KR101167178B1 - Single Stage Multi-phase Battery Charger - Google Patents
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Abstract
일정한 위상 차이를 가지는 복수의 동기신호들을 출력하는 위상차 동기신호 발생부; 맥류를 입력받아 상기 복수의 동기 신호들에 따라 단일 단의 다중 경로에서 각 경로별로 상기 일정한 위상 차이를 두고 역률 보정을 반영하여 밧데리 충전을 위한 전력변환을 수행하는 다상 전력 변환부; 및 상기 다상 전력 변환부의 동작을 제어하기 위한 피드백 신호를 출력하는 피드백 신호 발생부를 포함하는 단일 단의 다상 밧데리 충전기가 제공된다.A phase difference synchronization signal generator for outputting a plurality of synchronization signals having a predetermined phase difference; A multiphase power converter configured to receive a pulse current and perform power conversion for battery charging by reflecting a power factor correction with the constant phase difference for each path in a single path in multiple paths according to the plurality of synchronization signals; And a feedback signal generator for outputting a feedback signal for controlling the operation of the polyphase power converter.
Description
본 발명은 단일 단의 다상 밧데리 충전기에 관한 것으로, 상세하게는 위상차이를 가지는 복수의 동기 신호들에 따라 단일 단의 다중 경로에서 각 경로별로 일정한 위상 차이를 두고 역률 보정이 반영된 전력 변환을 수행하여 밧데리를 충전하는 단일 단의 다상 밧데리 충전기에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-stage battery charger of a single stage, and more particularly, according to a plurality of synchronization signals having a phase difference, power conversion is performed by applying a power factor correction with a predetermined phase difference for each path in a single stage multipath. A single stage multi-phase battery charger for charging batteries.
일반적으로 밧데리를 동력원으로 사용하는 장비, 예컨대 전기 자동차, 연료 전지 자동차, 하이브리드 자동차, 전기지게차 등 각종 밧데리(Battery)를 동력으로 하는 운송수단에서 밧데리 충전기는 필수적인 요소이다.In general, a battery charger is an essential element in a vehicle powered by a battery, such as an electric vehicle, a fuel cell vehicle, a hybrid vehicle, an electric forklift, and the like.
종래의 충전기는 전기적 규제에 대응하기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 상용 교류 전원을 정류하여 직류로 변환하는 정류부(10), 역률을 보정하는 PFC(Power Factor Correction) 회로(20), 충전을 위해 필요한 전압과 전류로 변환하는 DC-DC 컨버터(30), 및 DC-DC 컨버터(30)의 동작을 제어하기 위한 피드백 신호 발생부(40)를 구비하고 있다. 이외에도 정류부(10)의 앞단에 EMI 필터를 구비할 수도 있다. 피드백 신호 발생부(40)는 전류제어 및 전압 제어를 위한 회로들을 포함하고 있다.Conventional chargers have a
그렇지만, 종래의 충전기는 전력 변환단이 PFC 회로(20), DC-DC 컨버터(30)의 2단으로 구성되어 각 단의 전력 변환 효율이 예컨대 90%를 갖는다고 가정할 때 충전기 전체로서 81%의 전력 변환 효율을 기대할 수 있다. 그리고 PFC(20)와 DC-DC 컨버터(30)에서 각각 자기 부품(magnetic Parts: Transformer, Inductor)을 갖게 되어 크기와 무게가 증가하는 단점이 있다.However, the conventional charger is 81% as a whole charger, assuming that the power conversion stage is composed of two stages of the
본 발명이 해결하려는 과제는, 종래의 충전기에서 전력 변환을 위해 PFC 회로와 DC-DC 컨버터가 이중으로 되어 전력손실과 부품의 증가의 단점과 트랜스포머와 같은 자기부품(Transformer, Inductor)의 크기가 커서 소형화에 어려움이 있어 이를 해소하고 효율을 향상시키기 위한 충전기를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention, the PFC circuit and the DC-DC converter is a dual for the power conversion in the conventional charger, the disadvantage of the power loss and the increase of the components and the size of the magnetic components (Transformer, Inductor) such as transformer is large The difficulty in miniaturization is to provide a charger to solve this problem and improve efficiency.
본 발명의 일 측면에 의하면, 일정한 위상 차이를 가지는 복수의 동기신호 들을 출력하는 위상차 동기신호 발생부; 맥류를 입력 받아 복수의 동기 신호들에 따라 단일 단의 다중 경로에서 각 경로별로 일정한 위상 차이를 두고 역률 보정을 반영하여 밧데리 충전을 위한 전력 변환을 수행하는 다상 전력 변환부; 및 상기 다상 전력 변환부의 동작을 제어하기 위한 피드백 신호를 출력하는 피드백 신호 발생부를 포함하는 단일 단의 다상 밧데리 충전기가 제공된다.According to an aspect of the present invention, a phase difference synchronization signal generator for outputting a plurality of synchronization signals having a predetermined phase difference; A multiphase power converter configured to perform power conversion for battery charging by applying a pulse rate and reflecting a power factor correction with a predetermined phase difference for each path in a single path in multiple paths according to a plurality of synchronization signals; And a feedback signal generator for outputting a feedback signal for controlling the operation of the polyphase power converter.
바람직하게는, 상기 다상 전력 변환부는 각 경로 별로, 권선비에 따라 전압을 변환하는 트랜스포머; 상기 피드백 신호 및 상기 동기 신호에 따라 상기 트랜스포머에 인가되는 맥류에 대한 역률 보정이 반영된 스위칭 제어 신호를 출력하는 역률 보정 스위칭 제어부; 및 상기 스위칭 제어신호에 따라 상기 트랜스포머에 입력되는 상기 맥류를 스위칭하는 스위칭부를 포함할 수 있다.Preferably, the multi-phase power converter comprises a transformer for converting a voltage according to the turns ratio for each path; A power factor correction switching controller for outputting a switching control signal reflecting the power factor correction for the pulse current applied to the transformer according to the feedback signal and the synchronization signal; And a switching unit for switching the pulse flow input to the transformer according to the switching control signal.
