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Patent Searching and Data


Title:
DIRECT CURRENT CONVERTER DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/175784
Kind Code:
A1
Abstract:
A direct current converter device of the present invention is positioned between a low potential end and a high potential end having different direct current potentials, and transmits direct current power from the low potential end to the high potential end or from the high potential end to the low potential end, and comprises: a buck-boost circuit having a structure in which a buck switch and a boost switch are serially connected with respect to the high potential end; and a controller for adjusting turn-on periods of the buck switch and the boost switch according to the transmission direction and transmission ratio of direct current power for a requirement, wherein, when transmitting direct current power from the low potential end to the high potential end, the controller can turn on the boost switch for a first period and turn on the buck switch for a second period that is shorter than the first period during a turn-off period of the boost switch.

Inventors:
PARK JONG HYUNG (KR)
Application Number:
KR2019/018755
Publication Date:
September 03, 2020
Filing Date:
December 30, 2019
Export Citation:
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Assignee:
HYOSUNG HEAVY IND CORP (KR)
International Classes:
H02M3/158; B60L7/10
Foreign References:
KR100997377B12010-11-30
KR20150025486A2015-03-10
KR101766433B12017-08-08
US20110199062A12011-08-18
KR20170001139A2017-01-04
Attorney, Agent or Firm:
SU INTELLECTUAL PROPERTY (KR)
Download PDF:
Claims:
2020/175784 1»(:1/10公019/018755

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청구범위

[청구항 1] 서로다른직류전위를가지는저전위단과고전위단사이에위치하며 , 상기저전위단에서상기고전위단으로또는상기고전위단에서상기 저전위단으로직류전력을전달하는직류컨버터장치에 있어서, 상기고전위단에대하여벅스위치와부스트스위치가직렬연결된 구조를구비하는벅-부스트회로;및

요구사항에대한직류전력의전달방향및전달비율에따라,상기벅 스위치와부스트스위치의턴온구간을조정하는제어기를포함하되 , 상기저전위단에서상기고전위단으로직류전력을전달할때상기 제어기는,상기부스트스위치를제 1구간동안턴온시키고,상기부스트 스위치의턴오프구간의도중에상기벅스위치를상기제 1구간보다 짧은제 2구간동안턴온시키는직류컨버터장치 .

[청구항 2] 제 1항에 있어서,

연속되는 2개의상기제 1구간들의중심시점들의중간시점이상기제 2 구간에포함되는직류컨버터장치.

[청구항 3] 제 1항에 있어서,

상기제어기는,

양의전류지령에따라상기부스트스위치를스위칭하는부스트모드로 동작하고,

음의전류지령에따라상기벅스위치를스위칭하는벅모드로동작하며 , 유니폴라지령에따라상기부스트스위치와상기벅스위치중하나만을 스위칭하는모드로동작하고,

부분적인바이폴라지령에따라상기부스트스위치와상기벅스위치를 모두스위칭하는모드로동작하는직류컨버터장치 .

[청구항 4] 제 1항에 있어서,

상기벅스위치및부스트스위치는 1061스위치소자로이루어진직류 컨버터장치.

[청구항 5] 제 1항에 있어서,

상기벅 -부스트회로는,

직류단을공유하는 4개의벅스위치와부스트스위치가직렬연결된 조합들을병렬연결된구조로 4인터리빙을수행하는것을특징으로하는 직류컨버터장치.

[청구항 6] 제 1항에 있어서,

상기제 1구간은하기수학식에따라결정되는직류컨버터장치. 2020/175784 1»(:1/10公019/018755

14

여기서, Vᄂ은상기고전위단단자전압이고, V B는상기저전위단단자 전압이고, ^ 요。는상기제 2구간의시간이며 , ^요는일반적인 유니폴라스위칭을수행할때부스트모드스위칭에요구되는턴온 시간이며 , ^。„_^2는상기제 1구간의시간임 .

[청구항 7] 서로다른직류전위를가지는저전위단과고전위단사이에위치하며, 상기저전위단에서상기고전위단으로또는상기고전위단에서상기 저전위단으로직류전력을전달하는직류컨버터장치에 있어서, 상기고전위단에대하여벅스위치와부스트스위치가직렬연결된 구조를구비하는벅-부스트회로;및

요구사항에대한직류전력의전달방향및전달비율에따라,상기벅 스위치와부스트스위치의턴온구간을조정하는제어기를포함하되 , 상기고전위단에서상기저전위단으로직류전력을전달할때상기 제어기는,상기벅스위치를제 1구간동안턴온시키고,상기벅스위치의 턴오프구간의도중에상기부스트스위치를상기제 1구간보다짧은제 2 구간동안턴온시키는직류컨버터장치 .

