KR102519520B1 - 전기차 충전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기차 충전 장치로서, 사용자의 전기 차량에 연결되는 외부커넥터, 외부커넥터로 전기를 공급하는 릴레이 메쉬를 포함하고, 사용자의 급속 충전 또는 완속 충전의 선택에 따라 릴레이 메쉬를 통해 공급되는 출력 전력량이 가변될 수 있다.
릴레이 메쉬는 SiC 모듈을 포함할 수 있고, SiC 모듈에는 상기 외부커넥터로 공급되는 전기의 스위치 역할을 하는 SiC 모스펫 모듈과, 상기 SiC 모스펫 모듈에 스위칭을 위한 구동 신호를 보내는 SiC 드라이브 모듈이 마련될 수 있다.

Description

전기차 충전 장치{Electric Vehicle Charging Device}
본 발명은 SiC 모스펫을 이용하여 전기 차량을 충전하는 전기차 충전 장치에 관한 것이다.
녹색 기술 개발의 일환으로서 전기 차량에 관한 연구는 물론 전기 차량의 활용성을 높이기 위하여 전기 차량의 충전 시스템에 관한 많은 연구가 행해지고 있다. 그러나, 아직까지는 개발 진행 단계에 불과하여 해결해야 하는 기술적 문제는 물론 다양한 소비자 욕구에 부합되는 충전 시스템이 보급화되지 못하고 있다.
전기 차량의 대량 보급화를 위해서는, 현재 화석 연료를 이용하는 차량의 주유 시간에 상대적으로 긴 충전 시간을 좁힐 필요가 있고, 이를 위해 최근 실리콘 카바이드(SiC)를 이용한 고속 스위칭 소자가 관심을 받고 있다.
본 발명은 전기 차량의 고속 충전을 위한 충전 장치로서, 고전력, 고전압에서도 고속 스위칭이 가능한 실리콘 카바이드에 기반한 모스펫 소자를 포함할 수 있다.
본 발명은 전기차 충전 장치로서, 사용자의 전기 차량에 연결되는 외부커넥터, 외부커넥터로 전기를 공급하는 릴레이 메쉬를 포함하고, 사용자의 급속 충전 또는 완속 충전의 선택에 따라 릴레이 메쉬를 통해 공급되는 출력 전력량이 가변될 수 있다.
릴레이 메쉬는 SiC 모듈을 포함할 수 있고, SiC 모듈에는 상기 외부커넥터로 공급되는 전기의 스위치 역할을 하는 SiC 모스펫 모듈과, 상기 SiC 모스펫 모듈에 스위칭을 위한 구동 신호를 보내는 SiC 드라이브 모듈이 마련될 수 있다.
SiC 드라이브 모듈에는, SiC 드라이브 모듈을 다른 회로와 물리적으로 분리하는 디지털 아이솔레이터와, DC-DC 변환기 역할을 하는 충전 펌프가 구비될 수 있다.
SiC 모스펫 모듈에는 SiC 모스펫 모듈에서 발생하는 열손실을 낮추는 방열판, 상기 외부커넥터에 공급되는 전기가 연결되는 파워 커넥터, 상기 외부커넥터에 전기를 공급하는 경우에는 온(on)되고, 공급하지 않는 경우에는 오프(off)되는 SiC 모스펫이 구비될 수 있으며, SiC 모스펫은 반도체 소자의 재료로 실리콘 카바이드(SiC,Silicon Carbide)를 사용할 수 있다.
사용자가 급속 충전 또는 완속 충전을 선택하는 디스플레이부가 마련될 수 있고, 사용자의 선택에 따른 신호는 컨트롤보드로 보내질 수 있으며, 상기 컨트롤보드는 상기 사용자가 선택한 상기 외부커넥터와 제어부에 동작 신호를 보낼 수 있고, 제어부는 상기 동작 신호에 따라 상기 릴레이 메쉬에 트리거 신호를 보내 상기 외부커넥터로 보내는 전력량을 조절할 수 있다.
