KR102315046B1 - 영전압 방전 장치 - Google Patents

영전압 방전 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102315046B1
KR102315046B1 KR1020200111011A KR20200111011A KR102315046B1 KR 102315046 B1 KR102315046 B1 KR 102315046B1 KR 1020200111011 A KR1020200111011 A KR 1020200111011A KR 20200111011 A KR20200111011 A KR 20200111011A KR 102315046 B1 KR102315046 B1 KR 102315046B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
switching element
switching
node
stabilizing
voltage
Prior art date
Application number
KR1020200111011A
Other languages
English (en)
Inventor
임종현
Original Assignee
(주)에이프로
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 (주)에이프로 filed Critical (주)에이프로
Priority to KR1020200111011A priority Critical patent/KR102315046B1/ko
Priority to PCT/KR2020/015595 priority patent/WO2022050491A1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102315046B1 publication Critical patent/KR102315046B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/30—Modifications for providing a predetermined threshold before switching
    • H03K17/302—Modifications for providing a predetermined threshold before switching in field-effect transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/13—Modifications for switching at zero crossing
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/13—Modifications for switching at zero crossing
    • H03K17/133—Modifications for switching at zero crossing in field-effect transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/30—Modifications for providing a predetermined threshold before switching
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0045—Full bridges, determining the direction of the current through the load

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

본 발명은 영전압 방전 장치에 관한 것으로, 특히 배터리의 방전 모드에서 관련 스위칭 소자들을 반복적으로 온오프하지 않고 지속적인 턴온 상태를 유지한 상태에서 배터리가 충전 및 방전될 수 있도록 구성함으로써, 스위치의 내압을 저감시킬 수 있고 도통 손실을 저감시킬 수 있으며, 더 나아가 일정한 가동 전압이 인가될 수 있도록 함과 동시에 스위칭 소자들의 선택적 턴온만으로 충전 전류와 방전 전류를 발생할 수 있도록 구성함으로써, 충방전을 위한 전력 손실을 감소시킬 수 있고, 충방전을 위한 제어 동작을 단순화시킬 수 있도록 하는 영전압 방전 장치에 관한 것이다.
본 발명인 영전압 방전 장치를 이루는 구성수단은, 제1 가동 전압과 제2 가동 전압을 발생하여 인가하는 가동 전압 인가 수단; 상기 가동 전압 인가 수단의 출력측 노드에 연결되되, 상기 제1 가동 전압이 인가되도록 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되는 제1 링크 커패시터; 상기 가동 전압 인가 수단의 출력측 노드에 연결되되, 상기 제2 가동 전압이 인가되도록 제2 노드와 제3 노드 사이에 연결되는 제2 링크 커패시터; 상기 제1 노드에 일단이 연결되고 타단이 충방전 인덕터의 일단에 연결되는 제1 충방전 스위칭 소자; 상기 충방전 인덕터의 일단과 상기 제1 충방전 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되고 타단이 상기 제3 노드에 연결되는 제2 충방전 스위칭 소자; 상기 제2 충방전 스위칭 소자의 일단과 상기 제1 충방전 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되고 배터리의 양(+) 단자에 타단이 연결되는 충방전 인덕터; 상기 충방전 인덕터의 타단에 양(+) 단자에 연결되고 상기 제2 노드에 음(-) 단자가 연결되는 배터리를 포함하여 구성되되, 충전 모드에서, 상기 제1 충방전 스위칭 소자만이 턴온되어 상기 배터리가 상기 제1 가동 전압에 의해 충전되는 동작이 수행되고, 방전 모드에서, 상기 제2 충방전 스위칭 소자만이 턴온되어 상기 배터리가 상기 제2 가동 전압에 의해 방전되는 동작이 수행되는 것을 특징으로 한다.

Description

영전압 방전 장치{Apparatus of Zero­voltage Discharge}
본 발명은 영전압 방전 장치에 관한 것으로, 특히 배터리의 방전 모드에서 관련 스위칭 소자들을 반복적으로 온오프하지 않고 지속적인 턴온 상태를 유지한 상태에서 배터리가 충전 및 방전될 수 있도록 구성함으로써, 스위치의 내압을 저감시킬 수 있고 도통 손실을 저감시킬 수 있으며, 더 나아가 일정한 가동 전압이 인가될 수 있도록 함과 동시에 스위칭 소자들의 선택적 턴온만으로 충전 전류와 방전 전류를 발생할 수 있도록 구성함으로써, 충방전을 위한 전력 손실을 감소시킬 수 있고, 충방전을 위한 제어 동작을 단순화시킬 수 있도록 하는 영전압 방전 장치에 관한 것이다.
영전압 방전(Zero Voltage Discharge)의 정의는 배터리를 방전하는 과정에 있어서, 배터리 전압이 0V에 도달할 때까지, 전류의 크기가 일정한 정전류 모드(CCM : Constant Current Mode)로 동작하는 것을 의미한다.
영전압 방전의 필요성으로서, 충방전기는 이차전지의 제품 제조시 사용되는 일반 충방전(Formation)용과, 제품 설계 및 연구를 위해 좀 더 많은 반복회수 동안 충방전을 반복하는 싸이클러(Cycler)용으로 구분되며, 싸이클러용 장비의 경우 전압 사용범위가 0 ~ 4.5V 이며 보다 낮은 전압까지 하강시켜 방전시켜야 하므로, 사용자의 요구 조건에 부합하기 위하여 영전압 방전 회로 구현이 중요하다.
기존 회로에서 영전압 방전 구현이 안되는 이유로서는, 충방전기의 경우 부하 배선이 길어(약 6 ~ 10m) 부하 배선에 전류가 도통할 시 전압 강하가 발생하며(약 0.7 ~ 1.0 V), 또한 회로 내부 반도체 소자(다이오드, MOSFET 등)의 도통에 의한 전압 강하가 발생함으로써, 상기 전압 강하 성분들로 인해 배터리 전압이 낮은 영역에서 정전류 방전이 유지되지 못하는 것이다. 이러한 이유로, 종래의 충방전회로에서는 배터리 전압이 2.0V 이하에서는 정전류로 방전을 유지할 수 없었다.
이와 같이, 이차전지의 시험(test)를 위하여 사용되어진 종래의 이차전지 충방전회로는, 이차전지의 일정 전압 이상(예 정격전압의 20%의 전압)까지만 방전시킬 수 있었고 그 이하로는 방전시키지 못하였다. 따라서 이차전지를 충분히 시험하지 못하는 문제점이 있었다.
이러한 종래의 충방전회로의 문제점을 해결하기 위하여, 대한민국 등록특허 10-1197078호(이하, "선행기술문헌"이라 함)는 별도의 보조 전원을 추가하지 않은 상태에서 스위칭 동작만으로 방전을 구현하여 이차전지에 남아있는 소량의 전압 (20% 이하 ~ 0%)도 충분히 방전시킬 수 있는 능동 스위칭소자를 구비한 영전압 방전회로 장치를 개시하고 있다.
그러나, 상기 선행기술문헌에서 제시된 영전압 방전회로 장치는 충전 또는 방전 시에 각각 관련 스위칭 소자들이 PWM 제어에 따라 스위칭 온오프 동작이 반복되기 때문에, 기생공진에 의한 스위칭 소자들의 내압이 높아질 수밖에 없고, 이로 인하여 고내압 스위칭 소자들을 사용하여 회로 구성에 소요되는 비용이 증가할 수밖에 없다.
