KR101832841B1 - 통합형 모터 구동회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 차량(Electric Veicle)용 통합형 모터 구동회로에 관한 것으로, 상용전원에 의한 충전, 충전 전원을 이용한 주행 및 회생 제동시의 충전 회로를 일체로 제공하는 통합형 모터 구동회로에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 이상과 같이 여러 회로를 하나의 전력단으로 통합시 전력 소자를 공유하여 소자 수를 줄임으로써 구동회로의 제조비용을 낮춤은 물론 크기 역시 줄여서 휴대성을 좋게 하는 통합형 모터 구동회로에 관한 것이다.

Description

통합형 모터 구동회로{Intergrated type motor driving circuit}
본 발명은 전기 차량(Electric Veicle)용 통합형 모터 구동회로에 관한 것으로, 상용전원에 의한 충전, 충전 전원을 이용한 주행 및 회생 제동시의 충전 회로를 일체로 제공하는 통합형 모터 구동회로에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 이상과 같이 여러 회로를 하나의 전력단으로 통합시 전력 소자를 공유하여 소자 수를 줄임으로써 구동회로의 제조비용을 낮춤은 물론 크기 역시 줄임으로써 휴대성을 증가시킬 수 있는 통합형 모터 구동회로에 관한 것이다.
최근 전세계적으로 환경문제가 심각해지면서 이산화탄소 배출량 증가의 주요 원인인 기존 자동차를 대체할 수 있는 전기 자전거, 하이브리드 자동차 및 전기 자동차 등과 같은 EV(Electric vehicle) 교통수단의 보급이 점차 증가하고 있다.
이러한 EV는 배터리를 이용해 모터를 구동시킬 수 있도록 배터리 충전 회로, 모터 구동용 인버터, 주행시 배터리 전원의 승압을 위한 컨버터 등 여러 전력 변환 회로가 채용된다.
도 1은 배터리(BAT)를 전력 공급원으로 하여 모터(M)를 구동하기 위한 배터리 기반 모터 구동회로의 블록도를 나타낸다. 도시된 바와 일 예로 EV용 전력 변환 회로는 충전기(10), 인버터(20) 및 DC-DC 컨버터(30)를 포함한다.
이때, 충전기(10)는 상용전원(AC)을 입력으로 하여 배터리(BAT)를 충전하는 회로이며 EMI(Electro Magnetic Interference) 및 전기적 절연 등 각종 안전 규격을 만족해야 한다.
이러한 충전기(10)는 전기 자전거 등 소형 차량의 경우 충전시에는 충전기(10)를 배터리(BAT)에 연결하고, 주행시에는 충전기(10)를 분리하는 외장형 아답터 방식으로 구성된다. 반면, Plug-in EV 등의 경우에는 충전기(10)가 차량 내부에 탑재된다.
또한, 도 2와 같이 충전기(10)는 통상 EMI 필터(11), 다이오드 정류기(12) 및 절연형 컨버터(13) 등으로 구성되며, 도 2에서는 절연형 컨버터(13)로써 플라이백 컨버터(13)를 사용한 충전기 전력단을 일 예로 들었다.
다음, 인버터(20)는 모터(M) 구동을 위한 전력용 반도체로 이루어진 전력 변환 회로에 해당하는 것으로, 제어 대상인 모터(M)의 종류에 따라 서로 다른 타입의 인버터(20)가 사용된다.
예컨대, 도 3의 (a)와 같이 BLDC, PMSM 및 인덕션 모터와 같은 교류 전동기는 Six-switch 인버터(20)가 사용되고, 도 3의 (b)와 같이 dc 모터(M) 등 직류 전동기는 H-bridge 인버터(20)가 사용된다.
다음, DC-DC 컨버터(30)는 배터리(BAT)와 인버터(20) 입력간의 전력 변환을 수행하는 회로로, 주행시에는 낮은 배터리(BAT)의 전압(전기 자전거의 경우 통상 12Vdc)을 고전압(전기 자전거의 경우 통상 36Vdc)으로 승압한다.
또한, 회생 제동 시에는 인버터(20) 입력 전압으로 배터리(BAT)를 충전해야 하므로 양방향 전력 변환 회로 방식을 요구한다. 도 4와 같이 DC-DC 컨버터(30)는 배터리(BAT)에 연결된 충방전용 인덕터(L)를 2개의 스위칭 소자(Q2, Q3)로 제어하는 부스트 컨버터 방식의 전력단을 사용한다.
다만, 전기 자전거의 경우에는 보통 DC-DC 컨버터(30)를 사용하지 않고, 배터리(BAT)를 인버터(20)의 입력으로 바로 사용(Vbattery=Vlink)하기 때문에 회로적으로 간단해 지지만 배터리(BAT) 전압이 높아져서 배터리(BAT)의 신뢰성 및 크기가 문제되기도 한다.
한편, 도 5에는 이상과 같은 여러 전력단들이 결합된 회로가 도시되어 있다. 이러한 전력단 회로는 전력용 반도체, 인덕터, 변압기 및 캐패시터 등으로 이루어지며 수십와트 이상의 고전력을 처리한다.
따라서, 종래에는 각 구성 소자들 개개의 가격이 높고 크기가 큰 문제가 있고, 특히 코일로 이루어진 인덕터의 크기가 커서 전기 자전거나 소형 EV 차량 등에 탑재하기 어려운 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제2008-0034721호 '모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 장치 및 방법' 대한민국 등록특허 제1191738호 '전력 변환 장치' 대한민국 등록특허 제1387717호 '전기 자동차의 배터리 충전 장치'
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상용전원에 의한 충전, 충전 전원을 이용한 주행 및 회생 제동시의 충전 회로를 일체로 제공하는 전기 차량(EV)용 통합형 모터 구동회로를 제공하고자 한다.
