KR20160031154A - 양방향 전력 변환 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양방향 전력 변환 회로로서, 전압을 승압 또는 감압하여 전달하도록 구성된 직류/직류 벅부스트 컨버터부, 직류를 교류로 변환하는 과정에서는 인버터로 동작하고, 교류를 직류로 변환하는 과정에서는 정류기로 동작하는 역할을 수행하는 직/교류 변환부, 직류/직류 벅부스트 컨버터부의 출력을 조절하는 신호를 생성하는 제1신호 생성부 및 직/교류 변환부의 출력을 조절하는 신호를 생성하는 제2 신호 생성부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

양방향 전력 변환 회로{Bidirectional Power Converter}
본 발명은 직류(DC)전원을 교류(AC)전원으로 변환하거나, 교류(AC)전원을 직류(DC)전원으로 변환하는 양방향 전력 변환 회로에 관한 것이다.
전기 에너지에 대한 수요가 증대하고 있는 상황에서 효율적인 에너지의 사용을 위하여 양방향(Bidirectional) 전력 전달이 가능한 전력 변환 장치에 대한 관심이 증대되고 있다.
도면 8도는 종래의 양방향 컨버터를 보여주는 도면이다. 이러한, 종래의 양방향 컨버터는 벅컨버터와 부스트 컨버터를 사용하여 구성되었으며, 부스트 모드를 이용하여 Vd의 전압을 제어하였고, 벅 모드를 이용하여 배터리를 충전하였다.
또한, 그리드 연계를 위하여 교류/직류(AC/DC) PWM 컨버터가 이용되기도 하였다.
그러나, 이런 종래의 컨버터는 모든 스위치를 고주파로 하드 스위칭하여야 하므로 스위칭 손실이 발생하였고, 이에 따른 효율 저감의 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 직류를 교류로 변환하는 과정에서 저주파 스위칭을 통하여 직류를 교류로 변환하여 스위칭 손실을 저감시킬 수 있는 양방향 전력변환 회로를 제공하고자 한다.
또한, 교류 그리드 전압의 센싱을 통하여 간단하게 양방향 전력변환 회로에서 사용될 스위칭 신호를 생성하는 신호 생성 회로를 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 교류를 직류로 변환하거나, 직류를 교류로 변환하는 양방향 전력변환 회로에 있어서, 전압을 승압 또는 감압하여 전달하도록 구성된 직류/직류 벅부스트 컨버터부; 직류를 교류로 변환하는 과정에서는 인버터로 동작하고, 교류를 직류로 변환하는 과정에서는 정류기로 동작하는 역할을 수행하는 직/교류 변환부; 상기 직류/직류 벅부스트 컨버터부의 출력을 그리드 전압의 절대치와 동일하도록 조절하는 신호를 생성하는 제1신호 생성부; 및 상기 직/교류 변환부의 출력을 조절하는 저주파 스위칭 신호를 생성하는 제2 신호 생성부;를 포함하는 양방향 전력변환 회로를 제공한다.
또한, 상기 제1 신호 생성부는 교류 그리드 전압을 센싱하여 이를 기준 파형과 비교하여 직류/직류 벅부스트 컨버터부의 제1 전력용 반도체 스위칭 소자의 온/오프 스위칭 제어를 위한 단자에 인가할 신호를 생성하고, 상기 제2 신호 생성부는 상기 교류 그리드 전압을 센싱하여 이를 비교기로 비교하여 사각 펄스파를 생성하여 제3 및 제6 전력용 반도체 스위칭 소자의 온/오프 스위칭 제어를 위한 단자에 인가할 신호를 만들고, 상기 사각 펄스파를 반전하여 제4 및 제5 전력용 반도체 스위칭 소자의 온/오프 스위칭 제어를 위한 단자에 인가할 신호를 만드는 것을 특징으로 하는 양방향 전력변환 회로를 제공한다.
