KR101773403B1 - 무선 충전기용 양면 lcc 컨버터 및 그 구현방법 - Google Patents

무선 충전기용 양면 lcc 컨버터 및 그 구현방법 Download PDF

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Abstract

입력 전압을 공급하는 입력 전원과 연결되며, 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련된 풀브릿지 인버터, 하나의 공진 인덕터와 두개의 공진 커패시터로 동일하게 구성되는 1차측 공진 탱크 및 2차측 공진 탱크를 포함하고, 상기 1차측 공진 탱크가 상기 풀브릿지 인버터와 연결되어 상기 입력 전압을 전달받아, 상기 1차측 공진 탱크와 상기 2차측 공진 탱크 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 LCC 공진 탱크, 상기 2차측 공진 탱크와 연결되어 상기 2차측 공진 탱크로부터 전달받는 출력 전압을 정류하는 정류 브릿지 및 상기 정류 브릿지와 연결되어 정류된 출력 전압을 전달 받는 부하 네트워크를 포함하는 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터가 개시된다.

Description

무선 충전기용 양면 LCC 컨버터 및 그 구현방법{DOUBLE SIDED RESONANT CONVERTER FOR WIRELESS CHARGER AND METHOD FOR IMPLEMENTING THEREOF}
본 발명은 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터 및 그 구현방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정전류 및 정전압 충전을 실현하는 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터 및 그 구현방법에 관한 것이다.
최근 상용화된 대부분의 전기차(EV: Electric Vehicle)는 플러그 인 방식으로 배터리를 충전하는 방법이 적용되고 있으나, 이러한 충전 방법에 비해 사용자의 편의성 및 안전성이 향상된 무선 충전 방법인 유도 전력 전송(IPT: Inductive Power Transfer) 방법이 전기차의 충전 방법으로 제안된 바 있으며, 이와 관련된 연구가 전 세계적으로 활발하게 이루어지고 있다.
유도 전력 전송 충전기는 전도성(conductive) 충전기와는 달리 변압기 대신에 약결합 코일(loosely coupled coils) 세트를 사용하는데, 전송 및 수신 코일 간의 낮은 결합 계수(coupling coefficient)에 의해 높은 무효 전력(reactive power) 및 낮은 전력 전송 효율을 갖는다는 문제점이 있다. 따라서, 유도 전력 전송(IPT) 충전기에 있어서 이러한 무효 전력을 감소시키고, 전력 전송 능력을 향상시키며 전체적인 효율을 높일 수 있는 보상 탱크(compensation tank)가 중요한 부분이라 할 수 있다.
이와 같은 보상 토폴로지는 1차측 및 2차측 코일에 보상 커패시터들이 어떻게 부가되었는지에 따라 직렬-직렬(SS), 직렬-병렬(SP), 병렬-직렬(PS) 및 병렬-병렬(PP)의 4개로 나뉠 수 있다. 이외에도, 전력 전송 효율을 증가시키고, 유도 전력 전송(IPT) 시스템의 제어를 간단히 할 수 있도록 하이브리드 토폴로지들이 사용될 수 있다.
예를 들면, 1차측에 LC 보상 네트워크가 부가된 LCL 하이브리드 토폴로지가 있다. 부가된 LC 보상 탱크는 1차측 전류를 감소시켜 1차측 스위치들의 전도 손실(conduction loss)을 감소시킬 수 있다. 또한, 부하-독립적인 특징을 가지며 이를 이용하여 출력단에서의 정전류 제어를 손쉽게 달성할 수 있다. 아울러, 듀티 또는 위상 천이 제어 방식을 이용하여 간단한 출력 전력의 제어가 가능하다. 또는, 이러한 LCL 하이브리드 토폴로지에 하나의 LC 회로를 병렬로 추가하여 수신 코일의 순환 전류를 최소화하고, 단위 역률(unity power factor)을 달성한 LCCL 토폴로지가 있다.
그러나, 이와 같은 LCL 및 LCCL 하이브리드 토폴로지는 모두 양 측에 각각 코일의 값과 유사한 값을 갖는 추가 인덕터를 필요로하며, 이에 그 비용과 인덕터의 값을 감소시킬 수 있도록 1차측 코일에 커패시터를 직렬로 연결한 LCC 보상 토폴로지가 제안된 바 있다. 예를 들면, LCL 토폴로지의 1차측 및 2차측에 각각 커패시터를 부가한 양면 LCC 토폴로지가 있으며, 이는 LCL 및 LCCL 토폴로지의 장점을 모두 갖는다. 아울러, 스위치 소자들의 영전압 스위칭 조건을 달성할 수 있고, 공진 주파수는 결합 계수 및 부하와 독립적이므로, 이러한 양면 LCC 토폴로지는 유도 전력 전송(IPT) 시스템에 적용되기에 가장 적합하다.
한편, 유도 전력 전송(IPT) 시스템의 또 다른 문제점은 배터리의 수명 연장을 위해 정전류(CC: Constant Current) 및 정전압(CV: Constant Voltage) 충전 방식에 따른 충전 단계를 실현하는 데 있다. 정전류/정전압 충전 방법은 먼저 정전류 모드로 배터리를 충전함으로써, 배터리 전압을 점차 증가시키며, 배터리 전압이 최대 전압에 도달하면, 배터리 전류가 특정 값에 도달할 때까지 정전압 모드로 전환하여 배터리를 충전하는 것인데, 이러한 충전 단계를 실현하기 위해서는 충전기로부터 정확한 충전 전류 및 전압이 제공되어야 한다. 즉, 충전중인 배터리는 가변 부하이기 때문에, 배터리 충전기에 포함되는 컨버터는 정전류/정전압 충전 단계에 따라 그 출력을 정확하게 제어할 수 있어야 한다.
일반적으로, 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation)가 컨버터를 고정 주파수에서 동작시키기 위해 사용되고, 펄스 주파수 변조(PFM: Pulse Frequency Modulation)가 컨버터를 고정 듀티에서 동작시키기 위해 사용될 수 있으며, 또는, 이러한 두 가지 방식을 조합한 방식이 사용될 수 있다.
여기에서, 유도 전력 전송(IPT) 컨버터와 같이, 공진 동작을 이용하는 전력 변환 방식은 펄스 주파수 변조 방식이 요구되며, 그 결과, 부하의 변화에 따른 넓은 범위에서의 동작 주파수의 변화가 불가피한데, 이는 컨버터에서의 높은 순환 전류를 발생시키고, 영전압 스위칭 또는 영전류 스위칭 특성을 가질 수 없으며, 전력 손실이 증가하고, 전력 전달 능력의 감소로 이어진다. 또한, 제어 능력 및 시스템의 안정성이 손실되는 분기 현상이 발생할 수 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해, 백 엔드(back-end) DC-DC 컨버터를 부가하여 출력 전류 및 전압을 제어하고, 프런트 엔드(front-end) DC-DC 컨버터는 공진 주파수에서 동작하여 영 위상 각(ZPA: Zero Phase Angle) 조건을 달성하는 방안이 제안된 바 있으나, 구성 요소들의 수가 증가하고, 손실 및 복잡도가 증가한다는 문제점이 있다.
한편, 충전기에서의 정전류/정전압 충전 방식을 실현하는 경우, 넓은 범위에서 변동하는 부하 조건에서의 공진 주파수의 주파수 변동 문제를 해결하기 위해, 공진 컨버터의 부하-독립 특성을 활용하는 방안에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 예를 들면, 상술한 직렬-직렬(SS), 직렬-병렬(SP), 병렬-직렬(PS) 및 병렬-병렬(PP) 토폴로지 중에서, PS 토폴로지는 정전압 충전 방식의 구현이 가능하고, PP 토폴로지는 정전류 충전 방식의 구현이 가능하다. 또한, SS 및 SP 토폴로지는 정전류 및 정전압 충전 방식이 모두 구현 가능하나. SS 토폴로지의 경우 정전압 충전 모드로 작동 시, SP 토폴로지는 정전류 충전 모드로 작동 시 영 위상 각(ZPA) 조건을 손실한다는 문제점이 있다.
이에, 최근에는 정전류/정전압 충전의 전 단계에서 영 위상 각(ZPA) 조건을 달성할 수 있도록 SS 및 PS, 또는, SP 및 PP 토폴로지의 듀얼 토폴로지들이 제안된 바 있다. 예를 들면, 상술한 양면 LCC 토폴로지는 공진 주파수에서 동작하여 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서 부하 독립적인 전류 및 전압의 출력을 보장할 수 있으나, 반드시 스위치 소자 및 토폴로지 전환을 위한 제어 회로가 부가되어야 한다.