특히, 본 발명은 이상과 같이 여러 회로를 하나의 전력단으로 통합시 전력 소자를 공유하여 소자 수를 줄임으로써 구동회로의 제조비용을 낮춤은 물론 크기 역시 줄여 휴대성을 좋게 하는 통합형 모터 구동회로를 제공하고자 한다.
이를 위해 본 발명에 따른 통합형 모터 구동회로는 변압기를 이용한 절연형 플라이백 컨버터 및 상기 변압기의 1차측 또는 2차측 중 어느 하나를 입력으로 사용하는 양방향 컨버터 회로가 결합된 구조의 절연형 양방향 플라이백 컨버터와; 입력측은 탈부착 가능한 터미널을 통해 상용전원에 연결되고, 출력측은 상기 변압기의 1차측에 연결되며, 충전시 상기 상용전원을 정류하여 공급하는 정전원 공급기와; (+) 단자는 상기 변압기의 2차측에 연결되고 (-) 단자는 접지됨에 따라 상기 절연형 양방향 플라이백 컨버터에 의해 DC-DC 강압된 충전 전원에 의해 충전이 이루어지는 배터리; 및 상기 변압기의 2차측 코일을 컨버터의 충방전용 인덕터로 공통 사용하며, 주행시 상기 배터리에서 공급된 전원을 승압하여 모터 구동을 제어하는 인버터로 공급하는 부스트 컨버터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 부스트 컨버터는 회생 제동시 상기 모터에서 발전된 전력이 상기 인버터를 거쳐 상기 배터리에 충전시키도록 강압시키는 벅 컨버터 기능을 제공하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 절연형 양방향 플라이백 컨버터는 상기 정전원 공급기에 연결된 1차측 권선 및 상기 배터리에 연결된 2차측 권선을 포함하는 상기 변압기와; 상기 변압기의 1차측 권선의 접지측에 연결된 제1 스위치와; 상기 제1 스위치에 병렬 연결되되, 애노드가 접지측을 향하도록 설치된 제1 다이오드와; 상기 변압기의 2차측 권선의 접지측에 연결된 제2 스위치; 및 상기 제2 스위치에 병렬 연결되되, 애노드가 접지측을 향하도록 설치된 제2 다이오드;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 부스트 컨버터는 상기 절연형 양방향 플라이백 컨버터에 포함된 상기 변압기의 2차측 권선으로 이루어진 충방전용 인덕터와; 상기 절연형 양방향 플라이백 컨버터에 포함된 상기 제2 스위치와; 상기 절연형 양방향 플라이백 컨버터에 포함된 상기 제2 다이오드와; 일단은 상기 변압기의 2차측 권선과 제2 다이오드의 캐소드 사이에 연결되고, 타단은 상기 인버터 측에 연결된 제3 스위치; 및 상기 제3 스위치에 병렬 연결되되, 캐소드가 상기 인버터 측에 연결된 제3 다이오드;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 충전, 주행 또는 회생 제동의 경우에 따라 스위칭 제어를 하는 제어기를 더 포함하되, 상기 제어기는 충전시에는 상기 제1 스위치를 설정된 주기로 온 또는 오프(ON/OFF)시킴과 동시에 상기 제2 스위치는 오프(OFF)시키고, 상기 주행시에는 상기 제2 스위치를 설정된 주기로 온 또는 오프(ON/OFF)시킴과 동시에 상기 제3 스위치를 오프(OFF)시키며, 상기 회생 제동시에는 상기 제3 스위치를 설정된 주기로 온 또는 오프(ON/OFF) 시킴과 동시에 상기 제2 스위치를 오프(OFF)시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어기는 상기 충전이 동기 정류 방식으로 이루어지는 경우 상기 충전시 상기 제2 스위치를 설정된 주기로 온 또는 오프(ON/OFF)시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 스위치 및 제1 다이오드는 제1 전력용 반도체 스위치 내에 일체로 구비되고, 상기 제2 스위치 및 제2 다이오드는 제2 전력용 반도체 스위치 내에 일체로 구비되며, 상기 제3 스위치 및 제3 다이오드는 제3 전력용 반도체 스위치 내에 일체로 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 인버터에 연결되는 상기 부스트 컨버터의 2차측에는 출력용 안정화부가 연결되어 있는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명은 상용전원에 의한 충전, 충전 전원을 이용한 주행 및 회생 제동시의 충전 회로를 일체로 제공하므로 탈부착 등 조립이 쉽고 휴대성도 용이해 진다.
또한, 본 발명은 여러 회로를 하나의 전력단으로 통합시 전력 소자를 공유하여 소자 수를 줄인다. 따라서, 구동회로의 제조비용을 낮춤은 물론 크기 역시 줄어 휴대가 더욱 편리해 진다.
도 1은 종래 기술에 따른 소형 EV용 모터 구동회로를 나타낸 것이다.
도 2는 상기 도 1에 포함된 플라이백 컨버터 방식 충전기 전력단을 나타낸 것이다.
도 3은 상기 도 1에 포함된 인버터 전력단을 나타낸 것이다.
도 4는 상기 도 1에 포함된 부스트 컨버터 방식의 DC-DC 컨버터 전력단을 나타낸 것이다.
도 5는 상기 도 2 내지 도 4를 도 1에 적용한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예(절연형 플라이백 컨버터 방식)에 따른 통합형 모터 구동회로를 나타낸 것이다.
도 7은 상기 도 6의 충전시 등가 회로를 나타낸 것이다.
도 8은 상기 도 6의 주행시 등가 회로를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예(절연형 플라이백 + 부스트 컨버터 혼합 방식)에 따른 통합형 모터 구동회로를 나타낸 것이다.
도 10은 상기 도 9의 충전시 등가 회로를 나타낸 것이다.
도 11은 상기 도 9의 주행시 등가 회로를 나타낸 것이다.
