KR20210066438A - Dab 컨버터 및 양극성 직류 배전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 DAB 컨버터는, 외부에서 입력받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 입력측 브릿지 회로; 상기 변환된 교류 전력을 절연된 상태로 전달하는 트랜스포머; 상기 트랜스포머의 출력측 일 단자에 일단이 연결된 출력측 제1 스위치와 출력측 제2 스위치; 상기 트랜스포머의 출력측 나머지 단자에 일단이 연결된 출력측 제3 스위치와 출력측 제4 스위치; 일단이 상기 트랜스포머의 출력측 일 단자와 연결된 제1 출력측 인덕터; 일단이 상기 트랜스포머의 출력측 나머지 단자와 연결된 제2 출력측 인덕터; 상기 제1 스위치의 타단과 상기 제1 출력측 인덕터의 타단에 연결된 제1 출력측 커패시터; 및 상기 제2 스위치의 타단과 상기 제2 출력측 인덕터의 타단에 연결된 제2 출력측 커패시터를 포함할 수 있다.

Description

DAB 컨버터 및 양극성 직류 배전 장치{Dual-Active-Bridge CONVERTER and BIPOLAR DC POWER DISTRIBUTION DEVICE}
본 발명은 DC 배전의 양극성 전압의 평형을 유지할 수 있는 DAB(Dual-Active-Bridge) DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
DC 배전은 직류 출력을 발생시키는 ESS, 신재생 에너지, DC 부하의 요구가 증가함에 따라 기존 AC 배전을 대체하는 새로운 시스템으로 각광 받고 있다. DC를 기반으로 하는 부하나 전원을 직접적으로 DC 배전에 접속시킬 수 있다는 장점으로 인해 전력 변환 손실이 감소하고, 에너지 효율을 높아지며, 제어가 쉬워지는 특징이 있다.
DC 배전 시스템은 크게 단극성과 양극성 방식으로 나뉜다. 단극성 방식은 하나의 DC 버스 전압으로 구성되어 시스템을 만들기 쉽다는 장점이 있으나 높은 전력을 내기 위해서는 전압이 높아져야 하고 배전선의 이상에 취약하며 감전의 위험성이 높다.
그에 반면, 양극성 방식은 두 개의 DC 버스 전압으로 이루어져 있어 단극성 방식에 비해 월등한 장점을 가지게 된다. 두 개의 DC 버스 전압으로 다양한 전압 레벨을 확보하여 더 넓은 전압 범위의 부하 및 전원에 접속 가능하다. 또한 한 쪽의 DC 버스 전압에 고장이 발생한 경우에도, 다른 한쪽의 DC 버스 전압으로 전력을 공급할 수 있기 때문에 전체 시스템의 안정도는 향상된다. 마지막으로 동일한 전력량 대비 배전 전압을 낮출 수 있어 감전의 위험이 줄어든다.
양극성 DC 배전을 만들기 위해서는 기본적으로 듀얼 액티브 브릿지(Dual-Active-Brdige, DAB) DC-DC 컨버터를 이용하여 AC 배전과 DC 배전간에 절연이 필요하다. 여기서 DAB DC-DC 컨버터는 절연과 출력전압 제어를 목적으로 사용될 수 있다.
그런데, 양극성 DC 배전은 단극성 배전 방식에 비해 DC 버스 전압이 2개로 이루어져 있다. 따라서 두 전압 간에 서로 다른 부하가 접속될 경우 두 전압에 불균형이 생기게 된다.
한편, 현재까지 제안된 양극성 DC 배전 회로들은 전력 변환 제어가 까다로우며, 양극성 DC 배전 자체가 새로운 기술이라서, 기존의 제어 방법을 이용할 수 없었다.
대한민국 공개공보 10-2019-007676호
본 발명은 양극성 DC 배전의 2개 DC 버스 전압 등 2개의 출력단 전압의 불균형을 억제할 수 있는 듀얼 액티브 브릿지 컨버터를 제공하고자 한다.
