WO2019182231A1 - 밸런스드 전력변환모듈을 적용한 전력변환장치 - Google Patents

밸런스드 전력변환모듈을 적용한 전력변환장치 Download PDF

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WO2019182231A1
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power conversion
conversion module
coil
output terminals
power
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PCT/KR2018/016427
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Inventor
임종빈
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효성중공업 주식회사
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    • 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
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal 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
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal 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, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/538—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal 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, e.g. single switched pulse inverters in a push-pull configuration
    • H02M7/5381—Parallel type

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device, and more particularly, to a power conversion device for solving an imbalance in output power between output terminals of a plurality of power conversion modules connected in parallel.
  • Power converters are used in a variety of devices and equipment.
  • a number of modular power converters have been developed that perform conversion of a desired amount of power by using a plurality of power conversion modules in parallel without converting all power to a single power converter.
  • a plurality of power conversion modules are designed to output the same power, but in the above case, there is a problem in that power unbalance occurs between output terminals due to inductance change of several power conversion modules.
  • a technique of conventionally detecting a power amount by adding a sensor for each module or sharing a power amount for each module is disclosed to individually control power conversion of a specific module. Also disclosed is a technique for providing a balanced connection between two coils on the secondary side of a transformer.
  • the present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, by adjusting the connection of a plurality of power conversion module operated in parallel to solve the imbalance of the output power between the output terminal of each power conversion module
  • the purpose is to provide.
  • each of the first and second power conversion modules may include two output terminals.
  • a first circuit unit having; A second circuit portion having two output terminals; A core forming a magnetic field path; A primary coil wound on the primary side of the core and having two connection terminals; A primary coil wound on the primary side of the core and having two connection terminals; And a secondary coil wound on the secondary side of the core, wherein two output terminals of the first circuit unit of the first power conversion module are connected to two connection terminals of the primary coil of the first power conversion module and Two output terminals of the second circuit part of the first power conversion module are connected to two connection terminals of the first coil of the primary side of the second power conversion module, and two output terminals of the first circuit part of the second power conversion module are connected to the second power conversion. Two output terminals of the second coil of the primary side of the module are connected, and two output terminals of the second power conversion module
  • the power conversion apparatus in the power conversion device is a parallel connection of the first power conversion module and the second power conversion module, wherein each of the first and second power conversion module, two outputs A first circuit portion having a terminal; A second circuit portion having two output terminals; A core forming a magnetic field path; A primary coil wound on the primary side of the core and having two connection terminals; A primary coil wound on the primary side of the core and having two connection terminals; And a secondary coil wound on the secondary side of the core, wherein two output terminals of the first circuit unit of the first power conversion module are connected to two connection terminals of the primary coil of the first power conversion module and Two output terminals of the second circuit portion of the first power conversion module are connected to two connection terminals of the first coil of the primary side of the second power conversion module, and two output terminals of the first circuit portion of the second power conversion module are connected to the first power conversion. Two output terminals of the second coil of the primary side of the module are connected, and two output terminals of the second power conversion module are connected to the first power conversion.
  • the first circuit portion and the second circuit portion include a full-bridge or half-bridge switching circuit composed of a plurality of semiconductor switches and capacitors, respectively.
  • the semiconductor switch of the first circuit portion and the semiconductor switch of the second circuit portion are turned on and turned off in the same manner.
  • the secondary coils of the first power conversion module and the second power conversion module includes two connection terminals formed at both ends and one connection terminal formed at the center point of the secondary side coil, the first power Two connection terminals formed at both ends of the second coil of the conversion module and two connection terminals formed at both ends of the second coil of the second power conversion module are connected in common to form a positive output terminal to form the first power conversion.
  • the connection terminal formed at the center point of the secondary coil of the module and the connection terminal formed at the center point of the secondary coil of the second power conversion module are connected in common to form a negative output terminal.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a power conversion apparatus employing a balanced power conversion module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of a power conversion apparatus to which a balanced power conversion module is applied according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of a power conversion device to which a balanced power conversion module according to another embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 4 is a view showing the results of experiments to solve the power imbalance between the multiple output stage in the power conversion apparatus according to the present invention.
  • first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only for distinguishing the components from other components, and the nature, order or order of the components are not limited by the terms. If a component is described as being “connected”, “coupled” or “connected” to another component, that component may be directly connected or connected to that other component, but between components It will be understood that may be “connected”, “coupled” or “connected”.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a power conversion apparatus employing a balanced power conversion module according to an embodiment of the present invention.
  • a power conversion device 100 to which a balanced power conversion module according to the present invention is applied, two power conversion modules 110 are connected in parallel.
  • the power conversion module 110 includes the first circuit part 111, the second circuit part 112, the core 113, and the first coil 114, the second coil 115, and the core of the core 113. And a secondary side coil 116 of 113.
  • the two power conversion modules 110 each include the same configuration. Reference numerals for the same configuration will be omitted.
  • the first circuit unit 111 has two output terminals, that is, the first output terminal X1 and the second output terminal X2, and the second circuit unit 112 also has two output terminals, that is, the third output terminal ( X3) and the fourth output terminal X4 are formed.
  • These first and second circuit portions 111 and 112 include a full bridge type or half bridge type switching circuit composed of a plurality of semiconductor switches 1111 and 1121 and capacitors 1112 and 1122, respectively.
  • the plurality of semiconductor switches 1111 and 1121 are turned on / off in response to a control signal of a switching controller (not shown) to input the input voltage.