릴레이 메쉬에는 제1 SiC 모듈 또는 제2 SiC 모듈이 마련될 수 있고, 제1 SiC 모듈 또는 제2 SiC 모듈에 전기 차량용 직류 전기를 공급하는 파워팩이 구비되며, 제1 SiC 모듈 또는 제2 SiC 모듈이 병렬로 연결되는 어레이 SiC 모듈이 마련되고, 제어부의 트리거 신호에 따라 상기 어레이 SiC 모듈은 상기 제1 SiC 모듈 또는 제2 SiC 모듈에서 상기 외부커넥터로 출력되는 전력량의 정수배를 출력하며, 정수는 양의 자연수일 수 있다.
SiC 모스펫은 Si IGBT에 비해 더 높은 온도에서도 더 낮은 스위칭 손실을 낼 수 있고, 이로 인해 더 높은 스위칭 주사푸에 도달할 수 있어 회로 전체가 컴팩프화될 수 있다. 또한, SiC 모스펫은 내열성이 높아 온도가 상승함에 따라 온(on)저항도 거의 일정하게 유지될 수 있다.
따라서, 본 발명의 전기차 충전 장치는 실리콘 카바이드 물질 기반의 SiC 모스펫 소자를 포함함으로서, 현재의 Si 기반 모스펫이나 IBGT 모듈에 비해서 더 빠르게 급속 충전이 가능할 수 있어, 사용자는 필요에 따라 급속 또는 완속 충전을 선택할 수 있다.
제4 SiC 모스펫은 제1 파워팩의 예비 SiC 모스펫이 될 수 있고, 제3 SiC 모스펫은 제2 파워팩의 예비 SiC 모스펫이 될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 SiC 모듈 또는 제2 SiC 모듈을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 어레이 SiC 모듈을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 SiC 드라이브 모듈을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 SiC 모스펫 모듈을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 전기차 충전 장치를 도시한 것이다.
도 6은 도 5의 A 부분을 확대한 것이다.
전기 차량(EV : Electronic Vehicle)의 충전을 위해서 대부분 실리콘(Si) 기반의 모스펫(MOSFET,Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)이나 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)을 이용할 수 있다.
그러나, 전기차의 대량 보급화를 위해서는 급속 충전이 필요하고, 이를 위해서는 더욱 고전력, 고전압의 고속 스위칭이 가능한 소자가 필요하다.
이를 위해서 새로운 신재료를 이용한 실리콘 소자의 한계 극복을 위해 새로운 신재료에 대한 활용이 필요하다. 이러한 신재료에는 갈륨과 비소로 구성된 화합물인 갈륨비소(Gallium arsenide, GaAs), 갈륨나이트라이드(질화갈륨, GaN), 실리콘 카바이드(SiC) 등이 포함될 수 있다. 상기 신재료중, 최근에 실리콘 카바이드(SiC)를 이용한 소자를 이용할 수 있다.
SiC는 Si와 C가 1:1로 결합하고 결합력이 매우 강하며 열적, 기계적, 화학즉으로도 안정적일 수 있다. 또한, Si을 이용한 IGBT 모듈에 비해서 SiC에 기반한 SiC 모듈(200)은 전력 스위칭시 발생하는 불필요한 에너지 손실을 대폭적으로 낮출 수 있다. 또한, SiC 모듈(200)은 낮은 저항으로 모듈의 소형화가 가능하고, 그로 인해 주변 부품의 소형화도 가능할 수 있으며, 방열판(420) 등의 냉각 기구도 간소화될 수 있다.
태양광이나 전기차 산업에서는 기존 산업보다 더욱 고전압, 고전류, 고전력, 고온의 환경 등에 노출되기 쉽고, 이러한 환경에서도 안정적으로 고속 스위칭이 가능한 물질이 적용되는 것이 바람직하다.
