KR102476007B1

KR102476007B1 - 탑재형 충전기 및 그 구동방법

Info

Publication number: KR102476007B1
Application number: KR1020200147488A
Authority: KR
Inventors: 김재국; 김지연
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2020-11-06
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2022-12-08
Also published as: KR20220061472A

Abstract

본 발명은, 제1 및 제2입력단자를 통하여 입력 받은 입력전압을 직류전압으로 변환하여 제1 및 제2출력단자를 통하여 출력하는 컨버터와; 상기 제1출력단자와 배터리의 중간단자에 연결되는 제1충전스위치와; 상기 제2출력단자와 상기 배터리의 상기 중간단자에 연결되는 제2충전스위치와; 상기 제1출력단자 및 상기 제1충전스위치와 상기 배터리의 양극단자에 연결되는 제3충전스위치와; 상기 제2출력단자 및 상기 제2충전스위치와 상기 배터리의 음극단자에 연결되는 제4충전스위치를 포함하는 탑재형 충전기를 제공한다.

Description

탑재형 충전기 및 그 구동방법 {On Board Charger And Method Of Driving The Same}

본 발명은 충전기에 관한 것으로, 특히 4개의 충전스위치에 의하여 출력전압이 2쌍의 출력단자로부터 순차적으로 출력되는 탑재형 충전기 및 그 구동방법에 관한 것이다.

최근 화석연료 등에 의한 지구 온난화로 인하여 전기자동차에 대한 관심이 지속적으로 증가하고 있다.

그러나, 전기자동차는, 충전시간이 상대적으로 길고, 주행거리가 상대적으로 짧다는 단점이 있다.

이러한 단점을 개선하기 위하여, 전기자동차에 사용되는 400V의 배터리를 800V의 배터리로 변경하는 추세이다.

배터리의 총 전압이 증가하면, 동일 전류로 배터리를 충전할 경우 충전전력이 증가하여 충전시간을 감소시킬 수 있고, 동일 충전전력으로 충전할 경우 충전전류가 감소하여 배선 사이즈를 감소시키고 효율 및 전력밀도를 증가시킬 수 있다.

한편, 전기자동차는 충전을 위하여 탑재형 충전기(on board charger: OBC)를 내장하고 있는데, 이를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 종래의 탑재형 충전기를 도시한 도면이고, 도 2는 종래의 탑재형 충전기의 다수의 전압 및 전류를 도시한 파형도이다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 종래의 탑재형 충전기(10)는 입력전압(Vi)을 이용하여 출력전압(Vo)을 출력하고, 배터리(BA)는 출력전압(Vo)에 의하여 충전된다.

이를 위하여, 탑재형 충전기(10)는, 제1 내지 제4컨버터스위치(Q1 내지 Q4), 제1커패시터(C1), 제1 및 제2인덕터(L1, L2), 변압기(Np, Ns), 제1 내지 제4다이오드(D1 내지 D4)를 포함하는데, 제1 내지 제4컨버터스위치(Q1 내지 Q4), 제1커패시터(C1), 제1 및 제2인덕터(L1, L2)는 변압기(Np, Ns)의 1차측코일(Np)에 연결되는 입력부를 구성하고, 제1 내지 제4다이오드(D1 내지 D4)는 변압기(Np, Ns)의 2차측코일(Ns)에 연결되는 출력부를 구성한다.

제1 내지 제4컨버터스위치(Q1 내지 Q4)는 트랜지스터(transistor) 일 수 있다.

이러한 탑재형 충전기(10)는, 제1 및 제2시간구간(TP1, TP2)으로 구분되어 교번 구동된다.

즉, 제1시간구간(TP1) 동안, 제1 및 제4컨버터스위치(Q1, Q4)의 게이트에는 각각 하이레벨의 제1 및 제4게이트-소스 전압(Vgs_Q1, Vgs_Q4)이 인가되어 제1 및 제4컨버터스위치(Q1, Q4)는 각각 온(on) 되고, 제2 및 제3컨버터스위치(Q2, Q3)의 게이트에는 각각 로우레벨의 제2 및 제3게이트-소스 전압(Vgs_Q2, Vgs_Q3)이 인가되어 제2 및 제3컨버터스위치(Q2, Q3)는 각각 오프(off) 된다.

