KR101817903B1 - 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기 - Google Patents

전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기 Download PDF

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Abstract

전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기는 입력전압(Vin)을 스위칭하는 제1스위칭부, 제1스위칭부에 의해 스위칭되어 제1차측 권선으로 인가된 입력전압을 변압하는 변압기, 출력전압(Vo)을 제어하기 위해 스위칭하는 제2스위칭부 및 제2스위칭부와 출력부 사이에 병렬로 연결된 2개의 출력인덕터들을 포함하고, 제1스위칭부는 3레벨 하프 브릿지(half bridge) 회로를 포함하며, 제2스위칭부는 풀 브릿지(full bridge) 회로를 포함할 수 있다.

Description

전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기{HIGH STEP DOWN DC/DC CONVERTER FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입력전압(Vin)을 스위칭하는 제1스위칭부, 제1스위칭부에 의해 스위칭되어 제1차측 권선으로 인가된 입력전압을 변압하는 변압기, 출력전압(Vo)을 제어하기 위해 스위칭하는 제2스위칭부 및 제2스위칭부와 출력부 사이에 병렬로 연결된 2개의 출력인덕터들을 포함하고, 제1스위칭부는 3레벨 하프 브릿지(half bridge) 회로를 포함하며, 제2스위칭부는 풀 브릿지(full bridge) 회로를 포함하는 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기에 관한 것이다.
최근 글로벌 환경규제의 강화와 정부의 친환경 에너지 보급 활성화 정책으로 인해 전기 자동차 및 자율주행 자동차에 대한 시장의 관심과 개발이 급격히 증가하고 있다. 이러한 시장변화로 인해 자동차 부품사들의 미래 신성장 동력으로 자동차 전장품 시장 또한 커지고 있는 실정이다. 내연기관 자동차의 12V 전력은 알터네이터(alternator)에 의해 엔진의 회전력을 전기에너지로 변환하고 그 에너지를 배터리에 저장하는 시스템으로 구성되어 있다. 하지만 알터네이터의 사용은 엔진의 부하에 접속되어 자동차의 연비 감소의 원인이 되며, 기계적인 마모 등으로 인해 유지 및 보수 측면에서 단점을 가지고 있다.
최근 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 보급이 활성화 되면서, 기존의 알터네이터를 대체하여 고전압(DC 400V) 배터리의 전력을 통해 저전압(DC 12V) 배터리를 충전하는 시스템으로 변화되고 있다. 따라서, 이러한 전력을 변환하기 위한 전력변환기(LDC; Low Voltage DC/DC Converter)는 전기 자동차의 저전압 배터리 시스템에서 주요한 전장품으로 요구되고 있다. 또한, 자율주행 자동차에 대한 시장의 관심 증가로 인해 12V 전장부하의 증가로 인해 LDC의 역할은 더욱 더 커지고 있다.
LDC는 자동차에 포함되는 전자 장치라는 특성 때문에 높은 신뢰성 및 안정성을 충족하여야 하며, 절연 기능을 가지는 회로의 사용이 요구된다. 위상천이 풀브릿지 변환기(PSFB: Phase-shift Full-bridge DC/DC converter)는 회로 구성 및 동작이 단순하고, 안전을 위한 절연 기능을 가지고, 또한. 1차측 스위치들의 소프트 스위칭 특징으로 인해서 고주파 스위칭과 고효율 동작이 가능하므로 자동차용 직류/직류 전력변환기 회로로 많이 사용되고 있다. 하지만 이러한 기존의 회로는 전기 자동차용 LDC 회로에서 많은 단점을 포함하고 있다.
즉, 전기 자동차용 고강압(예컨대, 400V->12V) 기능 구현을 위해서는 변압기(트랜스포머)의 높은 턴비를 요구하는데, 위상천이 풀브릿지 변환기(PSFB)의 구조는 이러한 변압기의 설계 및 제작에 불리한 단점을 가지게 된다. 또한, 위상천이 풀브릿지 변환기(PSFB)는 1차측 회로의 스위칭 소자 및 변압기에서 높은 전압 스트레스(입력전압)을 가지게 되며, 2 차측 회로의 스위칭 소자 및 인덕터에서는 높은 전류로 인해서 스위칭 소자의 도통손실이 발생하고, 고전류 인덕터를 필요로 하는 단점을 포함하고 있다.
