KR102464445B1 - 회로 구동의 안정성이 개선된 배터리 충전 장치 - Google Patents

회로 구동의 안정성이 개선된 배터리 충전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초기 동작시에 역률 보상 커패시터의 충전을 위해 회로 내에 큰 값의 돌입전류가 흐르는 것을 방지함으로써, 회로 구동의 안정성을 개선할 수 있는 배터리 충전 장치에 대한 것이다.

Description

회로 구동의 안정성이 개선된 배터리 충전 장치{BATTERY CHARGING APPARATUS WITH IMPROVED CIRCUIT DRIVING STABILITY}
본 발명은 회로 구동의 안정성이 개선된 배터리 충전 장치에 대한 것이다.
현재 하이브리드, 전기 및 수소 연료전지 자동차 등 친환경 자동차 시장이 급격히 증가하고 있다.
이러한 친환경 자동차 중 전기자동차는 고용량/고압의 배터리를 내장하고 있으며, 이들 배터리를 충전하기 위한 차량탑재형 충전기(On-board charger: OBC)가 엔진룸 또는 트렁크 룸에 장착되어 있다.
이러한 전기 자동차의 엔진룸 또는 트렁크룸에 장착되는 OBC는 특성상 부피가 제한되기 때문에 높은 전력밀도가 요구된다.
기존의 OBC의 경우, 역률 보정을 위한 역률 보상(Power Factor Correction: PFC)단과 충전 전압 생성을 위한 DC/DC 컨버터단의 2단 구조로 구성되어 있으며, 이러한 2단 구조의 OBC의 경우에는 PFC단과 DC/DC 컨버터단을 구성하기 위한 스위치와 구동 회로가 다량으로 필요하여 OBC의 전력 밀도 향상에 제한이 될 수 있다.
또한, 기존의 OBC에서는, OBC에 교류 전원이 인가되기 시작하는 초기 동작 과정에서, PFC단에 존재하는 역률 보상 커패시터(CPFC)의 전압이 영전압 상태에서 동작을 수행하기 때문에, 짧은 시간 내에 역률 보상 커패시터(CPFC)의 충전 전압(VPFC)을 상승시키기 위한 큰 값의 돌입전류가 회로 내에 흐를 수 있는데, 이는 다른 소자의 손상을 유발할 수 있다는 점에서, OBC에 교류 전원이 인가되는 초기 동작 과정에서 회로 내에 흐르는 돌입전류의 크기를 제한하기 위한 방안이 제시될 필요가 있다.
따라서, 초기 동작시에 역률 보상 커패시터(CPFC)의 충전을 위해 회로 내에 큰 값의 돌입전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 배터리 충전 장치에 대한 연구가 필요하다.
본 발명은 초기 동작시에 역률 보상 커패시터의 충전을 위해 회로 내에 큰 값의 돌입전류가 흐르는 것을 방지함으로써, 회로 구동의 안정성을 개선할 수 있는 배터리 충전 장치를 제시하고자 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 장치(100)는 제1 NMOS(Q1)의 소스(source)와 제2 NMOS(Q2)의 드레인(drain)이 제1 노드(11)에서 연결되고, 제1 다이오드(D1)의 애노드(Anode)와 제2 다이오드(D2)의 캐소드(Cathode)가 제2 노드(12)에서 연결되며, 제1 NMOS(Q1)의 드레인과 상기 제1 다이오드(D1)의 캐소드가 제3 노드(13)에서 연결되고, 상기 제2 NMOS(Q2)의 소스와 상기 제2 다이오드(D2)의 애노드가 제4 노드(14)에서 연결되고, 상기 제3 노드(13)와 상기 제4 노드(14) 사이에 역률 보상 커패시터(CPFC)가 연결되고, 상기 제1 노드(11)에 부스터 인덕터(LB)의 일측이 연결되고, 상기 제2 노드(12)에 외부 교류 전원(VAC)의 일측이 연결된 역률 보상부(110), 제3 NMOS(Q3)의 소스와 제4 NMOS(Q4)의 드레인이 제5 노드(15)에서 연결되고, 상기 제3 NMOS(Q3)의 드레인이 상기 제3 노드(13)에 연결되며, 상기 제4 NMOS(Q4)의 소스가 상기 제4 노드(14)에 연결되고, 상기 제5 노드(15)와 상기 제4 노드(14) 사이에서 자화 인덕터(Lm)를 갖는 변압기(TR)와, 공진 인덕터(Lr) 및 공진 커패시터(Cr)가 직렬로 연결되고, 상기 제5 노드(15)에 보호 저항(NTC)의 일측이 연결된 컨버터부(120), 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측에 연결되어, 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 부스터 인덕터(LB)의 타측을 서로 연결시키거나, 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 보호 저항(NTC)의 타측을 서로 연결시키기는 전환 스위치(130), 상기 변압기(TR)를 통해 출력되는 2차측 교류 전압을 충전용 배터리로 공급할 직류 전압으로 정류하는 정류부(140) 및 상기 외부 교류 전원(VAC)이 온 상태로 전환됨에 따라, 상기 외부 교류 전원(VAC)을 통해 상기 배터리 충전 장치(100)에 교류 전압이 인가되기 시작하면, 상기 역률 보상 커패시터(CPFC)의 충전 전압(VPFC)이 사전 설정된 기준 전압이 될 때까지 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 보호 저항(NTC)의 타측이 서로 연결되도록 상기 전환 스위치(130)를 제어한 후, 상기 역률 보상 커패시터(CPFC)의 충전 전압(VPFC)이 상기 기준 전압에 도달하는 경우, 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 부스터 인덕터(LB)의 타측이 서로 연결되도록 상기 전환 스위치(130)를 제어함으로써, 상기 정류부(140)를 통해 상기 충전용 배터리로 공급할 직류 전압이 출력되도록 제어하는 스위치 제어부(150)를 포함한다.