밴드갭으로 도체, 부도체, 반도체를 나눌 수 있고, 에너지 밴드인 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band)사이르 밴드갭이라고 할 수 있다.
전자가 50% 확률로 머무를 수 있는 페르미 레벨(페르미 에너지)은 전도대에 가까워지면 반도체 내부에 전자가 이동하기 쉬워져 반도체가 도체처럼 행동하고, 페르미 레벨이 가전자대에 가까워지면 반도체 내부에 홀이 이동하기 쉬워져 반도체가 부도체처럼 행동할 수 있다. 이때, 페르미 레벨은 외부 전기장, 열 등의 영향으로 에너지 밴드중에 하나로 움직일 수 있고, 밴드갭 또한 열에 의해서 그 폭이 줄어들 수 있다. 따라서, 실리콘이 고전압, 고전류, 고전력, 고온의 환경 등에 노출되면, 작은 밴드갭을 가지는 실리콘은 불안정해지기 쉽고, 이로 인해 고온 등에서도 안정적인 넓은 밴드갭을 가지는 물질이 필요할 수 있다.
실리콘 카아비드(SiC)는 실리콘보다 3배 넓은 밴드갭을 가지고, 열에 의한 전자와 밴드갭 변화에 영향이 적을 수 있다. 또한, SiC는 소재가 견딜 수 있는 전압의 세기를 의미하는 절연파괴전계(Critical Field)가 실리콘의 약 10배로 고전압에서 소자가 파괴되지 않고 동작이 가능할 수 있으며, 실리콘에 비해 약 2배 빠른 전자포화속도(Saturation Velocity)로 인해, 고주파 동작이 가능한 소자 제작에 용이할 수 있고, 열을 방출할 수 있는 열 전도도(thermal conductivity)가 실리콘의 약 5배로, 고전압에서 발생하는 열이나 고온 환경에서도 안정적으로 동작 가능할 수 있다.
즉, SiC 모스펫(410)은 IGBT에 비해 더 높은 온도에서도 더 낮은 스위칭 손실을 낼 수 있고, 이로 인해 더 높은 스위칭 주파수에 도달할 수 있어 회로 전체가 컴팩트화될 수 있다. 또한, SiC 모스펫(410)은 독특한 내열성으로 인해 온도가 상승함에 따라 온(on)저항도 거의 일정하게 유지될 수 있다.
온 저항(Rds(on))은 모스펫(MOSFET)의 드레인과 소스 사이에 흐르는 저항 즉, 게이트(gate)가 온(on) 되어 있을때의 드레인과 소스간의 저항 값이고, 게이트(Gate) 전압에 따라 달라질 수 있다. 보통 게이트 전압이 높으면 온저항값은 낮아지고 D-S간 전압이 커질수록 커질 수 있다. 모스펫에서는 전력 손실을 온 저항으로 표현할 수 있고, 온 저항값이 작을수록 동작 시의 전력 손실이 적어질 수 있다.
따라서, 본 발명의 전기차 충전 장치는 실리콘 카바이드 물질 기반의 SiC 모스펫(410) 소자를 포함함으로서, 현재의 Si 기반 모스펫이나 IBGT 모듈에 비해서 더 빠르게 급속 충전이 가능할 수 있다. 사용자는 마련된 충전 장치의 설정에 따라, 비용이 추가로 지불하고 급속 충전을 선택하거나 상대적으로 비용이 저렴한 완속 충전을 선택할 수 있다.
도1 을 참조하면, 본 발명의 전기차 충전 장치는 SiC 릴레이를 포함할 수 있고, SiC 릴레이는 SiC 모스펫(MOSFET)에 on/off의 구동 신호(S30)를 보내는 SiC 드라이브 모듈(300)(SiC drive module)과 SiC 모스펫(410)이 구비된 SiC 모스펫 모듈(400)을 포함할 수 있다. 즉 구동 신호(S30)는 SiC 드라이브 모듈(300)에서 SiC 모스펫(410)의 게이트로 보내질 수 있다.