또한, 위상천이 풀브릿지 변환기(PSFB)에서 1차측 회로의 소자들간의 특성차이나 스위칭 신호의 특성차이는 변압기에 인가되는 시비율(Duty Cycle)의 차이를 유발하여 포화(Saturation)문제를 유발할 수 있고, 저전압측 출력의 높은 인덕터 리플 전류로 인해서 배터리의 수명에 영향을 줄 수 있는 단점을 포함하고 있다.
따라서, 전기 자동차용 LDC 회로에서 기존의 위상천이 풀브릿지 변환기(PSFB) 회로의 문제점을 해결하고, 높은 전압 이득 및 고신뢰성 회로를 구현할 수 있는 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기의 개발이 절실히 요구되고 있다.
한국공개특허 제10-2011-0064605호 "위상-천이 풀-브릿지 컨버터 회로" (2011.06.15. 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 입력전압(Vin)을 스위칭하는 제1스위칭부, 제1스위칭부에 의해 스위칭되어 제1차측 권선으로 인가된 입력전압을 변압하는 변압기, 출력전압(Vo)을 제어하기 위해 스위칭하는 제2스위칭부 및 제2스위칭부와 출력부 사이에 병렬로 연결된 2개의 출력인덕터들을 포함하고, 제1스위칭부는 3레벨 하프 브릿지(half bridge) 회로를 포함하며, 제2스위칭부는 풀 브릿지(full bridge) 회로를 포함하는 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기는, 입력전원에 직렬로 연결되어 스위칭 신호에 따른 턴온, 턴오프 동작을 통해 입력전원으로부터 인가되는 입력전압(Vin)을 스위칭하는 제1스위칭부, 제1스위칭부에 의해 스위칭되어 제1차측 권선으로 인가된 입력전압을 변압하는 변압기, 변압기의 제2차측 권선과 직렬로 연결되어 출력전압(Vo)을 제어하기 위해 스위칭하는 제2스위칭부 및 제2스위칭부와 출력부 사이에 병렬로 연결된 2개의 출력인덕터들을 포함하고, 제1스위칭부는 3레벨 하프 브릿지(half bridge) 회로를 포함하며, 제2스위칭부는 풀 브릿지(full bridge) 회로를 포함할 수 있다.
제1스위칭부 및 제2스위칭부는 출력전압을 제어하기 위해서 위상천이(Phase-shift) 방식을 이용하여 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
제1스위칭부 및 제2스위칭부는 각각 4개의 스위치들을 포함하고, 제 1 스위칭부 및 제 2 스위칭부 각각은, 4개의 스위치들 중 2개의 스위치들을 포함하는 제1그룹 스위치를 동시에 턴온 및 턴오프시키고, 2개의 스위치들을 제외한 나머지 2개의 스위치들을 포함하는 제2그룹 스위치를 동시에 턴온 및 턴오프시키며, 제1그룹 스위치와 제2그룹 스위치를 상보적으로 동작시킬 수 있다.
변압기의 제1차측 전압(Vtr)은 입력전압(Vin)의 절반일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 2개의 출력인덕터들 사이에서는 180도 위상차가 적용되어 출력 전류 리플이 최소화될 수 있다.
제1스위칭부 및 제2스위칭부에 포함되는 스위치들은 MOSFET일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기에 따르면, 기존의 위상천이 풀브릿지 변환기(PSFB) 회로와 비교하여 낮은 턴비로 고강압(동일한 전압이득) 기능 구현이 가능하며, 1차측 스위칭부의 스위치 전압과 변압기 전압 스트레스를 절반으로 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기에 따르면, 출력전류는 두개의 출력 인덕터로 나누어 지므로 기존의 위상천이 풀브릿지 변환 회로의 절반으로 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기에 따르면, 2개의 출력인덕터를 사용하고, 각 출력인덕터의 전류 사이에 180도의 위상차가 적용되므로, 기존의 위상천이 풀브릿지 변환기(PSFB) 회로보다 개선된 출력 전류 리플 특성을 획득할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기에 따르면, 출력부를 2개의 분리된 부하에서 동작시킬 수 있으며, 하나의 전압 제어를 통해 2개의 안정된 전압을 부하에 공급할 수 있다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시 예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 회로를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 회로의 주요 동작파형을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 동작모드 1(t0~t1)을 나타낸 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 동작모드 2(t0~t1)를 나타낸 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 동작모드 3(t1~t2)를 나타낸 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 동작모드 4(t2~t3)를 나타낸 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 동작모드 5(t2~t3)를 나타낸 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 동작모드 6(t3~t4)을 나타낸 회로도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 변압기(30)에서 전압 VT1, VT2, Vsec를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 변압기(30)에서 전압(VT1, VT2) 파형 및 전류(itr) 파형을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 동작을 검증하기 의한 PSIM 시뮬레이션 회로를 나타낸 도면이다.