그리고, 제1 및 제4컨버터스위치(Q1, Q4)의 제1 및 제4드레인-소스 전압(Vds_Q1, Vds_Q4)은 각각 로우레벨이 되고 제1 및 제4컨버터스위치(Q1, Q4)에는 각각 음에서 양으로 증가하는 제1 및 제4컨버터전류(IQ1, IQ4)가 흐르고, 제2 및 제3컨버터스위치(Q2, Q3)의 제2 및 제3드레인-소스 전압(Vds_Q2, Vds_Q3)은 각각 하이레벨이 되고 제2 및 제3컨버터스위치(Q2, Q3)의 제2 및 제3컨버터전류(IQ2, IQ3)는 각각 0으로 유지된다.

또한, 제1 및 제2인덕터(L1, L2)에는 각각 음에서 양으로 증가하는 제1 및 제2인덕터전류(IL1, IL2)가 흐른다.

그리고, 제1 및 제4다이오드(D1, D4)는 각각 온 되어 제1 및 제4다이오드(D1, D4)의 제1 및 제4다이오드전압(VD1, VD4)은 각각 로우레벨이 되고, 제2 및 제3다이오드(D2, D3)는 각각 오프 되어 제2 및 제3다이오드(D2, D3)의 제2 및 제3다이오드전압(VD2, VD3)은 각각 하이레벨이 된다.

이에 따라, 탑재형 충전기(10)는, 하이레벨의 출력전압(Vo)으로 배터리(BA)를 충전한다.

한편, 제2시간구간(TP2) 동안, 제1 및 제4컨버터스위치(Q1, Q4)의 게이트에는 각각 로우레벨의 제1 및 제4게이트-소스 전압(Vgs_Q1, Vgs_Q4)이 인가되어 제1 및 제4컨버터스위치(Q1, Q4)는 각각 오프 되고, 제2 및 제3컨버터스위치(Q2, Q3)의 게이트에는 각각 하이레벨의 제2 및 제3게이트-소스 전압(Vgs_Q2, Vgs_Q3)이 인가되어 제2 및 제3컨버터스위치(Q2, Q3)는 각각 온 된다.

그리고, 제1 및 제4컨버터스위치(Q1, Q4)의 제1 및 제4드레인-소스 전압(Vds_Q1, Vds_Q4)은 각각 하이레벨이 되고 제1 및 제4컨버터스위치(Q1, Q4)의 제1 및 제4컨버터전류(IQ1, IQ4)는 각각 0으로 유지되고, 제2 및 제3컨버터스위치(Q2, Q3)의 제2 및 제3드레인-소스 전압(Vds_Q2, Vds_Q3)은 각각 로우레벨이 되고 제2 및 제3컨버터스위치(Q2, Q3)에는 각각 음에서 양으로 증가하는 제2 및 제3컨버터전류(IQ2, IQ3)가 흐른다.

또한, 제1 및 제2인덕터(L1, L2)에는 각각 양에서 음으로 감소하는 제1 및 제2인덕터전류(IL1, IL2)가 흐른다.

그리고, 제1 및 제4다이오드(D1, D4)는 각각 오프 되어 제1 및 제4다이오드(D1, D4)의 제1 및 제4다이오드전압(VD1, VD4)은 각각 하이레벨이 되고, 제2 및 제3다이오드(D2, D3)는 각각 온 되어 제2 및 제3다이오드(D2, D3)의 제2 및 제3다이오드전압(VD2, VD3)은 각각 로우레벨이 된다.

여기서, 입력전압(Vi)은 약 400V이고, 제1 내지 제4컨버터스위치(Q1 내지 Q4)의 스위칭 주파수는 약 78.3kHz이고, 출력전압(Vo)은 약 800V이고, 제1커패시터(C1)는 약 0.147μF이고, 제1인덕터(L1)는 약 17.23μH이고, 제2인덕터(L2)는 약 68.92μH이고, 1차측코일(Np) 및 2차측코일(Ns)의 권선비(turns ratio)는 약 0.615:1 일 수 있다.

이에 따라, 탑재형 중천기(10)에서는, 제1 내지 제4다이오드(D1 내지 D4)가 하이레벨의 출력전압(Vo)으로 클램핑(clamping) 되어 배터리(BA)를 하이레벨의 출력전압(Vo)으로 충전한다.

그런데, 총 전압이 증가한 배터리(BA)를 충전하기 위하여, 종래의 탑재형 충전기(10)의 출력전압(Vo)을 증가시킬 경우, 제1 내지 제4다이오드(D1 내지 D2)에 대한 전압 스트레스가 증가하므로, 전압 스트레스에 대한 내구성이 상대적으로 높은 다이오드를 사용하여야 하는데, 전압 스트레스에 대한 내구성이 상대적으로 높은 다이오드는 상대적으로 높은 온 저항을 가지므로, 소자효율이 저하되는 문제가 있다.