도 3을 참조하면, SiC 드라이브 모듈(300)은 디지털 아이솔레이터(310)(Digital isolator)와 충전 펌프(320)(Charge pump)를 포함할 수 있다.
직류 전기를 사용하는 회로에서의 아이솔레이션(Isolation)의 아이솔레이터는 대부분 갈바닉 아이솔레이션(Galvanic Isolation)을 이용한 것으로, 특정 회로내 서브 회로간에 서로 통신할 수 있게하고, 중간에 원치 않는 직접 전류가 흐르지 않도록 방지 하는 회로 설계 기법일 수 있다. 사용자 또는 저전압 회로를 고전압으로부터 보호할 수 있다. 갈바닉 아이솔레이션은 두 회로 사이에 전류가 흐르지는 않지만 전기 신호 또는 전력이 이동할 수는 있다. 갈바닉 아이솔레이션을 위해 캐패시턴스, 인덕턴스, 전자파, 광, 소리, 기계 등의 방법을 사용할 수 있고, 이를 위한 부품으로는 포토커플러, 트랜스, 릴레이, 홀센서 등이 있을 수 있다.
본 발명의 디지털 아이솔레이터(310)는 LED와 포토 트랜지스터를(Photo Transistor) 사용한 방식이 아닌 디지털 방식의 아이솔레이터일 수 있다. 따라서, LED를 사용한 것보다 응답 속도가 월등히 빠를 수 있다. 물론, 외부 노이즈/서지로부터 소자들을 보호할 수 있다. 본 발명은 고주파수의 고속 스위칭이 가능한 SiC 모스펫(410)을 이용하기 때문에, SiC 모스펫(410)을 제어하기 위한 SiC 드라이브 또한 그에 맞는 응답 속도를 가져야하기에 디지털 아이솔레이터(310)가 사용될 수 있다. 상기 고전압, 고주파 등에서 작동해야된다는 것을 제외하면, 디지털 아이솔레이터(310)는 옵토커플러(Opto-coupler)와 비슷한 역할을 수행할 수 있다. 옵토커플러는 소자내에 LED와 포토 트랜지스터가 결합된 것으로 광학 커플이라고 할 수 있다. 옵토커플러는 빛으로 전기 신호를 전달할 수 있어 노이즈 대책 회로에 중요할 수 있고, 내부에 있는 LED를 킬 수 있을 정도의 전압과 전류만 인가하면, 포토 트랜지스터에 빛이 도달하여 트랜지스터가 켜지는 구조일 수 있다.
디지털 이이솔레이터는 갈바닉 절연 경계를 가로질러 디지털 신호를 보낼 수 있고, 다중화된 디지털 채널도 손쉽게 얻을 수 있다. 따라서, 이러한 디지털 아이솔레이터(310)는 상대적으로 값비싼 기술임에도 결과적으로 회로를 간단히 구성할 수 있기에, 결과적으로 순비용은 절약될 수 있다.
따라서, 충전 장치는 제어 단자와 부하(500) 단자 등의 내부 회로간이 아이솔레이션된 무접점 릴레이(SSR, Solid State Relay)일 수 있다.
충전 펌프(320)는 DC-DC 변환기중의 하나일 수 있고, 전압을 올리거나 내리기 위해 에너지 충전 저장소로서의 충전기(Capacitor)가 사용될 수 있다.
모스펫(MODFET)이 작동되기 위해서는 게이트(GATE)에 전압이 인가되어야 하고, 고전압, 고주파수로 동작하는 SiC 모스펫(410)을 위한 전용 드라이버를 사용해야 게이트로 오동작을 방지할 수 있다.
