KR20220163168A - 교류-직류 컨버터 및 이를 이용한 전력 변환 방법 - Google Patents
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Abstract
교류-직류 컨버터, 이를 이용한 전력 변환 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 교류-직류 컨버터는 1차측 권선에 인가된 전압을 턴 수에 비례하여 2차측 권선에 유도하는 변압기; 풀브리지 방식으로 연결된 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치 및 제4 스위치를 포함하는 풀브리지 회로의 입력단이 전압원에 연결되고, 상기 풀브리지 회로의 출력단이 상기 변압기의 1차측 권선에 연결되는 1차측 회로부; 직렬로 연결된 제5 스위치 및 제6 스위치를 포함하는 양방항 스위치 회로가 상기 변압기의 2차측 권선과 부하 사이에 병렬로 연결되는 2차측 회로부 및 상기 전압원으로부터 상기 부하에 인가되는 교류 전압의 직류 변환을 위해 PWM 제어를 이용하여 상기 풀브리지 회로와 상기 양방향 스위치 회로의 스위칭 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.
Description
본 발명은 전력전자 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스위칭 손실이 적은 고효율의 교류-직류 컨버터 및 이를 이용한 전력 변환 기술에 관한 것이다.
교류-직류 컨버터는 교류 그리드와 직류 장비 사이의 인터페이스로서, 주거용 건물 및 전기 자동차 충전기 같은 많은 신흥 산업에서 발견되는 중요한 동력 전자 구성 요소이다. 교류-직류 컨버터는 IED61000-3-2 기준을 만족하기 위해 높은 역률과 낮은 왜곡률을 필요로 하며, ENERGY STAR 인증을 받기 위해, 넓은 부하 범위에서 교효율에 도달할 수 있어야 한다.
종래 교류-직류 컨버터는 하프 브릿지 LLC, 위상 천이 풀 브릿지, 듀얼 액티브 브릿지등의 소프트 스위칭이 가능한 토폴로지 등이 나왔으나, 2개의 분리된 파워 스테이지와 부피가 큰 디씨 링크 커패시터 때문에 전력밀도가 제한되는 등의 문제점이 있었다.
해결책으로 언폴딩 구조의 교류-직류 컨버터가 제안되었다. 언폴딩 구조의 교류-직류 컨버터는 front-end boost stage를 제거하고 절연형 직류-직류 컨버터로 boost function을 실현한다. 이에 따른 언폴딩 구조의 듀얼 직렬 공진 컨버터 등의 토폴로지가 제안되었으나, 스위치를 한 개만 쓰는 토폴로지 기반의 컨버터는 출력 파워가 제한적이었다.
또한, 전류형 풀 브릿지 컨버터에 보조회로를 달아 추가 정류통로를 만들어 모든 active power 구성요소가 영전류 스위칭 작동을 가능하게 함으로서 전도손실을 줄일수 있는 토폴로지가 새로 제안되었으나 필요한 소자수가 많은 단점이 있다.
교류-직류 컨버터에선 보조회로가 없어도 모든 스위치들이 영전압 스위칭이 가능하며, 제어가 쉬운 듀얼 액티브 브릿지회로가 주로 선호되어왔다. 그러나 이런 회로는 넓은 부하 범위에서 영전압 스위칭이 힘드므로 영전압 스위칭의 범위를 늘리기 위해 언폴딩 구조에 기반한 듀얼 액티브 브릿지형 교류-직류 컨버터가 제안되었다.
그러나, 언폴딩 구조의 컨버터들은 계통 전압의 최고점 근처에서 hard switching turn off를 겪어 시스템의 효율을 낮추는 결과를 초래하는 문제점이 있었다.
한편, 한국공개특허 제 10-2018-0070447 호“단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC- DC 컨버터”는 인터리빙 PFC 회로를 이용하여 역률 제어, 배터리 충전 및 전류를 통합 제어하고, 전해 캐패시터 대신 필름형 캐패시터를 이용하여 리플이 작아 스위칭 손실을 감소시킨 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC- DC 컨버터에 관하여 개시하고 있다.