본 발명은 초기 동작시에 역률 보상 커패시터의 충전을 위해 회로 내에 큰 값의 돌입전류가 흐르는 것을 방지함으로써, 회로 구동의 안정성을 개선할 수 있는 배터리 충전 장치를 제시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 장치의 구조를 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 이러한 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였으며, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 본 명세서 상에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
본 문서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예들에 있어서, 각 구성요소들, 기능 블록들 또는 수단들은 하나 또는 그 이상의 하부 구성요소로 구성될 수 있고, 각 구성요소들이 수행하는 전기, 전자, 기계적 기능들은 전자회로, 집적회로, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등 공지된 다양한 소자들 또는 기계적 요소들로 구현될 수 있으며, 각각 별개로 구현되거나 2 이상이 하나로 통합되어 구현될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 장치의 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 충전 장치(100)는 역률 보상부(110), 컨버터부(120), 전환 스위치(130), 정류뷰(140), 스위치 제어부(150)를 포함한다.
역률 보상부(110)는 제1 NMOS(Q1)의 소스(source)와 제2 NMOS(Q2)의 드레인(drain)이 제1 노드(11)에서 연결되고, 제1 다이오드(D1)의 애노드(Anode)와 제2 다이오드(D2)의 캐소드(Cathode)가 제2 노드(12)에서 연결되며, 제1 NMOS(Q1)의 드레인과 상기 제1 다이오드(D1)의 캐소드가 제3 노드(13)에서 연결되고, 상기 제2 NMOS(Q2)의 소스와 상기 제2 다이오드(D2)의 애노드가 제4 노드(14)에서 연결되고, 상기 제3 노드(13)와 상기 제4 노드(14) 사이에 역률 보상 커패시터(CPFC)가 연결되고, 상기 제1 노드(11)에 부스터 인덕터(LB)의 일측이 연결되고, 상기 제2 노드(12)에 외부 교류 전원(VAC)의 일측이 연결된다.
여기서, NMOS는 N채널 MOSFET을 의미하고, 도 1에서 'D'는 드레인(drain), 'S'는 소스(source)를 의미한다.
컨버터부(120)는 제3 NMOS(Q3)의 소스와 제4 NMOS(Q4)의 드레인이 제5 노드(15)에서 연결되고, 상기 제3 NMOS(Q3)의 드레인이 상기 제3 노드(13)에 연결되며, 상기 제4 NMOS(Q4)의 소스가 상기 제4 노드(14)에 연결되고, 상기 제5 노드(15)와 상기 제4 노드(14) 사이에서 자화 인덕터(Lm)를 갖는 변압기(TR)와, 공진 인덕터(Lr) 및 공진 커패시터(Cr)가 직렬로 연결되고, 상기 제5 노드(15)에 보호 저항(NTC)의 일측이 연결된다.
이때, 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측에는 전환 스위치(130)가 연결되는데, 상기 전환 스위치(130)는 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 부스터 인덕터(LB)의 타측을 서로 연결시키거나, 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 보호 저항(NTC)의 타측을 서로 연결시키는 역할을 수행한다.
정류부(140)는 상기 변압기(TR)를 통해 출력되는 2차측 교류 전압을 충전용 배터리로 공급할 직류 전압으로 정류한다.
이때, 스위치 제어부(150)는 상기 외부 교류 전원(VAC)이 온 상태로 전환됨에 따라, 상기 외부 교류 전원(VAC)을 통해 상기 배터리 충전 장치(100)에 교류 전압이 인가되기 시작하면, 상기 역률 보상 커패시터(CPFC)의 충전 전압(VPFC)이 사전 설정된 기준 전압이 될 때까지 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 보호 저항(NTC)의 타측이 서로 연결되도록 상기 전환 스위치(130)를 제어한 후, 상기 역률 보상 커패시터(CPFC)의 충전 전압(VPFC)이 상기 기준 전압에 도달하는 경우, 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 부스터 인덕터(LB)의 타측이 서로 연결되도록 상기 전환 스위치(130)를 제어함으로써, 상기 정류부(140)를 통해 상기 충전용 배터리로 공급할 직류 전압이 출력되도록 제어한다.
