KR101628133B1

KR101628133B1 - 펄스폭 변조 공진 컨버터 및 이를 이용한 차량용 충전기

Info

Publication number: KR101628133B1
Application number: KR1020140083556A
Authority: KR
Inventors: 김종필; 김석준; 김삼균; 이우영; 이준영; 이병권
Original assignee: 현대자동차 주식회사; 기아자동차 주식회사; 명지대학교 산학협력단
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2016-06-08
Also published as: CN105322812A; KR20160007852A; US20160001665A1; CN105322812B; EP2963797A2; US10071637B2; JP2016019463A; EP2963797A3; EP2963797B1

Abstract

본 발명의 펄스폭 변조 공진 컨버터는 변압기; 상기 변압기의 1차측 코일에 전기적으로 연결되는 제1 내지 제4 스위치를 포함하며, 상기 제1 내지 제4 스위치들의 스위칭 동작-여기서, 상기 각 스위치는 양단의 전압차가 0인 경우 오프에서 온으로 스위칭됨-에 의해 직류전압을 교류전압으로 변환하는 스위칭부; 및 상기 변압기의 2차측 코일에 전기적으로 연결되는 제1 내지 제4 다이오드, 출력 커패시터, 상기 변압기의 2차측 코일에 전기적으로 연결되는 공진 커패시터와 공진 인덕터를 가지는 공진 탱크를 포함한다.
본 발명에 따르면, 변압기의 1차측에 연결되는 다수의 스위치가 1차측의 자화 인덕턴스를 이용하여 영전압 스위칭을 수행하기 때문에 스위칭 손실을 최소화할 수 있으며, 2차측에 흐르는 전류는 공진 인덕터와 공진 커패시터에 의해 공진전류가 흐르기 때문에 2차측에 연결된 다이오드의 내압을 낮출 수 있는 장점이 있다.

Description

펄스폭 변조 공진 컨버터 및 이를 이용한 차량용 충전기{A Pulse Width Modulation Resonance Converter and Charger for Vehicle Using the Same}

본 발명은 펄스폭 변조 공진 컨버터 및 이를 이용한 차량용 충전기에 관한 것이다.

최근 수요가 급증한 전기자동차(electric vehicle: 이하 'EV'라함) 및 플러그인 하이브리드 방식의 차량에 탑재되는 충전기는 자동차의 연비와 직결되는 중요한 부품이므로 고효율화의 요구가 증가하고 있다. 차량 탑재형 충전기는 상용전원을 입력으로 사용하므로 90Vrms~265Vrm의 입력전압 범위에서 사용이 가능해야 하고, 역률 개선이 가능해야 하며 배터리 사양에 따라 250V~450V까지의 넓은 범위의 충전전압에 대응이 가능해야 한다.

이러한 요구조건을 만족하기 위해 EV 충전용 컨버터는 역률 개선을 위한 AC/DC컨버터인 PFC(Power Factor Correction) 부스트 컨버터(Boost Converter)(이하, PFC 컨버터)와 PFC 컨버터에서 출력된 직류(DC) 전압을 배터리 충전전압으로 바꿔주는 DC/DC컨버터의 2단으로 구성되어 있다. 이 중에서 DC/DC 컨버터는 절연을 위해 절연형 변압기를 사용하는데, 이러한 절연형 DC/DC 컨버터는 충전기의 효율에 많은 영향을 미치게 된다.

상용화된 전기자동차 충전기용 DC/DC 컨버터로 위상천이 풀브리지(Phase Shift Full Bridge, 이하 'PSFB '라 함) 방식의 컨버터를 주로 사용하는데, 위상천이 풀브리지 방식의 컨버터는 낮은 부하에서의 소프트 스위칭이 어렵고, 이차측의 정류단에 과도한 내압이 인가되어 도통손실이 큰 소자를 사용할 수밖에 없으며, 전압서지(voltage serge) 저감을 위한 스너버가 필요하다. 이로 인해 위상천이 풀브리지 방식을 사용한 컨버터의 경우 최대부하에서의 효율이 92%를 넘기 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 2차측 다이오드의 내압을 저감하고 부하에 관계없이 영전압 스위칭을 하는 펄스폭 변조 공진 컨버터 및 이를 이용한 차량용 충전기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 특징에 따른 펄스폭 변조 공진 컨버터는

변압기; 상기 변압기의 1차측 코일에 전기적으로 연결되는 제1 내지 제4 스위치를 포함하며, 상기 제1 내지 제4 스위치들의 스위칭 동작-여기서, 상기 각 스위치는 양단의 전압차가 0인 경우 오프에서 온으로 스위칭됨-에 의해 직류전압을 교류전압으로 변환하는 스위칭부; 및 상기 변압기의 2차측 코일에 전기적으로 연결되는 제1 내지 제4 다이오드, 출력 커패시터, 상기 변압기의 2차측 코일에 전기적으로 연결되는 공진 커패시터와 공진 인덕터를 가지는 공진 탱크를 포함한다.