도 12는 상기 도 9의 회생 제동시 등가 회로를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 통합형 모터 구동회로에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 도 6과 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 통합형 모터 구동회로(100)는 절연형 양방향 플라이백 컨버터(110)와, 정전원 공급기(120), 출력용 안정화부(Clink), 배터리(BAT) 및 제어기(CT)를 포함한다.
이때, 상기한 절연형 양방향 플라이백 컨버터(110)에 포함된 변압기(TR)의 1차측과 정전원 공급기(120)의 출력단은 출력용 안정화부(Clink)에 의해 서로 공통 연결된다.
또한, 상용전원(AC)은 일 예로 AC 플러그와 같은 터미널(TE)을 통해 정전원 공급기(120)에 연결되고, 인버터(20)는 일 예로 스위치와 같은 터미널(TE)을 통해 출력용 안정화부(Clink)에 연결된다.
또한, 충전용 배터리(BAT)는 충방전이 가능한 모터(M)의 전력원으로써 절연형 양방향 플라이백 컨버터(110)의 변압기(TR) 2차측에 연결되고, 모터(M)는 인버터(20)에 의해 구동 제어된다.
이와 같은 본 발명은 정전원 공급기(120) 및 절연형 양방향 플라이백 컨버터(110)를 통합하여 충전시에는 상용전원(AC)으로 배터리(BAT)를 충전하고, 주행시에는 배터리(BAT)의 전압을 승압한 후 인버터(20)를 통해 모터(M)로 공급한다.
좀더 구체적으로, 절연형 양방향 플라이백 컨버터(110)는 변압기(TR)를 이용한 절연형 플라이백 컨버터 및 상기 변압기(TR)의 1차측 또는 2차측 중 어느 하나를 입력으로 사용하는 양방향 컨버터 회로가 결합된 것이다.
이를 위해 절연형 양방향 플라이백 컨버터(110)는 도 6에 일 예로 도시한 바와 같이 변압기(TR), 제1 전력용 반도체 스위치(TRS1) 및 제2 전력용 반도체 스위치(TRS2)를 포함한다.
변압기(TR)를 포함한 플라이백 컨버터(flyback converter)는 입력측과 출력측이 전기적으로 절연된다는 점에서 절연형 컨버터로 불리며, 보통 변압기(TR)의 1차측 권선과 2차측 권선은 도트(dot)의 방향이 서로 반대로 구성된다.
제1 전력용 반도체 스위치(TRS1) 및 제2 전력용 반도체 스위치(TRS2)는 양방향 컨버터를 구현하기 위한 것으로, 각각 변압기(TR)의 1차측 권선 및 2차측 권선 접지측에 연결된다.
제1 전력용 반도체 스위치(TRS1)로는 대표적으로 MOSFET 혹은 IGBT 등이 사용되고, 그 패키지에는 제1 스위치(S1) 및 제1 다이오드(D1)가 일체로 내장되어 있다. 유사하게 제2 전력용 반도체 스위치(TRS2)는 제2 스위치(S2) 및 제2 다이오드(D2)가 일체로 내장되어 있다.
다만, 제1 스위치(S1) 및 제1 다이오드(D1) 혹은 제2 스위치(S2) 및 제2 다이오드(D2)가 일체로 내장된 것이 아니라면, 별도의 제1 다이오드(D1)나 제2 다이오드(D2)를 각각 제1 스위치(S1)나 제2 스위치(S2)에 연결할 수도 있다.
정전원 공급기(120)는 교류의 상용전원(AC)을 입력받아 정류하고 정류된 직류 전원을 절연형 양방향 플라이백 컨버터(110)에 공급한다. 부수적으로 정전원 공급기(120)는 고주파 노이즈 및 리플 제거 등 정전원 공급을 위한 회로를 더 포함하기도 한다.
도 6에는 정전원 공급기(120)로써 EMI 필터(121) 및 풀 브릿지 다이오드 정류기(122)를 포함하는 것을 예로 들었으며, 외부의 상용전원(AC)은 EMI 필터(121)에 연결되고, 다이오드 정류기(122)는 절연형 양방향 플라이백 컨버터(110)에 연결된다.
따라서, 교류 상용전원(AC)은 정전원 공급기(120)에 의해 정류된 후 직류 전원으로 출력되고, 절연형 양방향 플라이백 컨버터(110)는 정전원 공급기(120)에서 출력된 직류 전원을 DC-DC 강압하여 배터리(BAT)를 충전시킨다.
출력용 안정화부(Clink)는 각각 정전원 공급기(120) 및 절연형 양방향 플라이백 컨버터(110)의 출력단으로 사용되는 것으로 대표적으로 안정화 커패시터(Clink)가 사용된다.
이를 위해 안정화 커패시터(Clink)는 절연형 양방향 플라이백 컨버터(110)에 포함된 변압기(TR) 1차측과 정전원 공급기(120)의 출력단에 공통으로 연결된다.
따라서, 충전시에는 정전원 공급기(120)의 정류된 피크 전원 '│Vac│pk'이 안정화 커패시터(Clink)를 통해 출력된다. 출력된 DC 전원은 절연형 양방향 플라이백 컨버터(110)를 통해 배터리(BAT)에 충전된다.
반면, 주행시에는 절연형 양방향 플라이백 컨버터(110)에서 승압된 주행 전원 'Vlink'가 안정화 커패시터(Clink)를 통해 출력된다. 출력된 주행 전원은 인버터(20)를 통해 모터(M)에 공급된다.
한편, 이상과 같이 구성된 본 발명의 제1 실시예에 따른 통합형 모터 구동회로의 충전시 등가회로가 도 7에 도시되어 있다.
도 7과 같이, 충전시에는 플러그와 같은 터미널(TE)을 통해 AC 상용전원(AC)이 연결되고, 그와 동시에 스위치와 같은 터미널(TE)의 오프(OFF) 동작에 의해 모터(M) 및 인버터(20)는 분리된다.