이하에서는 도 2를 참조하여, 상기 외부 교류 전원(VAC)을 통해 상기 배터리 충전 장치(100)에 교류 전압이 인가되기 시작하는 초기 상태의 동작을 상세히 설명하기로 한다.
우선, 상기 역률 보상 커패시터(CPFC)는 영전압인 것으로 가정한다.
이때, 상기 외부 교류 전원(VAC)이 온 상태로 전환됨에 따라, 상기 외부 교류 전원(VAC)을 통해 상기 배터리 충전 장치(100)에 교류 전압이 인가되기 시작하면, 스위치 제어부(150)는 도면부호 211과 212에 도시된 그림과 같이, 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 보호 저항(NTC)의 타측이 서로 연결되도록 상기 전환 스위치(130)를 제어할 수 있다.
이렇게, 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 보호 저항(NTC)의 타측이 서로 연결된 상태에서, 상기 외부 교류 전원(VAC)을 통해 상기 배터리 충전 장치(100)에 양의 전압이 인가되면, 상기 배터리 충전 장치(100)에서는 도면부호 211에 도시된 그림과 같이, 초기 입력 전류 iNTC가 상기 보호 저항(NTC), 상기 제3 NMOS(Q3)의 기생 다이오드, 상기 제2 다이오드(D2)를 통해 흘러서, 상기 역률 보상 커패시터(CPFC)를 충전시키게 되고, 상기 외부 교류 전원(VAC)을 통해 상기 배터리 충전 장치(100)에 음의 전압이 인가되면, 상기 배터리 충전 장치(100)에서는 도면부호 212에 도시된 그림과 같이, 전류 iNTC가 상기 보호 저항(NTC), 상기 제4 NMOS(Q4)의 기생 다이오드, 상기 제1 다이오드(D1)을 통해 흘러서, 상기 역률 보상 커패시터(CPFC)를 충전시키게 된다.
이렇게, 상기 역률 보상 커패시터(CPFC)가 충전됨에 따라, 상기 역률 보상 커패시터(CPFC)의 충전 전압(VPFC)이 사전 설정된 기준 전압에 도달하는 경우, 스위치 제어부(150)는 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 부스터 인덕터(LB)의 타측이 서로 연결되도록 상기 전환 스위치(130)를 제어하여, 상기 배터리 충전 장치(100)가 배터리 충전을 위한 정상 상태의 동작을 수행하도록 함으로써, 상기 정류부(140)를 통해 상기 충전용 배터리로 공급할 직류 전압이 출력되도록 제어할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 배터리 충전 장치(100)는 최초 동작이 수행될 때, 상기 역률 보상 커패시터(CPFC)의 충전 전압(VPFC)이 소정의 기준 전압에 도달할 때까지 상기 전환 스위치(130)를 통해, 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 보호 저항(NTC)의 타측이 서로 연결되도록 제어한 후, 상기 역률 보상 커패시터(CPFC)의 충전 전압(VPFC)이 상기 기준 전압에 도달하게 되면, 상기 전환 스위치(130)를 통해, 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 부스터 인덕터(LB)의 타측이 서로 연결되도록 제어하여 배터리 충전을 위한 정상 상태의 동작이 수행되도록 함으로써, 초기 충전 동작 시에 짧은 시간 내에 역률 보상 커패시터(CPFC)의 충전 전압(VPFC)을 상승시키기 위한 큰 값의 돌입전류가 회로 내에 흐르는 문제를 방지할 수 있다.
이때, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 배터리 충전 장치(100)는 상기 전환 스위치(130)를 통해, 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 부스터 인덕터(LB)의 타측이 서로 연결됨에 따라, 배터리의 충전을 위한 정상 상태에 돌입하게 되었을 때, 배터리의 충전을 위한 정상 상태의 동작을 수행하기 위해, 상기 제1 NMOS(Q1), 상기 제2 NMOS(Q2), 상기 제3 NMOS(Q3), 상기 제4 NMOS(Q4)에 대한 온/오프 스위칭을 제어하는 스위칭부(160)를 더 포함할 수 있다.
상기 스위칭부(160)는 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 부스터 인덕터(LB)의 타측이 서로 연결되도록 상기 전환 스위치(130)가 제어된 이후, 상기 외부 교류 전원(VAC)을 통해 상기 배터리 충전 장치(100)에 양의 교류 전압이 인가되면, 사전 설정된 주기인 T시간 간격으로, 하기의 표 1과 같은 제1 스위칭 제어 방식에 따라 상기 제1 NMOS(Q1), 상기 제2 NMOS(Q2), 상기 제3 NMOS(Q3), 상기 제4 NMOS(Q4)에 대한 온/오프 스위칭을 반복 수행한다.
[제1 스위칭 제어 방식]