본 발명은 2개 DC 버스 전압의 제어가 용이한 양극성 직류 배전 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 양극성 직류 배전 장치는, 단상 직류단에 연결되며, 단상 직류단에서 입력받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 입력측 브릿지 회로와, 상기 변환된 교류 전력을 절연된 상태로 전달하는 트랜스포머와, 상기 트랜스포머가 전달한 교류 전력으로부터 출력측 직류 전력을 생성하는 출력측 브릿지 회로를 구비하는 DAB 컨버터부; 및 상기 출력측 브릿지 회로에서 출력되는 직류 전력을 양 출력단에 배분하는 전력 배분 회로를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전력 배분 회로는, 상기 출력측 브릿지 회로의 출력단에 연결된 인터리브 벅-부스트 타입 전압 평형기일 수 있다.
여기서, 상기 전력 배분 회로는, 상기 트랜스포머의 출력측 일 단자와 상기 양 출력단 중 상위 출력단의 마이너스단에 연결된 제1 출력측 인덕터; 상기 트랜스포머의 출력측 나머지 단자와 상기 양 출력단 중 하위 출력단의 플러스단에 연결된 제2 출력측 인덕터; 상기 상위 출력단의 플러스 단자와 마이너스 단자에 연결된 제1 출력측 커패시터; 및 상기 하위 출력단의 플러스 단자와 마이너스 단자에 연결된 제2 출력측 커패시터를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 DAB 컨버터는, 외부에서 입력받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 입력측 브릿지 회로; 상기 변환된 교류 전력을 절연된 상태로 전달하는 트랜스포머; 상기 트랜스포머의 출력측 일 단자에 일단이 연결된 출력측 제1 스위치와 출력측 제2 스위치; 상기 트랜스포머의 출력측 나머지 단자에 일단이 연결된 출력측 제3 스위치와 출력측 제4 스위치; 일단이 상기 트랜스포머의 출력측 일 단자와 연결된 제1 출력측 인덕터; 일단이 상기 트랜스포머의 출력측 나머지 단자와 연결된 제2 출력측 인덕터; 상기 제1 스위치의 타단과 상기 제1 출력측 인덕터의 타단에 연결된 제1 출력측 커패시터; 및 상기 제2 스위치의 타단과 상기 제2 출력측 인덕터의 타단에 연결된 제2 출력측 커패시터를 포함할 수 있다.
여기서, 외부로 직류 전력을 공급하기 위해, 상기 제1 출력측 커패시터의 양단에 제1 직류 출력단이 형성되고, 상기 제2 출력측 커패시터의 양단에 제2 직류 출력단이 형성될 수 있다.
상술한 구성에 따른 본 발명의 듀얼 액티브 브릿지 컨버터를 실시하면, 양극성 DC 배전의 2개 DC 버스 전압 등 2개의 출력단 전압의 불균형을 억제할 수 있는 이점이 있다.
상술한 구성에 따른 본 발명의 양극성 직류 배전 장치를 실시하면, DAB 컨버터의 제어 방법을 그대로 적용하여, 분배되는 2개의 DC 버스 전압의 제어가 용이한 이점이 있다.
본 발명의 듀얼 액티브 브릿지 컨버터는, 기존에 추가로 사용되던 전압 평형기의 역할을 겸하여 전력변환 효율과 전력밀도를 높일 수 있으며, 필요한 소자의 개수를 줄여 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극성 직류 배전 장치를 도시한 회로도.
도 2a는 벅-부스트 타입 전압 평형기를 도시한 회로도.
도 2b는 양방향(bidirectional) 벅-부스트 컨버터를 도시한 회로도.
도 3a는 인터리브(interleaved) 벅-부스트 타입 양방향(bidirectional) 벅-부스트 컨버터를 도시한 회로도.
도 3b는 인터리브(interleaved) 벅-부스트 타입 전압 평형기를 도시한 회로도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 DAB 컨버터 회로를 도시한 회로도.
도 5는 도 4의 DAB 컨버터에 대한 제어 신호 및 출력 신호들을 도시한 파형도.
도 6은 도 4의 DAB 컨버터의 하위 출력단 부하에 더 많은 전류가 공급되기 위해 양의 오프셋 전류가 형성되는 것을 도시한 파형도.
도 7은 도 4의 DAB 컨버터의 상위 출력단 부하에 더 많은 전류가 공급되기 위해 음의 오프셋 전류가 형성되는 것을 도시한 파형도.
도 8은 도 4의 DAB 컨버터의 양 출력단 부하에 동등한 전류가 공급되기 위해 영의 오프셋 전류가 형성되는 것을 도시한 파형도.
