KR102380513B1 - 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 배터리의 충전 시스템 - Google Patents

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Abstract

다양한 실시예에 따른 전력 변환 장치 및 배터리의 충전 시스템을 개시한다. 교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력하고, 역률을 보상하는 PFC 컨버터, 상기 PFC 컨버터로부터 직류 전압을 공급받는 DC 링크, 상기 DC 링크로부터 공급 받은 직류 전압을 교류 전압으로 변환하고, 다시 직류 전압으로 변환시키는 DC-DC 컨버터, 및 상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 제어하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압 및 출력 전류를 조정하는 제어부를 포함하고, 상기 PFC 컨버터 및 DC-DC 컨버터는 3레벨 컨버터를 포함하는 전력 변환 장치 및 상기 전력 변환 장치를 포함하는 배터리의 충전 시스템을 개시한다

Description

전력 변환 장치 및 이를 포함하는 배터리의 충전 시스템{power conversion device and charging system of battery including the same}
본 발명은 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 배터리의 충전 시스템에 관한 것이다.
오늘날 사용되는 각종 전자 기기의 내부를 구성하는 각 부품들은 대부분 직류 전압을 요구하기는 하나 그 요구 값이 각각 차이가 나기 때문에, 이들 부품에 공급되는 전압의 레벨을 적절히 변환하는 것은 매우 중요하다. 이에 따라 입력된 일정 전압을 승압 또는 강압시켜 원하는 전압으로 출력시키기 위한 컨버터가 널리 사용되고 있다. 특히, 입력된 직류 전원을 다른 레벨의 직류 전원으로 변환하는 직류-직류 컨버터에는 최근 전력용 반도체 소자의 스위칭 동작을 이용하여 전력의 흐름을 제어하는 방식이 널리 사용됨으로써, 고효율 및 고전력 밀도를 갖는 전력 변환 장치의 구현을 가능하게 하였다.
전력 변환 장치는 일반적으로 PFC 컨버터 및 DC-DC 컨버터를 포함한다. DC-DC 컨버터는 부하량의 변동에 따라 스위칭 주파수 및 듀티비가 조정된다. 부하량의 변동으로 DC-DC 컨버터가 소정의 스위칭 주파수를 벗어나게 되면, DC-DC 컨버터에 포함된 스위칭 소자가 턴 온/턴 오프될 때에 스위칭 손실이 발생한다. 이러한 스위칭 손실로 DC-DC 컨버터의 효율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 PFC 컨버터를 피드백 제어하고 DC-DC 컨버터를 고정된 듀티비 및 고정된 스위칭 주파수로 오픈 루프(Open loop)로 구동시킴으로써 DC-DC 컨버터가 부하에 관계없이 항상 최적 상태로 동작 되도록 함으로써 고효율 및 고성능을 획득할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 충전 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 변환 장치는 교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력하고, 역률을 보상하는 PFC 컨버터, 상기 PFC 컨버터로부터 직류 전압을 공급받는 DC 링크, 상기 DC 링크로부터 공급 받은 직류 전압을 교류 전압으로 변환하고, 다시 직류 전압으로 변환시키는 DC-DC 컨버터, 및 상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 제어하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압 및 출력 전류를 조정하는 제어부를 포함하고, 상기 PFC 컨버터 및 DC-DC 컨버터는 3레벨 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전력 변환 장치의 일 예에 따르면, 상기 제어부는 상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압 및 출력 전류의 크기를 검출하여 상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비를 피드백 제어하는 것을 특징으로 한다.
전력 변환 장치의 다른 예에 따르면, 상기 DC-DC 컨버터에 포함된 3 레벨 컨버터는 공진 LLC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전력 변환 장치의 다른 예에 따르면, 상기 DC-DC 컨버터는 고정된 스위칭 주파수인 제1 주파수로 동작하고, 상기 제1 주파수는 상기 공진 LLC 컨버터의 공진 주파수와 상응한 값을 갖는 것을 특징으로 한다.
전력 변환 장치의 다른 예에 따르면, 상기 DC-DC 컨버터는 25% 내지 50% 중 어느 한 값으로 고정된 듀티비를 갖는 PWM 신호를 통해 제어되는 것을 특징으로 한다.
전력 변환 장치의 다른 예에 따르면, 상기 DC 링크의 전압은 상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압의 변동에 대응하여 가변되는 것을 특징으로 한다.
전력 변환 장치의 다른 예에 따르면, 상기 DC 링크는 필름 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리의 충전 시스템은, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩, 및 계통으로부터 인가받은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고 역률을 보상하는 PFC 컨버터, 상기 PFC 컨버터로부터 직류 전압을 공급받는 DC 링크, 상기 DC 링크로부터 공급 받은 직류 전압을 교류 전압으로 변환하고, 다시 직류 전압으로 변환시키는 DC-DC 컨버터, 및 상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 제어하여 상기 배터리 팩으로 인가되는 출력 전압 및 출력 전류를 조정하는 제어부를 포함하는 전력 변환 장치를 포함하고, 상기 PFC 컨버터 및 DC-DC 컨버터는 3레벨 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
배터리의 충전 시스템의 일 예에 따르면, 상기 제어부는 상기 배터리 팩으로 인가되는 출력 전류의 크기와 미리 설정된 기준 전류를 비교하여 상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 피드백 제어한다.
배터리의 충전 시스템의 다른 예에 따르면, 상기 제어부는 상기 배터리 팩으로 인가되는 전압과 미리 설정된 기준 전압을 비교하여 상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 피드백 제어한다.