여기서, 상기 제1 및 제2 다이오드의 접점에 상기 변압기의 2차측 코일의 일단이 전기적으로 연결되며, 상기 공진 탱크는 상기 변압기의 2차측 코일의 타단과 상기 제3 및 제4 다이오드의 접점 사이에 전기적으로 연결되며, 상기 출력 커패시터는 상기 제1 및 제4 다이오드의 접점과 상기 제2 다이오드와 제3 다이오드 사이의 접점 사이에 전기적으로 연결된다.

또한, 직렬로 연결되는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 접점에 상기 변압기의 1차측 코일의 일단이 전기적으로 연결되며, 직렬로 연결되는 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치의 접점에 상기 변압기의 1차측 코일의 타단이 전기적으로 연결된다.

그리고, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이에 입력 커패시터가 전기적으로 연결된다.

본 발명의 특징에 따른 차량용 충전기는 차량의 모터 제너레이터로 전력을 공급하는 고전압 배터리와 상기 차량의 전장에 전력을 공급하는 저전압 배터리를 충전하는 차량용 충전기로서,

입력 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 AC/DC 컨버터; 변압기의 1차측에 형성된 다수의 스위치, 변압기의 2차측에 형성된 공진 인덕터와 공진 커패시터를 포함하며, 상기 AC/DC 컨버터에서 출력된 직류 전압의 레벨을 조정하여 상기 고전압 배터리를 충전하기 위한 제1 전압을 생성하는 제1 컨버터; 및 상기 제1 컨버터의 출력전압 또는 상기 고전압 배터리의 출력전압을 제1 고정 전압으로 하고, 상기 제1 고정전압을 기초로 감압하여 상기 저전압 배터리를 충전하기 위한 제2 전압을 생성하는 저전압 공급부를 포함한다.

여기서, 상기 저전압 공급부는 상기 제1 컨버터의 출력전압 또는 상기 고전압 배터리의 출력전압을 상기 제1 고정전압으로 유지시키는 고정전압 생성부와, 상기 고정전압 생성부로부터 출력된 상기 제1 고정전압을 듀티비 조정을 통해 상기 제2 전압으로 변환시킨 후, 상기 제2 전압으로 상기 저전압 배터리를 충전하는 저전압 DC/DC 컨버터를 포함한다.

그리고, 상기 고정 전압 생성부는 상기 제1 컨버터의 출력단과 상기 고전압 배터리의 일단에 전기적으로 연결되는 제1 스위치, 상기 제1 스위치와 상기 고전압 배터리의 타단에 전기적으로 연결되는 다이오드; 및 상기 제1 컨버터의 출력단과 상기 고전압 배터리의 일단에 전기적으로 연결되는 인덕터를 포함한다.

이때, 상기 고전압 배터리를 충전하는 제1 모드에서 상기 제1 스위치는 온 상태로 되며, 상기 저전압 배터리를 충전하는 제2 모드에서 상기 제1 스위치, 상기 다이오드 및 상기 인덕터는 Buck DC/DC 컨버터로 동작한다.

또한, 상기 고정 전압 생성부는 상기 제1 스위치에 병렬로 연결되고 상기 제1 컨버터의 출력단과 상기 고전압 배터리의 일단에 전기적으로 연결되는 제2 스위치를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 고전압 배터리를 충전하는 제1 모드에서 상기 제2 스위치는 온 상태로 되며, 상기 저전압 배터리를 충전하는 제2 모드에서 상기 제2 스위치는 오프 상태로 되고, 상기 제1 스위치, 상기 다이오드 및 상기 인덕터는 Buck DC/DC 컨버터로 동작한다.

한편, 상기 저전압 공급부는

차량의 정차 중에는 상기 제1 컨버터의 출력전압을 기초로 상기 제1 고정전압으로 유지시키고, 차량의 운행 중에는 상기 고전압 배터리의 출력전압을 기초로 상기 제1 고정전압을 유지시킨다.

