KR101654087B1 - 비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로 - Google Patents

비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로에 관한 것으로, 그 목적은 전력변환장치에서 비상용 전원으로 사용되는 2차전지의 충전방식을 비대칭으로 동작하는 전력반도체스위치(MOSFET)를 적용하여 스위칭 손실을 줄일 수 있도록 한 비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로를 제공하고자 함에 있다.
이를 위해, 본 발명에 따른 비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로는, 입력전류를 센싱하는 전류 센싱부와; 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 동작되면서 전류경로를 형성하여 캐패시터에 전류를 충전하는 스위칭부 및; 상기 전류 센싱부의 전류 값과 상기 스위칭부의 출력 값을 피드백받고 상기 스위칭부에 구비된 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된다.

Description

비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로{SECONDARY BATTERY CHARGING CIRCUIT USING ASYMMETRIC PULSE WIDTH MODULATION SYNCHRONOUS DRIVING}
본 발명은 비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력변환장치에서 비상용 전원으로 사용되는 2차전지의 충전방식을 비대칭 펄스폭변조 동기방식으로 구현한 비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로에 관한 것이다.
일반적으로, 각종 산업 시스템에서는 전원상태의 불안정 및 정전 등과 같은 갑작스러운 사고에 대비하기 위하여 에너지 저장장치에 대한 관심이 높아지고 있는 추세이다.
이에 따라, 최근에는 전원상태의 불안정 및 정전 등에 대비할 수 있도록 2차전지를 이용한 비상용 전원장치가 각 시스템에 적용되고 있다.
여기에서, 종래의 2차전지 충전회로는 통상적으로 강압형 및 승압형 전력변환장치가 사용되고 있는데, 이는 입력전압과 충전하는 2차전지의 전압에 따라 각각 적용되고 있으며, 이때 상기 전력변환장치는 공통적으로 한 개의 스위칭 소자와 한 개의 인턱터 및 한 개의 다이오드를 포함하여 구성된다.
상술한 바와 같은 전력변환장치의 구조는 입력전압과 출력전압의 극성이 반대가 되는 문제점이 발생하게 되므로, 추가적으로 별도의 회로를 필요로 하게 되며, 이에 동기식 승강압형 전력변환장치가 제안되었다.
그러나, 상기 동기식 승강압형 전력변환장치는 각 동작모드에서 한 개의 스위치는 무조건 단락되는 구간이 있게 되므로, 그로 인해 도통손실 및 발열이 발생하는 문제점이 발생하게 되며, 또한 MOSFET의 턴온/턴오프 시에 하드스위칭이 이루어짐에 따라 스위칭 손실이 발생하는 문제점도 발생하게 되었다.
국내 공개특허공보 제10-2015-0016442호
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 안출되어진 것으로, 본 발명은 전력변환장치에서 비상용 전원으로 사용되는 2차전지의 충전방식을 비대칭으로 동작하는 전력반도체스위치(MOSFET)를 적용하여 스위칭 손실을 줄일 수 있도록 한 비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로를 제공함에 그 목적이 있는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로는, 입력전류를 센싱하는 전류 센싱부와; 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 동작되면서 전류경로를 형성하여 캐패시터에 전류를 충전하는 스위칭부 및; 상기 전류 센싱부의 전류 값과 상기 스위칭부의 출력 값을 피드백받고 상기 스위칭부에 구비된 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 구성된 것;을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 스위칭부는, 상기 전류센싱부의 센싱 소자와 직렬 연결된 제 1스위치와, 상기 제 1스위치와 접지단 사이에 각각 병렬로 연결된 제 2스위치 및 제 3스위치 및, 상기 제 1스위치와 직렬로 연결된 제 4스위치를 포함하여 구성되며, 상기 제 2스위치 및 제 4스위치는 소프트 스위칭 방식으로 동작하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