(1) 상기 주기인 T시간을, 상기 주기의 초기 시점인 t0로부터 시간순으로 제1 시점인 t1, 제2 시점인 t2, 제3 시점인 t3, 제4 시점인 t4 및 상기 주기의 마지막 시점인 t5로 구분하되, 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제1 시점인 t1 사이의 시간과 상기 제2 시점인 t2와 상기 제4 시점인 t4 사이의 시간을 서로 동일하게 구성함

(2) 상기 제1 NMOS(Q1)에 대해서는 상기 초기 시점인 t0에서 상기 마지막 시점인 t5까지 오프시킴

(3) 상기 제2 NMOS(Q2)에 대해서는 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제3 시점인 t3까지 온시키고, 상기 제3 시점인 t3에서 상기 마지막 시점인 t5까지 오프시킴

(4) 상기 제3 NMOS(Q3)에 대해서는 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제1 시점인 t1까지 온시키고, 상기 제1 시점인 t1에서 상기 마지막 시점인 t5까지 오프시킴

(5) 상기 제4 NMOS(Q4)에 대해서는 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제2 시점인 t2까지 오프시키고, 상기 제2 시점인 t2에서 상기 제4 시점인 t4까지 온시킨 후 상기 제4 시점인 t4에서 상기 마지막 시점인 t5까지 오프시킴
또한, 상기 스위칭부(160)는 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 부스터 인덕터(LB)의 타측이 서로 연결되도록 상기 전환 스위치(130)가 제어된 이후, 상기 외부 교류 전원(VAC)을 통해 상기 배터리 충전 장치(100)에 음의 교류 전압이 인가되면, 상기 주기인 T시간 간격으로, 하기의 표 2와 같은 제2 스위칭 제어 방식에 따라 상기 제1 NMOS(Q1), 상기 제2 NMOS(Q2), 상기 제3 NMOS(Q3), 상기 제4 NMOS(Q4)에 대한 온/오프 스위칭을 반복 수행한다.
[제2 스위칭 제어 방식]