본 발명의 실시예에 따른 PMW 공진 컨버터는 변압기의 1차측에 연결되는 다수의 스위치가 1차측의 자화 인덕턴스를 이용하여 영전압 스위칭을 수행하기 때문에 스위칭 손실을 최소화할 수 있으며, 2차측에 흐르는 전류는 공진 인덕터와 공진 커패시터에 의해 공진전류가 흐르기 때문에 2차측에 연결된 다이오드의 내압을 낮출 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예 따르면, 저전압 DC/DC 컨버터가 고전압 배터리의 출력전압변동과 관계없이, 고정된 전압을 안정적으로 전압을 공급받을 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차 충전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 PWM 공진 컨버터와 저전압 공급부를 상세하게 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 PWM 공진 컨버터의 동작을 나타내는 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서 설명하는 차량용 충전기는 전기 자동차용 충전기를 예로서 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 플러그인 하이브리드 차량과 같이 배터리에 전력을 충전하는 다른 모든 차량의 충전기에도 적용이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차 충전 시스템을 나타내는 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차 충전 시스템은 AC/DC 컨버터(500), PWM 공진 컨버터(100), 저전압 공급부(200), 고전압 배터리(300), 및 저전압 배터리(400)를 포함한다.

도 l에서, AC/DC 컨버터(500), PWM 공진 컨버터(100) 및 저전압 공급부(200)는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 충전기를 구성한다.

도 1에서, 고전압 배터리(300)는 전기 자동차의 모터 제너레이터로 전력을 공급하는 역할을 수행하며, 저전압 배터리(300)는 차량의 전장에 전력을 공급하는 역할을 수행한다.

도 1에서, AC/DC컨버터(500)는 입력 상용 교류 전압을 직류전압으로 변환하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예에서는 AC/DC 컨버터(500)를 PFC 컨버터로 구현하여 정류 회로(도시하지 않음)를 통해 입력되는 입력 전압 및 입력 전류의 위상을 일치시켜 역률을 개선한다. 이러한 PFC 컨버터는 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 이해할 수 있는 사항이므로 이하에서 상세한 설명은 생략한다. 한편, 본 발명의 실시예에서는 AC/DC컨버터로서 PFC 컨버터를 사용하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다른 AC/DC 컨버터를 사용할 수도 있다. 한편, 본 발명의 실시예에서는 충전을 위한 전력원으로서 상용 교류 전압을 사용하였기 때문에 AC/DC 컨버터(500)를 구비하였지만, 상용 교류 전압이 아닌 DC 전압을 사용하는 경우에는 AC/DC 컨버터(500)를 사용하지 않을 수도 있다.

도 1에서 PWM 공진 컨버터(100)는 AC/DC 컨버터(500)에서 출력된 직류 전압의 레벨을 조정하여 고전압 배터리(300)의 배터리 충전전압으로 바꿔주는 컨버터이다. 본 발명의 실시예에 따르면 PWM 공진 컨버터(100)는 변압기의 1차측에 위치한 복수의 스위치의 스위칭 동작에 따라 공급되는 전압 및 전류를 변환하여, 변환된 전압 및 전류를 2차측에 전달한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 1차측의 복수의 스위치는 자화 인덕턴스를 이용한 영전압 스위칭을 수행하고, 2차측에는 공진 전류가 흐른다.

도 1에서, 저전압 공급부(200)는 고정전압 생성부(220)와 저전압 DC/DC 컨버터(240)를 포함하며, PWM 공진 컨버터(100)의 출력전압 또는 고전압 배터리(300)의 출력전압을 고정전압으로 생성한 후, 고정전압을 듀티비 조정 등을 통해 필요한 전압으로 감압한 후 감압된 전압으로 저전압 배터리(400)를 충전시킨다.

구체적으로, 고정전압 생성부(220)는 PWM 공진 컨버터(100)의 출력전압 또는 고전압 배터리(300)의 출력전압을 제1 고정전압으로 유지하는 역할을 하며, 유지된 고정전압을 저전압 DC/DC 컨버터(240)로 공급한다. 저전압 DC/DC 컨버터(240)는 고정전압 생성부(220)로부터 출력된 제1 고정전압을 듀티비 조정을 통해 제2 전압으로 변환시킨 후, 변환된 제2 전압으로 저전압 배터리(400)를 충전한다.

