KR101704181B1 - 차량용 충전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 충전기에 관한 것으로, 상용 교류전원을 직류전원으로 변환하는 AC/DC 컨버터와, 상기 AC/DC 컨버터로부터 인가되는 상기 직류전원을 배터리 충전전원으로 변환하여 배터리로 공급하는 DC/DC 컨버터를 포함하고, 상기 DC/DC 컨버터는 상기 충전전원의 리플(ripple) 전류 크기를 저감시키는 스너버 회로를 포함한다.

Description

차량용 충전기{CHARGER FOR VEHICLES}
본 발명은 차량용 충전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 DC/DC 컨버터의 출력 전류 리플(ripple)을 저감시켜 충전효율을 향상시킬 수 있는 차량용 충전기에 관한 것이다.
고전력 응용에서 널리 사용되고 있는 위상천이 풀브리지(Phase Shift Full Bridge, PSFB) 컨버터는 직류/직류(DC/DC) 컨버터로, 영전압 스위칭을 가능하게 한다. 그러나, 전기/플러스인 하이브리드 자동차(Electric Vehicle/Plug-in Hybrid Vehicle, EV/PHEV)를 위한 완속충전기에 도 1에 도시된 바와 같이 PSFB 컨버터를 적용하는 경우, PSFB 컨버터의 입/출력 전압의 승/강압비가 비교적 낮기 때문에 변압기(T1)의 2차측의 누설인덕턴스가 높다. 변압기(T1)의 누설인덕턴스와 2차측 정류 다이오드(D6~D9)의 기생 커패시턴스에서 발생하는 공진현상으로 부품에 서지 전압이 발생한다. 이러한 공진 현상으로 발생하는 에너지를 흡수하여 소자에 인가되는 서지 전압을 억제하기 위해 스너버 회로가 널리 사용되고 있다.
종래의 차량용 충전기 내 DC/DC 컨버터는 도 1에 도시된 바와 같이 출력 커패시터(Co)의 리플(ripple) 전류(충전 에너지)를 완화하기 위한 LC필터를 구비하나, 스너버(snubber) 회로의 커패시터(Cs1)를 통해 흡수된 에너지가 다이오드(Ds2)를 통해 출력 커패시터(Co)를 충전하게 되므로, 출력 커패시터(Co)의 리플 전류 크기가 크다. 따라서, 종래에는 출력 성능 저하 및 리플 전류 억제를 위해 출력 커패시터의 수량이 많아지는 단점이 있다.
또한, 회로의 동작 특성 상 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET) 스위치의 오프(OFF) 동작에서 변압기(T1)의 환류 전류가 적어지기 때문에 스위칭 손실이 존재하여 충전기의 효율이 저하되는 단점이 존재한다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, DC/DC 컨버터의 스너버 회로 내 커패시터와 인덕터로 구성된 필터 회로를 추가하여 출력 커패시터를 충전하는 리플 전류의 크기를 저감시킬 수 있는 차량용 충전기를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 스너버 회로의 커패시터 용량을 줄여 변압기의 환류 전류를 감소 시켜 스위치에 전류 인가시 발생하는 도통 손실을 최소화할 수 있는 차량용 충전기를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 변압기의 코어에 갭(gap)을 넣는 방식을 이용하여 자화 인덕턴스를 조절하여 스위치 턴 온(turn on)시 스위칭 손실을 최소화하여 추가적인 부품 구성없이 DC/DC 컨버터의 출력 효율을 극대화할 수 있는 차량용 충전기를 제공하고자 한다.