  • a switching controller not shown
  • the semiconductor switch 1111 of the first circuit unit 111 and the semiconductor switch 1121 of the second circuit unit 112 are operated in the same manner, and for this purpose, they are turned on and turned off in the same manner.
  • the core 113 has a primary coil wound on one side and a secondary coil wound on the other side to provide a magnetic field path by a current flowing in the primary coil and to induce voltage in the secondary coil by the magnetic field. .
  • the first coil 114 and the second coil 115 are respectively wound on the primary side of the core 113. At this time, the first and second coils 114 and 115 are preferably wound on the primary side with the same number of turns.
  • the first coil 114 on the primary side has two connection terminals, i.e., the first and second connection terminals Y1 and Y2, on both ends, and the second coil 115 on the primary side has two connection terminals on both ends, namely Third and fourth connection terminals Y3 and Y4 are formed.
  • the secondary side coil 116 is wound on the secondary side of the core 113.
  • two connection terminals that is, fifth and sixth connection terminals Z1 and Z2 are formed at both ends of the coil.
  • the seventh connection terminal Z3 may be further formed at the center point of the secondary coil 116.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a power conversion device using a balanced power conversion module according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a configuration diagram of a power conversion device applying a balanced power conversion module according to another embodiment of the present invention.
  • the first power conversion module 110a and the second power conversion module 110b are connected in parallel.
  • the first power conversion module 110a includes a first circuit part 111a and a second circuit part 112a including a plurality of power semiconductor switches and capacitors, and a core providing a path of a magnetic field generated by a current flowing through a wound coil.
  • the first circuit unit 111a is formed with a first output terminal X1 and a second output terminal X2, and the second circuit unit 112a has a third output terminal X3 and a fourth output terminal X4. Is formed.
  • the first coil 114a on the primary side is formed with a first connecting terminal Y1 and a second connecting terminal Y2, and the second coil 115a has a third connecting terminal Y3 and a fourth connecting terminal Y4. ) Is formed.
  • the second power conversion module 110b also has the same configuration as the first power conversion module 110a. That is, the second power conversion module 110b includes a first circuit part 111b and a second circuit part 112b including a plurality of power semiconductor switches and capacitors, and a core providing a path of a magnetic field generated by a current flowing through a coil. And a first coil 114b and a second coil 115b wound on the primary side of the core 113b, and a secondary coil 116b wound on the secondary side of the core 113b. do.
  • the first circuit unit 111b is formed with a first output terminal X1 and a second output terminal X2, and the second circuit unit 112b has a third output terminal X3 and a fourth output terminal X4. Is formed.
  • the first coil 114b on the primary side is formed with a first connecting terminal Y1 and a second connecting terminal Y2, and the second coil 115b has a third connecting terminal Y3 and a fourth connecting terminal Y4. ) Is formed.
  • the first and second output terminals X1 and X2 of the first circuit unit 111a of the first power conversion module 110a may be connected to the third of the primary side second coil 115a of the first power conversion module 110a. Is connected to the four connection terminals (Y3, Y4) and the third and fourth output terminals (X3, X4) of the second circuit unit (112a) of the first power conversion module (110a) is 1 of the second power conversion module (110b).
  • the first and second connection terminals Y1 and Y2 of the vehicle side first coil 114b are connected to each other.
  • first and second output terminals X1 and X2 of the first circuit unit 111b of the second power conversion module 110b may include the third of the first side second coil 115b of the second power conversion module 110b. Is connected to the four connection terminals (Y3, Y4) and the third and fourth output terminals (X3, X4) of the second circuit unit (112a) of the second power conversion module (110a) is 1 of the first power conversion module (110a). Connected to the first and second connection terminals Y1 and Y2 of the vehicle side first coil 114a.
  • the first and second power conversion modules 110a and 110b cross and connect the output terminals of the first and second circuit units and the connection terminals of the first and second coils of the first and second power conversion modules 110a and 110b. )
  • An imbalance in output power between the two power conversion modules 110a and 110b due to a difference in inductance or impedance wound between the two cores 113a and 113b included in the C1 may be solved. This is made possible by connecting the circuit part and the coil to be two balanced power conversion modules.
  • the difference in characteristics between the first core 113a of the first power conversion module 110a and the second core 113b of the second power conversion module 110b that is, the difference in parameters due to long use, the winding
  • the current output from each core 113a and 113b may vary due to an error between the coils, the inductance or the impedance of the wound coil. This difference in current causes power differences in the output stage, resulting in power imbalance.
  • the inductances of the first and second coils wound on the first core 113a are 50 ⁇ H, respectively.
  • the current output from the first and second power conversion modules 110a and 110b corresponds to the difference between the two inductances. Power supply imbalance occurs.
  • the output currents of the two power conversion modules 110a and 110b should be the same.
  • a difference in current occurs due to the difference in characteristics between the cores, and as a result, an unbalance in power is inevitable.
  • the connection between the first and second circuit parts of the first and second power conversion modules 110a and 110b and the first and second coils on the primary side is partially crossed to prevent unbalanced power.
  • the first power conversion module 110a sets the inductance of the primary coil wound on the first core 113a to 50 ⁇ H and the inductance of the primary coil wound on the second core 113b. Is 60 ⁇ H
  • the second power conversion module 110 b sets the inductance of the primary coil wound on the first core 113 a to 50 ⁇ H, and the inductance of the primary coil wound on the second core 113 b.