바람직하게는, 상기 역률 보정 스위칭 제어부는, 해당 경로에 상응하는 위상을 가지는 동기 신호를 입력받는 동기 입력 처리부; 상기 피드백 신호를 입력받는 피드백 신호 처리부; 상기 트랜스포머의 비자화 포락점을 검출하는 포락점 검출 처리부; 상기 트랜스포머 및 상기 스위칭부의 전류를 검출하는 전류 검출 처리부; 및 상기 동기 신호, 상기 피드백 신호, 상기 트랜스포머의 비자화 포락점, 상기 전류에 기반하여 역률 보정이 반영된 스위칭 제어 신호를 생성하는 스위칭 제어 신호 처리부를 포함할 수 있다.Preferably, the power factor correction switching control unit, the synchronization input processing unit for receiving a synchronization signal having a phase corresponding to the path; A feedback signal processor receiving the feedback signal; An envelope detection processor for detecting an unmagnetized envelope point of the transformer; A current detection processor detecting current of the transformer and the switching unit; And a switching control signal processor configured to generate a switching control signal reflecting power factor correction based on the synchronization signal, the feedback signal, the non-magnetic envelope point of the transformer, and the current.
상기 역률 보정 스위칭 제어부는 PFC 제어 IC 또는 펌웨어가 내장된 범용 마이크로 콘트롤러로 구현될 수 있다.The power factor correction switching controller may be implemented as a general-purpose microcontroller having a PFC control IC or firmware.
상기 복수의 동기 신호들이 갖는 위상 차이는 360도를 상의 갯수로 나눈값을 갖는다. 예로 2상의 경우 180도, 3상의 경우 120도, 4상의 경우 90도로 설정될 수 있다. 상의 개수는 이론적으로 얼마든지 확장될 수 있다.The phase difference of the plurality of synchronization signals is 360 degrees divided by the number of phases. For example, it may be set to 180 degrees for two phases, 120 degrees for three phases, and 90 degrees for four phases. The number of phases can theoretically be extended.
단일 단의 다상 밧데리 충전기는 트랜스포머 2차측에 발생한 펄스를 직류로 출력하는 정류부를 더 포함할 수 있다..The single stage multi-phase battery charger may further include a rectifier for outputting a pulse generated at the secondary side of the transformer to a direct current.
바람직하게는, 단일 단의 다상 밧데리 충전기는 상기 변환된 직류를 평활처리하는 평활부를 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 피드백 신호 발생부는 상기 피드백 신호를 생성하기 위해 상기 다상 전력 변환부의 출력단에 연결된 전압 피드백 회로 또는 전류 피드백 회로 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Preferably, the single stage multi-phase battery charger may further include a smoothing unit for smoothing the converted direct current. Preferably, the feedback signal generator may include at least one of a voltage feedback circuit or a current feedback circuit connected to an output terminal of the polyphase power converter to generate the feedback signal.
본 발명에 의하면, 종래의 PFC 회로와 DC-DC 컨버터 회로를 하나의 회로에서 처리하여 전력변환을 단일 단으로 해결하였다. 이에 따라 전력변환 트랜스포머가 종래의 PFC 트랜스포머(혹은 Inductor)와 DC-DC 컨버터의 트랜스포머가 1개로 통합되어 충전기의 전체 크기와 무게를 현저하게 줄일 수 있으며, 전체적인 전력 변환 효율로 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the conventional PFC circuit and the DC-DC converter circuit are processed in one circuit to solve power conversion in a single stage. As a result, the power conversion transformer is integrated with a conventional PFC transformer (or inductor) and a DC-DC converter into one unit, which can significantly reduce the overall size and weight of the charger and improve the overall power conversion efficiency.
도 1은 종래의 충전기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 단일 단의 4상 밧데리 충전기를 설명하기 위한 구성 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단일 단의 4상 밧데리 충전기의 상세한 회로도이다.1 is a view for explaining a conventional charger.
2 is a block diagram illustrating a single-stage four-phase battery charger according to an embodiment of the present invention.