도 9는 도 4의 DAB 컨버터의 양 출력단 부하에 양극성 전압이 나타나는 것을 도시한 파형도.
도 10은 본 발명의 DAB 컨버터의 제어를 위한 알고리즘 수행 구조를 도시한 블록도.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명에서는 양극성 직류 배전 회로로서 종래 양방향 직류 전력 변환 용도로 사용되는 DAB 컨버터를 적용할 것을 제안한다. 그 결과, 위상을 이용한 PI 제어 등 기존의 DAB 컨버터에 대한 제어 기법을 양극성 직류 배전을 위한 전력 변환 제어에 이용할 수 있다.
상술한 사상을 구현한 일 실시예에 따른 양극성 직류 배전 장치를 도 1에 도시하였다.
도시한 양극성 직류 배전 장치는, 단상 직류단에 연결되며, 단상 직류단에서 입력받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 입력측 브릿지 회로(10)와, 상기 변환된 교류 전력을 절연된 상태로 전달하는 트랜스포머(20)와, 상기 트랜스포머가 전달한 교류 전력으로부터 출력측 직류 전력을 생성하는 출력측 브릿지 회로(40)를 구비하는 DAB 컨버터부; 및 상기 출력측 브릿지 회로(40)에서 출력되는 직류 전력을 양(pair) 출력단에 배분하는 전력 배분 회로(100)를 포함한다.
상기 전력 배분 회로는 공지된 전력 분배 회로 및/또는 전력 평활화 회로로 구현될 수 있다.
가장 단순한 전력 배분 회로로는 상기 양 출력단인 상위 직류 출력단과 하위 직류 출력단에 각각 병렬 연결된 2개의 임피던스 소자들로 이루어진 전압 분배기(voltage divider)가 될 수 있다. 이 경우, 상기 전압 분배기에 의한 양 출력단의 전력은 변동이 심하므로, 공지된 평활화 회로를 더 포함할 수 있다.
도 1에 도시한 상기 전력 배분 회로는, 상기 출력측 브릿지 회로의 출력단에 연결된 인터리브 벅-부스트 타입 전압 평형기로 구현되었다.
도시한 출력측 브릿지 회로(40)는, 정류 스위치인 4개의 MOSFET(41, 42, 43, 44)으로 구성될 수 있으며, 고전위 직류단의 전압을 안정화하기 위한 고전위 커패시터(49)를 더 포함할 수 있다.
별도의 출력전압 검출회로(미도시)에서 검출된 고전위 직류단 전압을 소정의 기준 전압과 비교하여 MOSFET의 게이트 폭을 조절하는 방식으로 고전위 직류단 출력전압을 일정하게 제어할 수 있다.
이를 위해, 상기 트랜스포머(20) 1차측 2 스위치(11, 14), 트랜스포머(20) 2차측 2 스위치(41, 44) 또는 트랜스포머(20) 1차측 제2 스위치(12, 13), 트랜스포머(20) 2차측 제2 스위치(42, 43)를 교대로 온(On) 시키거나 오프(Off) 시켜 에너지를 출력측으로 전달하며, 전달된 에너지는 정류 스위치인 4개의 MOSFET(41, 42, 43, 44)을 거쳐 직류(DC)의 형태로 변환하여 상기 고전위 직류단으로 공급하는 동작을 제어하는 제어부(미도시)를 구비할 수 있다.
상기 제어부의 동작 및 구성은 공지된 DAB 컨버터의 제어부와 거의 동일하므로 상세 설명은 생략하겠다.
도시한 인터리브(interleaved) 벅-부스트 타입 전압 평형기(100)에 대하여 설명하겠다.
도 2a 는 벅-부스트 타입 전압 평형기이며, 도 2b는 양방향(bidirectional) 벅-부스트 컨버터이다.
먼저, 기존 전압 평형기/컨버터의 분석부터 시작한다. 저전압 양극성(bipolar) DC 버스 구성을 위한 전압 평형기의 주요 구성을 나타내면 도 2a와 같다.