이때, 본 발명의 실시예에 따르면, 저전압 공급부(200)는 상용 전원이 공급되는 차량의 정차 중에는 PWM 공진 컨버터(100)의 출력전압을 기초로 제1 고정전압으로 유지시키고, 차량의 운행 중에는 고전압 배터리(300)의 출력전압을 기초로 제1 고정전압을 유지시킨다. 그리고, 유지된 제1 고정 전압을 듀티비 조정을 통해 필요한 제2 전압으로 감압시킨 후, 감압된 제2 전압으로 저전압 배터리(400)를 충전시킨다.

종래 저전압 DC/DC 컨버터는 고전압 배터리로부터 직접 전압을 공급 받았으나, 고전압 배터리의 출력전압이 고전압 배터리의 SoC(State of Charge)에 따라 변동될 수 있기 때문에, 저전압 DC/DC 컨버터에 입력되는 전압이 변동하는 문제가 있었다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, 저전압 DC/DC 컨버터(240)가 고전압 배터리의 출력전압변동과 관계없이, 고정전압 생성부(220)를 통해 안정적으로 전압을 공급받을 수 있는 장점이 있다.

다음은 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 PWM 공진 컨버터(100)와 저전압 공급부(200)를 보다 상세하게 설명한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 PWM 공진 컨버터(100)는 스위칭부(120), 변압기(T1), 정류부(140)를 포함한다.

스위칭부(120)는 변압기의 1차측에 연결되는 다수의 MOSFET 스위치(M1, M2, M3, M4)를 포함하며, 각 스위치들의 스위칭 동작을 통해 AC/DC 컨버터(500)로부터 출력된 직류 전압을 교류 전압으로 변환한다. 다수의 MOSFET 스위치(M1, M2, M3, M4)는 각각 양단에 커패시터(C1, C2, C3, C4)가 형성되고, 역방향의 바디 다이오드가 형성된다. 이하에서는 각 스위치의 양단에 형성되는 커패시터를 각각 스위치 커패시터라 칭한다.

이때, 본 발명의 실시예에 따르면, 후술하는 바와 같이 복수의 스위치가 1차측의 자화 인덕턴스를 이용하여 영전압 스위칭을 수행하기 때문에, 스위칭 손실을 최소화할 수 있다.

변압기(T1)는 스위칭부(120)의 스위칭 동작에 의해 생성되는 교류 전압(이하 제1 교류 전압이라 함)의 레벨을 조절한다. 구체적으로 변압기(T1)는 스위칭부(120)로부터 전달된 전류(제1 교류 전압에 대응함)의 레벨을 조절해 1차측에서 2차측으로 전달한다. 이때, 전달된 전류의 레벨은 1차측과 2차측의 코일의 감긴수의 비율에 따라 결정된다.

정류부(140)는 브리지 다이오드(D1, D2, D3, D4), 변압기의 2차측에 연결되는 공진 인덕터(Lr), 공진 커패시터(Cr) 및 출력 커패시터(C0)를 포함한다. 이때, 공진 인덕터(Lr)와 공진 커패시터(Cr)는 공진 탱크를 구성한다.

도 2에서, 공진 탱크(Lr,Cr)는 변압기의 2차측 코일의 일단에 연결되는 다이오드(D1, D2)의 접점과, 변압기의 2차측 코일의 타단에 연결되는 다이오드(D3, D4)의 접점 사이에 직렬로 연결되며, 1차측으로부터 2차측에 전달되는 전류(전압)을 공진시킨다. 이처럼 본 발명의 실시예에 따르면 2차측에 공진전류를 형성시키는 공진 탱크가 마련되기 때문에, 2차측에 연결된 다이오드의 내압을 낮출 수 있는 장점이 있다.

도 2에서 출력 커패시터(Co)는 브리지 다이오드를 통해 정류된 전류를 충전하여, 고전압 배터리(300)로 출력되는 출력전압을 생성하는 역할을 한다.

한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고정전압 생성부(220)는 출력 인덕터(Lf), 제1 스위치(Ma), 다이오드(Da) 및 제2 스위치(Ra)를 포함한다. 본 발명의 실시예에서, 제1 스위치(Ma)는 MOSFET으로 구성되며, 제2 스위치(Ra)는 MOSFET으로 구성된다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 출력 인덕터(Lf), 제1 스위치(Ma) 및 다이오드(Da)는 Buck DC/DC 컨버터를 구성한다.

도 2에서, 출력 인덕터(Lf)는 PWM 공진 컨버터(100)의 출력단에 연결되어, 저전압 DC/DC 컨버터(240)에 입력되는 전압을 안정화시키는 역할을 한다.