도 12는 PSIM 시뮬레이션 회로에서 누설인덕턴스 Llk(16) 양단의 전압 VT1, VT2, 변압기(30)에 흐르는 전류 itr 및 출력전압 Vo의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 13은 PSIM 시뮬레이션 회로에서 입력전압 Vin, 출력전압 Vo, 변압기(30)의 1차측 전압 Vtr 및 2차측 전압 Vsec의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 14는 PSIM 시뮬레이션 회로에서 제2스위칭부(40)에 포함된 각각의 스위치들의 전압 스트레스의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 15는 PSIM 시뮬레이션 회로에서 출력인덕터의 전류 및 리플의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)에서 다중 부하 조건을 가정하여 스텝 부하 동작을 확인하기 위한 시뮬레이션 회로이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)에서 다중 부하 조건을 가정하여 획득된 스텝 부하 동작의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 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.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 소자를 사이에 두고" 연결되어 있는 경우도 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 회로를 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)는 입력전압을 스위칭하는 제1스위칭부(20), 입력전압을 변압하는 변압기(30), 출력전압을 제어하기 위해 스위칭하는 제2스위칭부(40) 및 출력부와 연결된 2개의 출력인덕터들(50)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제1스위칭부(20)는 입력전원(10)에 직렬로 연결되어 스위칭 신호에 따른 턴온, 턴오프 동작을 통해 입력전원(10)으로부터 인가되는 입력전압을 스위칭할 수 있다.
도 1을 참조하면, 제1스위칭부(20)는 입력전원(10)에서 인가된 입력전압(Vin)을 스위칭하기 위해서, S1 스위치(22), S2 스위치(24), S3 스위치(26) 및 S4 스위치(28)를 포함하여, 모두 4개의 스위치들을 포함하고 있으며, 3레벨 하프 브릿지(half bridge) 회로를 포함하는 형태로 구성됨으로써, 입력전원(10)으로부터 인가되는 입력전압(Vin)을 스위칭할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 변압기(30)는 제1스위칭부(20)에 의해 스위칭되어 제1차측 권선으로 인가된 입력전압을 변압할 수 있다.
도 1을 참조하면, 변압기의 1차측 전압은 Vtr 이고, 변압기에 흐르는 전류는 itr로 표현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2스위칭부(40)는 변압기(30)의 제2차측 권선과 직렬로 연결되어 출력전압(Vo)을 제어하기 위해 스위칭할 수 있다.
도 1을 참조하면, 제2스위칭부(40)는 변압기(30)의 제2차측 권선과 직렬로 연결되어， S5 스위치(42), S6 스위치(44), S7 스위치(46) 및 S8 스위치(48)를 포함하여, 모두 4개의 스위치들을 포함하고 있으며, 풀 브릿지(full bridge) 회로를 포함하는 형태로 구성됨으로써, 출력전압(Vo)을 제어하기 위해 스위칭 할 수 있다.