그리고, 종래의 탑재형 충전기(10)의 출력전압(Vo)을 증가시킬 경우, 입력부 및 출력부를 재설계 하여야 하므로, 개발비용이 증가하는 문제가 있다.

본 발명은, 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 변압기의 출력부에 4개의 충전스위치를 추가하여 증가된 출력전압을 배터리에 공급함으로써, 소자효율이 향상되고 개발비용이 절감되는 탑재형 충전기 및 그 구동방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 제1 및 제2입력단자를 통하여 입력 받은 입력전압을 직류전압으로 변환하여 제1 및 제2출력단자를 통하여 출력하는 컨버터와; 상기 제1출력단자와 배터리의 중간단자에 연결되는 제1충전스위치와; 상기 제2출력단자와 상기 배터리의 상기 중간단자에 연결되는 제2충전스위치와; 상기 제1출력단자 및 상기 제1충전스위치와 상기 배터리의 양극단자에 연결되는 제3충전스위치와; 상기 제2출력단자 및 상기 제2충전스위치와 상기 배터리의 음극단자에 연결되는 제4충전스위치를 포함하는 탑재형 충전기를 제공한다.

그리고, 상기 제1 및 제4충전스위치가 온 되는 동안 상기 제2 및 제3충전스위치는 오프 되고, 상기 제1 및 제4충전스위치가 오프 되는 동안 상기 제2 및 제3충전스위치는 온 될 수 있다.

또한, 상기 배터리는 서로 직렬로 연결되는 제1 및 제2배터리부를 포함하고, 상기 배터리의 상기 중간단자는 상기 제1 및 제2배터리부의 연결노드 일 수 있다.

그리고, 상기 직류전압은, 온 되어 있는 상기 제1 및 제4충전스위치를 통하여 상기 제2배터리부에 공급되고, 온 되어 있는 상기 제2 및 제3충전스위치를 통하여 상기 제1배터리부에 공급될 수 있다.

또한, 상기 컨버터는, 상기 제1 및 제2입력단자에 각각 연결되는 제1 및 제2컨버터스위치와; 상기 제1 및 제2컨버터스위치에 연결되는 제1커패시터와; 상기 제1커패시터에 직렬로 연결되는 제1 및 제2인덕터와; 상기 제1 및 제2컨버터스위치에 각각 연결되는 제3 및 제4컨버터스위치와; 상기 제2인덕터와 상기 제3 및 제4컨버터스위치에 연결되는 변압기와; 상기 변압기와 상기 출력단자에 연결되는 제1 내지 제4다이오드를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명은, 컨버터가 제1 및 제2입력단자를 통하여 입력 받은 입력전압을 직류전압으로 변환하여 제1 및 제2출력단자를 통하여 출력하는 단계와; 상기 제1출력단자에 연결되는 제1충전스위치를 온 하고, 상기 제2출력단자에 연결되는 제2충전스위치를 오프 하고, 상기 제1출력단자에 연결되는 제3충전스위치를 오프 하고, 상기 제2출력단자에 연결되는 제4충전스위치를 온 하여, 상기 직류전압을 상기 제1 및 제4충전스위치를 통하여 배터리의 제2배터리부에 공급하는 단계와; 상기 제1충전스위치를 오프 하고, 상기 제2충전스위치를 온 하고, 상기 제3충전스위치를 온 하고, 상기 제4충전스위치를 오프 하여, 상기 직류전압을 상기 제2 및 제3충전스위치를 통하여 상기 배터리의 제1배터리부에 공급하는 단계를 포함하는 탑재형 충전기의 구동방법을 제공한다.

그리고, 상기 제1 및 제2배터리부는 서로 직렬로 연결되고, 상기 제1배터리부의 양극단자는 상기 제3충전스위치에 연결되고, 상기 제1 및 제2배터리부 사이의 연결노드는 상기 제1 및 제2충전스위치의 연결노드에 연결되고, 제2배터리부의 음극단자는 상기 제4충전스위치에 연결될 수 있다.

본 발명은, 변압기의 출력부에 4개의 충전스위치를 추가하여 증가된 출력전압을 배터리에 공급함으로써, 소자효율이 향상되고 개발비용이 절감되는 효과를 갖는다.

