KR101695963B1 - Bidirectional converter circuit having battery charging and discharging function - Google Patents

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강경수
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국민대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 양방향 컨버터 회로는, 입력단과 연결되고, 제1 변압기, 제2 변압기, 및 제1 변압기와 제2 변압기를 연결 또는 차단하는 제1 스위치를 구비하는 변환부, 및 서로 상보적으로 스위칭 온오프 동작하여 변환부를 출력단과 연결 또는 차단하는 제2 및 제3 스위치를 포함한다.A bidirectional converter circuit according to one aspect of the present invention includes a conversion section connected to an input stage and having a first switch for connecting or disconnecting a first transformer, a second transformer, and a first transformer and a second transformer, And a second switch and a third switch for connecting / disconnecting the converting unit to / from the output terminal.

Figure R1020140168249
Figure R1020140168249

Description

배터리 충방전 기능을 갖는 양방향 컨버터 회로{BIDIRECTIONAL CONVERTER CIRCUIT HAVING BATTERY CHARGING AND DISCHARGING FUNCTION}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a bidirectional converter circuit having a battery charge / discharge function,

본 발명은 앙“‡항 컨버터 회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양방향 직류-직류 변환을 통해 배터리 충방전 기능을 갖는 양방향 컨버터 회로에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a bidirectional converter circuit, and more particularly, to a bi-directional converter circuit having a battery charge / discharge function through bi-directional DC-DC conversion.

최근 친환경 자동차, 자동차 발전기, 풍력 발전기, 전기 자전거 등 여러 응용분야에서 배터리 충방전을 위한 양방향 컨버터 회로의 필요성이 증대되고 있다. 기존의 배터리 충방전을 위한 양방향 컨버터 회로는 배터리를 방전시켜 모터로 전력을 전달하는 컨버터 동작과 모터의 회생 에너지로 배터리를 충전하는 컨버터 동작을 수행한다.2. Description of the Related Art In recent years, the need for a bidirectional converter circuit for charging and discharging a battery has been increasing in various applications such as an eco-friendly automobile, an automobile generator, a wind turbine generator, and an electric bicycle. The bidirectional converter circuit for charging and discharging the battery performs a converter operation for discharging the battery to transfer power to the motor and a converter operation for charging the battery with the regenerative energy of the motor.

기존의 배터리 충방전을 위한 양방향 컨버터 회로는 인덕터에 대한 높은 최대 전류와 실효전류의 요구로 인해 부피가 크고 원가가 높은 인덕터의 채용이 불가결하여, 부피의 증가로 인한 효율 저하 및 제조 비용의 증가 문제가 있었다.
Conventional bidirectional converter circuits for charging and discharging the battery are required to use bulky and costly inductors because of the high maximum current and effective current for the inductors. .

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 고승압 변환이 가능하면서도 부피 및 제조 비용을 줄일 수 있는 배터리 충방전 기능을 갖는 양방향 컨버터 회로를 제공하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a bidirectional converter circuit having a battery charge / discharge function capable of reducing the volume and manufacturing cost while enabling high voltage conversion.

본 발명의 일 측면에 따른 양방향 컨버터 회로는, 입력단과 연결되고, 제1 변압기, 제2 변압기, 및 상기 제1 변압기와 상기 제2 변압기를 연결 또는 차단하는 제1 스위치를 구비하는 변환부; 및 서로 상보적으로 스위칭 온오프 동작하여, 상기 변환부를 출력단과 연결 또는 차단하는 제2 및 제3 스위치;를 포함한다.A bidirectional converter circuit according to one aspect of the present invention includes: a converter connected to an input terminal and having a first transformer, a second transformer, and a first switch for connecting or disconnecting the first transformer and the second transformer; And second and third switches for complementarily switching on and off each other to connect or disconnect the converting unit with the output terminal.

일부 실시예에서, 상기 제1 변압기는, 제1 자화 인덕터와 소정의 권선비로 상호 결합되는 제1 및 제2 코일을 포함할 수 있고, 상기 제2 변압기는, 제2 자화 인덕터와 소정의 권선비로 상호 결합되는 제3 및 제4 코일을 포함할 수 있고, 상기 제1 스위치는, 상기 제1 자화 인덕터와 상기 제2 자화 인덕터 사이에 위치할 수 있다.In some embodiments, the first transformer may include first and second coils coupled to the first magnetizing inductor at a predetermined turns ratio, and the second transformer may be coupled to the second magnetizing inductor at a predetermined turns ratio And may include third and fourth coils coupled to each other, and the first switch may be located between the first magnetizing inductor and the second magnetizing inductor.

일부 실시예에서, 상기 제1 자화 인덕터, 상기 제1 코일, 및 상기 제2 코일 각각의 일단이 상기 입력단과 연결될 수 있고, 상기 제1 자화 인덕터 및 상기 제1 코일 각각의 타단이 상기 제1 스위치의 일단과 연결되고, 상기 제1 스위치의 타단이 상기 제2 자화 인덕터 및 상기 제3 코일 각각의 일단과 연결될 수 있고, 상기 제2 자화 인덕터 및 상기 제3 코일 각각의 타단이 상기 제3 및 제4 스위치 각각의 일단과 연결될 수 있고, 상기 제4 코일의 일단이 상기 입력단과 연결될 수 있다.In some embodiments, one end of each of the first magnetizing inductor, the first coil, and the second coil may be connected to the input end, and the other end of each of the first magnetizing inductor and the first coil may be connected to the first switch And the other end of each of the second magnetization inductor and the third coil is connected to one end of each of the third and fourth coils, 4 switches, and one end of the fourth coil may be connected to the input end.

