KR20100077526A - 태양광 발전용 ｄｃ-ｄｃ 컨버터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 태양광 발전용 DC-DC 컨버터로서, 복수개의 DC-DC 컨버터 모듈이 직렬로 구성되어, PV 모듈로부터 직류 전압인 입력전압을 직렬로 인가받고, 출력전압을 병렬로 출력하며, 상기 복수개의 DC-DC 컨버터 모듈로부터의 출력전압 및 전류를 보상하며 PWM 신호의 위상을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 복수개의 DC-DC 컨버터 모듈에서 출력되는 복수개의 출력신호의 파형이 서로 일정 간격씩 이격되도록 각각의 위상을 천이시켜 PWM 신호의 위상을 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 DC-DC 컨버터이며, 본 발명에 의하면, 복수개의 DC-DC 컨버터 모듈을 직렬로 구성함에 있어서, 입력은 직렬로 출력은 병렬로 구성하여 상기 각각의 DC-DC 컨버터 모듈의 위상을 천이시켜 출력전류의 리플 전류를 줄일 수 있게 된다.
태양광, PV, 컨버터, 리플전류, PWM, 듀티.
Description
본 발명은 태양광 발전용 DC-DC 컨버터에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 직렬로 연결된 복수개의 DC-DC 컨버터 모듈에 대한 입력은 직렬로 출력을 병렬로 구성하고, 각각의 DC-DC 컨버터 모듈의 위상을 천이시켜 출력전류의 리플전류를 줄이는 DC-DC 컨버터에 대한 것이다.
전력수요의 급증은 곧 전력생산을 위한 에너지 자원의 소비 급증으로 이어지며, 이는 비용적 그리고 환경적인문제를 초래한다. 최근에는 가장 주된 에너지원이였던 화석에너지의 고갈과 환경적 문제로 인해 다양한 친환경적인 에너지원에 대한 개발이 활발히 진행되고 있는 추세이며, 그 중에서도 청정 에너지원인 태양광을 이용한 발전시스템 개발이 활발히 진행되고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 태양광 발전용 풀브릿지 DC-DC 컨버에 대한 도면을 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이 소정의 권선비로 감겨진 1차코일(L1)과 2차코 일(L2)로 이루어진 고주파 트랜스포머(T1)와, 상기 1차코일(L1)에 연결되는 제 1 내지 제 4 파워스위치(S1~S4)로 이루어진 풀브릿지 회로부와, 상기 2차 코일(L2)에 연결되도록 브릿지 다이오드 정류기(D1~D4)가 연결되어 잇으며, 그 후단으로는 코일(L3)과 콘덴서(C2)로 이루어진 LC 필터가 연결되어 있다.
이와 같이 구성된 풀브릿지 DC-DC 컨버터는 고주파 링크 타입의 태양광용 PCS에서 사용되는 것으로 태양전지 모듈의 낮은 가변 출력 DC 전압을 고압의 일정 DC 전압으로 승압하는 역할을 수행한다.
종래기술에 따른 태양광 발전용 전력변환장치(PV PCS)의 경우에 일반적으로 태양발전 시스템에서 복수개의 태양광 모듈로부터 고압이 전송되므로, 정격전압이 낮은 MOSFET 소자를 이용하기 어려운 문제가 있으며, 나아가서 출력 전류의 리플전류가 높이 나타나는 문제점 등을 가지고 있다.
본 발명은, 정격전압이 낮은 MOSFET 소자를 이용하여 ZVS(Zero Voltage Switching) 방식의 풀브릿지 토폴로지(Topology)를 구성하는 DC-DC 컨버터 모듈을 제공하며, 상기 DC-DC 컨버터 모듈을 복수개 구성하고 이에 대한 출력전류의 위상을 제어하여 리플전류를 줄일 수 있는 DC-DC 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명은, 복수개의 DC-DC 컨버터 모듈이 직렬로 구성되어, PV 모듈로부터 직류 전압인 입력전압을 직렬로 인가받고, 출력전압을 병렬로 출력하며, 상기 복수개의 DC-DC 컨버터로 모듈부터의 출력전압 및 전류를 보상하며 PWM 신호의 위상을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 복수개의 DC-DC 컨버터 모듈로부터의 출력신호 각각이 서로 일정 간격씩 이격되도록 각각의 위상을 천이시키는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 DC-DC 컨버터이다.