  • the inductance applied to the first and second power conversion modules 110a and 110b becomes 60 ⁇ H, which is the sum of both 50 ⁇ H and 60 ⁇ H, so that the currents of the output terminals are equally output.
  • the first and second output terminals X1 and X2 of the first circuit unit 111a of the first power conversion module 110a may have the first side of the first power conversion module 110a.
  • the third and fourth output terminals X3 and X4 of the second circuit unit 112a of the first power conversion module 110a are connected to the first and second connection terminals Y1 and Y2 of the coil 114a.
  • the first and second connection terminals Y1 and Y2 of the first coil 114b of the conversion module 110b are electrically connected to each other.
  • first and second output terminals X1 and X2 of the first circuit unit 111b of the second power conversion module 110b may include the third of the first side second coil 115a of the first power conversion module 110a.
  • fourth connection terminals Y3 and Y4, and the third and fourth output terminals X3 and X4 of the second circuit unit 112b of the second power conversion module 110b are connected to the second power conversion module 110b. Electrically connected to the third and fourth connection terminals Y3 and Y4 of the primary second coil 115b.
  • the first and second power conversion modules 110a and 110b cross-connect the output terminals of the first and second circuits and the connection terminals of the first and second coils of the first and second circuits, thereby providing two powers in the same principle as in FIG. 2.
  • the power imbalance between the conversion modules 110a and 110b can be eliminated.
  • the connection between the first and second circuit parts of the two power conversion modules 110a and 110b and the first and second coils on the primary side is partially crossed to prevent an unbalanced power. That is, in FIG. 3, the inductances applied to the first and second power conversion modules 110a and 110b are the sums of 50 ⁇ H and 60 ⁇ H, respectively, so that the currents of the output stages are the same.
  • connection terminals Z1 and Z2 formed at both ends of the secondary coil 116a of the first power conversion module 110a and a second neighboring to the first power conversion module 110a.
  • the two connection terminals Z1 and Z2 formed at both ends of the second coil 116b of the power conversion module 110b are connected to each other in common to form a positive output terminal, and the first power conversion module 110a
  • the connecting terminal Z3 formed at the center point of the secondary coil 116a and the connecting terminal Z3 formed at the center point of the secondary coil 116b of the second power conversion module 110b are connected to each other in common (- Make an output stage.
  • the output terminal of the first circuit unit 111a of the first power conversion module 110a is connected to the primary side second coil 115a of the first power conversion module 110a.
  • Connected to the terminal and the output terminal of the second circuit unit 112a of the first power conversion module 110a is connected to the connection terminal of the first coil 114b of the primary side of the second power conversion module 110b and the second power conversion module.
  • the output terminal of the first circuit portion 111b of 110b is connected to the connection terminal of the second coil 115b of the primary side of the second power conversion module 110b and the second circuit portion 112b of the second power conversion module 110b.
  • the output terminal of the first circuit unit 111a of the first power conversion module 110a is connected to the connection terminal of the first coil 114a of the primary side of the first power conversion module 110a.
  • the output terminal of the second circuit unit 112a of the power conversion module 110a is connected to the connection terminal of the first coil 114b of the primary side of the second power conversion module 110b and is connected to the first terminal of the second power conversion module 110b.
  • the output terminal of the circuit unit 111b is connected to the connection terminal of the second side coil 115a of the first power conversion module 110a and the output terminal of the second circuit unit 112b of the second power conversion module 110b is connected to the second terminal. It is connected to the connection terminal of the second side coil 115b of the power conversion module 110b.
  • the first and second circuit units are wound between two cores 113a and 113b included in the first and second power conversion modules 110a and 110b by connecting the first and second coils.
  • the power imbalance between the two power conversion modules 110a and 110b due to a difference in inductance or impedance may be solved.
  • FIG. 4 is a view showing the results of experiments to solve the power imbalance between the multiple output stage in the power conversion apparatus according to the present invention.
  • the inductance of the coil wound around the two cores was arbitrarily set differently in the power converter of FIGS. 2 and 3.
  • the deviation of the leakage inductance is set arbitrarily in the first and second power conversion modules having inductances of 10 ⁇ H, respectively, but the inductance of the first power conversion module is set to 12 ⁇ H, which is 120%, and the second power conversion module is 80. It was set to 8 ⁇ H which is%.
  • the output current (A) was set to 300A.
  • the inductance is balanced for each output terminal so that the power B at each output terminal of the two power conversion modules is 6.15 kW. The same can be seen.
  • FIG. 4 shows the outputs of the two power conversion modules in the case where X1 and X2 are connected to Y1 and Y2 and X3 and X4 are respectively connected to Y3 and Y4 in FIG. Shows the power of.
  • X1 and X2 are connected to Y1 and Y2
  • X3 and X4 are respectively connected to Y3 and Y4 in FIG. Shows the power of.
  • the conditions were the same as in Figs.
  • the circuit part of the power conversion module and the coil wound on the core are connected to each other, and at least some of the neighboring power conversion modules are connected to each other.