제2 스위치(Ra)는 PWM 공진 컨버터(100)의 출력전압으로 고전압 배터리(300)를 충전(고전압 충전모드)할지 저전압 배터리(400)을 충전할지(저전압 충전모드)를 선택하는 스위치이다. 본 발명의 실시예에서는 릴레이 스위치인 제2 스위치(Ra)를 이용하여 충전모드를 선택하는 경우에는 릴레이 소자가 MOSFET 스위치보다 스위칭 손실이 적기 때문에 전력면에서 유리한 장점이 있다.

다이오드(Da) 및 제1 스위치(Ma)는 저전압 충전모드에서는 Buck DC/DC 컨버터로서 동작하며, 고전압 충전모드에서는 동작되지 않는다.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따르면, 고전압 충전 모드일 때는 제2 스위치(Ra)를 온시켜, PWM 공진 컨버터(100)의 출력전압(Vo)을 이용하여 고전압 배터리(300)를 충전시킨다.

그리고, 저전압 충전 모드인 경우에는 제2 스위치(Ra)를 오프시키고, 제1 스위치(Ma)와 다이오드(Da)를 Buck DD/DC컨버터로 동작시켜 PWM 공진 컨버터(100)의 출력전압 또는 고전압 배터리의 출력전압을 고정 전압(Vo)으로 유지하게 한다. 이러한 Buck DC/DC 컨버터의 동작은 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 이해할 수 있는 사항이므로 이하에서 상세한 설명은 생략한다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 고정전압 생성부(200)를 Buck DC/DC 컨버터를 사용하여 구현하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 Buck DC/DC 컨버터가 아닌 다른 DC/DC 컨버터를 사용할 수도 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 릴레이 스위치인 제2 스위치(Ra)를 이용하여 PWM 공진 컨버터(100)의 출력전압으로 고전압 배터리(300)를 충전(고전압 충전모드)할지 저전압 배터리(400)을 충전할지(저전압 충전모드)를 선택하였으나, 제2 스위치를 제거하고 Buck DC/DC 컨버터로서 이용되는 제1 스위치를 이용하여 충전모드를 선택할 수도 있다. 즉, 고전압 배터리 충전모드시에는 제1 스위치를 온 상태로 유지시키고, 저전압 배터리 충전시에는 Buck DC/DC 컨버터로서 동작하도록 제1 스위치를 스위칭시킨다. 이처럼, 제2 스위치를 제거하고 MOSFET인 제1 스위치를 통합적으로 이용하여 충전 모드를 선택하는 경우에는 전체적인 부품의 수가 절감되는 효과가 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 저전압 DC/DC 컨버터(240)는 변동하는 고전압 배터리의 전압과 관계없이 고정 전압 생성부(220)를 통해 안정적으로 고정전압을 공급받을 수 있는 장점이 있다.

이하에서는 도3 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 PWM 공진 컨버터(100)의 동작을 설명한다.

Mode 1

도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 모드 1에서는 스위치 M1은 오프에서 온 상태로 전환되고, 스위치 M3은 온 상태이고, 스위치 M2와 스위치 M4는 오프상태를 유지한다. 스위치 M1과 스위치 M3이 온으로 되면, 변압기의 1차측의 전류(Ip)는 AC/DC 컨버터(500)의 출력전압이 충전된 커패시터(Clink), 스위치 M1, 변압기의 1차측 코일(Lm), 스위치(M2)의 경로로 흐르고, 변압기의 2차측 전류(Is)는 다이오드D1, PWM 공진 컨버터의 출력전압이 충전되는 커패시터(Co), 다이오드 D3, 공진 커패시터(Cr), 공진 인덕터(Lr), 변압기의 2차측 코일(Lr)의 경로로 흐른다. 이때, 변압기의 2차측에 흐르는 전류(Is)는 공진 인덕터(Lr)와 공진 커패시터(Cr)에 의해 공진형태로 흐른다.

모드 1에서는 스위치 M1의 커패시터(C1)에는 전압이 충전되지 않으며, 스위치 M2의 커패시터(C2)에는 커패시터(Clink)에 충전된 전압(Vlink)이 충전된다.

Mode 2

도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 모드 2에서는 스위치 M1이 온에서 오프 상태로 전환되고, 스위치 M3은 온 상태, 스위치 M2와 스위치 M4는 오프 상태를 유지한다.

스위치 M1이 온에서 오프로 전환되면, 1차측 전류(Ip)는 스위치 M1의 커패시터(C1)를 전압 Vlink까지 충전시키며, 스위치M2의 커패시터(C2)를 0까지 방전시킨다. 이 상태에서 이후 스위치 M2가 온되면, 스위치 M2의 영전압 스위칭(zero voltage switching)이 달성된다.