또한, 상기 제1 신호 생성부는 제1 및 제2 연산증폭기, 제7 및 제8 다이오드, 제1 내지 제9 저항을 포함하여 구성되고, 교류 그리드 전원의 일단에 상기 제7 다이오드의 애노드 단자가 연결되고, 상기 제7 다이오드의 캐소드 단자에 상기 제1 저항의 일단과 상기 제2 저항의 일단이 연결되고, 상기 제2 저항의 타단에 상기 제3 저항의 일단과 상기 제1 연산증폭기의 비반전 입력 단자가 연결되며, 상기 교류 그리드 전원의 타단에 상기 제8 다이오드의 캐소드 단자가 연결되고, 상기 제8 다이오드의 애노드 단자에 상기 제4 저항의 일단과 상기 제5 저항의 일단이 연결되고, 상기 제5 저항의 타단은 상기 제1 연산증폭기의 반전 입력 단자와 상기 제6 저항의 일단과 연결되고, 상기 제6 저항의 타단은 상기 제1 연산증폭기의 출력단, 상기 제7 저항의 일단 및 상기 제8 저항의 일단과 연결되며, 상기 제8 저항의 타단은 제2 연산증폭기의 비반전 입력 단자에 연결되고, 기준 톱니파 전원에 상기 제9 저항의 일단이 연결되고, 상기 제9 저항의 타단에 상기 제2 연산증폭기의 반전 입력 단자가 연결되며, 상기 제1 저항의 타단, 상기 제3 저항의 타단, 상기 제4 저항의 타단 및 상기 제7 저항의 타단은 접지에 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 전력변환 회로를 제공한다.
또한, 상기 제2 신호부는 제10 및 제11 저항, 제3 연산 증폭기, 앤드(AND) 게이트 회로 및 낸드(NAND) 게이트 회로를 포함하여 구성되고, 교류 그리드 전원의 일단에 상기 제10 저항의 일단이 연결되고, 상기 제10 저항의 타단에 상기 제3 연산 증폭기의 비반전 입력 단자가 연결되고, 상기 교류 그리드 전원의 타단에 상기 제11 저항의 일단이 연결되고, 상기 제11 저항의 타단에 상기 제3 연산 증폭기의 반전 입력 단자가 연결되며, 상기 제3 연산 증폭기의 출력단에 상기 앤드 게이트 회로의 입력단과 상기 낸드 게이트 회로의 입력단이 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 전력변환 회로를 제공한다.
또한, 상기 직류/직류 벅부스트 컨버터부는 제1 전력용 반도체 스위칭 소자, 제2 전력용 반도체 스위칭 소자, 제1 다이오드, 제2 다이오드, 인덕터 및 필터 캐패시터를 포함하여 구성되고, 충전 가능한 직류 전원의 양극에는 상기 제1 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유입 단자와 제1 다이오드의 캐소드가 연결되고, 상기 제1 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유출 단자에 상기 인덕터의 일단, 상기 필터 캐패시터의 일단 및 상기 제1 다이오드의 애노드가 연결되며, 상기 충전 가능한 직류 전원의 음극에는 상기 인덕터의 타단, 상기 제2 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유출 단자 및 제2다이오드의 애노드가 연결되고,상기 제2 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유입 단자에 상기 필터 캐패시터의 타단이 연결되며, 상기 직/교류 변환부는 제3 내지 제6 전력용 반도체 스위칭 소자 및 제3 내지 제6 다이오드를 포함하여 구성되고, 교류 그리드 전원의 일단에 제3 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유출 단자와 제3 다이오드의 애노드, 제4 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유입 단자 및 제4 다이오드의 캐소드가 연결되고, 상기 교류 그리드 전원의 타단에 제5 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유출 단자와 제5 다이오드의 애노드, 제6 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유입 단자 및 제6 다이오드 캐소드가 연결되며, 상기 직류/직류 벅부스트 컨버터부의 필터 캐패시터의 일단에 상기 제4 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유출 단자, 상기 제4 다이오드의 애노드, 상기 제6 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유출 단자 및 제6 다이오드의 애노드가 연결되고, 상기 필터 캐패시터의 타단에 상기 제3 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유입 단자, 제3 다이오드의 캐소드, 제5 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유입 단자 및 제5 다이오드의 캐소드가 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 전력변환 회로를 제공한다.
또한, 상기 전력용 반도체 스위칭 소자는 모스펫, 절연 게이트 양극성 트랜지스터 또는 바이폴라 접합 트랜지스터 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 양방향 전력변환 회로를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 양방향 전력 변환 회로는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 직/교류 변환부의 스위칭 소자를 저주파 스위칭하여 직류(DC)를 교류(AC)로 변환함으로써 스위칭 손실을 줄여서 변환 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
둘째, 양방향 전력 변환 회로의 직/교류 변환부의 각 스위칭에 인가할 신호를 제어하는 회로를 간단하게 구성할 수 있다.