또한, 상기 선행기술문헌에서 제시한 영전압 방전회로 장치는 충전 전류와 방전 전류를 발생하기 위하여 변압기의 1차측 및 2차측에 연결된 모든 스위칭 소자들에 대한 선택적 제어가 요청되고, 충전 및 방전 동작시 1차측 스위칭 소자들의 하드 스위칭 발생으로 인하여 스위칭 손실이 커지는 문제점이 발생하며, 충전 및 방전 방향 전환시 동작 타이밍 전환이 필요한 선택적 양방향 구조로서 충방전 전환시 타이밍 전환에 따른 시간 지연이 발생하는 단점을 가진다.
대한민국 등록특허 10-1197078호(공고일자 : 2012년 11월 07일, 발명의 명칭 : 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로 장치)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 배터리의 방전 모드에서 관련 스위칭 소자들을 반복적으로 온오프하지 않고 지속적인 턴온 상태를 유지한 상태에서 배터리가 충전 및 방전될 수 있도록 구성함으로써, 스위치의 내압을 저감시킬 수 있고 도통 손실을 저감시킬 수 있도록 하는 영전압 방전 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 일정한 가동 전압이 인가될 수 있도록 함과 동시에 스위칭 소자들의 선택적 턴온만으로 충전 전류와 방전 전류를 발생할 수 있도록 구성함으로써, 충방전을 위한 전력 손실을 감소시킬 수 있고, 충방전을 위한 제어 동작을 단순화시킬 수 있도록 하는 영전압 방전 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전체적인 스위치 구성과 출력 필터 구성을 간단하게 구성함으로써, 전체적인 동작 효율을 향상시킬 수 있고 전체적인 비용을 저감시킬 수 있도록 하는 영전압 방전 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 충전 및 방전시 스위칭 소자들을 동작시키기 위한 별도의 동작 타이밍의 전환이 필요 없도록 구성함으로써, 스위칭 소자들의 동작을 위한 동작 타이밍 전환에 따라 시간 지연이 발생하지 않도록 하는 영전압 방전 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명인 영전압 방전 장치를 이루는 구성수단은, 제1 가동 전압과 제2 가동 전압을 발생하여 인가하는 가동 전압 인가 수단; 상기 가동 전압 인가 수단의 출력측 노드에 연결되되, 상기 제1 가동 전압이 인가되도록 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되는 제1 링크 커패시터; 상기 가동 전압 인가 수단의 출력측 노드에 연결되되, 상기 제2 가동 전압이 인가되도록 제2 노드와 제3 노드 사이에 연결되는 제2 링크 커패시터; 상기 제1 노드에 일단이 연결되고 타단이 충방전 인덕터의 일단에 연결되는 제1 충방전 스위칭 소자; 상기 충방전 인덕터의 일단과 상기 제1 충방전 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되고 타단이 상기 제3 노드에 연결되는 제2 충방전 스위칭 소자; 상기 제2 충방전 스위칭 소자의 일단과 상기 제1 충방전 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되고 배터리의 양(+) 단자에 타단이 연결되는 충방전 인덕터; 상기 충방전 인덕터의 타단에 양(+) 단자에 연결되고 상기 제2 노드에 음(-) 단자가 연결되는 배터리를 포함하여 구성되되, 충전 모드에서, 상기 제1 충방전 스위칭 소자만이 턴온되어 상기 배터리가 상기 제1 가동 전압에 의해 충전되는 동작이 수행되고, 방전 모드에서, 상기 제2 충방전 스위칭 소자만이 턴온되어 상기 배터리가 상기 제2 가동 전압에 의해 방전되는 동작이 수행되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 가동 전압 인가 수단은, 입력 전원으로부터 출력되는 전압이 변압기의 1차측 권선에 인가되는 방향을 절환시키도록 하는 절환부와, 상기 변압기의 2차측 권선에 연결되어 상기 제1 가동 전압과 제2 가동 전압을 안정화시켜 출력하는 안정화부로 구성되되, 여기서, 상기 변압기의 2차측 권선은 서로 커플링되는 제1 권선과 제2 권선으로 구성되되, 상기 제1 권선의 음극과 상기 제2 권선의 양극은 상기 제2 노드에 연결되고, 상기 절환부는, 상기 입력 전원의 양(+) 단자에 일단이 연결되는 제1 절환 스위칭 소자, 상기 제1 절환 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되고 타단이 상기 입력 전원의 음(-) 단자에 연결되는 제2 절환 스위칭 소자, 상기 제2 절환 스위칭 소자의 일단과 상기 제1 절환 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되고 타단이 상기 제1 권선의 양극에 연결되는 절환 인덕터, 상기 제1 권선의 음극에 일단이 연결되고 타단이 상기 제2 절환 스위칭 소자의 타단에 연결되는 제3 절환 스위칭 소자 및 상기 제1 절환 스위칭 소자에 일단이 연결되고 타단이 상기 제3 절환 스위칭 소자의 일단에 연결되는 제4 절환 스위칭 소자를 포함하며, 상기 안정화부는, 상기 제1 권선의 양극에 타단이 연결되고 일단이 상기 제1 노드에 연결되는 제1 안정화 스위칭 소자, 상기 제1 안정화 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되고 타단이 상기 제3 노드에 연결되는 제2 안정화 스위칭 소자, 상기 제2 권선의 음극에 일단이 연결되고 타단이 상기 제3 노드에 연결되는 제3 안정화 스위칭 소자 및 상기 제1 노드에 일단이 연결되고 타단이 상기 제3 안정화 스위칭 소자의 일단에 연결되는 제4 안정화 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 가동 전압 인가 수단은 제1 모드에서 상기 절환 인덕터의 전류가 최소 전류(-IP)에서 최대 전류(+IP)까지 상승할 수 있도록 제어되고, 제2 모드에서 상기 절환 인덕터의 전류가 최대 전류(+IP)로 유지할 수 있도록 제어되고, 제3 모드에서 상기 절환 인덕터의 전류가 최대 전류(+IP)에서 최소 전류(-IP)까지 하강할 수 있도록 제어되고, 제4 모드에서 상기 절환 인덕터의 전류가 최소 전류(-IP)로 유지할 수 있도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 모드에서, 상기 제2 안정화 스위칭 소자와 제4 안정화 스위칭 소자가 도통되어 있는 상태에서 상기 제1 절환 스위칭 소자와 제3 절환 스위칭 소자가 턴온되도록 제어되고, 상기 제2 모드에서, 상기 제1 절환 스위칭 소자와 제3 절환 스위칭 소자가 도통되어 있는 상태에서 상기 제1 안정화 스위칭 소자와 제3 안정화 스위칭 소자가 턴온되도록 제어되고, 상기 제3 모드에서, 상기 제1 안정화 스위칭 소자와 제3 안정화 스위칭 소자가 도통되어 있는 상태에서 상기 제2 절환 스위칭 소자와 제4 절환 스위칭 소자가 턴온되도록 제어되며, 상기 제4 모드에서, 상기 제2 절환 스위칭 소자와 제4 절환 스위칭 소자가 도통되어 있는 상태에서 상기 제2 안정화 스위칭 소자와 제4 안정화 스위칭 소자가 턴온되도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 과제 및 해결 수단을 가지는 본 발명인 영전압 방전 장치에 의하면, 배터리의 방전 모드에서 관련 스위칭 소자들을 반복적으로 온오프하지 않고 지속적인 턴온 상태를 유지한 상태에서 배터리가 충전 및 방전될 수 있도록 구성하기 때문에, 스위치의 내압을 저감시킬 수 있고 도통 손실을 저감시킬 수 있도록 하는 장점이 발생된다.
또한, 본 발명에 의하면, 일정한 가동 전압이 인가될 수 있도록 함과 동시에 스위칭 소자들의 선택적 턴온만으로 충전 전류와 방전 전류를 발생할 수 있도록 구성하기 때문에, 충방전을 위한 전력 손실을 감소시킬 수 있고, 충방전을 위한 제어 동작을 단순화시킬 수 있도록 하는 효과가 발생한다.