Description:
2020/175784 1»(:1^1{2019/018755 명세서

발명의명칭:직류컨버터장치

기술분야

[1] 본발명은직류를교류로변환하지 않고직접원하는특성의직류로변환하는 컨버터,즉,직류컨버터장치에 관한것이다.특히,저전위단과고전위단 사이에서 양방향으로직류전력을전달하되,전달효율과 압레귤레이션 정도를동시에높일수있는직류컨버터장치에관 한것이다.

배경기술

[2] 변압기를사용한전압의용이성 때문에직류를직류로변환하는과정에서도, 직류를교류로변환한후변압을수행하고다시 직류로변환하는방식이 오랫동안사용되었다.

[3] 최근전력소자(犯61소자)자체의 재료적인면을포함한발전과,시등을

이용하여다수개의 전력소자들을효율적으로 011/0 제어하는기술의급격한 발전은,직류를직류로직접 변환하는 IX: - IX:컨버터의 적용분야를확대하고 있다.

[4] 직류컨버터는직류전력으로전동차가운행되는 직류전동차환경에서,

전동차의 회생전력을보관하고전동차의 가선전력을안정화시키는철도용 에서도사용되고있다.

[5] 철도용 배터리를위한종래의직류컨버터장치의 경우,가선전압이

배터리 전압보다높은경우가선전력으로배터리를충전 할때에는벅스위칭 방식으로전력을가선에서 배터리로전달하고,배터리 전력을가선에 공급할 때에는부스트방식으로전력을배터리에서 가선으로전달한다.가선전압이 배터리 전압보다낮은경우는반대로부스트스위칭 방식으로전력을가선에서 배터리로전달하고,벅스위칭 방식으로전력을배터리에서가선으로전달한다 .

[6] 이경우,전력 전달효율은높지만,직류컨버터장치의스위칭 방식중

유니폴라스위칭방식의 경우직류컨버터장치의운전모드가빈번하게 전환되어 가선전력에 비교적급격한전압변동이 발생하고,바이폴라스위칭 방식의 경우에는저부하에도 1¾11부하시와같은리액터 리플이 발생하여 손실이증가한다.

발명의상세한설명

기술적과제

[7] 본발명은현장사정에 따라다양한운전모드로유연한대응이 가능한직류 컨버터장치를제공하는것을목적으로한다.

[8] 또한,본발명은배터리에 대한충방전회수감소로배터리수명을늘릴수있 는 한편,전력 전달의효율을증가시켜 대기전력을줄이고변전소전력손실을 감소시킬수있는직류컨버터장치를제공하는것 을다른목적으로한다. 2020/175784 1»(:1^1{2019/018755

2

[9] 또한,본발명은저부하시충방전전류가낮아컨 터소음을감소시킬수

있는직류컨버터장치를제공하는것을또다른목 적으로한다.

과제해결수단

[1이 본발명의 일측면에 따른직류컨버터장치는,서로다른직류전위를 지는 저전위단과고전위단사이에 위치하며,상기 저전위단에서상기고전위단으로 또는상기고전위단에서상기 저전위단으로직류전력을전달하는직류컨버터 장치에 있어서,

[11] 상기고전위단에 대하여벅스위치와부스트스위치가직렬연결된 구조를

구비하는벅-부스트회로;및요구사항에 대한직류전력의 전달방향및전달 비율에 따라,상기벅스위치와부스트스위치의 턴온구간을조정하는제어기를 포함하되,

[12] 상기 저전위단에서상기고전위단으로직류전력을전 달할때상기제어기는, 상기부스트스위치를제 1구간동안턴온시키고,상기부스트스위치의 턴오프 구간의도중에상기 벅스위치를상기제 1구간보다짧은제 2구간동안 턴온시킬수있다.

[13] 여기서,연속되는 2개의상기제 1구간들의중심시점들의중간시점이상기 제 2 구간에포함될수있다.

