WO2023200103A1 - 전력변환 시스템의 dc-dc 컨버터 - Google Patents

전력변환 시스템의 dc-dc 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 개시의 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터는 입력 전압을 승압 또는 강압하여 출력하는 제1 단계 컨버터, 및 상기 제1 컨버터의 출력에 연결되는 제2 단계 컨버터를 포함하고, 상기 제1 단계 컨버터는 직렬로 연결된 제1 내지 제4스위치, 직렬로 연결된 제5 내지 제8스위치, 상기 제1 및 제2스위치의 직렬연결과 병렬로 연결된 제1커패시터, 상기 제3 및 제4스위치의 직렬연결과 병렬로 연결된 제2커패시터, 상기 제5 및 제6스위치의 직렬연결과 병렬로 연결된 제3커패시터, 상기 제7 및 제8스위치의 직렬연결과 병렬로 연결된 제4커패시터, 상기 제1 및 제2스위치 사이의 제1노드와, 상기 제5 및 제6스위치 사이의 제2노드에 전기적으로 연결되는 제1인덕터, 및 상기 제3 및 제4스위치 사이의 제3노드와, 상기 제7 및 제8스위치 사이의 제4노드에 전기적으로 연결되는 제2인덕터를 포함할 수 있다.

Description

전력변환 시스템의 DC-DC 컨버터
본 발명은 전력변환 시스템의 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
전력변환 시스템은, 직류(DC) 전력을 다른 로드(load)로의 적용에 적합한 전력으로 변환하는 것이다. 예를 들어, 전기자동차에는 에너지 저장장치(배터리)에 저장된 전기 에너지가 전기모터에 적용되기에 적합하도록 전력을 변환하여 공급하는 전력변환 시스템이 구비될 수 있다.
이러한 전력변환 시스템은 양방향 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다. 양방향 DC-DC 컨버터는 에너지 저장장치와 인버터 사이에서 전압을 변환할 수 있다. 인버터는 전기모터에 전력을 공급하고, 또는 전기모터로부터 회생제동에 의해 전력을 공급받기도 한다. 이때 양방향 DC-DC 컨버터는 에너지 저장장치로부터 인버터로의 전압을 조정하여 전기모터에 전력을 공급하거나, 또는 인버터로부터 전압을 조정하여 에너지 저장장치를 충전하기도 한다.
최근 태양광 발전이나 에너지 저장장치 등에 사용되는 DC 전압이 점점 상승되고 있으며, 사고시 에너지 저장장치를 비롯한 시스템 보호를 위한 대책이 요구되고 있는 추세이다.
그러나, 종래의 DC-DC 컨버터의 경우, 입출력 전압범위가 좁은 범위로 고정되어 있었다. 따라서, 종래의 DC-DC 컨버터의 경우 입출력 전압 변동이 커지면 손실이 증가하고, 최대 전류값이 증가하고, 영전압 스위칭 범위에서 문제가 발생하는 등의 단점이 있었다. 이에, 넓은 입출력 전압 범위를 갖는 양방향 DC-DC 컨버터가 요구된다.
본 개시는 넓은 입출력 전압 범위에서 동작이 가능한 DC/DC 컨버터를 제공하고자 한다.
본 개시는 낮은 전압의 스위칭 소자를 이용하여 고전압 회로 구성이 가능한 DC/DC 컨버터를 제공하고자 한다.
본 개시의 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터는 입력 전압을 승압 또는 강압하여 출력하는 제1 단계 컨버터, 및 제1 컨버터의 출력에 연결되는 제2 단계 컨버터를 포함하고, 제1 단계 컨버터는 직렬로 연결된 제1 내지 제4스위치, 직렬로 연결된 제5 내지 제8스위치, 제1 및 제2스위치의 직렬연결과 병렬로 연결된 제1커패시터, 제3 및 제4스위치의 직렬연결과 병렬로 연결된 제2커패시터, 제5 및 제6스위치의 직렬연결과 병렬로 연결된 제3커패시터, 제7 및 제8스위치의 직렬연결과 병렬로 연결된 제4커패시터, 제1 및 제2스위치 사이의 제1노드와, 제5 및 제6스위치 사이의 제2노드에 전기적으로 연결되는 제1인덕터, 및 제3 및 제4스위치 사이의 제3노드와, 제7 및 제8스위치 사이의 제4노드에 전기적으로 연결되는 제2인덕터를 포함할 수 있다.