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치는, 제1전력변환모듈 및 제2전력변환모듈이 병렬연결되고, 상기 제1 및 제2 전력변환모듈 각각은, 2개의 출력단자를 갖는 제1회로부; 2개의 출력단자를 갖는 제2회로부; 자기장 경로를 형성하는 코어; 상기 코어의 1차측에 권선되며 2개의 접속단자를 갖는 1차측 제1코일; 상기 코어의 1차측에 권선되며 2개의 접속단자를 갖는 1차측 제2코일; 상기 코어의 2차측에 권선된 2차측 코일을 포함하고, 상기 제1전력변환모듈의 제1회로부의 두 출력단자는 상기 제1전력변환모듈의 1차측 제2코일의 두 접속단자에 연결되고 상기 제1전력변환모듈의 제2회로부의 두 출력단자는 상기 제2전력변환모듈의 1차측 제1코일의 두 접속단자에 연결되고 상기 제2전력변환모듈의 제1회로부의 두 출력단자는 상기 제2전력변환모듈의 1차측 제2코일의 두 접속단자에 연결되며 상기 제2전력변환모듈의 제2회로부의 두 출력단자는 상기 제1전력변환모듈의 1차측 제1코일의 두 접속단자에 연결된다.

Description

밸런스드 전력변환모듈을 적용한 전력변환장치
본 발명은 전력변환장치에 관한 것으로서, 특히 병렬로 연결된 복수의 전력변환모듈의 출력단 간 출력전력의 불균형을 해소하기 위한 전력변환장치에 관한 것이다.
전력변환장치는 다양한 장치 및 설비에 이용되고 있다. 전력변환장치의 표준화에 대한 요구에 따라 하나의 전력변환장치로 모든 전력을 변환하지 않고 여러 개의 전력변환모듈을 병렬로 사용하여 원하는 전력량의 변환을 수행하는 모듈형 전력변환장치들이 다수 개발되고 있다.
그런데, 이러한 모듈형 전력변환장치의 경우 여러 개의 모듈을 동일하게 제조하여 사용한다고 하더라도 장시간 운전에 따라 각 모듈마다 특성을 조금씩 변할 수 있고 일부 부품에 고장이 발생할 수도 있다.
모듈형 전력변환장치에서는 여러 개의 전력변환모듈이 같은 전력을 출력하도록 설계되어 있으나, 상기와 같은 경우 여러 전력변환모듈의 인덕턴스 변화로 출력단 간에 전력 불균형이 발생하는 문제점이 있다.
이와 같이 전력 불균형이 발생하면 그 변화량만큼 전력을 조정하기 위해 특정 모듈이 더 많은 전력을 처리하게 되며, 이로써 상대적으로 더 많은 스트레스로 인해 고장이 발생하거나 수명이 단축되는 악순환이 이어지는 문제점이 발생한다.
이러한 전력 불균형의 문제점을 해결하기 위해 종래에 각 모듈별로 센서를 부가하여 전력량 감지하거나 모듈별로 전력량을 공유하여 특정 모듈의 전력변환을 개별적으로 제어하는 기술이 개시되어 있다. 또한 변압기의 2차측에 2개의 코일간에 밸런스드 연결을 제공하는 기술이 개시되어 있다.
하지만, 이러한 종래기술에서도 모듈형 전력변환모듈마다 특성 차이 및 변화로 인해 발생하는 전력의 불균형을 근본적으로 해소하지 못한다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 병렬로 운전되는 복수의 전력변환모듈의 연결을 조정하여 각각의 전력변환모듈의 출력단 간 출력전력의 불균형을 해소하도록 하는 전력변환장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치는, 제1전력변환모듈 및 제2전력변환모듈이 병렬연결된 전력변환장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 전력변환모듈 각각은, 2개의 출력단자를 갖는 제1회로부; 2개의 출력단자를 갖는 제2회로부; 자기장 경로를 형성하는 코어; 상기 코어의 1차측에 권선되며 2개의 접속단자를 갖는 1차측 제1코일; 상기 코어의 1차측에 권선되며 2개의 접속단자를 갖는 1차측 제2코일; 상기 코어의 2차측에 권선된 2차측 코일을 포함하고, 상기 제1전력변환모듈의 제1회로부의 두 출력단자는 상기 제1전력변환모듈의 1차측 제2코일의 두 접속단자에 연결되고 상기 제1전력변환모듈의 제2회로부의 두 출력단자는 상기 제2전력변환모듈의 1차측 제1코일의 두 접속단자에 연결되고 상기 제2전력변환모듈의 제1회로부의 두 출력단자는 상기 제2전력변환모듈의 1차측 제2코일의 두 접속단자에 연결되며 상기 제2전력변환모듈의 제2회로부의 두 출력단자는 상기 제1전력변환모듈의 1차측 제1코일의 두 접속단자에 연결된다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전력변환장치는, 제1전력변환모듈 및 제2전력변환모듈이 병렬연결된 전력변환장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 전력변환모듈 각각은, 2개의 출력단자를 갖는 제1회로부; 2개의 출력단자를 갖는 제2회로부; 자기장 경로를 형성하는 코어; 상기 코어의 1차측에 권선되며 2개의 접속단자를 갖는 1차측 제1코일; 상기 코어의 1차측에 권선되며 2개의 접속단자를 갖는 1차측 제2코일; 상기 코어의 2차측에 권선된 2차측 코일을 포함하고, 상기 제1전력변환모듈의 제1회로부의 두 출력단자는 상기 제1전력변환모듈의 1차측 제1코일의 두 접속단자에 연결되고 상기 제1전력변환모듈의 제2회로부의 두 출력단자는 상기 제2전력변환모듈의 1차측 제1코일의 두 접속단자에 연결되고 상기 제2전력변환모듈의 제1회로부의 두 출력단자는 상기 제1전력변환모듈의 1차측 제2코일의 두 접속단자에 연결되며 상기 제2전력변환모듈의 제2회로부의 두 출력단자는 상기 제2전력변환모듈의 1차측 제2코일의 두 접속단자에 연결된다.