[14] 여기서 ,상기제어기는,양의 전류지령에 따라상기부스트스위치를

스위칭하는부스트모드로동작하고,음의 전류지령에따라상기벅스위치를 스위칭하는벅모드로동작하며 ,유니폴라지령에 따라상기부스트스위치와 상기 벅스위치중하나만을스위칭하는모드로동작하 고,부분적인바이폴라 지령에 따라상기부스트스위치와상기벅스위치를모두 스위칭하는모드로 동작할수있다.

[15] 여기서 ,상기벅스위치 및부스트스위치는 1061스위치소자로이루어질수 있다.

[16] 여기서 ,상기벅 -부스트회로는,직류단을공유하는다수의 벅스위치와부스트 스위치가직렬연결된조합들을병렬연결된구조 로인터리빙을수행할수있다.

[17] 여기서,상기제 1구간은하기수학식에따라결정될수있다.

[2이 여기서, \ 은상기고전위단단자전압이고, V B 는상기 저전위단단자 2020/175784 1»(:1^1{2019/018755

3 전압이고, ^ 요는상기 제 2구간의시간이며, ^요는일반적인유니폴라 스위칭을수행할때부스트모드스위칭에요구되

상기 제 1구간의시간임.

[21]

[22] 본발명의다른측면에 따른직류컨버터장치는,서로다른직류전위를 지는 저전위단과고전위단사이에 위치하며,상기 저전위단에서상기고전위단으로 또는상기고전위단에서상기 저전위단으로직류전력을전달하는직류컨버터 장치에 있어서,

[23] 상기고전위단에 대하여벅스위치와부스트스위치가직렬연결된 구조를 구비하는벅-부스트회로;및요구사항에 대한직류전력의 전달방향및전달 비율에 따라,상기벅스위치와부스트스위치의 턴온구간을조정하는제어기를 포함하되,

[24] 상기고전위단에서상기 저전위단으로직류전력을전달할때상기제어기 는, 상기 벅스위치를제 1구간동안턴온시키고,상기 벅스위치의 턴오프구간의 도중에상기부스트스위치를상기 제 1구간보다짧은제 2구간동안턴온시킬 수있다.

발명의효과

[25] 상기구성에 따른본발명의직류컨버터장치를실시하면,전 변동율에 따라 강도조절로전압품질을개선하는이점이 있다.

[26] 또한,본발명의 직류컨버터장치는,배터리에 대한충방전회수감소로배터리 수명을늘리는이점이 있다.

[27] 또한,본발명의 직류컨버터장치는,현장사정에 따라다양한운전모드로 유연한대응이가능한이점이 있다.예컨대,저부하시에는전압레귤레이터 기능을위해부분바이폴라스위칭을수행하거나 ,필요에따라바이폴라스위칭 영역을넓히거나좁히는등,부하패턴에 따라사용가능한알고리즘개발이 가능하게된다.

[28] 또한,본발명의 직류컨버터장치는,전력 전달효율증가에 따른대기전력이 감소하고,변전소전력손실이감소하는이점이 있다.

[29] 또한,본발명의 직류컨버터장치는,저부하시충방전전류가낮 컨버터 소음감소시키는이점이 있다.

도면의간단한설명

[3이 도 1은본발명의 일실시예에따른직류컨버터장치의구성을나타 내는

블록도.

[31] 도 2는도 1의 직류컨버터장치를구성하는벅-부스트회로의 일실시예를 도시한회로도.

[32] 도 3은 PWM제어를피드포워드방식 및피드백방식의 1^1제어로수행하는 블록구조의 일실시예를도시한블록도. \¥0 2020/175784 1 » (:1710{2019/018755

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[33] 도 4는 PWM제어를피드포워드방식 및피드백방식의 1^1제어로수행하는 블록구조의다른실시예를도시한블록도.

[34] 도 5는본실시예의 직류컨버터장치를 CCM방식으로컨버팅할때의스위칭 신호와인덕터 전류를도시한파형도.

[35] 도 6은유니폴라방식의부스트모드로컨버팅 신호와 인덕터 전류를도시한파형도.

[36] 도 7은본발명의사상에따른변형된유니폴라(또 부분바이폴라)방식으로 컨버팅할때의스위칭모\¥^1신호와인덕터 전류를도시한파형도.

발명의실시를위한형태

[37] 이하,본발명의실시를위한구체적인실시예를 부된도면들을참조하여 설명한다.