도 1은 종래의 탑재형 충전기를 도시한 도면.
도 2는 종래의 탑재형 충전기의 다수의 전압 및 전류를 도시한 파형도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탑재형 충전기를 도시한 도면.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 탑재형 충전기의 제1 및 제2시간구간의 동작상태를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 탑재형 충전기를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 탑재형 충전기의 다수의 전압 및 전류를 도시한 파형도.

이하, 본 발명의 구체적인 내용을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탑재형 충전기를 도시한 도면이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 탑재형 충전기(110)는 입력전압(Vi)을 이용하여 총 출력전압(Vo)을 출력하고, 직렬 연결된 제1 및 제2배터리부(B1, B2)를 포함하는 배터리(BA)는 총 출력전압(Vo)에 의하여 충전된다.

이를 위하여, 탑재형 충전기(110)는, 컨버터(CNV), 제 1 내지 제4충전스위치(S1 내지 S4)를 포함한다.

컨버터(CNV)는, 제1 및 제2입력단자를 통하여 입력전압(Vi)을 입력 받고, 입력전압(Vi)을 상이한 크기의 직류전압으로 변환하고, 변환된 직류전압을 제1 및 제2출력단자을 통하여 출력한다.

제1 내지 제4충전스위치(S1 내지 S4)는, 컨버터(CNV)로부터 출력되는 직류전압을 이용하여 배터리(BA)의 제1 및 제2배터리부(B1, B2)에 각각 제1 및 제2출력전압(Vo1, Vo2)을 순차적으로 공급한다.

제1 및 제2배터리부(B1, B2)는 각각 양극단자 및 음극단자를 갖고, 제1배터리부(B1)의 양극단자와 제2배터리부(B2)의 음극단자는 각각 배터리(BA)의 양극단자 및 음극단자를 구성하고, 제1배터리부(B1)의 음극단자와 제2배터리부(B2)의 양극단자는 서로 연결되어 배터리(BA)의 중간단자를 구성한다.

즉, 제1 및 제2배터리부(B1, B2)의 연결노드는 배터리(BA)의 중간단자를 구성한다.

제1충전스위치(S1)의 제1단자는 컨버터(CNV)의 제1출력단자와 제3충전스위치(S3)의 제1단자에 연결되고, 제1충전스위치(S1)의 제2단자는 제2충전스위치(S2)의 제1단자와 제1배터리부(B1)의 음극단자와 제2배터리부(B2)의 양극단자에 연결된다.

제2충전스위치(S2)의 제1단자는 제1충전스위치(S1)의 제2단자와 제1배터리부(B1)의 음극단자와 제2배터리부(B2)의 양극단자에 연결되고, 제2충전스위치(S2)의 제2단자는 컨버터(CNV)의 제2출력단자와 제4충전스위치(S4)의 제1단자에 연결된다.

제3충전스위치(S3)의 제1단자는 컨버터(CNV)의 제1출력단자와 제1충전스위치(S1)의 제1단자에 연결되고, 제3충전스위치(S3)의 제2단자는 제1배터리부(B1)의 양극단자에 연결된다.

제4충전스위치(S4)의 제1단자는 컨버터(CNV)의 제2출력단자와 제2충전스위치(S2)의 제2단자에 연결되고, 제4충전스위치(S4)의 제2단자는 제2배터리부(B2)의 음극단자에 연결된다.

예를 들어, 제1 내지 제4충전스위치(S1 내지 S4)는 게이트, 소스 및 드레인을 갖는 트랜지스터(transistor) 일 수 있다.

이에 따라, 탑재형 충전기(110)는, 제1 및 제2출력전압(Vo1, Vo2)의 합에 대응되는 총 출력전압(Vo)으로 제1 및 제2배터리부(B1, B2)를 포함하는 배터리(BA)를 충전한다.

여기서, 탑재형 충전기(110)의 제1 내지 제4충전스위치(S1 내지 S4)는, 제1 및 제2시간구간(TP1, TP2)으로 구분되어, 제1 및 제4충전스위치(S1, S4)가 온 되는 동안 제2 및 제3충전스위치(S2, S3)가 오프 되고 제1 및 제4충전스위치(S1, S4)가 오프 되는 동안 제2 및 제3충전스위치(S2, S3)가 온 되어, 제1 및 제4충전스위치(S1, S4)와 제2 및 제3충전스위치(S2, S3)의 2쌍이 상호보완적으로 스위칭 된다.

도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 탑재형 충전기의 제1 및 제2시간구간의 동작상태를 도시한 도면으로, 도 3을 함께 참조하여 설명한다.

