KR20220074112A - 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터 - Google Patents

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KR20220074112A
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이승태
진용신
김학원
조관열
이강문
백승우
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주식회사 브이씨텍
한국교통대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터에 관한 것으로, 병렬로 연결되어 동작하는 제1 및 제2 컨버터 모듈들을 포함하고, 상기 제1 및 제2 컨버터 모듈들 각각은 부스트(boost) 모드에서 제1 전원부로부터 공급되는 전기 에너지를 제2 전원부로 전달하고, 벅(buck) 모드에서 상기 제2 전원부로부터 공급되는 전기 에너지를 상기 제1 전원부로 전달하기 위해 일시 저장하는 에너지 저장부; 일단이 상기 제1 전원부의 양극 단자에 연결되는 상단 인덕터; 일단이 상기 제1 전원부의 음극 단자에 연결되는 하단 인덕터; 상기 상단 인덕터의 타단과 연결되고 상기 에너지 저장부의 상단점 및 중성점에 각각 연결되는 상단 레그; 및 상기 하단 인덕터의 타단과 연결되고 상기 중성점 및 상기 에너지 저장부의 하단점에 각각 연결되는 하단 레그를 포함한다.

Description

3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터{3-LEVEL BUCK/BOOST BIDIRECTIONAL CONVERTER}
본 발명은 컨버터 구현 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 컨버터 모듈의 병렬 연결에도 인터리빙 운전이 가능하고 맥동 전류의 저감 효과를 제공할 수 있는 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터에 관한 것이다.
3-레벨 부스트 컨버터(TLB, 3-Level Boost Converter)는 높은 전압이 요구되는 경우에 사용될 수 있다. 또한, 큰 출력 전류가 필요한 경우, TLB를 병렬로 연결하여 사용할 수 있다. 한편, 배터리나 커패시터에 대한 응용의 경우 입출력 전류의 맥동을 저감하기 위하여 스위치의 위상각 조정을 통한 모듈 간 인터리브드 기법을 적용하여 입력전류의 리플 및 스위칭 손실을 줄일 수 있다.
하지만, 기존 TLB를 병렬로 연결하여 인터리빙 기법을 적용하게 되면 한쪽 커패시터가 단락되어 출력전압이 상단과 하단으로 분압되지 않는 현상이 발생할 수 있다.
또한, 해당 컨버터를 병렬 연결 시 모듈 간 상단과 하단 커패시터 사이의 중성점에 대한 연결이 커패시터 수명 관점과 제어에 있어 어떠한 차이가 존재하는지에 대한 연구가 필요하다.
한국등록특허 제10-1314903호 (2013.09.27)
본 발명의 일 실시예는 컨버터 모듈의 병렬 연결에도 인터리빙 운전이 가능하고 맥동 전류의 저감 효과를 제공할 수 있는 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 컨버터 모듈의 하단에 새로운 인덕터를 추가하여 인터리빙 기법이 적용 가능하게 하는 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 컨버터 모듈 간의 병렬 연결 시 중성점 연결을 통해 전류 실효값을 더 작게 함으로써 커패시터 수명을 늘릴 수 있는 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터를 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터는 병렬로 연결되어 동작하는 제1 및 제2 컨버터 모듈들을 포함하고, 상기 제1 및 제2 컨버터 모듈들 각각은 부스트(boost) 모드에서 제1 전원부로부터 공급되는 전기 에너지를 제2 전원부로 전달하고, 벅(buck) 모드에서 상기 제2 전원부로부터 공급되는 전기 에너지를 상기 제1 전원부로 전달하기 위해 일시 저장하는 에너지 저장부; 일단이 상기 제1 전원부의 양극 단자에 연결되는 상단 인덕터; 일단이 상기 제1 전원부의 음극 단자에 연결되는 하단 인덕터; 상기 상단 인덕터의 타단과 연결되고 상기 에너지 저장부의 상단점 및 중성점에 각각 연결되는 상단 레그; 및 상기 하단 인덕터의 타단과 연결되고 상기 중성점 및 상기 에너지 저장부의 하단점에 각각 연결되는 하단 레그를 포함한다.