[38] 본발명을설명함에 있어서 제 1,제 2등의용어는다양한구성요소들을

설명하는데사용될수있지만,구성요소들은용 들에 의해한정되지 않을수 있다.용어들은하나의구성요소를다른구성요 로부터구별하는목적으로만 된다.예를들어,본발명의 권리범위를벗어나지 않으면서 제 1구성요소는제 2 구성요소로명명될수있고,유사하게제 2구성요소도제 1구성요소로명명될 수있다.

[39] 어떤구성요소가다른구성요소에 연결되어 있다거나접속되어 있다고

언급되는경우는,그다른구성요소에직접적으 연결되어 있거나또는 접속되어 있을수도있지만,중간에다른구성요소가존재 수도있다고이해될 수있다.

[4이 본명세서에서사용한용어는단지특정한실시예 를설명하기 위해사용된 것으로,본발명을한정하려는의도가아니다.단 의표현은문맥상명백하게 다르게뜻하지 않는한,복수의표현을포함할수있다.

[41] 본명세서에서 ,포함하다또는구비하다등의용어는명세서상 기재된특징 , 숫자,단계 ,동작,구성요소,부품또는이들을조합한것이존 재함을지정하려는 것으로서,하나또는그이상의다른특징들이나 자,단계,동작,구성요소, 부품또는이들을조합한것들의존재또는부가가 능성을미리 배제하지 않는 것으로이해될수있다.

[42] 또한,도면에서의요소들의 형상및크기등은보다명확한설명을위해과장될 수있다.

[43]

[44] 도 1은본발명의 일실시예에따른직류컨버터장치의구성을나타 내는

블록도이다.

[45] 도시한직류컨버터장치는,저전위단으로서 배터리 연결단과고전위단으로서 가선연결단사이에 위치하여,상기 배터리 연결단에 연결된배터리에충전된 전력을가선연결단에 연결된가선에 공급하거나,가선에서 배터리로충전 2020/175784 1»(:1^1{2019/018755

5 전력을공급하는역할을수행한다.

[46] 도시한직류컨버터장치는,상기고전위단 선연결단)에 대하여 벅

스위치 (10)와부스트스위치 (20)가직렬연결된구조를구비하는벅-부스트 회로 (100);및요구사항에 대한직류전력의 전달방향및전달비율에따라,상기 벅스위치 (10)와부스트스위치 (20)의 턴온구간을조정하는제어기를포함한다.

[47] 여기서 ,상기제어기는,상기 저전위단 (배터리 연결단)에서상기고전위단 선 연결단)으로직류전력을전달할때,상기부스트 위치 (20)를제 1구간동안 턴온시키고,상기부스트스위치 (20)의 턴오프구간의도중에상기벅

스위치 (10)를상기 제 1구간보다짧은제 2구간동안턴온시키는동작을 수행함에특징이 있다.

[48] 상기벅-부스트회로 (100)의상기 벅스위치 (10)와부스트스위치 (20)가연결된 노드는상기 저전위단 (배터리 연결단)의 파지티브 (+)단에 연결된다.

[49] 상기벅-부스트회로 (100)를구성하는벅스위치 (10)및부스트스위치 (20)는 반도체스위치소자,예컨대, 1061스위치소자로구현할수있다.

[5이 상기벅 -부스트회로 (100)는부스트스위치 (20)는 로고정시키고,벅

스위치 (10)를소정주파수로모\¥^1스위칭하여,일종의 컨버터회로로동작할 수있다.벅 컨버터 회로로동작시,고전위단의 IX:전력 (즉,가선에서 공급되는 전력 )이 ,보다낮은 IX:전력으로강압되어 ,저전위단 (배터리 )으로공급된다. 일반적으로이러한상황은가선에남는전력으로 배터리를충전할때발생할수 있으며,이러한직류컨버팅동작을벅모드라한 .

[51] 상기벅 -부스트회로 (100)는벅스위치 (10)는 로고정시키고,부스트

스위치 (20)를소정주파수로 PWM스위칭하여,일종의부스트컨버터회로로 동작할수있다.부스트컨버터회로로동작시,저 위단의 IX:전력 (즉, 배터리에서 방전되는전력)이 ,보다높은 IX:전력으로승압되어 ,

고전위단 (가선)으로제공된다.일반적으로이러한상황은 가선쪽에부하가 많아서 배터리에충전된전력을가선쪽으로제공할때발 생할수있으며, 이러한직류컨버팅동작을부스트모드라한다.

