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WO2018124521A1 - 절연형 양방향 ｄｃ-ｄｃ 컨버터의 스위칭 제어방법 - Google Patents

절연형 양방향 ｄｃ-ｄｃ 컨버터의 스위칭 제어방법 Download PDF

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Publication number
WO2018124521A1
WO2018124521A1 PCT/KR2017/014165 KR2017014165W WO2018124521A1 WO 2018124521 A1 WO2018124521 A1 WO 2018124521A1 KR 2017014165 W KR2017014165 W KR 2017014165W WO 2018124521 A1 WO2018124521 A1 WO 2018124521A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
switching
voltage
capacitor
switching control
battery
Prior art date
Application number
PCT/KR2017/014165
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
정병환
이정민
Original Assignee
주식회사 효성
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 효성 filed Critical 주식회사 효성
Priority to US16/473,753 priority Critical patent/US11165358B2/en
Priority to EP17886387.4A priority patent/EP3565101B1/en
Publication of WO2018124521A1 publication Critical patent/WO2018124521A1/ko

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    • H02J2207/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/20—Charging or discharging characterised by the power electronics converter

Definitions

  • the present invention relates to switching control of an isolated bidirectional DC-DC converter, and more particularly, by mixing a plurality of switching controls according to a voltage of a battery in an isolated bidirectional DC-DC converter connected between a DC grid system and a battery.
  • the present invention relates to a switching control method of an insulated bidirectional DC-DC converter to enable high efficiency control.
  • the energy storage device can be used to store surplus energy generated from new and renewable sources such as solar and wind power, or if the DC distribution system is unstable or outage. As it can be used as a reference DC power supply, the power supply will be disrupted, and the effect of reducing the reliability and stability can be expected.
  • bidirectional DC-DC converters for connecting DC grids and ESS devices (or batteries) is expanding.
  • bidirectional DC-DC converters are classified into non-isolated or insulated type according to the insulation type, and insulated bidirectional DC-DC converters are mainly used for the stability of the system.
  • the transformer primary side has a leakage inductor component.
  • the output side is composed of high capacity inductor.
  • the bidirectional DC-DC converter operates in the same manner as the phase-shifted ZVS converter in the forward operation, in which power flows from the primary side to the secondary side of the transformer, and in the same manner as the boost converter in the reverse direction. The operation is made.
  • the bidirectional DC-DC converter having this type has a problem in that zero voltage switching (ZVS) is not performed when it is applied at light loads, and when operated in the reverse direction, the inductor at the output side and the leakage inductor at the transformer primary side are used. There is a problem that a large spike occurs in the switch due to the difference in energy stored in the switch.
  • ZVS zero voltage switching
  • the Republic of Korea Patent Publication No. 10-1338147 is to operate in the form of LLC resonant converter or DAB (Dual Active Band) converter depending on the direction of the power flow or the characteristics of the load connected to the DC-DC converter 1 It provides a bidirectional DC-DC converter that can provide optimum efficiency and output control regardless of the type of load connected to the secondary or secondary side.
  • LLC resonant converter or DAB (Dual Active Band) converter depending on the direction of the power flow or the characteristics of the load connected to the DC-DC converter 1 It provides a bidirectional DC-DC converter that can provide optimum efficiency and output control regardless of the type of load connected to the secondary or secondary side.
  • the bidirectional DC-DC converter disclosed in Korean Patent Publication No. 10-1338147 discloses zero voltage switching (ZVS) even when PSM (Phase Shift Modulation) switching control is applied in a region of light load or more by switching a semiconductor device of a full bridge circuit. This does not happen, and even with PSM switching control, there is a problem in that the efficiency of the system is reduced due to high copper loss and core loss because the peak current flowing through the high frequency transformer and the auxiliary inductor is high.
  • ZVS zero voltage switching
  • the present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, in the bidirectional DC-DC converter installed between the DC grid system and the battery switching control according to the constant pressure of the battery PSM (Phase Shift Modulation) switching control, SPWM (The purpose of the present invention is to provide a switching control method of an isolated bidirectional DC-DC converter to improve the efficiency of the converter by using a combination of a single pulse width modulation (DP) switching control and a double pulse width modulation (DPWM) switching control.
  • DP pulse width modulation
  • DPWM double pulse width modulation
  • the first wiring breaker for disconnecting the line connected to the DC grid system when a failure occurs, the first wiring breaker is connected in parallel A first line breaker that cuts off the line, a first capacitor that charges the voltage supplied from the DC grid system, a first switch that is connected in parallel to the first capacitor and has a plurality of switches in a full bridge shape And a transformer having an output terminal of the first switching unit connected to the primary winding, a second switching unit connected to the secondary output terminal of the transformer and having a plurality of switches in a full bridge shape, and an output voltage of the second switching unit.
  • a second capacitor for charging the battery a switching control unit for controlling switching of the first and second switching units, and a line connected to the battery when the failure occurs.
  • An insulated bidirectional DC-DC converter for switching bi-directional power flow between the DC grid system and the battery, including a second circuit breaker and a second circuit breaker connected in parallel to the second circuit breaker to block a line according to an operation.
  • a switching control method comprising: determining whether a voltage of the DC grid system is a predetermined input voltage; Charging an initial voltage to the first capacitor and the second capacitor by turning on the first line breaker and the second line breaker if the predetermined input voltage is applied; Detecting initial voltages of the first capacitor and the second capacitor; Turning on the first wiring breaker and the second wiring breaker if the detected initial voltage is a preset first reference voltage; Turning off the first line breaker and the second line breaker after the first wiring breaker and the second wiring breaker are turned on; Detecting a charging voltage charged in the first and second capacitors in real time; Detecting a load capacity of a load connected to the battery; And switching the first and second switching units according to charge voltages and load capacities of the first capacitor and the second capacitor, including phase shift modulation (PSM), single pulse width modulation (SPWM), and double pulse width modulation (DPWM).
  • PSM phase shift modulation
  • SPWM single pulse width modulation
  • DPWM double pulse width modulation
  • the first and second switching units are switched to DPWM switching control, and when the load voltage is greater than the reference value, The first switching unit switches to the SPWM switching control, and the second switching unit switches to the PSM switching control.
  • the first switching unit When the charging voltage of the second capacitor is between the second reference voltage and the preset third reference voltage, when the load capacity is less than or equal to the reference value, the first switching unit is a SPWM switching control, and the second switching unit is a PSM switching control. When the switch is larger than the reference value, the first and second switching units are switched to the PSM switching control.
  • the first and second switching units are switched to DPWM switching control. And the second switching unit switches to the SPWM switching control.
  • the second reference voltage is lower than the charging voltage of the first capacitor and the third reference voltage is higher than the charging voltage of the first capacitor.
  • the reference value is in the range of 15-25% of the rated capacity of the load.
  • the switching of the DC-DC converter is mixed with PSM, SPWM and DPWM according to the battery voltage and the load capacity. This can increase the overall average efficiency of the system.
  • FIG. 1 is a block diagram of an isolated bidirectional DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a switching control method of an isolated bidirectional DC-DC converter according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only to distinguish the components from other components, and the nature, order, order, etc. 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 there may be another component between each component. It will be understood that may be “connected”, “coupled” or “connected”.
  • FIG. 1 is a block diagram of an isolated bidirectional DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
  • the isolated bidirectional DC-DC converter 100 controls the bidirectional current flow through the switching between the DC grid system 10 and the battery 20.
  • the unit 109, the output terminal of the first switching unit 109 is connected to the transformer 110, the secondary side output terminal of the transformer 110, the plurality of switches (113a ⁇ 113d) is a full bridge type
  • a second switching unit 113 configured to store the output voltage of the second switching unit 113
  • the second wiring breaker 118 and the second wiring breaker 118 are connected in parallel to each other, and the second line breaker 128 blocks the line according to the operation.
  • the isolated bidirectional DC-DC converter 100 supplies the voltage to the battery 20 in the DC grid system 10 or the voltage stored in the battery 20 to the DC grid system 10, the DC grid system ( 10) and the conversion of the bidirectional DC-DC voltage between the battery 20.