셋째, 직류를 교류로 변환하는 과정에서 저주파 스위칭 신호를 사용하므로 고주파 반도체 스위칭 소자 대신 저렴한 저주파 반도체 스위칭 소자를 사용할 수 있으므로, 전력변환 회로 전체의 가격이 낮아지는 효과가 있다.
넷째, 전력변환 회로를 양방향 벅부스트 컨버터를 이용하여 구성하므로 입출력 전압 가변범위를 확장할 수 있는 효과가 있다.
다섯째, 양방향 전력 변환회로의 벅부스트 컨버터의 제어 신호를 간단한 아날로그 제어기로도 구현 가능하다.
도면 1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 회로의 구성을 보여주는 회로도이다.
도면 2도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 회로의 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부의 출력을 조절하는 신호를 생성하는 제1 신호 생성부를 보여주는 도면이다.
도면 3도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 회로의 직/교류 변환부의 출력을 조절하는 신호를 생성하는 제2 신호 생성부의 내부 구성을 간략하게 보여주는 도면이다.
도면 4도는 시뮬레이션을 통하여 확인한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1 신호 생성부의 제1 연산증폭기의 입력단과 출력단의 신호 파형을 보여주는 그래프이다.
도면 5도는 시뮬레이션을 통하여 확인한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1 신호 생성부의 제2 연산증폭기의 입력과 출력단의 신호 파형을 보여주는 그래프이다.
도면 6도는 시뮬레이션을 통하여 확인한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2 신호 생성부의 입 출력 파형을 보여주는 그래프이다.
도면 7도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 회로가 제대로 동작하는 여부를 시뮬레이션을 통하여 확인한 그래프이다.
도면 8도는 종래의 양방향 직류/직류(DC/DC) 컨버터를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도면 1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 회로의 구성을 보여주는 회로도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 회로는 크게 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부(100)과 직/교류 변환부(200)으로 나눌 수 있다.
직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부(100)는 입출력 전압을 가변하는 부분으로서, 전압을 승압하여 전달하거나 감압하여 전달하는 부분이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 회로는 전압 가변을 벅부스트 컨버터를 이용함으로써 가변 범위를 확장할 수 있다.
이러한 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부(100)는 직류(DC) 소스로부터 그리드 전원으로 전력을 전달하는 과정에서 사용되는 제1 모스펫(111)과 제2 다이오드(122), 교류 그리드 전압(300)으로부터 배터리를 충전할 때 충전 전압 및 전류를 제어하기 위한 제2 모스펫(112)과 제1 다이오드(121), 인덕터(140) 및 필터 캐패시터(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 직류(DC) 소스 전원은 배터리 혹은 슈퍼 커패시터 등의 충전 가능한 직류(DC) 소스가 될 수 있다.
제1 모스펫(111)의 게이트 신호(G1)는 직류 소스(400)으로부터 그리드 전압(300)으로 전력이 전달될 때, 필터 캐패시터(130)의 양단의 전압(Vdc)와 직/교류 변환부(200)로 흐르는 전류(Idc)를 제어하기 위한 구동신호를 나타낸다.
또한, 제2 모스펫(112)의 게이트 신호(G2)는 반대로 교류 그리드 전압(300)으로부터 배터리 등의 직류 소스(400)으로 전력을 전달할 때, 충전 전압 및 전류를 제어하기 위한 반도체 소자와 그 구동 방법에 관한 것을 나타낼 수 있다.
이러한 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부(100)는 충전 가능한 직류 전원, 예를 들어 배터리(400)의 양극에 제1 모스펫(111)의 드레인 단자와 제1 다이오드(121)의 캐소드가 연결되고, 제1 모스펫(111)의 소스 단자는 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부(100)의 인덕터(140), 제1 다이오드(121)의 애노드 및 필터 캐패시터(130)의 일단이 연결된다.
그리고, 상기 배터리(400)의 음극에는 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부(100)의 인덕터(140)의 타단, 제2 모스펫(112)의 소스 단자 및 제2 다이오드(122)의 애노드가 연결되고, 제2 모스펫(122)의 드레인 단자에는 상기 필터 캐패시터(130)의 타단과 제2 다이오드(122)의 캐소드가 연결될 수 있다.