제2 단계 컨버터는 변압기, 변압기의 1차측에 배치되는 제9 내지 제12 스위치, 변압기의 2차측에 배치되는 제13 내지 제16 스위치를 포함할 수 있다.
제2 단계 컨버터는 제9 스위치와 제10 스위치 사이에 연결되는 제1 다이오드, 및 제11 스위치와 제12 스위치 사이에 연결되는 제2 다이오드를 더 포함할 수 있다.
제2 단계 컨버터는 제9 및 제10 스위치와 제11 및 제12 스위치는 상보적으로 동작하며, 제9 스위치는 제10 스위치 보다 먼저 오프되고, 제12 스위치는 제11 스위치 보다 먼저 오프될 수 있다.
제1인덕터와 제2인덕터는 상호 결합되어 커플드 인덕터를 구성할 수 있다.
제1 단계 컨버터는 제1 내지 제8 스위치, 제1 내지 제4 커패시터, 제1 및 제2 인덕터로 구성된 제1 컨버터가 복수개로 병렬 연결될 수 있다.
제2 단계 컨버터는 변압기, 제9 내지 제16 스위치로 구성된 제2 컨버터가 복수개로 직렬 연결될 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, DC-DC 컨버터는 2 단계로 구성되며, 제1 단계에서 승압 및 강압이 가능하여, 넓은 입출력 전압 범위에서 동작이 가능하여, 입출력 전압의 변동에도 높은 효율로 동작 가능한 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 고전압 회로 구성을 낮은 전압의 스위칭 소자를 이용하여 구현 가능하기 때문에, 제조 비용의 절감이 가능한 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 제1 단계 컨버터를 N상으로 구성함으로써 인터리브드 동작으로 리플 크기를 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 제2 단계 컨버터에 NPC 회로가 적용됨에 따라, 제어 로직의 단순화가 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예가 적용되는 전력변환 시스템의 일 예를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예가 적용되는 전력변환 시스템의 다른 일 예를 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 종래의 DC-DC 컨버터 토폴로지를 설명하기 위한 회로 구성도이다.
도 4는 도 3에 따른 DC-DC 컨버터의 Phase-shift 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예의 DC-DC 컨버터 토폴로지를 설명하기 위한 회로 구성도이다.
도 6은 도 5에 따른 DC-DC 컨버터의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 개시의 다른 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터 토폴로지를 설명하기 위한 회로 구성도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예의 전력변환 시스템의 DC-DC 컨버터를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예가 적용되는 전력변환 시스템의 일 예를 설명하기 위한 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예가 적용되는 전력변환 시스템은, 에너지 저장부(100), DC-DC 컨버터(1), 제어부(7), DC 링크부(110) 및 인버터(120)를 포함할 수 있다.
도 1의 시스템에서, 에너지 저장부(100)에 저장된 DC 전압은 본 발명의 일실시예의 DC-DC 컨버터(1)에 의해 승압 또는 강압되어 DC 링크부(110)에 제공되며, DC 링크부(110)에 저장된 DC 전압은 인버터(120)에 의해 교류(AC) 전압으로 변환되어 부하(load)로 전달될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예의 DC-DC 컨버터(1)는 에너지 저장부(100)에 저장된 DC 전압의 크기를 변환하여 DC 링크부(110)에 제공할 수 있다.