상기 에너지 저장부는 상기 제2 전원부의 양극 단자와 음극 단자 사이에 직렬 연결되는 상단 커패시터 및 하단 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 상단 레그는 상기 상단 인덕터의 타단과 상기 중성점 사이에 연결되는 제1 상단 스위치; 및 상기 상단 인덕터의 타단과 상기 상단점 사이에 연결되는 제2 상단 스위치를 포함할 수 있다.
상기 하단 레그는 상기 중성점과 상기 제1 전원부의 음극 단자 사이에 연결되는 제1 하단 스위치; 및 상기 제1 전원부의 음극 단자와 상기 하단점 사이에 연결되는 제2 하단 스위치를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 컨버터 모듈들은 인터리빙 동작 시 각 컨버터 모듈의 상단과 하단 간에 90도의 위상 차이가 발생하고 컨버터 모듈들 간에 180도 위상 차이가 발생하며 단일 주기에 대해 상기 컨버터 모듈의 개수만큼의 위상 차이가 발생할 수 있다.
상기 제1 및 제2 컨버터 모듈들은 인터리빙 동작 시 상기 제1 컨버터 모듈의 상단 인덕터와 상기 제2 컨버터 모듈의 하단 인덕터에 상기 제1 전원부가 공급하는 입력전압이 균등하게 분배되고, 상기 상단 및 하단 커패시터들의 전압이 균등하게 분압된 결과 상기 제2 전원부로 공급되는 출력전압을 형성할 수 있다.
상기 제1 및 제2 컨버터 모듈들은 상기 병렬로 연결되기 위해 상기 상단 인덕터의 일단, 상기 하단 인덕터의 일단, 상기 상단점, 상기 중성점 및 상기 하단점이 각각 연결될 수 있다.
상기 제1 및 제2 컨버터 모듈들은 상기 병렬로 연결된 상태에서 상기 중성점 간의 연결은 제거될 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터는 컨버터 모듈의 하단에 새로운 인덕터를 추가하여 인터리빙 기법이 적용 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터는 컨버터 모듈 간의 병렬 연결 시 중성점 연결을 통해 전류 실효값을 더 작게 함으로써 커패시터 수명을 늘릴 수 있다.
도 1은 컨버터 모듈의 병렬 운전 회로상태를 설명하는 도면이다.
도 2는 컨버터 모듈의 병렬 운전 중 인터리빙 동작의 회로상태와 등가회로를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 단일 컨버터 모듈의 구성을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 컨버터 모듈의 병렬 연결 구성의 회로상태와 등가회로를 설명하는 도면이다.
도 5는 컨버터 모듈 간의 중성점 연결과 분리에 따른 비교를 설명하는 도면이다.
도 6은 도 5의 비교에 따른 커패시터 전류를 설명하는 도면이다.
도 7은 도 5의 비교에 따른 커패시터 전류의 FFT 분석을 설명하는 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 컨버터 모듈의 병렬 운전 회로상태를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 3-레벨 부스트 컨버터(이하, TLB)의 병렬 운전을 위한 회로 상태를 확인할 수 있다. 두 개의 TLB(Module 1 및 2)는 서로 병렬 연결될 수 있으며, 병렬 연결에 따라 파워소자가 동시에 온-오프(on-off)되기 때문에 그림 (a) 또는 (b)와 같이 정상적으로 동작할 수 있다. 한편, 컨버터 모듈의 회로 상태는 각 TLB의 스위치들에 대한 제어를 통해 운전 상태를 변경할 수 있다. TLB의 병렬 운전에 있어, 커패시터의 맥동을 저감하기 위한 인터리빙 동작을 수행하는 경우 병렬 연결된 두 개의 TLB가 단락되는 형상이 발생할 수 있다.