또한, 본 발명에 의하면, 전체적인 스위치 구성과 출력 필터 구성을 간단하게 구성하기 때문에, 전체적인 동작 효율을 향상시킬 수 있고 전체적인 비용을 저감시킬 수 있도록 하는 효과가 발생한다.
또한, 본 발명에 의하면, 충전 및 방전시 스위칭 소자들을 동작시키기 위한 별도의 동작 타이밍의 전환이 필요 없도록 구성하기 때문에, 스위칭 소자들의 동작을 위한 동작 타이밍 전환에 따라 시간 지연이 발생하지 않도록 하는 장점이 발생된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 영전압 방전 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 영전압 방전 장치의 동작을 설명하기 위한 회로 동작도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 영전압 방전 장치의 동작을 설명하기 위한 관련 스위칭 소자들에 대한 제어 신호 및 관련 노드에서의 전압 및 전류의 파형도를 보여준다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 영전압 방전 장치의 세부 구성도이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 영전압 방전 장치를 구성하는 가동 전압 인가 수단의 동작을 설명하기 위한 회로 동작도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 영전압 방전 장치를 구성하는 가동 전압 인가 수단의 동작을 설명하기 위한 관련 스위칭 소자들에 대한 제어 신호 및 관련 노드에서의 전압 및 전류의 파형도를 보여준다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 영전압 방전 장치에 대한 모의실험 결과를 보여주는 전압 및 전류의 파형도를 보여준다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 과제, 해결수단 및 효과를 가지는 본 발명인 영전압 방전 장치에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응되는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지는 않는다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 동작 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 동작이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 영전압 방전 장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 영전압 방전 장치(100)는 입력 전원(Vin)을 인가받아 배터리(Vbatt)의 충전 및 방전을 위한 두 개의 가동 전압(Vo1,Vo2)을 발생하여 인가하는 가동 전압 인가 수단(10), 상기 두 개의 가동 전압에 대응하여 배치되는 두 개의 링크 커패시터(Co1, Co2), 두 개의 충방전 스위치 소자(CSW1, CSW2) 및 충방전 인덕터(L1)를 포함하여 구성되고, 상기 충방전 인덕터(L1)와 상기 가동 전압 인가 수단(10) 사이에 충전 및 방전을 수행하기 위한 배터리(Vbatt)가 연결되어 구성된다.
상기 가동 전압 인가 수단(10)은 제1 가동 전압(Vo1)과 제2 가동 전압(Vo2)을 발생하여 인가하는 동작을 수행한다. 구체적으로, 상기 가동 전압 인가 수단(10)은 출력 전압(Vo)을 발생하여 출력하되, 제1 가동 전압(Vo1)과 제2 가동 전압(Vo2)이 분리되어 출력될 수 있도록 동작한다. 상기 제1 가동 전압(Vo1)과 제2 가동 전압(Vo2)은 각각 배터리(Vbatt)의 충전과 방전을 위한 입력 전압으로 작용한다.
여기서, 상기 출력 전압(Vo)은 상기 가동 전압 인가 수단(10)의 양단, 구체적으로 도 1에서 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이의 전압으로서, 상기 1 가동 전압(Vo1)과 제2 가동 전압(Vo2)의 합과 같으며, 상기 1 가동 전압(Vo1)과 제2 가동 전압(Vo2)은 각각 Vo/2의 값을 가진다. 즉, 상기 가동 전압 인가 수단(10)에서 분리되어 출력되는 상기 1 가동 전압(Vo1)과 제2 가동 전압(Vo2)은 동일한 전압 크기를 가진다.
상기 가동 전압 인가 수단(10)의 출력측 노드에는 각각 상기 1 가동 전압(Vo1)과 제2 가동 전압(Vo2)을 저장할 수 있는 제1 링크 커패시터(Co1)와 제2 링크 커패시터(Co2)가 연결된다.
구체적으로, 상기 제1 링크 커패시터(Co1)는 상기 가동 전압 인가 수단(10)의 출력측 노드에 연결되되, 상기 제1 가동 전압(Vo1)이 인가되도록 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 연결된다. 즉, 상기 제1 링크 커패시터(Co1)는 상기 가동 전압 인가 수단(10)으로부터 출력되는 상기 제1 가동 전압(Vo1)을 축적할 수 있다.
상기 제2 링크 커패시터(Co2)는 상기 가동 전압 인가 수단(10)의 출력측 노드에 연결되되, 상기 제2 가동 전압(Vo2)이 인가되도록 제2 노드(N2)와 제3 노드(N3) 사이에 연결된다. 즉, 상기 제2 링크 커패시터(Co2)는 상기 가동 전압 인가 수단(10)으로부터 출력되는 상기 제2 가동 전압(Vo2)을 축적할 수 있다.
이와 같이, 상기 제1 링크 커패시터(Co1)와 제2 링크 커패시터(Co2)는 서로 병렬로 분리 연결되어, 상기 가동 전압 인가 수단(10)으로부터 분리되어 출력되는 상기 1 가동 전압(Vo1)과 제2 가동 전압(Vo2)을 분리하여 저장할 수 있다. 이를 통해, 상기 제1 링크 커패시터(Co1)와 제2 링크 커패시터(Co2)는 상기 배터리에 대한 충전 모드 및 방전 모드에서 상기 배터리의 전압의 파형을 안정화시키기 위한 전압 안정화 커패시터로서 동작한다.
상기 배터리(Vbatt)의 충전 및 방전 동작이 수행될 수 있도록 하기 위하여 제어수단(미도시)에 의해 턴온 또는 턴오프되는 제1 충방전 스위칭 소자(CSW1)와 제2 충방전 스위칭 소자(CSW2)가 상기 제1 링크 커패시터(Co1)와 제2 링크 커패시터(Co2)에 연결된다. 여기서, 상기 제1 충방전 스위칭 소자(CSW1)와 제2 충방전 스위칭 소자(CSW2)는 스위칭 소자로서 상기 배터리(Vbatt)의 충전 및 방전 동작에 직접적으로 관여하는 스위칭 소자에 해당된다.
상기 제1 충방전 스위칭 소자(CSW1)는 상기 제1 노드(N1)에 일단이 연결되고 타단이 충방전 인덕터(L1)의 일단에 연결된다. 상기 제1 충방전 스위칭 소자(CSW1)는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Trasnsistor, 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)으로 구성된다. 상기 제1 충방전 스위칭 소자(CSW1)는 구체적으로, 드레인이 상기 제1 노드(N1)에 연결되고 소스가 상기 충방전 인덕터(L1)에 연결되도록 배치된다.
상기 MOSFET으로 구성되는 제1 충방전 스위칭 소자(CSW1)에는 다이오드가 연결되어 있다. 상기 다이오드는 상기 MOSFET으로 구성되는 제1 충방전 스위칭 소자(CSW1)가 온(ON) 상태에서 턴오프되는 순간 드레인측에 걸리는 높은 역기전력으로 인해 파손되는 것을 방지하기 위하여 연결된다. 상기 다이오드는 애노드가 상기 충방전 인덕터(L1)에 연결되고 캐소드가 상기 제1 노드(N1)에 연결되도록 배치된다.
또한, 상기 제2 충방전 스위칭 소자(CSW2)는 상기 충방전 인덕터(L1)의 일단과 상기 제1 충방전 스위칭 소자(CSW1)의 타단에 일단이 연결되고 타단이 상기 제3 노드(N3)에 연결된다.