본 발명의 일측면은 하나의 공진 인덕터와 두개의 공진 커패시터로 동일하게 구성되며 각각 1차측 코일 및 2차측 코일을 포함하는 1차측 공진 탱크와 2차측 공진 탱크 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 영 위상 각 조건 하에서 정전류 및 정전압 충전을 실현하기 위한 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 파라미터를 산출하여 LCC 공진 탱크를 구현하는 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터의 구현방법을 제공한다.
본 발명의 일측면은 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터에 있어서, 입력 전압을 공급하는 입력 전원과 연결되며, 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련된 풀브릿지 인버터, 하나의 공진 인덕터와 두개의 공진 커패시터로 동일하게 구성되는 1차측 공진 탱크 및 2차측 공진 탱크를 포함하고, 상기 1차측 공진 탱크가 상기 풀브릿지 인버터와 연결되어 상기 입력 전압을 전달받아, 상기 1차측 공진 탱크와 상기 2차측 공진 탱크 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 LCC 공진 탱크, 상기 2차측 공진 탱크와 연결되어 상기 2차측 공진 탱크로부터 전달받는 출력 전압을 정류하는 정류 브릿지 및 상기 정류 브릿지와 연결되어 정류된 출력 전압을 전달 받는 부하 네트워크를 포함한다.
한편, 상기 LCC 공진 탱크는, 상기 풀브릿지 인버터와 연결되는 1차측 공진 인덕터, 상기 1차측 공진 인덕터와 연결되는 제1 1차측 공진 커패시터 및 제2 1차측 공진 커패시터, 상기 제1 1차측 공진 커패시터 및 상기 제2 1차측 공진 커패시터와 연결되는 1차측 코일로 구성되는 1차측 공진 탱크 및 상기 정류 브릿지와 연결되는 2차측 공진 인덕터, 상기 2차측 공진 인덕터와 연결되는 제1 2차측 공진 커패시터 및 제2 2차측 공진 커패시터, 상기 제1 2차측 공진 커패시터 및 상기 제2 2차측 공진 커패시터와 연결되는 2차측 코일로 구성되는 2차측 공진 탱크를 포함할 수 있다.
또한, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 자체 인덕턴스는 동일하게 설정될 수 있다.
또한, 상기 LCC 공진 탱크는, 고정 주파수인 정전류 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 상기 부하 네트워크의 변화와 무관하게 일정한 크기의 전류를 출력할 수 있다.
또한, 상기 LCC 공진 탱크는, 상기 정전류 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 달성하여 상기 풀브릿지 인버터에 마련된 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치가 소프트 스위칭 조건 하에서 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
또한, 상기 LCC 공진 탱크는, 고정 주파수인 정전압 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 상기 부하 네트워크의 변화와 무관하게 일정한 크기의 전압을 출력할 수 있다.
또한, 상기 LCC 공진 탱크는, 상기 정전압 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 달성하여 상기 풀브릿지 인버터에 마련된 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치가 소프트 스위칭 조건 하에서 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면은 하나의 공진 인덕터와 두개의 공진 커패시터로 동일하게 구성되며 각각 1차측 코일 및 2차측 코일을 포함하는 1차측 공진 탱크와 2차측 공진 탱크 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 LCC 공진 탱크를 포함하여, 상기 1차측 공진 탱크와 연결되는 입력단의 전압을 상기 2차측 공진 탱크와 연결되는 출력단으로 전달하는 무선 충전기용 양면 LCC 공진 컨버터의 구현방법에 있어서, 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 크기 및 손실을 고려하여 상기 출력단으로 일정한 크기의 전류를 출력하기 위한 정전류 모드로 동작 시 동작 주파수인 정전류 모드 주파수를 설정하고, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 크기 및 무게에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스를 설정하고, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 정전류 모드 주파수, 상기 입력단으로부터 공급 받는 입력 전압 및 출력하고자 하는 출력 전류의 크기에 따라 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스를 산출하며, 산출한 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따르면 상기 출력단으로 일정한 크기의 전압을 출력하기 위한 정전압 모드로 동작 시 동작 주파수인 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족하는지 여부를 검증하고, 그 결과에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따른 상기 LCC 공진 탱크를 구현하는 것을 포함한다.
한편, 상기 1차측 공진 탱크는 상기 입력단에 마련되며, 제1 스위치 내지 제4 스위치를 포함하여 상기 입력 전압을 상기 LCC 공진 탱크로 전달하는 풀브릿지 인버터와 연결하는 것을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 2차측 공진 탱크는 상기 출력단에 마련되며, 제1 다이오드 내지 제4 다이오드를 포함하여 상기 LCC 공진 탱크의 출력을 정류하는 정류 브릿지와 연결하는 것을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 크기 및 무게에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스를 설정하는 것은, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스가 같은 값을 갖도록 설정하는 것일 수 있다.
또한, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 정전류 모드 주파수, 상기 입력단으로부터 공급 받는 입력 전압 및 출력하고자 하는 출력 전류의 크기에 따라 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스를 산출하는 것은, 상기 정전류 모드 주파수 조건 하에서, 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족할 수 있도록 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스를 산출하는 것일 수 있다.
또한, 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 크기 및 손실을 고려하여 상기 출력단으로 일정한 크기의 전류를 출력하기 위한 정전류 모드로 동작 시 동작 주파수인 정전류 모드 주파수를 설정하는 것은, 고정 주파수인 상기 정전류 모드 주파수를 설정하는 것일 수 있다.
또한, 산출한 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따르면 상기 출력단으로 일정한 크기의 전압을 출력하기 위한 정전압 모드로 동작 시 동작 주파수인 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족하는지 여부를 검증하는 것은, 고정 주파수인 상기 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족하는지 여부를 검증하는 것일 수 있다.