본 발명은 계통 주기에서의 스위칭 손실을 최소화하고 고효율의 교류-직류 변환을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 데이터 센터에 활용되는 AC-DC 컨버터, 통신용 정류기, 전기차 충전기에 활용하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 교류-직류 컨버터는 1차측 권선에 인가된 전압을 턴 수에 비례하여 2차측 권선에 유도하는 변압기; 풀브리지 방식으로 연결된 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치 및 제4 스위치를 포함하는 풀브리지 회로의 입력단이 전압원에 연결되고, 상기 풀브리지 회로의 출력단이 상기 변압기의 1차측 권선에 연결되는 1차측 회로부; 직렬로 연결된 제5 스위치 및 제6 스위치를 포함하는 양방항 스위치 회로가 상기 변압기의 2차측 권선과 부하 사이에 병렬로 연결되는 2차측 회로부 및 상기 전압원으로부터 부하에 인가되는 교류 전압의 직류 변환을 위해 PWM 제어를 이용하여 상기 풀브리지 회로와 상기 양방향 스위치 회로의 스위칭 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.
이 때, 상기 1차측 회로부는 상기 전압원과 상기 풀브리지 회로의 입력단 사이에 병렬로 다이오드 정류기가 더 연결될 수 있다.
이 때, 상기 양방향 스위치는 상기 제5 스위치의 드레인 단자가, 상기 부하의 양의 단자에 연결되고, 상기 제5 스위치의 소스 단자가 상기 제6 스위치의 드레인 단자에 연결되고, 상기 제6 스위치의 소스 단자가, 상기 부하의 음의 단자에 연결될 수 있다.
이 때, 상기 2차측 회로부는 상기 양방향 스위치와 상기 부하 사이에, 상기 부하에 인가되는 출력 전압을 증폭 시키는 전압 더블러가 더 연결될 수 있다.
이 때, 상기 전압 더블러는 제1 다이오드, 제2 다이오드, 제1 커패시터 및 제2 커패시터를 포함하고, 상기 제1 다이오드와 상기 제2 다이오드 사이 노드에 상기 제5 스위치의 드레인 단자가 연결되고, 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터 사이 노드에 상기 제6 스위치의 소스 단자가 연결될 수 있다.
이 때, 상기 제어부는 1차측 듀티 사이클에 기반하여 상기 제1 스위치 및 제4 스위치를 포함하는 제1 스위치 쌍과 상기 제2 스위치 및 제3 스위치를 포함하는 제2 스위치 쌍을 교번적으로 ON/OFF 스위칭 하고, 2차측 듀티 사이클에 기반하여 상기 제5 스위치와 상기 제6 스위치를 교번적으로 ON/OFF 스위칭 할 수 있다.
이 때, 상기 제어부는 상기 제1 스위치 쌍이 ON 될 때, 상기 제6 스위치를 ON 하고, 상기 제2 스위치 쌍이 ON 될 때, 상기 제5 스위치를 ON 할 수 있다.
이 때, 상기 제어부는 상기 제1 스위치 쌍이 OFF 될 때, 상기 2차측 듀티 사이클에 기반한 기설정된 시간 이후, 상기 제6 스위치를 OFF 하고, 상기 제2 스위치 쌍이 OFF 될 때, 상기 2차측 듀티 사이클에 기반한 기설정된 시간 이후, 상기 제5 스위치를 OFF 할 수 있다.
이 때, 상기 1차측 듀티 사이클은 0.5 이고, 상기 2차측 듀티 사이클은 0.5+D(D는 0.5 이하의 실수) 일 수 있다.
이 때, 상기 2차측 듀티 사이클의 D 값은 상기 전압원이 인가하는 전압의 크기 변화 및 상기 부하에 인가되는 전압의 크기에 기반하여 결정될 수 있다.