즉, 제1스위칭부(20)는 입력전원과 변압기 사이에 연결되어 3레벨 하프 브릿지(half bridge) 회로를 포함하는 형태로 구성되고, 제2스위칭부(40)는 변압기(30)와 출력부(60) 사이에 연결되어 풀 브릿지(full bridge) 회로를 포함하는 형태로 구성될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1스위칭부(20) 및 제2스위칭부(40)는 출력전압(Vo)을 제어하기 위해서 위상천이(Phase-shift) 방식을 이용하여 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
또한, 제1스위칭부(20)의 스위치들 및 제2스위칭부(40)의 스위치들은 상보적으로 동작시켜야 한다. 즉, 제1스위칭부(20) 및 제2스위칭부(40)는 각각 4개의 스위치들을 포함하고, 제1스위칭부(20) 및 제2스위칭부(40) 각각은, 4개의 스위치들 중 2개의 스위치들을 포함하는 제1그룹 스위치를 동시에 턴온 및 턴오프시키고, 상기 2개의 스위치들을 제외한 나머지 2개의 스위치들을 포함하는 제2그룹 스위치를 동시에 턴온 및 턴오프시키는 방식으로, 제1그룹 스위치와 제2그룹 스위치를 상보적으로 동작시킬 수 있다.
예를 들어, 제1스위칭부(20)에 포함된 S1 스위치(22), S2 스위치(24), S3 스위치(26) 및 S4 스위치(28) 중에서 S1 스위치(22) 및 S2 스위치(24)가 동시에 턴오프 상태에서 턴온 상태로 변환되면, S1 스위치(22) 및 S2 스위치(24) 상태 변화에 따라서 S3 스위치(26) 및 S4 스위치(28)는 동시에 턴온 상태에서 턴오프 상태로 변환되어, 제1그룹 스위치와 제2룹 스위치를 상보적으로 동작시킬 수 있다.
즉, 제2스위칭부(40)에 포함된 S5 스위치(42), S6 스위치(44), S7 스위치(46) 및 S8 스위치(48)들도, 제1스위칭부(20)에 포함된 스위치들과 마찬가지로 제1그룹 스위치와 제2그룹 스위치로 분리되어 상보적으로 동작될 수 있다.
제1스위칭부(20) 및 제2스위칭부(40)에 포함된 스위치들은 MOSFET일 수 있다. 즉, MOSFET 스위치들은 영전압 스위칭이 가능하기 때문에, 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 회로에서 영전압 스위칭이 가능하도록, 제1스위칭부(20)의 스위치들은 MOSFET 스위치를 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 출력인덕터들(50)은 제2스위칭부(40)와 출력부(60) 사이에 병렬로 연결될 수 있다.
도 1을 참조하면, 2개의 출력인덕터들(50)은 변압기(30)에서 변압된 에너지를 저장하고 출력부(60)로 전송하기 위해서, 출력인덕터 Lo1(52) 및 출력인덕터 Lo2(54)를 포함하고, 제2스위칭부(40)와 출력부(60) 사이에 병렬로 연결될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 회로의 주요 동작파형을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 동작모드 1(t0~t1)을 나타낸 회로도이다.
즉, 동작모드 1(t0~t1)은 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100) 회로가 t0~t1 구간 사이에 동작하는 모드를 나타내는 것으로, 도 2 및 도 3을 참조하면, t=t0에서 제1스위칭부(20)에 포함된 S1 스위치(22) 및 S2 스위치(24)는 턴오프 상태에서 턴온 상태로 변환되고, 제2스위칭부(40)에 포함된 S6 스위치(44) 및 S7 스위치(46)는 턴온 상태가 유지되면서 회로가 동작한다.
동작모드 1(t0~t1) 상태에서, 누설인덕턴스 Llk(16)에 저장된 에너지는 S1 스위치(22) 및 S2 스위치(24)를 통해 캐패시터 C1(12)에 저장될 수 있다. 변압기(30)의 1차측 전압(Vtr)은 후술할 <수학식 1>과 같이 입력전압(Vin)의 절반이 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 동작모드 2(t0~t1)를 나타낸 회로도이다.
즉, 동작모드 2(t0~t1)는 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100) 회로가 t0~t1 구간 사이에서, 동작모드 1(t0~t1) 이후에 동작하는 모드를 나타내는 것으로, 도 2 및 도 4를 참조하면, 누설인덕턴스 Llk(16)에 저장된 에너지를 캐패시터 C1(12)로 전송한 후에 변압기(30)의 전류 방향은 역방향이 된다. 또한, 캐패시터 C1(12)에 저장된 에너지는 변압기(30)와 누설인덕턴스 Llk(16)를 통해 전송될 수 있다. 즉, t0~t1 구간에서 누설인덕턴스 Llk(16)는 에너지를 저장할 수 있다.
t0~t1 구간에서, 변압기(30)의 1차측 전압 Vtr, 2차측 전압 Vsec 및 변압기(30)의 전류 itr은 다음의 <수학식 1> 내지 <수학식 3>과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017069461637-pat00001
Figure 112017069461637-pat00002
Figure 112017069461637-pat00003
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 동작모드 3(t1~t2)를 나타낸 회로도이다.