또한, 검증 결과에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따른 상기 LCC 공진 탱크를 구현하는 것은, 검증 결과 산출한 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스가 상기 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족시키는 경우, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따른 상기 LCC 공진 탱크를 구현하는 것이며, 그 반대의 경우 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스가 상기 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족시킬 때까지 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 크기 및 무게에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스를 설정하는 단계를 반복 수행하는 것을 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면 부하의 변화와 무관하게 고정 주파수 조건 하에서 정전류 및 정전압 충전을 수행할 수 있으므로, 제어가 간단하며 충전기의 안정성을 보장할 수 있다.
도 1a 내지 도 1d은 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 기본 토폴로지들의 AC 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LLC 컨버터의 개략적인 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 M 모델을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 M 모델을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 도 2b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 등가 회로를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7은 입력 임피던스의 변화에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 등가 회로를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 구현방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 입력 임피던스에 따른 트랜스컨덕턴스(transconductance) 이득 및 전압 이득을 측정한 일 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 배터리 충전 프로필 및 배터리의 등가 임피던스의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터에 적용되는 유도 전력 전송 패드의 일 예를 도시한 도면이다.
도 12a 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 유리한 효과를 설명하기 위한 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 유도 전력 전송(IPT: Inductive Power Transfer) 방식의 전압 변환을 수행하는 기본 토폴로지들의 특징에 대하여 설명한 뒤, 이러한 기본 토폴로지들의 조합으로 구현되는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터에 대하여 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1d는 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 기본 토폴로지들의 AC 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 1a 내지 도 1d의 순서대로 1차측 및 2차측에 각각 보상 커패시터(Cp, Cs)가 부가된 위치 따라 직렬-직렬(SS), 직렬-병렬(SP), 병렬-직렬(PS) 및 병렬-병렬(SS)의 4 가지가 기본 토폴로지라 할 수 있다. 이하의 설명에서 참조하는 수학식에서, L1 및 L2는 각각 1차측 및 2차측 자체 인덕턴스(self-inductance), M은 상호 인덕턴스(mutual inductance), Lp 및 Ls는 각각 1차측 및 2차측의 누설 인덕턴스(leakage inductance), Lm은 코일의 자화 인덕턴스, Cp 및 Cs는 각각 1차측 및 2차측의 보상 커패시턴스를 나타낸다. 이때, 두 코일 간의 턴비는 1:n일 수 있다.
도 1a에 도시된 SS 토폴로지의 경우, 영 위상 각(ZPA: Zero Phase Angle) 조건을 달성하기 위해 필요한 공진 주파수는 아래의 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure 112016105380929-pat00001
여기에서, 도 1a에 도시된 SS 토폴로지가 fCC_SS의 주파수로 동작 시, L1(Lm+Lp) 및 L2(Lm+Ls)가 1차측 보상 커패시턴스(Cp) 및 2차측 보상 커패시턴스(Cs)에 의해 완벽히 상쇄되는 경우, 출력 전류 Io는 부하 독립적인 특징을 가질 수 있으며, 입력 임피던스의 위상은 0과 같아질 수 있다. 즉, 도 1a에 도시된 SS 토폴로지는 fCC_SS의 주파수로 동작 시 정전류 충전을 위한 CC(Constant Current) 모드로서 동작이 가능하고, 영 위상 각(ZPA) 조건을 달성할 수 있다.
한편, 도 1a에 도시된 SS 토폴로지는 두 개의 공진 주파수를 가지며, 수학식 1 이외의 다른 공진 주파수는 부하 조건과 무관하게 일정한 전압을 출력하기 위한 주파수, 즉, 정전압 충전을 위한 CV(Constant Voltage) 모드로서 동작하기 위한 주파수로 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. 이러한 CV 모드 주파수로는 보통 높은 주파수가 선택되는데, 이에 따라 공진 탱크는 유도성 영역(inductive region)에서 동작하게 되며, 1차측 스위치들이 영전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching) 조건 하에서 동작할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112016105380929-pat00002
그러나, 도 1a에 도시된 SS 토폴로지는 수학식 2와 같은 CV 모드 주파수로 동작하는 경우 다음과 같은 단점을 갖는다. 먼저, 경부하 조건 하에서 입력 임피던스의 큰 위상에 의한 높은 턴오프 전류는 스위칭 손실을 증가시키고, 효율을 저감시킨다. 또한, 큰 무효전력(reactive power)에 의한 전도 손실(conduction loss)을 증가시키고, 전력 전달 능률을 저감시킨다.
도 1b에 도시된 SP 토폴로지의 경우, 앞서 살펴본 SS 토폴로지와 유사하게 CC 모드 및 CV 모드로서 동작할 수 있다. 즉, 도 1b에 도시된 SP 토폴로지는 1차측 보상 커패시턴스(Cp)가 L1-L2 m/L2와 공진하는 주파수에서 입력 임피던스는 저항성을 가지게 되고, 출력은 부하 독립적인 전압원이 될 수 있다.
한편, 도 1b에 도시된 SP 토폴로지는 아래의 수학식 3과 같은 주파수에서 동작하는 경우, 부하 독립적인 전류원으로 동작할 수 있다. 구체적으로는, 도 1b에 도시된 SP 토폴로지는 아래의 수학식 3과 같은 주파수에서 동작하는 경우, CC 모드로서 동작할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112016105380929-pat00003
이때, 도 1b에 도시된 SP 토폴로지의 입력 임피던스는 아래의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112016105380929-pat00004
수학식 4에서 1차측 보상 커패시턴스(Cp)와 1차측 누설 인덕턴스(Lp), 2차측 보상 커패시턴스(Cs)와 2차측 누설 인덕턴스(Ls) 간의 공진이 이루어지는 경우, 수학식 4는 아래의 수학식 5와 같이 간단히 나타낼 수 있으며, 입력 임피던스의 위상은 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112016105380929-pat00005
[수학식 6]
Figure 112016105380929-pat00006
수학식 6에 따르면 입력 임피던스의 위상은 항시 양의 값을 가지므로, 도 1b에 도시된 SP 토폴로지는 유도성 영역(inductive region)에서 동작하게 되어, 1차측 스위치들이 높은 턴오프 전류를 가지게 되며, 큰 순환 전류가 발생하게 되어 전체적인 효율이 낮아진다는 단점이 있다.
한편, 이와 같은 SS 및 SP 토폴로지와는 달리, 도 1c에 도시된 PS 토폴로지 및 도 1d에 도시된 PP 토폴로지는 각각 CV 모드 및 CC 모드로서만 동작할 수 있다. 아래의 표 1은 도 1a 내지 도 1d에 도시된 4 가지의 기본적인 유도 전력 전송 토폴로지들의 정전류 및 정전압 충전의 실현이 가능한지 여부와 영 위상 각(ZPA) 조건을 달성할 수 있는지 여부를 나타낸다.

