KR101194485B1 - 가변 주파수 역률 제어 충전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가변 주파수 역률 제어 충전 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 교류-직류 변환부; 스위칭 소자의 위칭 동작에 의해 역률을 보정하여 출력하는 역률 보정 회로; 상기 역률 보정 회로에서 출력되는 직류 전원을 배터리 충전용 직류 전원으로 변환하여 출력하는 직류-직류 변환부; 및 상기 역률 보정 회로의 스위칭 소자를 펄스 신호의 펄스폭을 변조하여 스위칭 제어를 수행할 때에 상기 펄스 신호의 주파수를 가변하여 스위칭 제어를 수행하는 역률 보정 회로 제어부를 포함하는 가변 주파수 역률 제어 충전 장치가 제공되어 경부하 상태에서도 역률을 유지할 수 있다.

Description

가변 주파수 역률 제어 충전 장치{Charging equipment of Variable frequency control for power factor}
본 발명은 가변 주파수 역률 제어 충전 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전기 자동차에서 주동력원으로 사용되는 배터리는 전기 자동차의 주행에 따라 충전되어 있는 전압이 방전되므로 일정시간 및 거리의 주행 이후에는 반드시 전기적인 충전이 이루어져야 한다.
전기 자동차의 주동력원인 배터리를 충전하는 방식으로는 크게 시스템에 의한 분류와 충전 전류에 의한 분류로 구분되는데, 시스템에 의한 분류로는 전기 자동차에 충전 장치가 포함되는 탑재형 방식과 외부에 별도로 설치되는 충전 장치를 이용하는 별치형 충전 방식으로 구분된다.
또한, 충전전류에 의한 분류로는 20A 이하의 전류로 장시간 충전을 수행하는 보통 충전 방식과 30A 이상의 전류로 단시간내에 충전하는 급속 충전 방식으로 구분된다.
통상적으로, 보통 충전에서는 차량에 탑재되어 있는 탑재형 충전 장치를 이용하고, 급속 충전에서는 외부에 별도로 설치되는 별치형 충전장치를 이용한다.
이와 같은 전기자동차의 충전 방식에 있어서 상기 탑재형 충전 장치는 역률 보정 회로와, 역률 보정 회로 제어부, 직류-직류 변환부 및 충전 제어부로 구성된다.
여기에서, 상기 역률 보정 회로 제어부는 역률 보정 회로로부터 출력되는 전압과 전류를 감지하여 역률 보정 회로상의 스위칭 소자를 스위칭 제어하여 역률을 유지하고 있다.
이와 같은 충전 장치에 있어서 배터리 상태가 전력 공급량이 많은 중부하(저항값이 작은) 상태로부터 전력 공급량이 적은 경부하(저항값이 큰) 상태까지 광범위하게 변할 때 광범위한 부하 영역에서 고효율화가 요구된다.
하지만, 종래 기술에 따른 충전 장치에 있어서 경부하 상태에서 여전히 중부하 상태와 동일한 스위칭 빈도를 갖는 펄스폭 변조 방식을 사용하여 역률 보정 회로 제어부가 역률 보정 회로의 스위칭 소자를 스위칭하기 때문에 역률 보정 회로 내부의 전력 소비량이 상대적으로 커지게 되어 중부하에 비하여 경부하시에 전력 변환 효율이 현저하게 떨어지는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 배터리의 부하 상태를 감지하여 경부하 상태에서 중부하 상태보다 상대적으로 낮은 스위칭 빈도로 스위칭 소자를 동작시켜 전력 변환 효율(역률)을 개선할 수 있도록 한 가변 주파수 역률 제어 충전 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 교류 전원을 입력받아 직류 전원으로 변환하여 출력하는 교류-직류 변환부; 스위칭 소자를 포함하며, 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해 상기 교류-직류 변환부에서 출력되는 직류 전원의 역률을 보정하여 출력하는 역률 보정 회로; 상기 역률 보정 회로에서 출력되는 직류 전원을 배터리 충전용 직류 전원으로 변환하여 출력하는 직류-직류 변환부; 및 상기 역률 보정 회로의 출력 직류 전원에 따라 상기 역률 보정 회로의 스위칭 소자를 펄스 신호의 펄스폭을 변조하여 스위칭 제어를 수행할 때에 배터리 관리 장치로부터 출력되는 배터리의 부하 상태에 따라 상기 펄스 신호의 주파수를 가변하여 스위칭 제어를 수행하는 역률 보정 회로 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 역률 보정 회로 제어부는, 배터리의 부하 상태가 경부하 상태에 있을 때에 중부하 상태보다 상대적으로 낮은 스위칭 빈도를 갖도록 상기 펄스 신호의 주파수를 가변하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 역률 보정 회로 제어부는, 상기 역률 보정 회로의 스위칭 소자를 스위칭 제어하기 위하여 펄스 신호의 펄스폭이 변조된 펄스 신호를 출력하는 펄스폭 변조기; 및 상기 펄스폭 변조기에서 출력되는 상기 펄스 신호를 배터리 관리 장치로부터 출력되는 배터리의 부하 상태에 따라 주파수를 가변하여 상기 스위칭 소자의 스위칭 제어를 수행하는 펄스 주파수 변조기를 포함하는 것을 특징을 한다.