여기서 + V, LN 및 -V 기호는 각각 양극, 중성 및 음극 단자를 나타내고 임피던스 Z1 및 Z2는 dc 부하를 나타낸다. 도 2a에 도시한 전압 평형기의 기본 작동 모드를 분석하기 위해 Z1 <Z2 인 경우, 도시한 VT2는 PWM(Pulse-Width Modulation)에서 작동하는 1차 스위치 역할을 수행한다. 구체적으로, 인덕터의 전류는 일정한 기울기로 증가하고 VT2가 켜지면, 에너지가 인덕터(L)에 저장된다.
VT2가 꺼지면 인덕터 전류가 선형으로 감소하기 시작하고 저장된 에너지가 방출되고, 도시한 바와 같이 전압 평형기의 도움으로 불균형 전력이 양의 DC 부하로 흐르게 된다. 상위 출력단과 하위 출력단 사이의 불평형 전력은 -V 단자에서 + V 단자로 또는 스위치의 적절한 제어하에 다른 방향으로 흐르게 된다.
즉, 상술한 동작 모드는 도 2b에 도시한 양방향 벅-부스트 dc-dc 컨버터의 동작과 동일하다. 즉, Z1> Z2 일 때 VT1은 1차 스위치로서 기능하고 불평형 전력은 음의 DC 부하로 흐르고 그 반대도 마찬가지이다.
도 2a의 불균형 전력 흐름 제어에 대한 위의 분석에 따르면, 전압 평형기는 양방향 DC/DC 컨버터 회로 구조를 포함해야 하며, 여기서, 양방향 입력 및 출력 극성, 즉 이중 포트 극성 반전 변환기를 포함할 수 있다.
도 3a는 인터리브(interleaved) 벅-부스트 타입 양방향(bidirectional) 벅-부스트 컨버터이며, 도 3b는 인터리브(interleaved) 벅-부스트 타입 전압 평형기이다.
앞서 설명한 바와 같이, 도 3a의 인터리브(interleaved) 벅-부스트 타입 전압 평형기는, 기존의 인터리브(interleaved) 벅-부스트 타입 양방향(bidirectional) 벅-부스트 컨버터에서 파생된 것이다.
도 2a에 도시한 벅-부스트 타입 전압 평형기의 경우 인덕터에서 비교적 높은 전류 리플의 단점이 있다. 따라서 전류 리플을 처리하기 위해 부피가 큰 커패시터 또는 인덕터가 필요하다.
전압 평형기의 동적 특성은 큰 필터링 구성 요소의 영향을 받는 바, 전류 리플의 영향을 완화시키기 위해, 도 3a의 공지된 인터리빙 구조를 도입하여, 도 3b의 전압 평형기, 즉, 인터리브 벅-부스트 타입 전압 평형기를 구성하였다.
이론적으로 인터리빙 제어 알고리즘이 사용되는 경우, 인덕터에서 C1 또는 C2로 흐르는 총 리플 전류의 평균값은 0이 될 수 있다. 따라서, C1과 C2의 커패시턴스는 도 2a의 일반적인 벅-부스트 타입 전압 평형기에 비해 크게 감소될 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 실시예 1의 양극성 DC 배전을 구성하는 시스템은 도 1과 같이 DAB 컨버터(10, 20, 40)와 전압 평형기(100)의 2단 구성으로 이루어진다. 전기적 절연을 위해서 DAB 컨버터의 고주파 변압기를 이용하고, 양극성 전압을 제어하기 위하여 전압 평형기를 사용한 것이다.
그런데, 도 1과 같은 추가적인 전압 평형기(100) 회로는 무려 12개의 스위칭 소자들을 필요로 하여, 양극성 직류 배전 장치의 전체적인 전력 밀도와 전력 변환 효율을 낮추고 비용이 증가시킬 수 있다. 즉, 추가적인 전압 평형기 때문에 전력전자 관점에서 중요한 전력변환효율과 전력밀도에 악영향을 주며 경제성을 떨어뜨리고 있다.
본 실시예에서는 도 1에서와 같이 추가적인 전압 평형기 없이 양극성 전압 평형을 수행할 수 있는 새로운 DAB　컨버터 구성을 제안한다.
도 4는 본 실시예에 따른 DAB 컨버터 회로를 도시한 회로도이다.