이 때, 상기 제어부는 상기 부하에 인가되는 전압의 크기를 피드백 받고, 상기 부하에 인가되는 전압과 상기 부하에서 요구하는 전압의 차이값에 기반하여 상기 2차측 듀티 사이클의 D 값을 결정할 수 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 교류-직류 컨버터를 이용한 전력 변환 방법은 교류-직류 컨버터를 이용한 전력 변환 장치의 교류-직류 컨버터를 이용한 전력 변환 방법에 있어서, 전압원으로부터 부하에 인가되는 교류 전압의 직류 변환을 위해 PWM 제어를 이용하여 상기 전압원과 상기 부하에 사이에 연결된 교류-직류 컨버터의 1차측 회로의 스위칭 동작을 제어하는 제1 제어 신호를 생성하는 단계; 상기 전압원의 전압의 크기 변화와 상기 부하에 인가되는 전압에 기반하여 상기 교류-직류 컨버터 회로의 2차측 회로의 스위칭 동작을 제어하는 제2 제어 신호를 생성하는 단계; 및 상기 교류-직류 컨버터가, 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호에 기반하여 스위칭 동작을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명은 계통 주기에서의 스위칭 손실을 최소화하고 고효율의 교류-직류 변환을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 데이터 센터에 활용되는 AC-DC 컨버터, 통신용 정류기, 전기차 충전기에 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 교류-직류 컨버터의 등가 회로를 나타낸 회로도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 교류-직류 컨버터의 한 사이클의 스위칭 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 도 2 내지 도 5에 도시된 교류-직류 컨버터의 한 사이클의 스위칭 동작에 대한 소자들의 전압 및 전류 변화의 일 예를 세부적으로 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전압원의 교류 전압 한 사이클에 대한 교류-직류 컨버터의 스위칭 동작 과정에 대한 소자들의 전압 및 전류 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 교류-직류 컨버터를 이용한 전력 변환 방법을 나타낸 동작흐름도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 교류-직류 컨버터의 한 사이클의 스위칭 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 도 2 내지 도 5에 도시된 교류-직류 컨버터의 한 사이클의 스위칭 동작에 대한 소자들의 전압 및 전류 변화의 일 예를 세부적으로 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전압원의 교류 전압 한 사이클에 대한 교류-직류 컨버터의 스위칭 동작 과정에 대한 소자들의 전압 및 전류 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 교류-직류 컨버터를 이용한 전력 변환 방법을 나타낸 동작흐름도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
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.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 교류-직류 컨버터의 등가 회로를 나타낸 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 교류-직류 컨버터는 전압원(110), 변압기(120), 1차측 회로부(130), 2차측 회로부(140), 제어부(미도시)를 포함한다.
전압원(110)은 계통으로부터 입력되는 계통 전압으로, 교류 전압원에 상응할 수 있고, 입력 전압(vg)와 입력 전류(ig)를 1차 회로부(130)에 인가할 수 있다.
Lf 와 Cin 은 LC 필터에 상응할 수 있고, DR 은 다이오드 정류기에 상응할 수 있다.
변압기(120)는 1차측 권선에 인가된 전압을 턴 수에 비례하여 2차측 권선에 유도할 수 있다. 턴수 비(n)는 n=Ns/Np 로 나타낼 수 있다.
1차측 회로부(130)는 풀브리지 방식으로 연결된 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2), 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)를 포함하는 풀브리지 회로의 입력단이 전압원(110)에 연결되고, 상기 풀브리지 회로의 출력단이 상기 변압기(120)의 1차측 권선에 연결될 수 있다.
이 때, 제1 스위치(S1) 및 제4 스위치(S4)를 포함하는 제1 스위치 쌍과 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)를 포함하는 제2 스위치 쌍은 동일한 듀티 사이클을 갖지만 180도 위상이 다른 두 개의 PWM 신호에 의해 동작될 수 있다.
이 때, 상기 1차측 회로부(130)는 상기 전압원(110)과 상기 풀브리지 회로의 입력단 사이에 병렬로 다이오드 정류기(DR)가 더 연결될 수 있다.
2차측 회로부(140)는 직렬로 연결된 제5 스위치(S5) 및 제6 스위치(S6)를 포함하는 양방항 스위치 회로가 상기 변압기(120)의 2차측 권선과 부하(Ro) 사이에 병렬로 연결될 수 있다.
이 때, 상기 양방향 스위치는 상기 제5 스위치(S5)의 드레인 단자가, 상기 부하(Ro)의 양(+)의 단자에 연결되고, 상기 제5 스위치(S5)의 소스 단자가 상기 제6 스위치(S6)의 드레인 단자에 연결되고, 상기 제6 스위치(S6)의 소스 단자가, 상기 부하(Ro)의 음(-)의 단자에 연결될 수 있다.
이 때, 상기 2차측 회로부(140)는 상기 양방향 스위치와 상기 부하(Ro) 사이에, 상기 부하에 인가되는 출력 전압을 증폭 시키는 전압 더블러가 더 연결될 수 있다.
이 때, 상기 전압 더블러는 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2), 제1 커패시터(Cr1) 및 제2 커패시터(Cr2) 를 포함하고, 상기 제1 다이오드(D1)와 상기 제2 다이오드(D2) 사이 노드에 상기 제5 스위치(S5)의 드레인 단자가 연결되고, 상기 제1 커패시터(Cr1)와 상기 제2 커패시터(Cr2) 사이 노드에 상기 제6 스위치(S6)의 소스 단자가 연결될 수 있다.