직/교류 변환부(200)는 필터 캐패시터(130)에 충전된 직류(DC)를 교류로 변환하여 그리드 전압(300)으로 전달하거나 그리드 전압(300)으로부터 전력을 전달받아 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부(100)의 필터 캐패시터(130)로 전달하는 부분이다.
이를 위하여 직/교류 변환부(200)는 4개의 모스펫과 4개의 다이오드를 통하여 풀 브릿지 회로로 구성할 수 있다.
즉, 제3 모스펫(211)과 제6 모스펫(214)가 한 쌍으로 양의 교류 파형을 담당하고, 제4 모스펫(212)와 제5 모스펫(213)이 한 쌍으로 음의 교류 파형을 담당하여 그리드 전압(300)으로 교류를 전달할 수 있다.
이를 위하여 직/교류 변환부(200)는 교류 그리드 전압(300)의 일단에 제3 모스펫(211)의 소스 단자, 제3 다이오드(221)의 애노드, 제4 모스펫(212)의 드레인 단자 및 제4 다이오드(222)의 캐소드가 연결되고, 교류 그리드 전압(300)의 타단에 제5 모스펫(213)의 소스 단자, 제5 다이오드(213)의 애노드, 제6 모스펫(214)의 드레인 단자 및 제6 다이오드(224)의 캐소드가 연결되며, 제4 모스펫(212)의 소스 단자, 제4 다이오드(222)의 애노드, 제6 모스펫(214)의 소스 단자 및 제6 다이오드(224)의 애노드는 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부(100)의 필터 캐패시터(130)의 일단에 연결되고, 제3 모스펫(211)의 드레인 단자, 제3 다이오드(221)의 캐소드, 제5 모스펫(213)의 드레인 단자 및 제5 다이오드(223)의 캐소드는 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부(100)의 필터 캐패시터(130)의 타단에 연결될 수 있다. 즉, 풀 브릿지 회로를 구성할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 회로의 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부(100)와 직/교류 변환부(200)는 스위칭 소자로서 모스펫을 사용하였으나 반드시 모스펫만으로 한정되는 것은 아니고 이와 유사한 스위칭 소자라면 그 어떤 소자라도 사용될 수 있다.
전력용 반도체 스위칭 소자에서 소스나 애미터는 전류 유출 단자로 지칭될 수 있으며, 드레인이나 콜렉터는 전류 유입 단자로 지칭될 수 있다. 그리고, 전력용 반도체 스위칭 소자의 게이트나 베이스는 온/오프 스위칭 제어를 위한 단자나 전류 조절 단자로 지칭될 수 있다.
교류 그리드 전압(300) 앞단의 인덕터는 라인인덕터(310)로서 필요시 추가 인덕터를 사용할 수 있다.
도면 2도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 회로의 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부의 출력을 조절하는 신호를 생성하는 제1 신호 생성부를 보여주는 도면이다.
제1 신호 생성부(500)는 이를 위하여 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부(100)의 제1 모스펫(111)의 게이트 단자에 인가할 신호를 생성한다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1 신호 생성부(500)는 교류 그리드 전압(300)을 센싱하여 이를 기준 파형과 비교하여 양방향 전력변환 회로의 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부(100)의 제1 모스펫(111)의 게이트 단자에 인가할 펄스파를 만드는 회로이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 회로의 제1 신호 생성부(500)는 제1 연산증폭기(511), 제2 연산증폭기(512), 제7 다이오드(521), 제8 다이오드(522) 및 제1 내지 제9 저항을 포함하여 구성될 수 있다.
이를 위하여, 교류 그리드 전압(300)의 일단에 제7 다이오드(521)의 애노드가 연결되고, 제7 다이오드(521)의 캐소드 단자에 제1 저항(541)의 일단과 제2 저항(542)의 일단이 연결될 수 있다. 그리고, 제2 저항(542)의 타단에는 제3 저항(543)의 일단 및 제1 연산증폭기(511)의 비반전 입력 단자가 연결될 수 있다. 그리고, 교류 그리드 전압(300)의 타단에는 제8 다이오드(522)의 캐소드가 연결되고, 제8 다이오드(522)의 애노드에는 제4 저항(544)의 일단과 제5 저항(545)의 일단이 연결되고, 제5 저항(545)의 타단에는 제1 연산증폭기(511)의 반전 입력 단자와 제6 저항(546)의 일단이 연결될 수 있으며, 제6 저항(546)의 타단은 제1 연산증폭기(511)의 출력단과 제7 저항(547)의 일단 및 제8 저항(548)의 일단과 연결될 수 있다.