일부 실시예에서, 상기 변환부는, 일단이 상기 제1 자화 인덕터의 타단 및 상기 제1 스위치의 일단과 연결되고, 타단이 상기 제2 자화 인덕터의 타단, 상기 제2 및 제3 스위치 각각의 일단과 연결되는 제1 다이오드; 및 일단이 상기 입력단과 연결되고, 타단이 상기 제2 자화 인덕터의 일단 및 상기 제1 스위치의 타단과 연결되는 제2 다이오드;를 더 포함할 수 있다.In some embodiments, the conversion unit may include: one end connected to one end of the first magnetization inductor and one end of the first switch; and the other end connected to the other end of the second magnetization inductor, one end of each of the second and third switches, A first diode connected; And a second diode having one end connected to the input terminal and the other end connected to one end of the second magnetization inductor and the other end of the first switch.

일부 실시예에서, 상기 변환부는, 일단이 상기 제2 코일의 타단과 연결되고, 타단이 그라운드에 연결되는 제3 다이오드; 및 일단이 상기 제4 코일의 타단과 연결되고, 타단이 상기 그라운드에 연결되는 제4 다이오드;를 더 포함할 수 있다.In some embodiments, the converting unit includes: a third diode having one end connected to the other end of the second coil and the other end connected to the ground; And a fourth diode having one end connected to the other end of the fourth coil and the other end connected to the ground.

일부 실시예에서, 상기 변환부는, 상기 입력단에 연결된 배터리로부터 공급되는 방전 전원을 상기 출력단에 연결된 소자를 구동하기 위한 구동 전원으로 변환하여 출력하는 모드에서, 상기 제1 및 제2 자화 인덕터 각각에 분배되어 축적된 상기 방전 전원에 의한 에너지를 직접(directly) 이용하여 상기 구동 전원으로 변환할 수 있다.In some embodiments, the converter converts the discharge power supplied from the battery connected to the input terminal into a drive power for driving the element connected to the output terminal, and outputs the drive power to the first and second magnetization inductors, And the energy of the accumulated discharge power is directly converted into the driving power.

일부 실시예에서, 상기 변환부는, 상기 출력단에 연결된 소자로부터 공급되는 회생 전원을 상기 입력단에 연결된 배터리를 충전하기 위한 충전 전원으로 변환하여 출력하는 모드에서, 상기 제1 및 제2 자화 인덕터 각각에 분배되어 축적된 상기 회생 전원에 의한 에너지를 상기 제1 및 제2 자화 인덕터 각각에 대응하는 코일들을 이용하여 상기 충전 전원으로 변환할 수 있다.In some embodiments, the converter converts the regenerative power supplied from the element connected to the output terminal into a charge power source for charging the battery connected to the input terminal, and outputs the charge power to the first and second magnetization inductors, And the stored energy of the regenerative power supply can be converted into the charging power by using the coils corresponding to the first and second magnetization inductors.

일부 실시예에서, 상기 제1 스위치는, 상기 제2 스위치와 상보적으로 스위칭 온오프 동작하고, 상기 제3 스위치와 동일하게 스위칭 온오프 동작할 수 있다.In some embodiments, the first switch performs a switching on / off operation complementarily with the second switch, and can perform the switching on / off operation in the same manner as the third switch.

일부 실시예에서, 상기 입력단과 병렬적으로 연결되되, 일단이 상기 제1 변압기와 연결되는 제1 캐패시터; 및 상기 출력단과 병렬적으로 연결되되, 일단이 상기 제3 스위치와 연결되는 제2 캐패시터;를 더 포함할 수 있다.
In some embodiments, a first capacitor is connected in parallel with the input, the first capacitor having one end connected to the first transformer; And a second capacitor connected in parallel with the output terminal and having one end connected to the third switch.

본 발명의 기술적 사상에 의한 배터리 충방전 기능을 갖는 양방향 컨버터 회로는, 작은 크기와 낮은 원가를 갖는 변압기들을 이용하여 배터리 방전과 충전시 전달되는 전력을 변환함으로써, 고승압 변환이 가능하면서도 제조 비용과 부피를 줄일 수 있다.
The bidirectional converter circuit with battery charge / discharge function according to the technical idea of the present invention converts transformer having small size and low cost to electric power delivered during charging and discharging of battery, The volume can be reduced.

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 양방향 컨버터 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 동작 모드 별로 양방향 컨버터 회로의 상태를 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 양방향 컨버터 회로에 대한 모의 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS A brief description of each drawing is provided to more fully understand the drawings recited in the description of the invention.
FIG. 1 is a view for explaining a bidirectional converter circuit according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 2A to 2D are diagrams for explaining states of a bidirectional converter circuit according to operation modes according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram for explaining simulation results of a bidirectional converter circuit according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the present invention has been described in connection with certain exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and similarities. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the following description of the present invention, detailed description of known related arts will be omitted when it is determined that the gist of the present invention may be unnecessarily obscured. In addition, numerals (e.g., first, second, etc.) used in the description of the present invention are merely an identifier for distinguishing one component from another.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Also, in this specification, when an element is referred to as being "connected" or "connected" with another element, the element may be directly connected or directly connected to the other element, It should be understood that, unless an opposite description is present, it may be connected or connected via another element in the middle.