배터리의 충전 시스템의 다른 예에 따르면, 상기 DC-DC 컨버터에 포함된 3 레벨 컨버터는 공진 LLC 컨버터인 것을 특징으로 한다.
배터리의 충전 시스템의 다른 예에 따르면, 상기 DC-DC 컨버터는 상기 배터리 팩으로 인가되는 전압 및 전류가 변화되더라도 전압 이득이 일정하게 유지되는 것을 특징으로 한다.
배터리의 충전 시스템의 다른 예에 따르면, 상기 DC-DC 컨버터는 고정된 스위칭 주파수인 제1 주파수로 동작하고, 상기 제1 주파수는 상기 공진 LLC 컨버터의 공진 주파수와 상응한 값을 갖는 것을 특징으로 한다.
배터리의 충전 시스템의 다른 예에 따르면, 상기 DC-DC 컨버터는 25% 내지 50% 중 어느 한 값으로 고정된 듀티비를 갖는 PWM 신호를 통해 제어되는 것을 특징으로 한다.
배터리의 충전 시스템의 다른 예에 따르면, 상기 DC 링크의 전압은 상기 배터리로 인가되는 전압의 변화에 대응하여 가변되는 것을 특징으로 한다.
다양한 실시예에 따른 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 충전 시스템은 PFC 컨버터를 피드백 제어하고 DC-DC 컨버터를 고정된 듀티비 및 고정된 스위칭 주파수로 오픈 루프(Open loop)로 구동시킴으로써 DC-DC 컨버터가 부하에 관계없이 항상 최적 상태로 동작 되도록 함으로써 고효율 및 고성능을 획득할 수 있다.
DC 링크의 전압이 스위칭 소자의 내압 정격을 초과하는 최대값을 갖더라도, DC-DC 컨버터 및 PFC 컨버터를 3레벨 컨버터로 구성하여 DC 링크의 전압이 분배되어 스위칭 소자들 각각에 인가되도록 할 수 있고, 이로써, 스위칭 소자들을 손상없이 작동시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 일부인 공진 LLC 트랜스를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 DC-DC 컨버터의 전압 이득에 대한 그래프를 도시한다.
도 4는 3레벨 컨버터를 포함하는 DC-DC 컨버터와 PFC 컨버터를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 5는 PFC 컨버터의 제어 타이밍도를 예시적으로 도시한다.
도 6은 DC-DC 컨버터의 제어 타이밍도를 예시적으로 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 충전 시스템의 내부 구성을 간략하게 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전력 변환 장치(100)는 PFC 컨버터(110), DC-DC 컨버터(120), DC 링크(140) 및 제어부(130)를 포함한다.
전력 변환 장치(100)는 공급 받은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력하는 장치이다. 전력 변환 장치(100)는 상기 직류 전압의 크기를 조절할 수 있다. 예를 들면, 전력 변환 장치(100)는 배터리 팩(20)을 충전시키는 충전기일 수 있다. 이 경우, 전력 변환 장치(100)는 상기 배터리 팩(20)을 충전하는데 필요한 전압으로 변환하여 배터리를 충전시킬 수 있다. 전력 변환 장치(100)는 적어도 하나의 컨버터를 포함할 수 있다.
PFC 컨버터(power factor corrector converter, 110)는 교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환함과 동시에 전압의 역률을 보상할 수 있다. 즉, PFC 컨버터(110)는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류하는 구성과 입력 전류와 입력 전압의 위상차를 줄여 역률을 증가시킬 수 있다. 구체적으로, PFC 컨버터(110)는 역률 개선을 위한 PFC 회로부와 직류 전압 변환을 위한 DC-DC 변환부로 이루어진 구조로서, 이는 PFC 기능과 DC-DC 변환 기능을 분리하여 수행하므로 거의 1에 가까운 높은 역률을 얻을 수 있으며, 출력전압의 조절(Regulation)과 동적 특성 또한 우수한 장점을 가지고 있다.
DC-DC 컨버터(120)는 PFC 컨버터(110)가 출력하는 출력 전압을 교류 전압으로 전환하고, 전환된 교류 전압을 다시 직류 전압으로 변환할 수 있다. DC-DC 컨버터(120)는 상기 변환된 직류 전압을 전력 변환 장치(100)와 연결된 부하에 공급한다. DC-DC 컨버터(120)는 변압기를 포함하는 절연형 DC-DC 컨버터(120)로 구성될 수 있다. DC-DC 컨버터(120)는 Full bridge, Phase shift full bridge, Half bridge 중 어느 하나의 토폴로지로 구현된다.
DC 링크(140)는 PFC 컨버터(110)로부터 출력되는 직류 전원을 일시적으로 저장하고, 저장된 전원을 DC-DC 컨버터(120)에 전달하는 역할을 수행한다. DC 링크(140)는 전압 레벨이 다른 PFC 컨버터(110)와 DC-DC 컨버터(120) 사이를 하나의 전압을 갖도록 할 수 있다. DC 링크(140)는 링크 커패시터를 포함한다. 상기 링크 커패시터는 PFC로부터 출력되는 직류 전원의 리플 성분을 필터링할 수 있다. 예를 들면, PFC 컨버터(110)가 계통(10)과 연결되어 60Hz의 교류 전원을 공급받는 경우, DC 링크(140)는 상기 링크 커패시터를 이용하여 계통(10)의 60Hz 성분을 필터링하여 리플 성분을 제거할 수 있다.