도 3의 입력전압(Vi)과 컨버터(CNV)는 등가적으로 도 4a 및 도 4b의 직류 입력전류(Ii)로 표현할 수 있다.

도 4a에 도시한 바와 같이, 제1시간구간(TP1) 동안, 제1 및 제4충전스위치(S1, S4)는 온(on) 되고, 제2 및 제3충전스위치(S2, S3)는 오프(off) 되어, 입력전류(Ii), 제1충전스위치(S1), 배터리(BA)의 제2배터리부(B2), 제4충전스위치(S4)가 폐회로를 구성하고, 배터리(BA)의 제2배터리부(B2)는 제2출력전압(Vo2)에 의하여 충전된다.

즉, 제1시간구간(TP1) 동안, 제1 및 제4충전스위치(S1, S4)의 게이트에는 각각 하이레벨의 제1 및 제4게이트-소스 전압(Vgs_S1, Vgs_S4)이 인가되어 제1 및 제4충전스위치(S1, S4)는 각각 온 되고, 제2 및 제3충전스위치(S2, S3)의 게이트에는 각각 로우레벨의 제2 및 제3게이트-소스 전압(Vgs_S2, Vgs_S3)이 인가되어 제2 및 제3충전스위치(S2, S3)는 각각 오프 된다.

그리고, 제1충전스위치(S1)의 제1드레인-소스 전압(Vds_S1)은 로우레벨이 되고 제1 및 제4충전스위치(S1, S4)에는 각각 입력전류(Ii)에 대응되는 제1충전전류(IS1)가 흐르고, 제2충전스위치(S2)의 제2드레인-소스 전압(Vds_S2)은 제2출력전압(Vo2)에 대응되는 하이레벨이 되고 제2 및 제3충전스위치(S2, S3)의 제2 및 제3충전전류(IS2, IS3)는 각각 0으로 유지된다.

이에 따라, 탑재형 충전기(110)는, 제1시간구간(TP1) 동안 하이레벨의 제2출력전압(Vo2)으로 배터리(BA)의 제2배터리부(B2)를 충전한다.

도 4b에 도시한 바와 같이, 제2시간구간(TP2) 동안, 제1 및 제4충전스위치(S1, S4)는 오프 되고, 제2 및 제3충전스위치(S2, S3)는 온 되어, 입력전류(Ii), 제3충전스위치(S3), 배터리(BA)의 제1배터리부(B1), 제2충전스위치(S2)가 폐회로를 구성하고, 배터리(BA)의 제1배터리부(B1)는 제1출력전압(Vo1)에 의하여 충전된다.

즉, 제2시간구간(TP2) 동안, 제1 및 제4충전스위치(S1, S4)의 게이트에는 각각 로우레벨의 제1 및 제4게이트-소스 전압(Vgs_S1, Vgs_S4)이 인가되어 제1 및 제4충전스위치(S1, S4)는 각각 오프 되고, 제2 및 제3충전스위치(S2, S3)의 게이트에는 각각 하이레벨의 제2 및 제3게이트-소스 전압(Vgs_S2, Vgs_S3)이 인가되어 제2 및 제3충전스위치(S2, S3)는 각각 온 된다.

그리고, 제1충전스위치(S1)의 제1드레인-소스 전압(Vds_S1)은 제1출력전압(Vo1)에 대응되는 하이레벨이 되고 제1 및 제4충전스위치(S1, S4)의 제1 및 제4충전전류(IS1, IS4)는 각각 0으로 유지되고, 제2충전스위치(S2)의 제2드레인-소스 전압(Vds_S2)은 로우레벨이 되고 제2 및 제3충전스위치(S2, S3)에는 각각 입력전류(Ii)에 대응되는 제2충전전류(IS2)가 흐른다.

이에 따라, 탑재형 충전기(110)는, 제2시간구간(TP2) 동안 하이레벨의 제1출력전압(Vo1)으로 배터리(BA)의 제1배터리부(B1)를 충전한다.

따라서, 탑재형 충전기(110)는, 제1 및 제2시간구간(TP1, TP2) 동안 하이레벨의 제1 및 제2출력전압(Vo1, Vo2)으로 배터리의 제1 및 제2배터리부(B1, B2)를 각각 순차적으로 충전하고, 그 결과 탑재형 충전기(110)는 제1 및 제2출력전압(Vo1, Vo2)의 합인 총 출력전압(Vo=Vo1+Vo2)으로 제1 및 제2배터리부(B1, B2)를 포함하는 배터리(BA)를 충전할 수 있다.