본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 충전기는, 상용 교류전원을 직류전원으로 변환하는 AC/DC 컨버터와, 상기 AC/DC 컨버터로부터 인가되는 상기 직류전원을 배터리 충전전원으로 변환하여 배터리로 공급하는 DC/DC 컨버터를 포함하고, 상기 DC/DC 컨버터는 상기 충전전원의 리플(ripple) 전류 크기를 저감시키는 스너버 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 AC/DC 컨버터는, 상기 상용 교류전원을 입력받아 정류하는 제1정류기와, 상기 제1정류기의 출력단에 연결되어 무효 전력을 저감시켜 역률을 억제시키는 승압형 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 승압형 컨버터는, PFC(Power Factor Correction) 부스트 컨버터(Boost Converter)로 구현되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 DC/DC 컨버터는, 복수의 스위칭 소자로 구성되는 스위칭부와, 상기 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 1차측 교류전원을 소정 비율로 변압하여 2차측 교류전원으로 전달하는 변압기와, 상기 변압기에서 상기 2차측 교류전원을 직류 전원으로 정류하는 제2정류기와, 상기 제2정류기의 서지 전압을 억제시키며 상기 리플 전류를 감소시키는 제1필터를 구비하는 스너버 회로와, 상기 스너버 회로의 출력단에 연결되어 상기 배터리로 인가되는 전압을 일정하게 유지시키는 제2필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1필터는, 커패시터와 인덕터로 구성되는 CL 필터인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스위칭부는, 상기 복수의 스위칭 소자가 풀 브리지 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 변압기는, 자화 인덕턴스를 조절하기 위해 코어에 갭(gap)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, DC/DC 컨버터의 스너버 회로 내 커패시터와 인덕터로 구성된 필터 회로를 추가하여 출력 커패시터를 충전하는 리플 전류를 저감시켜 DC/DC 컨버터의 출력 성능을 개선하고 노이즈를 저감시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 스너버 회로의 커패시터 용량을 감소시켜 변압기의 환류 전류를 감소 시켜 DC/DC 컨버터의 스위치에 전류 인가시 발생하는 도통 손실을 최소화하여 DC/DC 컨버터의 효율을 상승시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 변압기의 코어에 갭(gap)을 삽입하는 방식을 이용하여 자화 인덕턴스를 조절하여 스위치의 기생 커패시터에 축적되어 있던 전압을 방전시킨 후 스위치에 전류를 인가하므로 스위칭 손실을 최소화하여 추가적인 부품 구성없이 DC/DC 컨버터의 효율을 극대화할 수 있다. 따라서, 본 발명은 EV/PHEV의 고전압 배터리 충전에 소비되는 비용을 절감할 수 있게 한다.
도 1은 종래기술에 따른 차량용 충전기의 구성을 도시한 회로도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 충전기의 구성을 도시한 회로도.
도 3a는 도 2에 도시된 DC/DC 컨버터의 출력 커패시터 충전 동작을 설명하기 위한 회로도.
도 3b는 도 2에 도시된 DC/DC 컨버터의 출력 커패시터 방전 동작을 설명하기 위한 회로도.
도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 스너버 회로의 출력 파형을 도시한 그래프.
도 5는 본 발명과 관련된 스너버 회로의 커패시터 용량에 따른 변압기의 1차측 전류 파형 그래프.
도 6은 본 발명과 관련된 스너버 회로의 커패시터 용량에 따른 스위칭 소자의 스위칭 동작 파형을 도시한 그래프.
도 7a는 본 발명과 관련된 자화 인덕턴스에 따른 변압기의 1차측 전류 파형 그래프.
도 7b 및 7c는 본 발명과 관련된 자화 인덕턴스에 따른 스위칭 소자의 스위칭 동작 파형을 도시한 그래프.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 충전기의 구성을 도시한 회로도이다.
차량용 충전기는 상용 전원(AC)을 입력으로 받아 차량 내 장착된 배터리(Batt)를 충전한다. 여기서, 배터리(Batt)는 고전압 배터리로 구현될 수 있다.
차량용 충전기는 상용 교류전원을 직류 전원으로 변환하는 교류/직류 컨버터(AC/DC converter)와 AC/DC 컨버터로부터 출력되는 직류 전원을 배터리(Batt)의 전압 가변 범위에 근거하여 충전기의 출력전압을 변환해주는 직류/직류(DC/DC) 컨버터(30)를 포함한다. 여기서, AC/DC 컨버터는 제1정류기(10) 및 승압형 컨버터(20)를 포함한다.