바람직하게는 2개의 DC-DC 컨버터 모듈이 직렬로 구성될 수 있으며, 상기 제어부는, 상기 2개의 DC-DC 컨버터 모듈에서 출력되는 2개 출력신호 중 어느 하나의 출력신호의 위상을 90도 천이시킬 수 있다.
나아가서 상기 제어부는, 기준전압에 기초하여 상기 각각의 출력전압을 보상하는 전압제어기; 기준전류에 기초하여 상기 각각의 출력전류를 보상하는 전류제어기; 및 상기 각각의 DC-DC 컨버터 모듈로부터의 출력신호의 위상을 천이시켜 이에 대한 각각의 듀티 신호를 발생시키는 PWM 신호 제어기를 포함할 수 있다.
또한 상기 DC-DC 컨버터 모듈은, ZVS(Zero Voltage Switching) 방식의 풀브릿지 토폴로지(Topology)로 구성될 수 있다.
바람직하게는 상기 DC-DC 컨버터 모듈은, 풀브릿지로 구성되는 4개의 MOSFET; 및 1차측 권선이 상기 풀브릿지에 연결되고 2차측 권선이 출력단의 브릿지 다이오드로 구성된 정류기에 연결되는 트랜스포머를 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 복수개의 DC-DC 컨버터 모듈을 직렬로 구성함에 있어서, 입력은 직렬로 출력은 병렬로 구성하여 상기 각각의 DC-DC 컨버터 모듈의 위상을 천이시켜 출력전류의 리플 전류를 줄일 수 있게 된다.
태양광 발전용 전력변환장치에서 MOSFET 소자로 구성되는 풀브릿지 토폴로지의 DC-DC 컨버터를 복수개 직렬로 구성하여 PV 모듈로부터의 고압전력에도 정격전압이 작은 MOSFET 소자의 적용이 가능하다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
도 2는 본 발명에 따른 태양광 발전용 DC-DC 컨버터에 대한 하나의 실시예에 대한 개략적인 구성을 나타낸다.
본 발명에 따른 태양광 발전용 DC-DC 컨버터는 복수개의 DC-DC 컨버터 모듈(200)이 연결되어 구성되는데, 복수개의 DC-DC 컨버터 모듈(200)이 직렬로 구성되어, PV 모듈(100)로부터 직류 전압인 입력전압을 직렬로 인가받고, 출력전압을 병렬로 출력한다.
또한 복수개의 DC-DC 컨버터 모듈(200)로부터의 출력전압 및 전류를 보상하 며 PWM 신호의 위상을 제어하는 제어부(300)를 포함한다.
여기서 제어부(300)는 상기 복수개의 DC-DC 컨버터 모듈(200)에서 병렬로 출력되는 복수개의 출력전압과 복수개의 출력전류의 파형이 서로 일정 간격씩 이격되도록 각각의 위상을 천이시켜 PWM 신호의 위상을 제어하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 간단한 다른 실시예를 도시한다.
도 3의 실시예에서는 2개의 DC-DC 컨버터 모듈(200)이 직렬로 구성되어 있으며, 2개의 DC-DC 컨버터 모듈(200)에서 각각의 DC-DC 컨버터 모듈(210,230)은, PV 모듈(100)로부터 직렬로 입력전압을 입력받고, 이에 대한 출력전압을 병렬로 출력한다.
또한 제어부(300)는 2개의 DC-DC 컨버터 모듈 각각의 위상이 서로 이격되도록 위상을 천이시켜 PWM 신호의 위상을 제어하게 된다.
도 3의 실시예의 DC-DC 컨버터 모듈에 대하여 도 4의 회로도를 참조하여 보다 상세히 살펴보기로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에서 DC-DC 컨버터 모듈은 ZVC(Zero Voltage Switching) 방식의 풀브릿지 토폴로지(Topology)로 구성될 수 있는데, 각각의 스위칭 기능을 하는 4개의 MOSFET을 풀브릿지로 이를 구현할 수 있다.