(1) 상기 주기인 T시간을, 상기 주기의 초기 시점인 t0로부터 시간순으로 상기 제1 시점인 t1, 상기 제2 시점인 t2, 상기 제3 시점인 t3, 상기 제4 시점인 t4 및 상기 주기의 마지막 시점인 t5로 구분하되, 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제1 시점인 t1 사이의 시간과 상기 제2 시점인 t2와 상기 제4 시점인 t4 사이의 시간을 서로 동일하게 구성함

(2) 상기 제1 NMOS(Q1)에 대해서는 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제3 시점인 t3까지 온시키고, 상기 제3 시점인 t3에서 상기 마지막 시점인 t5까지 오프시킴

(3) 상기 제2 NMOS(Q2)에 대해서는 상기 초기 시점인 t0에서 상기 마지막 시점인 t5까지 오프시킴

(4) 상기 제3 NMOS(Q3)에 대해서는 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제1 시점인 t1까지 온시키고, 상기 제1 시점인 t1에서 상기 마지막 시점인 t5까지 오프시킴

(5) 상기 제4 NMOS(Q4)에 대해서는 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제2 시점인 t2까지 오프시키고, 상기 제2 시점인 t2에서 상기 제4 시점인 t4까지 온시킨 후 상기 제4 시점인 t4에서 상기 마지막 시점인 t5까지 오프시킴
이하에서는 도 3 내지 도 6을 참조하여, 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 부스터 인덕터(LB)의 타측이 서로 연결된 이후에, 상기 배터리 충전 장치(100)가 배터리 충전 동작을 수행하는 것과 관련된 정상 상태의 동작을 상세히 설명하기로 한다.
우선, 도 3과 도 4를 참조하여, 상기 외부 교류 전원(VAC)을 통해 상기 배터리 충전 장치(100)에 양의 교류 전압이 인가되는 경우의 동작에 대해 설명하기로 한다.
스위칭부(160)는 도 3에 도시된 그림과 같이, 사전 설정된 주기인 T시간을, 상기 주기의 초기 시점인 t0로부터 시간순으로 제1 시점인 t1, 제2 시점인 t2, 제3 시점인 t3, 제4 시점인 t4 및 상기 주기의 마지막 시점인 t5로 구분하되, 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제1 시점인 t1 사이의 시간과 상기 제2 시점인 t2와 상기 제4 시점인 t4 사이의 시간을 서로 동일하게 구성할 수 있다.
이때, 스위칭부(160)는 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제1 시점인 t1 사이에서, 도 3에 도시된 그림과 같이, 상기 제1 NMOS(Q1)를 오프시키고, 상기 제2 NMOS(Q2)는 온시키며, 상기 제3 NMOS(Q3)도 온시키고, 상기 제4 NMOS(Q4)를 오프시킬 수 있다.
이렇게 되면, 상기 배터리 충전 장치(100)에서는 도면부호 411에 도시된 그림과 같이, 상기 부스터 인덕터(LB)에 상기 외부 교류 전원(VAC)의 입력 전압이 인가되고, 상기 부스트 인덕터(LB)의 전류 iLB가 '상기 제2 NMOS(Q2) ~ 상기 제2 다이오드(D2)'의 경로를 따라 흐르게 되며, iLB의 크기가 상승하게 된다. 그리고, 상기 제1 NMOS(Q1)과 상기 제1 다이오드(D1)에는 상기 역률 보상 커패시터(CPFC)의 충전 전압(VPFC)이 역 바이어스됨에 따라, 턴 오프 상태가 유지되고, 상기 역률 보상 커패시터(CPFC) 방면으로 전류가 흐르지 않게 된다. 한편, 컨버터부(120)에서는 상기 제3 NMOS(Q3)가 온 상태가 되기 때문에, 1차측 공진탱크에 상기 역률 보상 커패시터(CPFC)의 충전 전압(VPFC)이 인가되어 공진 전류가 흐르게 되며, 2차측 정류부(140)로 공진 전류가 전달된다.
그 이후, 스위칭부(160)는 상기 제1 시점인 t1에서 상기 제2 시점인 t2 사이에서, 도 3에 도시된 그림과 같이, 상기 제1 NMOS(Q1)의 오프 상태를 유지시키고, 상기 제2 NMOS(Q2)의 온 상태를 유지시키며, 상기 제3 NMOS(Q3)를 오프시키고, 상기 제4 NMOS(Q4)도 오프시킬 수 있다.
이렇게 되면, 상기 배터리 충전 장치(100)에서는 도면부호 412에 도시된 그림과 같이, 역률 보상부(110)에서 기존 스위칭 상태와 동일한 회로 동작을 유지하게 됨에 따라, iLB 전류가 계속 상승하게 된다. 그리고, 컨버터부(120)에서는 상기 제3 NMOS(Q3)가 턴 오프되어, 상기 제3 NMOS(Q3)의 기생 커패시터에 전하가 충전되고, 상기 제3 NMOS(Q3)에 인가되는 전압이 상승하게 된다. 이때, 상기 제4 NMOS(Q4)에서는 공진 전류로 인해 상기 제4 NMOS(Q4)의 기생 커패시터가 영전압으로 방전된 후 기생 다이오드가 도통된다. 그리고, 공진 전류와 자화 전류의 크기가 같아지며, 2차측 정류부(140)로 공진 전류를 전달하지 못하게 되어, 해당 구간 동안 2차측 정류부(140)에서 정류된 전류 irec는 영전류 상태가 된다.
그 이후, 스위칭부(160)는 상기 제2 시점인 t2에서 상기 제3 시점인 t3 사이에서, 도 3에 도시된 그림과 같이, 상기 제1 NMOS(Q1)의 오프 상태를 유지시키고, 상기 제2 NMOS(Q2)의 온 상태를 유지시키며, 상기 제3 NMOS(Q3)의 오프 상태를 유지시키고, 상기 제4 NMOS(Q4)를 온시킬 수 있다.