  • the DC grid system 10 receives a large load by receiving energy stored in the battery 20 when a large load (heavy load) is connected while powering a load (not shown) connected thereto, and conversely, a small load ( At light load) to store the remaining energy in the battery (20).
  • a large load heavy load
  • a small load At light load
  • the battery 20 is switched to the charging mode so that the DC grid system 10 supplies the voltage to the battery 20 to charge it.
  • the switching of the first and second switching units 109 and 113 through various switching controls according to the size of the load to be connected is intended to increase the efficiency of the bidirectional DC-DC converter 100.
  • the isolated bidirectional DC-DC converter 100 is started in two operating modes. That is, it is operated by DC grid-connected start and stand-alone start.
  • the DC grid-connected startup is an operating mode when the DC grid system 10 is normal, and the operating mode is performed by a standalone startup when the DC grid system 10 is faulty or not normal.
  • the first capacitor 107 is connected in parallel to the DC grid system 10 to charge the voltage output from the DC grid system 10 or to charge the voltage for supplying to the DC grid system 10.
  • the first wiring breaker 104 prevents a fire or an accident that may occur due to a short circuit or an overload by protecting a device and a circuit by blocking a line when a short circuit or an overload occurs. In addition, the first wiring breaker 104 is turned on so that the voltage output from the DC grid system 10 is charged in the capacitor 107.
  • the first line breaker 125 is connected to the first line breaker 104 in parallel and is turned off according to the operation of the DC-DC converter 100 to block the line as necessary. Of course, when turned on, the line is connected so that power is supplied from the DC grid system 10.
  • the first charging resistor 123 is connected in parallel to the (+) end of the first wiring blocking unit 104, and the second charging resistor 124 is connected in parallel to the ( ⁇ ) end.
  • the first line blocking unit 125 is connected to the first and second charging resistors 123 and 124 in series.
  • the first switching unit 109 includes a first switch 109a, a second switch 109b, a third switch 109c, and a fourth switch 109d connected in the form of a full bridge.
  • the contacts of the first switch 109a and the second switch 109b are connected to one side of the first capacitor 107, and the contacts of the third switch 109c and the fourth switch 109d are connected to the first capacitor 107. Is connected to the other side.
  • the first to fourth switches 109a to 109d may be implemented as MOSFETs or IGBT switches.
  • the transformer 110 transmits the voltage from the primary side to the secondary side or from the secondary side to the primary side, and one side of the primary winding 110a is connected to the first switch 109a and the third switch 109c by contact N1.
  • the other side of the primary winding (110a) is connected to the (N2) is connected to the second switch (109b) and the fourth switch (109d).
  • the second switching unit 113 includes a fifth switch 113a, a sixth switch 113b, a seventh switch 113c, and an eighth switch 113d connected in the form of a full bridge.
  • the contact point N3 of the fifth switch 113a and the seventh switch 113c is connected to one side of the secondary winding 110b of the transformer 110 and the sixth switch 113b and the eighth switch 113d.
  • the contact N4 of is connected to the other side of the secondary winding 110b of the transformer 110.
  • the fifth to eighth switches 113a to 113d may also be implemented as MOSFETs or IGBT switches.
  • One side of the second capacitor 114 is connected to the contacts of the fifth switch 113a and the sixth switch 113b, and the other side of the second capacitor 114 is connected to the contacts of the seventh switch 113c and the eighth switch 113d.
  • the voltage stored in the second capacitor 114 is charged in the battery 20.
  • the second wiring breaker 118 prevents a fire or an accident that may occur due to a short circuit or an overload by protecting a device and a circuit by blocking a line when a short circuit or an overload occurs.
  • the second wiring breaker 118 is turned on so that the battery 20 is charged with the voltage charged in the second capacitor 114 or the voltage of the battery 20 is charged in the second capacitor 114.
  • the second line breaker 128 is connected to the second line breaker 118 in parallel and is turned off according to the operation of the DC-DC converter 100 to block the line as necessary. Of course, when turned on, the line is connected to charge the battery 20 or discharge the voltage from the battery 20.
  • the third charging resistor 126 is connected in parallel to the (+) end of the second wiring blocking unit 118, and the fourth charging resistor 127 is connected in parallel to the ( ⁇ ) end.
  • the second line breaker 128 is connected in series to these third and fourth charging resistors 126 and 127.
  • the insulated bidirectional DC-DC converter 100 includes a first fuse part 101 and a second fuse part 102 between the DC grease system 10 and the first capacitor 107. And a first EMC filter 103, a first inductor 105, a first current detector 106, and a first voltage detector 108, between the second capacitor 114 and the battery 20.
  • the second voltage detector 115, the second inductor 116, the second current detector 117, the second EMC filter unit 119, the third fuse unit 120, and the fourth fuse unit 121 are further included. You may.
  • the first fuse unit 101 and the second fuse unit 102 are installed at respective lines connected to the (+) and (-) terminals of the DC grid system 10 so that an overcurrent greater than or equal to a reference current preset in the corresponding line is provided. Open each track as it flows.
  • the DC grid system 10 supplies a DC voltage to a load (not shown) to be connected or supplies a voltage to the battery 20 to charge it.
  • the first EMC filter unit 103 is connected in parallel to the DC grid system 10 to protect the DC-DC converter 100 so that electromagnetic waves or noise signals from peripheral devices do not interfere with the performance of other devices or devices. At the same time, it removes electromagnetic waves or noise signals from other devices nearby to protect the converter from the effects of electromagnetic waves to provide normal performance.
  • the first inductor 105 is connected in series with the first fuse unit 101 and is used to control the current provided from the DC grid system 10.
  • the first current measuring unit 106 detects a current flowing through the first inductor 105.
  • the first current measuring unit 106 may use a current transformer CT.
  • the first voltage detector 108 detects a voltage charged in the first capacitor 107.
  • the first voltage detector 108 may use a transformer PT.
  • the first auxiliary inductor 111 has the other side connected to the primary winding 110a of the transformer 110, one side of which is connected to the N1 contact, and the other side of which is connected to one side of the primary winding 110a.
  • the second auxiliary inductor 112 is connected in series to the secondary winding 110b of the transformer 110, one side is connected to one side of the secondary winding (11b) and the other side is connected to the second switching unit 113. .
  • the second voltage detector 115 detects the voltage stored in the second capacitor 114.
  • the second voltage detector 115 may be implemented with, for example, a transformer PT.
  • One side of the second inductor 116 is connected to a contact point to which the fifth switch 113a and the sixth switch 113b are connected, and the other side of the second inductor 116 is connected to the second wiring blocking portion 118 of the rear end.
  • the second current detector 117 detects a current flowing in the second inductor 116.
  • the second current detector 117 may be implemented as a current transformer CT.
  • the second EMC filter unit 119 is connected in parallel to the second wiring cut-off unit 118 and performs the performance of devices or devices having different electromagnetic waves or noise signals from various devices that generate electromagnetic waves, such as the first EMC filter unit 103. In addition to protecting the device from interference, it also removes electromagnetic or noise signals from other devices to protect the device from the effects of electromagnetic waves to provide normal performance.
  • the third fuse unit 120 and the fourth fuse unit 121 are respectively installed on a line connected to the (+) and (-) ends of the battery 20 so that when an overcurrent exceeding a predetermined reference current flows in the corresponding line, Open the track.
  • the switching controller 122 is the switching controller 122 is the first to fourth switches 109a to 109d and the second switching of the first switching unit 109.
  • the switching controller 122 is the first to fourth switches 109a to 109d and the second switching of the first switching unit 109.
  • the switching control by the switching controller 122 is performed by the voltage of the DC grid system 10, that is, the charging voltage charged in the first capacitor 107 and the voltage of the battery 20, that is, the second capacitor 114.
  • PSM switching control, SPWM switching control and DPWM switching control are used in combination. This is to detect the voltage of the DC grid system 10 and the voltage of the battery 20 to use the PSM, SPWM and DPWM switching control mixed according to the difference between the two voltages when charging or discharging the battery 20.
  • the battery 20 when charging the battery 20 from the DC grid system 10, the battery 20 operates as a load, the voltage of the battery 20 is lower than the voltage of the DC grid system 10 and the load For light loads less than rated, DPWM switching control is used. For medium or high loads (including ratings), SPWM switching control is used.