제어부는 상기 전압원(110)으로부터 인가되는 교류 전압의 직류 변환을 위해 PWM 제어를 이용하여 상기 풀브리지 회로와 상기 양방향 스위치 회로의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
즉, 제어부는 상기 풀브리지 회로와 상기 양방향 스위치 회로에 포함된 제 1 내지 제6 스위치의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
이 때, 상기 제어부는 1차측 듀티 사이클에 기반하여 상기 제1 스위치(S1) 및 제4 스위치(S4)를 포함하는 제1 스위치 쌍과 상기 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)를 포함하는 제2 스위치 쌍을 교번적으로 ON/OFF 스위칭 하고, 2차측 듀티 사이클에 기반하여 상기 제5 스위치(S5)와 상기 제6 스위치(S6)를 교번적으로 ON/OFF 스위칭 할 수 있다.
이 때, 상기 제어부는 상기 제1 스위치 쌍이 ON 될 때, 상기 제6 스위치를 ON 하고, 상기 제2 스위치 쌍이 ON 될 때, 상기 제5 스위치를 ON 할 수 있다.
이 때, 상기 제어부는 상기 제1 스위치 쌍이 OFF 될 때, 상기 2차측 듀티 사이클에 기반한 기설정된 시간 이후, 상기 제6 스위치를 OFF 하고, 상기 제2 스위치 쌍이 OFF 될 때, 상기 2차측 듀티 사이클에 기반한 기설정된 시간 이후, 상기 제5 스위치를 OFF 할 수 있다.
이 때, 상기 1차측 듀티 사이클은 0.5 이고, 상기 2차측 듀티 사이클은 0.5+D(D는 0.5 이하의 실수) 일 수 있다.
이 때, 상기 2차측 듀티 사이클의 D 값은 상기 전압원이 인가하는 전압의 크기 변화 및 상기 부하(Ro)에 인가되는 전압의 크기에 기반하여 결정될 수 있다.
따라서, 전압원이 교류 전압원이므로, 전압의 크기 변화에 따라 2차측 듀티 사이클의 D 값은 사이클마다 변경될 수 있다.
이 때, 상기 제어부는 상기 부하에 인가되는 전압의 크기를 피드백 받고, 상기 부하에 인가되는 전압과 상기 부하에서 요구하는 전압의 차이값에 기반하여 상기 2차측 듀티 사이클의 D 값을 결정할 수 있다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 교류-직류 컨버터의 한 사이클의 스위칭 동작을 설명하기 위한 회로도이다. 도 6은 도 2 내지 도 5에 도시된 교류-직류 컨버터의 한 사이클의 스위칭 동작 과정에 대한 소자들의 전압 및 전류 변화의 일 예를 세부적으로 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, Vgs 1,2,3,4,5,6은 제1 내지 제6 스위치의 게이트-소스 전압, ipri 는 1차측 전류, iLr 는 2차측 전류, is1,2,3,4,5,6은 제1 내지 제6 스위치에 흐르는 전류, ID1, ID2 는 전압 더블러의 제1 다이오드와 제2 다이오드에 흐르는 전류, VCr1, VCr2 는 전압 더블러의 제1 커패시터와 제2 커패시터에 인가되는 전압, Vds5, Vds6은 제5 스위치 및 제6 스위치의 드레인-소스 전압을 나타낸 것을 알 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 6에 도시된 t0 부터 t1 시간 까지의 교류-직류 컨버터의 스위칭 동작을 나타낸 것을 알 수 있다.
먼저, 제1 스위치(S1)과 제4 스위치(S4)가 0.5 듀티 사이클 시간(0.5TS) 까지 ON 되고, t0 시점 직전에 제1 내지 제4 스위치가 영전위이므로 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching, ZVS)에 의해 제6 스위치(S6)가 on 되는 것을 알 수 있다. 이를 통해 스위치의 소비 전력을 최소화할 수 있다.
이 때 t0 부터 t1 시간은 DsTs 인 것을 알 수 있다.
이 때, 2차측 듀티 사이클은 (0.5+Ds)Ts 이므로 t0 시간 이전에 on 되어 있던 제5 스위치(S5)가 t1 시간에 off 되는 것을 알 수 있다.
Ds는 전압원이 인가하는 전압의 크기 변화 및 부하(Ro)에 인가되는 전압의 크기에 기반하여 결정될 수 있다.