또한, 본 명세서에 기재된 "~부", "~기", "~자", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Also, the terms "to", "to", "to", "to" and "module" in the present specification mean a unit for processing at least one function or operation, Software. ≪ / RTI >

그리고 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.It is to be clarified that the division of constituent parts in this specification is merely a division by each main function of each constituent part. That is, two or more constituent parts to be described below may be combined into one constituent part, or one constituent part may be divided into two or more functions according to functions that are more subdivided. In addition, each of the constituent units described below may additionally perform some or all of the functions of other constituent units in addition to the main functions of the constituent units themselves, and that some of the main functions, And may be carried out in a dedicated manner.

이하, 본 발명의 실시예들을 차례로 상세히 설명한다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 양방향 컨버터 회로를 설명하기 위한 도면이다. 도 1에 도시된, 양방향 컨버터 회로(10)는 양방향 DC-DC 컨버터 회로일 수 있으며, 입력단에 연결된 배터리(B)와 출력단에 연결된 모터(R) 사이에서 배터리(B)의 방전 전원을 이용하여 모터(R)를 구동하기 위한 구동 전원을 생성하거나 모터(R)의 회생 에너지를 이용하여 배터리(B)를 충전하기 위한 충전 전원을 생성할 수 있다. 여기서, 배터리(B)는 방전 및 충전이 가능한 적어도 하나의 2차 전지로 구성될 수 있다. 모터(R)는 전기 자동차, 자동차 발전기, 소형 발전기 등에 구비되는 DC 모터로, 상기 구동 전원에 의해 구동되는 경우 동력을 발생하는 회전 구동원으로 기능할 수 있고, 상기 구동 전원에 의해 구동되지 않는 경우에는 에너지를 발생하는 발전 구동원(즉, 발전기)으로 기능할 수 있다.FIG. 1 is a view for explaining a bidirectional converter circuit according to an embodiment of the present invention. The bidirectional converter circuit 10 shown in Fig. 1 may be a bidirectional DC-DC converter circuit and may be implemented using a discharging power source of the battery B between a battery B connected to the input stage and a motor R connected to the output stage It is possible to generate a driving power source for driving the motor R or to generate a charging power source for charging the battery B using the regenerative energy of the motor R. [ Here, the battery B may be composed of at least one secondary battery capable of discharging and charging. The motor R is a DC motor provided in an electric vehicle, an automobile generator, a small generator, etc., and can function as a rotation driving source for generating power when driven by the driving power source. When the motor R is not driven by the driving power source (I.e., a generator) that generates energy.

도 1을 참조하면, 양방향 컨버터 회로(10)는 변환부(100), 제1 캐패시터(C1), 제2 스위치(S2), 제3 스위치(S3) 및 제2 캐패시터(C2)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the bidirectional converter circuit 10 may include a conversion unit 100, a first capacitor C1, a second switch S2, a third switch S3 and a second capacitor C2. have.

변환부(100)는, 제1 변압기(110), 제2 변압기(120), 제1 스위치(S1) 및 제1 내지 제4 다이오드(D1 내지 D4)를 포함할 수 있다.The converting unit 100 may include a first transformer 110, a second transformer 120, a first switch S1 and first to fourth diodes D1 to D4.

제1 변압기(110)는, 배터리(B)와 연결되는 입력단의 노드(N1)와 노드(N2) 사이에 상호 병렬적으로 연결되는 제1 자화 인덕터(L1)와 제1 코일(NP1), 및 노드(N1)와 그라운드 사이에 연결되며 제1 코일(NP1)과 소정의 권선비로 결합된 제2 코일(NS1)을 포함할 수 있다.The first transformer 110 includes a first magnetizing inductor L1 and a first coil NP1 which are connected in parallel to each other between a node N1 and a node N2 of an input terminal connected to the battery B, And a second coil NS1 connected between the node N1 and the ground and coupled to the first coil NP1 at a predetermined winding ratio.

제2 변압기(120)는, 노드(N3)와 노드(N4) 사이에 상호 병렬적으로 연결되는 제2 자화 인덕터(L2)와 제3 코일(NP2), 및 노드(N1)와 그라운드 사이에 연결되며 제3 코일(NP2)과 소정의 권선비로 결합된 제4 코일(NS2)을 포함할 수 있다.The second transformer 120 includes a second magnetizing inductor L2 and a third coil NP2 which are connected in parallel to each other between the node N3 and the node N4 and a connection between the node N1 and the ground And a fourth coil NS2 coupled to the third coil NP2 at a predetermined winding ratio.

제1 스위치(S1)는 노드(N2)와 노드(N3) 사이에 연결되며, 제어부(도시 생략)로부터 제공되는 제어신호에 따라 스위칭 온오프 동작하여 제1 변압기(110)의 제1 자화 인덕터(L1)와 제2 변압기(120)의 제2 자화 인덕터(L2)를 연결 또는 차단할 수 있다. 여기서, 상기 제어부는 양방향 컨버터 회로(10)와 별개로 또는 일체로 구성될 수 있으며, 상기 제어신호는 펄스 폭 변조(pulse width modulation) 신호일 수 있다. The first switch S1 is connected between the node N2 and the node N3 and performs a switching on and off operation according to a control signal provided from a control unit (not shown) to turn on the first magnetization inductor of the first transformer 110 L1 of the second transformer 120 and the second magnetization inductor L2 of the second transformer 120 can be connected or disconnected. Here, the control unit may be configured separately or integrally with the bidirectional converter circuit 10, and the control signal may be a pulse width modulation (PWM) signal.