즉, 동작모드 3(t1~t2)은 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100) 회로가 t1~t2 구간 사이에서 동작하는 모드를 나타내는 것으로, 도 2 및 도 5를 참조하면, t=t1 일 때, 제1스위칭부(20)에 포함된 S1 스위치(22) 및 S2 스위치(24)는 이전 상태인 턴온 상태로 계속 유지되고, 제2스위칭부(40)에 포함된 S5 스위치(42) 및 S8 스위치(48)는 턴오프 상태에서 턴온 상태로 변환된다. t1~t2 구간 사이에서, 캐패시터 C1(12)에 저장에 저장된 에너지는 변압기(30)를 통해 출력으로 전송된다.
t1~t2 구간에서, 변압기(30)의 1차측 전압 Vtr, 2차측 전압 Vsec 및 변압기(30)의 전류 itr은 다음의 <수학식 4> 내지 <수학식 6>과 같이 표현될 수 있다. 즉, 변압기(30)의 1차측 전압(Vtr)은 입력전압(Vin)의 절반이 되고, 캐패시터 C1(12)의 전압과 같아진다.
Figure 112017069461637-pat00004
Figure 112017069461637-pat00005
Figure 112017069461637-pat00006
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 동작모드 4(t2~t3)를 나타낸 회로도이다.
즉, 동작모드 4(t2~t3)는 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100) 회로가 t2~t3 구간 사이에서 동작하는 모드를 나타내는 것으로, 도 2 및 도 6을 참조하면, t=t2 일 때, 제1스위칭부(20)에 포함된 S3 스위치(26) 및 S4 스위치(28)는 턴오프 상태에서 턴온 상태로 변환되고, 제1스위칭부(20)에 포함된 S5 스위치(42) 및 S8 스위치(48)는 이전상태인 턴온 상태로 계속 유지된다. t2~t3 구간 사이에 누설인덕턴스 Llk(16)에 저장된 에너지는 캐패시터 C2(14)로 전송된다. 2차측 캐패시터 Clink(18)에 저장된 에너지는 스위치를 통해 출력부(60)로 전송된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 동작모드 5(t2~t3)를 나타낸 회로도이다.
즉, 동작모드 5(t2~t3)는 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100) 회로가 t2~t3 구간 사이에서 동작모드 4(t2~t3) 이후에 동작하는 모드를 나타내는 것으로, 도 2 및 도 7을 참조하면, 누설인덕턴스 Llk(16)에 저장된 에너지가 캐패시터 C2(14)로 전송이 완료되면, 변압기(30)의 전류방향은 역방향이 되고, 캐패시터 C2(14)는 방전을 시작한다. 2개의 출력인덕터들(50)에 저장된 에너지는 출력부(60)로 전송된다. t2~t3 구간에서, 변압기(30)의 1차측 전압 Vtr, 2차측 전압 Vsec 및 변압기(30)의 전류 itr은 다음의 <수학식 7> 내지 <수학식 9>와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017069461637-pat00007
Figure 112017069461637-pat00008
Figure 112017069461637-pat00009
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 동작모드 6(t3~t4)을 나타낸 회로도이다.
즉, 동작모드 6(t3~t4)은 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100) 회로가 t3~t4 구간 사이에서 동작하는 모드를 나타내는 것으로, 도 2 및 도 8을 참조하면, t=t3에서 제1스위칭부(20)에 포함된 S3 스위치(26) 및 S4 스위치(28)는 이전 상태인 턴온 상태로 계속 유지되고, 제2스위칭부(40)에 포함된 S6 스위치(44) 및 S7 스위치(46)는 턴오프 상태에서 턴온 상태로 변환된다. 캐패시터 C2(14)에 저장에 저장된 에너지는 변압기(30)를 통해 출력으로 전송된다. t3~t4 구간 에서, 변압기(30)의 1차측 전압 Vtr, 2차측 전압 Vsec 및 변압기(30)의 전류 itr은 다음의 <수학식 10> 내지 <수학식 12>와 같이 표현될 수 있다. 즉, 변압기의 1차측 전압 Vtr은 입력전압 Vin의 절반으로, 캐패시터 C2(14)의 전압과 같다.