또한, 본 발명의 상기 펄스 주파수 변조기는, 상기 배터리 관리 장치로부터 부하 상태에 비례하는 출력 전압과 기준 전압을 입력받아 입력받은 신호를 비교하여 출력하는 비교기; 전원 전압과 연결된 제1 단자, 접지 전압과 연결된 제2 단자 및 제3 단자를 갖는 트랜지스터; 상기 트랜지스터의 상기 제1 및 제2 단자들 사이에 병렬로 연결된 커패시터; 상기 비교기의 출력단과 상기 트랜지스터의 상기 제1 단자에 연결되고, 주파수가 가변된 펄스 신호를 출력하는 래치; 및 상기 주파수가 가변된 펄스 신호를 지연시켜서 상기 트랜지스터의 제3 단자로 제공하는 지연기를 포함하는 것을 특징을 한다.
또한, 본 발명은 상기 교류전원을 입력받아 고주파 성분을 제거하여 상기 교류-직류 변환부로 출력하는 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 직류-직류 변환부에서 출력되는 직류 전원을 입력받아 고주파 성분을 제거하여 상기 배터리로 출력하는 충전 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 교류-직류 변환부는, 4개의 다이오드가 브릿지 방식으로 연결된 브릿지 전파 정류 회로로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 역률 보정 회로는, 상기 교류-직류 변환부의 하나의 단자에 직렬로 연결된 인덕터; 상기 인덕터에 직렬로 부하단을 향하여 정방향으로 연결되어 있으며 역방향으로 흐르는 전류를 차단하는 블록킹 다이오드; 상기 인덕터의 출력단에 제1 단자가 연결되고, 제2 단자가 상기 교류-직류 변환부의 다른 단자에 연결되어 있으며, 상기 역률 보정 회로 제어부로부터 제 3 단자를 통하여 인가되는 스위칭 제어 신호에 따라 온/오프 동작을 수행하여 상기 스위칭 소자로서 기능을 수행하는 스위칭 트랜지스터; 및 상기 블록킹 다이오드의 출력 단자와 상기 교류-직류 변환부의 다른 단자 사이에 연결된 축적 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 직류-직류 변환부는, 상기 역률 보정 회로에서 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 직류-교류 변환기; 상기 직류-교류 변환기에서 출력되는 교류 전원을 승압하거나 감압하여 출력하는 무접점 변압기; 및 상기 무접점 변압기에서 출력되는 승압되거나 감압된 상기 교류 전원을 배터리용 직류 전원으로 변환하여 출력하는 교류-직류 변환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 직류-교류 변환기는, 상기 역률 보정 회로의 출력측 하나의 단자에 제1 단자가 연결되고 무접점 변압기의 두개의 단자 각각에 제2 단자가 연결된 한쌍의 스위칭 트랜지스터; 상기 무접점 변압기의 두개의 단자 각각에 제1 단자가 연결되고 상기 역률 보정 회로의 다른측 단자에 제2 단자가 연결된 다른 한쌍의 스위칭 트랜지스터; 및 상기 무접점 변압기의 2차측의 권선에서 역류하는 전류를 방지하기 위하여 각각의 상기 스위칭 트랜지스터의 제1 단자와 제2 단자 사이에 역방향으로 연결된 4개의 역병렬 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 배터리의 부하 상태에 따른 가변 주파수로 역률 보정 회로를 제어함으로써 배터리의 상태가 중부하로부터 경부하로 변화되는 동안에 역률을 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 배터리의 부하 상태에 따른 가변 주파수로 역률 보정 회로를 제어함으로써 스위칭 손실을 감소시켜 전력 소모를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가변 주파수 역률 제어 충전 장치의 블럭도이다.
도 2는 도 1의 가변 주파수 역률 제어 충전 장치의 회로도이다.
도 3은 도 2의 역률 보정 회로의 연속 전류 모드(continuous current mode, CCM)의 파형도이다.
도 4는 도 2의 역률 보정 회로의 불연속 전류 모드(discontinuous current mode, DCM)의 파형도이다.
도 5는 배터리에 흐르는 전류(ILoad)의 변화에 따라 역률 보정 회로 제어부에서 출력되는 펄스 신호를 나타내는 파형도이다.