이때, 제어부(7)는 DC-DC 컨버터(1)의 복수의 스위치를 각각 제어하여, 입력 DC 전압을 변환하여 DC 전압을 출력할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예가 적용되는 전력변환 시스템의 다른 일 예를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예가 적용되는 시스템은, 태양광 발전부(Photovoltaic, PV)(200), DC-DC 컨버터(1), 제어부(7) 및 에너지 저장부(210)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, DC-DC 컨버터(1)는 PV(200)에 의해 생산되는 DC 전압을 변환하여 에너지 저장부(210)가 저장하도록 제공할 수 있다.
이때, 제어부(7)는 DC-DC 컨버터(10)의 복수의 스위치를 각각 제어하여, 입력 DC 전압을 변환하여 DC 전압을 출력할 수 있다.
다만, 본 발명의 DC-DC 컨버터(1)는, 위에서 언급한 시스템에 한정적으로 제공되는 것은 아니며, 다양하게 DC전압의 크기를 변환하여 제공하는 시스템에서 적용될 수 있을 것이다.
이하에서는, 종래의 DC-DC 컨버터 토폴로지를 설명한 후, 본 발명의 일 실시예의 DC-DC 컨버터를 설명하기로 한다.
도 3은 종래의 DC-DC 컨버터 토폴로지를 설명하기 위한 회로 구성도이고, 도 4는 도 3에 따른 DC-DC 컨버터의 Phase-shift 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 종래 DC-DC 컨버터는 고주파수 변압기(High Frequency Transformer)를 사용하고, 1, 2차측 스위치의 Phase-shift를 이용하여 DC 전압의 크기를 변환한다.
종래 DC-DC 컨버터는 1차측 전압(Vp)과 2차측 전압(Vs)을 쉬프트하여 전력을 전송하므로, 1차측 전압(Vp)과 2차측 전압(Vs)의 위상이 상이한 구간 동안 전류(iL)의 방향이 변경된다. 그런데, 전류(iL)의 방향이 변경되는 구간에서 2차측 전압(Vs)이 양의 부호를 갖으나 전류(iL)가 음의 부호를 갖거나, 반대로 2차측 전압(Vs)이 음의 부호를 갖으나 전류(iL)가 양의 부호를 갖으면서 무효 전류가 발생하여 효율이 저하된다.
그리고, 이러한 무효 전류는 입력 전압(Vi)과 출력 전압(Vo')이 기정해진 최적 값에서 동작하지 않을수록 커지는 단점이 있다.
정리하면, 종래 DC-DC 컨버터는 입력 전압 및 출력 전압이 고정된 범위에서 동작하도록 설계되어 있어, 입력 전압 또는 출력 전압에 변동이 발생하면 효율이 저하되며, 손실이 커지는 단점이 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예의 DC-DC 컨버터 토폴로지를 설명하기 위한 회로 구성도이고, 도 6은 도 5에 따른 DC-DC 컨버터의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
상술한 바와 같이 종래 DC-DC 컨버터는 입출력 전압 범위가 좁은 단점이 있는 바, 본 개시는 컨버터 2개를 연결하여 2 stage로 구성하고자 한다. 이에, 본 개시의 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터는 제1 단계 컨버터와 제2 단계 컨버터로 구성될 수 있다. 제1 단계 컨버터는 도 5에 도시된 제1 컨버터(10)이고, 제2 단계 컨버터는 도 5에 도시된 제2 컨버터(20)일 수 있다.
즉, 본 개시의 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터는 제1 컨버터(10)와 제2 컨버터(20)의 결합으로 구성될 수 있다.
제1 단계 컨버터는 입력 전압을 승압 또는 강압하여 출력할 수 있다. 제1 컨버터(10)는 순차적으로 직렬로 연결된 제1 내지 제4스위치(S1)(S2)(S3)(S4)와, 순차적으로 직렬로 연결된 제5 내지 제8스위치(S5)(S6)(S7)(S8)을 포함할 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 제1 내지 제8 스위치(S1)(S2)(S3)(S4)(S5)(S6)(S7)(S8) 및 제9 내지 제15 스위치(S9)(S10)(S11)(S12)(S13)(S14)(S15)(S16)는 각각, 예를 들어 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor, IGBT)일 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 종류의 반도체 스위칭소자가 사용될 수 있다.