3 is a detailed circuit diagram of a single-stage four-phase battery charger according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 단일 단의 4상 밧데리 충전기를 설명하기 위한 구성 블록도이다.2 is a block diagram illustrating a single-stage four-phase battery charger according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 단일 단의 4상 밧데리 충전기는 전원 공급부(100)와, 다상 전력 변환부(200)와, 위상차 동기신호 발생부(300), 정류평활부(400), 피드백 신호 발생부(500)를 포함할 수 있다.2, the single-stage four-phase battery charger according to an embodiment of the present invention, the
전원 공급부(100)는 AC 전원을 공급받아 맥류로 변환하여 다상 전력 변환부(200)에 제공한다.The
전원 공급부(100)는 필터부(110)와 정류부(120)와 1차 보조 전원부(130)와 2차 보조 전원부(140)를 포함하여 구성된다.The
필터부(110)는 단상 85V ~ 265V 45Hz ~ 65Hz의 교류 전원이 인입되면, 필터부(110) 내부의 캐패시터(Capacitor) 및 인덕터(Inductor)의 L, C 저역 통과 필터 작용에 의하여 상용 교류 전원에 함께 유입되는 고주파 노이즈를 제거하고 기기의 내부에서 발생하는 노이즈가 외부로 방사되지 않도록 한다.The
정류부(120)는 필터부(110)에 연결되어 필터부(110)에 의해 노이즈가 제거된 상용 교류 전원을 정류하여 맥류를 출력한다.The
1차 보조 전원부(130)는 다상 전력 변환부(200)의 초기 기동을 위해 필요한 초기 전원을 공급하기 위한 보조 전원을 공급한다. 2차 보조 전원부(140)는 2차측의 전원을 공급한다.The primary auxiliary
다상 전력 변환부(200)는 맥류를 입력받아 복수의 동기 신호들에 따라 다중 경로에서 각 경로별로 일정한 위상 차이를 두고 역률 보정을 반영하여 밧데리의 충전을 위한 전력 변환을 수행한다.The
위상차 동기신호 발생부(300)는 일정한 위상 차이를 가지는 복수의 동기신호들을 출력하여 다상 전력 변환부(200)에 제공한다. 복수의 동기 신호들이 갖는 위상 차이는 360도를 상의 갯수로 나눈 값을 갖는다. 예로 2상의 경우 180도, 3상의경우 120도, 4상의 경우 90도로 설정될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 얼마든지 확장이 가능하다. 정류평활부(400)는 다상 전력 변환부(200)에 의해 변환된 전력을 정류평활처리한다. 한편, 상의 개수가 증가하여 펄스폭이 중첩된 경우에는 정류평활부(400)중 평활부를 구비하지 않아도 안정된 동작이 가능할 수 있다.The phase difference
피드백 신호 발생부(500)는 다상 전력 변환부(200)의 동작을 제어하기 위한 피드백 신호를 출력한다.The
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단일 단의 다상 밧데리 충전기의 상세한 회로도이다.3 is a detailed circuit diagram of a single stage multi-phase battery charger according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 단일 단의 다상 밧데리 충전기는 필터부(110), 정류부(120), 1차 보조 전원부(130), 및 2차 보조 전원부(140)를 포함하는 전원 공급부(100)를 구비하고 있다.Referring to FIG. 3, a single-stage multiphase battery charger according to an exemplary embodiment of the present invention includes a
1차 보조 전원부(130) 및 2차 보조 전원부(140)는 제1 위상 전력 변환부(210), 제2 위상 전력 변환부(220), 제3 위상 전력 변환부(230), 및 제4 위상 전력 변환부(240)를 포함하는 다상 전력 변환부(200)에 연결되어 있다.The primary
다상 전력 변환부(200)의 입력단에는 서로 다른 위상을 가지는 동기신호를 출력하는 위상차 동기신호 발생부(300)가 연결되어 있다.A phase difference
다상 전력 변환부(200)의 출력단에는 다상 전력 변환부(200)의 출력을 정류평활처리하는 정류평활부(400)가 구비된다. 정류평활부(400)의 출력단에는 밧데리가 연결된다.The rectifying smoother 400 is provided at the output terminal of the
아울러, 정류평활부(400)의 출력단에는 정류평활부(400)의 출력 전압 또는 전류를 검출하여 다상 전력 변환부(200)에 피드백 제어 신호를 출력하기 위한 피드백 신호 발생부(500)가 연결되어 있다.In addition, the output terminal of the rectifying smoother 400 detects an output voltage or current of the rectifying smoother 400, and a
필터부(110)는 전자파 차단 필터(EMI Line filter)로 이루어질 수 있으며, 회로 내부에서 발생하는 전자파가 외부로 방사되는 것을 방지하는 작용과, 외부에서 유입되는 전자파가 회로내부에 유입되는 것을 차단하는 역할을 한다.The
필터부(110)의 입력단에는 안전을 위한 퓨즈(F1)가 연결되어 있다. 또한, AC 전원 입력단자를 통해 입력된 AC 전원으로부터 입력되는 임펄스성 과전압을 바이패스시켜 후단의 회로를 보호하고 과전압이 지속되는 경우 전단의 퓨즈를 차단시키기 위한 바리스터(RV1)가 연결되어 있다.A fuse F1 for safety is connected to the input terminal of the
정류부(120)는 필터부(110)의 출력단에 연결된 브릿지 다이오드(BD1)를 포함하고 있으며, 브릿지 다이오드(BD1)의 출력 단자에는 커패시터(C1)가 병렬로 연결되어 있다. 브릿지 다이오드(BD1)는 교류를 맥류로 전환한다. 커패시터(C1)는 예컨대 소용량 필름 콘덴서일 수 있으며, 맥류에 혼입될지도 모르는 전기적 잡음을 소거하는 작용을 한다.The
1차 보조 전원부(130) 및 2차 보조 전원부(140)는 입력(1차측: 입력전원)과 출력(2차측: 출력 축전지)의 절연을 위하여 2 계통으로 구성된다. 1차 보조 전원부 (130)는 4 상중 1상인 제1 트랜스포머(T1)의 보조권선으로부터 공급되며, 저항(R17), 다이오드(D7), 커패시터(C4)로 구성된다. 2차 보조 전원부(140)는 다이오드(D8)와 커패시터(C3)로 구성된다. 이때, 저항(R16)은 기동 전류를 공급한다. 모든 1차측 전원은 1차 보조 전원부(130)으로부터 VCC로 공급되며, 모든 2차측 전원은 2차 보조 전원부(140)로부터 VCC1으로 공급된다. 여기에서 전원용 보조권선은 제1 트랜스포머(T1),제2 트랜스포머(T2), 제3 트랜스포머(T3), 제4 트랜스포머(T4)중 어떤 트랜스포머에서 인출되어도 무방하다.The primary auxiliary