도 6은 도 2의 직류-직류 변환부에서 생성된 파형의 예시도이다.
도 7은 도 1의 펄스 주파수 변조부의 구성도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 가변 주파수 역률 제어 충전 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 가변 주파수 역률 제어 충전 장치는 상용 전원부(10), 필터부(11), 교류-직류 변환부(12), 역률 보정 회로(13), 직류-직류 변환부(14), 충전 필터부(15), 스위칭부(16), 배터리(17), 역률 보정 회로 제어부(18), 충전 제어부(19), 배터리 관리 장치(BMS)(20)를 구비하고 있다. 그리고, 상기 역률 보정 회로 제어부(18)는 펄스폭 변조기(18-1)와 펄스 주파수 변조기(18-2)를 포함하고 있다.
여기에서, 상용 전원부(10)는 계통 전원에 연결되어 송전 선로로부터 교류 전원을 공급받아 필터부(11)에 공급한다.
상기 필터부(11)는 상용 전원부(10)에 연결되어 외부로부터 입력된 교류(AC) 전원의 불필요한 고주파 신호의 간섭 및 노이즈를 제거하고 통과시킨다. 상기 필터부(11)로는 예를 들면 EMI(Electromagnetic Interference) 필터가 사용된다.
그리고, 상기 교류-직류 변환부(12)는 입력단이 상기 필터부(11)의 출력단에 연결되어 있으며, 필터부(11)를 통과한 교류 전원을 입력받아 직류 전원으로 변환시켜서 출력한다.
상기 역률 보정 회로(PFC)(13)는 교류 전원이 상기 교류-직류 변환부(12)를 통과하여 정류될 때에 교류(AC) 전원의 전류 파형과 전압 파형의 위상 차에 의한 위상 손실이 최소화되도록 역률을 보정한다.
다음으로, 상기 직류-직류 변환부(14)는 역률 보정 회로(13)의 출력단에 연결되어, 역률 보정 회로(13)에서 출력되는 직류 전원을 입력 받아 전기 자동차의 배터리 충전에 적합한 직류 전원으로 변화시켜서 출력한다.
이러한 상기 직류-직류 변환부(14)는 예를 들면 유사 공진형 플라이 백(Quasi-Resonant Flyback) 컨버터, 포워드(Forward) 컨버터, 풀-블릿지(Full-bridge) 컨버터 및 하프-브릿지(Half-bridge) 컨버터 등이 사용될 수 있다.
상기 충전 필터부(15)는 상기 직류-직류 변환부(14)에 연결되어 출력되는 직류 전원의 불필요한 고주파 신호의 간섭 및 노이즈를 제거하고 통과시킨다. 이러한 충전 필터부(15)는 선택적으로 포함될 수 있다.
상기 스위칭부(16)는 직류-직류 변환부(14) 또는 출력 필터부(15)와 배터리(16) 사이에 연결되어, 직류-직류 변환부(14) 또는 충전 필터부(15)와 배터리(16)간의 전기적 연결을 도통 또는 단락시키는 기능을 수행한다.
그리고, 배터리(16)는 전기 자동차에 필요한 전원을 충전하고 방전하는 장치로 2차 전지가 사용된다.
한편, 역률 보정 회로 제어부(18)는 역률 보정 회로(13)의 출력단에 연결되어 역률 보정 회로(13)에서 출력되는 직류값을 감지하여 역률 보정 회로(13)에 포함된 스위칭 소자를 스위칭 제어한다.
이때, 역률 보정 회로 제어부(18)는 배터리 관리 장치(20)로부터 충전 제어부(19)를 경유하거나 직접적으로 배터리 충전 상태에 따른 부하 정보를 입력받아 중부하일 경우에는 높은 주파수를 사용한 펄스폭 변조를 사용하여서(즉, 높은 주파수로 주파수를 가변하면서 펄스폭 제어를 수행하는 가변 주파수 펄스폭 제어를 사용하여서) 역률 보정 회로(13)의 스위칭 소자를 구동하고, 경부하 상태에서는 낮은 주파수를 사용한 펄스폭 변조를 사용하여(즉, 낮은 주파수로 주파수를 가변하면서 펄스폭 제어를 수행하는 가변 주파수 펄스폭 제어를 사용하여서) 역률 보정 회로(13)의 스위칭 소자를 구동하여 경부하 상태에서 불필요하게 높은 스위칭 빈도에 의한 스위칭 손실을 억제하면서 역률을 유지하도록 한다.
즉, 상기 역률 보정 회로 제어부(18)는 배터리의 부하 상태에 따라 역률 보정 회로(13)의 스위칭 소자에 인가되는 제어용 구형파를 구비된 펄스 폭 변조기(PWM)(18-1)와 펄스 주파수 변조기(PFM)(18-2)를 통해서 펄스폭(듀티비(duty rate))와 주파수를 조절할 수 있다.