변압기(120)의 1차측 권선에 ipri 가 흐르므로 2차측 권선에 iLr이 흐르기 시작하는 것을 알 수 있다.
도 3을 참조하면, 도 6에 도시된 t1 부터 t2 시간 까지의 교류-직류 컨버터의 스위칭 동작을 나타낸 것을 알 수 있다.
이 때, 제5 스위치(S5)는 t1 시간에 Vds5와 Vds6이 영전위이므로 ZVS에 의해 off 되고, 이를 통해 스위치의 소비 전력을 최소화할 수 있다.
이 때, Lr 및 Cr1은 iLr이 정현파인 교류 전류가 부하에 인가되는 등가 폐쇄 회로가 구성되고, vCr1과 vCr2 의 평균 전압인 Vo/2 가 부하에 인가되는 것을 알 수 있다.
도 4를 참조하면, 도 6에 도시된 t2 부터 t3 시간 까지의 교류-직류 컨버터의 스위칭 동작을 나타낸 것을 알 수 있다.
시간 t2에서 iLr은 0이고 vCr1은 최대 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이 때, 입력 전류 iLm은 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)를 통해 흐르는 것을 알 수 있다. Lm은 일반적으로 큰 값으로 선택되기 때문에 iLm의 값은 작게 유지될 수 있다. 따라서 시간 t3에서 제1 스위치(S1) 및 제4 스위치(S4)은 영전류 스위칭(Zero Current Switching, ZCS)에 의해 off 될 수 있다.
도 5를 참조하면, 도 6에 도시된 t3 부터 t4 시간 까지의 교류-직류 컨버터의 스위칭 동작을 나타낸 것을 알 수 있다.
시간 t3에서 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)는 ZCS에 의해 off될 수 있다.
이 때, 제2 스위치의 Cs2와 제3 스위치의 Cs3를 방전하면서 제1 스위치의 Cs1과 제4 스위치의 Cs4를 충전할 수 있다. 따라서, 시간 t4에서 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)는 ZVS에 의해 on 될 수 있다.
이후의 동작은 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)의 스위칭 동작에 대해서 상기 도 2 내지 도 5에서 설명한 제1 스위치(S1) 및 제4 스위치(S4)의 스위칭 동작과 동일하며, 시간 t4 이후의 파형은 t1 내지 t4 시간에서 생성된 파형과 동일한 파형이 생성되는 것을 알 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전압원의 교류 전압 한 사이클에 대한 교류-직류 컨버터의 스위칭 동작 과정에 대한 소자들의 전압 및 전류 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 교류 인가 전압 vg의 한 사이클 동안의 크기 변화에 대응하여 2차측 듀티 사이클의 Ds 값이 변화하는 것을 알 수 있다.
이를 통해, ipri, iLr, is5, vCr1 및 vds5의 피크 값도 변화하는 것을 알 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 경부하(Light Load)에 상응하는 교류 인가 전압에 대해서는 Vgs5 와 Vgs6 에 인가되는 전압으로부터 DS 값이 커지는 것을 알 수 있고, 이를 통해 제5 스위치(S5)에 흐르는 전류(is5)가 커지도록 제어하여 전압 더블러에 인가되는 전압 크기 변화(ΔVcr)가 작아지게 되면서 부하에 인가되는 전압(Vo)의 크기를 유지하는 것을 알 수 있다.
중부하(Heavy Load)에 상응하는 교류 인가 전압에 대해서는 Vgs5 와 Vgs6 인가되는 전압으로부터 DS 값이 경부하 일 때보다 작아지는 것을 알 수 있고, 이를 통해 제5 스위치(S5)에 흐르는 전류량(is5)가 작아지도록 제어하여 전압 더블러에 인가되는 전압 크기 변화(ΔVcr)가 커지게 되면서 부하에 인가되는 전압(Vo)의 크기를 유지하는 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 교류-직류 컨버터는 전압원의 교류 전압의 크기 변화와 부하에 인가되는 전압의 크기로부터 DS 값을 제어하여 스위치에서 발생하는 높은 순간 스위칭 손실을 억제하고, 스위치들에 손실을 분산시켜 총 손실을 줄일 수 있는 것을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 교류-직류 컨버터를 이용한 전력 변환 방법을 나타낸 동작흐름도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 교류-직류 컨버터를 이용한 전력 변환 방법은 교류-직류 컨버터를 이용한 전력 변환 방법은 먼저 제1 제어 신호를 생성할 수 있다(S210).