도 4에 도시한 바와 같이, 모드 2의 동작 구간은 모드 1의 동작 구간보다는 매우 적은 시간동안 유지된다.

Mode 3

도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 모드 3에서는 스위치 M2가 오프에서 온 상태로 전환되고, 스위치 M3이 온 상태, 스위치 M1과 스위치 M4는 오프 상태를 유지한다. 모드 2에서 스위치 M2의 커패시터(C2)의 양단의 전압차가 0이기 때문에, 스위치 M2가 오프에서 온으로 스위칭시 영전압 스위칭이 이루어지므로, 스위칭 손실을 최소화할 수 있다.

Mode 3 구간 동안에는 스위치 M2와 스위치 M3이 온되어 있으므로, 변압기 양단전압은 0가 되고, 2차측 전류(Is)는 공진 커패시터(Cr), 공진 인덕터(Lr), 2차측 코일, 다이오드 D1, 다이오드 D3의 경로로 흐르며, 전류의 크기는 점차 감소한다. 이 구간에서 2차측 전류(Is)가 0이 되면 변압기 1차측에는 자화전류(Im)만이 존재하게 된다.

Mode 4

도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 모드 4에서는 스위치 M3이 온에서 오프상태로 전환되고, 스위치 M2는 온 상태, 스위치 M1과 스위치 M4는 오프 상태를 유지한다.

스위치 M3이 온에서 오프로 전환되면, 1차측의 변압기의 인덕터에 흐르는 자화전류(Im)는 스위치 M3의 커패시터(C3)를 Vlink까지 충전시키며 스위치 M4의 커패시터(C4)를 0까지 방전시킨다. 이 상태에서 이후 스위치 M4가 온되면, 스위치 M4의 영전압 스위칭(zero voltage switching)이 달성된다.

도 6에 도시한 바와 같이, 모드 4의 동작 구간은 모드 3의 동작 구간보다는 매우 적은 시간동안 유지된다.

Mode 5

도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 모드 5에서는 스위치 M4가 오프에서 온 상태로 전환되고, 스위치 M2가 온 상태, 스위치 M1과 스위치 M3은 오프 상태를 유지한다. 모드 4에서 스위치 M4의 커패시터(C4)의 양단의 전압차가 0이기 때문에, 스위치 M4가 오프에서 온으로 스위칭시 영전압 스위칭이 이루어지므로, 스위칭 손실을 최소화할 수 있다.

Mode 5 구간 동안에는 스위치 M2와 스위치 M4가 온되어 있으므로, 1차측 전류(Ip)는 커패시터(Clink), 스위치 M4, 변압기 1차측 코일(Lm), 스위치 M2의 경로로 흐르고, 2차측 전류(Is)는 다이오드 D2, 변압기 2차측 코일, 공진 인덕터(Lr), 공긴 커패시터(Cr), 다이오드 D4, 출력 커패시터(Co)의 경로로 흐른다. 이때, 2차측에 흐르는 전류(Is)는 공진 인덕터(Lr)와 공진 커패시터(Cr)에 의해 공진형태로 흐른다.

Mode 6

도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 모드 6에서는 스위치 M4가 온에서 오프상태로 전환되고, 스위치 M2는 온 상태, 스위치 M1, 스위치 M3는 오프 상태를 유지한다.

스위치 M4가 온에서 오프로 전환되면, 1차측의 변압기의 인덕터에 흐르는 자화전류(Im)는 스위치 M4의 커패시터(C4)를 Vlink까지 충전시키며 스위치 M3의 커패시터(C3)를 0까지 방전시킨다. 이 상태에서 이후 스위치 M3가 온되면, 스위치 M3의 영전압 스위칭(zero voltage switching)이 달성된다.

도 8에 도시한 바와 같이, 모드 6의 동작 구간은 모드 5의 동작 구간보다는 매우 적은 시간동안 유지된다.

Mode 7

도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 모드 7에서는 스위치 M3이 오프에서 온 상태로 전환되고, 스위치 M2가 온 상태, 스위치 M1과 스위치 M4는 오프 상태를 유지한다. 모드 6에서 스위치 M3의 커패시터(C3)의 양단의 전압차가 0이기 때문에, 스위치 M3가 오프에서 온으로 스위칭시 영전압 스위칭이 이루어지므로, 스위칭 손실을 최소화할 수 있다.

