 시스템 또는 신재생에너지 등이 부하로 연결될 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
100: 다출력 컨버터 110: 입력부
111, 122: 파워스택모듈 120: 출력부
121: 변압모듈 130: 출력스위치부

Claims (7)

  1. 직류의 입력 전압을 제1 교류 전압으로 변환하며, 상기 제1 교류 전압을 출력하는 복수의 연결단자를 포함하는 입력부; 및
    상기 연결단자와 각각 연결되며, 상기 제1 교류 전압을 제2 교류전압으로 변압하고, 상기 제2 교류 전압을 직류의 출력전압으로 변환하는 복수의 출력부를 포함하는 다출력 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 출력부는
    상기 제1 교류 전압을 설정권선비에 따라 상기 제2 교류전압으로 변압하는 변압모듈; 및
    상기 제2 교류전압을 정류하여 직류의 출력전압으로 변환하는 파워스택 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 다출력 컨버터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 파워 스택 모듈은
    풀-브릿지 컨버터, 하프 브릿지 컨버터 및 NPC 컨버터 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다출력 컨버터.
  4. 제2항에 있어서, 상기 파워 스택 모듈은
    양방향으로 전력을 전달가능하도록 구현된 것을 특징으로 하는 다출력 컨버터.
  5. 제3항에 있어서, 상기 입력부는
    상기 파워 스택 모듈을 포함하고, 상기 파워 스택 모듈을 이용하여 상기 입력 전압을 상기 제1 교류 전압으로 변환하는 것을 특징으로 하는 다출력 컨버터.
  6. 제1항에 있어서,
    서로 다른 출력부의 출력단자들 사이를 각각 개방(open) 또는 폐쇄(close)하는 복수의 스위치들을 포함하여, 상기 출력단자에서 출력되는 출력전압의 경로를 제어하는 출력스위치부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다출력 컨버터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 출력스위치부는
    서로 다른 출력부의 출력단자를 직렬 또는 병렬로 연결하여, 상기 출력스위치부에서 출력되는 최종출력단자의 개수 또는 최종출력전압의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 다출력 컨버터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20220170261A (ko) 2021-06-22 2022-12-29 경북대학교 산학협력단 지그재그 변압기를 이용한 바이폴러 전력변환장치

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