구체적으로, 상기 펄스 폭 변조기(PWM)(18-1)는 반도체 소자를 포함하며, 상기 반도체 소자의 스위칭 속도에 따라 구형파 형태의 전압 또는 전류 파형의 펄스 폭을 조절한다.
반면에, 상기 펄스 주파수 변조기(PFM)(18-1)는 상기 반도체 소자의 스위칭 속도에 따라 구형파 형태의 전압 또는 전류 파형의 주파수를 조절한다.
이때, 상기 펄스 주파수 변조기(18-1)는 중부하 상태에서는 높은 주파수의 구형파 제어 신호를 생성하여 출력하며, 경부하 상태에서는 낮은 주파수의 구형파 제어 신호를 생성하여 출력하여, 경부하 상태에서 불필요하게 높은 스위칭 빈도에 의한 스위칭 손실을 억제하면서 역률을 유지하도록 한다.
이때, 상기 펄스 폭 변조기(PWM)(18-1)에 의한 펄스 폭 조절을 먼저 수행한 후, 상기 펄스 주파수 변조기(PFM)(18-2)에 의한 주파수 조절을 수행하거나, 상기 펄스 주파수 변조기(18-2)에 의해 주파수 조절을 수행한 후에 상기 펄스 폭 변조기(18-1)에 의해 펄스 폭 조절을 수행하도록 할 수 있다.
일반적으로 배터리(17)가 중부하 상태로부터 경부하 상태로 급속하게 변화되는 추세에 비추어 보았을 때 이러한 추세를 잘 추종할 수 있는 전자의 방식이 더 바람직하다.
한편, 충전 제어부(19)는 직류-직류 변환부(14)에서 출력되는 직류 값을 감지하여 직류-직류 변환부(14)를 제어한다.
그리고, 충전 제어부(19)는 배터리 관리 장치(20)로부터 전송되는 배터리(17)의 부하 상태 정보를 전송받아 역률 보정 회로 제어부(18)로 전송한다.
물론, 충전 제어부(18)가 배터리 관리 장치(20)로부터 전송되는 배터리(17)의 부하 상태를 판단하여 중부하인 경우에 상기 역률 보정 회로 제어부(17)를 제어하여 출력되는 역률 보정 회로(13)의 제어 신호의 주파수를 높이도록 제어하고, 경부하인 경우에는 상기 역률 보정 회로 제어부(18)를 제어하여 출력되는 역률 보정 회로(13)의 제어 신호의 주파수를 낮추도록 제어할 수도 있다.
이외에도 상기 충전 제어부(19)는 배터리 관리 장치(20)로부터 충전 장치에 배터리(17)가 연결되었는지 여부와 충전 전압을 전송받아 충전 전압이 기준치 이하일 경우에는 스위칭부(16)를 온시켜 충전이 진행되도록 하고, 충전 전압이 기준치 이상일 경우에는 스위칭부(16)를 동작시켜 직류-직류 변환부(14)와 배터리(17)의 전기적 연결을 차단하도록 한다.
다음으로, 상기 배터리 관리 장치(20)는 배터리(17)의 충전시에 제반 동작을 관리하며, 배터리(17)의 부하 상태를 감지하여 상기 충전 제어부(19)나 역률 보정 회로 제어부(18)로 전송한다.
이와 같이 구성되는 가변 주파수 제어 충전 장치는, 부하 상태를 감지하여 중부하 상태에서는 높은 주파수를 사용하여 역률 보정 회로(13)의 스위칭 소자를 구동하고, 경부하 상태에서는 낮은 주파수로 역률 보정 회로(13)의 스위칭 소자를 동작시켜 스위칭 빈도를 낮춤으로 스위칭 손실을 억제하면서 역률을 유지하도록 한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가변 주파수 역률 제어 충전 장치의 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 가변 주파수 역률 제어 충전 장치를 구성하는 필터부(11)는 상용 전원부(10)의 일단자에 직렬로 연결된 2개의 인덕터(L11, L12)와, 상용 전원부(10)의 다른 단자에 직렬로 연결된 2개의 인덕터(L13, L14)와, 인덕터 L11과 L12 사이와 접지 사이에 연결된 커패시터(C11) 및 인덕터 L13와 L14 사이와 접지 사이에 연결된 커패시터(C12)로 이루어져 있다.
이처럼 상기 필터부(11)는 상용 전원부(10)에 인덕터(L11, L12, L13, L14)가 직렬로 연결되고, 커패시터(C11, C12)가 병렬로 연결되어 외부로부터 입력된 교류(AC) 전원의 불필요한 고주파 신호의 간섭 및 노이즈를 제거하고 통과시킨다.