제어부(130)는 전력 변환 장치(100)의 출력 전압 및 출력 전류 중 적어도 하나를 획득하여 PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비(Duty)를 조정할 수 있는 프로세서(processor)와 같이 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 여기서, '프로세서(processor)'는, 예를 들어 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다. 이와 같이 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치의 일 예로써, 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙처리장치(central processing unit: CPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 처리 장치를 망라할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
제어부(130)는 PFC 컨버터(110)의 역률 제어와, 전력 변환 장치(100)의 출력을 제어할 수 있다. 제어부(130)는 전력 변환 장치(100)의 출력 전류 및 출력 전압 중 적어도 하나와 미리 설정된 기준 전류 및 기준 전압을 비교한 후에 PFC 컨버터(110)의 출력 전압 및 출력 전류를 피드백 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(130)는 DC-DC 컨버터(120)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 제어하지 않고 PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 제어한다. 제어부(130)는 전력 변환 장치(100)의 출력을 검출하고, 검출된 값이 미리 설정된 목표 값에 일치하도록 PFC 컨버터(110)에 인가되는 PWM(pulse width modulation) 신호의 주파수 및 듀티비를 조절한다.
예를 들면, 전력 변환 장치(100)가 배터리 팩(20)을 충전시키는 충전기인 경우, 제어부(130)는 배터리 팩(20)을 정전류 및 정전압으로 충전시킬 수 있다. 정전류 충전의 경우, 제어부(130)는 배터리 팩(20)으로 출력되는 출력 전류가 상기 미리 설정된 기준 전류와 일치하도록 PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 제어할 수 있다. 마찬가지로, 정전압 충전인 경우, 제어부(130)는 배터리 팩(20)으로 출력되는 출력 전압이 미리 설정된 기준 전압과 일치하도록 PCF 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.
한편, 제어부(130)는 DC 링크(140)의 전압이 소정의 전압 값을 유지하도록 제어하지 않는다. 즉, DC 링크(140)의 전압은 PFC 컨버터(110)가 출력하는 전압에 종속하여 가변되고 고주파수의 성분이 흐르는 것이 허용된다. 또한, DC-DC 컨버터(120)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 제어하여 전력 변환 장치(100)의 출력 전압 및 전류를 조절하지 않는다. 이 경우, DC-DC 컨버터(120)는 출력 전압 및 출력 전류에 따라 피드백 제어가 되지 않고 오픈 루프제어를 통해 절연된 상태에서 PFC 컨버터(110)의 전력을 배터리 측으로 전달하는 기능을 갖는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 일부인 공진 LLC 트랜스를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3은 DC-DC 컨버터의 전압 이득에 대한 그래프를 도시한다.
도 2를 참조하면, DC-DC 컨버터(120)는 공진 LLC 트랜스(121)를 포함한다. 공진 LLC 트랜스(121)는 공진 커패시터(Cr), 공진 인덕터(Lr), 자화 인덕터(Lm), 변압기(Tr) 및 제2 정류부(123)를 포함한 것으로 정의한다.
공진 LLC 트랜스(121)의 구조는 LC 직렬 공진 컨버터와 유사하며, 유일한 차이점은 자화 인덕턴스 값이다. 직렬 공진 컨버터는 LC 직렬 공진 인덕턴스보다 훨씬 큰 자화 인덕턴스를 갖지만, 공진 LLC 트랜스(121)의 자화 인덕턴스는 LC 직렬공진 인덕턴스에 비해 3～8배의 크기이며, 대개 변압기의 공극을 도입하여 구현한다. 공진 LLC 트랜스(121)는 직렬공진 컨버터에 비해 많은 장점을 갖는다.
즉, 상대적으로 스위칭 주파수를 아주 작게 조절하더라도 민감한 부하변동 등에 대해 적절한 출력 조절을 실현 할 수 있다. 또한, DC-DC 컨버터(120)의 동작 영역에서 영전압스위칭(Zero Voltage Switching :ZVS)이 가능하다. 그리고 모든 반도체 장치의 접합 커패시턴스와 변압기의 자화 인덕턴스 및 누설 인덕턴스를 포함한 모든 필수 기생 요소들이 소프트 스위칭을 얻기 위해 활용될 수 있다. 공진 LLC 트랜스(121)는 시간에 따라 느리게 변하는 파라미터 값들을 갖고 있다.
도 3을 참조하면, 공진 LLC 트랜스(121)를 포함하는 DC-DC 컨버터(120)의 스위칭 주파수를 변화할 때 DC-DC 컨버터(120)의 전압 이득 그래프가 도시되어 있다.
DC-DC 컨버터(120)는 부하의 증감에 따라 전압 이득이 달라진다. 도 3에 도시된 바와 같이 DC-DC 컨버터(120)의 스위칭 주파수(Fs)와 공진 LLC 트랜스(121)의 공진 주파수(Fr)가 동일할 때에 이득은 1의 값을 갖는다.
제1 영역(Region 1) 및 제3 영역(Region 3)은 제로 전압 스위칭 영역이고, 제2 영역(Region 2)은 제로 전류 스위칭 영역이다. DC-DC 컨버터(120)는 부하가 변동함에 따라 전압 이득이 달라지게 되고, 스위칭 영역은 제1 영역 내지 제3 영역(Region 1 내지 Region 3)에 거쳐 나타나게 된다. 특히, 제1 영역(Region 1)에서 동작시 스위칭 주파수(Fs)의 변동 범위가 커져 공진 인덕터(Lr)에 큰 전류가 흐를 때 DC-DC 컨버터(120)에 포함된 스위치들이 턴 오프되어 스위칭 손실이 증가한다. 따라서, DC-DC 컨버터(120)의 스위칭 주파수(Fs)를 공진 주파수(Fr)와 상응한 값에 고정시켜, DC-DC 컨버터(120)를 작동시켜 스위칭 손실을 최소화할 필요가 있다.