상기 제2 충방전 스위칭 소자(CSW2) 역시 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Trasnsistor, 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)으로 구성된다. 상기 제2 충방전 스위칭 소자(CSW2)는 구체적으로, 드레인이 상기 제1 충방전 스위칭 소자(CSW1)의 타단에 연결되고 소스가 상기 제3 노드(N3)에 연결되도록 배치된다.
상기 MOSFET으로 구성되는 제2 충방전 스위칭 소자(CSW2)에는 역시 다이오드가 연결되어 있다. 상기 다이오드는 상기 MOSFET으로 구성되는 제2 충방전 스위칭 소자(CSW2)가 온(ON) 상태에서 턴오프되는 순간 드레인측에 걸리는 높은 역기전력으로 인해 파손되는 것을 방지하기 위하여 연결된다. 상기 다이오드는 애노드가 상기 제3 노드(N3)에 연결되고 캐소드가 상기 제1 충방전 스위칭 소자(CSW1)의 타단에 연결되도록 배치된다.
상기 제1 충방전 스위칭 소자(CSW1)와 상기 제2 충방전 스위칭 소자(CSW2) 사이에는 상기 충방전 인덕터(L1)의 일단이 연결된다. 구체적으로, 상기 충방전 인덕터(L1)는 상기 제2 충방전 스위칭 소자(CSW2)의 일단과 상기 제1 충방전 스위칭 소자(CSW1)의 타단에 일단이 연결되고 배터리(Vbatt)의 양(+) 단자에 타단이 연결된다.
상기 충방전 인덕터(L1)는 전류 안정화 코일로 구성되어, 충전 전류 및 방전 전류가 안정적으로 흐를 수 있도록 동작한다. 즉, 상기 충방전 인덕터(L1)는 상기 배터리(Vbatt)를 충전 및 방전시키는 충전 모드 및 방전 모드에서 충전 전류 및 방전 전류가 상기 배터리에 안정적으로 흐를 수 있도록 하는데에 직접적으로 관여한다.
상기 배터리(Vbatt)는 상기 충방전 인덕터(L1)의 타단에 양(+) 단자에 연결되고 상기 제2 노드(N2)에 음(-) 단자가 연결된다. 상기 배터리(Vbatt)의 음(-) 단자는 상기 제2 노드(N2), 좀 더 구체적으로 상기 제1 링크 커패시터(Co1)와 상기 제2 링크 커패시터(Co2) 사이에 연결된다.
이하에서는 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 영전압 방전 장치의 동작을 도 2의 회로도와 도 3의 파형도를 참조하여 설명한다.
먼저, 충전 모드에서, 상기 제1 충방전 스위칭 소자(CSW1)만이 턴온되어 상기 배터리(Vbatt)가 상기 제1 가동 전압(Vo1)에 의해 충전되는 동작이 수행된다.
제어수단(미도시)은 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 충방전 스위칭 소자(CSW1)만이 턴온되고 상기 제2 충방전 스위칭 소자(CSW2)는 오프 상태를 유지할 수 있도록 제어한다. 그러면, 도 2의 상측 회로도에서 도시된 바와 같은 인덕터 전류(iL)가 흐르게 된다. 구체적으로, 상기 인덕터 전류(iL)는 제1 링크 커패시터(Co1) -> 제1 충방전 스위칭 소자(CSW1) -> 충방전 인덕터(L1) -> 배터리(Vbatt) -> 제1 링크 커패시터(Co1)로 형성되는 폐루프를 따라 흐르게 된다. 상기 인덕터 전류(iL)에 의하여 상기 배터리(Vbatt)는 충전 동작을 수행한다.
이와 같은 충전 모드에서, 상기 제1 충방전 스위칭 소자(CSW1)가 도통되어 상기 충방전 인덕터(L1)의 앞단 전압 Vx는 상기 제1 가동 전압(Vo1)이 걸리게 된다. 따라서, 상기 충방전 인덕터 전류는 도 3에 도시된 바와 같이, (Vo1-Vbatt)/L의 기울기로 상승하게 되고, 이 과정을 통하여 상기 배터리(Vbatt)의 충전 동작이 수행된다.
다음, 방전 모드에서, 상기 제2 충방전 스위칭 소자(CSW2)만이 턴온되어 상기 배터리(Vbatt)가 상기 제2 가동 전압(Vo2)에 의해 방전되는 동작이 수행된다.
제어수단(미도시)은 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제2 충방전 스위칭 소자(CSW2)만이 턴온되고 상기 제1 충방전 스위칭 소자(CSW1)는 오프 상태를 유지할 수 있도록 제어한다. 그러면, 도 2의 하측 회로도에서 도시된 바와 같은 인덕터 전류(iL)가 흐르게 된다. 구체적으로, 상기 인덕터 전류(iL)는 제2 링크 커패시터(Co2) -> 배터리(Vbatt) -> 충방전 인덕터(L1) -> 제2 충방전 스위칭 소자(CSW2) -> 제2 링크 커패시터(Co2)로 형성되는 폐루프를 따라 흐르게 된다. 상기 인덕터 전류(iL)에 의하여 상기 배터리(Vbatt)는 방전 동작을 수행한다.
이와 같은 방전 모드에서, 상기 제2 충방전 스위칭 소자(CSW2)가 도통되어 상기 충방전 인덕터(L1)의 앞단 전압 Vx는 음의 제2 가동 전압(-Vo2)이 걸리게 된다. 따라서, 상기 충방전 인덕터 전류는 도 3에 도시된 바와 같이, (-Vo2-Vbatt)/L의 기울기로 하강하게 되고, 이 과정을 통하여 상기 배터리(Vbatt)의 방전 동작이 수행된다.
이와 같이, 상기 배터리(Vbatt)의 전압이 0이 되어도 -Vo2/L의 하강 기울기를 확보할 수 있어 충방전 전류 제어가 가능하게 된다.
이와 같은 구성 및 동작을 가지는 본 발명인 영전압 방전 장치에 의하면, 배터리의 방전 모드에서 관련 스위칭 소자(CSW1, CSW2)들을 반복적으로 온오프하지 않고 지속적인 턴온 상태를 유지한 상태에서 배터리가 충전 및 방전될 수 있도록 구성하기 때문에, 스위치의 내압을 저감시킬 수 있고 도통 손실을 저감시킬 수 있도록 하는 장점이 발생된다.
또한, 본 발명에 의하면, 일정한 가동 전압이 인가될 수 있도록 함과 동시에 스위칭 소자들(CSW1, CSW2)의 선택적 턴온만으로 충전 전류와 방전 전류를 발생할 수 있도록 구성하기 때문에, 충방전을 위한 전력 손실을 감소시킬 수 있고, 충방전을 위한 제어 동작을 단순화시킬 수 있도록 하는 효과가 발생한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 영전압 방전 장치(100)는 두 개의 링크 캐패시터(Co1, Co2)로 분리되어 독립적인 동작을 한다. 이를 위하여, 상기 가동 전압 인가 수단(10)은 입력 전원(Vin)을 인가받아 두 개의 가동 전압(Vo1, Vo2)을 생성하여 출력하는 동작을 수행한다.
이를 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 영전압 방전 장치(100)는 가동 전압 인가 수단(10)을 포함하고, 상기 상기 가동 전압 인가 수단(10)은 입력 전원(Vin)으로부터 출력되는 전압이 변압기(3)의 1차측 권선에 인가되는 방향을 절환시키도록 하는 절환부(1)와, 상기 변압기(3)의 2차측 권선에 연결되어 상기 제1 가동 전압(Vo1)과 제2 가동 전압(Vo2)을 안정화시켜 출력하는 안정화부로 구성된다.