[52] 상기벅모드및부스트모드모두직류컨버팅이수 행되지 않는구간에서는 전력 전달경로자체를차단하므로,전력 전달과정에서소모되는전력이 작아, 전력 전달효율이높다.그러나,잦은모드변경 (즉,벅모드와부스트모드간의 전환)에 따른변환전력의 리플이 많아전압레귤레이션정도를높이기위해 별도의 레귤레이터수단이요구된다.

[53] 변환전력의 레귤레이션정도를높이고변환과정의 리플잡음을줄이기

위해서,상기 벅-부스트회로 (100)를,벅스위치 (10)와부스트스위치 (20)를서로 교변하여스위칭하되,각스위치의 011구간의폭 出)을조정하여 전달 전압비를조정하는 (1!0 ((¾1번11110118-(¾11(111^1011-] 0(16)방식으로구동할수있다. CCM방식은바이폴라방식이라칭하고,반면벅모 나부스트모드는

유니폴라방식이라칭하기도한다. 2020/175784 1»(:1^1{2019/018755

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[54] 일반적으로가선에잉여전력이크지않는상황( 예컨대 ,급제동으로회생

전력이크게발생하지않는경우나,가선계통에 하가없는경우)에서는전체 시스템에전력이적고빈번하게증감하므로, IX: - IX:컨버팅과정에서의손실은 중요치않으며오히려전체계통을안정화시키기 위한전압레귤레이션의 요구가강해진다.따라서 ,가선에서배터리로충전전력을공급하는상황 서 , 배터리로전달되야하는전력량이많은경우에는 벅모드로컨버팅을수행하고, 배터리로전달되야하는전력량이적은경우에는 CCM으로컨버팅을수행할수 있다.

[55] 반면,배터리에충전된전력을가선으로제공하 상황에서,가선으로

전달되어야하는전력량이많은경우에는부스트 모드로컨버팅을수행하고, 가선으로전달되어야하는전력량이적은경우에 는 CCM으로컨버팅을수행할 수있다.

[56] 본발명에서는배터리충전된전력을가선으로제 공하거나가선전력을

충전하는상황에서,상기벅-부스트회로(100) 대하여,전력변환효율이 중요한경우에는유니폴라스위칭방식으로컨버 팅을수행하고,전력변환 효율의중요성이낮은경우에는”변형된유니폴 라스위칭(또는부분적인 바이폴라스위칭)”으로컨버팅하는것을제안 한다.

[57]

[58] 아래부터는부스트모드에관한설명이며,벅모 에관한동작은해당

스위치만다를뿐동일한방식으로동작한다.

[59] 종래부스트모드에서벅스위치는계속 된상태를유지한다.반면,”변형된 유니폴라스위칭(또는부분적인바이폴라스위 칭)”이적용된부스트컨버팅은, 상기부스트스위치의턴오프구간의도중에상기 벅스위치를소정구간동안 턴온시키는동작을수행한다.이때,상기벅스 치의턴온시간(즉,상기제 2 구간)은상기부스트스위치의턴온시간(즉, 기제 1구간)보다짧다.따라서 , 전체동작은부스트모드가우세하게되어,종래 스트모드와동일한전력 전달방향을가지게된다.

[6이 한편,상기벅스위치(10)의턴온시간(즉,상 제 2구간)과상기부스트

스위치(20)의턴온시간(즉,상기제 1구간)사이에 ,벅/부스트스위치모두 되는구간이명확히존재함에종래 0:^1컨버팅과뚜렷한차이가있다.

[61] 또한,연속되는 2개의상기부스트스위치(20)의턴온시간(즉 ,상기제 1

구간)들의중심시점들인, 2시점들의중간시점이상기벅스위치(10)의턴 온 시간(즉,상기제 2구간)에포함될수있다.즉,연속되는 2개의상기부스트 스위치(20)의턴온시간(즉,상기제 1구간)사이중앙에상기벅스위치(10)의 턴온시간(즉,상기제 2구간)이위치할수있다.

