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KR101199490B1 - 고승압비 다상 인터리브 양방향 ｄｃ－ｄｃ 컨버터 - Google Patents

고승압비 다상 인터리브 양방향 ｄｃ－ｄｃ 컨버터 Download PDF

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KR101199490B1
KR101199490B1 KR1020110063735A KR20110063735A KR101199490B1 KR 101199490 B1 KR101199490 B1 KR 101199490B1 KR 1020110063735 A KR1020110063735 A KR 1020110063735A KR 20110063735 A KR20110063735 A KR 20110063735A KR 101199490 B1 KR101199490 B1 KR 101199490B1
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half bridge
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송유진
한수빈
박석인
정학근
채수용
김규덕
유승원
Original Assignee
한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터에 관한 것으로, 저전압 대전류 출력특성을 갖는 배터리 셀 모듈 또는 슈퍼 캐패시터 모듈을 포함하는 저전압의 다중 전원에 대해 효과적으로 충방전을 제어할 수 있도록 함으로써 고효율의 배터리 충/방전용 양방향 DC-DC 컨버터의 구현이 가능하도록 한 것이다.

Description

고승압비 다상 인터리브 양방향 ＤＣ－ＤＣ 컨버터{Multi-phase interleaved bidirectional DC-DC converter with high voltage conversion ratio}
본 발명은 DC-DC 컨버터에 관련한 것으로, 특히 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
최근 기후온난화와 화석연료 고갈로 인해 선진국을 중심으로 신재생에너지(New Renewable Energy)의 도입을 적극적으로 확대하고 있다. 그러나 풍력 및 태양광 같은 신재생에너지는 간헐적(intermittent)인 출력특성으로 인해 전력계통과 연계시 계통(grid)의 불안정성, 전력품질의 저하를 발생시킨다.
배터리와 같은 에너지 저장장치(battery energy storage system)를 이용한 계통안정화 시스템(grid stabilization system)은 신재생에너지 분산발전시스템(distributed power generation system)과의 병렬운전을 통해 신재생에너지 시스템의 출력변동을 저감시킬 수 있다.
이를 위해서는 저압의 배터리를 충전 또는 방전 제어할 수 있는 고승압비의 대용량 양방향 DC-DC 컨버터가 필수적이므로, 본 발명자는 이에 대한 연구를 하게 되었다.
본 발명은 상기한 취지하에 발명된 것으로, 저전압 대전류 출력특성을 갖는 배터리 셀 모듈 또는 슈퍼 캐패시터 모듈을 포함하는 저전압의 다중 전원에 대해 효과적으로 충방전을 제어할 수 있는 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터를 제공함을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터가 충전 또는 방전 가능한 전원 소자와, 상기 전원 소자에 의해 생성되는 전류를 저장하되 서로 병렬 연결되는 복수의 인덕터를 포함하며, 전류를 입력하거나 또는 전압을 출력하는 제1입출력부와; 상기 제1입출력부의 각 인덕터에 의해 입력되는 전류 또는 상기 각 인덕터로 출력되는 전압을 제어하되, 상기 인덕터와 동수의 제1하프브리지와; 단일의 전류를 입력하거나 또는 단일의 전압을 출력하는 단일의 제2입출력부와; 상기 제2입출력부에 의해 입력되는 전류 또는 상기 제2입출력부로 출력되는 전압을 제어하되, 상기 제1하프브리지와 동수의 제2하프브리지와; 충전 또는 방전 모드에 따라 상기 제1하프브리지와 제2하프브리지간에 서로 역방향으로 출력되는 전류를 변압하되, 상기 제1하프브리지 및 제2하프브리지와 동수의 변압기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터는 저전압 대전류 출력특성을 갖는 배터리 또는 수퍼 캐패시터와 같은 에너지 저장장치에 대해 효과적으로 충전과 방전 제어를 할 수 있는 유용한 효과를 가진다.
또한, 본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터는 전류형 하프 브리지 DC-DC 컨버터(current-fed half-bridge DC-DC converter)로서 낮은 권선비(turn ratio)의 변압기로 고승압비의 승압이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터는 변압기 1차측과 2차측의 모든 스위칭 소자에 대한 영전압 스위칭(zero voltage switching)이 가능하여 스위칭 손실을 최소화할 수 있고, 복수의 양방향 DC-DC 컨버터의 병렬운전을 통해 컨버터 각 소자의 도통손실(conduction loss)을 최소화 함으로써 고효율의 배터리 충/방전용 양방향 DC-DC 컨버터의 구현이 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터는 에너지 저장장치의 용량에 따라 상(phase) 단위로 양방향 DC-DC컨버터의 병렬확장이 가능하며, 인터리브 병렬운전을 통해 에너지 저장장치의 충방전 전류 리플을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터는 전류형 DC-DC 컨버터임에도 불구하고 전압 클램핑회로(voltage clamping circuit)가 필요 없어 비용절감이 가능하다.
도 1 은 본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터의 일 실시예의 구성을 도시한 회로도이다.
도 2 은 본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터를 3상으로 구현한 경우의 일 예를 도시한 회로도이다.
도 3 은 도 2 에 도시한 3상으로 구현한 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터의 동작 파형도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터의 일 실시예의 구성을 도시한 회로도이다. 도 1 에 도시한 바와 같이, 이 실시예에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 제1입출력부(110)와, 복수의 제1하프브리지(120)와, 단일의 제2입출력부(130)와, 상기 제1하프브리지와 동수의 제2하프브리지(140)와, 상기 제1하프브리지 및 제2하프브리지와 동수의 변압기(150)를 포함하여 이루어진다.
상기 제1입출력부(110)는 충전 또는 방전 가능한 단일의 전원 소자(111)와, 상기 전원 소자에 의해 생성되는 전류를 저장하되 서로 병렬 연결되는 복수의 인덕터(112)를 포함하며, 전류를 입력하거나 또는 전압을 출력한다.
양방향 DC-DC 컨버터의 특성에 따라 입출력 양단은 충전 모드 또는 방전 모드에 따라 전류 입력 또는 전압 출력 동작을 수행하므로, 상기 제1입출력부(110)는 충전 모드시에는 전류를 입력받고, 방전 모드시에는 전압을 출력한다.
예컨대, 상기 전원 소자(111)는 에너지의 충전/방전이 가능한 배터리 또는 슈퍼 캐패시터일 수 있다. 방전 모드에서 각 인덕터(112)는 전원 소자(111)로부터 출력된 전류를 저장하고, 저장된 전류를 방전한다.
상기 제1하프브리지(120)는 상기 제1입출력부(110)의 인덕터(112)와 동수로 구성되며, 제1입출력부(110)에 의해 입력되는 전류 또는 제1입출력부(110)로 출력되는 전압을 제어한다. 제1하프브리지(120)는 제1입출력부(110)와 추후 설명할 변압기(150) 사이에 연결되어 영 전압 스위칭(Zero Voltage Switching) 동작을 한다.
이 때, 각 제1하프브리지(120)는 충전 모드일 경우에는 변압기(150)에 의해 변압된 고주파 전류 펄스를 정류하여 제1입출력부(110)로 DC 전류를 출력하고, 방전 모드일 경우에는 제1입출력부(110)로부터 출력되는 DC 전류를 고주파 전류 펄스로 변조하여 변압기(150)로 출력하는 복수의 스위치(121)(122)를 포함할 수 있다.
각 제1하프브리지(120)는 변압기(150)의 1차측에 배열된다. 복수의 스위치(121)(122)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 MOSFET(MOS field-effect transistor)으로 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터(100)에서 변압기(150)의 1차측은 2차측 보다 저전압이다. 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 충전 모드(buck mode)인 경우에는 에너지가 고전압인 2차측에서 저전압인 1차측으로 전달되고, 방전 모드(boost mode)인 경우에는 에너지가 저전압인 1차측에서 2차측으로 전달된다.
본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 전원 소자(111)의 출력 용량에 따라 상(phase) 단위로 병렬확장이 가능하다. 이 경우, 제1입출력부(110)의 전원 소자(111)는 공통으로 사용된다.
예를 들어, 전원 소자(111)의 출력용량이 증가하여 1 상(phase)의 양방향 DC-DC 컨버터 모듈이 추가될 수 있다. 이 경우, 추가되는 양방향 DC-DC 컨버터 모듈은 전원 소자(111)에 새로 연결되는 1개의 인덕터(112)와, 이에 연결되는 복수의 스위치(121)(122)를 포함하는 제1하프브리지(120)를 포함한다.
상기 단일의 제2입출력부(130)는 단일의 전류를 입력하거나 또는 단일의 전압을 출력한다. 이 때, 상기 제2입출력부(130)가 외부로부터 입력되는 전원을 저장하는 전원용 캐패시터(C0)(131)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 제1입출력부(110)의 인덕터(112) 수와 관계없이 하나의 제2입출력부(130)를 가진다. 방전 모드에서 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 출력은 제2입출력부(130)의 양단 전압이다. 예컨대, 제2입출력부(130)는 계통연계형 인버터의 DC 입력단, 분산 전원용 컨버터의 DC 출력단 또는 부하용 컨버터의 DC 입력단과 연결될 수 있다.
방전 모드(boost mode)에서는 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 제1입출력부(110)로부터 제2입출력부(130)로 에너지가 공급된다. 공급된 에너지는 제2입출력부(130)의 전원용 캐패시터(C0)(131)에 저장되고, 외부 전원 시스템(도면 도시 생략)의 DC 입력단에 연결되어 에너지를 공급한다.
충전 모드(buck mode)에서는 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 제2입출력부(130)로부터 제1입출력부(110)로 에너지가 공급된다. 제2입출력부(130)의 전원용 캐패시터(C0)(131)는 외부의 전원 시스템(도면 도시 생략)으로부터 전달된 에너지를 저장하고, 이를 추후 설명할 제2하프브리지(140)와 변압기(150)를 통해 제2입출력부(130)로 전달한다.
상기 제2하프브리지(140)는 제1하프브리지(120)와 동수로 구성되며, 상기 제2입출력부(130)에 의해 입력되는 전류 또는 상기 제2입출력부(130)로 출력되는 전압을 제어한다. 제2하프브리지(140)는 제2입출력부(130)와 추후 설명할 변압기(150) 사이에 연결된다.
이 때, 각 제2하프브리지(140)는 충전 모드일 경우에는 제2입출력부(130)에 의해 입력되는 DC 전류를 고주파 전류 펄스로 변환하여 변압기(150)로 출력하고, 방전 모드일 경우에는 변압기(150)에 의해 변압된 고주파 전류 펄스를 정류하여 제2입출력부(130)로 DC 전류를 출력하는 복수의 스위치(141)(142)를 포함할 수 있다.
각 제2하프브리지(140)는 변압기(150)의 2차측에 배열된다. 복수의 스위치(141)(142)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 MOSFET(MOS field-effect transistor)으로 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터(100)에서 변압기(150)의 1차측은 2차측 보다 저전압이다. 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 충전 모드(buck mode)인 경우에는 에너지가 고전압인 2차측에서 저전압인 1차측으로 전달되고, 방전 모드(boost mode)인 경우에는 에너지가 저전압인 1차측에서 2차측으로 전달된다.
본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 전원 소자(111)의 출력 용량에 따라 상(phase) 단위로 병렬확장이 가능하다. 이 경우, 제1입출력부(110)의 전원 소자(111)는 공통으로 사용된다.
예를 들어, 전원 소자(111)의 출력용량이 증가하여 1 상(phase)의 양방향 DC-DC 컨버터 모듈이 추가될 수 있다. 이 경우, 추가되는 양방향 DC-DC 컨버터 모듈은 전원 소자(111)에 새로 연결되는 1개의 인덕터(112)와, 이에 연결되는 복수의 스위치(121)(122)를 포함하는 제1하프브리지(120)와, 이에 대응되는 복수의 스위치(141)(142)를 포함하는 제2하프브리지(140)를 포함한다.
상기 변압기(150)는 상기 제1하프브리지(120) 및 제2하프브리지(140)와 동수로 구성되며, 충전 또는 방전 모드에 따라 상기 제1하프브리지(120)와 제2하프브리지(140)간에 서로 역방향으로 출력되는 전류를 변압한다.
각 변압기(150)의 1차측에는 제1하프브리지(120)가 연결되고, 2차측에는 제2하프브리지(140)가 각각 연결되며, 방전 모드일 경우에는 1차측의 전압을 변압하여 2차측에 변압된 전압을 인가하고, 충전 모두일 경우에는 역으로 2차측 전압을 변압하여 1차측에 변압된 전압을 인가한다. 또한, 변압기(150)는 전원과 부하를 전기적으로 절연한다. 변압기(150)는 설정된 권선비 1:K로 권선되어 1차측과 2차측간에 전압을 변압한다.
본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 전원 소자(111)의 출력 용량에 따라 상(phase) 단위로 병렬확장이 가능하다. 이 경우, 제1입출력부(110)의 전원 소자(111)는 공통으로 사용된다.
예를 들어, 전원 소자(111)의 출력용량이 증가하여 1 상(phase)의 양방향 DC-DC 컨버터 모듈이 추가될 수 있다. 이 경우, 추가되는 양방향 DC-DC 컨버터 모듈은 전원 소자(111)에 새로 연결되는 1개의 인덕터(112)와, 이에 연결되는 복수의 스위치(121)(122)를 포함하는 제1하프브리지(120)와, 이에 대응되는 복수의 스위치(141)(142)를 포함하는 제2하프브리지(140) 및 제2하프브리지(140)와 연결되는 변압기(150)를 포함한다.
한편, 본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 상기 각 제1하프브리지(120)가 공유하되, 각 제1하프브리지에 포함되는 복수의 스위치(121)(122) 각각에 연결되어 소프트 스위칭이 이루어지도록 하는 복수의 무손실 캐패시터(161)(162)를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 상기 각 제2하프브리지(140)마다 별도로 구비하되, 각 제2하프브리지에 포함되는 복수의 스위치(141)(142) 각각에 연결되어 소프트 스위칭이 이루어지도록 하는 복수의 무손실 캐패시터(171)(172)를 더 포함할 수 있다.
도 1 을 참조하여 본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 각 구성 요소간의 연결 관계를 보다 구체적으로 알아본다. n상의 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터의 경우, 단일의 DC 전원 소자(Vi)(111)에 서로 병렬 연결되는 복수의 인덕터(L1,...,Ln)(112)가 연결되어 제1입출력부(110)가 구성된다.
제1입출력부(110)의 각 인덕터(112) 마다 각각 제1하프브리지(120)가 연결되고, 각 제1하프브리지(120)는 복수의 스위치(121)(122)가 공통의 전원 소자(111) 양단과 각 변압기(150) 양단에 병렬 연결되고, 각 제1하프브리지(120)가 공유하되 복수의 스위치(121)(122) 각각에 병렬 연결되는 복수의 무손실 캐패시터(161)(162)가 연결된다.
본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 전원 소자(111)의 출력 용량에 증가에 따라 상(phase) 단위로 병렬확장할 때 인덕터(112)와 이에 연결되는 제1하프브리지(120)가 추가된다. 이 때, 제1하프브리지(120)를 구성하는 복수의 스위치(121)(122)만 추가되고, 각 제1하프브리지(120)들이 공유하는 복수의 무손실 캐패시터(161)(162)는 추가되는 제1하프브리지(120)가 다른 제1하프브리지(120)들과 공유한다.
본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 제1입출력부(110)의 인덕터(112)와 동수의 변압기(T1,...,Tn)(150)를 포함한다. 각 변압기(150)(T1,...,Tn)는 고주파 변압기(high frequency transformer)로써, 1차측과 2차측 각각에 Y-Y 결선형태로 제1하프브리지(120)와 제2하프브리지(140)가 각각 연결된다.
이 때, 각 변압기(150) 1차측의 일단은 각 제1하프브리지(120)들에 포함되는 스위치(Q1 -1,Q1 -2,...,Qn -1,Qn -2)(121)(122)들의 접점과 연결되며, 1차측의 타단은 각 제1하프브리지(120)들이 공유하는 복수의 무손실 캐패시터(C1, C2)(161)(162)의 접점과 연결된다.
한편, 각 변압기(150) 2차측의 일단은 각 제2하프브리지(140)들에 포함되는 스위치들(S1 -1,S1 -2,...,Sn -1,Sn -2)(141)(142)의 접점과 연결되며, 2차측의 타단은 각 제2하프브리지(140)들의 복수의 스위치(141)(142) 각각에 병렬 연결되는 복수의 무손실 캐패시터들(C1-1,C1-2,...,Cn-1,Cn-2)(171)(172)의 접점과 연결된다.
본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 전원 소자(111)의 출력용량이 증가하여 1 상(phase)의 양방향 DC-DC 컨버터 모듈이 추가될 때마다 제2하프브리지(140)도 추가된다. 이 때, 제2하프브리지(140)를 구성하는 복수의 스위치(141)(142)와 이들 각각에 병렬 연결되는 복수의 무손실 캐패시터(171)(172)도 추가된다. 각 제2하프브리지(140)는 제2입출력부(130)의 전원용 캐패시터(C0)(131)와 연결된다.
도 2 은 본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터를 3상으로 구현한 경우의 일 예를 도시한 회로도이고, 도 3 은 도 2 에 도시한 3상으로 구현한 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터의 동작 파형도이다.
3상 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터는 1차측과 2차측에 모두 Y-Y 결선의 3상 고주파 변압기(high frequency transformer)(150)를 포함한다. 3상 고주파 변압기(150)의 1차측에는 3개의 인덕터(La, Lb, Lc)(112)와 3개의 제1하프브리지(120)가 배치된다. 각 제1하프브리지(120)는 각각 복수의 스위치(Q1,Q2)(Q3,Q4)(Q5,Q6)(121)(122)를 포함하며, 복수의 무손실 캐패시터(C1,C2)(161)(162)를 공유한다.
3상 고주파 변압기(150)의 1차측 일단은 각 제1하프브리지(120)의 복수의 스위치(121)(122)간의 접점(a, b, c)에 연결된다. 또한, 3상 고주파 변압기(150)의 1차측 타단은 복수의 무손실 캐패시터(161)(162)의 접점 m에 공통으로 연결된다.
한편, 3상 고주파 변압기(150)의 2차 측에는 3개의 제2하프브리지(140)와, 3개의 제2하프브리지(140)가 공유하는 전원용 캐패시터(C0)(131)가 배열된다. 각 제2하프브리지(140)는 각각 복수의 스위치(S1,S2)(S3,S4)(S5,S6)(141)(142)를 포함하며, 각 제2하프브리지(140)의 복수의 스위치(S1,S2)(S3,S4)(S5,S6)(141)(142) 마다 각각 복수의 무손실 캐패시터(Ca3,Ca4)(Cb3,Cb4)(Cc3,Cc4)(171)(172)가 연결된다.
3상 고주파 변압기(150)의 2차측 일단은 각 제2하프브리지(140)의 복수의 스위치(141)(142)간의 접점(a', b', c')에 연결된다. 또한, 3상 고주파 변압기(150)의 2차측 타단은 각 제2하프브리지(140)의 복수의 스위치(141)(142)에 각각 연결되는 무손실 캐패시터(171)(172)의 접점(am', bm', cm')과 연결된다.
도 3 을 참조해 보면, a상의 전원(Va)을 포함하는 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 제1하프브리지(120)의 스위치(121)(122)의 턴온(turn-on) 시간과 제2하프브리지(140)의 스위치(141)(142)의 턴온(turn-on)시간은 차이가 존재한다.
ILa, ILb, ILc는 a, b, c상의 인덕터(La, Lb, Lc)(112) 입력 전류를 나타내고, Ipa, Ipb, Ipc는 변압기(150)의 1차측 전류를 나타낸다. Vpa는 변압기(150)의 a상의 1차측 펄스 전압을 나타내고, Vsa는 변압기(150)의 a상의 2차측 펄스 전압을 나타낸다. Vc1은 무손실 캐패시터(C1)의 양단 전압, Vc2는 무손실 캐패시터(C2)의 양단 전압을 나타낸다.
변압기(150)의 a상의 1차측 구형파 전압(Vpa)과, 변압기(150) a상의 2차측 구형파 전압(Vsa)에는 위상차(phase shift, φa)가 존재한다. 이러한 위상차에 의해 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터의 전력전달 양이 결정된다. 각상의 제1하프브리지(120) 및 제2하프브리지(140)는 50%의 듀티비(duty ratio)로 동작한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터는 저전압 대전류 출력특성을 갖는 배터리 또는 수퍼 캐패시터와 같은 에너지 저장장치에 대해 효과적으로 충전과 방전 제어를 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터는 전류형 하프 브리지 DC-DC 컨버터(current-fed half-bridge DC-DC converter)로서 낮은 권선비(turn ratio)의 변압기로 고승압비의 승압이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터는 변압기 1차측과 2차측의 모든 스위칭 소자에 대한 영전압 스위칭(zero voltage switching)이 가능하여 스위칭 손실을 최소화할 수 있고, 복수의 양방향 DC-DC 컨버터의 병렬운전을 통해 컨버터 각 소자의 도통손실(conduction loss)을 최소화 함으로써 고효율의 배터리 충/방전용 양방향 DC-DC 컨버터의 구현이 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터는 에너지 저장장치의 용량에 따라 상(phase) 단위로 양방향 DC-DC컨버터의 병렬확장이 가능하며, 인터리브 병렬운전을 통해 에너지 저장장치의 충방전 전류 리플을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터는 전류형 DC-DC 컨버터임에도 불구하고 전압 클램핑회로(voltage clamping circuit)가 필요 없어 비용절감이 가능하므로, 상기에서 제시한 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만, 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 범위내에서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.
본 발명은 DC-DC 컨버터 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하다.
100 : DC-DC 컨버터 110 : 제1입출력부
111 : 전원 소자 112 : 인덕터
120 : 제1하프브리지 121, 122, 141, 142 : 스위치
130 : 제2입출력부 140 : 제2하프브리지
150 : 변압기 161, 162, 171, 172 : 무손실 캐패시터

Claims (6)

  1. 충전 또는 방전 모드에 따라 전압 출력 방향이 반대가 되는 양방향 DC-DC 컨버터에 있어서,
    충전 또는 방전 가능한 단일의 전원 소자와, 상기 전원 소자에 의해 생성되는 전류를 저장하되 서로 병렬 연결되는 복수의 인덕터를 포함하며, 전류를 입력하거나 또는 전압을 출력하는 제1입출력부와;
    상기 제1입출력부의 각 인덕터에 의해 입력되는 전류 또는 상기 각 인덕터로 출력되는 전압을 제어하되, 충전 모드일 경우에는 변압기에 의해 변압된 고주파 전류 펄스를 정류하여 제1입출력부로 DC 전류를 출력하고, 방전 모드일 경우에는 제1입출력부로부터 출력되는 DC 전류를 고주파 전류 펄스로 변조하여 변압기로 출력하는 복수의 스위치를 포함하는 상기 인덕터와 동수의 제1하프브리지와;
    상기 각 제1하프브리지가 공유하되, 각 제1하프브리지에 포함되는 복수의 스위치 각각에 연결되어 소프트 스위칭이 이루어지도록 하는 복수의 무손실 캐패시터와;
    단일의 전류를 입력하거나 또는 단일의 전압을 출력하는 단일의 제2입출력부와;
    상기 제2입출력부에 의해 입력되는 전류 또는 상기 제2입출력부로 출력되는 전압을 제어하되, 상기 제1하프브리지와 동수의 제2하프브리지와;
    충전 또는 방전 모드에 따라 상기 제1하프브리지와 제2하프브리지간에 서로 역방향으로 출력되는 전류를 변압하되, 상기 제1하프브리지 및 제2하프브리지와 동수의 변압기를;
    포함하되.
    각 제1입출력부의 인덕터는 각각 제1하프브리지를 구성하는 복수의 스위치 접점에 연결되고, 각 변압기 1차측 일단은 각 제1하프브리지를 구성하는 복수의 스위치 접점에 연결되고, 각 변압기 1차측 타단은 복수의 무손실 캐패시터 접점에 공통 연결되어, 전원소자의 용량에 따라 상(Phase) 단위로 병렬 확장이 가능한 것을 특징으로 하는 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 제2하프브리지가:
    충전 모드일 경우에는 제2입출력부에 의해 입력되는 DC 전류를 고주파 전류 펄스로 변환하여 변압기로 출력하고, 방전 모드일 경우에는 변압기에 의해 변압된 고주파 전류 펄스를 정류하여 제2입출력부로 DC 전류를 출력하는 복수의 스위치를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터.
  4. 삭제
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터가:
    상기 각 제2하프브리지마다 별도로 구비하되, 각 제2하프브리지에 포함되는 복수의 스위치 각각에 연결되어 소프트 스위칭이 이루어지도록 하는 복수의 무손실 캐패시터를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터.
  6. 제 1 항 있어서,
    상기 제2입출력부가;
    외부로부터 입력되는 전원을 저장하는 전원용 캐패시터를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 고승압비 다상 인터리브 양방향 DC-DC 컨버터.
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