제1정류기(10)는 상용 교류전압을 직류전압으로 변환하는 것으로, 4개의 정류 다이오드(D1~D4)로 구성된다. 상용전원(AC)의 일단에는 다이오드 D1 및 D2가 직렬로 연결되고, 타단에는 다이오드 D3 및 D4가 직렬로 연결된다. 즉, 다이오드 D1 및 D2와 다이오드 D3 및 D4는 상용전원(AC)와 병렬로 연결된다.
승압형 컨버터(20)는 제1정류기(10)의 출력단에 연결되어 무효 전력(reactive power)을 저감시켜 역률을 개선시키는 역할을 한다. 이러한 승압형 컨버터(20)로는 PFC(Power Factor Correction) 부스트 컨버터(boost converter)가 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 승압형 컨버터(20)가 PFC 부스트 컨버터로 이루어진 것을 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 형태의 컨버터로 구성될 수 있다.
이러한 승압형 컨버터(20)는 인덕터 Lb, 스위칭 소자 Qb, 다이오드 Db, 커패시터 Cb를 포함한다. 인덕터 Lb의 일단은 다이오드 D1과 D2 사이에 연결되고, 타단은 스위칭 소자 Qb의 드레인 단자와 연결된다. 인덕터 Lb의 타단에 직렬로 연결된 다이오드 Db 및 커패시터 Cb는 스위칭 소자 Qb와 병렬로 연결된다.
스위칭 소자 Qb의 소스 단자는 제1정류기(10)의 다이오드 D3와 D4 사이에 연결된다. 그리고, 스위칭 소자 Qb의 게이트 단자는 제어장치(미도시)와 연결된다. 스위칭 소자 Qb는 제어장치(미도시)로부터 전송되는 제어신호에 따라 턴 온(turn on) 또는 턴 오프(turn off) 동작을 수행한다.
스위칭 소자 Qb는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 구성될 수 있다.
DC/DC 컨버터(30)는 승압형 컨버터(20)의 출력단에 연결되어 배터리(Batt)로 충전전원을 공급한다. 이러한 DC/DC 컨버터(30)는 스위칭부(31), 변압기(33), 제2정류기(35), 스너버 회로(37), 제2필터(39)를 포함한다.
스위칭부(31)는 다수의 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3, SW4)가 풀 브리지(full bridge) 형태로 구성된다. 여기서, 스위칭 소자 SW1~SW4의 각 소자는 소정의 듀티비(duty rate)를 가지고 교차적으로 턴 온(turn on) 또는 턴 오프(turn off) 된다. 각 스위칭 소자 SW1~SW4의 게이트 단자는 제어장치(미도시)와 연결되고, 제어장치(미도시)로부터 출려되는 제어신호에 따라 각 스위칭 소자 SW1~SW4는 턴 온 또는 턴 오프된다.
스위칭 소자 SW1~SW4는 턴 온 또는 턴 오프 동작에 따라 변압기(33)의 1차측으로 전원을 인가한다.
스위칭 소자 SW1 및 SW2와 스위칭 소자 SW3 및 SW4는 승압형 컨버터(20)의 커패시터 Cb에 병렬로 연결된다.
스위칭 소자 SW1~SW4는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 구성될 수 있다.
변압기(33)는 스위칭부(31)의 스위칭 소자 SW1~SW4의 개폐동작에 따라 1차측으로 인가되는 전원(전류, 전압)을 설정된 권선비에 따라 승압 또는 감압시켜 2차측으로 전달한다.
변압기(33)의 1차측 단자 중 하나는 스위칭 소자 SW1의 소스 단자 및 스위칭 소자 SW3의 드레인 단자에 연결되고, 나머지 하나는 스위칭 소자 SW2의 소스 단자 및 스위칭 소자 SW4의 드레인 단자에 연결된다.
변압기(33)는 배터리(Batt)와 상용전원(AC)을 절연하는 역할도 한다. 이러한 변압기(33)는 ZVS(Zero Voltage Switching) 효과 개선을 위해 갭(gap) 변압기로 구현될 수 있다.
제2정류기(35)는 변압기(33)의 2차측에 연결되어, 변압기(33)로부터 출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 정류한다. 제2정류기(35)는 4개의 정류 다이오드(D6~D9)로 구성된다.