Mode 7 구간 동안에는 스위치(M2)와 스위치(M3)이 온되어 있으므로, 변압기 양단전압은 0가 되고, 2차측 전류(Ir)는 공진 인덕터(Lr), 공진 커패시터(Cr), 다이오드 D4), 다이오드(D2), 변압기의 2차 코일의 경로로 흐르며, 전류의 크기는 점차 감소한다. 이 구간에서 2차측 전류(Is)가 0이 되면 변압기 1차측에는 자화전류(Im)만이 존재하게 된다.

Mode 8

도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 모드 8에서는 스위치 M2가 온에서 오프상태로 전환되고, 스위치 M3은 온 상태를 유지하고, 스위치 M1, 스위치 M4는 오프상태를 유지한다.

스위치 M2가 온에서 오프로 전환되면, 1차측의 변압기의 인덕터에 흐르는 자화전류(Im)는 스위치 M2의 커패시터(C2)를 Vlink까지 충전시키며 스위치 M1의 커패시터(C1)를 0까지 방전시킨다. 이 상태에서 이후 스위치 M1가 온되면, 스위치 M1의 영전압 스위칭(zero voltage switching)이 달성된다.

도 10에 도시한 바와 같이, 모드 8의 동작 구간은 모드 7의 동작 구간보다는 매우 적은 시간동안 유지된다.

이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 PMW 공진 컨버터(100)는 변압기의 1차측에 연결되는 다수의 스위치(M1, M2, M3, M4)가 1차측의 자화 인덕턴스를 이용하여 영전압 스위칭을 수행하기 때문에 스위칭 손실을 최소화할 수 있으며, 2차측에 흐르는 전류는 공진 인덕터와 공진 커패시터에 의해 공진전류가 흐르기 때문에 2차측에 연결된 다이오드의 내압을 낮출 수 있는 장점이 있다. 구체적으로, 종래 위상천이 풀브리지(PSFB) 회로와 같이 출력에 인덕터가 있는 회로의 경우에는, 변압기의 누설과 다이오드의 기생 캐패시터에 의한 공진에 의해 다이오드의 내압이 증가하였으나, 본 발명의 실시예에 따르면 2차측에 형성된 공진 인덕터와 공진 커패시터에 의한 공진방식을 사용하기 때문에 출력에 인덕터가 필요 없고 이로 인해 다이오드의 전압이 출력전압으로 클램프가 되어 PSFB에 비해 낮은 내압을 유지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 1차측에 형성된 자화전류의 경로와 2차측에 형성된 공진 인덕터와 공진 커패시터에 의한 공진전류의 경로가 독립적이기 때문에, 1차측의 자화전류가 2차측의 공진커패시터 전압에 의해 영향을 받지 않는다.

도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

도 11 및 도 12에 도시한 그래프는 도 2에 도시한 회로 중 변압기 1차측의 코일에 의한 인덕터(Lm)의 인덕턴스를 256uH, 공진 인덕터(Lr)의 인덕턴스를 28.6uH, 공진 커패시터(Cr)의 커패시턴스를 400nF으로 설정한 경우의 입출력 관계를 나타낸 것으로 부하에 따른 이득 변동의 거의 없고 시비율에 의해서 출력을 제어할 수 있음을 보여 준다. 또한 효율 측정결과 97%이상 고효율을 달성할 수 있음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예에서 PWM 공진 컨버터 및 이를 이용한 충전기는 차량 충전기에 사용하는 것을 예로서 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 그 외의 다양한 기기에 사용될 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100 PWM 공진 컨버터, 200 저전압 공급부 300 고전압 배터리
400 저전압 배터리, 220 고정전압 생성부, 240 저전압 DC/DC 컨버터
120 스위칭부 140 정류부