제1 연산증폭기(511)는 위와 같은 구성을 통하여 교류 그리드 전압(300)의 교류 전압을 전파 정류된 신호로 출력할 수 있다.
제1 연산증폭기(511)가 전파 정류한 전압 신호는 제7 저항(547)과 제8 저항(548)을 통하여 비교기로 사용되는 제2 연산증폭기(512)의 비반전 입력 단자로 입력될 수 있다. 제2 연산증폭기(512)의 반전 입력 단자로는 제9 저항(549)를 통하여 기준 톱니파 전원(530)이 인가될 수 있다.
제2 연산증폭기(512)는 반전 입력 단자로 입력 받은 기준 톱니파와 비반전 입력 단자로 입력받은 전파 정류된 신호를 비교하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 회로의 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부(100)의 제1 모스펫(111)의 게이트 단자로 입력할 사각 펄스파를 출력단을 통하여 내보낼 수 있다.
이렇게 제1 신호 생성부(500)가 생성한 신호를 통하여 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부(100)는 그리드 전압(300)의 절대치와 동일한 전압을 생성하여 직/교류 변환부(200)에 전달할 수 있다.
도면 3도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 회로의 직/교류 변환부의 출력을 조절하는 신호를 생성하는 제2 신호 생성부의 내부 구성을 간략하게 보여주는 도면이다.
이러한 제2 신호 생성부(600)는 교류 그리드 전압을 센싱하고 이를 비교기로 비교하여 사각 펄스파를 만들 수 있다. 그리고, 이러한 사각 펄스파를 이용하여 양방향 전력변환 회로의 직/교류 변환부(200)의 제3 모스펫(211)과 제6 모스펫(214)의 게이트 단자에 인가할 신호를 만들고, 이러한 사각 펄스파를 반전하여 제4 모스펫(212)과 제5 모스펫(213)에 인가할 게이트 신호를 만들 수 있다.
이러한 제2 신호 생성부(600)로부터 생성된 신호는 교류 그리드 전압과 동일한 주파수를 가지는 신호일 수 있다. 따라서, 교류 그리드 전압(300)이 60 Hz로 동작하면 제2 신호 생성부(600)로부터 생성되는 신호도 60 Hz가 될 수 있으며 이를 통하여 직/교류 변환부(200)은 저주파 스위칭으로도 직류를 교류로 변환할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 말하는 저주파란 교류 그리드 전압(300)의 주파수와 동일한 주파수의 값을 지니는 주파수로 지칭될 수 있다.
이를 위하여 제2 신호 생성부(600)는 제3 연산증폭기(610), 앤드(AND) 게이트 회로(620), 낸드(NAND) 게이트 회로(630), 제10 저항(641) 및 제11 저항(642)를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로, 교류 그리드 전압(300)의 일단에 제10 저항(641)의 일단이 연결되고, 제10 저항(641)의 타단은 제3 연산증폭기(610)의 비반전 입력 단자에 연결될 수 있다. 그리고, 교류 그리드 전압(300)의 타단에 제11 저항(642)의 일단이 연결되고, 제11 저항(642)의 타단은 제3 연산증폭기(610)의 반전 입력 단자에 연결될 수 있다.
이렇게 교류 그리드 전압(300)이 제3 연산증폭기(610) 반전과 비반전 입력 단자에 주기를 가지고 입력됨에 따라 비교기로 작동하는 제3 연산증폭기(610)는 사각 펄스파를 출력단으로 내보내게 된다. 이런 사각 펄스파는 각각 앤드 게이트(620)와 낸드 게이트(630)로 입력되어 제3 모스펫(211)과 제6 모스펫(214)에 인가되는 게이트 신호와 제4 모스펫(212)과 제5 모스펫(213)에 인가되는 게이트 신호는 서로 반전되어 출력되게 된다.
이러한 게이트 신호는 한 주기에서는 제3 모스펫(211)과 제6 모스펫(214)을 턴온하여 양의 한 주기의 파형을 만들고 제4 모스펫(212)과 제5 모스펫(213)은 그 다음 주기에서 턴온하여 음의 한 주기의 파형을 만들어서 교류 그리드 전압(300)에 전력이 전달되는 것을 가능하게 하는 역할을 한다.