일 실시예에 따르면, DC-DC 컨버터(120)는 공진 주파수(Fr)와 동일한 스위칭 주파수(Fs)로 동작한다. 제어부(130)는 전력 변환 장치(100)의 출력 전류 및 출력 전압(또는, DC-DC 컨버터(120)의 출력 전류 및 출력 전압)을 기초로 PFC 컨버터(110)를 피드백 제어하여 전력 변환 장치(100)의 출력 전류 및 출력 전압을 조정할 수 있다. DC-DC 컨버터(120)는 스위칭 주파수(Fs)가 공진 주파수(Fr)로 고정되어 작동된다. 이 경우, DC-DC 컨버터(120)의 스위치들의 손실을 최소화할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전력 변환 장치(100)는 계통(10)과 배터리 팩(20) 사이에 연결되어 배터리 팩(20)을 충전시킬 수 있다. 이 경우, 정전류로 배터리 팩(20)을 충전시키는 경우, 배터리 팩(20)의 전압이 Vb1에서 Vb2로 변동하면, DC 링크(140)의 전압은 Vb1*N1/N2에서 Vb2*N1/N2 범위에서 변동하게 된다. 이 때, N1는 전류가 인가되는 변압기의 1차측의 권선비이고, N2는 전류가 출력되는 변압기의 2차측의 권선비이다. 예를 들면, 배터리 팩(20)의 전압이 40V 내지 60V로 변하고 N1:N2가 2:1인 경우, DC 링크(140)의 전압은 배터리 팩(20)의 전압 변화에 대응하여 80V 내지 120V로 변한다.
이 경우, DC 링크(140)는 소정의 값으로 전압이 유지되는 경우보다 높은 전압까지 변동될 수 있다. DC 링크(140)에 높은 전압까지 상승하면, PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120)에 포함된 스위칭 소자에 무리를 주어 손상되게 할 수 있다. 예를 들면, DC 링크의 전압이 100V로 유지되는 경우를 예정하여 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120)의 스위칭 소자(예컨대, 스위칭 소자의 내압 정격 전압은 110V)를 선택되어 있는 경우에 배터리 팩(20)의 전압이 50V 내지 80V로 변하는 경우, DC 링크(140)에 걸리는 전압은 100V에서 160V로 변한다. 이 경우, 상기 DC 링크(140) 전압의 최대값인 160V가 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120)에 포함된 스위치 소자들 각각에 인가되고, 상기 스위칭 소자는 내압 정격 전압보다 높은 전압이 인가되어 소손될 수 있다. 즉, DC 링크(140)의 전압을 일정한 값으로 유지하는 제어를 하지 않는 경우, 상기 스위칭 소자들은 160V 이상의 높은 내압 정격을 갖는 스위칭 소자들로 구성되어야 한다.
일 실시예에 따른 전력 변환 장치(100)는 DC-DC 컨버터(120) 및 PFC 컨버터(110)를 3레벨 컨버터로 구성하여, PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120)에 포함된 스위칭 소자들에 DC 링크(140)에 걸리는 전압을 분압하여 인가할 수 있고, 이에 대한 상세한 설명은 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 3레벨 컨버터를 포함하는 DC-DC 컨버터와 PFC 컨버터를 예시적으로 도시한 도면이다. 도 5는 PFC 컨버터의 제어 타이밍도를 예시적으로 도시하고, 도 6은 DC-DC 컨버터의 제어 타이밍도를 예시적으로 도시한다.
도 4를 참조하면, PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120)는 3 레벨 컨버터를 포함한다. 도 4에 도시된 연결 구조와 같이 3 레벨 컨버터로 구성된 PFC 컨버터(110)는 2개의 스위치, DC- DC 컨버터는 4개의 스위치를 포함하며, 각 스위치들은 미리 설정된 PWM 신호를 인가하여 직류 전압을 양의 값, 0 및 음의 값을 갖도록 한다. 이 경우, 3 레벨 컨버터는 종전 2 레벨 컨버터에 비해 고조 발생 및 스위칭 소자의 전압 스트레스가 절반 정도 낮아지고, 스위칭 소자 및 필터 회로에서의 손실을 상당 부분 줄일 수 있다. 한편, 3레벨 방식은 스위칭 소자의 구성에 따라 NPC(Neutral Point Clamped) 방식과 TNPC(T-type Neutral Point Clamped) 방식의 2종류가 있다.
또한, 3레벨 컨버터는 넓은 출력 전압 범위를 갖는 전력 변환 장치(100)에서도 순환전류를 줄일 수 있다. 예를 들면, 전력 변환 장치(100)가 배터리 팩(20)을 충전시키는 경우, 3레벨 컨버터는 주로 낮은 배터리 전압에서 동작하는 CC모드 충전 시 도통 손실을 줄일 수 있다.
전력 변환 장치(100)는 DC-DC 컨버터(120), PFC 컨버터(110) 및 제어부(130)를 포함한다. DC-DC 컨버터(120)는 스위칭을 하는 제3 스위치 내지 제6 스위치(SW3 내지 SW6), 제3 다이오드 내지 제6 다이오드(D3 내지 D6) 및 공진 LLC 트랜스(121)를 포함한다. PFC 컨버터(110)는 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2), 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2) 및 제1 정류부(111)를 포함한다.
PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120)에 포함된 스위치들(SW1 내지 SW6)은 스위칭 동작에서 전압과 전류가 소자의 특성에 따라 일정한 지연과 기울기를 가지고 변화하기 때문에, 스위치를 턴 온 또는 턴 오프시키게 되면 스위치에 전압과 전류가 동시에 가해지는 구간이 발생하게 된다. 이 구간 동안에는 전압과 전류의 곱에 해당하는 스위칭 전력 손실이 발생한다.
예를 들면, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT; Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 소자는 턴 오프시에 스위치의 양단에 전압이 충분히 가해진 후에도 일정 구간 동안 꼬리 전류(tail current)가 흐르기 때문에 턴 오프시에 스위칭 손실이 발생하게 된다. 그리고, 이러한 스위칭 손실은 소자가 개폐되는 주파수에 비례해서 증가하기 때문에, 소자의 최대 스위칭 주파수를 제한하는 요소가 된다.
3 레벨 컨버터는 전력용 반도체 소자의 스위칭 손실을 줄이면서도 고주파의 스위칭이 가능하도록 영전압 상태에서 스위칭을 하는 영전압 스위칭(zero voltage switching) 할 수 있다. 또한, 3 레벨 컨버터는 2 레벨 컨버터에서 스위칭 소자에 인가되는 전압의 절반의 전압이 스위칭 소자에 인가되도록 할 수 있다.
DC-DC 컨버터(120)는 제3 스위치(SW3), 제4 스위치(SW4), 제5 스위치(SW5) 및 제6 스위치(SW6), 제3 내지 제6 스위치(SW3 내지 SW6) 각각의 사이에 각각 연결된 역병렬 다이오드(D3 내지 D6) 및 스위치에 의해 출력되는 전압 레벨의 균형을 위해 제4 스위치(SW4)와 제5 스위치(SW5) 사이에 연결되는 플라잉 커패시터(flying capacitor; Css), 서로 직렬로 연결되고 플라잉 커패시터(Css)에는 병렬로 연결되는 다이오드(Dc1, Dc2)를 포함한다.
도 5를 참조하면, DC-DC 컨버터(120)는 제1 주파수(1/Ts)인 스위칭 주파수(Fs) 및 제1 듀티비(D)를 갖는 PWM 신호들에 의해 제3 스위치 내지 제6 스위치(SW3 내지 SW6)가 스위칭 되고 있다. 상기 PWM 신호들은 도시된 바와 같이 제3 스위치 내지 제6 스위치(SW3 내지 SW6)를 3가지 모드, 즉 (1) 제3 스위치(SW3) 및 제5 스위치(SW5)의 턴 온, 제4 스위치(SW4) 및 제6 스위치(SW6)의 턴 오프되는 모드 (2) 제3 스위치 내지 제6 스위치(SW3 내지 SW6) 모두 턴 오프되는 모드 (3) 제3 스위치(SW3) 및 제5 스위치(SW5) 턴 오프, 제4 스위치(SW4) 및 제6 스위치(SW6)는 턴 온되는 모드로 동작된다. 이 때, 제1 주파수(1/Ts)는 공진 주파수(Fr)와 동일한 값을 갖는다.
이와 같이, 제3 스위치 내지 제6 스위치(SW3 내지 SW6)는 상기 PWM 신호들에 의해 3가지 모드로 동작하여, 공진 LLC 트랜스(121)로 인가된 전류에 의해 2차 측에는 변압기에 의해 일정한 비율로 증가 또는 감소된 전류가 유도된다. 유도된 전류는 도 2를 참조하여 설명한 제2 정류부(123)에 의해 정류되고, 평활용 필터(C1)를 통해 리플이 제거되어 출력된다.
일 실시예에 따르면, DC-DC 컨버터(120)는, 동작을 시작한 전력 변환 장치(100)가 안정화되면, 고정된 스위칭 주파수(Fs)와 듀티비(D)를 가질 수 있다. 앞서 상술한 바와 같이, DC-DC 컨버터(120)의 출력은 PFC 컨버터(110)의 출력에 따라 제어된다. DC-DC 컨버터(120)는 제1 주기(Ts)를 갖는 스위칭 주파수(Fs)가 공진 주파수(Fr)로 고정되어 일정한 전압 이득을 갖고, 동작을 시작한 전력 변환 장치(100)가 안정화된 후에 제1 듀티비(D)를 25% 내지 50% 사이의 어느 한 값으로 고정하여 동작시킬 수 있다. 이 경우, DC-DC 컨버터(120)는 부하의 변동에 따라 스위칭 주파수(Fs) 및 제1 듀티비(D)가 변경되지 않는다. 즉, DC-DC 컨버터(120)는 스위칭 손실을 최소화할 수 있는 제1 주파수(1/Ts)인 스위칭 주파수(Fs) 및 제1 듀티비(D)를 유지한 상태로 동작할 수 있다.
도 6을 참조하면, PFC 컨버터(110)는 제어부(130)의 PWM 신호에 따라 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)들의 턴 온/ 턴 오프 동작이 제어된다. 상기 PWM 신호는 제2 주기(Ts) 및 제2 듀티비(D)를 갖는다. 제어부(130)는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 제1 상태에서는 (1) 제1 스위치(SW1)의 턴-온, 제2 스위치(SW2)의 턴-오프 모드 (2) 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)의 턴 오프 모드 (3) 제1 스위치(SW1)의 턴-오프, 제2 스위치(SW2)의 턴 온 모드의 3가지 모드를 가지고, 제2 상태에서는 (1) 제1 스위치(SW1)의 턴 온, 제2 스위치(SW2)의 턴 오프 모드 (2) 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)의 턴-온 모드 (3) 제1 스위치(SW1)의 턴 오프, 제2 스위치(SW2)의 턴 온 모드의 3가지 모드로 동작한다.