이렇게 되면, 상기 배터리 충전 장치(100)에서는 도면부호 413에 도시된 그림과 같이, 역률 보상부(110)에서 기존 스위칭 상태와 동일한 회로 동작을 유지하게 됨에 따라, iLB 전류가 계속 상승하게 된다. 그리고, 컨버터부(120)에서는 상기 제4 NMOS(Q4)의 기생 다이오드가 기존에 도통된 상태에서 턴 온하게 되고, 상기 공진 커패시터(Cr)의 전압이 상기 공진 인덕터(Lr)과 상기 자화 인덕터(Lm)에 음의 전압으로 인가됨에 따라, 공진 전류가 형성되고, 2차측 정류부(140)로 공진 전류를 전달하게 된다.
그 이후, 스위칭부(160)는 상기 제3 시점인 t3에서 상기 제4 시점인 t4 사이에서, 도 3에 도시된 그림과 같이, 상기 제1 NMOS(Q1)의 오프 상태를 유지시키고, 상기 제2 NMOS(Q2)를 오프시키며, 상기 제3 NMOS(Q3)의 오프 상태를 유지시키고, 상기 제4 NMOS(Q4)의 온 상태를 유지시킬 수 있다.
이렇게 되면, 상기 배터리 충전 장치(100)에서는 도면부호 414에 도시된 그림과 같이, 컨버터부(120)에서 기존 스위칭 상태와 동일한 회로 동작을 유지하게 됨에 따라, 2차측으로 공진 전류를 전달하게 된다. 그리고, 역률 보상부(110)에서는 상기 제2 NMOS(Q2)가 턴 오프되어, 상기 제2 NMOS(Q2)의 기생 커패시터에 전하가 충전되고, 상기 제2 NMOS(Q2)에 인가되는 전압이 상승하게 된다. 이때, 상기 제1 NMOS(Q1)에서는 상기 부스터 인덕터(LB)의 전류 iLB에 의해 상기 제1 NMOS(Q1)의 기생 커패시터가 영전압으로 방전된 후 기생 다이오드가 도통된다. 이로 인해 iLB는 '상기 제1 NMOS(Q1)의 기생 다이오드 ~ 상기 역률 보상 커패시터(CPFC) ~ 상기 제2 다이오드(D2)'의 경로를 따라 흐르게 되며, 이에 따라, 상기 역률 보상 커패시터(CPFC)가 충전되고, iLB의 크기는 감소하게 된다.
그 이후, 스위칭부(160)는 상기 제4 시점인 t4에서 상기 마지막 시점인 t5 사이에서, 도 3에 도시된 그림과 같이, 상기 제1 NMOS(Q1)의 오프 상태를 유지시키고, 상기 제2 NMOS(Q2)의 오프 상태도 유지시키며, 상기 제3 NMOS(Q3)의 오프 상태를 유지시키고, 상기 제4 NMOS(Q4)를 오프시킬 수 있다.
이렇게 되면, 상기 배터리 충전 장치(100)에서는 도면부호 415에 도시된 그림과 같이, 역률 보상부(110)에서 기존 스위칭 상태와 동일한 회로 동작을 유지하게 됨에 따라, iLB 전류가 계속 감소하게 된다. 그리고, 컨버터부(120)에서는 상기 제4 NMOS(Q4)가 턴 오프되어, 상기 제4 NMOS(Q4)의 기생 커패시터에 전하가 충전되고, 상기 제4 NMOS(Q4)에 인가되는 전압이 상승하게 된다. 이때, 상기 제3 NMOS(Q3)에서는 공진 전류로 인해 상기 제3 NMOS(Q3)의 기생 커패시터가 영전압으로 방전된 후 기생 다이오드가 도통된다. 그리고, 공진 전류와 자화 전류의 크기가 같아지며, 2차측 정류부(140)로 공진 전류를 전달하지 못하게 되어, 해당 구간 동안 2차측 정류부(140)에서 정류된 전류 irec는 영전류 상태가 된다.
이렇게, 스위칭부(160)는 상기 외부 교류 전원(VAC)을 통해 상기 배터리 충전 장치(100)에 양의 교류 전압이 인가되는 구간 동안, 상기 주기인 T시간 간격으로, 상기 제1 스위칭 제어 방식에 따라 상기 제1 NMOS(Q1), 상기 제2 NMOS(Q2), 상기 제3 NMOS(Q3), 상기 제4 NMOS(Q4)에 대한 온/오프 스위칭을 반복 수행할 수 있다.
다음으로, 도 5와 도 6을 참조하여, 상기 외부 교류 전원(VAC)을 통해 상기 배터리 충전 장치(100)에 음의 교류 전압이 인가되는 경우의 동작에 대해 설명하기로 한다.
스위칭부(160)는 도 5에 도시된 그림과 같이, 사전 설정된 주기인 T시간을, 상기 주기의 초기 시점인 t0로부터 시간순으로 제1 시점인 t1, 제2 시점인 t2, 제3 시점인 t3, 제4 시점인 t4 및 상기 주기의 마지막 시점인 t5로 구분하되, 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제1 시점인 t1 사이의 시간과 상기 제2 시점인 t2와 상기 제4 시점인 t4 사이의 시간을 서로 동일하게 구성할 수 있다.
이때, 스위칭부(160)는 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제1 시점인 t1 사이에서, 도 5에 도시된 그림과 같이, 상기 제1 NMOS(Q1)를 온시키고, 상기 제2 NMOS(Q2)는 오프시키며, 상기 제3 NMOS(Q3)를 온시키고, 상기 제4 NMOS(Q4)를 오프시킬 수 있다.
이렇게 되면, 상기 배터리 충전 장치(100)에서는 도면부호 611에 도시된 그림과 같이, 상기 부스터 인덕터(LB)에 상기 외부 교류 전원(VAC)의 입력 전압이 인가되고, 상기 부스트 인덕터(LB)의 전류 iLB가 '상기 제1 NMOS(Q1) ~ 상기 제1 다이오드(D1)'의 경로를 따라 흐르게 되며, iLB의 크기가 증가하게 된다. 그리고, 상기 제2 NMOS(Q2)와 상기 제2 다이오드(D2)에는 상기 역률 보상 커패시터(CPFC)의 충전 전압(VPFC)이 역 바이어스됨에 따라, 턴 오프 상태가 유지되고, 상기 역률 보상 커패시터(CPFC) 방면으로 전류가 흐르지 않게 된다. 한편, 컨버터부(120)에서는 상기 제3 NMOS(Q3)가 온 상태가 되기 때문에, 1차측 공진탱크에 상기 역률 보상 커패시터(CPFC)의 충전 전압(VPFC)이 인가되어 공진 전류가 흐르게 되며, 2차측 정류부(140)로 공진 전류가 전달된다.
그 이후, 스위칭부(160)는 상기 제1 시점인 t1에서 상기 제2 시점인 t2 사이에서, 도 5에 도시된 그림과 같이, 상기 제1 NMOS(Q1)의 온 상태를 유지시키고, 상기 제2 NMOS(Q2)의 오프 상태를 유지시키며, 상기 제3 NMOS(Q3)를 오프시키고, 상기 제4 NMOS(Q4)도 오프시킬 수 있다.