Figure 112017069461637-pat00010
Figure 112017069461637-pat00011
Figure 112017069461637-pat00012
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 변압기(30)에서 전압 VT1, VT2, Vsec를 나타낸 도면이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 변압기(30)에서 전압(VT1, VT2) 파형 및 전류(itr) 파형을 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 출력전력(Vo)은 변압기(30)의 누설인덕턴스 Llk(16)에 흐르는 전류 itr에 의해 계산될 수 있다. 즉, 변압기(30)의 전류는 0~π 주기와 π~2π 주기가 서로 대칭관계를 가지며, 각 동작 모드 해석에 의해서 다음의 <수학식 13> 및 <수학식 14>와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017069461637-pat00013
Figure 112017069461637-pat00014
즉, 변압기(30)의 전류값에 의해 전송되는 전력 P0는 다음의 <수학식 15> 및 <수학식 16>과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112017069461637-pat00015
Figure 112017069461637-pat00016
정상상태에서 인덕터의 평균전압은 '0'을 가지므로, 인덕터 평균전압 조건으로부터 변압기의 2차 전압(Vsec)과 출력전압(Vo)과의 관계를 계산할 수 있다. 여기에서, 제2스위칭부(40)의 풀 브릿지(full bridge) 회로는 시비율이 0.5라고 가정한다. S5 스위치(42)가 턴온 되었을 때, 출력인덕터 Lo1(52) 양단의 전압은 다음의 <수학식 17>과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017069461637-pat00017
또한, S7 스위치(46)가 턴온 되었을 때, 출력인덕터 Lo1(52) 양단의 전압은 다음의 <수학식 18>과 표현될 수 있다.
Figure 112017069461637-pat00018
즉, 정상상태에서 인덕터의 한주기 평균전압이 '0'을 가지므로 다음의 <수학식 19> 및 <수학식 20>과 같은 조건을 얻을 수 있다.
Figure 112017069461637-pat00019
Figure 112017069461637-pat00020
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 동작을 검증하기 의한 PSIM 시뮬레이션 회로를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 동작을 검증하기 위해서, PSIM 시뮬레이션 회로에서는 입력전압으로 DC 400V를 사용하고, 출력전압으로 DC 12V를 사용하여, 일반적인 LDC(Low Voltage DC/DC Converter) 회로에서 사용되는 사양을 적용하였다. 또한, 스위칭 주파수는 80kHz, 출력전력 Po는 2.2KW가 적용되도록 하였으며, 변압기의 턴비는 10:1.4를 사용하였고, 누설인덕턴스는 13μH를 적용하였다.
도 12는 PSIM 시뮬레이션 회로에서 누설인덕턴스 Llk(16) 양단의 전압 VT1, VT2, 변압기(30)에 흐르는 전류 itr 및 출력전압 Vo의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, 출력전압 Vo는 12.5V를 가지며, 변압기(30)의 전류 itr 및 VT1, VT2는 200V, -200V로 정상적으로 동작하는 것을 확인할 수 있다.
도 13은 PSIM 시뮬레이션 회로에서 입력전압 Vin, 출력전압 Vo, 변압기(30)의 1차측 전압 Vtr 및 2차측 전압 Vsec의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, PSIM 시뮬레이션 회로는 입력전압 Vin의 값으로 400V를 공급하여, 출력전압 Vo는 12.5V를 가지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 변압기(30)의 1차측 전압 Vtr은 200V 이므로, 입력전압 Vin, 즉 입력전압 400V의 절반을 가지게 됨을 확인할 수 있다. 또한, 변압기(30)의 2차측 전압 Vsec은 25 V가 되므로, 출력전압 Vo의 2배가 됨을 확인할 수 있다.