도 1에서, 각 TLB는 Module 1 및 2에 대응될 수 있으며, 제1 및 제2 컨버터 모듈에 대응될 수 있다. 제1 및 제2 컨버터 모듈은 동일한 단일 컨버터 모듈로 구현될 수 있으며, 병렬 연결을 위해 전원부의 양극 단락에서 서로 연결될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 컨버터 모듈은 전기 에너지를 임시 저장하는 커패시터의 양단에서 서로 연결될 수 있으며, 두개 이상의 커패시터들이 직렬로 연결된 경우 커패시터들 사이의 중성점에서도 서로 연결될 수 있다.
도 2는 컨버터 모듈의 병렬 운전 중 인터리빙 동작의 회로상태와 등가회로를 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 2개의 TLB는 병렬 연결되어 인터리빙 동작을 수행할 수 있다. 병렬 연결된 2개의 TBL에 대한 인터리빙 동작 시 각 컨버터 모듈의 상단과 하단 사이에 90도의 위상 차이가 발생할 수 있으며, 컨버터 모듈 간에는 180도의 위상 차이가 발생할 수 있다. 또한, 단일 주기에 대해 컨버터 모듈의 개수 만큼의 위상 차를 둔 상태에서 인터리빙 동작이 수행될 수 있다.
도 2에서, 컨버터 모듈을 병렬 연결하여 인터리빙 동작을 수행할 경우, 그림 (b)와 같이 임피던스가 중성점을 기준으로 상단쪽에만 존재할 수 있다. 따라서, 하단 커패시터(CL)는 키르히호프(Kirchhoff) 전압 법칙에 의해서 0 V가 될 수 있고, 출력전압(Vout)은 상단 커패시터(CH)에만 걸리는 현상이 발생할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 단일 컨버터 모듈의 구성을 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터는 2개의 단일 컨버터 모듈들이 병렬로 연결되어 동작할 수 있다. 2개의 단일 컨버터 모듈들은 각각 제1 및 제2 컨버터 모듈들에 대응될 수 있다. 제1 및 제2 컨버터 모듈들 각각은 에너지 저장부(310), 상단 인덕터(320), 하단 인덕터(330), 상단 레그(340) 및 하단 레그(350)를 포함할 수 있다.
에너지 저장부(310)는 컨버터 동작 과정에서 출력으로 전달되는 전기 에너지를 일시적으로 저장하는 역할을 수행할 수 있다. 예를 들어, 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터는 부스트(boost) 모드 또는 벅(buck) 모드에 따라 양방향으로 동작할 수 있다. 에너지 저장부(310)는 부스트(boost) 모드에서 제1 전원부(371)로부터 공급되는 전기 에너지를 제2 전원부(372)로 전달하고, 벅(buck) 모드에서 제2 전원부(372)로부터 공급되는 전기 에너지를 제1 전원부(371)로 전달할 수 있으며, 이를 위하여 적어도 하나의 커패시터를 통해 전기 에너지를 저장할 수 있다.
한편, 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터는 부스트 모드를 통해 제1 전원부(371)의 전원을 승압해서 제2 전원부(372)로 전달할 수 있고, 벅 모드를 통해 제2 전원부(372)의 전원을 감압해서 제1 전원부(371)로 전달할 수 있다. 또한, 제2 전원부(372)는 필요에 따라 저항 소자로 대체되어 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 에너지 저장부(310)는 제2 전원부(372)의 양극 단자와 음극 단자 사이에 직렬 연결되는 상단 커패시터(CH) 및 하단 커패시터(CL)를 포함하여 구성될 수 있다. 이 경우, 상단 커패시터(CH)와 하단 커패시터(CL) 사이에 중성점(362)이 형성될 수 있으며, 해당 중섬점(362)을 통해 상단 레그(340) 및 하단 레그(350)와 연결될 수 있다. 또한, 상단 커패시터(CH)는 제2 전원부(372)의 양극 단자와 연결될 수 있고, 하단 커패시터(CL)는 제2 전원부(372)의 음극 단자와 연결될 수 있다.