다상 전력 변환부(200)는 제1 위상 전력 변환부(210), 제2 위상 전력 변환부(220), 제3 위상 전력 변환부(230), 및 제4 위상 전력 변환부(240)를 포함하여 구성되어 있다.The
각 위상 전력 변환부들(210, 220, 230, 240)은 다중 경로를 형성한다. 따라서, 각 경로별로 각 위상 전력 변환부(210, 220, 230, 240)는 각각 트랜스포머와 역률 보정 스위칭 제어부와 스위칭부를 포함하여 구성될 수 있다.Each of the
즉, 제1 위상 전력 변환부(210)는 제1 트랜스포머(T1), 제1 역률 보정 스위칭 제어부(211), 제1 스위칭부(Q1)를 포함하여 구성될 수 있다.That is, the first
제1 위상 전력 변환부(210)는 PWM신호와 제1 트랜스포머(T1)의 권선비에 따라 정류부(120)로부터 맥류를 입력받아 밧데리 충전을 위한 전력 변환을 수행한다. 제1 역률 보정 스위칭 제어부(211)는 피드백 신호 및 위상차 동기신호 발생부(130)로부터 입력된 동기 신호에 따라 제1 트랜스포머(T1)에 인가되는 맥류에 대한 역률 보정이 반영된 스위칭 제어 신호를 출력한다. 제1 스위칭부(Q1)는 제1 역률 보정 스위칭 제어부(211)의 스위칭 제어신호에 따라 제1 트랜스포머(T1)에 입력되는 맥류를 스위칭한다.The first
마찬가지로, 제2 위상 전력 변환부(220)는 제2 트랜스포머(T2), 제2 역률 보정 스위칭 제어부(221), 제2 스위칭부(Q2)를 포함하여 구성될 수 있다.Similarly, the second
제2 위상 전력 변환부(220)는 PWM신호와 제2 트랜스포머(T2)의 권선비에 따라 정류부(120)로부터 맥류를 입력받아 밧데리 충전을 위한 전력 변환을 수행한다. 제2 역률 보정 스위칭 제어부(221)는 피드백 신호 및 위상차 동기신호 발생부(130)로부터 입력된 동기 신호에 따라 제2 트랜스포머(T2)에 인가되는 맥류에 대한 역률 보정이 반영된 스위칭 제어 신호를 출력한다. 제2 스위칭부(Q2)는 제2 역률 보정 스위칭 제어부(221)의 스위칭 제어신호에 따라 제2 트랜스포머(T2)에 입력되는 맥류를 스위칭한다.The second
마찬가지로, 제3 위상 전력 변환부(230)는 제3 트랜스포머(T3), 제3 역률 보정 스위칭 제어부(231), 제3 스위칭부(Q3)를 포함하여 구성될 수 있다.Similarly, the third
제3 위상 전력 변환부(230)는 PWM 신호와 제3 트랜스포머(T3)의 권선비에 따라 정류부(120)로부터 입력되는 맥류를 밧데리 충전을 위한 전력으로 변환을 수행한다. 제3 역률 보정 스위칭 제어부(231)는 피드백 신호 및 위상차 동기신호 발생부(130)로부터 입력된 동기 신호에 따라 제3 트랜스포머(T3)에 인가되는 정류부(120)로부터 입력되는 맥류에 대한 역률 보정이 반영된 스위칭 제어 신호를 출력한다. 제3 스위칭부(Q3)는 제3 역률 보정 스위칭 제어부(231)의 스위칭 제어신호에 따라 제3 트랜스포머(T3)에 입력되는 맥류를 스위칭한다.The third
마찬가지로, 제4 위상 전력 변환부(240)는 제4 트랜스포머(T4), 제4 역률 보정 스위칭 제어부(241), 제4 스위칭부(Q4)를 포함하여 구성될 수 있다.Similarly, the fourth
제4 위상 전력 변환부(240)는 PWM 신호와 제4 트랜스포머(T4)의 권선비에 따라 정류부(120)로부터 입력되는 맥류를 밧데리 충전을 위한 전력으로 변환을 수행한다. 제4 역률 보정 스위칭 제어부(241)는 피드백 신호 및 위상차 동기신호 발생부(130)로부터 입력된 동기 신호에 따라 제4 트랜스포머(T4)에 인가되는 정류부(120)로부터 입력되는 맥류에 대한 역률 보정이 반영된 스위칭 제어 신호를 출력한다. 제4 스위칭부(Q4)는 제4 역률 보정 스위칭 제어부(241)의 스위칭 제어신호에 따라 제4 트랜스포머(T4)에 입력되는 맥류를 스위칭한다.The fourth
위상발생부(300)는 원하는 상의 수에 맞는 동기신호(Sync signal)를 발생시켜 다상 전력 변환부(200)에 제공할 수 있다. 각 상의 위상차는 360도를 상의 개수로 나눈 값으로 위상을 지연하여 각 단에 공급하면 된다. 즉, 2상 일 경우 180도의 위상차, 3상일 경우 120도, 4상의 경우 90도의 위상차를 필요로 한다.The
위상차 동기신호 발생부(300)는 예컨대, 다상 전력 변환부(200)가 4상 방식으로 구현되어 있음에 따라 90도의 위상차를 갖는 4개의 동기신호를 생성한다. 위상차 동기신호 발생부(300)는 생성된 각 동기신호들을 제1 역률 보정 스위칭 제어부(211), 제2 역률 보정 스위칭 제어부(221), 제3 역률 보정 스위칭 제어부(231), 및 제4 역률 보정 스위칭 제어부(241)의 동기 입력 처리부에 공급한다. The phase difference
제1 역률 보정 스위칭 제어부(211), 제2 역률 보정 스위칭 제어부(221), 제3 역률 보정 스위칭 제어부(231), 및 제4 역률 보정 스위칭 제어부(241), 위상차 동기신호 발생부(300)는 예컨대, 펌웨어가 내장된 PFC 콘트롤러 IC 또는 범용 마이크로 콘트롤러로 구현될 수 있다.The first power factor
PFC 콘트롤러 IC는 DCM (Discontinuous Conduction Mode)나 CCM(Continuous Conduction Mode)어느 형태나 가능하다. 제1 역률 보정 스위칭 제어부(211), 제2 역률 보정 스위칭 제어부(221), 제3 역률 보정 스위칭 제어부(231), 및 제4 역률 보정 스위칭 제어부(241)는 각각 동기 입력 처리부, 피드백 신호 처리부, 포락점 검출 처리부, 전류 검출 처리부, 및 스위칭 제어신호 처리부를 포함하여 구성된다. 동기 입력 처리부, 피드백 신호 처리부, 포락점 검출 처리부, 전류 검출 처리부, 및 스위칭 제어신호 처리부는 하드웨어, 또는 펌웨어로 구현될 수 있다.PFC controller ICs can be in either Discontinuous Conduction Mode (DCM) or Continuous Conduction Mode (CCM). The first power factor correction switching
동기 입력 처리부는 해당 경로에 상응하는 위상을 가지는 동기 신호를 입력받는 기능을 수행하며, 이를 위해 각 역률 보정 스위칭 제어부에는 동기 입력단자가 구비된다.The synchronization input processor performs a function of receiving a synchronization signal having a phase corresponding to a corresponding path. For this purpose, each power factor correction switching controller is provided with a synchronization input terminal.