본 발명에서, 상기 제1회로부 및 제2회로부는 각각 복수의 반도체스위치 및 커패시터로 구성된 풀브릿지(full-bridge) 또는 하프브릿지(half-bridge)의 스위칭회로를 포함한다.
본 발명에서, 상기 제1회로부의 반도체스위치 및 상기 제2회로부의 반도체스위치는 각각 동일하게 턴온 및 턴오프된다.
본 발명에서, 상기 제1전력변환모듈 및 제2전력변환모듈의 2차측 코일은 양단부에 형성된 2개의 접속단자 및 상기 2차측 코일의 중앙점에 형성된 하나의 접속단자를 포함하고, 상기 제1전력변환모듈의 제2코일의 양단부에 형성된 2개의 접속단자와 상기 제2전력변환모듈의 제2코일의 양단부에 형성된 2개의 접속단자는 공통으로 연결되어 (+)출력단을 형성하고 상기 제1전력변환모듈의 2차측 코일의 중앙점에 형성된 접속단자와 상기 제2전력변환모듈의 2차측 코일의 중앙점에 형성된 접속단자는 공통으로 연결되어 (-)출력단을 형성한다.
본 발명에 의하면 동일한 구성을 갖는 복수의 전력변환모듈을 병렬로 연결하여 다중출력단을 구성하는 경우 이들 다중출력단에서의 전력 불균형을 해소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 밸런스드 전력변환모듈을 적용한 전력변환장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 밸런스드 전력변환모듈을 적용한 전력변환장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 밸런스드 전력변환모듈을 적용한 전력변환장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전력변환장치에서 다중출력단 간의 전력의 불균형 해소를 실험한 결과를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 밸런스드 전력변환모듈을 적용한 전력변환장치의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 밸런스드 전력변환모듈을 적용한 전력변환장치(이하, 전력변환장치라 함)(100)는 2개의 전력변환모듈(110)이 병렬로 연결된다. 이들 전력변환모듈(110)은 각각 제1회로부(111), 제2회로부(112), 코어(113), 코어(113)의 1차측 제1코일(114) 및 제2코일(115), 코어(113)의 2차측 코일(116)를 포함하여 구성된다. 2개의 전력변환모듈(110)은 동일한 구성을 각각 포함한다. 동일한 구성에 대한 도면부호는 생략하도록 한다.
제1회로부(111)는 2개의 출력단자, 즉 제1출력단자(X1)와 제2출력단자(X2)가 형성되고 제2회로부(112)도 역시 2개의 출력단자, 즉 제3출력단자(X3)와 제4출력단자(X4)가 형성된다.
이들 제1 및 제2 회로부(111,112)는 각각 복수의 반도체스위치(1111,1121) 및 커패시터(1112,1122)로 구성된 풀브릿지 타입 또는 하프브릿지 타입의 스위칭회로를 포함한다.
이에 따라 제1 및 제2 회로부(111,112)에서는 스위칭제어부(미도시)의 제어신호에 따라 복수의 반도체스위치(1111,1121)가 턴온(turn-on)/턴오프(turn-off)되어 입력전압에 대해 2개의 출력단자(X1,X2)(X3,X4)로 전류가 출력되도록 한다. 본 실시 예에서 바람직하게는 제1회로부(111)의 반도체스위치(1111) 및 상기 제2회로부(112)의 반도체스위치(1121)는 각각 동일하게 동작되며, 이를 위해 동일하게 턴온 및 턴오프된다.
코어(core)(113)는 일측에 1차측 코일이 권선되고 타측에 2차측 코일이 권선되어 1차측 코일에 흐르는 전류에 의해 자기장 경로를 제공하고 이러한 자기장에 의해 2차측 코일에 전압이 유기되도록 한다.
제1코일(114) 및 제2코일(115)는 각각 코어(113)의 1차측에 권선된다. 이때, 제1,2코일(114,115)은 서로 동일한 턴수로 1차측에 권선되는 것이 바람직하다. 1차측의 제1코일(114)에는 양단에 2개의 접속단자, 즉 제1,2접속단자(Y1,Y2)가 형성되고 1차측의 제2코일(115)에도 양단에 2개의 접속단자, 즉 제3,4접속단자(Y3,Y4)가 형성된다.
2차측 코일(116)은 코어(113)의 2차측에 권선된다. 이러한 2차측 코일(116)은 코일의 양단부에 2개의 접속단자, 즉 제5,6접속단자(Z1,Z2)가 형성된다. 다른 실시 예에서 바람직하게는 2차측 코일(116)의 중앙점에 제7접속단자(Z3)가 추가로 형성될 수도 있다.
이하에서 도 2 및 도 3의 예시도를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 밸런스드 전력변환모듈을 적용한 전력변환장치의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 밸런스드 전력변환모듈을 적용한 전력변환장치의 구성도이다.
먼저, 도 2에 도시된 일 실시 예와 같이 본 발명에 따른 전력변환장치(100)는 제1전력변환모듈(110a)과 제2전력변환모듈(110b)이 병렬로 연결된다.