상단 인덕터(320)는 일단이 제1 전원부(371)의 양극 단자에 연결될 수 있으며, 제1 전원부(371)에서 공급되는 전기 에너지를 반대 방향으로 전달하는 역할을 수행할 수 있다. 상단 인덕터(320)는 동작 모드에 따라 방향만 달리하여 동일한 역할을 수행할 수 있다. 상단 인덕터(320)의 타단은 상단 레그(340)와 연결될 수 있다. 구체적으로, 상단 레그(340)가 두개의 스위치들로 구성된 경우 상단 인덕터(320)는 해당 스위치들 사이로 연결될 수 있다.
하단 인덕터(330)는 일단이 제1 전원부(371)의 음극 단자에 연결될 수 있으며, 전기 에너지를 제1 전원부(371)로 전달하는 역할을 수행할 수 있다. 하단 인덕터(330)는 동작 모드에 따라 방향만 달리하여 동일한 역할을 수행할 수 있다. 하단 인덕터(330)의 타단은 하단 레그(350)와 연결될 수 있다. 구체적으로, 하단 레그(350)가 두개의 스위치들로 구성된 경우 하단 인덕터(330)는 해당 스위치들 사이로 연결될 수 있다.
상단 레그(340)는 상단 인덕터(320)의 타단과 연결되고 에너지 저장부(310)의 상단점(361) 및 중성점(362)에 각각 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 상단 레그(340)는 제1 상단 스위치(SH1) 및 제2 상단 스위치(SH2)를 포함할 수 있다. 제1 상단 스위치(SH1)는 상단 인덕터(320)의 타단과 중성점(362) 사이에 연결될 수 있고, 제2 상단 스위치(SH2)는 상단 인덕터(320)의 타단과 상단점(361) 사이에 연결될 수 있다.
하단 레그(350)는 하단 인덕터(330)의 타단과 연결되고 에너지 저장부(310)의 중성점(362) 및 하단점(363)에 각각 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 하단 레그(350)는 제1 하단 스위치(SL1) 및 제2 하단 스위치(SL2)를 포함할 수 있다. 제1 하단 스위치(SL1)는 중성점(362)과 제1 전원부(371)의 음극 단자 사이에 연결될 수 있고, 제2 하단 스위치(SL2)는 제1 전원부(371)의 음극 단자와 하단점(363) 사이에 연결될 수 있다.
여기에서, 제1 상단 및 하단 스위치들과 제2 상단 및 하단 스위치들은 모스 트랜지스터로 구현될 수 있고, 별도의 스위치 제어부(도면에 미도시함)를 통해 제어될 수 있다. 즉, 스위치 제어부는 각 스위치의 게이트 전압을 제어하여 해당 스위치들이 온-오프(on-off) 동작을 제어할 수 있다. 한편, 스위치는 MOSFET(Metal Oxide Field Effect Transistor)를 예도 들어 설명하였으나, 반드시 이에 한정되지 않고, IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor) 등의 소자로 구현될 수도 있다. 또한, 각 스위치들은 컨버터의 동작 모드에 따라 스위치 소자 또는 바디 다이오드로 사용될 수도 있다.
도 4는 본 발명에 따른 컨버터 모듈의 병렬 연결 구성의 회로상태(도 4a)와 등가회로(도 4b)를 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터(400)는 하단에 새로운 인덕터가 추가된 컨버터 모듈을 병렬로 구성하여 구현될 수 있다. 인덕터 L1a와 L2b, 상단 커패시터와 하단 커패시터가 각각 동일하다고 가정하면 다음의 수학식 1 내지 3과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
[수학식 2]
Figure pat00002
[수학식 3]
Figure pat00003
여기에서, vi 및 vo는 각각 입력전압 및 출력전압에 해당하고,
Figure pat00004
및
Figure pat00005
는 각각 인덕터 L1a 및 L2b의 전압에 해당한다.