더 바람직하게, 상기 제 2스위치와 제 3스위치 사이에는 스위치의 스위칭 시 에너지를 저장하였다가 출력단으로 출력시키는 인덕터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 내지 제 4스위치는 전력반도체스위치(MOSFET)로 구성되며, 상기 제 1스위치 및 제 3스위치와, 상기 제 2스위치 및 제 4스위치는 비대칭 펄스폭 변조 방식으로 동작하도록 이루어짐이 바람직하다.
또, 상기 전류 센싱부에는 상기 센싱 소자의 전.후 전류 값을 비교하는 비교기를 더 포함하여 구성됨이 바람직하다.
상기에서 설명한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따르면, 전력변환장치 시스템에서 비상용 전원으로 사용되는 2차전지의 충전방식을 비대칭으로 동작하는 전력반도체스위치(MOSFET)를 적용하여 회로를 구성하므로서, 회로의 효율을 높여 기존에 다이오드가 적용된 회로에서 일어나는 스위칭 손실을 줄일 수 있는 효과가 있게 된다.
즉, 2차전지 충전회로의 스위칭 방식을 2개의 MOSFET을 동기정류기 방식으로 구동시켜 구현함에 따라, 하드스위칭이 아닌 소프트스위칭 방식으로 스위칭이 이루어지면서 스위칭소자의 손실 및 발열이 저감됨과 아울러 도통손실도 저하되는 효과를 얻을 수가 있게 되는 것이다.
또한, 4개의 MOSFET을 이용하여 입력전압 대비 2차전지 전압의 대소 따라 강압회로 및 승압회로를 각각 따로 사용하지 않게 되므로, 간단한 회로 구성을 통해 신뢰성이 향상되는 효과가 있게 되며, 이러한 회로는 에너지 저장장치(ESS) 및 엘리베이터 정전 시 비상구동장치를 비롯하여 다양한 산업분야에 적용이 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명에 따른 비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로의 구성을 나타내는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로에서의 비대칭 펄스폭변조 방식의 스위칭 동작상태를 나타내는 도면이다.
이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로의 구성을 나타내는 도면, 도 2는 본 발명에 따른 비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로에서의 비대칭 펄스폭변조 방식의 스위칭 동작상태를 나타내는 도면이다.
먼저, 본 발명에 따른 비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로는, 전력변환장치 시스템에서 전원상태의 불안정 및 전전 등의 사고방지를 위해 비상용 전원으로 사용되는 2차전지의 충전방식이 비대칭 펄스폭변조 동기방식으로 구동하는 충전회로를 매개로 구현된다.
이를 위해, 본 발명에 따른 비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로는, 외부로부터의 입력되는 전류를 센싱하는 전류 센싱부(10)와, 소정 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 동작되면서 전류경로를 형성하여 출력측의 캐패시터(40)에 전류가 충전되도록 하는 스위칭부(20) 및, 상기 스위칭부(20)를 구성하는 스위칭 소자의 동작을 위한 제어신호를 인가하는 제어부(50) 등을 포함하여 구성된다.
상기 전류 센싱부(10)는 센싱 소자의 전.후 전류 값을 비교하는 비교기(12)가 포함되어 구성되어 입력전류를 센싱하도록 이루어진다.
상기 스위칭부(20)는 4개의 전력반도체스위치(MOSFET)를 매개로 구성되되, 상기 전류센싱부(10)의 센싱 소자와 직렬 연결된 제 1스위치(21)와, 상기 제 1스위치(21)와 접지단 사이에 각각 병렬로 연결된 제 2스위치(22) 및 제 3스위치(23) 및, 상기 제 1스위치(21)와 직렬로 연결된 제 4스위치(24)를 포함하여 구성되며, 이때 상기 제 2스위치(21) 및 제 4스위치(24)는 소프트 스위칭 방식으로 동작하도록 이루어진다.