Topology 		Possible charge mode to implement
ZPA
Angular Resonant Frequency

SS
CC
Yes
Figure 112016105380929-pat00007

CV
No
Figure 112016105380929-pat00008

SP
CC
No
Figure 112016105380929-pat00009

CV
Yes
Figure 112016105380929-pat00010

PS
CV
Yes
Figure 112016105380929-pat00011

and
Figure 112016105380929-pat00012

PP
CC
Yes
Figure 112016105380929-pat00013

and
Figure 112016105380929-pat00014
표 1에 따르면, 도 1a 내지 도 1d에 도시된 4 가지의 기본적인 유도 전력 전송 토폴로지 각각은 정전류 및 정전압 충전을 모두 실현하고, 영 위상 각(ZPA) 조건을 달성할 수 없다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서 정전압 및 정전류 충전을 실현할 수 있도록, 도 1a 내지 도 1d에 도시된 기본적인 유도 전력 전송 토폴로지들의 조합으로 구현될 수 있다. 이와 관련하여 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명하기로 한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LLC 컨버터의 개략적인 회로도이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 풀브릿지 인버터(110), LCC 공진 탱크(120), 정류 브릿지(130) 및 부하 네트워크(140)로 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 무선 충전을 지원하는 배터리 충전 장치용 컨버터로, 입력 전압(Vin)을 유도 전력 전송 방식으로 변환하여 출력 부하(Ro), 즉, 배터리로 전달할 수 있으며, 특히, 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전류/정전압 충전을 실현할 수 있다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 각 구성요소에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 풀브릿지 인버터(110)는 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)가 마련된 풀브릿지 회로로, 이러한 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)의 스위칭 동작에 따라 DC 형태의 입력 전압(Vin)을 AC 형태로 변환하여 LCC 공진 탱크(120)로 전달할 수 있다.
LCC 공진 탱크(120)는 크게 1차측 공진 탱크와 2차측 공진 탱크로 나뉠 수 있고, 1차측 공진 탱크는 풀브릿지 인버터(110)와 연결되고, 2차측 공진 탱크는 정류 브릿지(130)와 연결될 수 있으며, 1차측 공진 탱크와 2차측 공진 탱크 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행할 수 있다.
구체적으로는, 1차측 공진 탱크는 1차측 공진 인덕터(121), 제1 1차측 공진 커패시터(122) 및 제2 1차측 공진 커패시터(123)로 구성될 수 있다. 이때, 제1 1차측 공진 커패시터(122) 및 제2 1차측 공진 커패시터(123)는 직렬 연결된 상태로 1차측 코일(124)과는 병렬 연결될 수 있다. 다시 말하면, 제1 1차측 공진 커패시터(122)의 일단은 제2 1차측 공진 커패시터(123)의 일단과 연결되고, 제1 1차측 공진 커패시터(122)의 타단은 1차측 코일(124)의 일단과 연결될 수 있으며, 1차측 코일(124)의 타단은 제2 1차측 공진 커패시터(123)의 타단과 연결될 수 있다. 또한, 제1 1차측 공진 커패시터(122)의 일단 및 제2 1차측 공진 커패시터(123)의 일단은 1차측 공진 인덕터(121)와 연결될 수 있다. 이와 같은 1차측 공진 탱크는 풀브릿지 인버터(110)를 구성하는 한 쌍의 레그를 연결하는 입력 전압선 상에 구현될 수 있다. 즉, 1차측 공진 인덕터(121) 및 제2 1차측 공진 커패시터(123)의 타단이 각각 풀브릿지 인버터(110)와 연결될 수 있다.
2차측 공진 탱크는 1차측 공진 탱크와 동일하게 구성될 수 있으며, 2차측 공진 인덕터(128), 제1 2차측 공진 커패시터(126) 및 제2 2차측 공진 커패시터(127)로 구성될 수 있다. 이때, 제1 2차측 공진 커패시터(126) 및 제2 2차측 공진 커패시터(127)는 직렬 연결된 상태로, 2차측 코일(125)과는 병렬 연결될 수 있다. 다시 말하면, 제1 2차측 공진 커패시터(126)의 일단은 제2 2차측 공진 커패시터(127)의 일단과 연결되고, 제1 2차측 공진 커패시터(126)의 타단은 2차측 코일(125)의 일단과 연결될 수 있으며, 2차측 코일(125)의 타단은 제2 2차측 공진 커패시터(127)의 타단과 연결될 수 있다. 또한, 제1 2차측 공진 커패시터(126)의 일단 및 제2 2차측 공진 커패시터(127)의 일단은 2차측 공진 인덕터(128)와 연결될 수 있다. 이와 같은 2차측 공진 탱크는 정류 브릿지(130)를 구성하는 한 쌍의 레그를 연결하는 출력 전압선 상에 구현될 수 있다. 즉, 2차측 공진 인덕터(128) 및 제2 2차측 공진 커패시터(127)의 타단이 각각 정류 브릿지(130)와 연결될 수 있다.
이처럼, LCC 공진 탱크(120)는 하나의 공진 인덕터와 두 개의 공진 커패시터로 구성되는 공진 탱크가 각각 1차측 및 2차측의 양측에 마련된 형태일 수 있다. 이하의 설명에서 참조하는 수학식들에서, L1 및 L2는 각각 1차측 및 2차측 공진 탱크의 자체 인덕턴스, Lrp 및 Lrs는 각각 1차측 및 2차측 공진 탱크의 누설 인덕턴스, k는 1차측 코일(124)과 2차측 코일(125)의 결합 계수(coupling coefficient), M은 1차측 코일(124)과 2차측 코일(125) 간의 상호 인덕턴스, Lm은 코일의 자화 인덕턴스를 나타낸다.
여기에서, 설명의 편의를 위해 1차측 코일(124)과 2차측 코일(125)의 턴수가 동일한 것으로 가정하면, 1차측 공진 탱크의 자체 인덕턴스(L1) 및 2차측 공진 탱크의 자체 인덕턴스(L2), 1차측 공진 탱크의 누설 인덕턴스(Lrp) 및 2차측 공진 탱크의 누설 인덕턴스(Lrs), 1차측 코일(124)과 2차측 코일(125)의 결합 계수(coupling coefficient)의 관계는 아래의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112016105380929-pat00015
한편, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 AC 등가 회로로, 이러한 도 2b를 참조하면, 1차 고조파 성분(harmonic components)은 아래의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112016105380929-pat00016
수학식 8에서 Vin_AC 및 Vo _AC 는 각각 입력 및 출력 전압, iO_AC는 출력 전류, RAC는 부하 저항의 크기를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 이러한 LCC 공진 탱크(120)의 구현 시, 위상 값(ZVS) 조건 하에서의 배터리의 정전류/정전압 충전을 실현할 수 있도록 구현할 수 있다. 이와 관련하여 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
다시, 도 2a를 참조하면, 정류 브릿지(130)는 제1 다이오드(D1) 내지 제4 다이오드(D4)가 마련된 풀브릿지 회로로, 제1 다이오드(D1) 내지 제4 다이오드(D4)에 의해 LCC 공진 탱크(120)의 2차측 공진 탱크로부터 전달 받는 전압을 정류하여 부하 네트워크(140)로 전달할 수 있다.
부하 네트워크(140)는 병렬로 연결된 출력 커패시터(Co) 및 부하 저항(Ro)으로 구성되며, 이때, 부하 저항(Ro)는 배터리일 수 있다. 출력 커패시터(Co)의 양단은 정류 브릿지(130)를 구성하는 풀브릿지 회로의 상측 접점 및 하측 접점에 각각 연결되어, 정류 브릿지(130)를 통해 정류된 출력 전압을 전달받을 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 동작특성 및 그에 따른 유리한 효과 대하여 간략하게 설명하기로 한다. 설명의 편의를 위해 일차 고조파 주파수 근사(FHA: First Harmonic Approximation)에 기반한 주파수 영역에서 분석하기로 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 최대 기본 출력 전압을 얻기 위해, 풀브릿지 인버터(110)에 마련된 스위치들이 거의 50%의 듀티비로 동작하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 부하 및 결합 조건과는 무관하게 1차측 코일(124)에 흐르는 전류는 일정하며, 따라서 1차측에서의 출력 제어를 단순화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 1차측 및 2차측에서 모두 단위 역률(unit power factor)을 달성할 수 있으므로, 양측에서의 순환 전류를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)와 도 1a에 도시된 SS 토폴로지를 비교하면, LCC 정류 탱크(120)에 마련되는 직렬 연결된 공진 커패시터들 및 코일들의 전압 및 전류 스트레스를 작게 할 수 있으며, 이에 따라, 낮은 정격(rating)의 구성 요소들의 사용이 가능하고, 전도 손실(conduction loss)을 감소시킬 수 있다.
마지막으로, 코일 간의 거리 또는 어긋남(misalignment)의 변화에 따라 코일의 자화 인덕턴스 값 또한 변화하는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 도 1a에 도시된 SS 토폴로지에 비해 이러한 변화에 덜 민감하다.