피드백 신호 처리부는 피드백 신호 발생부(500)로부터 피드백 신호를 입력받는 기능을 수행하며, 이를 위해 각 역률 보정 스위칭 제어부에는 피드백 신호 입력단자가 구비된다. 피드백 신호 처리부는 출력의 전압 또는 전류의 피드백을 받으며, 절연을 위하여 예컨대, LED와 포토 트랜지스터를 일체화시킨 범용적인 포토커플러(Photo coupler)를 통해 신호를 전달받을 수 있다.The feedback signal processor performs a function of receiving a feedback signal from the
포락점 검출 처리부는 각 트랜스포머의 비자화 포락점을 검출하는 기능을 수행하며, 이를 위해 각 역률 보정 스위칭 제어부에는 포락점 검출 단자(ZCD : Zero Current Detector, demagnetization sensing input)가 구비된다. 포락점 검출 단자들에는 각 저항들(R5, R6, R7, R8)이 연결되어 있다.The envelope detection processor performs a function of detecting a non-magnetic envelope point of each transformer. For this purpose, each power factor correction switching controller is provided with an envelope current detection terminal (ZCD: Zero Current Detector, demagnetization sensing input). The resistors R5, R6, R7 and R8 are connected to the envelope detection terminals.
전류 검출 처리부는 각 트랜스포머의 1차측에 흐르는 전류 및 각 스위칭부의 전류를 검출하는 기능을 수행하며, 이를 위해 각 역률 보정 스위칭 제어부에는 전류 검출 단자가 구비된다. 각 전류 검출 단자는 저항들(R1, R2, R3, R4)에 발생한 전류에 비례하는 전압을 입력받는다. 본 발명의 일 실시예에서는 저항들(R1, R2, R3, R4)에 의한 방법으로 전류를 검출하는 것에 대하여 설명하였지만, 그 외에도 변류기(CT:current transformer)를 이용하거나, 코일과 홀(Hall) 소자를 이용하여 전류를 검출할 수 도 있다.The current detection processor performs a function of detecting a current flowing in the primary side of each transformer and a current of each switching unit. For this purpose, each power factor correcting switching controller is provided with a current detection terminal. Each current detection terminal receives a voltage proportional to the current generated in the resistors R1, R2, R3, and R4. In one embodiment of the present invention has been described for the detection of current by the method by the resistors (R1, R2, R3, R4), in addition to using a current transformer (CT), coil and Hall (Hall) The device can also be used to detect current.
스위칭 제어 신호 처리부는 동기 신호, 피드백 신호, 비자화 포락점, 전류에 기반하여 역률 보정이 반영된 스위칭 제어 신호를 생성하는 기능을 수행하며, 이를 위해 각 역률 보정 스위칭 제어부에는 스위칭 제어 신호 출력 단자가 구비된다.The switching control signal processor generates a switching control signal reflecting the power factor correction based on the synchronization signal, the feedback signal, the non-magnetic envelope point, and the current. For this purpose, each power factor correction switching controller includes a switching control signal output terminal. do.
각 스위칭 제어신호 출력 단자는 각 스위칭부(Q1, Q2, Q3, Q4)(예컨대, FET의 gate 단자)에 각 스위칭부(Q1, Q2, Q3, Q4)의 구동을 위한 PWM(Pulse Width Modulation)신호를 스위칭 제어신호로 출력할 수 있다. 이때, 스위칭 제어 신호 처리부는 구동능력과 속도를 상승시키기 위하여 버퍼(buffer)나 드라이버(driver)와 같은 부품을 포함할 수 도 있다.Each switching control signal output terminal is PWM (Pulse Width Modulation) for driving each switching unit Q1, Q2, Q3, Q4 to each switching unit Q1, Q2, Q3, Q4 (e.g., gate terminal of the FET). The signal can be output as a switching control signal. In this case, the switching control signal processor may include a component such as a buffer or a driver in order to increase driving capability and speed.
각 역률 보정 스위칭 제어부(211, 221, 231, 241) 및 위상차 동기신호 발생부(130)는 MPU(Micro processor Unit)에 펌웨어(Firmware)로 구성하여 회로를 간단하게 구현될 수 도 있다.The power factor
정류평활부(400)는 정류부로 기능하는 정류다이오드(D1,D2,D3,D4)와 평활부로 기능하는 커패시터(C2)를 포함할 수 있다.The rectifying smoother 400 may include rectifying diodes D1, D2, D3, and D4 that function as rectifiers, and a capacitor C2 that functions as a smoothing part.