그리고, 상기 스위칭부(20)를 구성하는 제 1스위치(21) 및 제 3스위치(23)와, 상기 제 2스위치(22) 및 제 4스위치(24)는 비대칭 펄스폭 변조 방식으로 동작하도록 이루어진다.
또한, 상기 제 2스위치(22)와 제 3스위치(23) 사이에는 스위치의 스위칭 시 에너지를 저장하였다가 출력단으로 출력시키는 인덕터(30)가 직렬로 연결되어 구성된다.
상기 제어부(50)는 상기 전류 센싱부(10)의 전류 값과 상기 스위칭부(20)의 출력 값을 피드백받고, 상기 스위칭부(20)를 구성하는 스위칭 소자에 소정 제어신호를 인가하여 각 스위칭 소자의 동작을 제어하도록 구성된다.
참조부호 60은 비교기가 포함된 전압센싱부를 나타낸다.
이어, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 작용에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따라, 상기 비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로는 4개의 MOSFET으로 이루어진 스위칭부(20)와 인덕터(30)와 출력 커패시터(40) 및 제어부(50) 등을 포함하여 구성된 상태에서, 상기 스위칭부(20)를 구성하는 제 1스위치(21) 및 제 3스위치(23)와, 제 2스위치(22) 및 제 4스위치(24)는 서로 상보적으로 스위칭하도록 이루어지며, 상기 인덕터(30)는 상기 스위칭부(20)의 스위칭 시 에너지를 저장하였다가 출력단으로 출력을 행함에 따라, 강압형 회로 및 승압형 회로를 합한 역할을 행하게 된다.
이에 따라, 입력단의 전압(Vin)이 2차전지의 직병렬 구조로 인해 높거나 낮더라도 상기 스위칭부(20)의 DUTY(통류율) 제어를 통해 구동이 가능해질 수 있게 된다.
여기에서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 스위칭부(20)를 구성하는 제 1스위치(21) 및 제 3스위치(23)는 D만큼 턴온되고, 제 2스위치(22) 및 제 4스위치(24)는 1-D만큼 턴온되는 비대칭 방식으로 제어가 이루어지게 된다.
그리고, 상기 2차전지 충전회로는 출력전류와 출력전압을 일정하게 하여 2차전지 충전 시 초기에는 정전류로 동작하여 충전을 하고 일정전압 이상이 되면 정전압 충전을 하게 된다.
따라서, 상기 2차전지 충전회로에서는 과충전이 방지될 수 있으며, 또한 2차전지의 종단전압을 설정하여 과방전이 발생하지 않도록 제어할 수가 있게 되는 것이다.
한편, 본 발명에서 기재된 내용과 다른 변형된 실시예들이 돌출 된다고 하더라도 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명에 첨부된 청구범위 내에 속하게 됨은 물론인 것이다.
10: 전류 센싱부, 20: 스위칭부,
21,22,23,24: 제 1 내지 제 4스위치, 30: 인덕터,
40: 커패시터, 50: 제어부,
60: 전압센싱부.

Claims (5)

  1. 입력전류를 센싱하는 전류 센싱부와;
    스위칭 제어신호에 따라 스위칭 동작되면서 전류경로를 형성하여 캐패시터에 전류를 충전하는 스위칭부 및;
    상기 전류 센싱부의 전류 값과 상기 스위칭부의 출력 값을 피드백받고 상기 스위칭부에 구비된 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 구성되고;
    상기 스위칭부는,
    상기 전류센싱부의 센싱 소자와 직렬 연결된 제 1스위치와,
    상기 제 1스위치와 접지단 사이에 각각 병렬로 연결된 제 2스위치 및 제 3스위치 및,
    상기 제 1스위치와 직렬로 연결된 제 4스위치를 포함하여 구성되며,
    상기 제 2스위치 및 제 4스위치는 소프트 스위칭 방식으로 동작하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2스위치와 제 3스위치 사이에는 스위치의 스위칭 시 에너지를 저장하였다가 출력단으로 출력시키는 인덕터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 2차전지 충전회로는 입력단과 출력단의 대소에 따라 강압형 회로와 승압형 회로를 합한 통합형 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 비대칭 펄스폭변조 동기식 구동을 이용한 2차전지 충전회로.
  5. 삭제
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