이하에서는, 도 3 및 도 4를 참조하여, 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전류 충전을 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 구현방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 M 모델을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 M 모델을 간략하게 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 상술한 바와 같이 배터리 충전 장치에 포함되어 정전류(CC) 충전 방식으로 배터리 충전을 실현할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 전류원(current source)으로 동작하여 출력단에 연결되는 배터리의 정전류 충전을 수행할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전류 충전을 수행할 수 있는데, 이를 위해, 입력 임피던스의 위상이 0이 되도록 LCC 공진 탱크(120)가 구현되어야 한다. 이하의 설명에서 참조하는 수학식들에서, L1 및 L2는 각각 1차측 및 2차측 공진 탱크의 자체 인덕턴스, Lrp 및 Lrs는 각각 1차측 및 2차측 공진 탱크의 누설 인덕턴스, k는 1차측 코일(124)과 2차측 코일(125)의 결합 계수(coupling coefficient), M은 1차측 코일(124)과 2차측 코일(125) 간의 상호 인덕턴스, Lm은 코일의 자화 인덕턴스, ω는 공진 각주파수(angular resonant frequency), Iin은 입력 전류, Io는 출력 전류, I1은 1차측 코일(124)의 전류, I2는 2차측 코일(125)의 전류, L1p 및 L1s는 각각 1차측 공진 인덕터(121) 및 2차측 공진 인덕터(128)의 인덕턴스, C1p 및 C2p는 각각 제1 1차측 공진 커패시터(122) 및 제2 1차측 공진 커패시터(123)의 커패시턴스, C1s 및 C2s는 각각 제1 2차측 공진 커패시터(126) 및 제2 2차측 공진 커패시터(127)의 커패시턴스, RAC는 부하 저항의 크기를 나타낸다.
도 3을 참조하여 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전류 충전을 수행하기 위한 LCC 공진 탱크(120)의 구현방법에 대하여 자세히 설명하면, 먼저, 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 M 모델에 키르히호프 법칙(Kirchhoff's law)을 적용할 수 있으며 그 결과, LCC 공진 탱크(120)의 1차측 전압 식은 아래의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112016105380929-pat00017
또한, 키르히호프 법칙을 이용하여 LCC 공진 탱크(120)의 2차측 전압식은 아래의 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112016105380929-pat00018
여기에서, 수학식 9 및 10으로부터 입력 전압(Vin)은 아래의 수학식 11과 같이 출력 전류(Io) 및 임피던스만으로 나타낼 수 있음을 예측할 수 있다. 이와 같은 경우, LCC 공진 탱크(120)의 구성요소들이 아래의 수학식 12 및 13과 같은 조건을 만족하여야 한다.
[수학식 11]
Figure 112016105380929-pat00019
[수학식 12]
Figure 112016105380929-pat00020
[수학식 13]
Figure 112016105380929-pat00021
수학식 11로부터 출력 전류(Io)는 입력 전압(Vin), 동작 주파수 및 LCC 공진 탱크(120)의 파라미터들에 의해 결정됨을 확인할 수 있으며, 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 CC 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우 전류원으로서 동작할 수 있으며, 결과적으로는 출력단에 연결되는 배터리의 정전류 충전이 가능하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전류 충전을 수행하기 위한 조건을 찾기 위해서는 아래의 수학식 14와 같이 LCC 공진 탱크(120) 2차측의 임피던스를 산출하여야 한다. 이때, LCC 공진 탱크(120) 2차측의 임피던스는 수학식 13을 이용하여 산출될 수 있다.
[수학식 14]
Figure 112016105380929-pat00022
이러한 LCC 공진 탱크(120) 2차측의 임피던스는 아래의 수학식 15와 같이 LCC 공진 탱크(120) 1차측의 임피던스로 나타낼 수 있다.
[수학식 15]
Figure 112016105380929-pat00023
이러한 수학식 15로부터 도 3의 M등가 회로를 도 4와 같이 간략하게 도시할 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 입력 임피던스(Zin)는 아래의 수학식 16과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 16]
Figure 112016105380929-pat00024
수학식 16으로부터, 공진 주파수에서의 영 위상 각(ZPA) 조건을 달성하기 위해서는 입력 임피던스의 허수 부분이 0이 되어야 함을 확인할 수 있다.
여기에서, 수학식 12에 따르면 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 CC 모드로 동작 시, 수학식 16의 등호 오른쪽에서 첫 번째 항의 허수 부분은 0이 됨을 확인할 수 있다. 따라서, 수학식 16의 등호 오른쪽에서 두 번째 항의 허수 부분만 0을 만족하면 되는데, 이를 위해 수학식 16의 등호 오른쪽의 두 번째 항을 자세히 나타내면 아래의 수학식 17과 같다.
[수학식 17]
Figure 112016105380929-pat00025
여기에서, CC 모드의 공진 각주파수(angular resonant frequency)가 아래의 수학식 18 및 19를 만족하는 경우, 수학식 17은 실수 부분만 남게 됨을 확인할 수 있다.
[수학식 18]
Figure 112016105380929-pat00026
[수학식 19]
Figure 112016105380929-pat00027
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리 정전류 충전을 수행하기 위해서는, LCC 공진 탱크(120)가 상술한 수학식 11, 12, 18 및 19를 만족하도록 설계되어야 하며, 이때, CC 모드 공진 각주파수는 아래의 수학식 20과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 20]
Figure 112016105380929-pat00028
이하에서는, 도 5a 내지 도 7을 참조하여, 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전압 충전을 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 구현방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 5a 및 도 5b는 도 2b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 등가 회로를 간략하게 나타낸 도면이고, 도 6 및 도 7은 입력 임피던스의 변화에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 등가 회로를 간략하게 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 상술한 바와 같이 배터리 충전 장치에 포함되어 정전압(CV) 충전 방식으로 배터리 충전을 실현할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 전압원(voltage source)으로 동작하여 출력단에 연결되는 배터리의 정전압 충전을 수행할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전압 충전을 수행할 수 있는데, 이를 위한 LCC 공진 탱크(120)의 구현방법을 설명하기 전에 아래의 수학식 21과 같이 LCC 공진 탱크(120)의 1차측 및 2차측의 각 공진 구성요소들이 동일한 값을 갖는 것으로 가정하기로 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 특징 중 하나는 전압 이득이 거의 유니티(unity)하다는 것인데, 이러한 특징으로부터 1차측 코일(124)의 자체 인덕턴스는 2차측 코일(125)의 자체 인덕턴스와 동일함을 알 수 있다(L1=L2).
[수학식 21]
Figure 112016105380929-pat00029
또한, 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리 정전압 충전을 수행하기 위한 LCC 공진 탱크(120)의 구현방법에 대하여 설명할 수 있도록, 도 5a와 같이 도 2b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 등가 회로를 간략하게 나타냈으며, 도 5a의 등가 회로에 Υ-Δ 변환을 적용하여 도 5(b)와 같이 보다 간략하게 도시하였다. 이때, 도 5a 및 도 5b의 각 임피던스의 값은 아래의 수학식 22와 같다.
[수학식 22]
Figure 112016105380929-pat00030
이러한 도 5b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 등가 회로에 키르히호프 법칙을 적용할 수 있으며, 그 결과 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 전압 이득은 아래의 수학식 23과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 23]
Figure 112016105380929-pat00031