여기에서, 상기 필터부(11)는 인덕터-커패시터-인덕터로 연결되는 방식으로 구현하였지만, 인덕터만으로 구현하거나, 인덕터에 커패시터가 연결된 방식으로 구현할 수도 있다.
다음으로, 교류-직류 변환부(12)는 4개의 다이오드(D21, D22, D23, D24)가 브릿지 방식으로 연결된 브릿지 전파 정류 회로로 구성되어 있으며, 이러한 브릿지 전파 정류 회로는 주기적으로 양과 음의 두 가지 방향으로 변화하는 교류(AC) 전원을 전파 정류하여 한 가지 방향의 전파 정류 파형을 갖는 직류(DC) 전원으로 변환한다.
구체적으로, 상기 브릿지 전파 정류 회로의 제1 단자(a)에 양의 전류가 인가되면 제1 및 제4 다이오드(D21 및 D24)가 온(on)되어 통과하게 되고, 상기 브릿지 회로의 제2 단자(b)에 음의 전류가 인가되면 제2 및 제 3 다이오드(D22 및 D23)가 온(on)되어 통과하게 하게 된다.
따라서, 상기 교류-직류 변환부(120)의 브릿지 전파 정류 회로의 양단 사이에, 즉 제1 단자(a)와 제2 단자(b) 사이에 부하를 연결하면 상기 브릿지 회로를 거친 전류는 항상 제1단자(a)에서 제2 단자(b) 방향으로 일정하게 흐르게 된다. 즉, 전류의 방향이 항상 일정하게 유지된다.
다음으로, 역률 보정 회로(13)는 교류-직류 변환부(12)에 하나의 단자에 직렬로 연결된 인덕터(L31)와, 상기 인덕터(L31)에 직렬로 부하단을 향하여 정방향으로 연결되어 있으며 역방향으로 흐르는 전류를 차단하는 블록킹 다이오드(D31)와, 인덕터(L31)의 출력단에 컬렉터 단자가 연결되어 있으며 이미터 단자가 상기 교류-직류 변환부(12)의 다른 단자에 연결되어 있고, 베이스 단자가 역률 보정 회로 제어부(18)에 연결되어 역률 보정 회로 제어부(18)에서 출력되는 가변 주파수 펄스폭 제어 신호에 따라 온/오프 동작을 반복하는 스위칭 트랜지스터(Tr31)과, 상기 다이오드(D31)의 출력 단자와 상기 교류-직류 변환부(12)의 다른 단자 사이에 연결된 축적 커패시터(C31)를 구비하고 있다.
상기 스위칭 트랜지스터(Tr31)의 컬렉터 단자와 이미터 단자 사이에는 다이오드(D31)가 병렬로 역방향으로 연결되어 있다.
이와 같은 구성에서 역률 보정 회로(13)는 교류-직류 변환부(12)로부터 맥동하는 직류 전압을 수신한다.
그리고, 스위칭 트랜지스터(Tr31)가 온되면, 인덕터(L31)를 통하여 교류-직류 변환부(12)로부터 스위칭 트랜지스터(Tr31)를 통하여 전류가 흘러 전자기 에너지가 인덕터(L31)의 전자기장에 축적된다.
이와 반대로 스위칭 트랜지스터(Tr31)가 오프되면, 인덕터(L31)와 블록킹 다이오드(D31)를 통하여 전류가 흘러 인덕터(L31)의 전자기 에너지는 축적 커패시터(C31)로 이동한다.
상기 역률 보정 회로(13)의 출력은 역률 보정 회로 제어부(18)에 의해 조절된 축적 커패시터(C31)의 양단의 직류 전압이다.
이때, 도 3에 도시된 바와 같이 인덕터(L31)를 통하여 주기(Ts) 동안 연속적인 전류가 흐르는 경우에 연속 전류 모드(continuous current mode, CCM)라고 하고, 도 4에 도시된 바와 같이 주기(Ts)동안 인덕터(L)을 통하여 흐르는 전류가 부분적으로 차단되는 경우를 불연속 전류 모드(discontinuous current mode, DCM)라고 한다.
상기 역률 보정 회로(13)가 연속 전류 모드로 동작할 때 스위칭 트랜지스터 (Tr31)가 온되면, 위에서 설명한 바와 같이 교류-직류 변환부(12)로부터 스위칭 트랜지스터(Tr31)를 통하여 전류가 흘러 전자기 에너지가 인덕터(L31)의 전자기장에 축적된다. 이때, 역률 보정 회로(13)의 출력 전압이 시간이 흐름에 따라 작아지면, 인덕터(L31)를 통해 역방향 전류가 흐르는 불연속 모드가 존재한다.
이때, 역률 보정 회로 제어부(18)는 스위칭 트랜지스터(Tr31)가 오프되도록 제어하여 스위칭 트랜지스터(Tr31)를 통하여 흐르는 역방향 전류가 차단되도록 한다.
이러한 상기 역률 보정 회로 제어부(18)에 의한 스위칭 트랜지스터(Tr31)의 제어는 상기 스위칭 트랜지스터(Tr31)의 베이스에 인가되는 펄스(구형파) 신호의 듀티비를 변화시키는 것으로 펄스폭 변조 제어라고 부를 수 있다.
한편, 배터리(17)에 전원을 공급할 때 전력 공급량이 많은 중부하(출력 저항값이 작은)로부터 전력 공급량이 적은 경부하(출력 저항값이 큰)까지 광범위하게 배터리(17)의 부하 상태가 변화되는데 이때 광범위한 부하 영역에서 고효율화가 요구된다.
이 경우에, 중부하에 비하여 경부하시에 전력 변환 효율(역률)의 저하가 현저해지는 경향이 있다. 그 이유는, 소비 전력 전체에서 차지하는 스위칭 소자인 스위칭 트랜지스터(Tr31)의 스위칭 손실이 상대적으로 커지기 때문이다.
본 발명에서는 배터리(17)의 부하 상태에 따라 전력 변환 효율의 저하를 개선하기 위하여 부하 상태에 따라 스위칭 주기를 변화시키는 주파수 변조 방식을 가미하여 스위칭 트랜지스터(Tr31)에 대한 스위칭 동작을 제어한다.
이를 좀더 구체적으로 살펴보면, 역률 보정 회로 제어부(18)는 부하 저항이 작아지면, 즉 출력 전류가 작아지면 스위칭 트랜지스터(Tr31)의 스위칭 빈도를 감소시켜서(즉 스위칭 제어 신호의 펄스 신호의 주파수 주기를 감소시켜서) 스위칭 동작에 의한 전력 손실을 감소시킨다.
반면, 역률 보정 회로 제어부(18)는 부하 저항이 클 때(중부하일 때) 스위칭 빈도를 증가시켜(즉 스위칭 제어 신호의 펄스 신호의 주파수 주기를 증가시켜) 주로 펄스 폭 변조 방식에 의존하여 스위칭 트랜지스터(Tr31)의 스위칭 동작을 수행하도록 제어한다.
이와 관련하여 도 5는 배터리(17)에 흐르는 전류(ILoad)의 변화에 따라 역률 보정 회로 제어부(18)에서 출력되는 펄스 신호를 보여주는데, 배터리(17)를 흐르는 전류가 증가하면 출력되는 펄스 신호의 주파수는 높아진다.
이와 반대로 배터리(17)를 흐르는 전류가 감소하면 역률 보정 회로 제어부(18)에서 출력되는 펄스 신호의 주파수는 낮아진다.
다음으로, 직류-직류 변환부(14)는 직류-교류 변환기(14-1)와, 무접점 변압기(14-2) 및 교류-직류 변환기(14-3)으로 구성된다.
여기에서, 상기 직류-교류 변환기(14-1)은 역률 보정 회로(13)의 출력측 하나의 단자에 컬렉터가 연결되고 무접점 변압기(14-2)의 두개의 단자 각각에 이미터가 연결된 한쌍의 스위칭 트랜지스터(Tr41, Tr42)와 무접점 변압기(14-2)의 두개의 단자 각각에 컬렉터가 연결되고 역률 보정 회로(13)의 다른측 단자에 이미터가 연결된 한쌍의 스위칭트랜지스터(Tr43, Tr44)로 구성되어 있다.
그리고, 상기 직류-교류 변환기(14-1)는 무접점 변압기(14-2)의 2차측의 권선에서 역류하는 전류를 방지하기 위하여 각각의 스위칭 트랜지스터(Tr41, Tr42, Tr43, Tr44)의 컬렉터와 이미터 사이에 역방향으로 연결된 4개의 역병렬 다이오드(D41, D42, D43, D44)로 구성되어 있다.
이와 같이 구성된 상기 직류-교류 변환기(14-1)는 도 6에 도시된 바와 같이 4개의 스위칭 트랜지스터의 베이스 단자 SP1, SP2, SP3, SP4가 스위칭되어 무접점 변압기(14-2)의 2차측 권선에 VT와 같은 교류 전류를 제공한다.
한편, 무접점 변압기(14-2)의 1차측 권선은 직류-교류 변환기(14-1)에 연결되어 있고, 2차측은 교류-직류 변환기(14-3)에 연결되어 있다.
또한, 무접점 변압기(14-2)의 1차측 권선에는 공진 인덕터(L41)과 공진 커패시터(C41)가 직렬로 연결되어 있으며 적절한 소자값의 선택에 따라 최대 전력 전송이 가능하도록 한다.
이와 같은 무접점 변압기(14-2)는 1차측 권선에 인가되는 전압과 전류를 권선비에 따라 승압 또는 감압하여 2차 측 권선에 전달하여 교류-직류 변환기(14-3)에 일정한 전류가 인가되도록 한다.
그리고, 상기 교류-직류 변환기(14-3)는 4개의 다이오드(D45, D46, D47, D48)가 브릿지 방식으로 연결된 브릿지 전파 정류 회로로 구성되어 있으며, 제1 단자(c)에 양의 전류가 인가되면 제1 및 제4 다이오드(D45 및 L48)가 온(on)되어 통과하게 되고, 상기 브릿지 회로의 제2 단자(d)에 음의 전류가 인가되면 제2 및 제 3 다이오드(L46 및 L47)가 온(on)되어 통과하게 하게 된다.
따라서, 교류 직류 변환기(14-3)의 브릿지 전파 정류 회로의 양단 사이에, 즉 제1 단자(c)와 제2 단자(d) 사이에 부하를 연결하면 상기 브릿지 회로를 거친 전류는 항상 제1단자(c)에서 제2 단자(d) 방향으로 일정하게 흐르게 된다.
다음으로, 충전 필터부(15)는 직류-직류 변환부(14)의 양 단자 사이에 병렬로 연결된 커패시터(C51)과 직류-직류 변환부(14)의 한쪽 단자에 직렬로 연결된 인덕터(L51)을 포함하고 있다.
이와 같은 커패시터(C51)과 인덕터(L51)은 대역 통과 필터를 구성하여 상기 직류-직류 변환부(14)에서 출력되는 직류 전원의 불필요한 고주파 신호의 간섭 및 노이즈를 제거하고 통과시킨다.
도 7은 도 1에 도시된 펄스 주파수 변조기를 보여주는 도면이다.
도 7을 참조하면, 펄스 주파수 변조기는 인버터들(21, 22), 래치(23), 비교기(24), 커패시터(25), NMOS 트랜지스터(26) 및 지연기(27)를 포함하고 있다.
비교기(24)는 배터리 관리 장치로부터 부하 상태에 비례하게 출력되는 출력 전압(VOUT)과 기준 전압(VREF1)을 입력받고, 비교 신호를 래치(23)의 입력단(S)으로 출력한다. 커패시터(25)는 전원 전압(Vd)과 접지 전압 사이에 연결된다. NMOS 트랜지스터(26)는 전원전압(Vd)와 접지 전압 사이에 연결되고, 지연기(27)의 출력에 의해서 제어된다.
래치(23)는 R-S 래치로 구성되며, 입력단(S)은 비교기(24)로부터 출력되는 비교 신호와 연결되고, 입력단(R)은 커패시터(25) 및 NMOS 트랜지스터(26)의 연결 노드와 연결된다.
래치(28)의 출력(Q)은 지연기(27) 및 인버터(22)로 제공된다. 인버터들(22,21)은 래치(23)의 출력(Q)에 직렬로 연결되어서 펄스 신호를 출력한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
10 : 상용 전원부 11 : 필터부
12 : 교류-직류 변환부 13 : 역률 보정 회로
14 : 직류-직류 변환부 15 : 충전 필터부
16 : 스위칭부 17 : 배터리
18 : 역률 보정 회로 제어부 19 : 충전 제어부
20 : 배터리 관리 장치 21, 22 : 인버터
23 : 래치 24 : 비교기
25 : 커패시터 26 : 트랜지스터
27 : 지연기

Claims (10)

  1. 교류 전원을 입력받아 직류 전원으로 변환하여 출력하는 교류-직류 변환부;
    스위칭 소자를 포함하며, 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해 상기 교류-직류 변환부에서 출력되는 직류 전원의 역률을 보정하여 출력하는 역률 보정 회로;
    상기 역률 보정 회로에서 출력되는 직류 전원을 배터리 충전용 직류 전원으로 변환하여 출력하는 직류-직류 변환부; 및
    상기 역률 보정 회로의 출력 직류 전원에 따라 상기 역률 보정 회로의 스위칭 소자를 펄스 신호의 펄스폭을 변조하여 스위칭 제어를 수행할 때에 배터리 관리 장치로부터 출력되는 배터리의 부하 상태에 따라 상기 펄스 신호의 주파수를 가변하여 스위칭 제어를 수행하는 역률 보정 회로 제어부를 포함하며,
    상기 역률 보정 회로 제어부는,
    상기 역률 보정 회로의 스위칭 소자를 스위칭 제어하기 위하여 펄스 신호의 펄스폭이 변조된 펄스 신호를 출력하는 펄스폭 변조기; 및
    상기 펄스폭 변조기에서 출력되는 상기 펄스 신호를 배터리 관리 장치로부터 출력되는 배터리의 부하 상태에 따라 주파수를 가변하여 상기 스위칭 소자의 스위칭 제어를 수행하는 펄스 주파수 변조기를 포함하며,
    상기 펄스 주파수 변조기는,
    상기 배터리 관리 장치로부터 부하 상태에 비례하는 출력 전압과 기준 전압을 입력받아 입력받은 신호를 비교하여 출력하는 비교기;
    전원 전압과 연결된 제1 단자, 접지 전압과 연결된 제2 단자 및 제3 단자를 갖는 트랜지스터;
    상기 트랜지스터의 상기 제1 및 제2 단자들 사이에 병렬로 연결된 커패시터;
    상기 비교기의 출력단과 상기 트랜지스터의 상기 제1 단자에 연결되고, 주파수가 가변된 펄스 신호를 출력하는 래치; 및
    상기 주파수가 가변된 펄스 신호를 지연시켜서 상기 트랜지스터의 제3 단자로 제공하는 지연기를 포함하는 가변 주파수 역률 제어 충전 장치.
  2. 청구항 1항에 있어서,
    상기 역률 보정 회로 제어부는,
    배터리의 부하 상태가 경부하 상태에 있을 때에 중부하 상태보다 상대적으로 낮은 스위칭 빈도를 갖도록 상기 펄스 신호의 주파수를 가변하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 역률 제어 충전 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1항에 있어서,
    상기 교류전원을 입력받아 고주파 성분을 제거하여 상기 교류-직류 변환부로 출력하는 필터부를 더 포함하는 가변 주파수 역률 제어 충전 장치.
  6. 청구항 1항에 있어서,
    상기 직류-직류 변환부에서 출력되는 직류 전원을 입력받아 고주파 성분을 제거하여 상기 배터리로 출력하는 충전 필터부를 더 포함하는 가변 주파수 역률 제어 충전 장치.
  7. 청구항 1항에 있어서,
    상기 교류-직류 변환부는, 4개의 다이오드가 브릿지 방식으로 연결된 브릿지 전파 정류 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 역률 제어 충전 장치.
  8. 청구항 1항에 있어서,
    상기 역률 보정 회로는,
    상기 교류-직류 변환부의 하나의 단자에 직렬로 연결된 인덕터;
    상기 인덕터에 직렬로 부하단을 향하여 정방향으로 연결되어 있으며 역방향으로 흐르는 전류를 차단하는 블록킹 다이오드;
    상기 인덕터의 출력단에 제1 단자가 연결되고, 제2 단자가 상기 교류-직류 변환부의 다른 단자에 연결되어 있으며, 상기 역률 보정 회로 제어부로부터 제 3 단자를 통하여 인가되는 스위칭 제어 신호에 따라 온/오프 동작을 수행하여 상기 스위칭 소자로서 기능을 수행하는 스위칭 트랜지스터; 및
    상기 블록킹 다이오드의 출력 단자와 상기 교류-직류 변환부의 다른 단자 사이에 연결된 축적 커패시터를 포함하는 가변 주파수 역률 제어 충전 장치.
  9. 청구항 1항에 있어서,
    상기 직류-직류 변환부는,
    상기 역률 보정 회로에서 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 직류-교류 변환기;
    상기 직류-교류 변환기에서 출력되는 교류 전원을 승압하거나 감압하여 출력하는 무접점 변압기; 및
    상기 무접점 변압기에서 출력되는 승압되거나 감압된 상기 교류 전원을 배터리용 직류 전원으로 변환하여 출력하는 교류-직류 변환기를 포함하는 가변 주파수 역률 제어 충전 장치.
  10. 청구항 9항에 있어서,
    상기 직류-교류 변환기는,
    상기 역률 보정 회로의 출력측 하나의 단자에 제1 단자가 연결되고 무접점 변압기의 두개의 단자 각각에 제2 단자가 연결된 한쌍의 스위칭 트랜지스터;
    상기 무접점 변압기의 두개의 단자 각각에 제1 단자가 연결되고 상기 역률 보정 회로의 다른측 단자에 제2 단자가 연결된 다른 한쌍의 스위칭 트랜지스터; 및
    상기 무접점 변압기의 2차측의 권선에서 역류하는 전류를 방지하기 위하여 각각의 상기 스위칭 트랜지스터의 제1 단자와 제2 단자 사이에 역방향으로 연결된 4개의 역병렬 다이오드를 포함하는 가변 주파수 역률 제어 충전 장치.
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