또한, 수학식 1 및 2에 의해서 각 모듈 1(Module 1)의 상단 인덕터와 모듈 2(Module 2)의 하단 인덕터에는 입력전압의 절반이 분배될 수 있고, 상단 및 하단 커패시터들의 전압은 출력전압이 절반으로 분압될 수 있다. 즉, 모듈 2(Module 2)의 상단 인덕터와 모듈 2(Module 2)의 하단 인덕터는 수학식 3과 같이 표현될 수 있다. 본 발명에 따른 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터(400)는 TLB 컨버터를 인터리빙 동작 시 하단에 인덕터를 추가함으로써 회로 임피던스가 평형이 되게 할 수 있고, 출력전압이 분압되도록 구현된 점에서 인터리빙 기법이 적용될 수 있다.
도 5는 컨버터 모듈 간의 중성점 연결과 분리에 따른 비교를 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터는 제1 및 제2 컨버터 모듈들이 병렬 연결되어 상단 인덕터의 일단, 하단 인덕터의 일단, 에너지 저장부의 상단점, 중성점 및 하단점에서 각각 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 컨버터 모듈들은 병렬로 연결된 상태에서 중성점 간의 연결은 제거될 수 있다.
도 5의 그림 (a) 및 (b)와 같이 TLB 컨버터를 병렬 연결 시 모듈 간 중성점 연결방식에 따라 커패시터 맥동 전류의 차이를 확인할 수 있다. 그림 (a)의 경우 모듈 중성점 연결 시 각 모듈의 상단과 하단 커패시터가 병렬 연결될 수 있다. 즉, 각 상단과 하단 커패시터가 동일하게 제어될 수 있다. 다만, 모듈 간 중성점을 분리하게 되면 각 모듈의 상단과 하단 커패시터가 독립되고, 출력전압은 같지만 인터리빙 동작 시 각 상단과 하단 커패시터의 전압은 달라질 수 있다.
또한, 모듈 간 중성점의 연결에 따라 커패시터에 흐르는 전류가 달라질 수 있으며, 다음의 수학식 4와 같이 커패시터에 흐르는 전류의 실효값은 커패시터 수명에 영향을 미칠 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00006
이하, 도 6 및 7에서, 각 커패시터에서 흐르는 전류의 실효값에 대해 중성점 연결에 따른 비교를 시뮬레이션을 통해 설명한다. 도 6은 도 5의 비교에 따른 커패시터 전류를 설명하는 도면이고, 도 7은 도 5의 비교에 따른 커패시터 전류의 FFT 분석을 설명하는 도면이다.
도 6 및 7을 참조하면, 먼저 시뮬레이션 조건은 다음과 같다. Vin 1000[V], Vout 1500[V], L1a=L1b=L2a=L2b 0.25[mH], CH=CL 900[uF], Duty 0.32, Frequency 10[kHz]이다.
도 6의 경우, 모듈간 중성점 연결에 따라 하나의 커패시터에 흐르는 전류를 나타낼 수 있다. 계산값과 시뮬레이션 값을 통하여 중성점 연결 시 전류의 실효값은 약 66[A], 분리시 실효값은 약 100[A]로 중성점 연결시 커패시터의 수명에서 유리하다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 6의 그림 (a)는 중성점 분리 시에 해당하고, 그림 (b)는 중성점 연결 시에 해당한다.
도 7의 경우, 중성점 연결에 따른 FFT분석 결과를 나타낼 수 있다. 분석 결과 중성점 연결 시 스위칭 주파수에 해당하는 10kHz성분이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 7의 그림 (a)는 중성점 분리 시에 해당하고, 그림 (b)는 중성점 연결 시에 해당한다.