그에 따라 공급된 상용전원(AC)은 EMI 필터(121)에 의해 노이즈가 제거되고, 다이오드 정류기(122)에 의해 정류된 정전원이 공급된다. 분리된 인버터(20) 및 모터(M) 등에는 전원이 공급되지 않는다.
이와 같이 정류된 피크 전원 '│Vac│pk'는 출력용 안정화부(Clink)의 양단에 걸리며, 그에 따라 '│Vac│pk'는 절연형 양방향 플라이백 컨버터(110)를 구성하는 변압기(TR)의 1차측에 인가된다.
이때, 제어기(CT)에 의해 제1 전력용 반도체 스위치(TRS1)의 제1 스위치(S1)는 설정된 주기로 온/오프(ON/OFF)를 반복하고, 제2 전력용 반도체 스위치(TRS2)의 제2 스위치(S2)는 오프(OFF)되어 제2 다이오드(D2)만 연결된 상태가 된다.
따라서, 제1 스위치(S1)가 온(ON)시에는 도트(dot)가 반대 방향인 변압기(TR)의 2차측은 제2 다이오드(D2)에 역전압이 인가되어 전류가 흐르지 않고, 2차측이 개방(open)된 변압기(TR)의 1차측 권선은 자화인덕턴스(Lm)로 동작하면서 충전이 이루어진다.
그 후, 제1 스위치(S1)가 오프(OFF)시에는 변압기(TR)의 1차측 권선에서 발생한 역기전력에 의해 변압기(TR) 2차측의 제2 다이오드(D2)가 도통시키면서 전류가 흐르고, 배터리(BAT)에 충전이 이루어진다.
다음, 도 8과 같이 주행시에는 터미널(TE)을 통해 연결되어 있던 AC 상용전원(AC)은 분리되고, 정전원 공급기(120)는 동작이 중단되며, 터미널(TE)을 통해 모터(M) 및 인버터(20)가 연결된다.
이때, 제어기(CT)에 의해 제2 전력용 반도체 스위치(TRS2)의 제2 스위치(S2)는 설정된 주기로 온/오프(ON/OFF)를 반복하고, 제1 전력용 반도체 스위치(TRS1)의 제1 스위치(S1)는 오프(OFF)되어 제1 다이오드(D1)만 연결된 상태가 된다.
그에 따라 배터리(BAT)에 충전되어 있던 전원은 위에서 설명한 충전시와 반대로 변압기(TR)의 2차측에서 1차측으로 역기전력이 전달되고, 출력용 안정화부(Clink)의 양단에는 승압된 전압 'Vlink'가 인가된다.
따라서, 출력용 안정화부(Clink)에 연결된 인버터(20)에 주행시 필요한 승압된 전압 'Vlink'이 인가되고, 그와 함께 인버터(20)의 제어하에 모터(M)의 구동이 이루어진다.
이상과 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 통합형 모터 구동회로는 출력용 안정화부(Clink)를 정전원 공급기(120) 및 DC-DC 컨버터인 절연형 플라이백 컨버터(110)에 공통으로 연결한다.
또한, 절연형 플라이백 컨버터(110)를 양방향 컨버터 기능을 갖는 절연형 양방향 플라이백 컨버터(110)로 설계 구현하고, 출력용 안정화부(Clink)에 인버터(20) 및 모터(M)를 연결시킨다.
따라서, 이상과 같은 본 발명은 충전 전력단 및 주행 전력단이 하나의 전력단으로 통합 구현됨에 따라 하나의 전력단 회로를 이용하여 충전 및 주행 모두 가능하게 한다.
또한, 도 5의 종래기술에서는 충전 및 주행시의 분리 노드인 터미널(TE)이 각각 배터리(BAT) 전후에 위치함에 비해, 본 발명은 터미널(TE)이 각각 AC 라인 및 인버터(20) 전단에 있기 때문에 통합된 회로 전체를 배터리(BAT) 팩에 탑재할 수 있다. 따라서, 본 발명은 회로가 탑재된 배터리(BAT) 팩 하나만 다루면 되므로 휴대성 및 조립성이 향상된다.
아울러, 본 발명은 종래에 비해 전력 변환에 필요한 소자 수 역시 저감시키게 된다. 즉, 도 5의 종래기술에서는 플라이백 컨버터(13)의 변압기(TR) 이외에도 부스트 컨버터(30)를 구현하기 위한 충방전용 인덕터(L)를 더 포함함에 비해, 본 발명은 충방전용 인덕터(L)가 제거된다.
또한, 도 5의 종래기술에서는 최소한 3개의 전력용 반도체 스위치(Q1, Q2, Q3)가 필요함에 비해, 본 발명은 제1 및 제2 전력용 반도체 스위치(TRS1, TRS2) 2개가 필요하므로 스위치의 개수 역시 줄일 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 통합형 모터 구동회로에 대해 상세히 설명한다.
도 6을 참조하여 설명한 본 발명의 제1 실시예는 하나의 전력단 회로를 이용하여 충전 및 주행 모두 가능하게 하고, 통합된 회로 전체를 배터리(BAT) 팩에 탑재할 수 있어서 휴대성 등이 향상되며, 전력 변환용 소자 수 역시 저감시킨다.
그러나, 본 발명의 제1 실시예는 주행시 절연형 플라이백 컨버터를 사용하는데 절연형 플라이백 컨버터(flyback converter)는 이미 알려진 바와 같이 부스트 컨버터(boost converter)에 비해 전력 변환 효율이 낮다는 단점이 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예는 출력용 안정화부(Clink)가 변압기(TR) 1차측에 구비되어 있어서 충전시 '│Vac│pk'라는 피크 전압(예: 320V)이 인가되는 등 고전압이 인가된다. 따라서, 안정화 커패시터(Clink)가 커지고 원가가 상승하는 단점 역시 있다.