한편, 상기 제1 상태는 상기 제2 듀티비(D)가 0% 이상 내지 50% 이하인 경우이고, 상기 제2 상태는 상기 제2 듀티비(D)가 50% 초과 내지 100% 미만인 경우이다. PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비는 부하량의 변동에 따라 가변된다.
DC 링크(140)는 제1 링크 커패시터(Ck1)와 제2 링크 커패시터(Ck2)로 나눠져 있다. 제1 링크 커패시터(Ck1)와 제2 링크 커패시터(Ck2)가 연결된 노드가 중성 노드(전압이 0V)이다. 이 경우, DC 링크(140)로 인가되는 전압은 분압되어 제1 링크 커패시터(Ck1) 및 제2 링크 커패시터(Ck2) 각각에 인가된다. 이 경우, DC-DC 컨버터(120)에 포함된 스위치들(SW3 내지 SW6) 각각은 제1 링크 커패시터(Ck1) 및 제2 링크 커패시터(Ck2) 중 어느 하나에 인가된 전압이 인가된다.
또한, PFC 컨버터(110)의 경우에도, 제1 스위치(SW1)는 제1 링크 커패시터(Ck1)와 병렬로 연결되고, 제2 스위치(SW2)는 제2 링크 커패시터(Ck2)와 병렬로 연결되어, 분압된 DC 링크(140)의 전압이 제2 스위치(SW2) 및 제2 스위치(SW2)에 인가된다. 예컨대, DC 링크(140)에 걸리는 전압의 절반이 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)에 인가될 수 있다.
일 실시예에 따르면, DC 링크(140)의 전압은 전력 변환 장치(100)의 출력 전압의 변화에 대응하여 가변된다. DC 링크(140)의 전압은 가변되어 일정한 값을 갖도록 제어되는 경우보다 높은 전압이 인가될 수 있다. 전력 변환 장치(100)는 3레벨 컨버터를 포함하는 DC-DC 컨버터(120) 및 PFC 컨버터(110)를 포함하여, 각 스위칭 소자에 DC 링크(140)의 전압 중 일부가 인가될 수 있다. 예를 들면, DC 링크(140)에 걸리는 최대 전압이 160V인 경우, DC-DC 컨버터(120) 및 PFC 컨버터(110)에 포함된 스위칭 소자 각각에 80V의 전압이 인가될 수 있다. 이 경우, DC-DC 컨버터(120) 및 PFC 컨버터(110)에 포함된 스위칭 소자는 80V를 초과하는 내압 정격 전압을 가지는 스위칭 소자로 선택하면 된다.
이로써, 제어부(130)가 DC 링크(140)의 전압을 일정한 값으로 제어하지 않아 DC 링크(140)의 전압의 변동이 커져 DC 링크의 전압이 스위칭 소자의 내압 정격을 초과하는 최대값을 갖더라도, 전력 변환 장치(100)는 DC-DC 컨버터 및 PFC 컨버터를 3레벨 컨버터로 구성하여 DC 링크의 전압을 분배하여 스위칭 소자들 각각에 인가되도록 할 수 있고, 스위칭 소자들을 소손없이 작동시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 충전 시스템의 내부 구성을 간략하게 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 배터리의 충전 시스템(200)은 전력 변환 장치(100) 및 배터리 팩(20)을 포함한다. 배터리의 충전 시스템(200)은 계통(10)과 전기적으로 연결되어 계통(10)으로부터 교류 전원을 공급받는다.
전력 변환 장치(100)는 PFC 컨버터(110), DC-DC 컨버터(120) 및 DC 링크(140)부를 포함한다. PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120)는 3레벨 컨버터를 포함하고, DC 링크(140)는 제1 링크 커패시터(Ck1) 및 제2 링크 커패시터(Ck2)를 포함한다.
계통(10)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비한다. 계통(10)은 배터리의 충전 시스템(200)에 교류 전압을 공급할 수 있다. 계통(10)은 전압값과 주파수가 일정하게 유지되는 교류 전압을 배터리의 충전 시스템(200)에 제공할 수 있다. 예를 들면, 계통(10)은 220V의 전압값과 60Hz의 주파수를 갖는 교류 전압을 제공할 수 있는 상용 전원일 수 있다.
배터리 팩(20)은 적어도 하나의 배터리 셀(미도시)을 포함하는 배터리(미도시), 배터리 관리부(미도시), 충방전 스위치(미도시)를 포함할 수 있다.
배터리는 전력을 저장하는 부분으로서, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함한다. 배터리에 하나의 배터리 셀이 포함되거나, 상기 배터리에는 복수의 배터리 셀들이 포함될 수 있으며, 배터리 셀들은 직렬로 연결되거나, 병렬로 연결되거나, 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결될 수 있다. 배터리에 포함되는 배터리 셀들의 개수 및 연결 방식은 요구되는 출력 전압 및 전력 저장 용량에 따라서 결정될 수 있다.
상기 배터리 셀은 충전이 가능한 납 축전지를 제외한 이차 전지를 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리 셀은 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery) 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery)를 포함할 수 있다.
충전 스위치 및 방전 스위치는 배터리의 대전류 경로 상에 배치되어 배터리의 충전 전류 및 방전 전류의 흐름을 단속할 수 있다. 충전 스위치 및 방전 스위치는 배터리 관리부의 제어 신호에 따라 턴 온/턴 오프될 수 있다. 충전 스위치 및 방전 스위치는 릴레이나 FET 스위치를 포함할 수 있다.