Claims

삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
차량의 모터 제너레이터로 전력을 공급하는 고전압 배터리와 상기 차량의 전장에 전력을 공급하는 저전압 배터리를 충전하는 차량용 충전기에 있어서,
입력 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 AC/DC 컨버터;
변압기의 1차측에 형성된 다수의 스위치, 변압기의 2차측에 형성된 공진 인덕터와 공진 커패시터를 포함하며, 상기 AC/DC 컨버터에서 출력된 직류 전압의 레벨을 조정하여 상기 고전압 배터리를 충전하기 위한 제1 전압을 생성하는 제1 컨버터; 및
상기 제1 컨버터의 출력전압 및 상기 고전압 배터리의 출력전압을 제1 고정전압으로 하고, 상기 제1 고정전압을 기초로 감압하여 상기 저전압 배터리를 충전하기 위한 제2 전압을 생성하는 저전압 공급부를 포함하고,
상기 저전압 공급부는
상기 제1 컨버터의 출력전압 및 상기 고전압 배터리의 출력전압을 상기 제1 고정전압으로 유지시키는 고정전압 생성부와,
상기 고정전압 생성부로부터 출력된 상기 제1 고정전압을 듀티비 조정을 통해 상기 제2 전압으로 변환시킨 후, 상기 제2 전압으로 상기 저전압 배터리를 충전하는 저전압 DC/DC 컨버터를 포함하고,
상기 고정전압 생성부는 상기 제1 컨버터의 출력단에 연결되는 인덕터를 포함하는 차량용 충전기.
삭제
제8항에 있어서,
상기 고정 전압 생성부는
상기 제1 컨버터의 출력단과 상기 고전압 배터리의 일단에 전기적으로 연결되는 제1 스위치, 및
상기 제1 스위치와 상기 고전압 배터리의 타단에 전기적으로 연결되는 다이오드를 포함하고,
상기 인덕터는 상기 제1 컨버터의 출력단과 상기 고전압 배터리의 일단에 전기적으로 연결되는 차량용 충전기.
제10항에 있어서,
상기 고전압 배터리를 충전하는 제1 모드에서 상기 제1 스위치는 온 상태로 되며,
상기 저전압 배터리를 충전하는 제2 모드에서 상기 제1 스위치, 상기 다이오드 및 상기 인덕터는 Buck DC/DC 컨버터로 동작하는 차량용 충전기.
제10항에 있어서,
상기 고정 전압 생성부는
상기 제1 스위치에 병렬로 연결되고 상기 제1 컨버터의 출력단과 상기 고전압 배터리의 일단에 전기적으로 연결되는 제2 스위치를 더 포함하는 차량용 충전기.
제12항에 있어서,
상기 고전압 배터리를 충전하는 제1 모드에서 상기 제2 스위치는 온 상태로 되며,
상기 저전압 배터리를 충전하는 제2 모드에서 상기 제2 스위치는 오프 상태로 되고, 상기 제1 스위치, 상기 다이오드 및 상기 인덕터는 Buck DC/DC 컨버터로 동작하는 차량용 충전기.
제13항에 있어서,
상기 제1 스위치는 MOSFET이며, 상기 제2 스위치는 릴레이인 것을 특징으로 하는 차량용 충전기.
제8항, 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저전압 공급부는
차량의 정차 중에는 상기 제1 컨버터의 출력전압을 기초로 상기 제1 고정전압으로 유지시키고,
차량의 운행 중에는 상기 고전압 배터리의 출력전압을 기초로 상기 제1 고정전압을 유지시키는 차량용 충전기.
제8항, 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 컨버터는
변압기;
상기 변압기의 1차측 코일에 전기적으로 연결되는 제1 내지 제4 스위치를 포함하며, 상기 제1 내지 제4 스위치들의 스위칭 동작-여기서, 상기 각 스위치는 양단의 전압차가 0인 경우 오프에서 온으로 스위칭됨-에 의해 직류전압을 교류전압으로 변환하는 스위칭부; 및
상기 변압기의 2차측 코일에 전기적으로 연결되는 제1 내지 제4 다이오드, 상기 변압기의 2차측 코일에 전기적으로 연결되는 공진 커패시터와 공진 인덕터를 포함하는 공진 탱크, 및 출력 커패시터를 포함하는 정류부를 포함하는 차량용 충전기.
제16항에 있어서,
상기 제1 및 제2 다이오드의 접점에 상기 변압기의 2차측 코일의 일단이 전기적으로 연결되며,
상기 공진 탱크는 상기 변압기의 2차측 코일의 타단과 상기 제3 및 제4 다이오드의 접점 사이에 전기적으로 연결되며,
상기 출력 커패시터는 상기 제1 및 제4 다이오드의 접점과 상기 제2 다이오드와 제3 다이오드 사이의 접점 사이에 전기적으로 연결되는 차량용 충전기.
제17항에 있어서,
직렬로 연결되는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 접점에 상기 변압기의 1차측 코일의 일단이 전기적으로 연결되며,
직렬로 연결되는 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치의 접점에 상기 변압기의 1차측 코일의 타단이 전기적으로 연결되며,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이에 전기적으로 연결되는 입력 커패시터를 포함하는 차량용 충전기.