이에, 도 9와 같이 본 발명의 제2 실시예에 따른 통합형 모터 구동회로(200)는 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210), 정전원 공급기(220), 배터리(BAT), 부스트 컨버터(230), 출력용 안정화부(Clink) 및 제어기(CT)를 포함한다.
이때, 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210)는 변압기(TR)를 이용한 절연형 플라이백 컨버터 및 변압기(TR)의 1차측 또는 2차측 중 어느 하나를 입력으로 사용하는 양방향 컨버터 회로가 결합된 구조로 이루어진다.
또한, 정전원 공급기(220)의 입력측은 탈부착 가능한 터미널(TE)을 통해 상용전원(AC)에 연결되고, 출력측은 변압기(TR)의 1차측에 연결되며, 충전시 상용전원(AC)을 정류하여 공급한다.
또한, 충전용 배터리(BAT)의 (+) 단자는 변압기(TR)의 2차측에 연결되고 (-) 단자는 접지됨에 따라 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210)에 의해 DC-DC 강압된 충전 전원에 의해 충전된다.
또한, 부스트 컨버터(230)는 변압기(TR)의 2차측 코일을 컨버터의 충방전용 인덕터(도 5의 L 참조)로 공통 사용하며, 주행시 배터리(BAT)에서 공급된 전원을 승압하여 모터(M) 구동을 제어하는 인버터(20)로 공급한다.
이때, 주행시 출력으로 사용되는 부스트 컨버터(230)의 2차측과 인버터(20)의 입력측 사이에는 출력용 안정화부(Clink)가 연결되고, 출력용 안정화부(Clink)와 인버터(20) 사이에는 터미널(TE)이 구비된다.
이상과 같이 설계 구현된 본 발명은 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210), 정전원 공급기(220) 및 부스트 컨버터(230)가 하나의 전력단 내에 통합되어 충전 및 주행이 이루어지게 한다.
즉, 충전시에는 상용전원(AC)을 연결하여 정전원 공급기(220) 및 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210)에 의해 배터리(BAT)를 충전하고, 주행시에는 부스트 컨버터(230)에 의해 배터리(BAT) 전원을 승압하고 인버터(20)를 통해 모터(M)로 공급한다.
나아가, 부스트 컨버터(230)는 주행시와 다르게 회생 제동시에는 모터(M)에서 발전된 전력을 강압시키는 벅 컨버터(buck converter) 기능을 제공하도록 동작하므로, 강압된 전원을 인버터(20)를 거쳐 배터리(BAT)에 충전시키게 한다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 충전 및 주행을 가능하게 함은 물론 회생 제동시에는 발전 전력으로 배터리(BAT)를 충전하도록 구성됨으로써, 충전, 주행 및 회생 제동을 모두 가능하게 한다.
좀더 구체적으로, 도 9와 같이 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210)는 일 실시예로써 변압기(TR), 제1 스위치(S1), 제1 다이오드(D1), 제2 스위치(S2) 및 제2 다이오드(D2)를 포함한다.
이때, 변압기(TR)는 1차측 권선 및 2차측 권선을 포함하며, 1차측 권선은 정전원 공급기(220)의 출력측에 연결되고, 상기 1차측 권선과 상호간 전자기 유도되는 2차측 권선은 배터리(BAT)의 충전 단자에 연결된다.
이와 같은 변압기(TR)를 포함한 플라이백 컨버터는 입력측과 출력측이 전기적으로 절연되는 점에서 '절연형 컨버터'로 불리며, 보통 변압기(TR)의 1차측 권선과 2차측 권선은 도트(dot)의 방향이 서로 반대가 되도록 구성된다.
또한, 제1 스위치(S1)는 변압기(TR)의 1차측 권선의 접지측에 연결되고, 제1 다이오드(D1)는 제1 스위치(S1)에 병렬 연결되되, 애노드(anode)가 접지측을 향하도록 설치된다.
또한, 제2 스위치(S2)는 변압기(TR)의 2차측 권선의 접지측에 연결되고, 제2 다이오드(D2)는 제2 스위치(S2)에 병렬 연결되되, 애노드가 접지측을 향하도록 설치된다.
제1 스위치(S1) 및 제1 다이오드(D1)는 대표적으로 MOSFET 혹은 IGBT 등과 같은 제1 전력용 반도체 스위치(TRS1) 패키지에 일체로 구현되고, 유사하게 제2 스위치(S2) 및 제2 다이오드(D2)는 제2 전력용 반도체 스위치(TRS2)에 일체로 구현된다.
이러한 제1 전력용 반도체 스위치(TRS1) 및 제2 전력용 반도체 스위치(TRS2)는 '양방향 컨버터'를 구현하기 위한 것으로, 입력측으로 사용되는 스위칭 소자는 온/오프를 반복하고, 출력측으로 사용되는 스위칭 소자는 오프 상태를 유지한다.
다만, 제1 스위치(S1) 및 제1 다이오드(D1) 혹은 제2 스위치(S2) 및 제2 다이오드(D2)가 반도체 패키지에 일체로 내장된 것이 아니라면, 별도의 제1 다이오드(D1)나 제2 다이오드(D2)를 각각 제1 스위치(S1)나 제2 스위치(S2)의 외부에 연결할 수도 있다.
정전원 공급기(220)는 교류의 상용전원(AC)을 입력받아 정류하고 정류된 직류 전원을 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210)에 공급하며, 부수적으로 고주파 노이즈 및 리플 제거 등 정전원 공급을 위한 부수적인 회로를 더 포함하기도 한다.
도 9에는 정전원 공급기(220)로써 EMI 필터(221) 및 풀 브릿지 다이오드 정류기(222)를 포함하는 것을 예로 들었으며, 외부의 상용전원은 EMI 필터(221)에 연결되고, 다이오드 정류기(222)는 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210)에 연결된다.