SiC 드라이브 모듈(300)을 위해서는 디지털 아이솔레이터(310)와 충전 펌프(320)를 위해 두 개의 전력원이 필요할 수 있다. 디지털 아이솔레이터(310)를 위한 전력원은 1.5V에서 9V사이의 전압일 수 있고, 충전 펌프(320)를 위한 전력원은 디지털 아이솔레이터(310)보다는 높은 15V 에서 25V사이의 전압일 수 있으며, 최대 110mA의 전류가 흐를수 있다.
도 4를 참조하면, SiC 모스펫 모듈(400)은 SiC 모스펫(410), 방열판(420)(Heat sink), 파워커넥터(430)를 포함할 수 있다. SiC 모스펫(410)은 SiC 모듈(200)의 중심 스위칭 소자일 수 있다. 드레인(drain)에서 소스(source)까지의 전압을 최대 1200V까질 수 있고, 전류는 최대 100A까지 가질 수 있다. SiC 드라이브 모듈(300)은 SiC 모스펫(410)의 게이트로 구동 신호(S30)를 보낼 수 있고, 드라이브 모듈의 그라운드 레벨은 SiC 모스펫(410)의 소스에 연결될 수 있다.
방열판(420)은 드레인에서 소스로의 전류 때문에 발생하는 열 손실을 낮출 수 있고, 주변 환경에 따라서, 기체 또는 액체로 마련될 수 있다.
파워커넥터(430)는 높은 전압 포텐셜은 드레인에 연결될 수 있고, 낮은 전압 포텐셜은 소스쪽에 연결될 수 있다.
SiC 모스펫(410)은 온(on)된 경우, 스위치처럼 작동할 수 있다. 모스펫을 온(on)하기 위해서는, 게이트 신호가 필요할 수 있다. 게이트 신호는 마이크로컨트롤러(Microcontroller), MCU(Micro Controller Unit), 마이크로프로세서, 또는 간단한 디지털 회로에 기반한 어떠한 제어 시스템에 의해서도 발생할 수 있다.
제어부(20)에서 트리거 신호(S10)를 디지털 아이솔레이터(310)로 보내고, 이 트리거 신호(S10)가 높아질수록 디지털 아이솔레이터(310)에서 충천 펌프 회로로 신호를 보낼 수 있다. 결과적으로 충펀 펌프는 SiC 모스펫(410)에 출력 신호를 제공할 수 있다. SiC 모스펫(410)이 SiC 드라이브 모듈(300)로부터 구동 신호(S30)를 받으면, 파워커넥터(430)는 연결되고, 전류는 드레인에서 소스쪽으로 흐를 수 있다. 이를 제1 SiC 모듈 또는 제2 SiC 모듈이라고 할 수 있다.
트리거 신호(S10)는 SiC 모스펫(410)의 스위칭을 위해 제어부(20)에서 SiC 드라이브 모듈(300)로 보내질 수 있고, SiC 모듈(200)의 구동 동작을 제어부(20)에서는 상태 신호(S20)를 통해서 알 수 있으며, 상태 신호(S20)는 SiC 드라이브 모듈(300)에서 제어부(20)로 보내질 수 있다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 전기차 충전 장치는 더 높은 전류 스위칭을 위해서, 제1 SiC 모듈 또는 제2 SiC 모듈을 병렬적으로 연결할 수 있다. 이러한 어레이 SiC 모듈은 제1 SiC 모듈 또는 제2 SiC 모듈의 특정 고전압과는 같은 전압을 가지고, 릴레이 메쉬(100)를 통한 제1 SiC 모듈 또는 제2 SiC 모듈의 조합에 따라 다양한 전류를 출력할 수 있고, 결과적으로 다양한 전력값을 출력할 수 있다. 따라서, 릴레이 메쉬(100)를 통해 외부 커넥터에 연결되어, 사용자는 목적에 따라, 급속 충전을 선택할 수 있고, 이 경우 제1 SiC 모듈 또는 제2 SiC 모듈은 병렬로 연결되어 어레이 SiC 모듈을 형성하여 급속 충전이 가능할 수 있다. 모든 SiC 드라이브 모듈(300)은 일관된 작동을 위해 같은 트리거 신호(S10)에 의해 구동될 수 있다. 예를 들어, 제1 SiC 모듈 또는 제2 SiC 모듈 3개가 병렬로 연결되어 외부커넥트로 연결되는 경우에는, 상기 서브 루프 회로는 최대 전압 1200V와 최대 전류 300A를 가질 수 있어 제1 SiC 모듈 또는 제2 SiC 모듈인 경우보다 3배의 전류 또는 전력이 외부커넥트를 통해 전기 차량을 충전시킬 수 있다.