일반적으로 MOSFET은 정격전압이 낮기 때문에 큰 출력을 갖는 태양광 발전의 PV 모듈에 직접 적용하기가 용이하지 않는데, 이를 개선하고자 본 발명에서는 PV 모듈(100)로부터 입력되는 전압을 분압하여 입력하기 위하여 MOSFET으로 구성된 2개의 DC-DC 컨버터 모듈(210, 230)을 직렬로 구성하고 2개의 DC-DC 컨버터 모 듈(210, 230)로 구성된 DC-DC 컨버터(200)에 PV 모듈(100)로부터의 전압을 직렬로 입력받는다.
또한 승압을 위하여 소정의 권선비를 갖는 트랜스포머의 1차측 권선을 상기 MOSFET의 풀브릿지에 연결하고, 2차측 권선을 출력단의 브릿지 다이오드로 구성된 정류기에 연결하게 되며, 나아가서 2개의 DC-DC 컨버터 모듈(210, 230)로부터의 출력은 병렬로 구성한다.
도 4의 실시예에서 PV 모듈(100)로부터 입력되는 전압은 VPH이며, 각각의 DC-DC 컨버터 모듈(210, 230)의 상기 정류기를 거쳐 출력되는 전압은 VC가 되고, 전체 DC-DC 컨버터(200)에서의 출력은 상기 VPH와 VC과 합쳐진 VDC가 된다.
이때 도 4 상에는 도시되어 있지 않지만, 출력단에 걸리는 로드의 임피던스 및 각각의 DC-DC 컨버터 모듈의 내부 임피던스는 서로 동일하므로 각각의 DC-DC 컨버터 모듈에 걸리는 입력전압을 일정하게 유지할 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명에서는 복수개의 DC-DC 컨버터 모듈를 직렬로 연결하고 입력을 직렬로 출력을 병렬로 구성하는데, 입력을 직렬로 구성하여 PV 모듈로부터의 고압을 분압함으로써 정격전압이 낮은 MOSFET으로 컨버터의 구성이 가능하게 되며, 또한 출력을 병렬로 구성하여 각각의 DC-DC 컨버터 모듈로부터의 출력전류의 위상을 제어하여 리플전류를 줄일 수 있게 되는데, 이하에서 이와 같은 리플전류를 줄이기 위한 본 발명의 제어부에 대하여 살펴본다.
도 5는 도 4의 실시예에서 본 발명에 따른 제어부에 의한 출력전류의 위상을 제어하지 않는 경우의 출력에 대한 그래프를 도시한다.
도 4에서 각각의 DC-DC 컨버터 모듈(210, 230)에서 출력되는 출력전류는 각각 Io1과 Io2이며, 출력단이 병렬로 구성되므로 전체 DC-DC 컨버터에서의 출력전류는 상기 Io1과 Io2가 합쳐진 Io가 된다.
상기 Io1과 Io2의 각각의 출력 파형과 상기 Io1과 Io2가 합쳐진 Io의 출력 파형은 도 5에 도시된 바와 같이 나타나며, 도 5에서 보는 바와 같이 전체 출력전류 Io의 출력파형에는 리플전류가 높게 나타남을 알 수 있다.
이와 같은 리플전류를 줄이기 위하여, 본 발명에서는 출력전류의 위상을 제어하는 제어부(300)를 포함하며, 도 6은 제어부의 개략적인 구성을 나타낸다.
제어부(300)는 전압제어기(310), 전류제어기(320) 및 PWM 신호 제어기(330)를 포함하고 있으며, 여기서 전압제어기(310)는 DC-DC 컨버터(200)와 병렬로 구성되어 DC-DC 컨버터(200)의 출력전압을 피드백 받아 기준신호와 비교하여 전압의 오차를 보상하며, 전류제어기(320)는 DC-DC 컨버터(200)와 직렬로 구성되어 전압제어기(310)를 거친 전류 기준신호와 실제 출력전류를 대비하여 오차를 보상하게 된다.
전류제어기(310)와 전압제어기(320)를 통과한 신호를 가지고 PWM을 수해하게 되는데, 본 발명에서는 PWM 신호 제어기(330)를 통해 각각의 DC-DC 컨버터 모듈(210, 230)로부터의 출력신호의 위상을 천이시켜 이에 대한 각각의 듀티 신호를 발생시키게 된다.
도 7은 도 4의 실시예에서 본 발명에 따른 제어부에 의한 출력전류의 위상을 제어한 경우의 출력에 대한 그래프를 도시한다.