상기 가동 전압 인가 수단(10)은 두 개의 안정화된 가동 전압(Vo1, Vo2)을 생성하여 출력하는 동작을 수행해야 하는데, 이를 위하여 상기 변압기(3)의 2차측 권선을 두 개의 권선, 즉 제1 권선(4)과 제2 권선(5)으로 구성한다. 상기 제1 권선(4)과 제2 권선(5)은 서로 커플링되어 있다. 즉, 상기 제1 권선(4)의 음극과 상기 제2 권선(5)의 양극이 서로 연결된 상태로 제2 노드(N2)에 연결되는 상기 배터리(Vbatt)에 연결되어 있다.
이와 같이, 상기 변압기(3)의 2차측 권선은 서로 커플링되는 제1 권선(4)과 제2 권선(5)으로 구성되되, 상기 제1 권선(4)의 음극과 상기 제2 권선(5)의 양극은 상기 제2 노드(N2)와 상기 배터리(Vbatt)에 연결되어 있다.
상기 절환부(1)는 네 개의 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3, SW4)와 절환 인덕터(L2)로 구성되어 상기 변압기(3)의 1차측 권선에 연결되어 있다. 상기 전환부(1)는 상기 네 개의 스위칭 소자들에 대한 제어수단(미도시)의 제어에 따라 상기 변압기(3)의 1차측 권선에 흐르는 1차측 전류의 방향을 전환하는 동작을 수행한다.
상기 절환부(1)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 입력 전원(Vin)의 양(+) 단자에 일단이 연결되는 제1 절환 스위칭 소자(SW1), 상기 제1 절환 스위칭 소자(SW1)의 타단에 일단이 연결되고 타단이 상기 입력 전원(Vin(의 음(-) 단자에 연결되는 제2 절환 스위칭 소자(SW2), 상기 제2 절환 스위칭 소자(SW2)의 일단과 상기 제1 절환 스위칭 소자(SW1)의 타단에 일단이 연결되고 타단이 상기 제1 권선의 양극에 연결되는 절환 인덕터(L2), 상기 제1 권선의 음극에 일단이 연결되고 타단이 상기 제2 절환 스위칭 소자(SW2)의 타단에 연결되는 제3 절환 스위칭 소자(SW3) 및 상기 제1 절환 스위칭 소자(SW1)에 일단이 연결되고 타단이 상기 제3 절환 스위칭 소자(SW3)의 일단에 연결되는 제4 절환 스위칭 소자(SW4)를 포함하여 구성된다.
상기 네 개의 절환 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3, SW4)는 제어수단(미도시)의 제어에 따라 턴온 또는 턴오프되고 이 과정을 통하여 상기 변압기(3)의 1차측 전류의 방향을 절환하는 동작을 수행하는 스위칭 소자에 해당된다.
상기 네 개의 절환 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3, SW4)는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Trasnsistor, 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)으로 구성되고, MOSFET으로 구성되는 스위칭 소자가 온(ON) 상태에서 턴오프되는 순간 드레인측에 걸리는 높은 역기전력으로 인해 파손되는 것을 방지하기 위하여 다이오드가 연결된다.
상기 절환부(1)의 동작에 따라 상기 변압기(3)의 2차측 권선에 흐르는 전류, 구체적으로 제1 권선(4)에 흐르는 제1 권선 전류(is1)와 제2 권선(5)에 흐르는 제2 권선 전류(is2)가 흐르게 되고, 이를 통하여 안정화부(7)를 통해 안정화된 제1 가동 전압(Vo1)과 제2 가동 전압(Vo2)이 생성되어 출력된다.
상기 안정화부(7)는 네 개의 스위칭 소자(MW1, MW2, MW3, MW4)로 구성되어 상기 변압기(3)의 2차측 권선에 연결되고, 출력측이 상기 두 개의 링크 커패시터(Co1, CO2)에 분리되어 연결되어 있다. 상기 안정화부(7)는 상기 네 개의 스위칭 소자들(MW1, MW2, MW3, MW4)에 대한 제어수단(미도시)의 제어에 따라 상기 변압기(3)의 2차측 권선, 구체적으로 제1 권선(4)에 흐르는 제1 권선 전류(is1)와 제2 권선(5)에 흐르는 제2 권선 전류(is2)의 경로 및 방향을 가변하는 과정을 통해 안정화된 제1 가동 전압(Vo1)과 제2 가동 전압(Vo2)이 생성되어 출력되도록 한다.
상기 안정화부(7)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1 권선(4)의 양극에 타단이 연결되고 일단이 상기 제1 노드(N1)에 연결되는 제1 안정화 스위칭 소자(MW1), 상기 제1 안정화 스위칭 소자(MW1)의 타단에 일단이 연결되고 타단이 상기 제3 노드(N3)에 연결되는 제2 안정화 스위칭 소자(MW2), 상기 제2 권선(5)의 음극에 일단이 연결되고 타단이 상기 제3 노드(N3)에 연결되는 제3 안정화 스위칭 소자(MW3) 및 상기 제1 노드(N1)에 일단이 연결되고 타단이 상기 제3 안정화 스위칭 소자(MW3)의 일단에 연결되는 제4 안정화 스위칭 소자(MW4)를 포함하여 구성된다.
상기 변압기(3)의 2차측 권선이 제1 권선(4)와 제2 권선(5)으로 구성되고, 각 권선에 대해 제1 권선 전류(is1)와 제2 권선 전류(is2)가 흐르기 때문에, 상기 제1 권선 전류(is1)와 제2 권선 전류(is2)는 각각 해당 폐회로를 따라 흐르게 되고, 결과적으로 두 개의 가동 전압(Vo1, Vo2)이 생성될 수 있다.
이상과 같은 구성으로 이루어진 상기 가동 전압 인가 수단(10)은 제어수단(미도시)의 제어에 따라 네 개의 모드(제1 모드(Mode 1), 제2 모드(Mode 2), 제3 모드(Mode 3) 및 제4 모드(Mode 4))로 동작하고, 상기 네 개의 모드가 순차적으로 동작함에 따라 서로 분리된 가동 전압(Vo1, Vo2)이 출력된다.
상기 가동 전압 인가 수단(10)은 도 9에 도시된 바와 같이, 제어수단(미도시)의 제어에 따라, 제1 모드(Mode 1)에서 상기 절환 인덕터(L2)의 전류(ip)가 최소 전류(-iP)에서 최대 전류(+iP)까지 상승할 수 있도록 제어되고, 제2 모드(Mode 2)에서 상기 절환 인덕터(L2)의 전류(ip)가 최대 전류(+iP)로 유지할 수 있도록 제어되고, 제3 모드(Mode 3)에서 상기 절환 인덕터(L2)의 전류(ip)가 최대 전류(+iP)에서 최소 전류(-iP)까지 하강할 수 있도록 제어되고, 제4 모드(Mode 4)에서 상기 절환 인덕터(L2)의 전류가 최소 전류(-iP)로 유지할 수 있도록 제어된다.
즉, 상기 가동 전압 인가 수단(10)은 제1 모드에서 상기 절환 인덕터(L2)의 전류(ip)가 최소 전류에서 최대 전류로 상승할 수 있도록 제어되고, 이후 제2 모드에서 상기 최대 전류가 일정 시간 동안 지속될 수 있도록 제어되고, 다음 제3 모드에서 상기 절환 인덕터(L2)의 전류(ip)가 최대 전류에서 최소 전류로 하강할 수 있도록 제어되며, 마지막으로 제4 모드에서 상기 최소 전류가 일정 시간 동안 지속될 수 있도록 제어된다.
이와 같은 상기 절환 인덕터(L2)의 전류(ip)에 대한 제어와 함께 상기 안정화부(7)를 구성하는 안정화 스위칭 소자(MW1, MW2, MW3, MW4)들이 제어수단(미도시)에 의해 선택적으로 턴온 또는 턴오프되도록 제어됨으로써, 상기 가동 전압 인가 수단(10)은 안정화된 두 개의 분리된 가동 전압(Vo1, Vo2)을 생성하여 출력할 수 있다.