  • the DPWM switching control is used even when the voltage of the battery 20 is higher than the voltage of the DC grid system 10 and the load is smaller than the rated load.
  • the DPWM switching control is also used when the heavy load or the high load (including the rating) is used. do.
  • the SPWM switching control is used when the load is lighter than the rated load
  • the PSM switching control is used when the heavy load or the high load (including the rating) is used.
  • the charging voltage of the battery 20 and the charging voltage of the DC grid system 10 are compared to select and use SPWM, DPWM, and PSM switching control.
  • the selection of the switching control is determined according to the voltage of the DC grid system 10, the voltage of the battery 20 and the load capacity as described above. Since the voltage of the DC grid system 10 is charged to the first capacitor 107 and the voltage of the battery 20 is charged to the second capacitor 114, the charging voltage of the first and second capacitors 107 and 114 in the present invention. Is detected and determined using the detected charging voltage and load capacity.
  • the operation of the first switching unit 108 and the second switching unit 113 is controlled by the switching controller 122 according to the various switching controls selected as described above.
  • the switching controller 122 properly turns on / turns the plurality of switches 109a to 109d and 113a to 113d in the first and second switching units 108 and 113 according to the bidirectional power flow of the bidirectional DC-DC converter 100. By turning off, the first and second switching units 108 and 113 are operated.
  • Table 1 below sets the input voltage input to the battery 20 from the DC grid system 10, that is, the charging voltage of the first capacitor 107 to 750 Vdc and charges the battery 20 according to an example of the present invention.
  • the DC grid system shows the efficiency (unit:%) according to the charging capacity of the battery 20.
  • the voltage is relatively low (e.g. 580 Vdc, 650 Vdc) or relatively high (e.g. 820 Vdc)
  • DPWM switching control is efficient and light load is more than 20% in light load areas where the load capacity is 20% or less of the rated capacity. In the area, it can be seen that the SPWM switching control is efficient.
  • the SPWM switching control is effective in the light load region where the load capacity is 20% or less of the static capacity. In the heavy or high load region of 20% or more, the PSM switching control is efficient.
  • 20% of the rated capacity may be determined by experiment as described above as a reference value for determining the switching control mode according to the load capacity. This is determined differently according to the characteristics of the DC-DC converter 100, the DC grid system 10, and the battery 20. For example, when the rated capacity of the load is 100kW may be 20%, in the present embodiment, preferably 15 to 25% through the above experiment.
  • the switching mode of the first switching unit 109 and the second switching unit 113 of the isolated bidirectional DC-DC converter 100 is the input voltage of the DC grid system 10
  • the voltage of the first capacitor When (the voltage of the first capacitor) is fixed, it is determined according to the output voltage of the battery 20 (voltage of the second capacitor) and the capacity of the load.
  • the DPWM switching control when the load capacity is low, and when the load capacity is high, the SPWM switching control is performed.
  • the SPWM switching control is performed when the load capacity is low, and the PSM switching control is performed when the load capacity is high, thereby improving the overall efficiency of the system.
  • the high and low load capacity is preferably determined based on 20% of the rated capacity of the load, but the present invention is not limited thereto.
  • the efficiency shown in Table 1 is one embodiment, and it is natural to vary according to input, output, and load capacity.
  • the related information is stored in the internal memory in advance. Afterwards, the switching control is switched according to the input, output, and load capacity that are applied in actual operation to increase the efficiency.
  • Switching controller 122 is the direction of the power flow according to the type of load connected to the primary side or secondary side of the transformer 110 in the isolated bidirectional DC-DC converter 100 1 Switching from the vehicle side to the secondary side or from the secondary side to the primary side controls the switching operation of the first switching unit 109 and the second switching unit 113 accordingly.
  • the first switching is performed by the switching controller 122.
  • the unit 109 operates to induce a voltage converted from the primary side to the secondary side of the transformer 110, and then is charged in the second capacitor 114 by switching of the second switching unit 113, thereby charging the battery 20. Is powered. As a result, the battery 20 is charged.
  • the PSM switching control, the SPWM switching control, and the DPWM switching control may be selectively used according to the high efficiency switching control information previously stored as shown in Table 1 according to the charging capacity of the battery 20, that is, the type of the load.
  • the second switching by the switching control unit 122 The switching operation is performed in the unit 113 and the first switching unit 109 and the voltage induced from the secondary side to the primary side of the transformer 110 is applied to the DC grid system 10 while being stored in the first capacitor 107. do.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a switching control method in an isolated bidirectional DC-DC converter according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the insulated bidirectional DC-DC converter 100 includes a first wiring breaker 104 and a first wiring breaker 104 for blocking a line connected to the DC grid system 10 when a failure occurs.
  • a first line cut-off unit 125 connected in parallel to the line to block the line according to the operation, a first capacitor 107 for charging the voltage supplied from the DC grid system 10, and a parallel to the first capacitor 107.
  • a first switching unit 109 connected to the plurality of switches 109a to 109d in a full bridge shape, a transformer 110 having an output terminal of the first switching unit 109 connected to a primary winding, and a transformer 110.
  • the switching control unit 122 for controlling the switching of the first and second switching unit (109, 113), and the battery 20 in the event of a failure DC grid system 10 including a second wiring breaker 118 for blocking a broken line, and a second line breaker 128 for being connected in parallel to the second wiring breaker 118 to block a line according to an operation.
  • the input voltage input from the DC grid system 10 is 750V and the output voltage output to the battery 20 for storage in the battery 20 is 580 to 820V as in the above-described experimental example. It will be described on the assumption. However, the present invention is not limited thereto, and the input voltage and the output voltage may be set differently according to the characteristics of the DC-DC converter 100, the characteristics and the capacity of the DC grid system 10 and the battery 20.
  • the input voltage in the DC grid system 100 is a predetermined set voltage, for example, 750 V (S101).
  • the first line breaker 125 and the second line breaker 128 are turned on (S103), and the first and second charge resistors are respectively supplied from the power supply of the DC grid system 10 and the battery 20.
  • the initial voltage is charged to the first capacitor 107 and the second capacitor 114 through the 123 and 124 and the third and fourth charging resistors 126 and 127 (S105).
  • the first wiring breaker 104 and the The second wiring blocking unit 118 is turned on (S111), and the first line blocking unit 125 and the second line blocking unit 128, which were previously turned on, are turned off (S113).
  • the charging voltage of the first capacitor 107 and the second capacitor 114 is detected (S115), and then the load capacity is measured. It is detected (S117).
  • the switching control technique of the first and second switching units 109 and 113 may be selected according to the charging voltage and the load capacity of the first and second capacitors 107 and 114.
  • the charging voltage of the second capacitor 114 is a second reference voltage, for example, 700 V or less (S119)
  • the load capacity is a predetermined reference value of the rated capacity, for example, 20% or less (S121)
  • the first, The second switching units 109 and 113 are switched to the DPWM switching control (S123), and if greater than 20%, the first switching unit 109 switches to the SPWM switching control and the second switching unit 113 to the PSM switching control (S125).
  • the charging voltage of the second capacitor 114 is between the second reference voltage and the third reference voltage, for example, between 700 V and 750 V (S127), when the load capacity is 20% or less, which is a predetermined reference value of the rated capacity (S127).
  • S129 the first switching unit 109 to the SPWM switching control, the second switching unit 113 to the PSM switching control (S131), if less than 20% PSM switching of the first and second switching unit (109, 113) Switch to control (S133).
  • the charging voltage of the second capacitor 114 is a third reference voltage, for example, 800V or more (S135)
  • the load capacity is 20% or less of the predetermined reference value of the rated capacity (S137)
  • the first and second switching The units 109 and 113 are switched to the DPWM switching control (S139). If greater than 20%, the first switching unit 109 switches to the PSM switching control and the second switching unit 113 switches to the SPWM switching control (S141).
  • the second reference voltage and the third reference voltage are determined based on the charging voltage of the first capacitor 107, and the voltage lower than the charging voltage of the first capacitor 107, for example, the charging of the first capacitor 107.
  • the second reference voltage may be set to 700 V, and a voltage higher than the charging voltage of the first capacitor 107 may be set to 750 V, for example.
  • the above examples are described as an example, but the second and third reference voltages may be changed.