본 발명에 따른 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터는 병렬 연결된 컨버터 모듈 간의 인터리빙 동작을 위해 새로운 인덕터를 추가로 포함하여 구현될 수 있다. 또한, 컨버터 모듈간 중성점 연결 유무에 따라 커패시터 맥동 전류에 차이가 발생할 수 있으며, 본 발명에 따른 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터는 병렬 연결 시 중성점이 연결되도록 하여 맥동 전류의 저감 효과를 획득할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터는 중성점 연결을 통해 전류 실효값을 더 작게 함으로써 커패시터 수명을 늘릴 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 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.
310: 에너지 저장부 320: 상단 인덕터
330: 하단 인덕터 340: 상단 레그
350: 하단 레그 361: 상단점
362: 중성점 363: 하단점
371: 제1 전원부 372: 제2 전원부
400: 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터

Claims (8)

  1. 병렬로 연결되어 동작하는 제1 및 제2 컨버터 모듈들을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 컨버터 모듈들 각각은
    부스트(boost) 모드에서 제1 전원부로부터 공급되는 전기 에너지를 제2 전원부로 전달하고, 벅(buck) 모드에서 상기 제2 전원부로부터 공급되는 전기 에너지를 상기 제1 전원부로 전달하기 위해 일시 저장하는 에너지 저장부;
    일단이 상기 제1 전원부의 양극 단자에 연결되는 상단 인덕터;
    상기 상단 인덕터의 타단과 연결되고 상기 에너지 저장부의 상단점 및 중성점에 각각 연결되는 상단 레그; 및
    상기 제1 전원부의 음극 단자에 연결되고 상기 중성점 및 상기 에너지 저장부의 하단점에 각각 연결되는 하단 레그를 포함하는 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    일단이 상기 제1 전원부의 음극 단자에 연결되는 하단 인덕터를 더 포함하고,
    상기 하단 레그는 상기 하단 인덕터의 타단과 연결되며,
    상기 제1 및 제2 컨버터 모듈들은 상기 병렬로 연결되기 위해 상기 상단 인덕터의 일단, 상기 하단 인덕터의 일단, 상기 상단점, 상기 중성점 및 상기 하단점이 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 에너지 저장부는
    상기 제2 전원부의 양극 단자와 음극 단자 사이에 직렬 연결되는 상단 커패시터 및 하단 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터.
  4. 제2항에 있어서, 상기 상단 레그는
    상기 상단 인덕터의 타단과 상기 중성점 사이에 연결되는 제1 상단 스위치; 및
    상기 상단 인덕터의 타단과 상기 상단점 사이에 연결되는 제2 상단 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터.
  5. 제2항에 있어서, 상기 하단 레그는
    상기 중성점과 상기 제1 전원부의 음극 단자 사이에 연결되는 제1 하단 스위치; 및
    상기 제1 전원부의 음극 단자와 상기 하단점 사이에 연결되는 제2 하단 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 컨버터 모듈들은
    인터리빙 동작 시 각 컨버터 모듈의 상단과 하단 간에 90도의 위상 차이가 발생하고 컨버터 모듈들 간에 180도 위상 차이가 발생하며 단일 주기에 대해 상기 컨버터 모듈의 개수만큼의 위상 차이가 발생하는 것을 특징으로 하는 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터.
  7. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 컨버터 모듈들은
    인터리빙 동작 시 상기 제1 컨버터 모듈의 상단 인덕터와 상기 제2 컨버터 모듈의 하단 인덕터에 상기 제1 전원부가 공급하는 입력전압이 균등하게 분배되고, 상기 상단 및 하단 커패시터들의 전압이 균등하게 분압된 결과 상기 제2 전원부로 공급되는 출력전압을 형성하는 것을 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터.
  8. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 컨버터 모듈들은
    상기 병렬로 연결된 상태에서 상기 중성점 간의 연결은 제거되는 것을 특징으로 하는 3-레벨 벅/부스트 양방향 컨버터.
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