제1스위치(S1)와 제2스위치(S2)는 제어부(7)의 제어에 의해, 상보적으로(complementary) 동작할 수 있다. 상보적으로 동작한다는 것은, 제1스위치(S1)가 온인 경우 제2스위치(S2)는 오프이고, 제1스위치(S1)가 오프인 경우 제2스위치(S2)는 온인 것을 의미한다. 마찬가지로, 제3스위치(S3)와 제4스위치(S4)는 상보적으로 동작할 수 있고, 제5스위치(S5)와 제6스위치(S6)는 상보적으로 동작할 수 있다. 또한, 제7스위치(S7)와 제8스위치(S8)는 상보적으로 동작할 수 있다.
제1스위치 내지 제4스위치(S1)(S2)(S3)(S4)의 직렬연결과 제1커패시터(C1) 및 제2커패시터(C2)의 직렬연결이 병렬로 연결될 수 있다. 이때, 제2스위치(S2)와 제3스위치(S3) 사이의 노드 F와 제1커패시터(C1)와 제2커패시터(C2) 사이의 노드 E는 전기적으로 등가일 수 있다. 즉, 제1 및 제2스위치(S1)(S2)의 직렬연결과 제1커패시터(C1)가 병렬로 연결될 수 있고, 제3 및 제4스위치(S3)(S4)의 직렬연결과 제2커패시터(C2)가 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 제5스위치 내지 제8스위치(S5)(S6)(S7)(S8)의 직렬연결과 제3커패시터(C3) 및 제4커패시터(C4)의 직렬연결이 병렬로 연결될 수 있다. 이때, 제6스위치(S6)와 제7스위치(S7) 사이의 노드 G와 제3커패시터(C3)와 제4커패시터(C4) 사이의 노드 H는 전기적으로 등가일 수 있다. 즉, 제5 및 제6스위치(S5)(S6)의 직렬연결과 제3커패시터(C3)가 병렬로 연결될 수 있고, 제7 및 제8스위치(S7)(S8)의 직렬연결과 제4커패시터(C4)가 병렬로 연결될 수 있다.
제1인덕터(L1)는 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2) 사이의 노드 A와 제5스위치(S5)와 제6스위치(S6) 사이의 노드 B에 전기적으로 연결될 수 있다. 또, 제2인덕터(L2)는 제3스위치(S3)와 제4스위치(S4) 사이의 노드 C와 제7스위치(S7)와 제8스위치(S8) 사이의 노드 D에 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 및 제2인덕터(L1)(L2)는 상호 결합되어 커플드 인덕터(coupled inductor)를 구성할 수 있다. 즉, 제1 및 제2인덕터(L1)(L2)의 권선비는 동일할 수 있으며, 코어를 통해 제1인덕터(L1)의 1차 코일과 제2인덕터(L2)의 2차 코일이 자기적으로 결합될 수 있다. 이와 같은 커플드 인덕터는 코어를 통해 자기적으로 결합된 동일한 권선비의 1, 2차 코일로 구성되므로, 인덕터 사이즈가 감소되고, 손실이 감소되는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에서, 제2스위치(S2)와 제3스위치(S3) 사이의 노드 F와, 제6스위치(S6)와 제7스위치(S7) 사이의 노드 G는 전기적으로 등가일 수 있다. 따라서, 노드 E, 노드 F, 노드 G 및 노드 H는 전기적으로 등가일 수 있다.
이와 같이, 구성되는 토폴로지에 의해, 제1 컨버터(10)는 양방향으로 승압 및 강압이 가능한 구조이다.