제1 스위치(S1)는 후술되는 제2 스위치(S2)와 상보적으로 스위칭 온오프 동작하되, 제3 스위치(S3)와 동일하게, 즉 쌍으로 스위칭 온오프 동작할 수 있다. 예를 들면, 제1 스위치(S1)는, 제2 스위치(S2)가 턴오프되고 제3 스위치(S3)가 턴온되는 경우 턴온되고, 제2 스위치(S2)가 턴온되고 제3 스위치(S3)가 턴오프되는 경우 턴오프될 수 있다.The first switch S1 is capable of performing a switching on / off operation complementarily to the second switch S2 described later, but can be operated in the same manner as the third switch S3, that is, in a pair of switching on and off states. For example, the first switch S1 is turned on when the second switch S2 is turned off and the third switch S3 is turned on, the second switch S2 is turned on and the third switch S3 is turned on, Off state is turned off.

한편, 제1 스위치(S1)는, 예를 들면, FET(Field Effect Transistor)로 구성될 수 있으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 스위치(S1)는 BJT(Bipolar Junction Transistor) 등과 같은 다른 반도체 소자로 구성될 수도 있다.The first switch S1 may be a field effect transistor (FET), but the technical idea of the present invention is not limited thereto. The first switch S1 may be a BJT (Bipolar Junction Transistor) ), And the like.

제1 다이오드(D1)는 노드(N2)와 노드(N4) 사이에 연결되어 노드(N2)로부터 노드(N4)로의 단방향 전류 경로를 형성할 수 있고, 제2 다이오드(D2)는 노드(N1)와 노드(N3) 사이에 연결되어 노드(N1)로부터 노드(N4)로의 단방향 전류 경로를 형성할 수 있다. 제3 다이오드(D3)는 제2 코일(NS1)과 그라운드 사이에 연결되어 그라운드로부터 노드(N1)로의 단방향 전류 경로를 형성할 수 있고, 제4 다이오드(D4)는 제4 코일(NS2)과 그라운드 사이에 연결되어 그라운드로부터 노드(N1)로의 단방향 전류 경로를 형성할 수 있다.The first diode D1 may be connected between the node N2 and the node N4 to form a unidirectional current path from the node N2 to the node N4 and the second diode D2 may be connected to the node N1, And the node N3 to form a unidirectional current path from the node N1 to the node N4. The third diode D3 is connected between the second coil NS1 and the ground to form a unidirectional current path from the ground to the node N1 and the fourth diode D4 is connected between the fourth coil NS2 and the ground N1. So that a unidirectional current path from the ground to the node N1 can be formed.

변환부(100)는, 양방향 컨버터 회로(10)의 배터리 방전 모드, 즉 양방향 컨버터 회로(10)가 배터리(B)로부터 공급되는 방전 전원을 이용하여 모터(R)를 구동하는 모드에서, 제1 변압기(110)의 제1 자화 인덕터(L1) 및 제2 변압기(120)의 제2 자화 인덕터(L2)를 이용하여 상기 방전 전원을 모터(R)를 구동하기 위한 구동 전원으로 변환할 수 있다. 상세하게는, 변환부(100)는, 제1 변압기(110)의 제1 자화 인덕터(L1) 및 제2 변압기(120)의 제2 자화 인덕터(L2)에 분배되어 축적된 상기 방전 전원에 의한 에너지를, 제1 자화 인덕터(L1) 및 제2 자화 인덕터(L2) 각각에 대응하는 코일들에 의한 변압 기능을 이용하지 않고 직접(directly) 이용하여 상기 방전 전원을 승압함으로써 상기 구동 전원을 생성할 수 있다. 즉, 변환부(100)는 배터리 방전 모드에서 부스트 컨버터에서의 변환 기능을 구현할 수 있다. The converter 100 is a mode in which the motor R is driven using the battery discharge mode of the bidirectional converter circuit 10, that is, the bidirectional converter circuit 10 using the discharge power supplied from the battery B, The discharge power can be converted into drive power for driving the motor R by using the first magnetizing inductor L1 of the transformer 110 and the second magnetizing inductor L2 of the second transformer 120. [ More specifically, the transforming unit 100 transforms the first magnetizing inductor L1 of the first transformer 110 and the second magnetizing inductor L2 of the second transforming unit 120, Energy is directly generated without using a transforming function by the coils corresponding to the first and second magnetization inductors L1 and L2 to boost the discharge power to generate the drive power . That is, the conversion unit 100 may implement the conversion function in the boost converter in the battery discharge mode.

변환부(100)는, 양방향 컨버터 회로(10)의 배터리 충전 모드, 즉 양방향 컨버터 회로(10)가 모터(R)의 회생 에너지(이하, 회생 전원)를 이용하여 배터리(B)를 충전하는 모드에서, 제1 변압기(110)의 제1 자화 인덕터(L1), 제1 및 제2 코일(NP1, NS1)과 제2 변압기(120)의 제2 자화 인덕터(L2), 제3 및 제4 코일(NP2, NS2)을 이용하여 회생 전원을 배터리(B)를 충전하기 위한 충전 전원으로 변환할 수 있다. 상세하게는, 변환부(100)는 제1 변압기(110)의 제1 자화 인덕터(L1) 및 제2 변압기(120)의 제2 자화 인덕터(L2)에 분배되어 축적된 상기 회생 전원에 의한 에너지를 제1 자화 인덕터(L1) 및 제2 자화 인덕터(L2) 각각에 대응하는 코일들에 의한 변압 기능을 이용하여 상기 회생 전원을 강압함으로써 상기 충전 전원을 생성할 수 있다. 즉, 변환부(100)는 배터리 충전 모드에서 플라이백 컨버터에서의 변환 기능을 구현할 수 있다.The converter 100 is a mode in which the battery charging mode of the bidirectional converter circuit 10, that is, the mode in which the bidirectional converter circuit 10 charges the battery B using the regenerative energy of the motor R The first and second coils NP1 and NS1 of the first transformer 110 and the second magnetizing inductor L2 of the second transformer 120 and the third and fourth coils of the first transformer 110, (NP2, NS2), the regenerative power source can be converted into a charging power source for charging the battery B. More specifically, the conversion unit 100 converts energy stored in the first and second magnetization inductors L1 and L2 of the first transformer 110 and the second magnetization inductor L2, The regenerative power can be generated by using the transforming function of the coils corresponding to the first and second magnetization inductors L1 and L2. That is, the conversion unit 100 can implement the conversion function in the flyback converter in the battery charging mode.