따라서, 도 6과 마찬가지로 교류 상용전원(AC)이 정전원 공급기(220)에 의해 정류된 후 직류 전원으로 출력되고, 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210)는 정전원 공급기(220)에서 출력된 직류 전원을 DC-DC 강압하여 배터리(BAT)를 충전시킨다.
부스트 컨버터(230)는 주행시에는 배터리(BAT)에 충전된 전원을 승압하여 모터(M)로 공급하고, 회생 제동시에는 발전 전원을 강압하여 배터리(BAT)에 충전하기 위한 '양방향 DC-DC 컨버터'로 동작한다.
이를 위해 부스트 컨버터(230)는 충방전용 인덕터(변압기 2차측 권선)와, 제2 스위치(S2)와, 제2 다이오드(D2)와, 제3 스위치(S3) 및 제3 다이오드(D3)를 포함하여 구성된다.
이때, 충방전용 인덕터는 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210)에 포함된 변압기(TR)의 2차측 권선으로 이루어진다. 즉, 본 발명은 변압기(TR)의 2차측 권선 자체를 충방전용 인덕터로 사용하므로 별도의 인덕터(도 5의 'L' 참조)를 사용하기 않는다.
부스트 컨버터(230)가 동작하는 주행 및 회생 제동시에는 제1 스위치(S1)가 오프(OFF)되어 변압기(TR) 2차측 권선은 1차측이 개방(open)된 자화인덕턴스(Lm)로 기능한다. 따라서, 변압기(TR) 2차측 권선을 충방전용 인덕터로 전용할 수 있다.
또한, 부스트 컨버터(230)의 제2 스위치(S2) 및 제2 다이오드(D2) 역시 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210)에서 사용되는 것을 공유하며, 이를 통해 본 발명은 인덕터는 물론 스위칭 소자의 수 역시 줄인다.
제3 스위치(S3)는 일단은 변압기(TR)의 2차측 권선과 제2 다이오드(D2)의 캐소드(cathode) 사이에 연결되고, 타단은 인버터(20)에 연결된다. 제3 다이오드(D3)는 제3 스위치(S3)에 병렬 연결되되, 캐소드가 인버터(20)에 연결된다.
제3 스위치(S3) 및 제3 다이오드(D3) 역시 바람지하게는 MOSFET 혹은 IGBT 등과 같은 제3 전력용 반도체 스위치(TRS3) 내에 일체로 구현되지만, 그렇지 않은 경우에는 각각 별도의 반도체 칩으로 구현될 수 있다.
출력용 안정화부(Clink)는 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210) 및 부스트 컨버터(230)를 포함한 전력 변환 회로의 출력단으로 사용되는 것으로, 대표적으로 안정화 커패시터(Clink)가 사용된다.
이러한 출력용 안정화부(Clink)는 도 6에서 설명한 본 발명의 제1 실시예와 다르게 충전시에는 동작하지 않고, 주행시 및 회생 제동시에만 동작하며 각각의 경우에 'Vlink'가 걸린다.
즉, 주행시에는 배터리(BAT)의 충전 전원이 부스트 컨버터(230)의 1차측에 인가되어 승압되고, 승압된 전압 'Vlink'는 안정화 커패시터(Clink)에 걸리며, 이 전원이 인버터(20)를 통해 모터(M)로 공급된다.
반면, 회생 제동시에는 모터(M)에서 발전된 발전 전압 'Vlink'가 안정화 커패시터(Clink)에 걸리고, 이 전원은 부스트 컨버터(230)의 2차측에 인가되어 강압된 후 배터리(BAT)를 충전시킨다.
제어기(CT)는 충전, 주행 또는 회생 제동의 경우에 따라 스위칭 제어를 하는 것으로, PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호로 트랜지스터 반도체 스위치 소자의 게이트단을 트리거(trigger)시킨다.
이러한 제어기(CT)는 충전시에는 제1 스위치(S1)를 설정된 주기로 온 또는 오프(ON/OFF)시킴과 동시에 제2 스위치(S2)는 오프(OFF)시킨다.
다만, 충전이 동기 정류 방식으로 이루어지는 경우 충전시 제2 스위치(S2)를 설정된 주기로 온 또는 오프(ON/OFF)시킬 수도 있다.
또한, 주행시에는 제2 스위치(S2)를 설정된 주기로 온 또는 오프(ON/OFF)시킴과 동시에 제3 스위치(S3)를 오프(OFF)시킨다.
또한, 회생 제동시에는 제3 스위치(S3)를 설정된 주기로 온 또는 오프(ON/OFF) 시킴과 동시에 제2 스위치(S2)를 오프(OFF)시킨다.
한편, 이상과 같이 구성된 본 발명의 제2 실시예에 따른 통합형 모터 구동회로의 충전시 등가회로가 도 10에 도시되어 있다.
도 10과 같이, 충전시에는 일 예로 플러그 등과 같은 터미널(TE)을 통해 상용전원(AC)이 연결되고, 그와 동시에 일 예로 스위치 등과 같은 터미널(TE)의 오프(OFF) 동작에 의해 모터(M) 및 인버터(20)가 분리된다.
그에 따라 공급된 상용전원(AC)은 EMI 필터(221)에 의해 노이즈가 제거되고, 다이오드 정류기(222)에 의해 정류된 정전원이 공급되며, 분리된 인버터(20) 및 모터(M) 등에는 전원이 공급되지 않는다.
이와 같이 정류된 피크 전원은 일 예로 커패시터(Ci)의 양단에 인가되어 충전되고, 커패시터(Ci)에 걸린 전압은 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210)의 변압기(TR) 1차측에 인가된다.