이러한 탑재형 충전기(110)에서는, 영전압 스위칭(zero voltage switching: ZVS)이 가능하고 변압기의 직류 오프셋(offset) 전류가 없어서 높은 효율을 갖는 위상천이 풀브리지 컨버터(phase shift full bridge converter) 또는 LLC 공진 컨버터를 컨버터(CNV)로 사용할 수 있는데, LLC 공진컨버터를 사용하는 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 탑재형 충전기를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 탑재형 충전기의 다수의 전압 및 전류를 도시한 파형도로서, 도 3, 도 4a, 도 4b를 함께 참조하여 설명한다.

도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 탑재형 충전기(110)는 입력전압(Vi)을 이용하여 총 출력전압(Vo)을 출력하고, 직렬 연결된 제1 및 제2배터리부(B1, B2)를 포함하는 배터리(BA)는 총 출력전압(Vo)에 의하여 충전된다.

이를 위하여, 탑재형 충전기(110)는, 제1 내지 제4컨버터스위치(Q1 내지 Q4), 제1커패시터(C1), 제1 및 제2인덕터(L1, L2), 변압기(Np, Ns), 제1 내지 제4다이오드(D1 내지 D4), 제1 내지 제4충전스위치(S1 내지 S4)를 포함하는데, 제1 내지 제4컨버터스위치(Q1 내지 Q4), 제1커패시터(C1), 제1 및 제2인덕터(L1, L2)는 변압기(Np, Ns)의 1차측코일(Np)에 연결되는 입력부를 구성하고, 제1 내지 제4다이오드(D1 내지 D4)는 변압기(Np, Ns)의 2차측코일(Ns)에 연결되는 출력부를 구성하고, 제1 내지 제4충전스위치(S1 내지 S4)는 변압기(Np, Ns)의 출력부에 연결되는 충전부를 구성한다.

제1 내지 제4컨버터스위치(Q1 내지 Q4)와 제1 내지 제4충전스위치(S1 내지 S4)는 각각 트랜지스터(transistor) 일 수 있다.

이러한 탑재형 충전기(110)는, 제1 및 제2시간구간(TP1, TP2)으로 구분되어 교번 구동된다.

그리고, 제1 및 제4컨버터스위치(Q1, Q4)의 제1 및 제4드레인-소스 전압(Vds_Q1, Vds_Q4)은 각각 로우레벨이 되고 제1 및 제4컨버터스위치(Q1, Q4)에는 각각 음에서 양으로 증가하는 제1 및 제4컨버터전류가 흐르고, 제2 및 제3컨버터스위치(Q2, Q3)의 제2 및 제3드레인-소스 전압(Vds_Q2, Vds_Q3)은 각각 하이레벨이 되고 제2 및 제3컨버터스위치(Q2, Q3)의 제2 및 제3컨버터전류는 각각 0으로 유지된다.

또한, 제1 및 제4충전스위치(S1, S4)의 게이트에는 각각 하이레벨의 제1 및 제4게이트-소스 전압(Vgs_S1, Vgs_S4)이 인가되어 제1 및 제4충전스위치(S1, S4)는 각각 온 되고, 제2 및 제3충전스위치(S2, S3)의 게이트에는 각각 로우레벨의 제2 및 제3게이트-소스 전압(Vgs_S2, Vgs_S3)이 인가되어 제2 및 제3충전스위치(S2, S3)는 각각 오프 된다.

그리고, 제1충전스위치(S1)의 제1드레인-소스 전압(Vds_S1)은 로우레벨이 되고 제1 및 제4충전스위치(S1, S4)에는 각각 0에서 증가하다가 감소하는 제1충전전류(IS1)가 흐르고, 제2충전스위치(S2)의 제2드레인-소스 전압(Vds_S2)은 제2출력전압(Vo2)에 대응되는 하이레벨이 되고 제2 및 제3충전스위치(S2, S3)의 제2 및 제3충전전류(IS2, IS3)는 각각 0으로 유지된다.

그리고, 제1 및 제4컨버터스위치(Q1, Q4)의 제1 및 제4드레인-소스 전압(Vds_Q1, Vds_Q4)은 각각 하이레벨이 되고 제1 및 제4컨버터스위치(Q1, Q4)의 제1 및 제4컨버터전류는 각각 0으로 유지되고, 제2 및 제3컨버터스위치(Q2, Q3)의 제2 및 제3드레인-소스 전압(Vds_Q2, Vds_Q3)은 각각 로우레벨이 되고 제2 및 제3컨버터스위치(Q2, Q3)에는 각각 음에서 양으로 증가하는 제2 및 제3컨버터전류가 흐른다.