스너버 회로(37)는 제2정류기(35)의 출력단에 연결되어, 제2정류기(35)의 서지 전압을 억제한다. 스너버 회로(37)는 하나의 커패시터(Cs1)와 2개의 다이오드(Ds1, Ds2)로 구성된다.
이러한 스너버 회로(37)는 스너버 회로(37)의 출력 성능을 개선하기 위한 제1필터(371)를 포함한다. 제1필터(371)는 다이오드 Ds1의 캐소드(cathode)에 연결된다. 제1필터(371)는 커패시터(Cs2)와 인덕터(Ls)로 구성되는 CL 필터이다. 제1필터(371)는 스너버 회로(37)로부터 출력되는 리플 전류의 크기를 저감시킨다.
제2필터(39)는 고전압 배터리(Batt)로 공급되는 전원을 안정화하기 위한 것으로, 인덕터(Lo)와 커패시터(Co)로 구성되는 LC 필터이다. 즉, 제2필터(39)는 배터리(Batt)로 인가되는 전압을 일정하게 유지시키는 역할을 한다.
도 3a는 도 2에 도시된 DC/DC 컨버터의 출력 커패시터 충전 동작을 설명하기 위한 회로도이고, 도 3b는 도 2에 도시된 DC/DC 컨버터의 출력 커패시터 방전 동작을 설명하기 위한 회로도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 스너버 회로의 출력 파형을 도시한 그래프이다.
도 3a를 참조하면, DC/DC 컨버터(30)의 출력 커패시터 Co를 충전할 때(T1), 스너버 회로(37)의 커패시터 Cs1를 충전하는 전류는 제2필터(39)의 출력 인덕터 Lo의 전류와 더해져 제2필터(39)의 출력 커패시터 Co를 충전한다. 스너버 회로(37)의 커패시터 Cs1의 충전 전류의 기울기는 도 4에 도시된 바와 같이 다이오드 Ds1의 캐소드(cathode)에 연결된 커패시터 Cs2와 인덕터 Ls에 의해 저감된다. 즉, 스너버 회로(37)의 리플 전류의 크기가 감소하게 되므로, 종래에 비하여 출력 커패시터 Co에 인가되는 전류의 크기가 작다.
한편, 도 3b을 참조하면, DC/DC 컨버터(30)의 출력 커패시터 Co가 방전될 때(T2), 스너버 회로(37)의 커패시터 Cs1과 Cs2에 충전되어 있던 에너지도 방전된다.
도 5는 본 발명과 관련된 스너버 회로의 커패시터 용량에 따른 변압기의 1차측 전류 파형 그래프이고, 도 6은 본 발명과 관련된 스너버 회로의 커패시터 용량에 따른 스위칭 소자의 스위칭 동작 파형을 도시한 그래프이다.
본 발명에 따른 차량용 충전기는 스너버 회로(37)의 커패시터 Cs1의 용량을 줄여 변압기(33)의 환류 전류를 도 5와 같이 감소시킨다.
그러나, 도 6에 도시된 바와 같이, 스너버 회로(37)의 커패시터 Cs1의 용량이 큰 경우 스위칭 소자 SW1~SW4의 오프 동작일 때 스위칭 소자 SW1~SW4의 전압 및 전류가 겹치는 스위칭 손실이 여전히 존재하게 된다. 이에, 본 발명에서는 스너버 회로(37)의 커패시터 Cs1의 용량을 줄여 변압기(33)의 1차측 전류의 환류 크기를 저감시켜 스위칭 소자 SW1~SW4의 오프 손실도 저감시켰다.
한편, 변압기의 1차측 전류의 환류 크기를 저감시키기 위해 스너버 회로(37)의 커패시터 Cs1의 용량을 줄이는 경우, 도 6에 도시된 바와 같이 스위칭 소자 SW1~SW4의 기생 커패시턴스를 방전 시키기 위한 에너지가 충분하지 않아 해당 전압이 인가된 상태에서 스위칭 소자 SW1~SW4가 턴 온 되어 전류와 겹치기 때문에 손실이 발생하게 된다.