상기 배터리 방전 모드 및 배터리 충전 모드에서의 변환부(100)와 다른 구성들의 구체적인 동작에 대해서는 이하에서 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 더 상세히 설명한다.Concrete operations of the converter 100 and other configurations in the battery discharge mode and the battery charge mode will be described in more detail with reference to FIGS. 2A to 2D.

제1 캐패시터(C1)는 노드(N1)와 그라운드 사이에서 배터리(B)와 병렬적으로 연결될 수 있다.The first capacitor C1 may be connected in parallel with the battery B between the node N1 and the ground.

제2 스위치(S2)는 노드(N4)와 그라운드 사이에 연결될 수 있고, 제3 스위치(S3)는 노드(N4)와 모터(R)와 연결되는 출력단의 노드(N5) 사이에 연결될 수 있다. 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)는 각각 제어부(도시 생략)로부터 제공되는 제어신호에 따라 서로 상보적으로 스위칭 온오프 동작하여, 변환부(100)를 모터(R)와 연결 또는 차단할 수 있다. 예를 들면, 제2 스위치(S2)가 턴오프되는 경우 제3 스위치(S3)가 턴온되어 변환부(100)를 모터(R)와 연결할 수 있고, 제2 스위치(S2)가 턴온되는 경우 제3 스위치(S3)가 턴오프되어 변환부(100)를 모터(R)와 차단할 수 있다. The second switch S2 may be connected between the node N4 and the ground and the third switch S3 may be connected between the node N4 and the node N5 of the output terminal connected to the motor R. The second switch S2 and the third switch S3 are operated to switch on and off complementarily with each other according to a control signal provided from a control unit Can be blocked. For example, when the second switch S2 is turned off, the third switch S3 may be turned on to connect the conversion unit 100 to the motor R. When the second switch S2 is turned on, 3 switch S3 is turned off so that the converting unit 100 can be disconnected from the motor R. [

한편, 제2 및 제3 스위치(S2, S3)는 FET(Field Effect Transistor)로 구성될 수 있으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 및 제3 스위치(S2, S3)는 BJT(Bipolar Junction Transistor) 등과 같은 다른 반도체 소자로 구성될 수도 있다. The second and third switches S2 and S3 may be formed of a field effect transistor (FET), but the technical idea of the present invention is not limited thereto. A BJT (Bipolar Junction Transistor), or the like.

제2 캐패시터(C2)는 노드(N5)와 그라운드 사이에서 모터(R)와 병렬적으로 연결될 수 있다.The second capacitor C2 may be connected in parallel with the motor R between the node N5 and the ground.

상술한 바와 같이, 양방향 컨버터 회로(10)는, 기존 양방향 컨버터 회로에서 부피가 크며 고가인 단일 인덕터의 기능을 저가인 제1 및 제2 변압기(110, 120)를 이용하여 구현함으로써 양방향 컨버터 회로(10)의 크기 및 제조 비용을 줄일 수 있으며, 제1 및 제2 변압기(110, 120) 양단 전압의 증가로 인해 기존 양방향 컨버터 회로보다 고승압 변환이 가능할 수 있다.
As described above, the bidirectional converter circuit 10 implements the function of a bulky and expensive single inductor in the conventional bidirectional converter circuit using the inexpensive first and second transformers 110 and 120, 10 can be reduced in size and manufacturing cost, and high voltage step-up conversion can be achieved compared to existing bidirectional converter circuits due to an increase in the voltage across the first and second transformers 110, 120.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 동작 모드 별로 양방향 컨버터 회로의 상태를 설명하기 위한 도면들이다. 도 2a 내지 도 2d를 설명함에 있어서 도 1에서와 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타내므로, 설명의 편의를 위해 중복되는 설명은 생략하고 도 1을 함께 참조하여 도 2a 내지 도 2d를 설명한다.
FIGS. 2A to 2D are diagrams for explaining states of a bidirectional converter circuit according to operation modes according to an embodiment of the present invention. 2A to 2D, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same members. Therefore, for convenience of description, redundant description will be omitted and FIGS. 2A to 2D will be described with reference to FIG.

배터리 방전 Battery discharge 모드mode 중  medium 빌드업Buildup 모드mode (도 2a)(Fig. 2A)

도 1 및 도 2a를 참조하면, 양방향 컨버터 회로(10)의 배터리 방전 모드 중 빌드업 모드는, 제2 스위치(S2)가 턴온되고 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 턴오프되면서 시작될 수 있다.1 and 2A, the build-up mode of the battery discharge mode of the bidirectional converter circuit 10 is started when the second switch S2 is turned on and the first and third switches S1 and S3 are turned off .