제1전력변환모듈(110a)은 복수의 전력반도체스위치와 커패시터로 구성된 제1회로부(111a) 및 제2회로부(112a)와, 권선된 코일에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자기장의 경로를 제공하는 코어(113a)와, 이러한 코어(113a)의 1차측에 권선된 제1코일(114a) 및 제2코일(115a), 그리고 코어(113a)의 2차측에 권선된 2차측 코일(116a)를 포함하여 구성된다.
또한, 제1회로부(111a)는 제1출력단자(X1)와 제2출력단자(X2)가 형성되고 제2회로부(112a)는 제3출력단자(X3)와 제4출력단자(X4)가 형성된다. 그리고 1차측의 제1코일(114a)은 제1접속단자(Y1)와 제2접속단자(Y2)가 형성되고 제2코일(115a)은 제3접속단자(Y3)와 제4접속단자(Y4)가 형성된다.
제2전력변환모듈(110b)도 제1전력변환모듈(110a)과 동일한 구성을 갖는다. 즉, 제2전력변환모듈(110b)은 복수의 전력반도체스위치와 커패시터로 구성된 제1회로부(111b) 및 제2회로부(112b)와, 코일에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자기장의 경로를 제공하는 코어(113b)와, 코어(113b)의 1차측에 권선된 제1코일(114b) 및 제2코일(115b), 그리고 코어(113b)의 2차측에 권선된 2차측 코일(116b)를 포함하여 구성된다.
또한, 제1회로부(111b)는 제1출력단자(X1)와 제2출력단자(X2)가 형성되고 제2회로부(112b)는 제3출력단자(X3)와 제4출력단자(X4)가 형성된다. 그리고 1차측의 제1코일(114b)은 제1접속단자(Y1)와 제2접속단자(Y2)가 형성되고 제2코일(115b)은 제3접속단자(Y3)와 제4접속단자(Y4)가 형성된다.
이때, 제1전력변환모듈(110a)의 제1회로부(111a)의 제1,2출력단자(X1,X2)는 제1전력변환모듈(110a)의 1차측 제2코일(115a)의 제3,4접속단자(Y3,Y4)와 연결되고 제1전력변환모듈(110a)의 제2회로부(112a)의 제3,4출력단자(X3,X4)는 제2전력변환모듈(110b)의 1차측 제1코일(114b)의 제1,2접속단자(Y1,Y2)와 연결된다.
그리고, 제2전력변환모듈(110b)의 제1회로부(111b)의 제1,2출력단자(X1,X2)는 제2전력변환모듈(110b)의 1차측 제2코일(115b)의 제3,4접속단자(Y3,Y4)와 연결되고 제2전력변환모듈(110a)의 제2회로부(112a)의 제3,4출력단자(X3,X4)는 제1전력변환모듈(110a)의 1차측 제1코일(114a)의 제1,2접속단자(Y1,Y2)와 연결된다
상기한 바와 같이 제1 및 제2 전력변환모듈(110a,110b)에서 제1,2회로부의 출력단자와 1차측 제1,2코일의 접속단자를 크로스하여 연결함으로써 두 전력변환모듈(110a,110b)에 각각 포함된 두 코어(113a,113b) 간에 권선된 인덕턴스 또는 임피던스 등의 차이로 인한 두 전력변환모듈(110a,110b) 간의 출력전력의 불균형을 해소할 수 있다. 이는 2개의 밸런스드(balanced) 전력변환모듈이 되도록 회로부와 코일을 연결함으로써 가능하게 되는 것이다.
보다 구체적으로, 제1전력변환모듈(110a)의 제1코어(113a)와 제2전력변환모듈(110b)의 제2코어(113b) 간에 특성의 차이, 즉 오랜 사용으로 인한 파라미터의 차이, 권선된 코일 간의 오차, 권선된 코일의 인덕턴스 또는 임피던스 등의 차이로 인해 각 코어(113a,113b)에서 출력되는 전류가 달라질 수 있다. 이러한 전류의 차이로 인해 출력단에서의 전력차이가 발생하여 전력 불균형으로 초래하게 된다.
일례로, 두 전력변환모듈(110a,110b)의 제1,2코어(113a,113b) 간의 특성 차이로 인해 제1코어(113a)에 권선된 1차측 제1,2코일의 인덕턴스가 각각 50μH이고, 제2코어(113b)에 권선된 1차측 제1,2코일의 인덕턴스가 각각 60μH인 경우라면 제1,2전력변환모듈(110a,110b)에서 출력되는 전류는 두 인덕턴스의 차이에 대응하는 값으로 발생되어 전력의 불균형이 발생한다.
이상적으로는 두 코어(113a,113b)의 각 코일의 인덕턴스가 동일하므로 두 전력변환모듈(110a,110b)의 출력전류는 동일하여야 한다. 하지만 상기와 같이 코어 간의 특성 차이로 인해 전류의 차이가 발생하여 결과적으로 각 출력단에서의 전력 불균형이 불가피하다.
따라서, 본 발명에서는 제1,2 전력변환모듈(110a,110b)의 제1,2회로부와 1차측의 제1,2코일의 연결을 일부가 크로스(cross)되도록 함으로써 전력의 불균형으로 방지하도록 한다. 즉, 상기 일례에서 제1전력변환모듈(110a)은 제1코어(113a)에 권선된 1차측 제1코일의 인덕턴스를 50μH으로 하고 제2코어(113b)에 권선된 1차측 제2코일의 인덕턴스를 60μH으로 하며, 제2전력변환모듈(110b)은 제1코어(113a)에 권선된 1차측 제2코일의 인덕턴스를 50μH으로 하고 제2코어(113b)에 권선된 1차측 제1코일의 인덕턴스를 60μH가 되어 제1,2전력변환모듈(110a,110b)에 걸리는 인덕턴스는 모두 50μH와 60μH의 합이 되어 출력단의 전류가 서로 동일하게 출력되도록 하는 것이다.