정류평활부(400)의 각 다이오드들(D1, D2, D3, D4)은 제1 트랜스포머(T1), 제2 트랜스포머(T2), 제3 트랜스포머(T3), 제4 트랜스포머(T4)의 2차측에 발생한 펄스를 정류하기 위해 각 트랜스포머(T1, T2, T3, T4)의 2차측에 연결되어 있다. 각 다이오드들(D1, D2, D3, D4)는 90도의 위상차를 갖는 전력을 정류한다. 이들 다이오드들(D1, D2, D3, D4)에 의해 정류된 신호는 커패시터(C2) 에 의해 평활처리된다. 이때, 커패시터(C2)의 용량은 각 트랜스포머들(T1, T2, T3, T4)의 각 전력은 90도의 위상차를 갖고 있음으로 하나의 트랜스포머에 의한 단일 위상에 비하여 이론적으로 1/4의 용량으로 가능하다.The diodes D1, D2, D3, and D4 of the rectifying smoother 400 may have a secondary side of the first transformer T1, the second transformer T2, the third transformer T3, and the fourth transformer T4. It is connected to the secondary side of each transformer (T1, T2, T3, T4) to rectify the generated pulse. Each of the diodes D1, D2, D3, and D4 rectifies power having a phase difference of 90 degrees. The signal rectified by these diodes D1, D2, D3, D4 is smoothed by the capacitor C2. At this time, the capacity of the capacitor (C2) has a phase difference of 90 degrees each power of each of the transformers (T1, T2, T3, T4) theoretically 1/4 of the capacity compared to a single phase by one transformer Do.
피드백 신호 발생부(500)는 정류평활부(400)의 제1 출력에 연결된 저항(RS1)을 포함한다. 저항(RS1)은 출력 전류에 비례하는 전압을 발생하여 전류 피드백 신호(Current Feed Back: C_NF)신호를 발생시킨다. 본 발명의 일 실시예에서는 저항들(RS1)에 의한 방법으로 전류를 검출하는 것에 대하여 설명하였지만, 그 외에도 변류기(CT:current transformer)를 이용하거나, 코일과 홀(Hall) 소자를 이용하여 전류를 검출할 수 도 있다.The
한편 정류평활부(400)의 제2 출력에는 저항(R12)와 저항(R13)이 분압회로를 구성하도록 연결되어 있다. 저항(R12)와 저항(R13)은 정류평활부(400)의 출력 전압을 분압하여 전압 피드백 신호(Voltage Feed Back: V_NF)신호를 발생시킨다. 한편, 피드백 신호 발생부(500)는 저항(R8)과 기준 전압원(U2)을 포함하는 싱크 레귤레이터(Sink Regulator)를 구비하고 있다. 싱크 레귤레이터는 기준전압을 발생시킨다. 예컨대, 기준 전압원(U2)을 TL431 소자로 사용할 경우 2.5V의 안정된 전압을 발생시킬 수 있다. 이외에도 정밀한 전압을 발생하는 형태이면 어떠한 기준 전압원을 사용하여도 무방하다.On the other hand, the resistor R12 and the resistor R13 are connected to the second output of the rectifying smoother 400 to form a voltage divider circuit. The resistor R12 and the resistor R13 divide the output voltage of the rectifying smoother 400 to generate a voltage feedback signal V_NF. The
피드백 신호 발생부(500)는 전압 피드백 회로 및 전류 피드백 회로를 구비할 수 있다. The
전압 피드백 회로는 제1 연산 증폭기(U1A), 다이오드(D5), 커패시터(C6), 저항(R15)을 포함하여 구성될 수 있으며, 커패시터(C6) 및 저항(R15)은 전압 피드백 회로의 발진 방지용으로 구비된다.The voltage feedback circuit may include a first operational amplifier U1A, a diode D5, a capacitor C6, and a resistor R15. The capacitor C6 and the resistor R15 may be configured to prevent oscillation of the voltage feedback circuit. It is provided with.
전류 피드백 회로는 제2 연산 증폭기(U1B), 다이오드(D6), 커패시터(C5), 저항(R14)을 포함하여 구성될 수 있으며 커패시터(C5) 및 저항(R14)은 전류 피드백 회로의 발진 방지용으로 구비된다.The current feedback circuit may include a second operational amplifier U1B, a diode D6, a capacitor C5, and a resistor R14. The capacitor C5 and the resistor R14 may be used to prevent oscillation of the current feedback circuit. It is provided.
전압 피드백 회로는 제1 연산 증폭기(U1A)의 비반전 단자에 기준전압(REF)을 입력받고, 반전 단자에는 정류평활부(400)의 제2 출력단자로부터의 출력 전압을 저항(12), 저항(13)으로 분압된 전압 피드백 신호(V_NF)를 입력받아, 전압 피드백 신호(V_NF)와 기준 전압(REF)을 비교한다.The voltage feedback circuit receives the reference voltage REF at the non-inverting terminal of the first operational amplifier U1A, and inverts the output voltage from the second output terminal of the rectifying smoother 400 to the inverting terminal 12. The voltage feedback signal V_NF divided by 13 is input, and the voltage feedback signal V_NF is compared with the reference voltage REF.
전류 피드백 회로는 제2 연산 증폭기(U1B)의 반전 단자에 전류 피드백 신호(C_NF)를 입력받고, 비반전 단자에 기준 전압(REF)를 저항(R10), 저항(R11)로 분압된 기준 전류(C_Ref) 전압을 입력받아, 전류 피드백 신호(C_NF)와 기준 전류(C_Ref) 전압 신호를 비교한다.The current feedback circuit receives the current feedback signal C_NF at the inverting terminal of the second operational amplifier U1B, and divides the reference voltage REF into the resistor R10 and the resistor R11 at the noninverting terminal. The C_Ref voltage is input and the current feedback signal C_NF is compared with the reference current C_Ref voltage signal.
전압 피드백 회로 및 전류 피드백 회로는 각 연산 증폭기(U1A, U1B)의 출력 단자에서 출력된 값들 중에서 최소치를 선택하도록 동작한다. 즉 전압과 전류중 어느것이나 설정된 한계 값을 넘어서지 않는다.The voltage feedback circuit and the current feedback circuit operate to select a minimum value among the values output at the output terminals of the respective operational amplifiers U1A and U1B. That is, neither voltage nor current exceeds the set limit.