이하에서는 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 영전압 방전 장치(100)를 구성하는 가동 전압 인가 수단(10)의 동작을 도 5 내지 도 8의 회로도와 도 9의 파형도를 참조하여 설명한다. 여기서, 도 5 내지 도 8은 각각 제1 모드, 제2 모드, 제3 모드 및 제4 모드에서의 가동 전압 인가 수단(10)의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
이하에서 설명하는 과정에서, 입력 전원(Vin)은 변압기의 권선비에 가동 전압 인가 수단에서 출력하는 가동 전압의 합(Vo = Vo1 + Vo2)의 곱과 동일한 것으로 가정한다. 즉, 이상적인 조건에서 턴온된 상태의 스위칭 소자들의 전압 강하가 없다고 보고, Vin = nVo라고 가정하고 이하에서 설명한다.
제1 모드(Mode 1)에서는 상술한 바와 같이 상기 절환 인덕터(L2)의 전류(ip)가 최소 전류에서 최대 전류로 상승할 수 있도록 제어됨과 동시에 상기 제2 안정화 스위칭 소자(MW2)와 제4 안정화 스위칭 소자(MW4)가 도통되도록 제어된다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1 모드에서, 상기 제2 안정화 스위칭 소자(MW2)와 제4 안정화 스위칭 소자(MW4)가 도통되어 있는 상태에서 상기 제1 절환 스위칭 소자(SW1)와 제3 절환 스위칭 소자(SW3)가 턴온되도록 제어된다.
제1 모드에서, 상기 절환부(1)에서의 1차측 전류(ip)는 입력 전원(Vin) -> 제1 절환 스위칭 소자(SW1) -> 절환 인덕터(L2) -> 1차측 권선 -> 제3 절환 스위칭 소자(SW3) -> 입력 전원(Vin)로 형성된 폐회로를 따라 흐르면서 최소 전류에서 최대 전류로 상승하게 된다.
제1 모드에서의 구체적인 동작을 살펴보면, 상기 절환 인덕터(L2) 앞단 전압 Vi1은 입력 전압 Vin이 되고 상기 절환 인덕터(L2) 뒷단 전압 Vi2는 -nVo로 유지하고 있어 상기 절환 인덕터(L2) 전압 VL은 양이 된다. 따라서 상기 변압기 1차측 권선 전류는 상승한다. 그리고 2차측 권선 중, 제1 권선(4)에 흐르는 is1은 제2 안정화 스위칭 소자(MW2) -> 제2 링크 커패시터(Co2)를 통해 흐르고, 2차측 권선 중, 제2 권선(5)에 흐르는 전류 is2는 제1 링크 커패시터(Co1) -> 제4 안정화 스위칭 소자(MW4)를 통해 흐른다.
다음, 제2 모드(Mode 2)에서는 상술한 바와 같이 상기 절환 인덕터(L2)의 전류(ip)가 최대 전류로 유지할 수 있도록 제어됨과 동시에 상기 제1 안정화 스위칭 소자(MW1)와 제3 안정화 스위칭 소자(MW3)가 도통되도록 제어된다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제2 모드에서, 상기 제1 절환 스위칭 소자(SW1)와 제3 절환 스위칭 소자(SW3)가 도통되어 있는 상태에서 상기 제1 안정화 스위칭 소자(MW1)와 제3 안정화 스위칭 소자(MW3)가 턴온되도록 제어된다.
제2 모드에서, 상기 절환부(1)에서의 1차측 전류(ip)는 입력 전원(Vin) -> 제1 절환 스위칭 소자(SW1) -> 절환 인덕터(L2) -> 1차측 권선 -> 제3 절환 스위칭 소자(SW3) -> 입력 전원(Vin)로 형성된 폐회로를 따라 최대 전류를 유지하면서 흐르게 된다. 즉, 제2 모드에서의 상기 1차측 전류(ip)는 제1 모드에서와 동일한 폐회로를 따라 흐르지만 제1 모드에서 상승한 최대 전류로 유지하게 된다.
제2 모드에서의 구체적인 동작을 살펴보면, 상기 변압기의 1차측에 연결된 상기 절환부(1)에 포함되는 제1 절환 스위칭 소자(SW1)와 제3 절환 스위칭 소자(SW3)가 도통되어 있는 상태에서 상기 변압기 2차측에 연결된 상기 안정화부(7)에 포함되는 제1 안정화 스위칭 소자(MW1)와 제3 안정화 스위칭 소자(MW3)가 턴온된다. 이와 같은 제2 모드에서, 상기 절환 인덕터(L2) 앞단 전압 Vi1은 입력 전압 Vin이 되고 상기 절환 인덕터(L2) 뒷단 전압 Vi2는 +nVo로 전환되어 상기 절환 인덕터(L2) 전압 VL은 0이 된다. 따라서 상기 변압기 1차측 전류(ip)는 일정하게 유지한다. 그리고 2차측 권선 중, 제1 권선(4)에 흐르는 is1은 제1 안정화 스위칭 소자(MW1) -> 제1 링크 커패시터(Co1)를 통해 흐르고, 2차측 권선 중, 제2 권선(5)에 흐르는 전류 is2는 제2 링크 커패시터(Co2) -> 제3 안정화 스위칭 소자(MW3)를 통해 흐른다.
제3 모드(Mode 1)에서는 상술한 바와 같이 상기 절환 인덕터(L2)의 전류(ip)가 최대 전류에서 최소 전류로 하강할 수 있도록 제어됨과 동시에 상기 제1 안정화 스위칭 소자(MW1)와 제3 안정화 스위칭 소자(MW4)가 도통이 유지되도록 제어된다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제3 모드에서, 상기 제1 안정화 스위칭 소자(MW1)와 제3 안정화 스위칭 소자(MW3)가 도통되어 있는 상태에서 상기 제2 절환 스위칭 소자(SW2)와 제4 절환 스위칭 소자(SW4)가 턴온되도록 제어된다.
제3 모드에서, 상기 절환부(1)에서의 1차측 전류(ip)는 입력 전원(Vin) -> 제4 절환 스위칭 소자(SW1) -> 1차측 권선 -> 절환 인덕터(L2) -> 제2 절환 스위칭 소자(SW2) -> 입력 전원(Vin)로 형성된 폐회로를 따라 흐르면서 최대 전류에서 최소 전류로 하강하게 된다.
제3 모드에서의 구체적인 동작을 살펴보면, 안정화부에 포함되는 제1 안정화 스위칭 소자(MW1)와 제3 안정화 스위칭 소자(MW3)가 도통되어 있는 상태에서 절환부에 포함되는 제2 절환 스위칭 소자(SW2)와 제4 절환 스위칭 소자(SW4)가 턴온(turn-on)된다. 제3 모드에서, 상기 절환 인덕터(L2) 앞단 전압 Vi1은 입력 전압 -Vin이 되고 상기 절환 인덕터(L2) 뒷단 전압 Vi2는 +nVo로 유지하고 있어 상기 절환 인덕터(L2) 전압 VL은 음이 된다. 따라서 상기 변압기 1차측 전류는 하강한다. 그리고 2차측 권선 중, 제1 권선(4)에 흐르는 is1은 제1 링크 커패시터(Co1) -> 제1 안정화 스위칭 소자(MW1)를 통해 흐르고, 2차측 권선 중, 제2 권선(5)에 흐르는 전류 is2는 제3 안정화 스위칭 소자(MW3) -> 제2 링크 커패시터(Co2)를 통해 흐른다.