도 3에 도시된 다른 실시 예에서 제1전력변환모듈(110a)의 제1회로부(111a)의 제1,2출력단자(X1,X2)는 제1전력변환모듈(110a)의 1차측 제1코일(114a)의 제1,2접속단자(Y1,Y2)와 연결되고 제1전력변환모듈(110a)의 제2회로부(112a)의 제3,4출력단자(X3,X4)는 제2전력변환모듈(110b)의 1차측 제1코일(114b)의 제1,2접속단자(Y1,Y2)와 전기적으로 연결된다.
또한, 제2전력변환모듈(110b)의 제1회로부(111b)의 제1,2출력단자(X1,X2)는 제1전력변환모듈(110a)의 1차측 제2코일(115a)의 제3,4접속단자(Y3,Y4)와 연결되고, 제2전력변환모듈(110b)의 제2회로부(112b)의 제3,4출력단자(X3,X4)는 제2전력변환모듈(110b)의 1차측 제2코일(115b)의 제3,4접속단자(Y3,Y4)와 전기적으로 연결된다
상기한 바와 같이 제1 및 제2 전력변환모듈(110a,110b)에서 제1,2회로부의 출력단자와 1차측 제1,2코일의 접속단자를 크로스하여 연결함으로써 도 2와 동일한 원리로 두 전력변환모듈(110a,110b) 간의 전력 불균형을 해소할 수 있다.
이와 같이 도 3에서도 두 전력변환모듈(110a,110b)의 제1,2회로부와 1차측의 제1,2코일의 연결을 일부가 크로스(cross)되도록 함으로써 전력의 불균형으로 방지하도록 한다. 즉, 도 3에서도 상기 예에서 제1,2전력변환모듈(110a,110b)에 걸리는 인덕턴스는 모두 50μH와 60μH의 합이 되어 출력단의 전류가 서로 동일하게 출력되도록 하는 것이다.
한편, 도 2 및 도 3에서 제1전력변환모듈(110a)의 2차측 코일(116a)의 양단부에 형성된 2개의 접속단자(Z1,Z2)와 제1전력변환모듈(110a)에 이웃한 제2전력변환모듈(110b)의 제2코일(116b)의 양단부에 형성된 2개의 접속단자(Z1,Z2)는 서로 공통으로 연결되어 (+)출력단을 형성하고, 또한 제1전력변환모듈(110a)의 2차측 코일(116a)의 중앙점에 형성된 접속단자(Z3)와 제2전력변환모듈(110b)의 2차측 코일(116b)의 중앙점에 형성된 접속단자(Z3)는 서로 공통으로 연결되어 (-)출력단을 형성하도록 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 일 실시 예에서는 제1전력변환모듈(110a)의 제1회로부(111a)의 출력단자가 제1전력변환모듈(110a)의 1차측 제2코일(115a)의 접속단자에 연결되고 제1전력변환모듈(110a)의 제2회로부(112a)의 출력단자가 제2전력변환모듈(110b)의 1차측 제1코일(114b)의 접속단자에 연결되고 제2전력변환모듈(110b)의 제1회로부(111b)의 출력단자가 제2전력변환모듈(110b)의 1차측 제2코일(115b)의 접속단자에 연결되며 제2전력변환모듈(110b)의 제2회로부(112b)의 출력단자는 제1전력변환모듈(110a)의 1차측 제1코일(114a)의 접속단자에 연결되도록 한다.
본 발명의 다른 실시 예에서는 제1전력변환모듈(110a)의 제1회로부(111a)의 출력단자는 제1전력변환모듈(110a)의 1차측 제1코일(114a)의 접속단자에 연결되고 제1전력변환모듈(110a)의 제2회로부(112a)의 출력단자는 제2전력변환모듈(110b)의 1차측 제1코일(114b)의 접속단자에 연결되고 제2전력변환모듈(110b)의 제1회로부(111b)의 출력단자는 제1전력변환모듈(110a)의 1차측 제2코일(115a)의 접속단자에 연결되며 제2전력변환모듈(110b)의 제2회로부(112b)의 출력단자는 제2전력변환모듈(110b)의 1차측 제2코일(115b)의 접속단자에 연결되도록 한다.
상기와 같은 두 실시 예와 같이 제1,2회로부와 1차측 제1,2코일을 연결함으로써 제1,2전력변환모듈(110a,110b)에 각각 포함된 두 코어(113a,113b) 간에 권선된 인덕턴스 또는 임피던스 등의 차이로 인한 두 전력변환모듈(110a,110b) 간의 전력 불균형을 해소할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 전력변환장치에서 다중출력단 간의 전력의 불균형 해소를 실험한 결과를 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 전력변환장치에서의 전력 불균형을 실험적으로 살펴보기 위해 도 2 및 도 3의 전력변환장치에서 두 코어에 권선된 코일의 인덕턴스를 임의로 다르게 설정하였다. 구체적인 예시로서, 인덕턴스가 각각 10μH인 제1,2전력변환모듈에 누설 인덕턴스의 편차를 임의로 변경하여 설정하되, 제1전력변환모듈의 인덕턴스를 120%인 12μH로 설정하고 제2전력변환모듈은 80%인 8μH로 설정하였다. 이때 출력전류(A)는 300A로 설정하였다.