도면 4도는 시뮬레이션을 통하여 확인한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1 신호 생성부의 제1 연산증폭기의 입력단과 출력단의 신호 파형을 보여주는 그래프이다.
그래프 4D는 교류 그리드 전압(300)의 센싱 파형을 보여주는 그래프이다. 이러한 교류 그리드 전압(300)의 출력은 제7 다이오드(521)와 제8 다이오드(522)를 통하여 반파 정류되게 되고, 그래프 4B와 4C는 양의 반파 정류된 신호와 음의 반파 정류된 신호를 각각 보여주는 그래프이다. 그리고, 이런 반파 신호는 제1 연산증폭기(511)에 입력되게 되고, 제1 연산증폭기(511)는 비반전 입력 단자와 반전 입력단자의 차이를 증폭하여 전파 정류된 신호와 유사한 4A 신호를 출력하게 된다. 그리고, 마지막으로 4A의 신호와 레퍼런스 신호로 사용되는 톱니(Sawtooth)파는 비교기로 동작하는 제2 연산증폭기(512)로 입력되게 되고, 제2 연산증폭기(512)는 제1 연산증폭기(511)의 출력 신호인 4A신호와 톱니파를 비교하여 사각 펄스파를 생성하고 이를 사용하여 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부(100)의 출력을 제어하는 신호로 사용할 수 있다.
도면 5도는 시뮬레이션을 통하여 확인한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1 신호 생성부의 제2 연산증폭기의 입력과 출력단의 신호 파형을 보여주는 그래프이다.
그래프 5C는 기준 톱니파 전원(530)을 통하여 인가되는 신호를 보여주며, 그래프 5B는 제1 연산증폭기(511)를 통하여 출력되는 전파정류신호를 보여준다. 도면 5도에서는 기준 톱니파 전원(530)이 내보내는 톱니파의 주파수가 제1 연산증폭기(511)가 내보내는 전파정류신호보다 빠르므로 전파정류신호의 반주기안에 많은 수의 톱니파가 인가되는 것을 보여준다. 그리고, 비교기로 사용되는 제2 연산증폭기(512)는 이렇게 인가되는 톱니파와 제1 연산증폭기(511)의 전파정류된 출력 신호를 이용하여 사각펄스파를 생성한다. 그래프 5A는 이를 보여주는 그래프이다.
도면 6도는 시뮬레이션을 통하여 확인한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2 신호 생성부의 입 출력 파형을 보여주는 그래프이다.
도면 6도 상에서, 그래프 6C는 교류 그리드 전압(300)의 일단에서 측정한 전압 파형으로 교류 전압의 파형을 그대로 보여준다.
비교기로 사용되는 제3 연산증폭기(610)는 이러한 교류 그리드 전압(300)전압의 신호를 인가받아 사각 펄스파를 생성하여 앤드 게이트(620)와 낸드 게이트(630)에 인가한다.
그래프 6A와 그래프 6C는 이러한 앤드 게이트(620)과 낸드 게이트(630)을 통과한 신호 파형을 보여주며, 그래프 6A의 파형은 직/교류 변환부(200)의 제3 모스펫(211)과 제6 모스펫(214)의 게이트 단자에 인가될 신호의 파형을 보여준다. 그리고, 그래프 6B는 직/교류 변환부(200)의 제4 모스펫(212)과 제5 모스펫(213)에 사용될 게이트 신호를 나타낸다.
이러한 시뮬레이션을 통하여 그래프 6A와 그래프 6C의 저주파 신호 파형이 양(High)과 음(Negative)이 반대로 인가되는 것을 보여줌에 따라 직류를 교류로 변환하는 과정에서 사용될 저주파 스위칭 신호가 이상적으로 생성되었음을 확인할 수 있다.
도면 7도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 회로가 제대로 동작하는 여부를 시뮬레이션을 통하여 확인한 그래프이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 회로의 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부(100)의 필터 캐패시터(130) 양단의 전압을 측정한 결과, 그래프 7C와 같은 전파 정류신호를 확인할 수 있다. 이를 통하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1 신호 생성부(500)가 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부(100)의 제1 모스펫(111)의 게이트 단자에 인가할 게이트 신호를 제대로 생성하고 있음을 확인할 수 있다.