마지막으로, 제4 모드(Mode 4)에서는 상술한 바와 같이 상기 절환 인덕터(L2)의 전류(ip)가 최소 전류로 유지할 수 있도록 제어됨과 동시에 상기 제2 안정화 스위칭 소자(MW2)와 제4 안정화 스위칭 소자(MW4)가 도통되도록 제어된다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제4 모드에서, 상기 제2 절환 스위칭 소자(SW2)와 제4 절환 스위칭 소자(SW4)가 도통되어 있는 상태에서 상기 제2 안정화 스위칭 소자(MW2)와 제4 안정화 스위칭 소자(MW4)가 턴온되도록 제어된다.
제4 모드에서, 상기 절환부(1)에서의 1차측 전류(ip)는 입력 전원(Vin) -> 제4 절환 스위칭 소자(SW4) -> 1차측 권선 -> 절환 인덕터(L2) -> 제2 절환 스위칭 소자(SW2) -> 입력 전원(Vin)로 형성된 폐회로를 따라 최소 전류를 유지하면서 흐르게 된다. 즉, 제4 모드에서의 상기 1차측 전류(ip)는 제3 모드에서와 동일한 폐회로를 따라 흐르지만 제3 모드에서 하강한 최소 전류로 유지하게 된다.
제4 모드에서의 구체적인 동작을 살펴보면, 상기 변압기의 1차측에 연결된 상기 절환부(1)에 포함되는 제2 절환 스위칭 소자(SW2)와 제4 절환 스위칭 소자(SW4)가 도통되어 있는 상태에서 상기 변압기 2차측에 연결된 상기 안정화부(7)에 포함되는 제2 안정화 스위칭 소자(MW2)와 제4 안정화 스위칭 소자(MW4)가 턴온(turn-on)된다. 제4 모드에서, 상기 절환 인덕터(L2) 앞단 전압 Vi1은 입력 전압 -Vin이 되고 상기 절환 인덕터(L2) 뒷단 전압 Vi2는 -nVo로 전환되어 상기 절환 인덕터(L2) 전압 VL은 0이 된다. 따라서 변압기 1차측 전류는 일정하게 유지한다. 그리고 2차측 권선 중, 제1 권선(4)에 흐르는 is1은 제2 링크 커패시터(Co2) -> 제2 안정화 스위칭 소자(MW2)를 통해 흐르고, 2차측 권선 중, 제2 권선(5)에 흐르는 전류 is2는 제4 안정화 스위칭 소자(MW4) -> 제1 링크 커패시터(Co1)를 통해 흐른다.
도 5 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 각 링크 캐패시터(Co1, Co2)의 입력 전류 io1과 io2는 각각 제1 링크 커패시터(Co1)와 제2 링크 커패시터(Co2)의 입력 전류이고 이상적인 정상 상태에서는 io1의 평균값은 상측 부하전류 ILD1과 같고 io2의 평균값은 하측 부하전류 ILD2와 같다. 또한 io1은 -(iMW1+iMW4)이며 io2는 -(iMW2+iMW3)이므로 2차측 스위칭 전류는 부하전류에 편차에 따른 바이어스가 존재한다. 극단적으로 ILD2=0이 되어 상측에만 부하 전류가 발생하면 하측 스위칭 전류 iMW2와 iMW3의 평균 전류는 0이 되어(즉, io2의 평균 전류 = 0이 되어) 상기 제2 링크 커패시터(Co2)에는 평균이 0인 순환 전류가 발생하게 되고 무부하시에도 전압의 상승이나 하강이 존재하지 않는 이상적인 정상 상태를 유지하게 된다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 영전압 방전 장치에 대한 모의실험 결과를 보여주는 전압 및 전류의 파형도를 보여준다.
본 발명의 실시예에 따른 영전압 방전 장치를 검증하기 위한 모의 실험을 수행하였다. 모의실험 사양은 Vin=380V, Vo=12V(Vo1=Vo2=6V), iL=+/-150A, Vbatt는 0~4V의 가변이라고 가정하였다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 영전압 방전 장치는 전체 배터리 전압 범위에서 충전과 방전이 잘 이루어지고 있는 것을 알 수 있고, 제1 가동 전압(Vo1)과 제2 가동 전압(Vo1)이 6V로 잘 유지되고 있는 것을 알 수 있다. 결과적으로, 안정화된 두 개의 가동 전압을 생성하여 인가함으로써, 배터리의 충전 및 방전 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
Vin : 입력 전원 1: 절환부
SW1 : 제1 절환 스위칭 소자 SW2 : 제2 절환 스위칭 소자
SW3 : 제3 절환 스위칭 소자 SW4 : 제4 절환 스위칭 소자
L2 : 절환 인덕터
3 : 변압기 4 : 제1 권선
5 : 제2 권선
7 : 안정화부 MW1 : 제1 안정화 스위칭 소자
MW2 : 제2 안정화 스위칭 소자 MW3 : 제3 안정화 스위칭 소자
MW4 : 제4 안정화 스위칭 소자
10 : 가동 전압 인가 수단 N1 : 제1 노드
N2 : 제2 노드 N3 : 제3 노드
Co1 : 제1 링크 커패시터 Co2 : 제2 링크 커패시터
CSW1 : 제1 충방전 스위칭 소자 CSW2 : 제2 충방전 스위칭 소자
L1 : 충방전 인덕터 Vbatt : 배터리
100 : 영전압 방전 장치

Claims (4)

  1. 제1 가동 전압과 제2 가동 전압을 발생하여 인가하는 가동 전압 인가 수단;
    상기 가동 전압 인가 수단의 출력측 노드에 연결되되, 상기 제1 가동 전압이 인가되도록 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되는 제1 링크 커패시터;
    상기 가동 전압 인가 수단의 출력측 노드에 연결되되, 상기 제2 가동 전압이 인가되도록 제2 노드와 제3 노드 사이에 연결되는 제2 링크 커패시터;
    상기 제1 노드에 일단이 연결되고 타단이 충방전 인덕터의 일단에 연결되는 제1 충방전 스위칭 소자;
    상기 충방전 인덕터의 일단과 상기 제1 충방전 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되고 타단이 상기 제3 노드에 연결되는 제2 충방전 스위칭 소자;
    상기 제2 충방전 스위칭 소자의 일단과 상기 제1 충방전 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되고 배터리의 양(+) 단자에 타단이 연결되는 충방전 인덕터;
    상기 충방전 인덕터의 타단에 양(+) 단자에 연결되고 상기 제2 노드에 음(-) 단자가 연결되는 배터리를 포함하여 구성되되,
    충전 모드에서, 상기 제1 충방전 스위칭 소자만이 턴온되어 상기 배터리가 상기 제1 가동 전압에 의해 충전되는 동작이 수행되고,
    방전 모드에서, 상기 제2 충방전 스위칭 소자만이 턴온되어 상기 배터리가 상기 제2 가동 전압에 의해 방전되는 동작이 수행되는 것을 특징으로 하는 영전압 방전 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가동 전압 인가 수단은,
    입력 전원으로부터 출력되는 전압이 변압기의 1차측 권선에 인가되는 방향을 절환시키도록 하는 절환부와, 상기 변압기의 2차측 권선에 연결되어 상기 제1 가동 전압과 제2 가동 전압을 안정화시켜 출력하는 안정화부로 구성되되,
    여기서, 상기 변압기의 2차측 권선은 서로 커플링되는 제1 권선과 제2 권선으로 구성되되, 상기 제1 권선의 음극과 상기 제2 권선의 양극은 상기 제2 노드에 연결되고,
    상기 절환부는,
    상기 입력 전원의 양(+) 단자에 일단이 연결되는 제1 절환 스위칭 소자, 상기 제1 절환 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되고 타단이 상기 입력 전원의 음(-) 단자에 연결되는 제2 절환 스위칭 소자, 상기 제2 절환 스위칭 소자의 일단과 상기 제1 절환 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되고 타단이 상기 제1 권선의 양극에 연결되는 절환 인덕터, 상기 제1 권선의 음극에 일단이 연결되고 타단이 상기 제2 절환 스위칭 소자의 타단에 연결되는 제3 절환 스위칭 소자 및 상기 제1 절환 스위칭 소자에 일단이 연결되고 타단이 상기 제3 절환 스위칭 소자의 일단에 연결되는 제4 절환 스위칭 소자를 포함하며,
    상기 안정화부는,
    상기 제1 권선의 양극에 타단이 연결되고 일단이 상기 제1 노드에 연결되는 제1 안정화 스위칭 소자, 상기 제1 안정화 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되고 타단이 상기 제3 노드에 연결되는 제2 안정화 스위칭 소자, 상기 제2 권선의 음극에 일단이 연결되고 타단이 상기 제3 노드에 연결되는 제3 안정화 스위칭 소자 및 상기 제1 노드에 일단이 연결되고 타단이 상기 제3 안정화 스위칭 소자의 일단에 연결되는 제4 안정화 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 영전압 방전 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 가동 전압 인가 수단은 제1 모드에서 상기 절환 인덕터의 전류가 최소 전류(-IP)에서 최대 전류(+IP)까지 상승할 수 있도록 제어되고, 제2 모드에서 상기 절환 인덕터의 전류가 최대 전류(+IP)로 유지할 수 있도록 제어되고, 제3 모드에서 상기 절환 인덕터의 전류가 최대 전류(+IP)에서 최소 전류(-IP)까지 하강할 수 있도록 제어되고, 제4 모드에서 상기 절환 인덕터의 전류가 최소 전류(-IP)로 유지할 수 있도록 제어되는 것을 특징으로 하는 영전압 방전 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 모드에서, 상기 제2 안정화 스위칭 소자와 제4 안정화 스위칭 소자가 도통되어 있는 상태에서 상기 제1 절환 스위칭 소자와 제3 절환 스위칭 소자가 턴온되도록 제어되고,