본 발명의 일실시예의 제1 컨버터(10)는 4개의 스위치가 직렬연결되어 구성되므로, 낮은 전압의 스위칭 소자를 기반으로 높은 입출력 전압의 이용이 가능해질 수 있다. 또한, 커플드 인덕터에 의해 인덕터의 부피절감이 가능해지고 손실이 감소될 수 있다. 또한, DC 단락사고에 효율적으로 대응할 수 있다.
제1 컨버터(10)는 VDC/2=VC3=VC4=Vout/n으로 제어할 수 있다.
도 5와 같은 토폴로지에서, 제1 컨버터(10)가 벅(buck, 강압) 컨버터로 동작하는 경우, 제1 및 제4스위치(S1)(S2)(S3)(S4)가 제어부(7)의 제어에 의해 온 또는 오프로 제어되고, 제2스위치(S2)는 제1스위치(S1)에 상보적으로 동작하고, 제3스위치(S3)는 제4스위치(S4)에 상보적으로 동작할 수 있다. 또한, 제어부(7)에 의해 제5스위치(S5)와 제8스위치(S8)는 온으로 제어되고, 제6스위치(S6)와 제7스위치(S7)는 오프로 제어될 수 있다.
또한, 제1 컨버터(10)가 부스트(boost, 승압) 컨버터로 동작하는 경우, 제6 및 제7스위치(S6)(S7)가 제어부(7)의 제어에 의해 온 또는 오프로 제어되고, 제5스위치(S5)는 제6스위치(S6)에 상보적으로 동작하고, 제8스위치(S8)는 제7스위치(S7)에 상보적으로 동작할 수 있다. 또한, 제어부(7)에 의해 제1스위치(S1)와 제4스위치(S4)는 온으로 제어되고, 제2스위치(S2)와 제3스위치(S3)는 오프로 제어될 수 있다.
제2 단계 컨버터는 변압기(T1), 변압기의 1차측에 배치되는 제9 내지 제12 스위치(S9 내지 S12), 변압기의 2차측에 배치되는 제13 내지 제16 스위치(S13 내지 S16)을 포함할 수 있다.
제2 컨버터(20)는 NPC(Neutral Point Clamped)가 적용된 DAB 컨버터(Dual active bridge converter)일 수 있다. 제2 컨버터(20)는 1차측에 NPC 회로를 적용한 3-레벨 컨버터일 수 있다. 특히, 제2 컨버터(20)는 1차측 NPC 회로가 1열로 구성될 수 있다.
제2 컨버터(20)는 제9 내지 제12 스위치(S9)(S10)(S11)(S12)와, 제13 내지 제16 스위치(S13)(S14)(S15)(S16), 제1 및 제2 다이오드(D1)(D2), 제5 커패시터(C5) 및 변압기(T1)를 포함할 수 있다.
1차측에는 NPC 회로가 형성되고, 2차측에는 풀 브릿지 회로가 형성될 수 있다.
1차측에는 제9 내지 제12 스위치(S9)(S10)(S11)(S12)가 배치되는데, 제9 및 제10 스위치(S9)(S10)가 직렬 연결되고, 제11 및 제12 스위치(S11)(S12)가 직렬 연결되며, 제9 스위치(S9)와 제10 스위치(S10) 사이에 제1 다이오드(D1)가 연결되고, 제11 스위치(S11)와 제12 스위치(S12) 사이에 제2 다이오드(D2)가 연결될 수 있다.
제9 및 제10 스위치(S9)(S10)와 제11 및 제12 스위치(S11)(S12)가 상보적으로 동작할 수 있다. 즉, 제9 및 제10 스위치(S9)(S10) 중 적어도 하나가 온인 경우 제11 및 제12 스위치(S11)(S12)는 오프이고, 제11 및 제12 스위치(S11)(S12) 중 적어도 하나가 온인 경우 제9 및 제10 스위치(S9)(S10)는 오프일 수 있다.