배터리 관리부는 배터리의 전류, 전압 및 온도 등 배터리에 대한 정보를 획득하여 배터리의 상태를 분석 및 배터리의 보호 필요성을 판단할 수 있는 프로세서(processor)와 같이 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 여기서, '프로세서(processor)'는, 예를 들어 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다. 이와 같이 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치의 일 예로써, 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙처리장치(central processing unit: CPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 처리 장치를 망라할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 배터리 관리부는 배터리의 전류, 전압, 온도를 감지하고, 상기 감지된 정보에 기초하여 잔여 전력량, 수명, 충전 상태(State of Charge, SOC)등을 얻을 수 있다. 예컨대, 배터리 관리부는 센서들을 이용하여 배터리 셀의 셀 전압 및 온도를 측정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부(130)는 상기 배터리 관리부로부터 배터리의 상태에 대한 정보를 전달받을 수 있다. 제어부(130)는 배터리 관리부로부터 배터리가 완충 전압에 도달하였다는 사실을 전달받으면, PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120)의 작동을 중지하여 배터리 팩(20)의 충전을 중단시킬 수 있다. 한편, 제어부(130)와 배터리 관리부가 별개의 구성으로 도시되어 있으나, 제어부(130)가 배터리 관리부의 기능을 수행하도록 구성될 수도 있다.
PFC 컨버터(110)는 상기 계통(10)으로부터 제공 받은 교류 전압을 직류 전압으로 변환할 수 있다. 제어부(130)는 PFC 컨버터(110)를 제어하여 역률을 보정할 수 있고, PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 PWM 신호의 듀티비를 제어하여 PFC 컨버터(110)가 출력하는 직류 전압 및 직류 전류를 제어할 수 있다.
DC 링크(140)의 전압은 배터리 팩(20)의 충전 전압의 변화에 대응하여 가변될 수 있다. 일반적으로 DC 링크(140)의 전압은 일정한 값이 되도록 제어되나, 일 실시예에 따른 배터리의 충전 시스템(200)은 DC-DC 컨버터(120)가 전압 이득이 일정한 값(예를 들면, 전압이득이 1)을 유지하도록 DC 링크(140)의 전압을 배터리 팩(20)의 전압에 대응하도록 가변시킨다.
DC-DC 컨버터(120)는 DC 링크(140)로부터 공급된 직류 전압을 고주파 교류 전압으로 변경하여 변압기(Tr)의 1차측에 인가하고, 변압기(Tr)의 2차 측에서 제2 정류부(123)를 통해 직류 전압으로 변환한다. DC-DC 컨버터(120)는 3레벨 컨버터를 포함하는 공진 LLC 컨버터(도 4 참조)인 3레벨 공진 LLC 컨버터를 포함한다. DC-DC 컨버터(120)의 스위칭 주파수(Fs)는 공진 LLC 컨버터의 공진 주파수(Fr)와 상응한 값으로 고정된다.
일 실시예에 따르면, 제어부(130)는 PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 피드백 제어를 한다. 미리 설정된 기준 전류를 정전류로 배터리 팩(20)을 충전시키는 경우, 제어부(130)는 상기 전력 변환 장치(100)의 출력 전류가 상기 미리 설정된 기준 전류와 일치할 때까지 PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 수정한다. 즉, 제어부(130)는 전력 변환 장치(100)의 출력 전류를 검출하고, 검출된 출력 전류가 상기 미리 설정된 기준 전류와 일치되도록 PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 피드백 제어한다. 이 경우, 제어부(130)는 부하량 변동(예컨대, 배터리의 충전 전압 변동)에 따라 PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 수정으로 대응할 수 있는바, DC-DC 컨버터(120)의 스위칭 주파수(Fs) 및 듀티비(D)를 소정의 값으로 고정시킬 수 있다.
또한, 미리 설정된 기준 전압을 정전압으로 배터리 팩(20)을 충전시키는 경우, 제어부(130)는 전력 변환 장치(100)의 출력 전압이 상기 미리 설정된 기준 전압과 일치할 때까지 PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 수정한다. 이 경우에도, 제어부(130)는 부하 변동에 따라 PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 수정으로 대응할 수 있는바, DC-DC 컨버터(120)는 스위칭 주파수(Fs)를 공진 주파수(Fr)로 고정되고 DC-DC 컨버터(120)의 듀티비(D)를 25% 내지 50% 중 어느 한 값으로 고정된 상태로 작동할 수 있다.
일 실시예에 따르면, DC-DC 컨버터(120)는 제1 주기(Ts)를 갖는 스위칭 주파수(Fs)가 고정되고, 25% 내지 50%의 듀티비 중 어느 하나의 듀티비로 고정되어 작동될 수 있다. DC-DC 컨버터(120)는 충전 동작을 시작하는 전력 변환 장치(100)가 소프트 스타트되기 위해 일정시간 동안 페이져 쉬프트(phase shift)를 할 수 있다. 페이져 쉬피트가 끝난 DC-DC 컨버터(120)는 최적의 상태에서 동작할 수 있는 듀티비를 결정하고, 부하량의 변화에 관계없이 상기 결정된 듀티비로 고정되어 작동된다. 또한, 상기 스위칭 주파수(Fs)는 DC-DC 컨버터(120)의 공진 주파수(Fr)와 상응한 값이다.