그리고, 직/교류 변환부(200)와 교류 그리드 전압(300)의 일단을 전압을 측정한 결과 그래프 7A와 7B의 파형을 보여주는 것을 확인할 수 있다.
이를 통하여, 제2 신호 생성부(600)에서 생성한 저주파 스위칭 신호도 제대로 동작함을 확인할 수 있다.
따라서, 위와 같은 시뮬레이션을 통하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부(100)의 제1 모스펫(111)의 게이트 단자에 인가되는 게이트 신호는 수십 KHz에 달하여 고주파 스위칭을 하나, 직/교류 변환부(200)의 제3 내지 제6 모스펫에 인가되는 신호는 교류 그리드 전압(300)의 주파수와 동일한 60 Hz 신호로서 저주파 스위칭을 통하여서도 직류를 교류로 쉽게 변환한 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙력된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 회로는 태양광 연계 신재생 에너지용 전원장치, 배터리 에너지 스토리지 시스템(Battery Energy Storage System) 및 무정전전원장치(UPS) 등 그리드 연계 전원 장치에 넓게 활용될 수 있다.
100 : 직류/직류(DC/DC) 벅부스트 컨버터부 111 : 제1 모스펫
112 : 제2 모스펫 121 : 제1 다이오드
122 : 제2 다이오드 130 : 필터 캐패시터
140 : 인덕터 200 : 직/교류 변환부
211 : 제3 모스펫 212 : 제4 모스펫
213 : 제5 모스펫 214 : 제6 모스펫
221 : 제3 다이오드 222 : 제4 다이오드
223 : 제5 다이오드 224 : 제6 다이오드
300 : 교류 그리드 전원 310 : 라인인덕터
400 : 배터리 500 : 제1 신호 생성부
511 : 제1 연산증폭기 512 : 제2 연산증폭기
521 : 제7 다이오드 522 : 제8 다이오드
530 : 기준 톱니파 전원 541 : 제1 저항
542 : 제2 저항 543 : 제3 저항
544 : 제4 저항 545 : 제5 저항
546 : 제6 저항 547 : 제7 저항
548 : 제8 저항 549 : 제9 저항
600 : 제2 신호 생성부 610 : 제3 연산증폭기
620 : 앤드 게이트 630 : 낸드 게이트
641 : 제10 저항 642 : 제11 저항

Claims (6)

  1. 교류를 직류로 변환하거나, 직류를 교류로 변환하는 양방향 전력변환 회로에 있어서,
    전압을 승압 또는 감압하여 전달하도록 구성된 직류/직류 벅부스트 컨버터부;
    직류를 교류로 변환하는 과정에서는 인버터로 동작하고, 교류를 직류로 변환하는 과정에서는 정류기로 동작하는 역할을 수행하는 직/교류 변환부;
    상기 직류/직류 벅부스트 컨버터부의 출력을 그리드 전압의 절대치와 동일하도록 조절하는 신호를 생성하는 제1신호 생성부; 및
    상기 직/교류 변환부의 출력을 조절하는 저주파 스위칭 신호를 생성하는 제2 신호 생성부;를 포함하는 양방향 전력변환 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 신호 생성부는
    교류 그리드 전압을 센싱하여 이를 기준 파형과 비교하여 직류/직류 벅부스트 컨버터부의 제1 전력용 반도체 스위칭 소자의 온/오프 스위칭 제어를 위한 단자에 인가할 신호를 생성하고,
    상기 제2 신호 생성부는
    상기 교류 그리드 전압을 센싱하여 이를 비교기로 비교하여 사각 펄스파를 생성하여 제3 및 제6 전력용 반도체 스위칭 소자의 온/오프 스위칭 제어를 위한 단자에 인가할 신호를 만들고,
    상기 사각 펄스파를 반전하여 제4 및 제5 전력용 반도체 스위칭 소자의 온/오프 스위칭 제어를 위한 단자에 인가할 신호를 만드는 것을 특징으로 하는 양방향 전력변환 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 신호 생성부는
    제1 및 제2 연산증폭기, 제7 및 제8 다이오드, 제1 내지 제9 저항을 포함하여 구성되고,
    교류 그리드 전원의 일단에 상기 제7 다이오드의 애노드 단자가 연결되고,
    상기 제7 다이오드의 캐소드 단자에 상기 제1 저항의 일단과 상기 제2 저항의 일단이 연결되고,
    상기 제2 저항의 타단에 상기 제3 저항의 일단과 상기 제1 연산증폭기의 비반전 입력 단자가 연결되며,
    상기 교류 그리드 전원의 타단에 상기 제8 다이오드의 캐소드 단자가 연결되고,
    상기 제8 다이오드의 애노드 단자에 상기 제4 저항의 일단과 상기 제5 저항의 일단이 연결되고,
    상기 제5 저항의 타단은 상기 제1 연산증폭기의 반전 입력 단자와 상기 제6 저항의 일단과 연결되고,