이렇게 되면, 상기 배터리 충전 장치(100)에서는 도면부호 612에 도시된 그림과 같이, 역률 보상부(110)에서 기존 스위칭 상태와 동일한 회로 동작을 유지하게 됨에 따라, iLB 전류가 계속 증가하게 된다. 그리고, 컨버터부(120)에서는 상기 제3 NMOS(Q3)가 턴 오프되어, 상기 제3 NMOS(Q3)의 기생 커패시터에 전하가 충전되고, 상기 제3 NMOS(Q3)에 인가되는 전압이 상승하게 된다. 이때, 상기 제4 NMOS(Q4)에서는 공진 전류로 인해 상기 제4 NMOS(Q4)의 기생 커패시터가 영전압으로 방전된 후 기생 다이오드가 도통된다. 그리고, 공진 전류와 자화 전류의 크기가 같아지며, 2차측 정류부(140)로 공진 전류를 전달하지 못하게 되어, 해당 구간 동안 2차측 정류부(140)에서 정류된 전류 irec는 영전류 상태가 된다.
그 이후, 스위칭부(160)는 상기 제2 시점인 t2에서 상기 제3 시점인 t3 사이에서, 도 5에 도시된 그림과 같이, 상기 제1 NMOS(Q1)의 온 상태를 유지시키고, 상기 제2 NMOS(Q2)의 오프 상태를 유지시키며, 상기 제3 NMOS(Q3)의 오프 상태를 유지시키고, 상기 제4 NMOS(Q4)를 온시킬 수 있다.
이렇게 되면, 상기 배터리 충전 장치(100)에서는 도면부호 613에 도시된 그림과 같이, 역률 보상부(110)에서 기존 스위칭 상태와 동일한 회로 동작을 유지하게 됨에 따라, iLB 전류가 계속 증가하게 된다. 그리고, 컨버터부(120)에서는 상기 제4 NMOS(Q4)의 기생 다이오드가 기존에 도통된 상태에서 턴 온하게 되고, 상기 공진 커패시터(Cr)의 전압이 상기 공진 인덕터(Lr)과 상기 자화 인덕터(Lm)에 음의 전압으로 인가됨에 따라, 공진 전류가 형성되고, 2차측 정류부(140)로 공진 전류를 전달하게 된다.
그 이후, 스위칭부(160)는 상기 제3 시점인 t3에서 상기 제4 시점인 t4 사이에서, 도 5에 도시된 그림과 같이, 상기 제1 NMOS(Q1)를 오프시키고, 상기 제2 NMOS(Q2)의 오프 상태를 유지시키며, 상기 제3 NMOS(Q3)의 오프 상태를 유지시키고, 상기 제4 NMOS(Q4)의 온 상태를 유지시킬 수 있다.
이렇게 되면, 상기 배터리 충전 장치(100)에서는 도면부호 614에 도시된 그림과 같이, 컨버터부(120)에서 기존 스위칭 상태와 동일한 회로 동작을 유지하게 됨에 따라, 2차측으로 공진 전류를 전달하게 된다. 그리고, 역률 보상부(110)에서는 상기 제1 NMOS(Q1)가 턴 오프되어, 상기 제1 NMOS(Q1)의 기생 커패시터에 전하가 충전되고, 상기 제1 NMOS(Q1)에 인가되는 전압이 상승하게 된다. 이때, 상기 제2 NMOS(Q2)에서는 상기 부스터 인덕터(LB)의 전류 iLB에 의해 상기 제2 NMOS(Q2)의 기생 커패시터가 영전압으로 방전된 후 기생 다이오드가 도통된다. 이로 인해 iLB는 '상기 제2 NMOS(Q2)의 기생 다이오드 ~ 상기 역률 보상 커패시터(CPFC) ~ 상기 제1 다이오드(D1)'의 경로를 따라 흐르게 되며, 이에 따라, 상기 역률 보상 커패시터(CPFC)가 충전되고, iLB의 크기는 감소하게 된다.
그 이후, 스위칭부(160)는 상기 제4 시점인 t4에서 상기 마지막 시점인 t5 사이에서, 도 5에 도시된 그림과 같이, 상기 제1 NMOS(Q1)의 오프 상태를 유지시키고, 상기 제2 NMOS(Q2)의 오프 상태도 유지시키며, 상기 제3 NMOS(Q3)의 오프 상태를 유지시키고, 상기 제4 NMOS(Q4)를 오프시킬 수 있다.
이렇게 되면, 상기 배터리 충전 장치(100)에서는 도면부호 615에 도시된 그림과 같이, 역률 보상부(110)에서 기존 스위칭 상태와 동일한 회로 동작을 유지하게 됨에 따라, iLB 전류가 계속 감소하게 된다. 그리고, 컨버터부(120)에서는 상기 제4 NMOS(Q4)가 턴 오프되어, 상기 제4 NMOS(Q4)의 기생 커패시터에 전하가 충전되고, 상기 제4 NMOS(Q4)에 인가되는 전압이 상승하게 된다. 이때, 상기 제3 NMOS(Q3)에서는 공진 전류로 인해 상기 제3 NMOS(Q3)의 기생 커패시터가 영전압으로 방전된 후 기생 다이오드가 도통된다. 그리고, 공진 전류와 자화 전류의 크기가 같아지며, 2차측 정류부(140)로 공진 전류를 전달하지 못하게 되어, 해당 구간 동안 2차측 정류부(140)에서 정류된 전류 irec는 영전류 상태가 된다.
이렇게, 스위칭부(160)는 상기 외부 교류 전원(VAC)을 통해 상기 배터리 충전 장치(100)에 음의 교류 전압이 인가되는 구간 동안, 상기 주기인 T시간 간격으로, 상기 제2 스위칭 제어 방식에 따라 상기 제1 NMOS(Q1), 상기 제2 NMOS(Q2), 상기 제3 NMOS(Q3), 상기 제4 NMOS(Q4)에 대한 온/오프 스위칭을 반복 수행할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 스위칭부(160)는 상기 제1 NMOS(Q1), 상기 제2 NMOS(Q2), 상기 제3 NMOS(Q3), 상기 제4 NMOS(Q4)의 게이트에, 입력 교류 전압이 양의 전압일 때와 음의 전압일 때에 따라, 도 3 또는 도 5에 도시된 파형을 갖는 PWM 제어 신호를 각각 인가함으로써, 상기 제1 NMOS(Q1), 상기 제2 NMOS(Q2), 상기 제3 NMOS(Q3), 상기 제4 NMOS(Q4)의 온/오프 스위칭을 제어할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 배터리 충전 장치
110: 역률 보상부
120: 컨버터부
130: 전환 스위치
140: 정류부
150: 스위치 제어부
160: 스위칭부