수학식 23에 따르면, CV 모드의 공진 각주파수(angular resonant frequency)에서 아래의 수학식 24를 만족하는 경우, 전압 이득 GV는 부하 저항 RAC와 무관하게 일정하게 산출됨을 확인할 수 있다.
[수학식 24]
Figure 112016105380929-pat00032
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 아래의 수학식 25 또는 26을 만족하도록 구현되는 경우, CV 모드 주파수 조건 하에서 전압원으로서 동작할 수 있으며, 결과적으로는 출력단에 연결되는 배터리의 정전압 충전이 가능하다.
[수학식 25]
Figure 112016105380929-pat00033
[수학식 26]
Figure 112016105380929-pat00034
한편, 수학식 25에 따라 도 5b에서 Z13=0인 경우, 도 5b는 도 6과 같이 다시 그려질 수 있다. 이와 같은 경우, LCC 공진 탱크(120)의 임피던스는
Figure 112016105380929-pat00035
와 같이 산출될 수 있고, 입력 임피던스는 아래의 수학식 27과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 27]
Figure 112016105380929-pat00036
여기에서, 수학식 22 및 23에 따르면, Z12, Za 및 Zb는 모두 허수를 포함하는 복소수임을 확인할 수 있다. 따라서, Zb 를 jK로 대체하여, Z13=0인 경우의 입력 임피던스를 아래의 수학식 28과 같이 허수 부분과 진수 부분으로 나누어 나타낼 수 있다.
[수학식 28]
Figure 112016105380929-pat00037
여기에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전압 충전을 수행하기 위해서는, 수학식 28에 개시된 입력 임피던스의 허수 부분이 0이 되어야 함을 확인할 수 있다. 즉, 수학식 28에서 K, 즉, Zb 가 0인 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 공진 주파수에서의 영 위상 각(ZPA) 조건을 달성할 수 있다. 그러나, Zb 가 0이 되는 경우, 전력은 부하로 전달될 수 없다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 정전압 충전을 수행하기 위해서는 수학식 25 또는 26을 만족하여야 하는데, 수학식 25에 개시된 조건을 만족하도록 구현되는 경우, 영 위상 각(ZPA) 조건을 달성할 수 없다. 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 수학식 26에 따라 도 5b에서 Z13=-2Za 인 경우, 도 5b는 도 7과 같이 다시 그려질 수 있다. 이와 같은 경우, 입력 임피던스는 아래의 수학식 29와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 29]
Figure 112016105380929-pat00038
수학식 29에서 허수 부분은 아래의 수학식 30과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 30]
Figure 112016105380929-pat00039
여기에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전압 충전을 수행하기 위해서는, 수학식 30에 개시된 입력 임피던스의 허수 부분이 0이 되어야 한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전압 충전을 수행하기 위해서는, CV 모드의 공진 각주파수에서 A1 및 A2 가 0이 되는 아래의 수학식 31을 만족할 수 있도록 구현되어야 한다.
[수학식 31]
Figure 112016105380929-pat00040
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리 정전압 충전을 수행하기 위해서는, 상술한 수학식 26 및 31을 만족하도록 구현되어야 한다.
이하에서는, 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 구현방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 구현방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 무선 충전을 지원하는 배터리 충전 장치용 컨버터로, 입력 전압(Vin)을 유도 전력 전송 방식으로 변환하여 출력 부하(Ro), 즉, 배터리로 전달할 수 있으며, 특히, 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전류/정전압 충전을 실현할 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 입력단과 연결되는 풀브릿지 인버터(110) 및 출력 부하(Ro)와 연결되는 부하 네트워크(140)와, 풀브릿지 인버터(110)와 부하 네트워크(140) 사이에서 전압 변환을 수행하는 LCC 공진 탱크(120)를 포함할 수 있다. 이때, LCC 공진 탱크(120)와 부하 네트워크(140) 사이에는 정류 브릿지(130)가 마련될 수 있다. 여기서, LCC 공진 탱크(120)는 하나의 공진 인덕터와 두 개의 공진 커패시터로 구성되는 공진 탱크가 각각 1차측 및 2차측의 양측에 마련된 형태일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 이러한 LCC 공진 탱크(120)에 의해 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 정전류 및 정전압 충전을 수행할 수 있으므로, 양면 LCC 컨버터(1000)의 구성요소 중 LCC 공진 탱크(120)의 구현방법을 중점적으로 설명하기로 한다.
도 8을 참조하면, 먼저, LCC 공진 탱크(120)에 포함되는 공진 소자들의 크기 및 손실을 고려하여 정전류 모드 주파수(fCC)를 선택할 수 있다(800). 일반적으로, 무선 충전기용 컨버터의 스위칭 주파수는 20kHz 내지 95kHz 사이에서 선택되며, 이하, 정전류 모드 주파수(fCC)를 68kHz로 하여 설명하기로 한다.
그리고, 충전기의 설치 환경에 따라 제한되는 코일의 크기(dimension) 및 무게(weight)의 제한 사항에 기반하여 1차측 코일(124) 및 2차측 코일(125)의 상호 인덕턴스(M), 1차측 및 2차측 자체 인덕턴스(L1, L2)를 설정할 수 있다(810).
그리고, 1차측 공진 인덕터(121)의 인덕턴스(L1p) 및 2차측 공진 인덕터(128)의 인덕턴스(L1s)를 설정할 수 있다(820). 1차측 공진 인덕터(121)의 인덕턴스(L1p) 및 2차측 공진 인덕터(128)의 인덕턴스(L1s)는 두 값이 동일하다는 가정 하에 상술한 수학식 11에 따라 산출될 수 있다. 수학식 11에 따르면 1차측 공진 인덕터(121)의 인덕턴스(L1p) 및 2차측 공진 인덕터(128)의 인덕턴스(L1s)는 1차측 코일(124) 및 2차측 코일(125)의 상호 인덕턴스(M), 1차측 및 2차측 자체 인덕턴스(L1, L2), 입력 전압, 출력 전류 및 정전류 모드 주파수에 기반하여 설정될 수 있다.
그리고, 제2 1차측 공진 커패시터(123)의 커패시턴스(C2p) 및 제2 2차측 공진 커패시터(127)의 커패시턴스(C2s)를 설정할 수 있다(830). 제2 1차측 공진 커패시터(123)의 커패시턴스(C2p) 및 제2 2차측 공진 커패시터(127)의 커패시턴스(C2s)는 각각 상술한 수학식 12 및 18에 의해 산출될 수 있다. 수학식 12 및 18에 따르면, 제2 1차측 공진 커패시터(123)의 커패시턴스(C2p) 및 제2 2차측 공진 커패시터(127)의 커패시턴스(C2s)는 각각 1차측 공진 인덕터(121)의 인덕턴스(L1p) 및 2차측 공진 인덕터(128)의 인덕턴스(L1s)와 정전류 모드 주파수에 기반하여 설정될 수 있다.
그리고, 제1 1차측 공진 커패시터(122)의 커패시턴스(C1p) 및 제1 2차측 공진 커패시터(126)의 커패시턴스(C1s)를 설정할 수 있다(840). 제1 1차측 공진 커패시터(122)의 커패시턴스(C1P) 및 제1 2차측 공진 커패시터(126)의 커패시턴스(C1s)는 상술한 수학식 20에 의해 산출될 수 있다.
이와 같은 단계를 거쳐 산출되는 값으로 LCC 공진 탱크(120)를 구현하는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 정전류 충전을 수행할 수 있다.
여기에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 정전류 충전뿐만 아니라 정전압 충전을 수행할 수 있도록 위와 같은 단계에서 산출한 LCC 공진 탱크(120)의 파라미터들을 검증할 수 있다. 즉, LCC 공진 탱크(120)의 파라미터들이 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 정전압 충전 조건을 만족시키는지 여부를 확인할 수 있다(850). 이때, LCC 공진 탱크(120)의 파라미터들이 수학식 26 및 31를 만족시키는지 여부를 확인할 수 있으며, 그 결과, 수학식 26 및 31을 만족시키면 해당 LCC 공진 탱크(120)의 파라미터들에 따라 LCC 공진 탱크(120)를 구현할 수 있으며(860), 그 반대의 경우 1차측 코일(124) 및 2차측 코일(125)의 상호 인덕턴스(M), 1차측 및 2차측 자체 인덕턴스(L1, L2)를 다시 설정할 수 있다(810).