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Abstract

본 발명은 DC 그리드 시스템과 배터리 간에 연결된 절연형 양방향 DC-DC 컨버터에서 배터리의 전압에 따라 복수의 스위칭제어를 혼용함으로써 고효율의 제어가 가능하도록 하는 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭 제어방법을 제공한다. 본 발명에 따른 절연형 양방향 DC-DC 컨버터에서는 DC 그리드 시스템과 배터리 사이의 양방향 DC-DC 전압을 전환하여 전력의 흐름을 제어하기 위해 제1스위칭부와 제2스위칭부의 스위칭을 제어하되, 배터리에 충전되는 전압 및 부하용량에 따라 제1 및 제2 스위칭부를 PSM 스위칭제어, SPWM 스위칭제어, DPWM 스위칭제어를 혼합하여 스위칭함으로써 시스템의 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.

Description

절연형 양방향 ＤＣ-ＤＣ 컨버터의 스위칭 제어방법
본 발명은 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭 제어에 관한 것으로서, 상세하게는 DC 그리드(grid) 시스템과 배터리 간에 연결된 절연형 양방향 DC-DC 컨버터에서 배터리의 전압에 따라 복수의 스위칭제어를 혼용함으로써 고효율의 제어가 가능하도록 하는 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭 제어방법에 관한 것이다.
최근 디지털 부하, 전기차 등의 증가로 인하여 전력의 소비 패턴이 교류전력에서 직류전력으로 변환되고 있는 추세이며, 더불어 태양광, 풍력, 에너지저장장치(ESS) 분산전원의 효과를 극대화할 수 있는 DC 그리드(Grid) 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다.
이러한 DC 그리드 시스템이 분산전원 시스템과 같이 연계되어 있는 경우 에너지저장장치(ESS)를 활용하여 태양광, 풍력 등 신재생원을 통해 발생한 잉여의 에너지를 저장할 수도 있고 직류배전계통이 불안전하거나 정전일 경우 기준 직류전원으로 활용할 수 있어 전력 공급에 차질이 생겨 신뢰성 및 안정성의 저하를 줄일 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
이에, DC 그리드와 ESS 장치(또는 배터리)를 연결하기 위해 양방향 DC-DC 컨버터의 보급이 확대되고 있다. 일반적으로 양방향 DC-DC 컨버터는 절연형태에 따라 비절연형 또는 절연형으로 구분되는데, 대부분 시스템의 안정성을 위해 절연형 양방향 DC-DC 컨버터가 주로 사용되고 있다.
절연형 양방향 DC-DC 컨버터 중 최근 연구가 가장 활발히 진행되고 있는 양방향 DC-DC 컨버터인 Phase-shifted ZVS 컨버터와 Isolated Boost 컨버터가 결합된 형태의 양방향 DC-DC 컨버터의 경우 변압기 1차측은 누설 인덕터 성분을 이용하고 출력측에는 고용량의 인덕터로 구성된다.
이러한 양방향 DC-DC 컨버터는 변압기의 1차측에서 2차측으로 전력이 흐르는 순방향의 동작시에는 Phase-shifted ZVS 컨버터와 동일한 방식으로 동작이 이루어지며, 반대의 역방향으로 동작하는 경우 Boost 컨버터와 동일한 방식으로 동작이 이루어지게 된다.
그러나, 이러한 형태를 갖는 양방향 DC-DC 컨버터는 경부하에 적용되는 경우 영전압 스위칭(ZVS:Zero Voltage Switching)이 이루어지지 않는 문제점이 있으며, 역방향으로 동작하는 경우 출력측의 인덕터와 변압기 1차측의 누설 인덕터에 저장되는 에너지 차이에 의해 스위치에서 큰 스파이크가 발생하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 대한민국 등록특허공보 제10-1338147호에는 DC-DC 컨버터에 연결되는 부하의 특성 또는 전력흐름의 방향에 따라 LLC 공진 컨버터 또는 DAB(Dual Active Band) 컨버터 형태로 동작하도록 함으로써 1차측 또는 2차측에 연결되는 부하의 종류에 관계없이 최적의 효율 및 출력 제어를 제공할 수 있는 양방향 DC-DC 컨버터를 제공한다.
하지만, 상기 등록특허공보 제10-1338147호에 제시된 양방향 DC-DC 컨버터는 풀브릿지 회로의 반도체소자의 스위칭으로 PSM(Phase Shift Modulation) 스위칭제어를 경부하 이상의 영역에서 적용하더라도 영전압 스위칭(ZVS)이 이루어지지 않으며, 또한 PSM 스위칭제어를 사용하더라도 고주파 변압기와 보조인덕터에 흐르는 피크 전류가 높기 때문에 동손 및 코아손이 높아 시스템의 효율을 저감시키는 문제점이 있다.
또한, DC-DC 컨버터에서 PSM 외에 SPWM(Single Pulse Width Modulation) 적용하는 기술이 제시되어 있고 DPWM(Double Pulse Width Modulation) 변조기술이 제시되고 있으나, 이는 컨버터의 효율을 고려하지 않았다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, DC 그리드 시스템과 배터리 사이에 설치된 양방향 DC-DC 컨버터에서 배터리의 정압에 따라 스위칭제어를 PSM(Phase Shift Modulation) 스위칭제어, SPWM(Single Pulse Width Modulation) 스위칭제어, DPWM(Double Pulse Width Modulation) 스위칭제어를 혼용하여 사용함으로써 컨버터의 효율을 향상시키도록 하는 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭 제어방법은, 고장발생시 DC 그리드 시스템에 연결된 선로를 차단하는 제1배선용차단부와, 상기 제1배선용차단부에 병렬연결되어 동작에 따라 선로를 차단하는 제1선로차단부와, 상기 DC 그리드 시스템에서 공급된 전압을 충전하는 제1커패시터와, 상기 제1커패시터에 병렬연결되고 다수의 스위치가 풀브릿지 형태로 구성된 제1스위칭부와, 상기 제1스위칭부의 출력단이 1차측 권선에 연결된 변압기와, 상기 변압기의 2차측 출력단에 연결되고 다수의 스위치가 풀브릿지 형태로 구성된 제2스위칭부와, 상기 제2스위칭부의 출력전압을 저장하여 배터리를 충전하는 제2커패시터와, 상기 제1,2스위칭부의 스위칭을 제어하는 스위칭제어부와, 고장발생시 상기 배터리에 연결된 선로를 차단하는 제2배선용차단부, 상기 제2배선용차단부에 병렬연결되어 동작에 따라 선로를 차단하는 제2선로차단부를 포함하여 상기 DC 그리드 시스템과 배터리 간 양방향 전력흐름을 스위칭하는 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭 제어방법에 있어서, 상기 DC 그리드 시스템의 전압이 기설정된 입력전압인지를 판단하는 단계; 상기 기설정된 입력전압이면 상기 제1선로차단부 및 제2선로차단부를 턴온시켜 상기 제1커패시터 및 제2커패시터에 초기전압을 충전하는 단계; 상기 제1커패시터 및 제2커패시터의 초기전압을 검출하는 단계; 상기 검출된 초기전압이 기설정된 제1기준전압이면 상기 제1배선용차단부 및 제2배선용차단부를 턴온하는 단계; 상기 제1배선용차단부 및 제2배선용차단부의 턴온 이후에 상기 제1선로차단부 및 제2선로차단부를 턴오프시키는 단계; 상기 제1 및 제2커패시터에 충전된 충전전압을 실시간 검출하는 단계; 상기 배터리에 연결된 부하의 부하용량을 검출하는 단계; 및 상기 제1커패시터 및 제2커패시터의 충전전압 및 부하용량에 따라 상기 제1 및 제2스위칭부를 스위칭하되, PSM(Phase Shift Modulation), SPWM(Single Pulse Width Modulation) 및 DPWM(Double Pulse Width Modulation) 스위칭제어를 혼용하여 스위칭한다.
상기 제2커패시터의 충전전압이 기설정된 제2기준전압 이하인 경우에 상기 부하용량이 부하의 정격용량의 기설정된 기준치 이하이면 상기 제1,2스위칭부를 DPWM 스위칭제어로 스위칭하고 상기 기준치보다 크면 상기 제1스위칭부는 SPWM 스위칭제어로, 그리고 제2스위칭부는 PSM 스위칭제어로 스위칭한다.