도시한 DAB 컨버터는 두 전압에 서로 다른 부하가 있어도 양극성 전압 평형이 가능하다. 일반적인 DAB 컨버터 회로와 비교하면, 2개의 DC 인덕터(261, 262)와 2개의 출력단 캐패시터(271, 272)가 구비됨에 차이가 있다. 상기 2개의 출력단 캐패시터(271, 272)로 양극성 전압으로서, 상위 출력단 전압과 하위 출력단 전압을 형성할 수 있다. 즉, 도시한 DAB 컨버터는, 외부로 직류 전력을 공급하기 위해, 상기 제1 출력측 커패시터의 양단에 제1 직류 출력단이 형성되고, 상기 제2 출력측 커패시터의 양단에 제2 직류 출력단이 형성된다.
또한, 상기 DC 인덕터(261, 262) 전류의 도움으로 양극성 출력의 전력을 개별적으로 조절할 수 있게 된다.
그 결과, 양극성 출력의 부하 상황에 맞게 전력을 조절하여 양극성 전압의 평형을 유지할 수 있다. 본 실시예의 구성을 통해 양극성 DC 배전을 구성하는 전력변환장치의 전력 변환 효율 및 전력 밀도를 높이고 소자를 줄여 경제성도 확보할 수 있다.
도시한 DAB 컨버터는, 외부에서 입력받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 입력측 브릿지 회로(10); 상기 변환된 교류 전력을 절연된 상태로 전달하는 트랜스포머(20); 상기 트랜스포머(20)의 출력측 일 단자에 일단이 연결된 출력측 제1 스위치(241)와 출력측 제2 스위치(242); 상기 트랜스포머(20)의 출력측 나머지 단자에 일단이 연결된 출력측 제3 스위치(243)와 출력측 제4 스위치(244); 일단이 상기 트랜스포머(20)의 출력측 일 단자와 연결된 제1 출력측 인덕터(261); 일단이 상기 트랜스포머(20)의 출력측 나머지 단자와 연결된 제2 출력측 인덕터(262); 상기 제1 스위치(241)의 타단과 상기 제1 출력측 인덕터(261)의 타단에 연결된 제1 출력측 커패시터(271); 및 상기 제2 스위치(242)의 타단과 상기 제2 출력측 인덕터(262)의 타단에 연결된 제2 출력측 커패시터(272)를 포함한다.
도시한 DAB 컨버터는 2개의 직류 전압을 출력하는 다양한 용도로 사용될 수 있으며, 특히, 양극성 직류 배전 장치에서 직류 변환기 및 분배기(divider), 전압 평형기 역할을 함께 수행할 수 있다.
도 1에 도시한 양극성 직류 배전 장치 회로와 비교하면, 도 4의 트랜스포머(20) 출력단에 연결된 4개의 MOSFET 스위치(241 ~ 244)는, 도 1의 정류 동작을 수행하는 4개의 MOSFET 스위치(41 ~ 44)의 역할과 전압 평형 동작을 수행하는 4개의 MOSFET 스위치(141 ~ 144)의 역할을 겸하는 것으로 볼 수 있다. 다른 관점에서는, 도 1의 DAB 컨버터(10, 20, 40) 및 전압 평형기(100) 2단 구성에서, 전압 평형기(100) 부분을 도시한 2개의 인턱더(261, 262) 및 2개의 커패시터(271, 272)가 대체한 것으로 볼 수 있다.
후자의 관점에서, 상기 DAB 컨버터(10, 20, 40)에서 출력되는 고전위 직류 전압을 배분하고 평활하하여 양 출력단 직류 전력을 생성하는 전력 배분 회로는, 상기 트랜스포머(20)의 출력측 일 단자와 상기 양 출력단 중 상위 출력단의 마이너스단에 연결된 제1 출력측 인덕터(261); 상기 트랜스포머(20)의 출력측 나머지 단자와 상기 양 출력단 중 하위 출력단의 플러스단에 연결된 제2 출력측 인덕터(262); 상기 상위 출력단의 플러스 단자와 마이너스 단자에 연결된 제1 출력측 커패시터(271); 및 상기 하위 출력단의 플러스 단자와 마이너스 단자에 연결된 제2 출력측 커패시터(272)를 포함한 것으로 볼 수 있다.
다음, 본 실시예에서 제안하는 DAB 컨버터의 동작에 대하여 살펴보겠다.
도 5는 도 4의 DAB 컨버터에 대한 제어 신호 및 출력 신호들을 도시한 파형도이다.