    상기 제6 저항의 타단은 상기 제1 연산증폭기의 출력단, 상기 제7 저항의 일단 및 상기 제8 저항의 일단과 연결되며,
    상기 제8 저항의 타단은 제2 연산증폭기의 비반전 입력 단자에 연결되고,
    기준 톱니파 전원에 상기 제9 저항의 일단이 연결되고,
    상기 제9 저항의 타단에 상기 제2 연산증폭기의 반전 입력 단자가 연결되며,
    상기 제1 저항의 타단, 상기 제3 저항의 타단, 상기 제4 저항의 타단 및 상기 제7 저항의 타단은 접지에 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 전력변환 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 신호부는
    제10 및 제11 저항, 제3 연산 증폭기, 앤드(AND) 게이트 회로 및 낸드(NAND) 게이트 회로를 포함하여 구성되고,
    교류 그리드 전원의 일단에 상기 제10 저항의 일단이 연결되고,
    상기 제10 저항의 타단에 상기 제3 연산 증폭기의 비반전 입력 단자가 연결되고,
    상기 교류 그리드 전원의 타단에 상기 제11 저항의 일단이 연결되고,
    상기 제11 저항의 타단에 상기 제3 연산 증폭기의 반전 입력 단자가 연결되며,
    상기 제3 연산 증폭기의 출력단에 상기 앤드 게이트 회로의 입력단과 상기 낸드 게이트 회로의 입력단이 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 전력변환 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 직류/직류 벅부스트 컨버터부는 제1 전력용 반도체 스위칭 소자, 제2 전력용 반도체 스위칭 소자, 제1 다이오드, 제2 다이오드, 인덕터 및 필터 캐패시터를 포함하여 구성되고, 충전 가능한 직류 전원의 양극에는 상기 제1 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유입 단자와 제1 다이오드의 캐소드가 연결되고, 상기 제1 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유출 단자에 상기 인덕터의 일단, 상기 필터 캐패시터의 일단 및 상기 제1 다이오드의 애노드가 연결되며, 상기 충전 가능한 직류 전원의 음극에는 상기 인덕터의 타단, 상기 제2 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유출 단자 및 제2다이오드의 애노드가 연결되고, 상기 제2 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유입 단자에 상기 필터 캐패시터의 타단이 연결되며,
    상기 직/교류 변환부는 제3 내지 제6 전력용 반도체 스위칭 소자 및 제3 내지 제6 다이오드를 포함하여 구성되고, 교류 그리드 전원의 일단에 제3 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유출 단자와 제3 다이오드의 애노드, 제4 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유입 단자 및 제4 다이오드의 캐소드가 연결되고, 상기 교류 그리드 전원의 타단에 제5 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유출 단자와 제5 다이오드의 애노드, 제6 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유입 단자 및 제6 다이오드 캐소드가 연결되며, 상기 직류/직류 벅부스트 컨버터부의 필터 캐패시터의 일단에 상기 제4 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유출 단자, 상기 제4 다이오드의 애노드, 상기 제6 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유출 단자 및 제6 다이오드의 애노드가 연결되고, 상기 필터 캐패시터의 타단에 상기 제3 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유입 단자, 제3 다이오드의 캐소드, 제5 전력용 반도체 스위칭 소자의 전류 유입 단자 및 제5 다이오드의 캐소드가 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 전력변환 회로.
  6. 제2항 또는 제5항에 있어서,
    상기 전력용 반도체 스위칭 소자는 모스펫, 절연 게이트 양극성 트랜지스터 또는 바이폴라 접합 트랜지스터 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 양방향 전력변환 회로.




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