상기 제2커패시터의 충전전압이 상기 제2기준전압과 기설정된 제3기준전압 사이인 경우에 상기 부하용량이 상기 기준치 이하이면 상기 제1스위칭부는 SPWM 스위칭제어로, 제2스위칭부는 PSM 스위칭제어로 스위칭하고 상기 기준치보다 크면 상기 제1,2스위칭부를 PSM 스위칭제어로 스위칭한다.
상기 제2커패시터의 충전전압이 상기 제3기준전압 이상인 경우에 상기 부하용량이 상기 기준치 이하면 상기 제1,2스위칭부를 DPWM 스위칭제어로 스위칭하고 상기 기준치보다 크면 상기 제1스위칭부는 PSM 스위칭제어로, 그리고 상기 제2스위칭부는 SPWM 스위칭제어로 스위칭한다.
상기 제2기준전압은 상기 제1커패시터의 충전전압보다 낮고 제3기준전압은 상기 제1커패시터의 충전전압보다 높다.
상기 기준치는 상기 부하의 정격용량의 15~25% 범위이다.
본 발명에 의하면 DC 그리드 시스템과 배터리 사이에 연결된 절연형 양방향 DC-DC 컨버터에서 배터리의 전압이 변동하는 경우 배터리 전압과 부하용량에 따라 DC-DC 컨버터의 스위칭을 PSM, SPWM 및 DPWM을 혼용하여 사용함으로써 시스템의 전체 평균효율을 상승시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 구성도이다
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭 제어방법을 보이는 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 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 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 절연형 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 DC 그리드 시스템(10)과 배터리((20) 사이에서 스위칭을 통해 양방향 전류 흐름을 제어한다. 이를 위해 기본적으로 고장발생시 DC 그리드 시스템(10)에 연결된 선로를 차단하는 제1배선용차단부(104), 상기 제1배선용차단부(104)에 병렬연결되어 동작에 따라 선로를 차단하는 제1선로차단부(125), 상기 DC 그리드 시스템(10)에서 공급된 전압을 충전하는 제1커패시터(107), 상기 제1커패시터(107)에 병렬연결되고 다수의 스위치(109a~109d)가 풀브릿지 형태로 구성된 제1스위칭부(109), 상기 제1스위칭부(109)의 출력단이 1차측 권선에 연결된 변압기(110), 상기 변압기(110)의 2차측 출력단에 연결되고 다수의 스위치(113a~113d)가 풀브릿지 형태로 구성된 제2스위칭부(113), 상기 제2스위칭부(113)의 출력전압을 저장하여 배터리(20)를 충전하는 제2커패시터(114), 상기 제1,2스위칭부(109,113)의 스위칭을 제어하는 스위칭제어부(122), 고장발생시 상기 배터리(20)에 연결된 선로를 차단하는 제2배선용차단부(118), 상기 제2배선용차단부(118에 병렬연결되어 동작에 따라 선로를 차단하는 제2선로차단부(128)를 포함하여 구성된다.
이러한 절연형 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 DC 그리드 시스템(10)에서 전압을 배터리(20)로 공급하거나 배터리(20)에 저장된 전압을 DC 그리드 시스템(10)으로 공급할 때, DC 그리드 시스템(10)과 배터리(20) 사이에서 양방향 DC-DC 전압의 변환을 수행한다.
이러한 DC 그리드 시스템(10)은 자신에 연결된 부하(미도시)에 전원을 공급하는 중에 큰 부하(중부하)가 연결될 경우 배터리(20)에 저장된 에너지를 받아서 큰 부하를 감당하고, 반대로 작은 부하(경부하)시 남은 에너지를 배터리(20)에 저장하도록 한다. 또한, 배터리(20)의 잔량 중전전압이 기설정된 기준치 이하로 떨어지는 경우 배터리(20)의 충전모드로 전환되어 DC 그리드 시스템(10)에서 배터리(20)에 전압을 공급하여 충전하도록 한다.
이때, DC 그리드 시스템(10)에서 전압을 배터리(20)로 공급하는 배터리(20)의 충전모드 또는 배터리(20)에서 DC 그리드 시스템(10)으로 전압을 공급하는 배터리(20)의 방전모드에서 연결되는 부하의 크기에 따라 다양한 스위칭제어를 통해 제1 및 제2 스위칭부(109,113)를 스위칭 제어함으로써 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 효율을 높이고자 한다.
또한, 본 발명에 따른 절연형 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 두 가지 운영모드로 기동된다. 즉, DC 계통연계형 기동과 독립형 기동으로 운영된다. DC 계통연계형 기동은 DC 그리드 시스템(10)이 정상일 경우의 운영모드이고 DC 그리드 시스템(10)이 고장 또는 정상이 아닐 경우에는 독립형 기동으로 운영모드가 수행된다.
제1커패시터(107)는 DC 그리드 시스템(10)에 병렬로 연결되어 DC 그리드 시스템(10)에서 출력되는 전압을 충전하거나 또는 DC 그리드 시스템(10)으로 공급하기 위한 전압을 충전하도록 한다.
제1배선용차단부(104)는 단락이나 과부하시 선로를 차단하여 기기 및 회로를 보호함으로써 단락, 과부하 등으로 인해 발생할 수 있는 화재나 사고 등을 예방하도록 한다. 또한, 제1배선용차단부(104)가 턴온됨으로써 DC 그리드 시스템(10)에서 출력되는 전압이 커패시터(107)에 충전되도록 한다.
제1선로차단부(125)는 제1배선용차단부(104)에 병렬로 연결되며, DC-DC 컨버터(100)의 동작에 따라 턴오프되어 필요에 따라 선로를 차단하도록 한다. 물론 턴온되면 선로를 연결하여 DC 그리드 시스템(10)으로부터 전력이 공급되도록 한다.
제1배선용차단부(104)의 (+)단에는 제1충전저항(123)이 병렬연결되고 (-)단에는 제2충전저항(124)이 병렬연결된다. 이들 제1,2충전저항(123,124)에 직렬로 제1선로차단부(125)가 연결된다.
제1스위칭부(109)는 풀브릿지(full bridge) 형태로 연결된 제1스위치(109a), 제2스위치(109b), 제3스위치(109c) 및 제4스위치(109d)를 포함한다. 이때, 제1스위치(109a)와 제2스위치(109b)의 접점은 제1커패시터(107)의 일측에 연결되고 제3스위치(109c)와 제4스위치(109d)의 접점이 제1커패시터(107)의 타측에 연결된다. 이러한 제1~제4스위치(109a~109d)는 MOSFET 또는 IGBT 스위치로 구현될 수 있다.
변압기(110)는 1차측에서 2차측으로 또는 2차측에서 1차측으로 전압을 전달하며, 1차측 권선(110a)의 일측이 제1스위치(109a)와 제3스위치(109c)가 연결된 접점(N1)에 연결되고 1차측 권선(110a)의 타측이 제2스위치(109b)와 제4스위치(109d)가 연결된 점점(N2)에 연결된다.
제2스위칭부(113)는 풀브릿지(full bridge) 형태로 연결된 제5스위치(113a), 제6스위치(113b), 제7스위치(113c) 및 제8스위치(113d)를 포함한다. 이때, 제5스위치(113a)와 제7스위치(113c)의 접점(N3)은 변압기(110)의 2차측 권선(110b)의 일측에 연결되고 제6스위치(113b)와 제8스위치(113d)의 접점(N4)은 변압기(110)의 2차측 권선(110b)의 타측에 연결된다. 이러한 제5~제8스위치(113a~113d)도 MOSFET 또는 IGBT 스위치로 구현될 수 있다.
제2커패시터(114)는 일측이 제5스위치(113a)와 제6스위치(113b)의 접점에 연결되고 타측이 제7스위치(113c)와 제8스위치(113d)의 접점에 연결된다. 이러한 제2커패시터(114)에 저장된 전압이 배터리(20)에 충전된다.