[62] 상기제어기는도시한바와같이,벅스위치및/ 는부스트스위치를소정

주파수로 PWM스위칭시키는 PWM회로(200),및직류변환동작모드및전력 전달비를조정하는제어회로(300)로구성될수 있다. 2020/175784 1»(:1^1{2019/018755

7

[63] 상기 PWM회로 (200)는벅모드에서는벅스위치 (10)에 대한 PWM신호를

생성하고,부스트모드에서는부스트스위치 (20)에 대한 PWM신호를생성하고, 본발명의사상에 따른 "변형된유니폴라스위칭 (또는부분적인바이폴라 스위칭)”이 적용된부스트컨버팅모드에서는벅스위치 (10)및부스트

스위치 (20)에 대한 PWM신호를생성한다.구현에따라상기 PWM회로는 ^ 방식에서도상기벅스위치 (10)및부스트스위치 (20)를위한스위칭신호를 생성할수있다.

[64] 상기제어 회로 (300)는,외부의장치 (汉3또는제어서버 )(미도시 )로부터 ,양의 전류지령에따라상기부스트스위치 (20)를스위칭하는부스트모드로

동작하고,음의 전류지령에 따라상기 벅스위치 (10)를스위칭하는벅모드로 상기 회로 (200)를동작시킬수있다.이때 ,유니폴라지령에따라상기 부스트스위치 (20)와상기벅스위치 (10)중하나만을스위칭하는모드로 동작하고,부분바이폴라지령에 따라상기부스트스위치 (20)와상기 벅 스위치 (10)를모두스위칭하는모드로상기 PWM회로 (200)를동작시킬수있다. 상기유니폴라지령 및부분바이폴라지령은,상기 외부의장치 (1(8또는제어 서버 )로부터지시받거나,배터리 연결단및가선연결단에 대한모니터링 결과로부터상기제어 회로 (300)가결정할수있다.

[65] 한편,독립운전성향이강한다른구현에서는,상 양의 전류지령 및음의 전류지령도,외부의장치 (?08또는제어서버 )로부터지시받지않고,배터리 연결단및가선연결단에 대한모니터링결과로부터상기제어 회로 (300)가 결정할수있다.이 경우,상기제어 회로 (300)는가선연결단전압이소정의 기준 저전위 이하로떨어지면양의 전류지령을결정하고,소정의 기준고전위 이상 올라가면음의 전류지령을결정할수있다.

[66] 도시한바와같이상기 제어회로 (300)는,배터리 연결단및가선연결단의

전기적상황을모니터링하기 위해,배터리 연결단에 설치된전압센서 ( )및 전류센서 (¾)로부터 센싱신호를입력받고,가선연결단에설치된전 센서 비 및전류센서 ( )로부터 센싱신호를입력받을수있다.

[67]

[68] 도 2는도 1의 직류컨버터장치를구성하는벅-부스트회로의 일실시예를

도시한회로도이다.

[69] 도시한벅 -부스트회로는,직류단을공유하는 4개의 벅스위치와부스트

스위치가직렬연결된조합들을병렬연결된구조 로 4인터리빙을수행한다. 이 도시한회로에서,가선연결단에는전체가하나 출력단인덕터 (44)가

구비되고,배터리 연결단에는하나의 인터리빙단위에 대하여각각입력단 인덕터 (31 ~ 34)가하나씩구비되어 있다.

1] 도 1및도 2에따른직류컨버터장치는,바이폴라스위칭 기법의 컨버터보다 상대적으로리액터설계값이작아 1¾11부하시에도 DCM모드사용으로효율을 높일수있는데,약 98%이상높일수있다.또한,바이폴라스위칭을하 록설정 2020/175784 1»(:1^1{2019/018755

8 시 경부하에서 CCM동작을하도록설계할수있는등설계의유연성 이

우수하다.

[72]

구현에따라도 1의상기제어 회로(300)는,피드포워드방식의조정구조, 피드백방식의조정구조, 조정구조등을구비할수있다.

[74] 상술한 PWM제어를피 포워드방식 및피드백방식의 ?1제어로수행하는 블록구조를도시하면도 3또는도 4와같이표현할수있다. 살펴본바와같이,본실시예의 제어기는,저전위단에서고전위단으로직류 전력을전달할때,즉,양의 전류지령에 따라상기부스트스위치를스위칭하는 부스트모드로동작할때,바이폴라모드지령을 한경우,상기부스트 스위치를제 1구간동안턴온시키고,상기부스트스위치의 턴오프구간의 도중에상기벅스위치를상기 제 1구간보다짧은제 2구간동안턴온시킨다. 이때 ,상기부스트스위치에 대한턴온구간인상기제 1구간과,상기벅 스위치에 대한턴온구간인상기 제 2구간의 최적길이에 대하여구체적으로 살펴보겠다.