이때, 제어기(CT)에 의해 제1 전력용 반도체 스위치(TRS1)의 제1 스위치(S1)는 설정된 주기로 온/오프(ON/OFF) 반복되고, 제2 전력용 반도체 스위치(TRS2)의 제2 스위치(S2)는 오프(OFF)되어 제2 다이오드(D2)만 연결된 상태가 된다.
따라서, 제1 스위치(S1)가 온(ON)시에는 도트(dot)가 반대 방향인 변압기(TR) 2차측은 제2 다이오드(D2)에 역전압이 인가되어 전류가 흐르지 않고, 2차측이 개방(open)된 변압기(TR) 1차측 권선은 자화인덕턴스(Lm)로 작용하면서 충전된다.
그 후, 제1 스위치(S1)가 오프(OFF)시에는 변압기(TR) 1차측 권선의 역기전력에 의해 변압기(TR) 2차측의 제2 다이오드(D2)가 도통시키면서 전류가 흐르고, 배터리(BAT)에 충전이 이루어진다.
위와 같은 충전 동작 중 제어기(CT)는 제3 스위치(S3) 소자를 오프(OFF)시킴으로써 제3 스위치(S3)-안정화 커패시터(Clink)-접지(ground)로 이어지는 회로는 동작하지 않는다. 다만, 동작하더라도 안정화 커패시터(Clink)에 충전이 이루어지는 것 뿐이므로 충전 동작에는 큰 영향이 없다.
다음, 도 11과 같이 주행시에는 상용전원(AC)은 분리되고, 정전원 공급기(220)는 동작이 중단되어 제1 전력용 반도체 스위치(TRS1)가 개방(open) 상태가 되며, 터미널(TE)에 모터(M) 및 인버터(20)가 연결된다.
이때, 제어기(CT)에 의해 제2 전력용 반도체 스위치(TRS2)의 제2 스위치(S2)는 설정된 주기로 온/오프(ON/OFF) 반복되고, 제3 전력용 반도체 스위치(TRS3)의 제3 스위치(S3)는 오프(OFF)되어 제3 다이오드(D3)만 연결된 상태가 된다.
또한, 배터리(BAT)에 연결된 변압기(TR) 2차측 권선이 충방전용 인덕터(도 5의 'L' 참조)로 동작하게 되므로, 제2 스위치(S2)가 온(ON)시에 단락(short)되어 접지측으로 전류가 흐르고 충방전용 인덕터(즉, 변압기 2차측 권선)가 충전된다.
그 후, 제2 스위치(S2)가 오프(OFF)시에는 제2 다이오드(D2)는 역전압이 인가되어 동작하지 않고, 제3 다이오드(D3)를 통해 전류가 흐르면서 안정화 커패시터(Clink)가 충전되며, 인버터(20)를 통해 모터(M)에 전력이 공급된다.
이와 같은 과정을 통해 주행시에는 배터리(BAT)의 충전 전원이 인버터(20) 입력인 안정화 커패시터(Clink)까지 전력을 공급하고, 이 과정에서 부스트 컨버터(230) 방식으로 승압이 이루어진다.
다음, 도 12와 같이 회생 제동시에 상용전원(AC)은 분리되고, 정전원 공급기(220)는 동작이 중단되어 제1 전력용 반도체 스위치(TRS1)가 개방(open) 상태가 되며, 터미널(TE)에 모터(M) 및 인버터(20)가 연결된다.
이때, 제어기(CT)에 의해 제3 전력용 반도체 스위치(TRS3)의 제3 스위치(S3)는 설정된 주기로 온/오프(ON/OFF) 반복되고, 제2 전력용 반도체 스위치(TRS2)의 제2 스위치(S2)는 오프(OFF)되어 제2 다이오드(D2)만 연결된 상태가 된다.
또한, 배터리(BAT)에 연결된 변압기(TR) 2차측 권선이 충방전용 인덕터로 동작하므로, 제3 스위치(S3)가 온(ON) 시에는 충방전용 인덕터(L) 및 제3 스위치(S3)를 포함하는 폐루프로 전류가 흐른다.
그 후 제3 스위치(S3)가 오프(OFF)시에는 제2 다이오드(D2) 및 충방전용 인덕터(L)를 포함하는 폐루프로 전류가 흐르게 되면서, 벅 컨버터 방식의 강압 변환회로로 동작하게 되며 이 과정에서 회생 제동시의 발전 전원으로 배터리(BAT)를 충전하게 된다.
이상과 같이 본 발명의 제2 실시예에 따른 통합형 모터 구동회로는 절연형 플라이백 컨버터(210)로써 양방향 컨버터 기능을 갖는 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210)를 설계 구현한다.
또한, 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210)와 부스트 컨버터(230)를 통합시키도록 변압기(TR)의 2차측 권선을 부스트 컨버터(230)의 '충방전용 인덕터'로 사용하고, 제2 전력용 반도체 스위치(TRS2)를 공유하여 함께 사용한다.
따라서, 이상과 같은 본 발명은 충전 전력단, 주행 전력단 및 회생 제동 전력단이 하나의 전력단으로 통합 구현됨에 따라 하나의 전력단 회로를 이용하여 충전, 주행 및 회생 제동 모두 가능하게 한다.
또한, 본 발명은 충전, 주행 및 회생 제동시의 분리 노드인 터미널(TE)이 각각 AC 라인 및 인버터(20) 전단에 있기 때문에 배터리(BAT) 팩에 통합된 회로 전체를 탑재할 수 있다. 따라서, 회로가 탑재된 배터리(BAT) 팩 하나만 다루면 되므로 휴대성 및 조립성이 향상된다.
아울러, 도 5의 종래기술과 비교하여 부스트 컨버터(230)를 구현하기 위한 별도의 충방전용 인덕터(도 5의 L)를 제거하고, 제2 전력용 반도체 스위치(TRS2)를 공유하므로 다이오드나 스위치의 개수 역시 줄인다.