제2배선용차단부(118)는 단락이나 과부하시 선로를 차단하여 기기 및 회로를 보호함으로써 단락, 과부하 등으로 인해 발생할 수 있는 화재나 사고 등을 예방하도록 한다. 또한, 제2배선용차단부(118)가 턴온됨으로써 제2커패시터(114)에 충전된 전압으로 배터리(20)를 충전하거나 배터리(20)의 전압을 제2커패시터(114)에 충전되도록 한다.
제2선로차단부(128)는 제2배선용차단부(118)에 병렬로 연결되며, DC-DC 컨버터(100)의 동작에 따라 턴오프되어 필요에 따라 선로를 차단하도록 한다. 물론 턴온되면 선로를 연결하여 배터리(20)에 전압을 충전하거나 배터리(20)로부터 전압이 방전되도록 한다.
제2배선용차단부(118)의 (+)단에는 제3충전저항(126)이 병렬연결되고 (-)단에는 제4충전저항(127)이 병렬연결된다. 이들 제3,4충전저항(126,127)에 직렬로 제2선로차단부(128)가 연결된다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에서 절연형 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 DC 그리스 시스템(10)과 제1커패시터(107) 사이에 제1퓨즈부(101), 제2퓨즈부(102), 제1EMC필터부(103), 제1인덕터(105), 제1전류검출부(106), 제1전압검출부(108)를 더 포함할 수 있고, 제2커패시터(114)와 배터리(20) 사이에 제2전압검출부(115), 제2인덕터(116), 제2전류검출부(117), 제2EMC필터부(119), 제3퓨즈부(120) 및 제4퓨즈부(121)를 더 포함할 수도 있다.
제1퓨즈부(101) 및 제2퓨즈부(102)는 DC 그리드 시스템(10)의 (+)단 및 (-)단에 연결된 각 선로에 각각 설치되어 해당 선로에 기설정된 기준전류 이상의 과전류가 흐를 때 각 선로를 개방(open)시킨다. 이러한 DC 그리드 시스템(10)은 연결되는 부하(미도시)로 직류전압을 공급하거나 배터리(20)에도 전압을 공급하여 충전시키도록 한다.
제1EMC필터부(103)는 DC 그리드 시스템(10)에 병렬연결되어 주변의 기기로부터 나오는 전자파 또는 노이즈 신호가 다른 기기나 소자의 성능에 장애를 주지 않도록 DC-DC 컨버터(100)를 보호함과 동시에 주변의 다른 기기에서 나오는 전자파나 노이즈 신호를 제거하여 전자파에 의한 영향으로부터 컨버터를 보호하여 정상적인 성능을 제공할 수 있도록 한다.
제1인덕터(105)는 제1퓨즈부(101)에 직렬연결되며 DC 그리드 시스템(10)에서 제공되는 전류를 제어하는데 사용된다.
제1전류측정부(106)는 제1인덕터(105)를 통해 흐르는 전류를 검출한다. 이러한 제1전류측정부(106)는 변류기(CT)를 사용할 수 있다.
제1전압검출부(108)는 제1커패시터(107)에 충전된 전압을 검출한다. 이러한 제1전압검출부(108)는 변성기(PT)를 사용할 수 있다.
제1보조인덕터(111)는 타측이 변압기(110)의 1차측 권선(110a)에 연결되며, 일측이 상기 N1 접점에 연결되고 타측이 1차측 권선(110a)의 일측에 연결된다. 제2보조인덕터(112)는 변압기(110)의 2차측 권선(110b)에 직렬로 연결되며, 일측이 2차측 권선(11b)의 일측에 연결되고 타측은 제2스위칭부(113)에 연결된다.
제2전압검출부(115)는 제2커패시터(114)에 저장된 전압을 검출한다. 이러한 제2전압검출부(115)는 예컨대 변성기(PT)로 구현될 수 있다.
제2인덕터(116)는 제5스위치(113a)와 제6스위치(113b)가 연결된 접점에 일측이 연결되고 타측은 후단의 제2배선용차단부(118)에 연결된다.
제2전류검출부(117)는 제2인덕터(116)에 흐르는 전류를 검출한다. 이러한 제2전류검출부(117)는 변류기(CT)로 구현될 수 있다.
제2EMC필터부(119)는 제2배선용차단부(118)에 병렬로 연결되며 상기 제1EMC필터부(103)과 같이 전자파를 발생시키는 각종 기기로부터 나오는 전자파 또는 노이즈 신호가 다른 기기나 소자의 성능에 장애를 주지 않도록 기기를 보호함과 동시에 다른 기기에서 나오는 전자파나 노이즈 신호를 제거하여 전자파에 의한 영향으로부터 기기를 보호하여 정상적인 성능을 제공할 수 있도록 한다.
제3퓨즈부(120) 및 제4퓨즈부(121)는 배터리(20)의 (+)단 및 (-)단에 연결된 선로에 각각 설치되어 해당 선로에 기설정된 기준전류 이상의 과전류가 흐를 때 각 선로를 개방(open)시킨다.
본 발명에 따른 절연형 양방향 DC-DC 컨버터(100)에서는 스위칭제어부(122)가 스위칭제어부(122)는 제1스위칭부(109)의 제1~제4스위치(109a~109d) 및 제2스위칭부(113)의 제5~제8스위치(113a~113d)의 스위칭을 각각 독립적으로 제어함으로써 DC 그리드 시스템(10)과 배터리(20) 간의 양방향 전력 흐름을 제어한다.
이러한 스위칭제어부(122)에 의한 스위칭제어는 DC 그리드 시스템(10)의 전압, 즉 제1커패시터(107)에 충전된 충전전압과 배터리(20)의 전압, 즉 제2커패시터(114)에 충전된 충전전압의 크기에 따라 PSM 스위칭제어, SPWM 스위칭제어 및 DPWM 스위칭제어를 혼용하여 사용한다. 이는 DC 그리드 시스템(10)의 전압과 배터리(20)의 전압을 검출하여 배터리(20)의 충전 또는 방전시 두 전압의 차이에 따라 PSM, SPWM 및 DPWM 스위칭제어를 혼용하여 사용하는 것이다.
예컨대, 본 실시 예에서 DC 그리드 시스템(10)으로부터 배터리(20)를 충전하는 충전시 배터리(20)가 부하로 동작하게 되는데 DC 그리드 시스템(10)의 전압보다 배터리(20)의 전압이 낮고 부하가 정격보다 작은 경부하인 경우 DPWM 스위칭제어가 사용되고, 중부하 또는 고부하(정격포함)인 경우 SPWM 스위칭제어가 사용된다.
또한, DC 그리드 시스템(10)의 전압보다 배터리(20)의 전압이 높고 부하가 정격보다 작은 경부하인 경우에도 DPWM 스위칭제어가 사용되고, 중부하 또는 고부하(정격포함)인 경우도 SPWM 스위칭제어가 사용된다.
그러나, DC 그리드 시스템(10)의 전압과 배터리(20)의 전압이 비슷한 경우에는 부하가 정격보다 작은 경부하이면 SPWM 스위칭제어가 사용되고, 중부하 또는 고부하(정격포함)인 경우 PSM 스위칭제어가 사용된다.
이와 같이 배터리(20)의 충전전압과 DC 그리드 시스템(10)의 충전전압을 비교하여 SPWM, DPWM, PSM 스위칭제어를 선택하여 사용한다. 이러한 스위칭제어의 선택은 상기한 바와 같이 DC 그리드 시스템(10)의 전압과 배터리(20)의 전압과 부하용량에 따라 결정된다. DC 그리드 시스템(10)의 전압은 제1커패시터(107)에 충전되고 배터리(20)의 전압은 제2커패시터(114)에 충전되므로, 본 발명에서는 제1 및 제2 커패시터(107,114)의 충전전압을 검출하도록 하고, 그 검출된 충전전압과 부하용량을 이용하여 결정하도록 한다.
이는 사전에 이들 특성 및 부하의 종류에 따라 어떠한 스위칭제어가 효율적인지를 시뮬레이션하여 내부 메모리(미도시)에 저장해두고, 이후에 실제로 해당 특성과 부하의 종류에 맞게 높은 효율을 낼 수 있는 스위칭제어를 선택하도록 한다.
이와 같이 선택된 다양한 스위칭제어에 따라 스위칭제어부(122)에 의해 제1스위칭부(108)와 제2스위칭부(113)의 동작이 각각 제어된다. 특히, 이러한 스위칭제어부(122)는 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 양방향 전력흐름에 따라 제1,2스위칭부(108,113) 내 다수의 스위치(109a~109d,113a~113d)를 적절히 턴온/턴오프시킴으,로써 제1,2스위칭부(108,113)를 동작시키도록 한다.
하기의 표 1은 본 발명의 일례에 따라 DC 그리드 시스템(10)에서 배터리(20)로 입력되는 입력전압, 즉 제1커패시터(107)의 충전전압을 750 Vdc로 설정하고 배터리(20)의 충전전압, 즉 제2커패시터(114)의 충전전압을 580V, 650Vdc, 700Vdc, 750Vdc, 820Vdc라고 설정하여 정격용량이 50kW인 부하용량을 5kW 단위로 5~50kW까지 변환시켜 실험한 예에서 DC 그리드 시스템(10)에서 배터리(20)로의 충전용량에 따른 효율(단위:%)을 나타낸다.
Figure PCTKR2017014165-appb-T000001
상기의 표 1에 나타난 바와 같이 DC 그리드 시스템(10)의 전압, 즉 제1커패시터(107)의 충전전압이 750Vdc로 고정된 상태에서 배터리(20)의 전압, 즉 제2커패시터(114)의 충전전압이 상대적으로 낮거나(예:580Vdc, 650Vdc) 또는 상대적으로 높은 경우(예:820Vdc), 부하용량이 정격용량의 20% 이하인 경부하 영역에서는 DPWM 스위칭제어가 효율적이고 20% 이상의 중부하 또는 고부하 영역에서는 SPWM 스위칭제어가 효율적임을 알 수 있다. 또한, 제2커패시터(114)의 충전전압이 제1커패시터(107)의 충전전압과 비슷한 경우(예:700Vdc, 750Vdc), 부하용량이 정적용량의 20% 이하인 경부하 영역에서는 SPWM 스위칭제어가 효율적이고 20% 이상의 중부하 또는 고부하 영역에서는 PSM 스위칭제어가 효율적임을 알 수 있다.
이때, 정격용량의 20%는 부하용량에 따라 스위칭제어 모드를 결정하는 기준값으로서 상기와 같이 실험에 의해 결정될 수 있다. 이는 DC-DC 컨버터(100), DC 그리드 시스템(10) 및 배터리(20)의 특성에 따라 다르게 결정된다. 예컨대, 부하의 정격용량이 100kW인 경우 20%가 될 수도 있고, 본 실시 예에서는 상기와 같은 실험을 통해 바람직하게는 15~25%가 적절하다.
이러한 실험 예와 표 1에서 알 수 있듯이, 절연형 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 제1스위칭부(109)와 제2스위칭부(113)의 스위칭모드는 DC 그리드 시스템(10)의 입력전압(제1커패시터의 전압)이 고정될 때 배터리(20)의 출력전압(제2커패시터의 전압)과 부하의 용량에 따라 결정된다. 특히, 부하에 따라 출력전압의 변동이 큰 경우, 즉 입력전압에 비해 출력전압이 상대적으로 작거나 클 때 부하용량이 낮은 경우에는 DPWM 스위칭제어를 수행하고, 부하용량이 높으면 SPWM 스위칭제어를 수행하며, 입력전압과 비슷한 출력전압일 경우에는 부하용량이 낮으면 SPWM 스위칭제어를 수행하고 부하용량이 높으면 PSM 스위칭제어를 수행하도록 함으로써 시스템의 전반적인 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.
상기에서 부하용량의 높고 낮음은 바람직하게는 부하의 정격용량의 20%를 기준으로 결정할 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
표 1에 도시된 효율은 일 실시 예이며 입력, 출력, 부하용량에 따라 다르게 나타나는 것은 당연하다. 이와 같이, 적용되는 설비와 소자 등의 특성과 부하의 종류에 따라 PSM 스위칭제어와 SPWM 스위칭제어 중 어느 스위칭제어의 효율이 우수한지를 사전에 파악한 후, 이와 관련된 정보를 내부의 메모리에 미리 저장해둔다. 이후에 실제 동작시 적용되는 입력, 출력, 부하용량에 맞게 스위칭제어를 절체함으로써 효율을 높일 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 스위칭제어부(122)는 절연형 양방향 DC-DC 컨버터(100)에서 변압기(110)의 1차측 또는 2차측에 연결되는 부하의 종류에 따라 전력 흐름의 방향을 변압기(110)의 1차측으로부터 2차측으로 또는 2차측으로부터 1차측으로 전환하고, 이에 따라 제1스위칭부(109)와 제2스위칭부(113)의 스위칭동작을 제어한다.
이러한 구성을 갖는 절연형 양방향 DC-DC 컨버터(100)의 동작을 설명한다.
먼저, 변압기(110)의 1차측으로부터 2차측으로 전력 흐름이 발생하는 경우, 즉 DC 그리드 시스템(10)에서 배터리(20)로 전압을 공급하여 충전시키는 경우 스위칭제어부(122)에 의해 제1스위칭부(109)가 동작하여 변압기(110)의 1차측에서 2차측으로 변환된 전압이 유기되고, 이후 제2스위칭부(113)의 스위칭에 의해 제2커패시터(114)에 충전되면서 배터리(20)로 전원이 공급된다. 이로써, 배터리(20)의 충전이 이루어진다. 이때, 배터리(20)의 충전용량, 즉 부하의 종류에 따라 위 표 1의 예시와 같이 사전에 저장된 고효율 스위칭제어 정보에 따라 PSM 스위칭제어, SPWM 스위칭제어 및 DPWM 스위칭제어를 선택적으로 사용하도록 한다.
또한, 변압기(110)의 2차측으로부터 1차측으로 전력 흐름이 발생하는 경우, 즉 배터리(20)에서 DC 그리드 시스템(10)으로 모자라는 전원을 공급하는 경우 스위칭제어부(122)에 의해 제2스위칭부(113) 및 제1스위칭부(109)에서 스위칭동작이 이루어지고 변압기(110)의 2차측에서 1차측으로 유기된 전압이 제1커패시터(107)에 저장되면서 DC 그리드 시스템(10)으로 인가된다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 절연형 양방향 DC-DC 컨버터에서 스위칭 제어방법을 보이는 흐름도이다.
도 2에서 본 발명에 따른 절연형 양방향 DC-DC 컨버터(100)는 고장발생시 DC 그리드 시스템(10)에 연결된 선로를 차단하는 제1배선용차단부(104)와, 제1배선용차단부(104)에 병렬연결되어 동작에 따라 선로를 차단하는 제1선로차단부(125)와, DC 그리드 시스템(10)에서 공급된 전압을 충전하는 제1커패시터(107)와, 제1커패시터(107)에 병렬연결되고 다수의 스위치(109a~109d)가 풀브릿지 형태로 구성된 제1스위칭부(109)와, 제1스위칭부(109)의 출력단이 1차측 권선에 연결된 변압기(110)와, 변압기(110)의 2차측 출력단에 연결되고 다수의 스위치(113a~113d)가 풀브릿지 형태로 구성된 제2스위칭부(113)와, 제2스위칭부(113)의 출력전압을 저장하여 배터리(20)를 충전하는 제2커패시터(114)와, 제1,2스위칭부(109,113)의 스위칭을 제어하는 스위칭제어부(122)와, 고장발생시 배터리(20)에 연결된 선로를 차단하는 제2배선용차단부(118)와, 제2배선용차단부(118에 병렬연결되어 동작에 따라 선로를 차단하는 제2선로차단부(128)를 포함하여 DC 그리드 시스템(10)과 배터리(20) 간 양방향 전력흐름을 스위칭한다.
도 2에서는 설명의 편의상 일례로서 상기한 실험예에서와 같이 DC 그리드 시스템(10)으로부터 입력되는 입력전압이 750V이고 배터리(20)에 저장하기 위해 배터리(20)로 출력되는 출력전압을 580~820V로 가정하여 설명하기로 한다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 입력전압과 출력전압은 DC-DC 컨버터(100)의 특성, DC 그리드 시스템(10) 및 배터리(20)의 특성 및 용량에 따라 다르게 설정됨은 당연한 것이다.
도 2를 참조하면 DC 그리드 시스템(100)에서의 입력전압이 기설정된 설정전압, 일례로 750V인지를 판단한다(S101). 입력전압이 750V이면 제1선로차단부(125) 및 제2선로차단부(128)를 턴온시켜(S103), DC 그리드 시스템(10)과 배터리(20)의 전원으로부터 각각 제1,2 충전저항(123,124) 및 제3,4 충전저항(126,127)을 통해 제1커패시터(107) 및 제2커패시터(114)에 초기전압을 충전한다(S105).
이와 같이 제1커패시터(107)에 충전이 진행되는 동안 제1커패시터(107) 및 제2커패시터(114)에 충전된 충전전압을 검출한다(S107).
상기 검출된 제1커패시터(107)의 충전전압이 750V이고 제2커패시터(114)의 충전전압이 제1기준전압, 일례로 550V인 이상이면(S109), 제1배선용차단부(104) 및 제2배선용차단부(118)를 턴온하고(S111), 앞서 턴온되었던 제1선로차단부(125) 및 제2선로차단부(128)를 턴오프시킨다(S113).
상기 제1배선용차단부(104) 및 제2배선용차단부(118)를 턴온 이후에 제1커패시터(107) 및 제2커패시터(114)의 충전전압을 검출하고(S115), 이후에 부하용량을 검출한다(S117).
이와 같이 제1,2 커패시터(107,114)의 충전전압 및 부하용량에 따라 제1 및 제2스위칭부(109,113)의 스위칭제어 기법을 선택하도록 한다.
구체적으로, 제2커패시터(114)의 충전전압이 제2기준전압, 일례로 700V 이하이고(S119), 부하용량이 정격용량의 기설정된 기준치, 일례로 20% 이하면(S121), 제1,2스위칭부(109,113)를 DPWM 스위칭제어로 스위칭하고(S123), 20%보다 크면 제1스위칭부(109)는 SPWM 스위칭제어로, 제2스위칭부(113)는 PSM 스위칭제어로 스위칭한다(S125).
만약 제2커패시터(114)의 충전전압이 제2기준전압과 제3기준전압의 사이, 일례로 700V~750V 사이인 경우(S127), 부하용량이 정격용량의 기설정된 기준치인 20% 이하이면(S129), 제1스위칭부(109)를 SPWM 스위칭제어로, 제2스위칭부(113)은 PSM 스위칭제어로 스위칭하고(S131), 20% 이하면 제1,2스위칭부(109,113)를 PSM 스위칭제어로 스위칭한다(S133).
만약 제2커패시터(114)의 충전전압이 제3기준전압, 일례로 800V 이상인 경우에(S135), 부하용량이 정격용량의 기설정된 기준치인 20% 이하이면(S137), 제1 및 제2 스위칭부(109,113)를 DPWM 스위칭제어로 스위칭하고(S139), 20%보다 크면 제1스위칭부(109)는 PSM 스위칭제어로 제2스위칭부(113)는 SPWM 스위칭제어로 스위칭한다(S141).
여기서, 상기 제2기준전압과 제3기준전압은 제1커패시터(107)의 충전전압을 기준으로 결정되는데, 제1커패시터(107)의 충전전압보다 낮은 전압, 예컨대 제1커패시터(107)의 충전전압이 750V인 경우 제2기준전압은 700V로 설정될 수 있고, 제1커패시터(107)의 충전전압보다 높은 전압, 예컨대 제3기준전압은 750V로 설정할 수 있다. ㅂ본 실시 예에서는 일례로 상기와 같은 예시에 대하여 설명하고 있으나 이러한 제2,3기준전압은 변경될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 DC 그리드 시스템(10)과 배터리(20) 사이에 설치되어 양방향 전력 흐름을 스위칭하는 양방향 DC-DC 컨버터(100)에서는 배터리(20)의 전압의 변동에 대응하여 PSM, SPWM 및 DPWM 스위칭제어를 혼용하여 제1스위칭부(109) 및 제2스위칭부(113)의 각 스위치를 스위칭함으로써 시스템의 효율을 향상시키도록 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 (6)

  1. 고장발생 시 DC 그리드 시스템(10)에 연결된 선로를 차단하는 제1배선용차단부(104), 상기 제1배선용차단부(104)에 병렬연결되어 동작에 따라 선로를 차단하는 제1선로차단부(125), 상기 DC 그리드 시스템(10)에서 공급되는 전압을 충전하는 제1커패시터(107), 상기 제1커패시터(107)에 병렬연결되고 다수의 스위치(109a~109d)가 풀브릿지로 구성된 제1스위칭부(109), 상기 제1스위칭부(109)의 출력단이 1차측에 연결된 변압기(110), 상기 변압기(110)의 2차측에 다수의 스위치(113a~113d)가 풀브릿지로 연결된 제2스위칭부(113), 상기 제2스위칭부(113)의 출력전압을 저장하여 배터리(20)를 충전하는 제2커패시터(114), 상기 제1,2스위칭부(109,113)의 스위칭을 제어하는 스위칭제어부(122), 고장발생시 상기 배터리(20)에 연결된 선로를 차단하는 제2배선용차단부(118), 상기 제2배선용차단부(118에 병렬연결되어 동작에 따라 선로를 차단하는 제2선로차단부(128)를 포함하여 상기 DC 그리드 시스템(10)과 배터리(20) 간 양방향 전력흐름을 스위칭하는 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭 제어방법에 있어서,
    상기 DC 그리드 시스템의 전압이 기설정된 입력전압인지를 판단하는 단계;
    상기 기설정된 입력전압이면 상기 제1선로차단부 및 제2선로차단부를 턴온시켜 상기 제1커패시터 및 제2커패시터에 초기전압을 충전하는 단계;
    상기 제1커패시터 및 제2커패시터의 초기전압을 검출하는 단계;
    상기 검출된 초기전압이 기설정된 제1기준전압이면 상기 제1배선용차단부 및 제2배선용차단부를 턴온하는 단계;
    상기 제1배선용차단부 및 제2배선용차단부의 턴온 이후에 상기 제1선로차단부 및 제2선로차단부를 턴오프시키는 단계;
    상기 제1 및 제2커패시터에 충전된 충전전압을 실시간 검출하는 단계;
    상기 배터리에 연결된 부하의 부하용량을 검출하는 단계; 및
    상기 제1커패시터 및 제2커패시터의 충전전압 및 부하용량에 따라 상기 제1 및 제2스위칭부를 스위칭하되, PSM(Phase Shift Modulation), SPWM(Single Pulse Width Modulation) 및 DPWM(Double Pulse Width Modulation) 스위칭제어를 혼용하여 스위칭하는 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2커패시터의 충전전압이 기설정된 제2기준전압 이하인 경우에 상기 부하용량이 부하의 정격용량의 기설정된 기준치 이하이면 상기 제1,2스위칭부를 DPWM 스위칭제어로 스위칭하고 상기 기준치보다 크면 상기 제1스위칭부는 SPWM 스위칭제어로, 그리고 제2스위칭부는 PSM 스위칭제어로 스위칭하는 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭 제어방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2커패시터의 충전전압이 상기 제2기준전압과 기설정된 제3기준전압 사이인 경우에 상기 부하용량이 상기 기준치 이하이면 상기 제1스위칭부는 SPWM 스위칭제어로, 제2스위칭부는 PSM 스위칭제어로 스위칭하고 상기 기준치보다 크면 상기 제1,2스위칭부를 PSM 스위칭제어로 스위칭하는 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭 제어방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2커패시터의 충전전압이 상기 제3기준전압 이상인 경우에 상기 부하용량이 상기 기준치 이하면 상기 제1,2스위칭부를 DPWM 스위칭제어로 스위칭하고 상기 기준치보다 크면 상기 제1스위칭부는 PSM 스위칭제어로, 그리고 상기 제2스위칭부는 SPWM 스위칭제어로 스위칭하는 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2기준전압은 상기 제1커패시터의 충전전압보다 낮고 제3기준전압은 상기 제1커패시터의 충전전압보다 높은 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭 제어방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 기준치는 상기 부하의 정격용량의 15~25% 범위인 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭 제어방법.
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