그 결과, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 제1,2전력변환모듈에서는 각 출력단마다 인덕턴스가 균형을 맞춰서 두 전력변환모듈의 각 출력단에서의 전력(B)은 6.15㎾로 동일함 알 수 있다.
이러한 결과를 비교하기 위해 도 4의 (b)는 도 1에서 X1,X2를 각각 Y1,Y2에 연결하고 X3,X4를 각각 Y3,Y4에 각각 연결하였을 경우에 대한 두 전력변환모듈의 각 출력단에서의 전력을 도시한다. 물론 조건은 도 2,3과 동일하게 하였다.
도 4의 (b)에서 알 수 있듯이, 제1,2전력변환모듈에서는 각 출력단마다 인덕턴스의 불균형으로 인해 전류의 불균형이 일어나게 되어 제1전력변환모듈의 전력(C)은 5.1㎾이고 제2전력변환모듈의 전력(D)은 7.2㎾가 되어 전력 불균형이 발생하였다.
이와 같이 본 발명에서는 복수의 전력변환모듈을 병렬로 연결하여 전력변환장치를 구성하는 경우 전력변환모듈의 회로부와 코어에 권선된 코일을 서로 연결하되, 이러한 연결에서 이웃한 전력변환모듈과 적어도 일부는 서로 크로스하여 연결함으로써 각 출력단마다 특성의 차이를 최소화함으로써 다중출력단에서의 전력의 불균형을 해소하도록 한다.
이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 제1전력변환모듈 및 제2전력변환모듈이 병렬연결된 전력변환장치에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전력변환모듈 각각은,
    2개의 출력단자를 갖는 제1회로부;
    2개의 출력단자를 갖는 제2회로부;
    자기장 경로를 형성하는 코어;
    상기 코어의 1차측에 권선되며 2개의 접속단자를 갖는 1차측 제1코일;
    상기 코어의 1차측에 권선되며 2개의 접속단자를 갖는 1차측 제2코일;
    상기 코어의 2차측에 권선된 2차측 코일을 포함하고,
    상기 제1전력변환모듈의 제1회로부의 두 출력단자는 상기 제1전력변환모듈의 1차측 제2코일의 두 접속단자에 연결되고 상기 제1전력변환모듈의 제2회로부의 두 출력단자는 상기 제2전력변환모듈의 1차측 제1코일의 두 접속단자에 연결되고 상기 제2전력변환모듈의 제1회로부의 두 출력단자는 상기 제2전력변환모듈의 1차측 제2코일의 두 접속단자에 연결되며 상기 제2전력변환모듈의 제2회로부의 두 출력단자는 상기 제1전력변환모듈의 1차측 제1코일의 두 접속단자에 연결되는 밸런스드 전력변환모듈을 적용한 전력변환장치.
  2. 제1전력변환모듈 및 제2전력변환모듈이 병렬연결된 전력변환장치에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전력변환모듈 각각은,
    2개의 출력단자를 갖는 제1회로부;
    2개의 출력단자를 갖는 제2회로부;
    자기장 경로를 형성하는 코어;
    상기 코어의 1차측에 권선되며 2개의 접속단자를 갖는 1차측 제1코일;
    상기 코어의 1차측에 권선되며 2개의 접속단자를 갖는 1차측 제2코일;
    상기 코어의 2차측에 권선된 2차측 코일을 포함하고,
    상기 제1전력변환모듈의 제1회로부의 두 출력단자는 상기 제1전력변환모듈의 1차측 제1코일의 두 접속단자에 연결되고 상기 제1전력변환모듈의 제2회로부의 두 출력단자는 상기 제2전력변환모듈의 1차측 제1코일의 두 접속단자에 연결되고 상기 제2전력변환모듈의 제1회로부의 두 출력단자는 상기 제1전력변환모듈의 1차측 제2코일의 두 접속단자에 연결되며 상기 제2전력변환모듈의 제2회로부의 두 출력단자는 상기 제2전력변환모듈의 1차측 제2코일의 두 접속단자에 연결되는 밸런스드 전력변환모듈을 적용한 전력변환장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1회로부 및 제2회로부는 각각 복수의 반도체스위치 및 커패시터로 구성된 풀브릿지(full-bridge) 또는 하프브릿지(half-bridge)의 스위칭회로를 포함하는 밸런스드 전력변환모듈을 적용한 전력변환장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1회로부의 반도체스위치 및 상기 제2회로부의 반도체스위치는 각각 동일하게 턴온 및 턴오프되는 밸런스드 전력변환모듈을 적용한 전력변환장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1전력변환모듈 및 제2전력변환모듈의 2차측 코일은 양단부에 형성된 2개의 접속단자 및 상기 2차측 코일의 중앙점에 형성된 하나의 접속단자를 포함하고, 상기 제1전력변환모듈의 제2코일의 양단부에 형성된 2개의 접속단자와 상기 제2전력변환모듈의 제2코일의 양단부에 형성된 2개의 접속단자는 공통으로 연결되어 (+)출력단을 형성하고 상기 제1전력변환모듈의 2차측 코일의 중앙점에 형성된 접속단자와 상기 제2전력변환모듈의 2차측 코일의 중앙점에 형성된 접속단자는 공통으로 연결되어 (-)출력단을 형성하는 밸런스드 전력변환모듈을 적용한 전력변환장치.
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