상기 빌드업 모드에서는, 제2 스위치(S2)가 턴온되고 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 턴오프됨에 따라 변환부(100)가 모터(R)와 차단되고, 배터리(B)와 연결되는 입력단의 노드(N1)로부터 제1 변압기(110)의 제1 자화 인덕터(L1) 및 제1 다이오드(D1)를 통해 제2 스위치(S2)로 향하는 전류 경로와 배터리(B)의 입력단인 노드(N1)로부터 제2 다이오드(D2) 및 제2 변압기(120)의 제2 자화 인덕터(L2)를 통해 제2 스위치(S2)로 향하는 전류 경로가 형성된다. In the build-up mode, the conversion unit 100 is disconnected from the motor R as the second switch S2 is turned on and the first and third switches S1 and S3 are turned off, The current path from the node N1 of the connected input terminal to the second switch S2 through the first magnetizing inductor L1 and the first diode D1 of the first transformer 110 and the input path of the battery B A current path from the node N1 to the second diode D2 and the second magnetization inductor L2 of the second transformer 120 to the second switch S2 is formed.

이에 따라, 배터리(B)로부터 공급되는 방전 전원이 제1 변압기(110)의 제1 자화 인덕터(L1)와 제2 변압기(120)의 제2 자화 인덕터(L2) 각각에 축적될 수 있다.
Accordingly, the discharge power supplied from the battery B can be accumulated in the first and second magnetization inductors L1 and L2 of the first transformer 110 and the second transformer 120, respectively.

배터리 방전 Battery discharge 모드mode 중 승압  Boosting 모드mode (도 2b)(Figure 2b)

도 1 및 도 2b를 참조하면, 양방향 컨버터 회로(10)의 배터리 방전 모드 중 승압 모드는, 제2 스위치(S2)가 턴오프되고 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 턴온되면서 시작될 수 있다.1 and 2B, the boost mode of the battery discharge mode of the bidirectional converter circuit 10 can be started by turning on the second switch S2 and the first and third switches S1 and S3 have.

상기 승압 모드에서는, 제2 스위치(S2)가 턴오프되고 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 턴온되면서, 배터리(B)의 입력단인 노드(N1)로부터 제1 변압기(110)의 제1 자화 인덕터(L1), 제1 스위치(S1), 제2 변압기(120)의 제2 자화 인덕터(L2) 및 제3 스위치(S3)를 통해 모터(R)와 연결되는 출력단의 노드(N5)로 향하는 전류 경로가 형성된다.In the step-up mode, the second switch S2 is turned off and the first and third switches S1 and S3 are turned on so that the voltage of the node B1, which is the input terminal of the battery B, A node N5 of the output terminal connected to the motor R through the first magnetizing inductor L1, the first switch S1, the second magnetizing inductor L2 of the second transformer 120 and the third switch S3, A current path is formed.

이에 따라, 변환부(100)가 배터리(B)로부터 계속적으로 공급되는 방전 전원에 상기 빌드업 모드에서 제1 및 제2 자화 인덕터(L1, L2)에 축적된 에너지를 합하여 구동 전원을 생성할 수 있고, 생성된 구동 전원을 모터(R)로 전달하여 모터(M)가 구동되도록 할 수 있다.
Accordingly, the converting unit 100 can generate the driving power by summing the energy accumulated in the first and second magnetizing inductors L1 and L2 in the build-up mode to the discharging power supplied continuously from the battery B And the generated driving power is transmitted to the motor R so that the motor M can be driven.

배터리 충전 Battery charging 모드mode 중  medium 빌드업Buildup 모드mode (도 2c)(Fig. 2C)

도 1 및 도 2c를 참조하면, 양방향 컨버터 회로(10)의 배터리 충전 모드 중 빌드업 모드는, 제2 스위치(S2)가 턴오프되고 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 턴온되면서 시작될 수 있다.1 and 2C, the build-up mode of the battery charging mode of the bidirectional converter circuit 10 is started when the second switch S2 is turned off and the first and third switches S1 and S3 are turned on .

상기 빌드업 모드에서는, 제2 스위치(S2)가 턴오프되고 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 턴온되면서, 모터(R)와 연결되는 출력단의 노드(N5)로부터 제3 스위치(S3), 제2 변압기(120)의 제2 자화 인덕터(L2), 제1 스위치(S1), 및 제1 변압기(110)의 제1 자화 인덕터(L1)를 통해 배터리(B)와 연결되는 입력단의 노드(N1)로 향하는 전류 경로가 형성된다.In the build-up mode, the second switch S2 is turned off and the first and third switches S1 and S3 are turned on, thereby switching from the node N5 of the output stage connected to the motor R to the third switch S3 ) Connected to the battery B through the second magnetizing inductor L2 of the second transformer 120, the first switch S1, and the first magnetizing inductor L1 of the first transformer 110, A current path to the node N1 is formed.

이에 따라, 모터(R)의 감속, 제동 등에 의해 발생된 회생 전원이 제1 변압기(110)의 제1 자화 인덕터(L1)와 제2 변압기(120)의 제2 자화 인덕터(L2) 각각에 축적될 수 있다.
The regenerative power generated by the deceleration and braking of the motor R is accumulated in the first and second magnetization inductors L1 and L2 of the first transformer 110 and the second transformer 120, .

배터리 충전 Battery charging 모드mode 중 강압  Medium pressure 모드mode (도 2d)(Figure 2d)

도 1 및 도 2d를 참조하면, 양방향 컨버터 회로(10)의 배터리 충전 모드 중 강압 모드는, 제2 스위치(S2)가 턴온되고 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 모두 턴오프되면서 시작될 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2D, the step-down mode of the battery charging mode of the bidirectional converter circuit 10 is started when the second switch S2 is turned on and both the first and third switches S1 and S3 are turned off .

상기 강압 모드에서는, 제2 스위치(S2)가 턴온되고 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 턴오프되면서, 상기 회생 전원에 의해 제1 변압기(110)의 제1 자화 인덕터(L1)에 축적된 에너지가 제1 코일(NP1)로부터 제2 코일(NS1) 측으로 전달되면서 강압되어 제1 부분 충전 전원이 생성되고, 상기 회생 전원에 의해 제2 변압기(120)의 제2 자화 인덕터(L2)에 축적된 에너지가 제3 코일(NP2)로부터 제4 코일(NS2) 측으로 전달되면서 강압되어 제2 부분 충전 전원이 생성된다. In the step-down mode, the second switch S2 is turned on and the first and third switches S1 and S3 are turned off, and the regenerative power is supplied to the first magnetizing inductor L1 of the first transformer 110 The accumulated energy is transferred from the first coil NP1 to the second coil NS1 and is stepped down to generate the first partial charging power source and the second magnetizing inductor L2 of the second transformer 120 is charged by the regenerating power source, The energy stored in the third coil NP2 is transferred from the third coil NP2 to the fourth coil NS2, so that the second partial charging power is generated.

이에 따라, 변환부(100)는 생성된 제1 및 제2 부분 충전 전원을 충전 전원으로 배터리(B)에 전달할 수 있고, 배터리(B)가 상기 충전 전원에 의해 충전될 수 있다.
Accordingly, the conversion unit 100 can transfer the generated first and second partial charging power sources to the battery B as a charging power source, and the battery B can be charged by the charging power source.

도 3은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 양방향 컨버터 회로에 대한 모의 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다. 도 3의 (a)는 도 1에 도시된 양방향 컨버터 회로(10)의 변환부(100)가 200uF의 인덕턴스를 갖는 단일 인덕터로 구현된 기존의 양방향 컨버터 회로에 대해 배터리의 방전 전원이 120V인 조건으로 배터리 방전 모의 실험을 수행한 결과를 나타내는 도면이고, 도 3의 (b)는 도 1에 도시된 양방향 컨버터 회로(10)에서 제1 변압기(110)의 제1 자화 인덕터(L1) 및 제2 변압기(120)의 제2 자화 인덕터(L2)가 각각 56.25uF의 인덕턴스를 갖되 배터리의 방전 전원이 120V인 조건으로 배터리 방전 모의 실험을 수행한 결과를 나타내는 도면이다. 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에서 Vswit은 양방향 컨버터 회로(10)의 제2 스위치(S2)에 대한 제어 신호, VO은 모터(M)로 공급되는 전압, IL1는 단일 인덕터 또는 제1 및 제2 자화 인덕터(L1, L2) 전류를 나타낸다.3 is a diagram for explaining simulation results of a bidirectional converter circuit according to an embodiment of the present invention. 3 (a) is a graph showing the relationship between the voltage of the battery when the conversion unit 100 of the bidirectional converter circuit 10 shown in FIG. 1 is used and the conventional bidirectional converter circuit implemented with a single inductor having an inductance of 200 uF FIG. 3 (b) is a graph showing the results of battery discharge simulation with the first magnetizing inductor L1 and the second magnetizing inductor L1 of the first transformer 110 in the bidirectional converter circuit 10 shown in FIG. And the second magnetization inductor L2 of the transformer 120 have an inductance of 56.25 uF and a discharge power of the battery is 120 V. FIG. 3 (a) and 3 (b), Vswit denotes a control signal for the second switch S2 of the bidirectional converter circuit 10, VO denotes a voltage supplied to the motor M, IL1 denotes a single inductor or Represents the currents of the first and second magnetizing inductors L1 and L2.

도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 양방향 컨버터 회로(10)가 기존의 높은 인덕턴스를 갖는 단일 인덕터를 이용하는 경우에 비해 더 작은 듀티 사이클로 동일한 출력 전압을 얻을 수 있으므로, 양방향 컨버터 회로(10)가 기존 양방향 컨버터 회로에 비해 더 작은 부피와 낮은 제조 비용으로도 개선된 성능을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
Since the bidirectional converter circuit 10 can obtain the same output voltage with a smaller duty cycle as compared with the case where a single inductor having a high inductance is used as shown in Figs. 3 (a) and 3 (b) It can be seen that bidirectional converter circuit 10 can achieve improved performance with smaller volume and lower manufacturing cost than existing bidirectional converter circuits.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, This is possible.

10: 양방향 컨버터 회로
100: 변환부
110: 제1 변압기
120: 제2 변압기10: Bi-directional converter circuit
100:
110: first transformer
120: second transformer

Claims (9)