즉, 단계(S210)는 전압원으로부터 부하에 인가되는 교류 전압의 직류 변환을 위해 PWM 제어를 이용하여 상기 전압원과 상기 부하에 사이에 연결된 교류-직류 컨버터의 1차측 회로의 스위칭 동작을 제어하는 제1 제어 신호를 생성할 수 있다.
이 때, 단계(S210)는 1차측 듀티 사이클에 기반하여 상기 1차측 회로에 포함된 제1 스위치 및 제4 스위치를 포함하는 제1 스위치 쌍과 상기 1차측 회로에 포함된 제2 스위치 및 제3 스위치를 포함하는 제2 스위치 쌍을 교번적으로 ON/OFF 스위칭 하는 상기 제1 제어 신호를 생성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 교류-직류 컨버터를 이용한 전력 변환 방법은 제2 제어 신호를 생성할 수 있다(S220).
즉, 단계(S220)는 상기 전압원의 전압의 크기 변화와 상기 부하에 인가되는 전압에 기반하여 상기 교류-직류 컨버터 회로의 2차측 회로의 스위칭 동작을 제어하는 제2 제어 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
이 때, 단계(S220)는 2차측 듀티 사이클에 기반하여 상기 2차측 회로에 포함된 제5 스위치와 상기 제6 스위치를 교번적으로 ON/OFF 스위칭하는 상기 제2 제어 신호를 생성할 수 있다.
이 때, 단계(S220)는 상기 제1 스위치 쌍이 ON 될 때, 상기 제6 스위치를 ON 하고, 상기 제2 스위치 쌍이 ON 될 때, 상기 제5 스위치를 ON 하는 상기 제2 제어 신호를 생성할 수 있다.
이 때, 단계(S220)는 상기 제1 스위치 쌍이 OFF 될 때, 상기 2차측 듀티 사이클에 기반한 기설정된 시간 이후, 상기 제6 스위치를 OFF 하고, 상기 제2 스위치 쌍이 OFF 될 때, 상기 2차측 듀티 사이클에 기반한 기설정된 시간 이후, 상기 제5 스위치를 OFF 하는 상기 제2 제어 신호를 생성할 수 있다.
이 때, 상기 1차측 듀티 사이클은 0.5 이고, 상기 2차측 듀티 사이클은 0.5+D(D는 0.5 이하의 실수) 일 수 있다.
이 때, 상기 2차측 듀티 사이클의 D 값은 상기 전압원이 인가하는 전압의 크기 변화 및 상기 부하에 인가되는 전압의 크기에 기반하여 결정될 수 있다.
이 때, 단계(S220)는 상기 부하에 인가되는 전압의 크기를 피드백 받고, 상기 부하에 인가되는 전압과 상기 부하에서 요구하는 전압의 차이값에 기반하여 상기 2차측 듀티 사이클의 D 값을 생성할 수 있다.
이 때, 단계(S220)는 새롭게 생성된 2차측 듀티 사이클의 D 값에 기반하여 상기 제2 제어 신호를 생성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 교류-직류 컨버터를 이용한 전력 변환 방법은 교류-직류 컨버터가 동작을 수행할 수 있다(S230).