도 6은 도 4의 DAB 컨버터의 하위 출력단 부하에 더 많은 전류가 공급되기 위해 양의 오프셋 전류가 형성되는 것을 도시한 파형도이고, 도 7은 도 4의 DAB 컨버터의 상위 출력단 부하에 더 많은 전류가 공급되기 위해 음의 오프셋 전류가 형성되는 것을 도시한 파형도이고, 도 8은 도 4의 DAB 컨버터의 양 출력단 부하에 동등한 전류가 공급되기 위해 영의 오프셋 전류가 형성되는 것을 도시한 파형도이다.
도 9는 도 4의 DAB 컨버터의 양 출력단 부하에 양극성 전압이 나타나는 것을 도시한 파형도이다.
본 발명에서 제안하는 새로운 DAB 컨버터의 스위칭 제어 방식은 그림 3에서 보이는 위상 제어를 기반으로 한다. 도 4에서 보이는
Figure pat00001
와
Figure pat00002
에 대해 도 5에서 보이는 것과 같은
Figure pat00003
와
Figure pat00004
간의 위상각
Figure pat00005
로 출력을 제어할 수 있다. 1차측 스위치(11 ~ 14)와 2차측 스위치(241 ~ 244)의 스위칭 동작에 의해
Figure pat00006
와
Figure pat00007
는 위상각
Figure pat00008
만큼 벌어진다. 1차측 스위치(11 ~ 14)에 대한 게이트 신호(S1-S4)와, 2차측 스위치(241 ~ 244)에 대한 게이트 신호(Q1-Q4)는 50%의 듀티 사이클을 가지고 있다. 출력에 전달되는 공식은 하기 수학식 1과 같다.
Figure pat00009
양극성 출력의 개별적인 전력 제어는 2차측 스위치(241 ~ 244)에 대한 게이트 신호(Q1-Q4)의 50% 듀티 사이클에 의해 수행된다. Q1-Q4의 스위칭에 의해 DC 인덕터(261, 262)에 전류
Figure pat00010
와
Figure pat00011
가 도 5와 같이 형성된다. 전류
Figure pat00012
와
Figure pat00013
는 양극성 부하 상황에 맞는 특정 오프셋 전류를 가지게 된다. 도 4에서 보이는 R1이 R2 보다 크다면, 전류
Figure pat00014
와
Figure pat00015
는 도 6과 같이 양의 오프셋 전류를 가지게 되어, 부하 R2로 더 많은 전류가 공급 가능해진다. 반대로 R1이 R2 보다 작다면, 전류
Figure pat00016
와
Figure pat00017
는 도 7과 같이 음의 오프셋 전류를 가지게 되어 부하 R1으로 더 많은 전류를 공급한다. R1과 R2가 같다면 도 8과 같이 오프셋 전류는 없이 R1과 R2로 동일한 전류를 공급한다. 이렇게 전류
Figure pat00018
와
Figure pat00019
에 의해 R1 혹은 R2의 부하상황에 맞게 전류를 더 공급하여 전력을 조절하여 양극성 전압의 평형을 유지할 수 있다.
양극성 전압은 도 9의 동작에 의해 수식화가 가능하다. 정상상태에서 한 주기 동안 Ldc1 인덕터(261)와 Ldc2 인턱터(262)에 인가되는 양단 전압은 항상 “0”을 유지하여야 한다. 양극성 전압을 구성하는 상위 출력단 전압(Vout1)과 하위 출력단 전압(Vout2)의 공식은 하기 수학식 2와 같다.
Figure pat00020
상기 수학식 2에서 D는 도 9에서 보이는 2차측 스위치(241 ~ 244)의 스위칭 듀티 사이클을 나타낸다. 2차측 스위치(241 ~ 244)에 적용된 듀티 사이클은 상기 도 5에서와 같이 항상 50%를 가진다. 즉 D는 0.5이기 때문에 상위 출력단 전압(Vout1)과 하위 출력단 전압(Vout2)은 정상상태에서 항상 같은 값을 가져 평형이 가능해짐을 알 수 있다.