특히, 본 발명의 제2 실시예는 도 5의 종래기술에 비해 개선된 효과 이외에 도 6의 본 발명의 제1 실시예와 비교하여도 주행시 절연형 플라이백 컨버터(110) 대신 부스트 컨버터(230)를 사용하므로 전력 변환 효율을 높인다.
또한, 출력용 안정화부(Clink)가 변압기(TR) 2차측에 구비되어 있어서 충전시 '│Vac│pk'라는 고전압(예: 320V)이 걸리지 않는 등 상대적으로 저압용 커패시터를 사용하므로 커패시터(Clink)가 작아지고 원가 역시 저감되는 장점이 있다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
110, 210: 절연형 양방향 플라이백 컨버터
120, 220: 정전원 공급기
121, 221: EMI 필터
122, 222: 다이오드 정류기
230: 부스트 컨버터
20: 인버터
M: 모터
Clink: 출력용 안정화부(안정화 커패시터)
TR: 변압기
TRS: 전력용 반도체 스위치
S: 스위치
D: 다이오드
CT: 제어기

Claims (8)

  1. 변압기(TR)를 이용한 절연형 플라이백 컨버터 및 상기 변압기(TR)의 1차측 또는 2차측 중 어느 하나를 입력으로 사용하는 양방향 컨버터 회로가 결합된 구조의 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210)와;
    입력측은 탈부착 가능한 터미널(TE)을 통해 상용전원(AC)에 연결되고, 출력측은 상기 변압기(TR)의 1차측에 연결되며, 충전시 상기 상용전원(AC)을 정류하여 공급하는 정전원 공급기(220)와;
    (+) 단자는 상기 변압기(TR)의 2차측에 연결되고 (-) 단자는 접지됨에 따라 상기 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210)에 의해 DC-DC 강압된 충전 전원에 의해 충전이 이루어지는 배터리(BAT); 및
    인버터(20) 전단에 분리노드인 터미널(TE)에 의해 연결되며, 상기 변압기(TR)의 2차측 코일을 컨버터의 충방전용 인덕터로 공통 사용하며, 주행시 상기 배터리(BAT)에서 공급된 전원을 승압하여 모터(M) 구동을 제어하는 인버터(20)로 공급하는 부스트 컨버터(230);를 포함하고,
    상기 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210)는,
    상기 정전원 공급기(220)에 연결된 1차측 권선 및 상기 배터리(BAT)에 연결된 2차측 권선을 포함하는 상기 변압기(TR)와;
    상기 변압기(TR)의 1차측 권선의 접지측에 연결된 제1 스위치(S1)와;
    상기 제1 스위치(S1)에 병렬 연결되되, 애노드가 접지측을 향하도록 설치된 제1 다이오드(D1)와;
    상기 변압기(TR)의 2차측 권선의 접지측에 연결된 제2 스위치(S2); 및
    상기 제2 스위치(S2)에 병렬 연결되되, 애노드가 접지측을 향하도록 설치된 제2 다이오드(D2);를 포함하며,
    상기 부스트 컨버터(230)는,
    상기 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210)에 포함된 상기 변압기(TR)의 2차측 권선으로 이루어진 충방전용 인덕터와;
    상기 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210)에 포함된 상기 제2 스위치(S2)와;
    상기 절연형 양방향 플라이백 컨버터(210)에 포함된 상기 제2 다이오드(D2)와;
    일단은 상기 변압기(TR)의 2차측 권선과 제2 다이오드(D2)의 캐소드 사이에 연결되고, 타단은 상기 인버터(20) 측에 연결된 제3 스위치(S3); 및
    상기 제3 스위치(S3)에 병렬 연결되되, 캐소드가 상기 인버터(20) 측에 연결된 제3 다이오드(D3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 통합형 모터 구동회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터(230)는,
    회생 제동시 상기 모터(M)에서 발전된 전력이 상기 인버터(20)를 거쳐 상기 배터리(BAT)에 충전시키도록 강압시키는 벅 컨버터 기능을 제공하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 통합형 모터 구동회로.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    충전, 주행 또는 회생 제동의 경우에 따라 스위칭 제어를 하는 제어기(CT)를 더 포함하되,
    상기 제어기(CT)는,
    충전시에는 상기 제1 스위치(S1)를 설정된 주기로 온 또는 오프(ON/OFF)시킴과 동시에 상기 제2 스위치(S2)는 오프(OFF)시키고,
    상기 주행시에는 상기 제2 스위치(S2)를 설정된 주기로 온 또는 오프(ON/OFF)시킴과 동시에 상기 제3 스위치(S3)를 오프(OFF)시키며,
    상기 회생 제동시에는 상기 제3 스위치(S3)를 설정된 주기로 온 또는 오프(ON/OFF) 시킴과 동시에 상기 제2 스위치(S2)를 오프(OFF)시키는 것을 특징으로 하는 통합형 모터 구동회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어기(CT)는 상기 충전이 동기 정류 방식으로 이루어지는 경우 상기 충전시 상기 제2 스위치(S2)를 설정된 주기로 온 또는 오프(ON/OFF)시키는 것을 특징으로 하는 통합형 모터 구동회로.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 스위치(S1) 및 제1 다이오드(D1)는 제1 전력용 반도체 스위치(TRS1) 내에 일체로 구비되고,
    상기 제2 스위치(S2) 및 제2 다이오드(D2)는 제2 전력용 반도체 스위치(TRS2) 내에 일체로 구비되며,
    상기 제3 스위치(S3) 및 제3 다이오드(D3)는 제3 전력용 반도체 스위치(TRS3) 내에 일체로 구비되는 것을 특징으로 하는 통합형 모터 구동회로.
  8. 제1항, 제2항, 제5항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 인버터(20)에 연결되는 상기 부스트 컨버터(230)의 2차측에는 출력용 안정화부(Clink)가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 통합형 모터 구동회로.
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