도 14는 PSIM 시뮬레이션 회로에서 제2스위칭부(40)에 포함된 각각의 스위치들의 전압 스트레스의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 14를 참조하면, 제2스위칭부(40)에 포함된 각각의 스위치들, S5 스위치(42), S6 스위치(44), S7 스위치(46) 및 S8 스위치(48)의 전압스트레스는 출력전압 Vo의 2배인 25V 임을 확인할 수 있다.
도 15는 PSIM 시뮬레이션 회로에서 출력인덕터의 전류 및 리플의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 15를 참조하면, 출력인덕터 Lo1(52), Lo2(54)에 흐르는 각 출력인덕터의 전류 iLo1, iLo2는 평균 90A로서, 출력 전류 Io의 값인 180A의 절반이 됨을 확인할 수 있다. 또한, 두 출력인덕터 Lo1(52), Lo2(54) 사이의 전류 리플은 180도 위상 차이를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 즉, 기존의 위상천이 풀브릿지 변환기(PSFB) 회로보다 개선된 출력 전류 리플 특성을 획득할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)에서 다중 부하 조건을 가정하여 스텝 부하 동작을 확인하기 위한 시뮬레이션 회로이다. 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)에서 다중 부하 조건을 가정하여 획득된 스텝 부하 동작의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 16을 참조하면, 도 16의 회로도는 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기(100)의 출력부를 2개로 분리시킨 후 부하변동에 대한 출력응답 특성을 확인하기 위한 시뮬레이션 회로를 나타낸다.
도 17을 참조하면, 시뮬레이션 결과에서 보여지듯이, 하나의 출력에서 부하가 변동될 때, 변동되지 않는 출력 측의 전압을 추정하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 출력부를 2개로 분리하더라도 하나의 출력 제어만으로 2개의 출력전압을 안정적으로 제어할 수 있음을 의미한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 입력전원 12: 캐패시터 C1
14: 캐패시터 C2 16: 누설인덕턴스 Llk
18: 캐패시터 Clink 20: 제1스위칭부
22: S1 스위치 24: S2 스위치
26: S3 스위치 28: S4 스위치
30: 변압기 40: 제2스위칭부
42: S5 스위치 44: S6 스위치
46: S7 스위치 48: S8 스위치
50: 2개의 출력인덕터들 52: 출력인덕터 Lo1
54: 출력인덕터 Lo2 60: 출력부
100: 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기

Claims (6)

  1. 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기에 있어서,
    입력전원에 직렬로 연결되어 스위칭 신호에 따른 턴온, 턴오프 동작을 통해 상기 입력전원으로부터 인가되는 입력전압(Vin)을 스위칭하는 제1스위칭부;
    상기 제1스위칭부에 의해 스위칭되어 제1차측 권선으로 인가된 상기 입력전압을 변압하는 변압기;
    상기 변압기의 제2차측 권선과 직렬로 연결되어 출력전압(Vo)을 제어하기 위해 스위칭하는 제2스위칭부; 및
    상기 제2스위칭부와 출력부 사이에 병렬로 연결된 2개의 출력인덕터들을 포함하고,
    상기 제1스위칭부는 3레벨 하프 브릿지(half bridge) 회로를 포함하며,
    상기 제2스위칭부는 풀 브릿지(full bridge) 회로를 포함하고,
    상기 변압기의 제2차측 전압(Vsec)은 상기 출력전압(Vo)의 2배인 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부는 출력전압을 제어하기 위해서 위상천이(Phase-shift) 방식을 이용하여 스위칭 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부는 각각 4개의 스위치들을 포함하고,
    상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부 각각은,
    상기 4개의 스위치들 중 2개의 스위치들을 포함하는 제1그룹 스위치를 동시에 턴온 및 턴오프시키고, 상기 2개의 스위치들을 제외한 나머지 2개의 스위치들을 포함하는 제2그룹 스위치를 동시에 턴온 및 턴오프시키며, 상기 제1그룹 스위치와 상기 제2그룹 스위치를 상보적으로 동작시키는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 변압기의 제1차측 전압(Vtr)은 상기 입력전압(Vin)의 절반인 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 2개의 출력인덕터들 사이에서는 180도 위상차가 적용되어 출력 전류 리플이 최소화되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부에 포함되는 스위치들은 MOSFET인 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 고강압 직류/직류 전력변환기.
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