그리고, 제9 및 제10 스위치(S9)(S10) 중 어느 하나는 다른 하나 보다 온 상태인 시간이 길 수 있다. 마찬가지로, 제11 및 제12 스위치(S11)(S12) 중 어느 하나는 다른 하나 보다 온 상태인 시간이 길 수 있다. 예를 들어, 제9 스위치(S9)는 제10 스위치(S10) 보다 먼저 오프되고, 제12 스위치(S12)는 제11 스위치(S11) 보다 먼저 오프될 수 있다. 이를 통해, 3레벨 전압이 출력될 수 있다.
제1 및 제2 다이오드(D1)(D2)에 전류가 흐르면서 전압 레벨이 3개로 구분될 수 있고, 이는 도 6의 Vp 파형을 통해 확인할 수 있다.
제2 컨버터(20)에서 VLK=nVp-Vs이므로, 0~T1 구간에서는 nVp=Vs이면 VLK=0이 되어 전류 크기에 변화가 없다. T1~T2 구간에서는 제9 스위치(S9)와 제10 스위치(S10)가 모두 오프되기 전에 제9 스위치(S9)가 먼저 오프되고, 이에 따라 제1 다이오드(D1)가 도통되어 VS9=VC3가 되며, T3 시점에 제10 스위치(S10)가 오프되어 VS10=VC4가 되어, VS9=VS10이 된다. T2~T3 구간은 위상 변이(Phase shift)되는 구간으로, 간격 조절을 통하여 전류 제어가 가능해진다.
도 7은 본 개시의 다른 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터 토폴로지를 설명하기 위한 회로 구성도이다.
본 개시의 다른 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터(1)도 도 5에서 설명한 바와 유사하게 제1 단계 컨버터와 제2 단계 컨버터의 결합인 2 stage로 구성되나, 제1 단계 컨버터는 제3 컨버터(11)이고, 제2 단계 컨버터는 제4 컨버터(21)일 수 있다.
제3 컨버터(11)는 도 5에서 설명한 제1 컨버터(10)가 N상으로 구성된 컨버터이고, 제4 컨버터(21)는 도 5에서 설명한 제2 컨버터(20)들이 직렬 연결되어 구성된 컨버터일 수 있다.
먼저, 제3 컨버터(11)를 설명하면, 제3 컨버터(11)는 제1 컨버터(10)가 N상으로 구성된 것으로, 복수개의 제1 컨버터(10)가 병렬 연결된 구조일 수 있다.
구체적으로, 제3 컨버터(11)는 한 상마다 직렬로 연결된 4개의 스위치를 포함하는 두개의 레그(leg)(11a,11b)에서, 상부의 두 스위치 사이의 각각의 노드에 제1인덕터(12a)가 연결되고, 하부의 두 스위치 사이의 각각의 노드에 제2인덕터(12b)가 연결되며, 제1 및 제2인덕터(12a, 12b)는 권선수가 동일한 커플드 인덕터일 수 있다.
제1레그(11a)의 상부의 두 스위치의 직렬연결은 제1커패시터(C1)와 병렬로 연결되고, 하부의 두 스위치의 직렬연결은 제2커패시터(C2)와 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 제2레그(11b)의 상부의 두 스위치의 직렬연결은 제3커패시터(C3)와 병렬로 연결되고, 하부의 두 스위치의 직렬연결은 제4커패시터(C4)와 병렬로 연결될 수 있다.
위의 설명은 한 상에 대해서 그 구성을 설명한 것이며, 이는 도 5에서 설명한 것과 동일하며, 나머지 상에 대해서도 그 구성이 동일하다. 그리고, 도 7에서는 제3 컨버터(11)가 2상으로 구성된 것으로 가정하여 설명하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 예시에 불과하며, 제3 컨버터(11)는 N상으로 구성될 수 있다. 이와 같이, 제3 컨버터(11)가 N상으로 구성될 경우 복수개의 인덕터를 통해 인터리브드 동작이 가능해지고, 이를 통해 리플 크기를 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
제4 컨버터(21)는 도 5에서 설명한 제2 컨버터(20)가 복수개 연결되며, 이 때 입력이 병렬 연결되고, 출력이 직렬 연결될 수 있다. 이에 따라, 제4 컨버터(21)는 출력이 복수개의 제2 컨버터(20)의 출력의 직렬 연결일 수 있다.