일 실시예에 따르면, DC 링크(140)는 필름 커패시터를 포함할 수 있다. DC 링크(140)는 고정된 전압이 유지되도록 제어되지 않으므로, DC 링크(140)에 포함된 링크 커패시터(Ck1, Ck2)는 고용량의 커패시턴스가 요구되지 않는다. 따라서, 링크 커패시터(Ck1, Ck2)는 온도 상승에 따른 수명의 급격한 저하의 단점을 갖는 전해질 커패시터를 대신하여 필름 커패시터를 채택하여 이용할 수 있으며, 이를 통해 DC 링크(140)의 장수명을 달성할 수 있다.
이로써, DC-DC 컨버터(120)는 별도의 제어기 없이 고정 주파수(Fs) 및 고정 듀티비(D)의 PWM 신호에 의해 오픈 루프(Open loop)로 구동시킴으로써 저가격화를 꾀할 수 있고, 부하량에 관계없이 항상 최적 상태로 동작 되도록 함으로써 고효율 및 고성능을 획득할 수 있다.
또한, DC 링크(140)의 전압을 가변 시킴에 따라 DC 링크(140)에 인가되는 전압의 최대값이 크게 상승하더라도, DC-DC 컨버터(120) 및 PFC 컨버터(110)를 3레벨 컨버터로 구성하여 스위칭 소자에 인가되는 전압을 낮출 수 있는바, 스위칭 소자들의 내압 정격을 올리지 않아도 스위칭 소자의 손상 없이 배터리의 충전 시스템(200)을 작동시킬 수 있다.
본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 계통
20: 배터리 팩
100: 전력 변환 장치
110: PFC 컨버터
111: 제1 정류부
120: DC-DC 컨버
121: 공진 LLC 트랜스
123: 제2 정류부
130: 제어부
140: DC 링크
200: 충전 시스템

Claims (15)

  1. 교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력하고, 역률을 보상하는 PFC 컨버터;
    상기 PFC 컨버터로부터 상기 직류 전압을 공급받는 DC 링크;
    상기 DC 링크로부터 공급 받은 직류 전압을 교류 전압으로 변환하고, 다시 직류 전압으로 변환시키는 DC-DC 컨버터; 및
    상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 제어하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압 및 출력 전류를 조정하는 제어부를 포함하고,
    상기 DC 링크는 제1 링크 커패시터와 제2 링크 커패시터를 포함하고,
    상기 PFC 컨버터 및 DC-DC 컨버터는 3레벨 컨버터를 포함하고,
    상기 DC-DC 컨버터에 포함된 상기 3레벨 컨버터는 공진 LLC 컨버터를 포함하고,
    상기 제1 링크 커패시터와 상기 제2 링크 커패시터 사이의 단자는 상기 공진 LLC 컨버터의 입력단과 연결되고,
    상기 DC-DC 컨버터는 고정된 주파수 및 고정된 듀티비의 PWM(pulse width modulation) 신호에 기반하여 오픈 루프로 구동되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압 및 출력 전류의 크기를 검출하고,
    상기 출력 전압 및 출력 전류의 크기에 기반하여 상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비를 피드백 제어하고,
    상기 출력 전압 및 출력 전류의 크기에 기반하여 상기 DC-DC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비를 제어하지 않는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터는 고정된 스위칭 주파수인 제1 주파수로 동작하고,
    상기 제1 주파수는 상기 공진 LLC 컨버터의 공진 주파수와 상응한 값을 갖는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고정된 듀티비는 25% 내지 50% 중 어느 한 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 DC 링크의 전압은 상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압의 변동에 대응하여 가변되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 DC 링크는 필름 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩; 및
    계통으로부터 인가받은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고 역률을 보상하는 PFC 컨버터, 상기 PFC 컨버터로부터 직류 전압을 공급받는 DC 링크, 상기 DC 링크로부터 공급 받은 직류 전압을 교류 전압으로 변환하고, 다시 직류 전압으로 변환시키는 DC-DC 컨버터, 및 상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 제어하여 상기 배터리 팩으로 인가되는 출력 전압 및 출력 전류를 조정하는 제어부를 포함하는 전력 변환 장치;를 포함하고,
    상기 DC 링크는 제1 링크 커패시터와 제2 링크 커패시터를 포함하고,
    상기 PFC 컨버터 및 DC-DC 컨버터는 3레벨 컨버터를 포함하고,
    상기 DC-DC 컨버터에 포함된 상기 3레벨 컨버터는 공진 LLC 컨버터를 포함하고,
    상기 제1 링크 커패시터와 상기 제2 링크 커패시터 사이의 단자는 상기 공진 LLC 컨버터의 입력단과 연결되고,
    상기 DC-DC 컨버터는 고정된 주파수 및 고정된 듀티비의 PWM(pulse width modulation) 신호에 기반하여 오픈 루프로 구동되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리 팩으로 인가되는 출력 전류의 크기와 미리 설정된 기준 전류를 비교하여 상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 피드백 제어하고, 상기 DC-DC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비를 제어하지 않는 배터리 충전 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리 팩으로 인가되는 전압과 미리 설정된 기준 전압을 비교하여 상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 피드백 제어하고, 상기 DC-DC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비를 제어하지 않는 배터리 충전 시스템.
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터는 상기 배터리 팩으로 인가되는 전압 및 전류가 변화되더라도 전압 이득이 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터는 고정된 스위칭 주파수인 제1 주파수로 동작하고,
    상기 제1 주파수는 상기 공진 LLC 컨버터의 공진 주파수와 상응한 값을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 고정된 듀티비는 25% 내지 50% 중 어느 한 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 DC 링크의 전압은 상기 배터리로 인가되는 전압의 변화에 대응하여 가변되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
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