먼저,일반적인벅모드로벅스위치만을스위칭 때 이에따른전달전력량에 비례하는면적 8ᄆ。는하기수학식 1-1및수학식 1-2에 따라산출될수있다.

[수학식 1- 1]

[수학식 1-2] 24790565681

77777888888 73

83] 여기서, 。는벅모드에서의 인덕터(도 2

벅스위치에 대한턴온시간이며 , I 。는

시간(다이오드로전류가흐르는시간)이며, \\은가선(또는전력선(1노이)의단자 전압이며(도 2의경우 V ^ 6 ), V B 는배터리단자전압이며 , 은인덕터(도 2의 경우 31내지 34)의 인덕턴스이다.

여기서,배터리단자가저전위단이며,가선(또 전력선)단자가고전위단이다. 다음,일반적인부스트모드로부스트스위치만 스위칭할때 이에따른전달 전력량에 비례하는면적 8 (또는 8셔라간략히표기함)과,본발명의사상에 따라변형된유니폴라스위칭(또는부분적인바 이폴라스위칭)을수행할때의 면적 8 2 는하기수학식 2- 1및수학식 2-2에따라산출될수있다.

87] [수학식 2- 1] 2020/175784 1»(:1/10公019/018755

9

88]

89] [수학식 2-2]

[9 여기서, 는부스트모드에서의 인덕터(도 2의경우 31내지 34)전류이고, I 우ᄄ및 I요 2 는부스트스위치에 대한턴온시간이며 , ^ 는부스트스위치에 대한턴오프시간(다이오드로전류가흐르는시 간)이다.한편, V ^과, V 3 와, 은 앞서수학식 1-1및 1-2에서설명한내용과동일하다.

[93] 부스트모드동작이필요한저전위단(배터리) 에서고전위단 ^1·선또는

전력선)으로직류전력을전달할때,본발명의 상에 따라메인부스트모드 스위칭에추가되는서브벅모드스위칭을수행할 수있다.즉,변형된유니폴라 스위칭(또는부분적인바이폴라스위칭)을수 행할때,메인부스트모드스위칭 시간과서브벅모드스위칭시간을살펴보면다음 수학식들과같다.

[수학식 3-1]

[9 9 9 9 9256]11

5及 2 — ¾ — ‘

[수학식 3-2]

00] 여기서, 8 3 。는변형된유니폴라스위칭(또는부분적 인바이폴라스위칭)을 수행할때서브벅모드스위칭에 대한면적이고, I 。는서브벅모드 2020/175784 1»(:1^1{2019/018755

10 스위칭을위한턴온시간이며 , ^ 는일반적인 을수행할때 부스트모드스위칭을위한턴온시간이다.한편, 수학식 1-1및 1-2에서 설명한내용과동일하다.

[101] 상기수학식 3-3에서 최종적으로산출하는 는변형된유니폴라

스위칭(또는부분적인바이폴라스위칭)을수 행할때 메인부스트모드스위칭을 위한턴온시간이다.

[102]

[103] 도 5는본실시예의 직류컨버터장치를 0:^1방식으로컨버팅할때의스위칭 스위치의 게이트인가신호)와,인덕터 전류를도시한것이며,도 6은 유니폴라방식의부스트모드로컨버팅할때의스 위칭 PWM신호와인덕터 전류를도시한것이며,도 7은본발명의사상에 따른변형된유니폴라(또는부분 바이폴라)방식으로컨버팅할때의스위칭 PWM신호와인덕터 전류를도시한 것이다.

[104] 도 7에서 벅스위치의 턴온시간(즉,상기제 2구간)은부스트스위치의 턴온 시간(즉,상기 제 1구간)보다약간짧은것을알수있다.도 7에서부스트 스위치의 턴온시간은도 6의부스트스위치의 턴온시간보다길다.도 7에서는 벅스위치의 턴온시간에의해 인버터 전류가반대방향으로흐르게되는바 이를상쇄시키기위해도 6의부스트스위치의 턴온시간보다긴턴온시간을 부여해야,도 6의경우와동일한전력 전달비율을달성할수있다.