릴레이 메쉬(100)내의 SiC 모스펫(410)은 상황에 따라 다양한 규격을 가진 것으로 마련될 수 있으나, 만일 동일한 SiC 모스펫(410)으로 구성된다면, 상기와 같이 평행하게 병렬로 제1 SiC 모듈 또는 제2 SiC 모듈을 설치함으로서, 어레이 SiC 모스펫(410)으로 이루어진 릴레이 메쉬(100)는 각 SiC 모스펫(410)의 출력값의 정수배에 해당하는 출력값을 가질 수 있다. 상기 정수는 양의 자연수일 수 있다.
예를 들어, 전력 분산을 위해서 SiC 모스펫(410)은 외부커넥터(30)에 하나 또는 두 개의 파워팩(10)을 연결하기 위해 온(on)될 수 있다. 이는 어레이 SiC 모듈의 일 실시 예일 수 있고, 사용자의 급속 충전 또는 완속 충전의 선택에 따라 다양한 조합이 가능할 수 있다. 파워팩(10)은 전기 차량이 사용 가능한 직류 전류를 보내줄 수 있고, SiC 모스펫(410)의 on/off에 따라 외부커넥터(30)를 통해 차량에 충전이 될 수 있다. 예를 들어, 파워팩(10)은 30kW를 가진 직류 전원원일 수 있다.
사용자가 디스플레이부(40)를 통해 충전량 및 특정 외부커넥터(30)를 선택하면, 상기 외부커넥터(30)에 연결된 컨트롤보드(32)를 통해 제어부(20)는 급속 충전 또는 완속 충전 등의 명령에 따라 SiC 모듈로 트리거 신호(S10)를 보낼 수 있고, 이를 통해 SiC 드라이브 모듈(300)은 구동 신호(S30)를 SiC 모스펫 모듈(400)로 보냄으로서 SiC 모스펫(410)은 on/off를 동작하게 되고, 이로서 릴레이 메쉬(100)를 통한 각 SiC 모스펫(410)에 연결된 파워팩(10)의 전력의 조합에 의해 외부커넥터(30)를 통해 전기 차량은 충전될 수 있다.
도 6은 도 5의 A 부분을 확대한 것이고, 릴레이 메쉬(100)에는 복수의 SiC 모듈이 마련될 수 있으며, 도 6은 다양한 릴레이 메쉬(100)의 가능한 조합중 일 실시 예일 수 있다.
도 6을 참조하면, 파워팩(10)은 SiC 모스펫(410)에 연결되고, SiC 모스펫(410)은 외부커넥터(30)를 통해 부하(500)에 연결될 수 있다. 부하(500)는 전기 차량일 수 있다.
복수의 파워팩(10)의 각 파워팩(10)의 양(+)단자와 음(-)단자에 SiC 모스펫(410)이 각각 연결될 수 있고,
제1 파워팩(11)의 양(+)단자는 제1 SiC 모스펫(411)에 연결되고, 제1 SiC 모스펫(411)에서 부하(500)로 전기가 공급될 수 있다. 마찬가지로, 제2 파워팩(12)의 양(+)단자는 제2 SiC 모스펫(412)에 연결되고, 제2 SiC 모스펫(412)에서 부하(500)로 전기가 공급될 수 있다.