제안하는 DAB 컨버터의 제어 방법의 알고리즘 수행 구조는 도 10과 같으며, 종래기술의 단상 양방향 DAB 컨버터의 경우와 유사하다. 각각의 양극성 전압의 합인 Vout(Vout1+Vout2)을 기준이 되는 양극성 전체 전압 레퍼런스(Vout(ref))와 비교하여 그 차이만큼을 PI 제어기(900)의 입력에 넣고, 출력으로 위상각
Figure pat00021
를 제어한다. 즉, 2차측 스위치(241 ~ 244)에 의해서 자동적으로 상위 출력단 전압(Vout1)과 하위 출력단 전압(Vout2)은 평형의 유지가 가능하기 때문에, 양극성 전압의 합(Vout)만을 PI 제어기(900)를 사용하여 제어하면 원하는 양극성 전압을 얻을 수 있다. 도시한 전력단(1000)은 도 1 또는 도 2의 양극성 직류 배전 장치 및 여기에 구비된 스위치들을 제어하는 스위칭 제어기(종래 DAB 컨버터를 위한 스위칭 제어기와 거의 동일함)를 포함할 수 있으며, 이 경우, 상기 양극성 전압의 합(Vout)은 제1 스위치(41, 241)와 제2 스위치(42, 242)의 직렬 연결 구성에 걸리는 전압으로 적용될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 입력측 브릿지 회로 20 : 트랜스포머
40 : 출력측 브릿지 회로 49 : 고전위 커패시터
241 : 출력측 제1 스위치 242 : 출력측 제2 스위치
243 : 출력측 제3 스위치 244 : 출력측 제4 스위치
261 : 제1 출력측 인덕터 262 : 제2 출력측 인덕터
271 : 제1 출력측 커패시터 272 : 제2 출력측 커패시터

Claims (5)

  1. 단상 직류단에 연결되며, 단상 직류단에서 입력받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 입력측 브릿지 회로와,
    상기 변환된 교류 전력을 절연된 상태로 전달하는 트랜스포머와,
    상기 트랜스포머가 전달한 교류 전력으로부터 출력측 직류 전력을 생성하는 출력측 브릿지 회로를 구비하는 DAB 컨버터부; 및
    상기 출력측 브릿지 회로에서 출력되는 직류 전력을 양 출력단에 배분하는 전력 배분 회로
    를 포함하는 양극성 직류 배전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 배분 회로는,
    상기 출력측 브릿지 회로의 출력단에 연결된 인터리브 벅-부스트 타입 전압 평형기인 양극성 직류 배전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 배분 회로는,
    상기 트랜스포머의 출력측 일 단자와 상기 양 출력단 중 상위 출력단의 마이너스단에 연결된 제1 출력측 인덕터;
    상기 트랜스포머의 출력측 나머지 단자와 상기 양 출력단 중 하위 출력단의 플러스단에 연결된 제2 출력측 인덕터;
    상기 상위 출력단의 플러스 단자와 마이너스 단자에 연결된 제1 출력측 커패시터; 및
    상기 하위 출력단의 플러스 단자와 마이너스 단자에 연결된 제2 출력측 커패시터
    를 포함하는 양극성 직류 배전 장치.
  4. 외부에서 입력받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 입력측 브릿지 회로;
    상기 변환된 교류 전력을 절연된 상태로 전달하는 트랜스포머;
    상기 트랜스포머의 출력측 일 단자에 일단이 연결된 출력측 제1 스위치와 출력측 제2 스위치;
    상기 트랜스포머의 출력측 나머지 단자에 일단이 연결된 출력측 제3 스위치와 출력측 제4 스위치;
    일단이 상기 트랜스포머의 출력측 일 단자와 연결된 제1 출력측 인덕터;
    일단이 상기 트랜스포머의 출력측 나머지 단자와 연결된 제2 출력측 인덕터;
    상기 제1 스위치의 타단과 상기 제1 출력측 인덕터의 타단에 연결된 제1 출력측 커패시터; 및
    상기 제2 스위치의 타단과 상기 제2 출력측 인덕터의 타단에 연결된 제2 출력측 커패시터
    를 포함하는 DAB 컨버터.
  5. 제4항에 있어서,
    외부로 직류 전력을 공급하기 위해,
    상기 제1 출력측 커패시터의 양단에 제1 직류 출력단이 형성되고,
    상기 제2 출력측 커패시터의 양단에 제2 직류 출력단이 형성되는 DAB 컨버터.

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