이에, 변압기의 자화 인덕턴스를 줄이는 방법을 적용시켜 해당 에너지를 확보함으로써, 영전압/영전류 스위칭을 가능하게 하여 충전기의 효율을 상승시키므로, 차량 연비 상승 효과를 기대 할 수 있다.
도 7a는 본 발명과 관련된 변압기의 자화 인덕턴스에 따른 변압기의 1차측 전류 파형 그래프이고, 도 7b 및 7c는 본 발명과 관련된 변압기의 자화 인덕턴스에 따른 스위칭 소자의 스위칭 동작 파형을 도시한 그래프이다.
스위칭 소자 SW1~SW4의 턴 온 동작 시 스위칭 소자 SW1~SW4의 드레인과 소스 사이의 기생 커패시터에 축적되어 있던 전압이 방전된 후 스위칭 소자 SW1~SW4로 전류가 인가되야 스위칭 소자 SW1~SW4의 스위칭 손실이 저감 된다.
이에, 본 발명에서는 변압기(33)의 코어에 갭(gap)을 삽입하여 자화 인덕턴스 Lm를 조절한다. 따라서, 본 발명의 DC/DC 컨버터는 스위칭 소자 SW1~SW4의 기생 커패시터에 축적되어 있던 전압을 방전시킨 후 스위칭 소자 SW1~SW4로 전류가 인가되므로, 스위칭 소자 SW1~SW4의 스위칭 손실을 저감시켜 충전기의 출력 효율을 상승시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예 및 응용 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예 및 응용 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.
10: 제1정류기 20: 승압형 컨버터
30: DC/DC 컨버터 31: 스위칭부
33: 변압기 35: 제2정류기
37: 스너버 회로 371: 제1필터
39: 제2필터

Claims (7)

  1. 상용 교류전원을 직류전원으로 변환하는 AC/DC 컨버터와,
    상기 AC/DC 컨버터로부터 인가되는 상기 직류전원을 배터리 충전전원으로 변환하여 배터리로 공급하는 DC/DC 컨버터를 포함하고,
    상기 DC/DC 컨버터는 상기 충전전원의 리플(ripple) 전류 크기를 저감시키는 스너버 회로; 및
    상기 스너버 회로의 출력단에 연결되어 상기 배터리로 인가되는 전압을 일정하게 유지시키는 출력 인덕터(Lo)와 출력 커패시터(Co)를 포함하되,
    상기 스너버 회로는 제1커패시터(Cs1), 제1다이오드(Ds1), 제2다이오드(Ds2), 및 상기 제1다이오드(Ds1)의 캐소드에 연결되는 제2커패시터(Cs2)와 인덕터(Ls)로 구성되는 제1필터를 포함하며,
    상기 제1필터가 제1커패시터(Cs1)를 충전하는 전류의 리플을 저감시키고,
    상기 리플이 저감된 충전 전류는 상기 출력 인덕터(Lo)의 전류와 더해져 상기 출력 커패시터(Co)를 충전하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 AC/DC 컨버터는,
    상기 상용 교류전원을 입력받아 정류하는 제1정류기와,
    상기 제1정류기의 출력단에 연결되어 무효 전력을 저감시켜 역률을 억제시키는 승압형 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 승압형 컨버터는,
    PFC(Power Factor Correction) 부스트 컨버터(Boost Converter)로 구현되는 것을 특징으로 하는 차량용 충전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는,
    복수의 스위칭 소자로 구성되는 스위칭부와,
    상기 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 1차측 교류전원을 소정 비율로 변압하여 2차측 교류전원으로 전달하는 변압기와,
    상기 변압기에서 상기 2차측 교류전원을 직류 전원으로 정류하는 제2정류기와,
    상기 제2정류기의 서지 전압을 억제시키는 스너버 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전기.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 스위칭부는,
    상기 복수의 스위칭 소자가 풀 브리지 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 충전기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 변압기는,
    자화 인덕턴스를 조절하기 위해 코어에 갭(gap)이 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 충전기.
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