또한, 제4 컨버터(21)는 NPC가 적용된 DAB 컨버터 출력이 직렬 연결되도록 구성되므로, 바이폴라(Bipolar) 출력이 가능한 이점이 있다.
이와 같이, 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터(1)는 절연형으로 구성될 수 있고, 제1 컨버터(10) 및 제3 컨버터(11)는 양방향으로 승압 및 강압이 가능한 바, 넓은 입출력 전압 범위에서 동작이 가능한 이점이 있다. 따라서, 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터(1)는 특정 전압 조건에 구애받지 않고 높은 운전 효율로 동작하는 이점이 있다. 또한, 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터(1)는 제2 컨버터(20) 및 제4 컨버터(21)는 3 레벨 구동이 가능하여 낮은 전압의 스위칭 소자로 고전압 회로 구성이 가능한 이점이 있다.
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 (7)

  1. 입력 전압을 승압 또는 강압하여 출력하는 제1 단계 컨버터; 및
    상기 제1 컨버터의 출력에 연결되는 제2 단계 컨버터를 포함하고,
    상기 제1 단계 컨버터는
    직렬로 연결된 제1 내지 제4스위치,
    직렬로 연결된 제5 내지 제8스위치,
    상기 제1 및 제2스위치의 직렬연결과 병렬로 연결된 제1커패시터,
    상기 제3 및 제4스위치의 직렬연결과 병렬로 연결된 제2커패시터,
    상기 제5 및 제6스위치의 직렬연결과 병렬로 연결된 제3커패시터,
    상기 제7 및 제8스위치의 직렬연결과 병렬로 연결된 제4커패시터,
    상기 제1 및 제2스위치 사이의 제1노드와, 상기 제5 및 제6스위치 사이의 제2노드에 전기적으로 연결되는 제1인덕터, 및
    상기 제3 및 제4스위치 사이의 제3노드와, 상기 제7 및 제8스위치 사이의 제4노드에 전기적으로 연결되는 제2인덕터를 포함하는
    DC-DC 컨버터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 단계 컨버터는
    변압기,
    상기 변압기의 1차측에 배치되는 제9 내지 제12 스위치,
    상기 변압기의 2차측에 배치되는 제13 내지 제16 스위치를 포함하는
    DC-DC 컨버터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 단계 컨버터는
    상기 제9 스위치와 제10 스위치 사이에 연결되는 제1 다이오드, 및
    상기 제11 스위치와 제12 스위치 사이에 연결되는 제2 다이오드를 더 포함하는
    DC-DC 컨버터.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 단계 컨버터는
    상기 제9 및 제10 스위치와 상기 제11 및 제12 스위치는 상보적으로 동작하며,
    상기 제9 스위치는 상기 제10 스위치 보다 먼저 오프되고,
    상기 제12 스위치는 상기 제11 스위치 보다 먼저 오프되는
    DC-DC 컨버터.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1인덕터와 상기 제2인덕터는 상호 결합되어 커플드 인덕터를 구성하는
    DC-DC 컨버터.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 단계 컨버터는
    상기 제1 내지 제8 스위치, 상기 제1 내지 제4 커패시터, 상기 제1 및 제2 인덕터로 구성된 제1 컨버터가 복수개로 병렬 연결되는
    DC-DC 컨버터.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 단계 컨버터는
    상기 변압기, 상기 제9 내지 제16 스위치로 구성된 제2 컨버터가 복수개로 입력이 병렬 연결되고 출력이 직렬 연결되는
    DC-DC 컨버터.
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