[105] 도 7에서는비록반대방향으로전류가교번하여흐 는것에의한미약한 손실은발생하지만,컨버팅 전력의 전압레귤레이션정도가높아지고,컨버팅 모드의 빈번한전환이 억제된다.

[106]

[107] 본실시예에 따라변형된유니폴라스위칭(또는부분적인바 이폴라스위칭) 모드를일반적인유니폴라모드를구성하는부스 트모드및벅모드를대체할 때의 최적값을살펴보면다음과같다.

[108] 먼저,일반적인벅모드로벅스위치만을스위칭 때 이에따른전달전력량에 비례하는면적 8 B 。는하기수학식 4-1및수학식 4-2에 따라산출될수있다.

[109] [수학식 4- 1]

[11이

[111] [수학식 4-2]

[112]

[113] 여기서, 。는벅모드에서의 4)전류이며, 는 벅스위치에 대한턴온시간이 턴오프시간이며 , V 2020/175784 1»(:1^1{2019/018755

11 ᄂ은가선(또는전력선 句)의 단자전압이며(도 2의경우 \\ ), \%는배터리 단자전압이며, 은인덕터(도 2의 경우 31내지 34)의 인덕턴스이다.

[114] 여기서,배터리단자가저전위단이며,가선(또 전력선)단자가고전위단이다.

[115]

[116] 다음,일반적인부스트모드로부스트스위치만 스위칭할때 이에따른전달 전력량에 비례하는면적 8 (또는 8서라간략히표기함)과,본발명의사상에 따라변형된유니폴라스위칭(또는부분적인바 이폴라스위칭)을수행할때의 면적 8 2 는하기수학식 5- 1및수학식 5-2에따라산출될수있다.

[117] [수학식 5- 1]

[ 1 18] 五及 ~ *^1 ~ (^ 0 71_8았 + 1 厂 0//_ 았)

[119] [수학식 5-2]

[121] 여기서, : 는부스트모드에서의 인덕터(도 2의경우 31내지 34)전류이고, I 。«^ᄄ는부스트스위치에 대한 수학식 4- 1및 4-2에서 설명한 내용과동일하다.

[122]

[123] 변형된유니폴라스위칭(또는부분적인바이폴 라스위칭)을수행할때,추가 지령에 대한계산은하기수학식들과같다.

[124] [수학식 6- 1]

[125]

[126] [수학식 6-2]

[127]

[128] [수학식 6-3]

[129]

[13이 상기수학식 6-2및 6-3은,저전위단에서고전위단으로직류전력을 달할때, 즉,양의 전류지령에 따라부스트스위치를스위칭하는부스트모드를

대체하여 ,메인부스트모드스위칭에추가되는서브벅모 스위칭을수행할 2020/175784 1»(:1^1{2019/018755

12 때의최적인부스트최대전압 을제시한다.

[131] 여기서, 8 는변형된유니폴 5}스위칭(또는부분적인바이폴라스위칭)을 수행할때서브벅스위칭에따른전달전력량에비 례하는면적이고, 서브벅스위칭시의최대전압이며

전압이다.

[132]

[133] [수학식 6-4]

[137] 한편,상기수학식 6-4및 6-5는,고전위단 ^1 · 선이나계통전력선)에서

저전위단(배터리)으로직류전력을전달할때 ,즉,음의전류지령에따라벅 스위치를스위칭하는벅모드를대체하여,메인 모드스위칭에추가되는서브 부스트모드스위칭을수행할때의최적인벅최대 전압 _ 2 )을제시한다.

[138] 여기서 변형된유니폴라스위칭(또는부분적인바이폴 라

스위칭)을수행할때서브부스트스위칭에따른 전달전력량에비례하는 면적이고, V 。 131 는서브부스트스위칭시의최대전압이며 , V 는메인벅 스위칭시의최대전압이다.

[139]

[14이 상기한실시예는그설명을위한것이며,그제한 위한것이아님을

주의하여야한다.또한,본발명의기술분야의통 의전문가라면본발명의 기술사상의범위에서다양한실시예가가능함을 이해할수있을것이다.

[141]

[142] *부호의설명

[143] 10 :벅스위치

[144] 20 :부스트스위치

[145] 100 :벅 -부스트회로

[146] 200 : PWM회로

[147] 300 :제어회로

산업상이용가능성

[148] 본발명은직류를교류로변환하지않고직접원하 는특성의직류로변환하는 컨버터에관한것으로서,컨버터분야에이용가 하다.