즉, 단계(S230)는 교류-직류 컨버터가 상기 제1 제어 신호 및 제2 제어 신호에 기반하여 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
이 때, 단계(S230)는 교류-직류 컨버터가, 스위칭 동작을 수행하는 중에, 새롭게 생성된 제2 제어 신호를 입력 받아 새롭게 생성된 제2 제어 신호의 새롭게 생성된 2차측 듀티 사이클의 D 값에 기반하여 2차측 회로의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 교류-직류 컨버터 및 이를 이용한 전력 변환 장치 및 방법은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
110: 전압원
120: 변압기
130: 1차측 회로부 140: 2차측 회로부
130: 1차측 회로부 140: 2차측 회로부
Claims (12)
1차측 권선에 인가된 전압을 턴 수에 비례하여 2차측 권선에 유도하는 변압기;
풀브리지 방식으로 연결된 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치 및 제4 스위치를 포함하는 풀브리지 회로의 입력단이 전압원에 연결되고, 상기 풀브리지 회로의 출력단이 상기 변압기의 1차측 권선에 연결되는 1차측 회로부;
직렬로 연결된 제5 스위치 및 제6 스위치를 포함하는 양방항 스위치 회로가 상기 변압기의 2차측 권선과 부하 사이에 병렬로 연결되는 2차측 회로부; 및
상기 전압원으로부터 상기 부하에 인가되는 교류 전압의 직류 변환을 위해 PWM 제어를 이용하여 상기 풀브리지 회로와 상기 양방향 스위치 회로의 스위칭 동작을 제어하는 제어부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
풀브리지 방식으로 연결된 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치 및 제4 스위치를 포함하는 풀브리지 회로의 입력단이 전압원에 연결되고, 상기 풀브리지 회로의 출력단이 상기 변압기의 1차측 권선에 연결되는 1차측 회로부;
직렬로 연결된 제5 스위치 및 제6 스위치를 포함하는 양방항 스위치 회로가 상기 변압기의 2차측 권선과 부하 사이에 병렬로 연결되는 2차측 회로부; 및
상기 전압원으로부터 상기 부하에 인가되는 교류 전압의 직류 변환을 위해 PWM 제어를 이용하여 상기 풀브리지 회로와 상기 양방향 스위치 회로의 스위칭 동작을 제어하는 제어부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
청구항 1에 있어서,
상기 1차측 회로부는
상기 전압원과 상기 풀브리지 회로의 입력단 사이에 병렬로 다이오드 정류기가 더 연결되는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
상기 1차측 회로부는
상기 전압원과 상기 풀브리지 회로의 입력단 사이에 병렬로 다이오드 정류기가 더 연결되는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
청구항 1에 있어서,
상기 양방향 스위치는
상기 제5 스위치의 드레인 단자가, 상기 부하의 양의 단자에 연결되고, 상기 제5 스위치의 소스 단자가 상기 제6 스위치의 드레인 단자에 연결되고, 상기 제6 스위치의 소스 단자가, 상기 부하의 음의 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
상기 양방향 스위치는
상기 제5 스위치의 드레인 단자가, 상기 부하의 양의 단자에 연결되고, 상기 제5 스위치의 소스 단자가 상기 제6 스위치의 드레인 단자에 연결되고, 상기 제6 스위치의 소스 단자가, 상기 부하의 음의 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
청구항 3에 있어서,
상기 2차측 회로부는
상기 양방향 스위치와 상기 부하 사이에, 상기 부하에 인가되는 출력 전압을 증폭 시키는 전압 더블러가 더 연결되는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
상기 2차측 회로부는
상기 양방향 스위치와 상기 부하 사이에, 상기 부하에 인가되는 출력 전압을 증폭 시키는 전압 더블러가 더 연결되는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
청구항 4에 있어서,
상기 전압 더블러는
제1 다이오드, 제2 다이오드, 제1 커패시터 및 제2 커패시터를 포함하고,
상기 제1 다이오드와 상기 제2 다이오드 사이 노드에 상기 제5 스위치의 드레인 단자가 연결되고,
상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터 사이 노드에 상기 제6 스위치의 소스 단자가 연결되는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
상기 전압 더블러는
제1 다이오드, 제2 다이오드, 제1 커패시터 및 제2 커패시터를 포함하고,
상기 제1 다이오드와 상기 제2 다이오드 사이 노드에 상기 제5 스위치의 드레인 단자가 연결되고,
상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터 사이 노드에 상기 제6 스위치의 소스 단자가 연결되는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는
1차측 듀티 사이클에 기반하여 상기 제1 스위치 및 제4 스위치를 포함하는 제1 스위치 쌍과 상기 제2 스위치 및 제3 스위치를 포함하는 제2 스위치 쌍을 교번적으로 ON/OFF 스위칭하고,
2차측 듀티 사이클에 기반하여 상기 제5 스위치와 상기 제6 스위치를 교번적으로 ON/OFF 스위칭하는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
상기 제어부는
1차측 듀티 사이클에 기반하여 상기 제1 스위치 및 제4 스위치를 포함하는 제1 스위치 쌍과 상기 제2 스위치 및 제3 스위치를 포함하는 제2 스위치 쌍을 교번적으로 ON/OFF 스위칭하고,
2차측 듀티 사이클에 기반하여 상기 제5 스위치와 상기 제6 스위치를 교번적으로 ON/OFF 스위칭하는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