도 7에 도시된 바와 같이 제어부(300)에서 각각의 DC-DC 컨버터 모듈(210, 230)의 출력신호의 위상을 제어하여 출력전류의 리플전류가 현격하게 줄어들었음을 볼 수 있는데, 도 7에서는 도 4의 실시예에서 2개의 DC-DC 컨버터 모듈(210, 230)의 출력신호가 서로 90도의 위상차이를 갖도록 위상 천이를 시킨 결과를 나타낸다.
이와 같이 본 발명에 따라 2개의 DC-DC 컨버터 모듈(210, 230)을 직렬로 연결하여 입력은 직렬로 출력은 병렬로 구성하여 각각의 DC-DC 컨버터 모듈(210, 230)부터의 출력신호가 서로 90도 위상차이를 가지도록 위상 천이를 시키는 경우에 리플전류가 반으로 줄어들고 주파수가 2배로 증가하였음을 알 수 있으며, 이를 통해 출력 인덕터의 크기 또한 줄일 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 태양광 발전용 풀브릿지 DC-DC 컨버에 대한 도면을 나타내며,
도 2는 본 발명에 따른 태양광 발전용 DC-DC 컨버터에 대한 하나의 실시예에 대한 개략적인 구성을 나타내며,
도 3은 본 발명에 따른 태양광 발전용 DC-DC 컨버터에 대한 다른 실시예에 대한 개략적인 구성을 나타내며,
도 4는 도 3의 실시예에서의 DC-DC 컨버터에 대한 회로도를 나타내며,
도 5는 도 3의 실시예에서 위상천이 전 출력전류 및 출력전압에 대한 그래프를 나타내며,
도 6은 본 발명에 있어서, 제어부의 개략적인 구성을 도시하며,
도 7은 도 3의 실시예에서 위상천이 후 출력전류 및 출력전압에 대한 그래프를 나타낸다.
<도면의 주요부호에 대한 설명>
100 : PV 모듈,
200 : 복수개의 DC-DC 컨버터 모듈,
210, 230 : DC-DC 컨버터 모듈,
300 : 제어부,
310 : 출력전압 보상기,
320 : 출력전류 보상기,
330 : PWM 신호 제어기.
Claims (6)
- 복수개의 DC-DC 컨버터 모듈이 직렬로 구성되어, PV 모듈로부터 직류 전압인 입력전압을 직렬로 인가받고, 출력전압을 병렬로 출력하며,상기 복수개의 DC-DC 컨버터 모듈부터의 출력전압 및 전류를 보상하며 PWM 신호의 위상을 제어하는 제어부를 포함하며,상기 제어부는 상기 복수개의 DC-DC 컨버터 모듈로부터의 출력신호 각각이 서로 일정 간격씩 이격되도록 각각의 위상을 천이시키는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 DC-DC 컨버터.
- 제 1 항에 있어서,2개의 DC-DC 컨버터 모듈이 직렬로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 DC-DC 컨버터.
- 제 2 항에 있어서,상기 제어부는, 상기 2개의 DC-DC 컨버터 모듈에서 출력되는 2개 출력신호 중 어느 하나의 출력신호의 위상을 90도 천이시키는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 DC-DC 컨버터.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제어부는,기준전압에 기초하여 상기 각각의 출력전압을 보상하는 전압제어기;기준전류에 기초하여 상기 각각의 출력전류를 보상하는 전류제어기; 및상기 각각의 DC-DC 컨버터 모듈로부터의 출력신호의 위상을 천이시켜 이에 대한 각각의 듀티 신호를 발생시키는 PWM 신호 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 DC-DC 컨버터.
- 제 4 항에 있어서,상기 DC-DC 컨버터 모듈은, ZVS(Zero Voltage Switching) 방식의 풀브릿지 토폴로지(Topology)로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 DC-DC 컨버터.
- 제 5 항에 있어서,상기 DC-DC 컨버터 모듈은,풀브릿지로 구성되는 4개의 MOSFET; 및1차측 권선이 상기 풀브릿지에 연결되고 2차측 권선이 출력단의 브릿지 다이오드로 구성된 정류기에 연결되는 트랜스포머를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 DC-DC 컨버터.
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