본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 구현방법으로는, 이와 같이 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 정전류 및 정전압 충전의 실현이 가능하도록 LCC 공진 탱크(120)의 파라미터들을 설정한 뒤 그에 따라 LCC 공진 탱크(120)를 구현하며, LCC 공진 탱크(120)의 1차측은 입력 전원을 전달하는 풀브릿지 인버터(110)와 연결하고, LCC 공진 탱크(120)의 2차측은 정류 브릿지(130) 및 부하 네트워크(140)와 연결할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 LCC 공진 탱크(120)의 1차측과 2차측 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행할 수 있으며, 특히, 배터리의 정전류 충전을 위한 정전류 모드로 동작 시, 정전압 충전을 위한 정전압 모드로 동작 시 각각 고정된 주파수 조건 하에서 동작함으로써, 그 제어가 용이하고 전체적으로 안정성을 높일 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 구현방법에 따른 경우, 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 정전류/정전압 충전이 가능한지 여부를 검증하기로 한다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 입력 임피던스에 따른 트랜스컨덕턴스(transconductance) 이득 및 전압 이득을 측정한 일 예를 나타낸 도면이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 아래의 표 2와 같은 조건의 무선 충전기에 적용되는 경우를 예로 들어, 도 8에 도시된 순서도에 따라 LCC 공진 탱크(120)의 파라미터들을 산출하여 양면 LCC 컨버터(1000)를 구현하였으며, 입력 임피던스(Zin)에 따른 트랜스컨덕턴스 이득을 측정하여 도 9a와 같은 그래프가 산출하였고, 입력 임피던스(Zin)에 따른 전압 이득을 측정하여 도 9b와 같은 그래프를 산출하였다.
P o Power rating 6.6 [kW]
V in Input voltage 400 [DC]
V o Output voltage 250-420 [V]
I o Charge current 15.7[A]
도 9a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 정전류 모드 주파수인 fCC(68kHz)에서 동작하는 경우, 트랜스컨덕턴스 이득(GI)는 부하 저항(Ro)의 크기와 무관하게 일정하고, 이때, 영 위상 각(ZPA) 조건을 달성함을 확인할 수 있다.
또한, 도 9b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 정전압 모드 주파수인 fCV(79.1kHz)에서 동작하는 경우, 전압 이득은 부하 저항(Ro)의 크기와 무관하게 일정하고, 이때, 영 위상 각(ZPA) 조건을 달성함을 확인할 수 있다.
이하에서는, 도 10 및 도 11을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000) 구현 시 고려하여야 할 점에 대하여 설명하기로 한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 배터리 충전 프로필 및 배터리의 등가 임피던스의 일 예를 나타낸 도면이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터에 적용되는 유도 전력 전송 패드의 일 예를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 무선 코일들과 LCC 공진 탱크(120)를 포함하여 구성되어, 도 10에 도시된 바와 같이 출력단에 연결된 배터리의 정전류/정전압 충전을 실현할 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)에 있어서, 유도 전력 전송 패드는 중요한 역할을 수행하는데, 전체적인 효율이 결합 계수(k) 및 코일의 큐 인자(quality factor)에 따라 결정되기 때문이다. 일반적으로, 결합 계수(k)는 패드 면적 및 에어 갭 간의 비(ratio), 턴 수, ferrite 바의 수에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 유도 전력 전송 패드는 높은 결합 계수(k) 및 최소 부피 및 무게의 큐 인자를 갖도록 설계되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 11과 같은 DD 타입의 유도 전력 전송 패드는 이러한 조건을 충족시킬 수 있으며, 아울러, 가장 높은 기본 플럭스 패스 길이를 가져, 수평의 어긋남에 대해 내성이 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 15.A의 충전 전류로 정전류 충전을 수행하는 경우, LCC 공진 탱크(120)의 공진 인덕터들의 크기는 수학식 11에 따라 아래의 수학식 32와 같이 산출될 수 있다.
[수학식 32]
Figure 112016105380929-pat00041
수학식 32에 따르면, 공진에 의해 LCC 공진 탱크(120)의 공진 인덕터들에 꽤 높은 전압이 걸리기 때문에, 에어 코어가 LCC 공진 탱크(120)의 공진 인덕터로 사용되는 것이 바람직하다. 그렇지 않은 경우, LCC 공진 탱크(120)의 공진 인덕터의 크기가 매우 커질 수 있다.
이하에서는, 도 12a 내지 도 15를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 유리한 효과를 검증하기로 한다.
도 12a 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 유리한 효과를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 정전류 충전을 수행하기 위한 정전류 모드로 동작 시 나타나는 파형의 두 가지 예를 도시한 도면으로, 이때, 입력 전압은 400V로 설정하였다.
도 12a를 참조하면, 67.5kHz의 정전류 모드 주파수로 동작 시, 출력 전력은 3.9kW, 출력 전류(Io)는 15.7A로 일정함을 확인할 수 있으며, 도 12b를 참조하면, 68.3kHz의 정전류 모드 주파수로 동작 시, 출력 전력은 6.6kW, 출력 전류(Io)는 15.7A로 일정함을 확인할 수 있다.
도 12a 및 도 12b에 따르면, 두 경우 모두 정전류 모드 주파수로 동작 시, 스위치 소자들의 영전압 스위칭(ZVS) 및 영전류 스위칭(ZCS) 조건을 달성할 수 있음을 확인할 수 있는데, 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서 정전류 충전을 수행하기 때문이다.
한편, 도 12a 및 도 12b에 따르면 출력 전력이 증가(3.9kW->6.6kW) 함에 따라 출력 전류(Io)를 일정하게 하기 위해 동작 주파수가 약간 변화하는데, 이러한 변화는 FHA 및 공진 소자들에서의 저항의 방치로 인해 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)에 작은 오류를 발생시킬 수 있다. 그러나, 이러한 문제점은 간단한 PI 제어의 폐쇄 루프를 적용하여 쉽게 해결할 수 있다. 결과적으로는, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 정전류 충전을 위한 정전류 모드로 동작 시, 고정된 주파수 조건 하에서의 동작이 가능하다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 정전압 충전을 수행하기 위한 정전압 모드로 동작 시 나타나는 파형의 두 가지 예를 도시한 도면으로, 이때, 입력 전압은 400V로 설정하였다.
도 13a를 참조하면, 77.5kHz의 정전압 모드 주파수로 동작 시, 출력 전력은 5.88kW, 출력 전압(Vo)은 420V로 일정함을 확인할 수 있으며, 도 13b를 참조하면, 76.8kHz의 정전압 모드 주파수로 동작 시, 출력 전력은 2.52kW, 출력 전압(Vo)은 420V로 일정함을 확인할 수 있다.
도 13a 및 도 13b에 따르면, 두 경우 모두 정전압 모드 주파수로 동작 시, 스위치 소자들의 영전압 스위칭(ZVS) 조건만을 달성할 수 있음을 확인할 수 있는데, 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 보다 높은 전압 이득을 얻기 위해 공진 주파수(77kHz)보다 낮은 주파수 조건 하에서 동작하여, 유도성 영역에서 동작하기 때문이다.
반면, 도 14a 및 도 14b를 참조하면, 각각 78.6kHz 및 79.4kHz의 정전압 모드 주파수로 동작 시, 스위치 소자들이 영전압 스위칭(ZVS) 및 영전류 스위칭(ZCS) 조건을 모두 달성할 수 있음을 확인할 수 있다. 이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 정전압 충전을 위한 정전압 모드로 동작 시, 고정된 주파수 조건 하에서의 동작이 가능하며, 결과적으로는 정전압 모드 주파수를 조절함으로써 스위치 소자들의 영전압 스위칭(ZVS) 및 영전류 스위칭(ZCS) 조건을 만족시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 가장 큰 장점은 부하의 변화와 무관하게 고정 주파수 조건 하에서 정전류 및 정전압 충전을 수행할 수 있으므로, 제어가 간단하며 충전기의 안정성을 보장할 수 있다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 서로 다른 출력 조건 하에서의 효율을 확인할 수 있다. 도 15에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 정전류 모드로 동작 시 6.6kW의 출력 전력에서 96.1%의 최대 효율을 가짐을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 정전압 모드로 동작 시 입력 전압이 420V인 경우 입력 전압이 400V인 경우 보다 더 나은 효율을 보임을 확인할 수 있는데, 이는 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서 완벽한 공진이 이루어지기 때문이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1000: 양면 LCC 컨버터 121: 1차측 공진 인덕터
110: 풀브릿지 인버터 122: 제1 1차측 공진 커패시터
120: LCC 공진 탱크 123: 제2 1차측 공진 커패시터
130: 정류 브릿지 124: 1차측 코일
140: 부하 네트워크 125: 2차측 코일
126: 제1 2차측 공진 커패시터
127: 제2 2차측 공진 커패시터
128: 2차측 공진 인덕터