청구항 6에 있어서,
상기 제어부는
상기 제1 스위치 쌍이 ON 될 때, 상기 제6 스위치를 ON 하고,
상기 제2 스위치 쌍이 ON 될 때, 상기 제5 스위치를 ON 하는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
상기 제어부는
상기 제1 스위치 쌍이 ON 될 때, 상기 제6 스위치를 ON 하고,
상기 제2 스위치 쌍이 ON 될 때, 상기 제5 스위치를 ON 하는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
청구항 7에 있어서,
상기 제어부는
상기 제1 스위치 쌍이 OFF 될 때, 상기 2차측 듀티 사이클에 기반한 기설정된 시간 이후, 상기 제6 스위치를 OFF 하고,
상기 제2 스위치 쌍이 OFF 될 때, 상기 2차측 듀티 사이클에 기반한 기설정된 시간 이후, 상기 제5 스위치를 OFF 하는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
상기 제어부는
상기 제1 스위치 쌍이 OFF 될 때, 상기 2차측 듀티 사이클에 기반한 기설정된 시간 이후, 상기 제6 스위치를 OFF 하고,
상기 제2 스위치 쌍이 OFF 될 때, 상기 2차측 듀티 사이클에 기반한 기설정된 시간 이후, 상기 제5 스위치를 OFF 하는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
청구항 8에 있어서,
상기 1차측 듀티 사이클은 0.5 이고,
상기 2차측 듀티 사이클은 0.5+D(D는 0.5 이하의 실수) 인 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
상기 1차측 듀티 사이클은 0.5 이고,
상기 2차측 듀티 사이클은 0.5+D(D는 0.5 이하의 실수) 인 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
청구항 9에 있어서,
상기 2차측 듀티 사이클의 D 값은
상기 전압원이 인가하는 전압의 크기 변화 및 상기 부하에 인가되는 전압의 크기에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터
상기 2차측 듀티 사이클의 D 값은
상기 전압원이 인가하는 전압의 크기 변화 및 상기 부하에 인가되는 전압의 크기에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터
청구항 10에 있어서,
상기 제어부는
상기 부하에 인가되는 전압의 크기를 피드백 받고, 상기 부하에 인가되는 전압과 상기 부하에서 요구하는 전압의 차이값에 기반하여 상기 2차측 듀티 사이클의 D 값을 결정하는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
상기 제어부는
상기 부하에 인가되는 전압의 크기를 피드백 받고, 상기 부하에 인가되는 전압과 상기 부하에서 요구하는 전압의 차이값에 기반하여 상기 2차측 듀티 사이클의 D 값을 결정하는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터.
교류-직류 컨버터를 이용한 전력 변환 방법에 있어서,
전압원으로부터 부하에 인가되는 교류 전압의 직류 변환을 위해 PWM 제어를 이용하여 상기 전압원과 상기 부하에 사이에 연결된 교류-직류 컨버터의 1차측 회로의 스위칭 동작을 제어하는 제1 제어 신호를 생성하는 단계;
상기 전압원의 전압의 크기 변화와 상기 부하에 인가되는 전압에 기반하여 상기 교류-직류 컨버터 회로의 2차측 회로의 스위칭 동작을 제어하는 제2 제어 신호를 생성하는 단계; 및
상기 교류-직류 컨버터가, 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호에 기반하여 스위칭 동작을 수행하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터를 이용한 전력 변환 방법.
전압원으로부터 부하에 인가되는 교류 전압의 직류 변환을 위해 PWM 제어를 이용하여 상기 전압원과 상기 부하에 사이에 연결된 교류-직류 컨버터의 1차측 회로의 스위칭 동작을 제어하는 제1 제어 신호를 생성하는 단계;
상기 전압원의 전압의 크기 변화와 상기 부하에 인가되는 전압에 기반하여 상기 교류-직류 컨버터 회로의 2차측 회로의 스위칭 동작을 제어하는 제2 제어 신호를 생성하는 단계; 및
상기 교류-직류 컨버터가, 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호에 기반하여 스위칭 동작을 수행하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류-직류 컨버터를 이용한 전력 변환 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210071741A KR20220163168A (ko) | 2021-06-02 | 2021-06-02 | 교류-직류 컨버터 및 이를 이용한 전력 변환 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210071741A KR20220163168A (ko) | 2021-06-02 | 2021-06-02 | 교류-직류 컨버터 및 이를 이용한 전력 변환 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220163168A true KR20220163168A (ko) | 2022-12-09 |
Family
ID=84440336
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210071741A KR20220163168A (ko) | 2021-06-02 | 2021-06-02 | 교류-직류 컨버터 및 이를 이용한 전력 변환 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20220163168A (ko) |
-
2021
- 2021-06-02 KR KR1020210071741A patent/KR20220163168A/ko not_active Application Discontinuation
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