전압 피드백 회로 및 전류 피드백 회로는 서로 병렬 연결되어 저항(R16)을 통해 포토 커플러(ISO1)에 연결된다. 저항(R16)은 전류를 제한하고 직선 영역을 넓혀주는 역할을 수행한다. The voltage feedback circuit and the current feedback circuit are connected in parallel with each other and connected to the photo coupler ISO1 through a resistor R16. The resistor R16 serves to limit the current and widen the linear region.
전압 피드백 회로 및 전류 피드백 회로에서 선택된 최소값에 의해 포토커플러(ISO1)의 LED가 구동된다. The LED of the photocoupler ISO1 is driven by the minimum value selected in the voltage feedback circuit and the current feedback circuit.
예컨대, 전류 피드백 회로의 제2 연산 증폭기(U1B)의 반전 단자에 입력된 전류 피드백 신호(C_NF)가 비반전 단자에 입력되는 전류 기준 전압(C_Ref)보다 높은 경우, 즉, 출력 전류가 설정치보다 많이 흐르는 경우에는 출력이 마이너스가 되고 제2 연산 증폭기의 출력단 전압이 내려가니까 다이오드(D6)을 통해 흐르는 전류가 커지게 되고, 포토 커플러(ISO1)의 LED가 밝아진다. 이는 포토 커플러(ISO1)에 전류가 많이 흐르기 때문이다. 포토 커플러(ISO1)의 포토 트랜지스터에 전류가 많이 흐르게 되면 포토 트랜지스터는 등가저항이 낮아지게 되어 흐르는 전류가 커지게 되고 이에 따라 각 역률 보정 스위칭 제어부(211, 221, 231, 241)의 피드백 입력 단자에 인가되는 전압은 낮아지게 된다. 그러면, 각 역률 보정 스위칭 제어부(211, 221, 231, 241)의 스위칭 제어 신호 처리부는 높아진 만큼의 전압을 낮추기 위해 PWM 폭을 작게 조절하여 스위칭 제어 신호로 각 스위칭부(Q1, Q2, Q3, Q4)에 출력한다. 이에 따라, 전압과 전류를 모두 제어할 수 있다.For example, when the current feedback signal C_NF input to the inverting terminal of the second operational amplifier U1B of the current feedback circuit is higher than the current reference voltage C_Ref input to the non-inverting terminal, that is, the output current is larger than the set value. In the case of flowing, since the output becomes negative and the output terminal voltage of the second operational amplifier decreases, the current flowing through the diode D6 increases, and the LED of the photo coupler ISO1 becomes bright. This is because a large current flows through the photo coupler ISO1. When a large amount of current flows through the photo transistor of the photo coupler ISO1, the photo transistor has a low equivalent resistance, which increases the current flowing to the feedback input terminal of each power factor correcting switching
본 발명에 따른 단일 단의 다상 밧데리 충전기에서는 종래의 PFC 회로와 DC-DC 컨버터 회로를 하나의 회로에서 처리하여 전력변환을 단일 단으로 해결하였다. 이에 따라 전력변환 트랜스포머가 종래의 PFC 트랜스포머와 DC-DC 컨버터의 트랜스포머가 1개로 통합되어 크기와 무게가 현저하게 줄어들고 전력 변환 효율이 증대되었다.(동일한 기술적 수준으로 90%)In the single stage multi-phase battery charger according to the present invention, the conventional PFC circuit and the DC-DC converter circuit are processed in one circuit to solve power conversion in a single stage. As a result, the power conversion transformer is integrated into one conventional PFC transformer and one DC-DC converter, resulting in a significant reduction in size and weight, and an increase in power conversion efficiency (90% at the same technical level).
종래의 충전기는 단일상으로 전력 변환을 수행하여 자기부품이 부피를 줄일 수 없으나, 본 발명의 일실시예에 따른 다상(Multi Phase)설계에 의하여 전체적인 트랜스포머의 크기를 줄여 소형화할 수 있다. 아래의 표는 다상 설계에 따른 부피 저감율을 보여준다.Conventional chargers can not reduce the volume of the magnetic components by performing power conversion to a single phase, but can be miniaturized by reducing the size of the overall transformer by a multi-phase (Multi Phase) design according to an embodiment of the present invention. The table below shows the volume reduction rate according to the multiphase design.
여기에서, Wa는 트랜스포머에서 코어의 창면적을 나타내며, Ac는 트랜스포머에서 코어의 유효단면적을 나타내는 것이다. 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이 다상 설계에 의해 트랜스포머의 부피가 저감되는 원리를 살펴보면 다음과 같다.Here, Wa denotes the window area of the core in the transformer, and Ac denotes the effective cross-sectional area of the core in the transformer. As shown in Table 1, the principle of reducing the volume of the transformer by the multiphase design is as follows.
즉, 단일 상에서 필요한 에너지는 가 된다. 여기에서 E는 에너지(전력)이고, L은 코일의 인덕턴스이고 I는 코일에 흐르는 전류이다. 한편, 2 상에서 필요한 에너지는 단일상과 동일하게 보면 가 된다. 즉 상이 증가됨에 따라 필요한 인덕턴스가 현저하게 줄어들게 되기 때문에 결과적으로 트랜스포머의 부피가 저감된다.In other words, the energy needed for a single phase . Where E is energy (power), L is the inductance of the coil, and I is the current flowing through the coil. On the other hand, the energy required for two phases is the same as that of a single phase. . In other words, as the phase increases, the required inductance is significantly reduced, resulting in a reduced transformer volume.