    상기 제2 모드에서, 상기 제1 절환 스위칭 소자와 제3 절환 스위칭 소자가 도통되어 있는 상태에서 상기 제1 안정화 스위칭 소자와 제3 안정화 스위칭 소자가 턴온되도록 제어되고,
    상기 제3 모드에서, 상기 제1 안정화 스위칭 소자와 제3 안정화 스위칭 소자가 도통되어 있는 상태에서 상기 제2 절환 스위칭 소자와 제4 절환 스위칭 소자가 턴온되도록 제어되며,
    상기 제4 모드에서, 상기 제2 절환 스위칭 소자와 제4 절환 스위칭 소자가 도통되어 있는 상태에서 상기 제2 안정화 스위칭 소자와 제4 안정화 스위칭 소자가 턴온되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 영전압 방전 장치.
KR1020200111011A 2020-09-01 2020-09-01 영전압 방전 장치 KR102315046B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200111011A KR102315046B1 (ko) 2020-09-01 2020-09-01 영전압 방전 장치
PCT/KR2020/015595 WO2022050491A1 (ko) 2020-09-01 2020-11-09 영전압 방전 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200111011A KR102315046B1 (ko) 2020-09-01 2020-09-01 영전압 방전 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102315046B1 true KR102315046B1 (ko) 2021-10-20

Family

ID=78268053

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200111011A KR102315046B1 (ko) 2020-09-01 2020-09-01 영전압 방전 장치

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102315046B1 (ko)
WO (1) WO2022050491A1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100115087A (ko) * 2009-04-17 2010-10-27 서울과학기술대학교 산학협력단 양방향 ｄｃ－ｄｃ 컨버터 및 그의 제어방법
KR101197078B1 (ko) 2011-05-09 2012-11-07 주식회사 피앤이솔루션 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로 장치
KR20150042375A (ko) * 2013-10-10 2015-04-21 현대자동차주식회사 스위칭 전원 장치 및 이를 포함하는 배터리 충전 장치
KR20150049061A (ko) * 2013-10-29 2015-05-08 한국전기연구원 배터리를 충방전하기 위한 양방향 ｄｃ－ｄｃ 컨버터 및 이를 이용한 배터리 충방전 방법

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2998766B2 (ja) * 1992-01-27 2000-01-11 日本電信電話株式会社 零電圧スイッチング方式駆動回路
EP1732200A1 (en) * 2005-06-09 2006-12-13 Koninklijke Philips Electronics N.V. Method for operating a power converter in a soft-switching range
KR101191137B1 (ko) * 2010-02-17 2012-11-15 주식회사 엣셀 양방향 충전 시스템
KR20150017433A (ko) * 2013-08-05 2015-02-17 경상대학교산학협력단 영전압 스위칭 풀-브리지 직류-직류 컨버터
KR101765319B1 (ko) * 2015-05-29 2017-08-04 숭실대학교산학협력단 하이브리드 컨버터 및 그 구동방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100115087A (ko) * 2009-04-17 2010-10-27 서울과학기술대학교 산학협력단 양방향 ｄｃ－ｄｃ 컨버터 및 그의 제어방법
KR101197078B1 (ko) 2011-05-09 2012-11-07 주식회사 피앤이솔루션 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로 장치
KR20150042375A (ko) * 2013-10-10 2015-04-21 현대자동차주식회사 스위칭 전원 장치 및 이를 포함하는 배터리 충전 장치
KR20150049061A (ko) * 2013-10-29 2015-05-08 한국전기연구원 배터리를 충방전하기 위한 양방향 ｄｃ－ｄｃ 컨버터 및 이를 이용한 배터리 충방전 방법

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022050491A1 (ko) 2022-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11736010B2 (en) Power converter with capacitive energy transfer and fast dynamic response
JP6942852B2 (ja) 広出力電圧範囲用の絶縁型ｄｃ／ｄｃコンバータ及びその制御方法
US10944329B2 (en) Power converter topologies and control methods for wide input and output voltage ranges
US11394307B2 (en) Resonant power converters and control methods for wide input and output voltage ranges
US8009444B2 (en) Boost device for voltage boosting
US7535733B2 (en) Method of controlling DC-to-DC converter whereby switching control sequence applied to switching elements suppresses voltage surges at timings of switch-off of switching elements
US11011988B1 (en) Implicit on-time regulated hybrid converter
US9001538B2 (en) Switching power supply apparatus
JP5130542B2 (ja) 降圧型スイッチングｄｃ／ｄｃコンバータ
JP2008072856A (ja) Ｄｃ／ｄｃ電力変換装置
US10742130B2 (en) Phase shift bridge converter using clamp circuit connected to the center-tap of the transformer on the secondary side
US8022665B2 (en) Bidirectional power converting device
EP2221951B1 (en) Boost converter for voltage boosting
KR102315046B1 (ko) 영전압 방전 장치
US7586212B2 (en) Multi-output power supply apparatus
KR101220910B1 (ko) 병렬형 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로
US10720836B2 (en) Converter device and method to operate said converter device
US20070242492A1 (en) Pulse generator circuit
KR102316715B1 (ko) 싸이클러용 영전압 방전회로 장치
JP4429874B2 (ja) ホローカソードキーパ電源
RU2815910C1 (ru) Регулятор постоянного напряжения повышающего типа
RU2802595C1 (ru) Однотактный преобразователь постоянного напряжения
KR20110078967A (ko) 전류형 푸쉬-풀 ｄｃ/ｄｃ 컨버터
CN115347810A (zh) 谐振变换器和电源适配器

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant