KR101518943B1 - 변압기, 변압기를 포함하는 dc-dc 컨버터, 및 dc-dc 컨버터를 포함하는 충전용 컨버터 - Google Patents

변압기, 변압기를 포함하는 dc-dc 컨버터, 및 dc-dc 컨버터를 포함하는 충전용 컨버터 Download PDF

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Abstract

변압기는, 제1 단에 연결되어 있는 제1 권선 및 제2 단에 연결되어 있는 제2 권선을 포함하는 1차측 권선, 제3 단에 연결되어 있는 제3 권선 및 제4 단에 연결되어 있는 제4 권선을 포함하는 2차측 권선, 상기 제1 권선과 상기 제2 단 사이에 연결되어 있는 제1 연결 스위치, 상기 제1 스위치와 상기 제2 권선 사이에 연결되어 있는 제2 연결 스위치, 상기 제3 권선과 상기 제4 단 사이에 연결되어 있는 제3 연결 스위치, 및 상기 제3 스위치와 상기 제4 권선 사이에 연결되어 있는 제4 연결 스위치를 포함한다.

Description

변압기, 변압기를 포함하는 DC-DC 컨버터, 및 DC-DC 컨버터를 포함하는 충전용 컨버터{TRANSFOMER, DC-DC CONVERTER COMPRSING THE TRANSFOMER, AND CHARGER CONVERTER COMPRISING THE DC-DC CONVERTER}
실시 예는 변압기, 변압기를 포함하는 DC-DC 컨버터, 및 DC-DC 컨버터를 포함하는 충전용 컨버터에 관한 것이다.
최근 수요가 급증한 플러그인 하이브리드 및 전기차 개발과 관련하여, 고전압 배터리로 저전압 배터리를 충전하는 절연형 LDC (Low DC-DC Converter)와 고전압 배터리를 충전하는 충전용 컨버터는 필수부품이다.
종래의 LDC와 충전용 컨버터의 DC-DC단은 보통 Full bridge, Phase shift full bridge, 및 Half bridge 토폴로지 중 하나를 사용한다.
변압기의 턴 비(2차 턴수/1차 턴수)가 높을수록 효율이 높아지고, Duty가 증가할수록 효율이 높아진다.
에를 들어, 목표로 하는 출력 전류 및 출력 전압이 주어져 있을 때, 변압기의 턴 비를 높일 경우 변압기 1차측 전류 즉, 스위치에 흐르는 전류가 감소하여 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다.
또한, 변압기의 2차측 정류기(다이오드 또는 스위치)에 인가되는 역전압(=내압) 역시 변압기의 턴 비가 높아질수록 감소된다. 다이오드 또는 스위치의 내압이 작을수록Forward Voltage 또는 도통 저항이 작아지므로 도통 손실이 감소된다.
고전압 배터리를 충전하는 충전용 컨버터의 효율을 개선하고 그 원가를 절감할 수 있는 변압기, 이를 포함하는 DC-DC 컨버터, 및 충전용 컨버터를 제공하고자 한다.
실시 예에 따른 변압기는, 제1 단에 연결되어 있는 제1 권선 및 제2 단에 연결되어 있는 제2 권선을 포함하는 1차측 권선, 제3 단에 연결되어 있는 제3 권선 및 제4 단에 연결되어 있는 제4 권선을 포함하는 2차측 권선, 상기 제1 권선과 상기 제2 단 사이에 연결되어 있는 제1 연결 스위치, 상기 제1 스위치와 상기 제2 권선 사이에 연결되어 있는 제2 연결 스위치, 상기 제3 권선과 상기 제4 단 사이에 연결되어 있는 제3 연결 스위치, 및 상기 제3 스위치와 상기 제4 권선 사이에 연결되어 있는 제4 연결 스위치를 포함한다.
상기 제2 연결 스위치는, 상기 제1 권선과 상기 제1 연결 스위치가 연결되는 노드에 연결되어 있는 일단 및 상기 제2 권선의 일단에 연결되어 있는 타단을 포함한다. 상기 제2 권선의 타단은 상기 제2 단에 연결되어 있다.
상기 제4 연결 스위치는, 상기 제3 권선과 상기 제3 연결 스위치가 연결되는 노드에 연결되어 있는 일단 및 상기 제4 권선의 일단에 연결되어 있는 타단을 포함한다. 상기 제2 권선의 타단은 상기 제2 단에 연결되어 있다.
실시 예에 따른 DC-DC 컨버터는 입력 전압을 받아 출력 전압을 생성하고, 는 DC-DC 컨버터에 있어서,
상기 출력 전압에 따라 듀티가 제어되고 1차측에 위치한 복수의 스위치 및 상기 복수의 스위치를 통해 전압 및 전류가 전달되는 1차측 권선 및 상기 1차측 권선과 절연 커플링되어 있는 2차측 권선을 포함하는 변압기를 포함하고, 상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선 중 적어도 어느 하나의 권선 수가 변화되어, 상기 변압기의 턴 비가 상기 출력 전압에 기초하여 변한다.
상기 1차측 권선은 제1 단에 연결되어 있는 제1 권선 및 제2 단에 연결되어 있는 제2 권선을 포함하고, 상기 2차측 권선은 제3 단에 연결되어 있는 제3 권선 및 제4 단에 연결되어 있는 제4 권선을 포함한다.
상기 변압기는, 상기 제1 권선과 상기 제2 단 사이에 연결되어 있는 제1 연결 스위치, 상기 제1 스위치와 상기 제2 권선 사이에 연결되어 있는 제2 연결 스위치, 상기 제3 권선과 상기 제4 단 사이에 연결되어 있는 제3 연결 스위치, 및 상기 제3 스위치와 상기 제4 권선 사이에 연결되어 있는 제4 연결 스위치를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 단은 상기 복수의 스위치 중 상기 입력 전압에 연결되어 있는 일단을 포함하는 제1 스위치의 타단에 연결되어 있고, 상기 제2 단은 상기 복수의 스위치 중 상기 입력 전압에 연결되어 있는 일단은 포함하는 제2 스위치의 타단에 연결되어 있다.
상기 제2 연결 스위치는, 상기 제1 권선과 상기 제1 연결 스위치가 연결되는 노드에 연결되어 있는 일단 및 상기 제2 권선의 일단에 연결되어 있는 타단을 포함한다.
상기 제2 권선의 타단은 상기 제2 단에 연결되어 있다.
상기 복수의 스위치는, 상기 제1 스위치의 타단에 연결되어 있는 일단을 포함하는 제3 스위치, 및 상기 제2 스위치의 타단에 연결되어 있는 일단을 포함하는 제4 스위치를 포함하고, 상기 제3 스위치의 타단 및 상기 제4 스위치의 타단이 연결되어 있다.
상기 변압기를 통해 2차측으로 전달되는 전압 및 전류를 정류하는 정류 회로를 더 포함한다.
상기 정류 회로는, 상기 제3 단에 연결되어 있는 애노드를 포함하는 제1 다이오드, 상기 제4 단에 연결되어 있는 애노도를 포함하는 제2 다이오드, 상기 제3 단에 연결되어 있는 캐소드를 포함하는 제3 다이오드, 및 상기 제4 단에 연결되어 있는 캐소드를 포함하는 제4 다이오드를 포함한다. 상기 제1 다이오드의 캐소드 및 상기 제2 다이오드의 캐소드가 연결되어 있고, 상기 제3 다이오드의 애노드 및 상기 제4 다이오드의 애노드가 연결되어 있다.
상기 제4 연결 스위치는, 상기 제3 권선과 상기 제3 연결 스위치가 연결되는 노드에 연결되어 있는 일단 및 상기 제4 권선의 일단에 연결되어 있는 타단을 포함한다. 상기 제2 권선의 타단은 상기 제2 단에 연결되어 있다.
실시 예에 따른 충전용 컨버터는 교류 입력을 정류하는 정류 회로, 상기 정류 회로의 출력에 연결되어 있는 PFC 컨버터, 및 상기 PFC의 제1 출력 전압을 입력 받고, 제2 출력 전압을 생성하는 DC-DC 컨버터를 포함한다. 상기 DC-DC 컨버터는, 상기 제2 출력 전압에 따라 듀티가 제어되고 1차측에 위치한 복수의 스위치 및 상기 복수의 스위치를 통해 전압 및 전류가 전달되는 1차측 권선 및 상기 1차측 권선과 절연 커플링되어 있는 2차측 권선을 포함하는 변압기를 포함하고, 상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선 중 적어도 어느 하나의 권선 수가 변화되어, 상기 변압기의 턴 비가 상기 제2 출력 전압에 기초하여 변한다.
상기 충전용 컨버터는, 상기 제2 출력 전압에 따라 상기 제1 내지 제4 연결 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 복수의 스위치 신호를 생성한다
상기 충전용 컨버터는, 상기 제2 출력 전압을 감지하여 피드백 정보를 생성하는 피드백 회로, 및 상기 피드백 정보에 따라 턴 비를 결정하고, 상기 결정된 턴 비에 따라 상기 복수의 스위칭 신호를 생성하는 스위칭 제어부를 더 포함한다.
출력 전압의 변화에 따라 변압기의 턴 비를 조절함으로써, 출력 전압의 변화에 관계없이 스위칭 듀티(Duty)를 높은 수준으로 유지할 수 있다. 그러면, 1차측 스위치에 흐르는 RMS 전류를 감소시킬 수 있어, 효율이 증가하는 효과를 제공한다.
또한, 출력 전압이 낮아짐에 따라 변압기의 턴 비를 감소시킴으로써, 1차측 스위치에 흐르는 전류를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 변압기의 턴 비 감소 비율만큼 전류가 감소한다. 이는 효율 증가뿐만 아니라 전류 용량이 작은 스위치로 대체가 가능하여 원가절감의 효과도 제공한다. 이와 같이, 충전용 컨버터효율을 상승시킴으로써 고전압 배터리의 충전시간을 절감시킬 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 변압기를 나타낸 도면이다.
도 2는 실시 예에 따른 변압기의 회로도이다.
도 3은 실시 예에 따른 충전용 컨버터를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 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. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 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.
LDC의 입력전압은 고전압 배터리의 출력 전압인데, 고전압 배터리의 특성상 그 출력 전압이 가변될 수 있다. 하지만, LDC의 출력은 저전압 배터리에 연결되고, LDC의 출력 전압은 일정한 전압으로 유지되어야 한다.
즉, LDC는 입력 전압의 변화에 관계없이 일정한 출력전압을 유지해야 한다. 이를 위해서, LDC의 변압기는 입력전압의 최소치에 맞춰 턴 비가 정해지게 된다. 그러나, 변압기의 턴 비(2차 턴수/1차 턴수)가 결정된 후 입력전압에 최대치가 인가될 경우, 2차측 정류기에 큰 내압이 인가될 수 있다. 이를 방지하기 위해서 종래에는 가격이 비싸고 손실이 높은 큰 내압의 다이오드 또는 스위치를 사용한다.
이와 달리, 실시 예에 따른 변압기는 변압기의 턴 비(turn ratio)를 조절할 수 있다. 따라서 가격이 비싸고 손실이 높은 큰 내압의 다이오드 또는 스위치의 사용 없이 안정적으로 출력 전압이 일정하게 유지될 수 있다.
충전용 컨버터에 포함되어 있는 DC-DC의 입력전압은은 PFC(power factor correction) 출력전압으로 일정하다. 그러나, 충전용 컨버터의 DC-DC의 출력전압은 고전압 배터리에 연결되어 있어, 출력 전압이 변화하는 특성이 있다.
즉, 충전용 컨버터의 DC-DC는 일정한 입력전압으로 출력전압을 변화시킨다. 따라서 변압기는 출력전압의 최대치에 맞춰 턴 비가 정해지게 된다. 그러나, 변압기의 턴 비가 결정된 후 요구되는 출력전압이 최소치일 경우, 1차측 Duty가 감소하여 스위치에 흐르는RMS 전류가 증가하게 된다.
이와 달리, 실시 예에 다른 변압기는 변압기의 턴 비를 조절할 수 있다. 따라서, 변압기의 턴 비를 조절하여 1차측 Duty가 감소되지 않도록(예를 들어, 최대 Duty) 유지하여, 스위치 전류의 증가를 방지하여 스위칭 손실 증가를 억제할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 실시 예를 설명한다.
도 1은 실시 예에 따른 변압기를 나타낸 도면이다.
도 2는 실시 예에 따른 변압기의 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 변압기(10)는 1차측 권선(W11, W12), 2차측 권선(W21, W22), 제1 내지 제4 연결 스위치(SW1-SW4)를 포함한다.
1차측 권선(W11, W12)와 2차측 권선(W21, W22)는 코어의 중심 기둥에 서로 분리되어(isolated) 감겨있다. 1차측 권선(W11, W12)와 2차측 권선(W21, W22)는 소정의 턴 비로 절연 커플링 되어 있다.
실시 예에 따른 변압기(10)는 1차측 권선 및 2차측 권선 모두 권선 수가 가변될 수 있다. 그러나 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니고 1차측 권선 및 2차측 권선 중 어느 하나의 권선 수만 가변될 수 있다.
1차측 권선(W11)의 일단은 단자(TE1)에 연결되어 있고, 1차측 권선(W11)의 타단은 1차측 권선(W12)의 일단과 노드(N1)에 연결되어 있다. 1차측 권선(W12)의 타단은 단자(TE2)에 연결되어 있다. 2차측 권선(W21)의 일단은 단자(TE3)에 연결되어 있고, 2차측 권선(W21)의 타단은 2차측 권선(W22)의 일단과 노드(N2)에 연결되어 있다. 2차측 권선(W22)의 타단은 단자(TE4)에 연결되어 있다.
제1 연결 스위치(SW1)는 노드(N1)와 단자(TE2) 사이에 연결되어 있고, 제2 연결 스위치(SW2)는 노드(N1)와 2차측 권선(W12)의 일단 사이에 연결되어 있다. 제3 연결 스위치(SW3)는 노드(N2)와 단자(TE4) 사이에 연결되어 있고, 제4 연결 스위치(SW4)는 노드(N2)와 2차측 권선(W22)의 일단 사이에 연결되어 있다.
1차측 권선(W11)의 턴 수는 n11, 1차측 권선(W12)의 턴 수는 n12, 2차측 권선(W21)의 턴 수는 n21, 및 2차측 권선(W22)의 턴 수는 n22이다.
제1 내지 제4 연결 스위치(SW1-SW4)의 스위칭 동작으로, 변압기(10)의 1차측 턴 수 및 2차측 턴 수가 변경되어 턴 비율이 조절된다. 따라서, 변압기(10)의 1차측 단자(TE1)와 단자(TE2) 사이의 입력 전압 및 2차측 단자(TE3)와 단자(TE4) 사이의 출력 전압의 변동, 또는 1차측 전류의 변동에 따라 변압기(10)의 1차측 턴 수 및2차측 턴 수를 조절하여, 변압기(10)의 턴 비율을 조절한다.
그러면, 최적의 효율이 유지될 수 있도록 설계가 가능하다.
입력/출력 전압 및 전류 변동으로 인해 스위치나 다이오드 등과 같은 전력소자의 정격 내압 및 내 전류가 높은 것들을 사용하던 종래와 달리, 입력/출력 변동에 따라 변압기의 턴 수 및 턴 비율을 조절함에 따라 낮은 내압 및 내전류의 스위치나 다이오드 등의 전력 소자들이 사용될 수 있다. 스위치나 다이오드는 내압이 높아질수록 도통 손실이 증가하므로, 효율증대와 함께 원가절감의 효과도 제공된다.
아래 표 1은 제1 내지 제4 연결 스위치(SW1-SW4)의 스위칭 동작에 따른 턴 비를 나타낸 표이다.
Figure 112013115674675-pat00001
[표 1]
표 1에서, 제1 연결 스위치(SW1) 및 제3 연결 스위치(SW3)가 턴 온 되고, 제2 연결 스위치(SW2) 및 제4 연결 스위치(SW4)가 턴 오프 되어 있을 때의 턴 비는 n11:n21이다. 제1 연결 스위치(SW1) 및 제4 연결 스위치(SW4)가 턴 온 되고, 제2 연결 스위치(SW2) 및 제3 연결 스위치(SW3)가 턴 오프 되어 있을 때의 턴 비는 n11:(n21+n22)이다. 제2 연결 스위치(SW2) 및 제3 연결 스위치(SW3)가 턴 온 되고, 제1 연결 스위치(SW1) 및 제4 연결 스위치(SW4)가 턴 오프 되어 있을 때의 턴 비는 (n11+n12):n21이다. 제2 연결 스위치(SW2) 및 제4 연결 스위치(SW4)가 턴 온 되고, 제1 연결 스위치(SW1) 및 제3 연결 스위치(SW3)가 턴 오프 되어 있을 때의 턴 비는 (n11+n12):(n21+n22)이다.
위의 표 1처럼 변압기(10)의 턴 비(2차 권선 수/1차 권선 수)는 4 가지로 변경될 수 있다. 실시 예에서의 1차 권선의 단수는 W11 및 W12로 2단이고, 2차 권선의 단수는 W21 및 W22로 2단이다. 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니고, 만약, 1차 권선의 단수 및 2차 권선의 단수를 늘리면 더욱 많은 턴 비 조합이 가능하다.
위 4가지 턴 비 조합으로 출력전압이 변화됨에 따라 제1 내지 제4 연결 스위치(SW1-SW4) 각각을 스위칭하여 변압기 턴 비를 조절한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제4 연결 스위치(SW1-SW4) 각각은 스위칭 신호(S1-S4)에 따라 스위칭 동작한다. 변압기(10)의 턴 비를 조절하기 위해 입력 전압 및 출력 전압을 고려하여 스위칭 신호(S1-S4)를 결정한다.
예를 들어, 출력전압이 낮을 때 가장 낮은 턴 비(예를 들어, n21/(n11+n12))를 사용하고, 출력전압이 증가할수록 턴 비를 증가시킨다. 이렇게 되면 낮은 출력전압 조건에서 낮은 변압기의 턴 비로 인해 1차측 스위치에 흐르는 전류가 감소한다. 그러면 스위칭 손실 및 전도손실이 감소하여 효율이 증가된다.
n11의 권선수가 4일 때, n21이 2, n12 및 n22가 1이라고 가정한다.
그러면, 표 1에서 종류 1일 때의 턴 비는 2/4이고, 종류 2일 때의 턴 비는 3/4이며, 종류 3일 때의 턴 비는 2/5 이고, 종류 4일 때의 턴 비는 3/5이다.
즉, 가장 높은 턴비는 종류 2이고, 종류 4, 종류 1, 및 종류 3 순으로 턴 비가 낮아진다. 출력 전압이 증가할수록 가장 낮은 턴 비인 종류 3에서, 종류 1 종류 4 종류 2 순으로 변경되도록 스위칭 동작이 제어될 수 있다.
또한, 출력전압의 변화에 따라 턴 비를 조절하여, 출력 전압에 관계없이 Duty를 높은 수준으로 유지할 수 있다. 그러면, 1차측 스위치에 흐르는 RMS 전류 및 피크전류가 감소하여 스위칭 손실 및 전도손실이 감소하여 효율이 증가된다.
이하, 도 3을 참조하여 실시 예에 따른 충전용 컨버터를 설명한다.
도 3은 실시 예에 따른 충전용 컨버터를 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 충전용 컨버터(20)는 정류 회로(BD), PFC 컨버터(1), 및 DC-DC 컨버터(2)를 포함하고, 고전압 배터리(3)에 연결되어 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 고전압 배터리(3)의 양단의 전압은 변화하므로, 충전용 컨버터(20)는 스위칭 신호(S1-S4)를 고전압 배터리(3)의 전압에 따라 결정하여 변압기(10)의 턴 비를 제어할 수 있다.
예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 충전용 컨버터(20)는 피드백 회로(21) 및 스위칭 제어부(22)를 포함한다.
피드백 회로(31)는 고전압 배터리(3)의 출력 전압을 감지하여 피드백 정보를 생성하고, 스위칭 제어부(32)로 전달한다. 스위칭 제어부(32)는 피드백 정보에 따라 턴 비를 결정하고, 결정된 턴 비에 따라 스위칭 신호(S1-S4)를 생성하여 변압기(10)에 공급할 수 있다.
정류 회로(BD)는 풀-브릿지 다이오드로 구현되어 있으며, 교류 입력(VAC)에 연결되어 있는 4 개의 다이오드(D1-D4)를 포함한다.
PFC 컨버터(1)는 정류 회로(BD)를 통해 입력되는 입력 전압(Vin) 및 입력 전류(Iin)의 위상을 일치시켜 역률을 개선한다. 실시 예에서는 부스트 컨버터로 PFC 컨버터(1)가 구현되어 있으나 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다.
PFC 컨버터(1)는 인덕터(11), PFC 스위치(12), 다이오드(13), 및 커패시터(14)를 포함한다.
PFC 스위치(12)의 게이트에는 게이트 전압(VG1)이 공급되고, 게이트 전압(VG1)에 따라 PFC 스위치(12)의 스위칭 동작이 제어된다. PFC 컨버터(1)는 입력 전압(Vin) 및 입력 전류(Iin)의 위상이 가까워지도록 스위칭 동작을 제어한다.
인덕터(11)의 일단에는 입력 전압(Vin)이 연결되어 있고, 인덕터(11)의 타단은 PFC 스위치(12)의 드레인 및 다이오드(13)의 애노드가 연결되어 있다. 다이오드(13)의 캐소드는 커패시터(C14)의 일 전극에 연결되어 있고, 커패시터(14)의 타전극은1차측 그라운드를 통해 정류 회로(BD)에 연결되어 있다.
PFC 스위치(12)의 턴 온 기간 동안 인덕터(11)을 통해 흐르는 전류가 증가하고, 인덕터(11)에 에너지가 저장된다. 이 때, 다이오드(13)는 비도통 상태이다.
PFC 스위치(12)가 턴 오프 되면, 인덕터(11)에 저장된 에너지가 사라질 때까지 인덕터(11)에 전류가 감소하면서 흐른다. 이 때, 다이오드(13)는 도통 상태이다.
다이오드(13)을 통해 공급되는 전류는 커패시터(14)를 충전시켜 PFC 컨버터(1)의 출력 전압(Vout1)이 생성된다. PFC 컨버터(1)는 출력 전압(Vout1)이 일정하게 유지되도록 PFC 스위치(12)의 스위칭 동작을 제어한다.
DC-DC 컨버터(2)는 PFC 컨버터(1)의 출력 전압(Vout1)을 입력 받고, 변압기(10)를 이용하여 고전압 배터리(3)에 출력 전압(Vout2)을 공급한다.
DC-DC 컨버터(2)는 4 개의 스위치(21-24), 변압기(10), 정류 회로(25), 출력 필터 인덕터(26), 및 출력 필터 커패시터(27)를 포함한다. 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터(2)는 풀-브릿지(full-bridge) 토폴로지로 구현되어 있으나, 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다.
변압기(10)는 고전압 배터리(3)의 전압에 따라 턴 비가 결정되고, 결정된 턴 비 조건에서, DC-DC 컨버터(2)는 고전압 배터리(3)의 전압에 따라 출력 전압(Vout2)을 제어한다.
결정된 턴 비 조건에서, 출력 전압(Vout2)을 증가시키기 위해서는 듀티가 증가하고, 출력 전압(Vout2)을 감소시키기 위해서는 듀티가 감소한다. DC-DC 컨버터는 출력 전압(Vout2)에 따라 듀티를 제어하고, 듀티에 따라 스위치(21-24)가 스위칭 동작한다.
스위치(21) 및 스위치(22)의 드레인은 출력 전압(Vout1)에 연결되어 있고, 스위치(23) 및 스위치(24)의 소스는 그라운드를 통해 정류 회로(BD)에 연결되어 있다. 스위치(21)의 소스와 스위치(23)의 드레인이 연결되어 있는 노드는 도 2에 도시된 단자(TE1)에 연결되고, 스위치(22)의 소스와 스위치(24)의 드레인이 연결되어 있는 노드는 도 2에 도시된 단자(TE2)에 연결되어 있다.
변압기(10)는 1차측에 위치한 복수의 스위치(21-24)의 스위칭 동작에 따라 공급되는 전압 및 전류를 변환하여 2차측으로 전달한다. 변압기(10)의 구성 및 구성 간의 연결 관계는 앞서 설명한 바, 생략한다.
정류 회로(25)는 4 개의 다이오드(D11-D14)를 포함한다. 다이오드(D11)의 애노드 및 다이오드(D13)의 캐소드는 도 2에 도시된 단자(TE3)에 연결되어 있고, 다이오드(D12)의 애노드 및 다이오드(D14)의 캐소드는 도 2에 도시된 단자(TE4)에 연결되어 있다.
다이오드(D11)의 캐소드 및 다이오드(D12)의 캐소드는 출력 필터 인덕터(26)의 일단에 연결되어 있고, 출력 필터 인덕터(26)의 타단은 출력 필터 커패시터(27)의 일 전극에 다이오드(D13) 및 다이오드(D14)의 애노드는 2차측 그라운드를 통해 출력 필터 커패시터(27)의 타 전극에 연결되어 있다.
출력 필터 인덕터(26)과 출력 필터 커패시터(27)는 LC 필터를 구성하고, 출력 필터 커패시터(27)의 양단 전압이 출력 전압(Vout2)이다. 출력 전압(Vout2)은 고전압 배터리(3)의 양단 전압이다.
스위치(21) 및 스위치(24)가 턴 온이고, 스위치(22) 및 스위치(23)이 턴 오프인 기간 동안, 1차측 권선(예를 들어, W11, 또는 W11 및 W12)양단에 전압이 인가되고 전류가 흐르게 된다. 이 때, 2차측 권선(예를 들어, W21, 또는 W21 및 W22)에 흐르는 전류는 정류 회로(25)의 다이오드(D12, D13)를 통해 흐른다. 예를 들어, 다이오드(D12) 및 다이오드(D13)가 도통되어 2차측 권선에 흐르는 전류가 출력 필터 인덕터(26)를 거쳐 출력 필터 커패시터(27) 및 고전압 배터리(3)를 충전시킨다.
스위치(22) 및 스위치(21)가 턴 온이고, 스위치(23) 및 스위치(24)이 턴 오프인 기간 동안, 1차측 권선(예를 들어, W11, 또는 W11 및 W12)에 전류가 프리휠링한다. 또한, 스위치(23) 및 스위치(24)가 턴 온이고, 스위치(21) 및 스위치(23)이 턴 오프인 기간 동안 출력 필터 인덕터(26)와 1차측 권선(예를 들어, W11, 또는 W11 및 W12)에 저장된 에너지에 의해 1차측 권선(예를 들어, W11, 또는 W11 및 W12)에 전류가 프리휠링한다.
이 때, 2차측 권선(예를 들어, W21, 또는 W21 및 W22)에 흐르는 전류는 정류 회로(25)의 다이오드(D12, D13)를 통해 흐른다. 예를 들어, 다이오드(D12) 및 다이오드(D13)가 도통되어 2차측 권선에 흐르는 전류가 출력 필터 인덕터(26)를 거쳐 출력 필터 커패시터(27) 및 고전압 배터리(3)를 충전시킨다.
출력 필터 커패시터(27)의 전압이 출력 전압(Vout2)으로, 고전압 배터리(3)의 충전 상태에 따라 출력 전압(Vout2)이 변화된다. 이와 같이 LC 필터를 통해 출력 전압(Vout2)이 평활되어 안정적인 DC 전압이 고전압 배터리(3)에 공급되고, 고전압 배터리(3)를 충전할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 출력 전압(Vout2)의 변화에 따라 변압기(10)의 턴 비를 조절함으로써, 출력 전압(Vout2)의 변화에 관계없이 스위칭 듀티(Duty)를 높은 수준으로 유지할 수 있다. 그러면, 1차측 스위치에 흐르는 RMS 전류 및 피크전류를 감소시킬 수 있어, 효율이 증가하는 효과를 제공한다.
또한, 출력 전압(Vout2)이 낮아짐에 따라 변압기(10)의 턴 비를 감소시킴으로써, 1차측 스위치에 흐르는 전류를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 변압기(10)의 턴 비 감소 비율만큼 전류가 감소한다. 이는 효율 증가뿐만 아니라 전류 용량이 작은 스위치로 대체가 가능하여 원가절감의 효과도 제공한다. 이와 같이, 충전용 컨버터효율을 상승시킴으로써 고전압 배터리(3)의 충전시간을 절감시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: PFC 컨버터
2: DC-DC 컨버터
3: 고전압 배터리
10: 변압기
W11, W12: 1차측 권선
W21, W22: 2차측 권선
SW1-SW4: 연결 스위치
20: 충전용 컨버터
BD: 정류 회로
11: 인덕터
12: PFC 스위치
13: 다이오드
14: 커패시터
21-24: 스위치
25: 정류 회로
26: 출력 필터 인덕터
27: 출력 필터 커패시터

Claims (19)

  1. 제1 단에 연결되어 있는 제1 권선 및 제2 단에 연결되어 있는 제2 권선을 포함하는 1차측 권선,
    제3 단에 연결되어 있는 제3 권선 및 제4 단에 연결되어 있는 제4 권선을 포함하는 2차측 권선,
    상기 제1 권선과 상기 제2 단 사이에 연결되어 있는 제1 연결 스위치,
    상기 제1 스위치와 상기 제2 권선 사이에 연결되어 있는 제2 연결 스위치,
    상기 제3 권선과 상기 제4 단 사이에 연결되어 있는 제3 연결 스위치, 및
    상기 제3 스위치와 상기 제4 권선 사이에 연결되어 있는 제4 연결 스위치를 포함하는 변압기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 연결 스위치는,
    상기 제1 권선과 상기 제1 연결 스위치가 연결되는 노드에 연결되어 있는 일단 및 상기 제2 권선의 일단에 연결되어 있는 타단을 포함하는 변압기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 권선의 타단은 상기 제2 단에 연결되어 있는 변압기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제4 연결 스위치는,
    상기 제3 권선과 상기 제3 연결 스위치가 연결되는 노드에 연결되어 있는 일단 및 상기 제4 권선의 일단에 연결되어 있는 타단을 포함하는 변압기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 권선의 타단은 상기 제2 단에 연결되어 있는 변압기.
  6. 입력 전압을 받아 출력 전압을 생성하는 DC-DC 컨버터에 있어서,
    상기 출력 전압에 따라 듀티가 제어되고 1차측에 위치한 복수의 스위치 및
    상기 복수의 스위치를 통해 전압 및 전류가 전달되는 1차측 권선 및 상기 1차측 권선과 절연 커플링되어 있는 2차측 권선을 포함하는 변압기를 포함하고,
    상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선 중 적어도 어느 하나의 권선 수가 변화되어, 상기 변압기의 턴 비가 상기 출력 전압에 기초하여 변하는 DC-DC 컨버터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 1차측 권선은 제1 단에 연결되어 있는 제1 권선 및 제2 단에 연결되어 있는 제2 권선을 포함하고, 상기 2차측 권선은 제3 단에 연결되어 있는 제3 권선 및 제4 단에 연결되어 있는 제4 권선을 포함하고,
    상기 변압기는,
    상기 제1 권선과 상기 제2 단 사이에 연결되어 있는 제1 연결 스위치,
    상기 제1 스위치와 상기 제2 권선 사이에 연결되어 있는 제2 연결 스위치,
    상기 제3 권선과 상기 제4 단 사이에 연결되어 있는 제3 연결 스위치, 및
    상기 제3 스위치와 상기 제4 권선 사이에 연결되어 있는 제4 연결 스위치를 더 포함하는 DC-DC 컨버터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 단은 상기 복수의 스위치 중 상기 입력 전압에 연결되어 있는 일단을 포함하는 제1 스위치의 타단에 연결되어 있고,
    상기 제2 단은 상기 복수의 스위치 중 상기 입력 전압에 연결되어 있는 일단은 포함하는 제2 스위치의 타단에 연결되어 있는 DC-DC 컨버터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 연결 스위치는,
    상기 제1 권선과 상기 제1 연결 스위치가 연결되는 노드에 연결되어 있는 일단 및 상기 제2 권선의 일단에 연결되어 있는 타단을 포함하는 DC-DC 컨버터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 권선의 타단은 상기 제2 단에 연결되어 있는 DC-DC 컨버터.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 스위치는,
    상기 제1 스위치의 타단에 연결되어 있는 일단을 포함하는 제3 스위치, 및
    상기 제2 스위치의 타단에 연결되어 있는 일단을 포함하는 제4 스위치를 포함하고,
    상기 제3 스위치의 타단 및 상기 제4 스위치의 타단이 연결되어 있는 DC-DC 컨버터.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 변압기를 통해 2차측으로 전달되는 전압 및 전류를 정류하는 정류 회로를 더 포함하는 DC-DC 컨버터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 정류 회로는,
    상기 제3 단에 연결되어 있는 애노드를 포함하는 제1 다이오드,
    상기 제4 단에 연결되어 있는 애노도를 포함하는 제2 다이오드,
    상기 제3 단에 연결되어 있는 캐소드를 포함하는 제3 다이오드, 및
    상기 제4 단에 연결되어 있는 캐소드를 포함하는 제4 다이오드를 포함하고,
    상기 제1 다이오드의 캐소드 및 상기 제2 다이오드의 캐소드가 연결되어 있고, 상기 제3 다이오드의 애노드 및 상기 제4 다이오드의 애노드가 연결되어 있는 DC-DC 컨버터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제4 연결 스위치는,
    상기 제3 권선과 상기 제3 연결 스위치가 연결되는 노드에 연결되어 있는 일단 및 상기 제4 권선의 일단에 연결되어 있는 타단을 포함하는 DC-DC 컨버터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 권선의 타단은 상기 제2 단에 연결되어 있는 DC-DC 컨버터.
  16. 교류 입력을 정류하는 정류 회로,
    상기 정류 회로의 출력에 연결되어 있는 PFC 컨버터, 및
    상기 PFC의 제1 출력 전압을 입력 받고, 제2 출력 전압을 생성하는 DC-DC 컨버터를 포함하고,
    상기 DC-DC 컨버터는,
    상기 제2 출력 전압에 따라 듀티가 제어되고 1차측에 위치한 복수의 스위치 및
    상기 복수의 스위치를 통해 전압 및 전류가 전달되는 1차측 권선 및 상기 1차측 권선과 절연 커플링되어 있는 2차측 권선을 포함하는 변압기를 포함하고,
    상기 1차측 권선 및 상기 2차측 권선 중 적어도 어느 하나의 권선 수가 변화되어, 상기 변압기의 턴 비가 상기 제2 출력 전압에 기초하여 변하는 충전용 컨버터.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 1차측 권선은 제1 단에 연결되어 있는 제1 권선 및 제2 단에 연결되어 있는 제2 권선을 포함하고, 상기 2차측 권선은 제3 단에 연결되어 있는 제3 권선 및 제4 단에 연결되어 있는 제4 권선을 포함하고,
    상기 변압기는,
    상기 제1 권선과 상기 제2 단 사이에 연결되어 있는 제1 연결 스위치,
    상기 제1 스위치와 상기 제2 권선 사이에 연결되어 있는 제2 연결 스위치,
    상기 제3 권선과 상기 제4 단 사이에 연결되어 있는 제3 연결 스위치, 및
    상기 제3 스위치와 상기 제4 권선 사이에 연결되어 있는 제4 연결 스위치를 더 포함하는 충전용 컨버터.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제2 출력 전압에 따라 상기 제1 내지 제4 연결 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 복수의 스위치 신호를 생성하는 충전용 컨버터.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제2 출력 전압을 감지하여 피드백 정보를 생성하는 피드백 회로, 및
    상기 피드백 정보에 따라 턴 비를 결정하고, 상기 결정된 턴 비에 따라 상기 복수의 스위칭 신호를 생성하는 스위칭 제어부를 더 포함하는 충전용 컨버터.
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