Claims (15)

  1. 입력 전압을 공급하는 입력 전원과 연결되며, 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련된 풀브릿지 인버터;
    하나의 공진 인덕터와 두개의 공진 커패시터로 동일하게 구성되는 1차측 공진 탱크 및 2차측 공진 탱크를 포함하고, 상기 1차측 공진 탱크가 상기 풀브릿지 인버터와 연결되어 상기 입력 전압을 전달받아, 상기 1차측 공진 탱크와 상기 2차측 공진 탱크 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 LCC 공진 탱크;
    상기 2차측 공진 탱크와 연결되어 상기 2차측 공진 탱크로부터 전달받는 출력 전압을 정류하는 정류 브릿지; 및
    상기 정류 브릿지와 연결되어 정류된 출력 전압을 전달 받는 부하 네트워크를 포함하고,
    상기 LCC 공진 탱크는 고정 주파수인 정전압 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 상기 부하 네트워크의 변화와 무관하게 일정한 크기의 전압을 출력하고, 상기 정전압 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 달성하여 상기 풀브릿지 인버터에 마련된 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치가 소프트 스위칭 조건 하에서 스위칭 동작을 수행하며,
    상기 LCC 공진 탱크는 상기 정전압 모드에서의 입력 임피던스의 허수 부분이 0 이 되도록 구현되는 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 LCC 공진 탱크는,
    상기 풀브릿지 인버터와 연결되는 1차측 공진 인덕터, 상기 1차측 공진 인덕터와 연결되는 제1 1차측 공진 커패시터 및 제2 1차측 공진 커패시터, 상기 제1 1차측 공진 커패시터 및 상기 제2 1차측 공진 커패시터와 연결되는 1차측 코일로 구성되는 1차측 공진 탱크 및 상기 정류 브릿지와 연결되는 2차측 공진 인덕터, 상기 2차측 공진 인덕터와 연결되는 제1 2차측 공진 커패시터 및 제2 2차측 공진 커패시터, 상기 제1 2차측 공진 커패시터 및 상기 제2 2차측 공진 커패시터와 연결되는 2차측 코일로 구성되는 2차측 공진 탱크를 포함하는 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터.
  3. [청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제2항에 있어서,
    상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 자체 인덕턴스는 동일하게 설정되는 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 LCC 공진 탱크는,
    고정 주파수인 정전류 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 상기 부하 네트워크의 변화와 무관하게 일정한 크기의 전류를 출력하는 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터.
  5. [청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제4항에 있어서,
    상기 LCC 공진 탱크는,
    상기 정전류 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 달성하여 상기 풀브릿지 인버터에 마련된 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치가 소프트 스위칭 조건 하에서 스위칭 동작을 수행하는 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 하나의 공진 인덕터와 두개의 공진 커패시터로 동일하게 구성되며 각각 1차측 코일 및 2차측 코일을 포함하는 1차측 공진 탱크와 2차측 공진 탱크 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 LCC 공진 탱크를 포함하여, 상기 1차측 공진 탱크와 연결되는 입력단의 전압을 상기 2차측 공진 탱크와 연결되는 출력단으로 전달하는 무선 충전기용 양면 LCC 공진 컨버터의 구현방법에 있어서,
    상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 크기 및 손실을 고려하여 상기 출력단으로 일정한 크기의 전류를 출력하기 위한 정전류 모드로 동작 시 동작 주파수인 정전류 모드 주파수를 설정하고,
    상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 크기 및 무게에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스를 설정하고,
    상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 정전류 모드 주파수, 상기 입력단으로부터 공급 받는 입력 전압 및 출력하고자 하는 출력 전류의 크기에 따라 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스를 산출하며,
    산출한 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따르면 상기 출력단으로 일정한 크기의 전압을 출력하기 위한 정전압 모드로 동작 시 동작 주파수인 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족하는지 여부를 검증하고, 그 결과에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따른 상기 LCC 공진 탱크를 구현하는 것을 포함하고,
    상기 LCC 공진 탱크를 구현하는 것은 상기 정전압 모드에서의 입력 임피던스의 허수 부분이 0 이 되도록 구현하는 것인 무선 충전기용 양면 LCC 공진 컨버터의 구현방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 1차측 공진 탱크는 상기 입력단에 마련되며, 제1 스위치 내지 제4 스위치를 포함하여 상기 입력 전압을 상기 LCC 공진 탱크로 전달하는 풀브릿지 인버터와 연결하는 것을 더 포함하는 무선 충전기용 양면 LCC 공진 컨버터의 구현방법.
  10. [청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제9항에 있어서,
    상기 2차측 공진 탱크는 상기 출력단에 마련되며, 제1 다이오드 내지 제4 다이오드를 포함하여 상기 LCC 공진 탱크의 출력을 정류하는 정류 브릿지와 연결하는 것을 더 포함하는 무선 충전기용 양면 LCC 공진 컨버터의 구현방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 크기 및 무게에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스를 설정하는 것은,
    상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스가 같은 값을 갖도록 설정하는 것인 무선 충전기용 양면 LCC 공진 컨버터의 구현방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 정전류 모드 주파수, 상기 입력단으로부터 공급 받는 입력 전압 및 출력하고자 하는 출력 전류의 크기에 따라 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스를 산출하는 것은,
    상기 정전류 모드 주파수 조건 하에서, 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족할 수 있도록 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스를 산출하는 것인 무선 충전기용 양면 LCC 공진 컨버터의 구현방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 크기 및 손실을 고려하여 상기 출력단으로 일정한 크기의 전류를 출력하기 위한 정전류 모드로 동작 시 동작 주파수인 정전류 모드 주파수를 설정하는 것은,
    고정 주파수인 상기 정전류 모드 주파수를 설정하는 것인 무선 충전기용 양면 LCC 공진 컨버터의 구현방법.
  14. 제8항에 있어서,
    산출한 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따르면 상기 출력단으로 일정한 크기의 전압을 출력하기 위한 정전압 모드로 동작 시 동작 주파수인 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족하는지 여부를 검증하는 것은,
    고정 주파수인 상기 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족하는지 여부를 검증하는 것인 무선 충전기용 양면 LCC 공진 컨버터의 구현방법.
  15. [청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제8항에 있어서,
    검증 결과에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따른 상기 LCC 공진 탱크를 구현하는 것은,
    검증 결과 산출한 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스가 상기 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족시키는 경우, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따른 상기 LCC 공진 탱크를 구현하는 것이며, 그 반대의 경우 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스가 상기 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족시킬 때까지 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 크기 및 무게에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스를 설정하는 단계를 반복 수행하는 것을 포함하는 무선 충전기용 양면 LCC 공진 컨버터의 구현방법.

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