제1 파워팩(11)의 음(-)단자는 제3 SiC 모스펫(413)에 연결되고, 부하(500)에서 제3 SiC 모스펫(413)으로 전기가 공급될 수 있다. 마찬가지로, 제2 파워팩(12)의 음(-)단자는 제4 SiC 모스펫(414)에 연결되고, 부하(500)에서 제4 SiC 모스펫(414)으로 전기가 공급될 수 있다.
각 SiC 모스펫을 통과한 전기는 노드에 의해 합쳐져 부하(500)에 공급될 수 있고, 부하(500)를 통과한 전기는 노드에 의해서 나뉘어 각 SiC 모스펫으로 공급될 수 있다. 예를 들어, 제1 SiC 모스펫(411)을 통과한 전기는 제2 SiC 모스펫(412)을 통과한 전기와 제1 노드(N1)에서 만나 부하(500)에 공급될 수 있다. 마찬가지로, 부하(500)에서 나온 전기는 제2 노드(N2)에서 제3 SiC 모스펫(413) 및 제4 SiC 모스펫(414)으로 분기되어 흐를 수 있다.
제1 SiC 모스펫(411)이 온(on)되고, 제3 SiC 모스펫(413)이 온(on)되는 경우, 제1 파워팩(11)의 전기가 부하(500)에 공급될 수 있는 정상 모드라고 할 수 있다. 마찬가지로, 제2 SiC 모스펫(412)이 온(on)되고, 제4 SiC 모스펫(414)이 온(on)되는 경우, 제2 파워팩(12)의 전기가 부하(500)에 공급될 수 있는 정상 모드라고 할 수 있다.
예를 들어, 제1 파워팩(11)의 전기만 부하(500)에 공급이 필요한 경우에는, 제1 SiC 모스펫(411)이 온(on)되고, 제3 SiC 모스펫(413)이 온(on)되며, 제2 SiC 모스펫(412) 및 제4 SiC 모스펫(414)은 오프(off)되면 제1 파워팩(11)의 전기가 정상적으로 부하(500)에 공급될 수 있다. 그러나, 제3 SiC 모스펫(413)이 고장나거나 문제가 생기는 경우, 제3 SiC 모스펫(413)은 오프(off)될 것이고, 대신에 제4 SiC 모스펫(414)이 온(on)될 수 있고, 이를 예비 모드라고 할 수 있다. 마찬가지로, 제2 파워팩(12)의 전기만 부하(500)에 공급이 필요한 경우에는, 제2 SiC 모스펫(412)이 온(on)되고, 제4 SiC 모스펫(414)이 온(on)되며, 제1 SiC 모스펫(411) 및 제3 SiC 모스펫(413)은 오프(off)되면 제2 파워팩(12)의 전기가 정상적으로부하(500)에 공급될 수 있다. 그러나, 제4 SiC 모스펫(414)이 고장나거나 문제가 생기는 경우, 제4 SiC 모스펫(414)은 오프(off)될 것이고, 대신에 제3 SiC 모스펫(413)이 온(on)될 수 있고, 이를 예비 모드라고 할 수 있다. 즉, 제4 SiC 모스펫(414)은 제1 파워팩(11)의 예비 SiC 모스펫이 될 수 있고, 제3 SiC 모스펫(413)은 제2 파워팩(12)의 예비 SiC 모스펫이 될 수 있다.
따라서, 각 파워팩(10)의 음(-)단자에 연결된 SiC 모스펫은 양(+)단자에 연결된 SiC 모스펫에 대하여 고장이나 하자에 대비하는 예비적인 역할을 수행할 수 있다.
또한, 각 파워팩(10)당 양단자 및 음단자에 연결된 SiC 모스펫이 온(on)된 정상 모드의 경우에도, 관리자는 각 파워팩(10)당 두 개의 SiC 모스펫가 연결된 경우, 각 파워팩(10)당 SiC 모스펫이 한개씩 연결된 경우에 비해서, 원하는 PWM(Pulse Width Modulation)을 얻기 위해 두 개의 SiC 모스펫을 이용하기 때문에 더 쉽게 제어할 수 있다.