입력단과 연결되고, 제1 변압기, 제2 변압기, 및 상기 제1 변압기와 상기 제2 변압기를 연결 또는 차단하는 제1 스위치를 구비하는 변환부; 및
서로 상보적으로 스위칭 온오프 동작하여, 상기 변환부를 출력단과 연결 또는 차단하는 제2 및 제3 스위치를 포함하며,
상기 제1 스위치는, 상기 제2 스위치와 상보적으로 스위칭 온오프 동작하고, 상기 제3 스위치와 동일하게 스위칭 온오프 동작하는, 양방향 컨버터 회로.
A transformer connected to an input terminal and having a first transformer, a second transformer, and a first switch for connecting or disconnecting the first transformer and the second transformer; And
And second and third switches for complementarily switching on and off to connect or disconnect the converting unit with the output terminal,
Wherein the first switch performs a switching on / off operation complementarily with the second switch, and performs a switching on / off operation in the same manner as the third switch.
제1 항에 있어서,
상기 제1 변압기는, 제1 자화 인덕터와 소정의 권선비로 상호 결합되는 제1 및 제2 코일을 포함하고,
상기 제2 변압기는, 제2 자화 인덕터와 소정의 권선비로 상호 결합되는 제3 및 제4 코일을 포함하고,
상기 제1 스위치는, 상기 제1 자화 인덕터와 상기 제2 자화 인덕터 사이에 위치하는, 양방향 컨버터 회로.
The method according to claim 1,
The first transformer includes first and second coils that are mutually coupled to the first magnetizing inductor at a predetermined winding ratio,
The second transformer includes third and fourth coils that are mutually coupled with the second magnetizing inductor at a predetermined winding ratio,
Wherein the first switch is located between the first magnetizing inductor and the second magnetizing inductor.
제2 항에 있어서,
상기 제1 자화 인덕터, 상기 제1 코일, 및 상기 제2 코일 각각의 일단이 상기 입력단과 연결되고,
상기 제1 자화 인덕터 및 상기 제1 코일 각각의 타단이 상기 제1 스위치의 일단과 연결되고,
상기 제1 스위치의 타단이 상기 제2 자화 인덕터 및 상기 제3 코일 각각의 일단과 연결되고,
상기 제2 자화 인덕터 및 상기 제3 코일 각각의 타단이 상기 제2 및 제3 스위치 각각의 일단과 연결되고,
상기 제4 코일의 일단이 상기 입력단과 연결되는, 양방향 컨버터 회로.
3. The method of claim 2,
One end of each of the first magnetizing inductor, the first coil, and the second coil is connected to the input end,
The other end of each of the first magnetizing inductor and the first coil is connected to one end of the first switch,
The other end of the first switch is connected to one end of each of the second magnetizing inductor and the third coil,
The other end of each of the second magnetization inductor and the third coil is connected to one end of each of the second and third switches,
And one end of the fourth coil is connected to the input end.
제3 항에 있어서,
상기 변환부는,
일단이 상기 제1 자화 인덕터의 타단 및 상기 제1 스위치의 일단과 연결되고, 타단이 상기 제2 자화 인덕터의 타단, 상기 제2 및 제3 스위치 각각의 일단과 연결되는 제1 다이오드; 및
일단이 상기 입력단과 연결되고, 타단이 상기 제2 자화 인덕터의 일단 및 상기 제1 스위치의 타단과 연결되는 제2 다이오드;
를 더 포함하는, 양방향 컨버터 회로.
The method of claim 3,
Wherein,
A first diode having one end connected to the other end of the first magnetizing inductor and one end of the first switch and the other end connected to the other end of the second magnetizing inductor and one end of each of the second and third switches; And
A second diode having one end connected to the input terminal and the other end connected to one end of the second magnetization inductor and the other end of the first switch;
Further comprising: a bi-directional converter circuit.
제3 항에 있어서,
상기 변환부는,
일단이 상기 제2 코일의 타단과 연결되고, 타단이 그라운드에 연결되는 제3 다이오드; 및
일단이 상기 제4 코일의 타단과 연결되고, 타단이 상기 그라운드에 연결되는 제4 다이오드;
를 더 포함하는, 양방향 컨버터 회로.
The method of claim 3,
Wherein,
A third diode having one end connected to the other end of the second coil and the other end connected to the ground; And
A fourth diode having one end connected to the other end of the fourth coil and the other end connected to the ground;
Further comprising: a bi-directional converter circuit.
제2 항에 있어서,
상기 변환부는,
상기 입력단에 연결된 배터리로부터 공급되는 방전 전원을 상기 출력단에 연결된 소자를 구동하기 위한 구동 전원으로 변환하여 출력하는 모드에서, 상기 제1 및 제2 자화 인덕터 각각에 분배되어 축적된 상기 방전 전원에 의한 에너지를 직접(directly) 이용하여 상기 구동 전원으로 변환하는, 양방향 컨버터 회로.
3. The method of claim 2,
Wherein,
Wherein the first and second magnetizing inductors are connected in parallel to each other in a mode in which a discharging power supplied from a battery connected to the input terminal is converted into a driving power for driving a device connected to the output terminal, Directly to the drive power source.
제2 항에 있어서,
상기 변환부는,
상기 출력단에 연결된 소자로부터 공급되는 회생 전원을 상기 입력단에 연결된 배터리를 충전하기 위한 충전 전원으로 변환하여 출력하는 모드에서, 상기 제1 및 제2 자화 인덕터 각각에 분배되어 축적된 상기 회생 전원에 의한 에너지를 상기 제1 및 제2 자화 인덕터 각각에 대응하는 코일들을 이용하여 상기 충전 전원으로 변환하는 양방향 컨버터 회로.
3. The method of claim 2,
Wherein,
Wherein the first and second magnetizing inductors are connected in parallel to each other in a mode in which a regenerative power supplied from an element connected to the output terminal is converted into a charging power source for charging a battery connected to the input terminal, To the charging power source using coils corresponding to the first and second magnetizing inductors, respectively.
삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 입력단과 병렬적으로 연결되되, 일단이 상기 제1 변압기와 연결되는 제1 캐패시터; 및
상기 출력단과 병렬적으로 연결되되, 일단이 상기 제3 스위치와 연결되는 제2 캐패시터;
를 더 포함하는, 양방향 컨버터 회로.
The method according to claim 1,
A first capacitor connected in parallel with the input terminal, the first capacitor having one end connected to the first transformer; And
A second capacitor connected in parallel to the output terminal and having one end connected to the third switch;
Further comprising: a bi-directional converter circuit.
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