또한, 제1 및 제4충전스위치(S1, S4)의 게이트에는 각각 로우레벨의 제1 및 제4게이트-소스 전압(Vgs_S1, Vgs_S4)이 인가되어 제1 및 제4충전스위치(S1, S4)는 각각 오프 되고, 제2 및 제3충전스위치(S2, S3)의 게이트에는 각각 하이레벨의 제2 및 제3게이트-소스 전압(Vgs_S2, Vgs_S3)이 인가되어 제2 및 제3충전스위치(S2, S3)는 각각 온 된다.

그리고, 제1충전스위치(S1)의 제1드레인-소스 전압(Vds_S1)은 제1출력전압(Vo1)에 대응되는 하이레벨이 되고 제1 및 제4충전스위치(S1, S4)의 제1 및 제4충전전류(IS1, IS4)는 각각 0으로 유지되고, 제2충전스위치(S2)의 제2드레인-소스 전압(Vds_S2)은 로우레벨이 되고 제2 및 제3충전스위치(S2, S3)에는 각각 0에서 증가하다가 감소하는 제2충전전류(IS2)가 흐른다.

여기서, 입력전압(Vi)은 약 400V이고, 제1 내지 제4컨버터스위치(Q1 내지 Q4)의 스위칭 주파수는 약 93.85kHz이고, 총 출력전압(Vo)은 약 800V이고, 제1커패시터(C1)는 약 0.133μF이고, 제1인덕터(L1)는 약 19.05μH이고, 제2인덕터(L2)는 약 64.77μH이고, 1차측코일(Np) 및 2차측코일(Ns)의 권선비(turns ratio)는 약 1.05:1 일 수 있다.

도 6의 실시예에서는 제1 내지 제4충전스위치(S1 내지 S4)의 스위칭 주파수가 제1 내지 제4컨버터스위치(Q1 내지 Q4)의 스위칭 주파수와 동일한 것을 예로 들었으나, 다른 실시예에서는 제1 내지 제4충전스위치(S1 내지 S4)의 스위칭 주파수가 제1 내지 제4컨버터스위치(Q1 내지 Q4)의 스위칭 주파수와 상이할 수도 있다.

이에 따라, 탑재형 중천기(110)에서는, 제1 내지 제4다이오드(D1 내지 D4)와 제1 내지 제4충전스위치(S1 내지 S4)가 총 출력전압(Vo)의 절반인 제1 또는 제2출력전압(Vo1, Vo2)(Vo/2)으로 클램핑(clamping) 되어 배터리(BA)를 총 출력전압(Vo)으로 충전한다.

이때, 탑재형 충전기(110)가 총 출력전압(Vo)의 절반인 제1 및 제2출력전압(Vo1, Vo2)을 순차적으로 공급하므로, 상대적으로 낮은 전압에 사용되는 소자를 제1 내지 제4다이오드(D1 내지 D4)와 제1 내지 제4충전스위치(S1 내지 S4)로 사용할 수 있고, 그 결과 소자효율이 향상된다.

그리고, 컨버터(CNV)에 대한 재설계 없이 제1 내지 제4충전스위치(S1 내지 S4)를 추가하여 탑재형 충전기(110)의 배터리(BA)에 대한 총 출력전압(Vo)을 증가시키므로, 개발비용이 절감된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

110: 탑재형 충전기 Vi: 입력전압
CNV: 컨버터 S1 내지 S4: 제1 내지 제4충전스위치
B1, B2: 제1 및 제2배터리부 BA: 배터리