Claims (3)

  1. 배터리 충전 장치(100)에 있어서,
    제1 NMOS(Q1)의 소스(source)와 제2 NMOS(Q2)의 드레인(drain)이 제1 노드(11)에서 연결되고, 제1 다이오드(D1)의 애노드(Anode)와 제2 다이오드(D2)의 캐소드(Cathode)가 제2 노드(12)에서 연결되며, 제1 NMOS(Q1)의 드레인과 상기 제1 다이오드(D1)의 캐소드가 제3 노드(13)에서 연결되고, 상기 제2 NMOS(Q2)의 소스와 상기 제2 다이오드(D2)의 애노드가 제4 노드(14)에서 연결되고, 상기 제3 노드(13)와 상기 제4 노드(14) 사이에 역률 보상 커패시터(CPFC)가 연결되고, 상기 제1 노드(11)에 부스터 인덕터(LB)의 일측이 연결되고, 상기 제2 노드(12)에 외부 교류 전원(VAC)의 일측이 연결된 역률 보상부(110);
    제3 NMOS(Q3)의 소스와 제4 NMOS(Q4)의 드레인이 제5 노드(15)에서 연결되고, 상기 제3 NMOS(Q3)의 드레인이 상기 제3 노드(13)에 연결되며, 상기 제4 NMOS(Q4)의 소스가 상기 제4 노드(14)에 연결되고, 상기 제5 노드(15)와 상기 제4 노드(14) 사이에서 자화 인덕터(Lm)를 갖는 변압기(TR)와, 공진 인덕터(Lr) 및 공진 커패시터(Cr)가 직렬로 연결되고, 상기 제5 노드(15)에 보호 저항(NTC)의 일측이 연결된 컨버터부(120);
    상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측에 연결되어, 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 부스터 인덕터(LB)의 타측을 서로 연결시키거나, 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 보호 저항(NTC)의 타측을 서로 연결시키기는 전환 스위치(130);
    상기 변압기(TR)를 통해 출력되는 2차측 교류 전압을 충전용 배터리로 공급할 직류 전압으로 정류하는 정류부(140); 및
    상기 외부 교류 전원(VAC)이 온 상태로 전환됨에 따라, 상기 외부 교류 전원(VAC)을 통해 상기 배터리 충전 장치(100)에 교류 전압이 인가되기 시작하면, 상기 역률 보상 커패시터(CPFC)의 충전 전압(VPFC)이 사전 설정된 기준 전압이 될 때까지 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 보호 저항(NTC)의 타측이 서로 연결되도록 상기 전환 스위치(130)를 제어한 후, 상기 역률 보상 커패시터(CPFC)의 충전 전압(VPFC)이 상기 기준 전압에 도달하는 경우, 상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 부스터 인덕터(LB)의 타측이 서로 연결되도록 상기 전환 스위치(130)를 제어함으로써, 상기 정류부(140)를 통해 상기 충전용 배터리로 공급할 직류 전압이 출력되도록 제어하는 스위치 제어부(150)
    를 포함하는 배터리 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 부스터 인덕터(LB)의 타측이 서로 연결되도록 상기 전환 스위치(130)가 제어된 이후, 상기 외부 교류 전원(VAC)을 통해 상기 배터리 충전 장치(100)에 양의 교류 전압이 인가되면, 사전 설정된 주기인 T시간 간격으로, 하기의 제1 스위칭 제어 방식에 따라 상기 제1 NMOS(Q1), 상기 제2 NMOS(Q2), 상기 제3 NMOS(Q3), 상기 제4 NMOS(Q4)에 대한 온/오프 스위칭을 반복 수행하는 스위칭부(160)
    를 더 포함하는 배터리 충전 장치
    [제1 스위칭 제어 방식]
    (1) 상기 주기인 T시간을, 상기 주기의 초기 시점인 t0로부터 시간순으로 제1 시점인 t1, 제2 시점인 t2, 제3 시점인 t3, 제4 시점인 t4 및 상기 주기의 마지막 시점인 t5로 구분하되, 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제1 시점인 t1 사이의 시간과 상기 제2 시점인 t2와 상기 제4 시점인 t4 사이의 시간을 서로 동일하게 구성함
    (2) 상기 제1 NMOS(Q1)에 대해서는 상기 초기 시점인 t0에서 상기 마지막 시점인 t5까지 오프시킴
    (3) 상기 제2 NMOS(Q2)에 대해서는 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제3 시점인 t3까지 온시키고, 상기 제3 시점인 t3에서 상기 마지막 시점인 t5까지 오프시킴
    (4) 상기 제3 NMOS(Q3)에 대해서는 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제1 시점인 t1까지 온시키고, 상기 제1 시점인 t1에서 상기 마지막 시점인 t5까지 오프시킴
    (5) 상기 제4 NMOS(Q4)에 대해서는 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제2 시점인 t2까지 오프시키고, 상기 제2 시점인 t2에서 상기 제4 시점인 t4까지 온시킨 후 상기 제4 시점인 t4에서 상기 마지막 시점인 t5까지 오프시킴
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스위칭부(160)는
    상기 외부 교류 전원(VAC)의 타측과 상기 부스터 인덕터(LB)의 타측이 서로 연결되도록 상기 전환 스위치(130)가 제어된 이후, 상기 외부 교류 전원(VAC)을 통해 상기 배터리 충전 장치(100)에 음의 교류 전압이 인가되면, 상기 주기인 T시간 간격으로, 하기의 제2 스위칭 제어 방식에 따라 상기 제1 NMOS(Q1), 상기 제2 NMOS(Q2), 상기 제3 NMOS(Q3), 상기 제4 NMOS(Q4)에 대한 온/오프 스위칭을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치
    [제2 스위칭 제어 방식]
    (1) 상기 주기인 T시간을, 상기 주기의 초기 시점인 t0로부터 시간순으로 상기 제1 시점인 t1, 상기 제2 시점인 t2, 상기 제3 시점인 t3, 상기 제4 시점인 t4 및 상기 주기의 마지막 시점인 t5로 구분하되, 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제1 시점인 t1 사이의 시간과 상기 제2 시점인 t2와 상기 제4 시점인 t4 사이의 시간을 서로 동일하게 구성함
    (2) 상기 제1 NMOS(Q1)에 대해서는 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제3 시점인 t3까지 온시키고, 상기 제3 시점인 t3에서 상기 마지막 시점인 t5까지 오프시킴
    (3) 상기 제2 NMOS(Q2)에 대해서는 상기 초기 시점인 t0에서 상기 마지막 시점인 t5까지 오프시킴
    (4) 상기 제3 NMOS(Q3)에 대해서는 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제1 시점인 t1까지 온시키고, 상기 제1 시점인 t1에서 상기 마지막 시점인 t5까지 오프시킴
    (5) 상기 제4 NMOS(Q4)에 대해서는 상기 초기 시점인 t0에서 상기 제2 시점인 t2까지 오프시키고, 상기 제2 시점인 t2에서 상기 제4 시점인 t4까지 온시킨 후 상기 제4 시점인 t4에서 상기 마지막 시점인 t5까지 오프시킴
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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