본 발명의 실시예는 하나의 실시예에 지나지 않으며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 구성요소의 많은 변형 및 변경이 가능함을 물론이며, 본 발명이 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 본 발명의 일실시예에서는 다상 전력 변환부를 구성함에 있어 4상으로 구현하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 2상, 3상, 5상, 6상 그 이상으로 얼마든지 변형하여 구현이 가능하다.Embodiment of the present invention is only one embodiment, of course, many modifications and variations of the components of the present invention without departing from the gist of the present invention, of course, the present invention is not limited to the embodiment. . For example, in the embodiment of the present invention, the multi-phase power converter is implemented in four phases, but the present invention is not limited thereto, and the implementation may be modified to any number of two-phase, three-phase, five-phase, six-phase or more. It is possible.
110 : 필터부 120 : 정류부
130 : 1차 보조 전원부 140 : 2차 보조 전원부
200 : 다상 전력 변환부 210 : 제1 위상 전력 변환부
211 : 제1 역률 보정 스위칭 제어부 220 : 제2 위상 전력 변환부
221 : 제2 역률 보정 스위칭 제어부 230 : 제3 위상 전력 변환부
231 : 제3 역률 보정 스위칭 제어부 240 : 제4 위상 전력 변환부
241 : 제4 역률 보정 스위칭 제어부 300 : 위상차 동기신호 발생부
400 : 정류평활부 500 : 피드백 신호 발생부110: filter unit 120: rectifying unit
130: primary auxiliary power supply 140: secondary auxiliary power supply
200: polyphase power converter 210: first phase power converter
211: first power factor correction switching controller 220: second phase power converter
221: second power factor correction switching controller 230: third phase power converter
231: third power factor correction switching controller 240: fourth phase power converter
241: fourth power factor correction switching controller 300: phase difference synchronization signal generator
400: rectification smoother 500: feedback signal generator
Claims (7)
맥류를 입력받아 상기 복수의 동기 신호들에 따라 단일 단의 다중 경로에서 각 경로별로 상기 일정한 위상 차이를 두고 역률 보정을 반영하여 밧데리 충전을 위한 전력 변환을 수행하는 다상 전력 변환부; 및
상기 다상 전력 변환부의 동작을 제어하기 위한 피드백 신호를 출력하는 피드백 신호 발생부를 포함하며,
상기 다상 전력 변환부는 각 경로 별로,
권선비에 따라 전압을 변환하는 변환하는 트랜스포머;
상기 피드백 신호 및 상기 동기 신호에 따라 상기 트랜스포머에 인가되는 맥류에 대한 역률 보정이 반영된 스위칭 제어 신호를 출력하는 역률 보정 스위칭 제어부; 및
상기 스위칭 제어신호에 따라 상기 트랜스포머에 입력되는 상기 맥류를 스위칭하는 스위칭부를 포함하며,
상기 역률 보정 스위칭 제어부는,
해당 경로에 상응하는 위상을 가지는 동기 신호를 입력받는 동기 입력 처리부;
상기 피드백 신호를 입력받는 피드백 신호 처리부;
상기 트랜스포머의 비자화 포락점을 검출하는 포락점 검출 처리부;
상기 트랜스포머 및 상기 스위칭부의 전류를 검출하는 전류 검출 처리부; 및
상기 동기 신호, 상기 피드백 신호, 상기 비자화 포락점, 상기 전류에 기반하여 역률 보정이 반영된 스위칭 제어 신호를 생성하는 스위칭 제어 신호 처리부를 포함하는 단일 단의 다상 밧데리 충전기.A phase difference synchronization signal generator for outputting a plurality of synchronization signals having a predetermined phase difference;
A multi-phase power converter configured to receive a pulse current and perform power conversion for battery charging by reflecting a power factor correction for each path in the single path multipath according to the plurality of synchronization signals; And
It includes a feedback signal generator for outputting a feedback signal for controlling the operation of the multi-phase power converter,
The polyphase power converter is for each path,
A transformer for converting the voltage according to the turns ratio;
A power factor correction switching controller for outputting a switching control signal reflecting the power factor correction for the pulse current applied to the transformer according to the feedback signal and the synchronization signal; And
And a switching unit for switching the pulse flow input to the transformer according to the switching control signal.
The power factor correction switching control unit,
A synchronization input processor configured to receive a synchronization signal having a phase corresponding to a corresponding path;
A feedback signal processor receiving the feedback signal;
An envelope detection processor for detecting an unmagnetized envelope point of the transformer;
A current detection processor detecting current of the transformer and the switching unit; And
And a switching control signal processor configured to generate a switching control signal reflecting power factor correction based on the synchronization signal, the feedback signal, the non-magnetic envelope point, and the current.
상기 역률 보정 스위칭 제어부는 PFC 제어 IC 또는 펌웨어가 내장된 범용 마이크로 콘트롤러로 구현된 것을 특징으로 하는 단일 단의 다상 밧데리 충전기.The method according to claim 1,
The power factor correction switching control unit is a multi-stage battery charger, characterized in that implemented as a general-purpose microcontroller with a built-in PFC control IC or firmware.
상기 트랜스포머의 2차측에 발생한 펄스를 직류로 출력하는 정류부를 더 포함하는 단일 단의 다상 밧데리 충전기.The method according to claim 1,
Single stage multi-phase battery charger further comprises a rectifier for outputting a direct current pulse generated on the secondary side of the transformer.
상기 변환된 직류를 평활처리하는 평활부를 더 포함하는 단일 단의 다상 밧데리 충전기.The method according to claim 5,
Single stage multi-phase battery charger further comprises a smoothing unit for smoothing the converted direct current.
상기 피드백 신호 발생부는 상기 피드백 신호를 생성하기 위해 상기 다상 전력 변환부의 출력단에 연결된 전압 피드백 회로 또는 전류 피드백 회로 중 적어도 하나를 포함하는 단일 단의 다상 밧데리 충전기.The method according to claim 1,
And the feedback signal generator comprises at least one of a voltage feedback circuit and a current feedback circuit connected to an output terminal of the polyphase power converter to generate the feedback signal.
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