Claims

제1 및 제2입력단자를 통하여 입력 받은 입력전압을 직류전압으로 변환하여 제1 및 제2출력단자를 통하여 출력하는 컨버터와;
상기 제1출력단자와 배터리의 중간단자에 연결되는 제1충전스위치와;
상기 제2출력단자와 상기 배터리의 상기 중간단자에 연결되는 제2충전스위치와;
상기 제1출력단자 및 상기 제1충전스위치와 상기 배터리의 양극단자에 연결되는 제3충전스위치와;
상기 제2출력단자 및 상기 제2충전스위치와 상기 배터리의 음극단자에 연결되는 제4충전스위치
를 포함하고,
상기 컨버터는,
상기 제1 및 제2입력단자에 각각 연결되는 제1 및 제2컨버터스위치와;
상기 제1 및 제2컨버터스위치에 연결되는 제1커패시터와;
상기 제1커패시터에 직렬로 연결되는 제1 및 제2인덕터와;
상기 제1 및 제2컨버터스위치에 각각 연결되는 제3 및 제4컨버터스위치와;
상기 제2인덕터와 상기 제3 및 제4컨버터스위치에 연결되는 변압기와;
상기 변압기와 상기 출력단자에 연결되는 제1 내지 제4다이오드
를 포함하고,
상기 제1 내지 제4충전스위치의 스위칭 주파수와 상기 제1 내지 제4컨버터스위치의 스위칭 주파수는 서로 동일한 탑재형 충전기.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 및 제4충전스위치가 온 되는 동안 상기 제2 및 제3충전스위치는 오프 되고, 상기 제1 및 제4충전스위치가 오프 되는 동안 상기 제2 및 제3충전스위치는 온 되는 탑재형 충전기.
제 1 항에 있어서,
상기 배터리는 서로 직렬로 연결되는 제1 및 제2배터리부를 포함하고,
상기 배터리의 상기 중간단자는 상기 제1 및 제2배터리부의 연결노드인 탑재형 충전기.
제 3 항에 있어서,
상기 직류전압은, 온 되어 있는 상기 제1 및 제4충전스위치를 통하여 상기 제2배터리부에 공급되고, 온 되어 있는 상기 제2 및 제3충전스위치를 통하여 상기 제1배터리부에 공급되는 탑재형 충전기.
삭제
컨버터가 제1 및 제2입력단자를 통하여 입력 받은 입력전압을 직류전압으로 변환하여 제1 및 제2출력단자를 통하여 출력하는 단계와;
상기 제1출력단자에 연결되는 제1충전스위치를 온 하고, 상기 제2출력단자에 연결되는 제2충전스위치를 오프 하고, 상기 제1출력단자에 연결되는 제3충전스위치를 오프 하고, 상기 제2출력단자에 연결되는 제4충전스위치를 온 하여, 상기 직류전압을 상기 제1 및 제4충전스위치를 통하여 배터리의 제2배터리부에 공급하는 단계와;
상기 제1충전스위치를 오프 하고, 상기 제2충전스위치를 온 하고, 상기 제3충전스위치를 온 하고, 상기 제4충전스위치를 오프 하여, 상기 직류전압을 상기 제2 및 제3충전스위치를 통하여 상기 배터리의 제1배터리부에 공급하는 단계
를 포함하고,
상기 컨버터는,
상기 제1 및 제2입력단자에 각각 연결되는 제1 및 제2컨버터스위치와;
상기 제1 및 제2컨버터스위치에 연결되는 제1커패시터와;
상기 제1커패시터에 직렬로 연결되는 제1 및 제2인덕터와;
상기 제1 및 제2컨버터스위치에 각각 연결되는 제3 및 제4컨버터스위치와;
상기 제2인덕터와 상기 제3 및 제4컨버터스위치에 연결되는 변압기와;
상기 변압기와 상기 출력단자에 연결되는 제1 내지 제4다이오드
를 포함하고,
상기 제1 내지 제4충전스위치의 스위칭 주파수와 상기 제1 내지 제4컨버터스위치의 스위칭 주파수는 서로 동일한 탑재형 충전기의 구동방법.
제 6 항에 있어서,
상기 제1 및 제2배터리부는 서로 직렬로 연결되고,
상기 제1배터리부의 양극단자는 상기 제3충전스위치에 연결되고, 상기 제1 및 제2배터리부 사이의 연결노드는 상기 제1 및 제2충전스위치의 연결노드에 연결되고, 제2배터리부의 음극단자는 상기 제4충전스위치에 연결되는 탑재형 충전기의 구동방법.
제 1 항에 있어서,
제1시간구간 동안, 상기 제1 및 제4컨버터스위치는 각각 온 되고, 상기 제2 및 제3컨버터스위치는 각각 오프 되고, 상기 제1 및 제4충전스위치는 각각 온 되고, 상기 제2 및 제3충전스위치는 각각 오프 되고,
제2시간구간 동안, 상기 제1 및 제4컨버터스위치는 각각 오프 되고, 상기 제2 및 제3컨버터스위치는 각각 온 되고, 상기 제1 및 제4충전스위치는 각각 오프 되고, 상기 제2 및 제3충전스위치는 각각 온 되는 탑재형 충전기.