10... 파워팩 11... 제1 파워팩
12... 제2 파워팩 20... 제어부
30... 외부커넥터 32... 컨트롤보드
40... 디스플레이부 100... 릴레이 메쉬
200... SiC 모듈 300... SiC 드라이브 모듈
301... 제1 SiC 드라이브 모듈 302... 제2 SiC 드라이브 모듈
303... 제3 SiC 드라이브 모듈 304... 제4 SiC 드라이브 모듈
310... 디지털 아이솔레이터 311... 제1 디지털 아이솔레이터
312... 제2 디지털 아이솔레이터 313... 제3 디지털 아이솔레이터
314... 제4 디지털 아이솔레이터 320... 충전 펌프
321... 제1 충전 펌프 322... 제2 충전 펌프
323... 제3 충전 펌프 324... 제4 충전 펌프
400... SiC 모스펫 모듈 410... SiC 모스펫
411... 제1 SiC 모스펫 412... 제2 SiC 모스펫
413... 제3 SiC 모스펫 414... 제4 SiC 모스펫
420... 방열판 430... 파워 커넥터
500... 부하 S10... 트리거 신호
S20... 상태 신호 S30... 구동 신호
N1... 제1 노드 N2... 제2 노드

Claims (9)

  1. 사용자의 전기 차량에 연결되는 외부커넥터;
    상기 외부커넥터로 전기를 공급하는 릴레이 메쉬; 를 포함하고,
    사용자의 급속 충전 또는 완속 충전의 선택에 따라 릴레이 메쉬를 통해 공급되는 출력 전력량이 가변되며,
    상기 릴레이 메쉬는 SiC 모듈을 포함하고,
    상기 SiC 모듈에는, 상기 외부커넥터로 공급되는 전기의 스위치 역할을 하는 SiC 모스펫 모듈과, 상기 SiC 모스펫 모듈에 스위칭을 위한 구동 신호를 보내는 SiC 드라이브 모듈이 마련되며,
    상기 SiC 모스펫 모듈에는,
    상기 SiC 모스펫 모듈에서 발생하는 열손실을 낮추는 방열판, 상기 외부커넥터에 공급되는 전기가 연결되는 파워 커넥터, 상기 외부커넥터에 전기를 공급하는 경우에는 온(on)되고, 공급하지 않는 경우에는 오프(off)되는 SiC 모스펫이 구비되며,
    상기 SiC 모스펫은 반도체 소자의 재료로 실리콘 카바이드(SiC,Silicon Carbide)를 사용하고,
    상기 SiC 모스펫은 사용자의 급속 충전의 선택에 대응한 고속 스위칭이 가능하고,
    상기 SiC 드라이브 모듈에는,
    상기 SiC 드라이브 모듈을 다른 회로와 물리적으로 분리하는 디지털 아이솔레이터와, DC-DC 변환기 역할을 하는 충전 펌프가 구비되며,
    상기 디지털 아이솔레이터는 상기 SiC 모스펫의 고속 스위칭을 제어가능한 응답 속도를 가지며,
    상기 디지털 아이솔레이터 및 충전 펌프를 위한 두 개의 전력원이 필요하고,
    상기 충전 펌프를 위한 전력원은 상기 디지털 아이솔레이터를 위한 전력원보다 더 높은 전압을 가지며,
    상기 SiC 모듈에 전기차 충전용 직류 전기를 공급하는 파워팩이 복수로 마련되고,
    외부커넥터 하나에는 SiC 모듈을 통해 복수의 파워팩이 병렬로 연결되고,
    상기 SiC 모스펫의 SiC 소재 및 외부커넥터 하나에 대한 복수의 파워팩 연결에 의해 급속 충전이 가능한 전기차 충전 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    사용자가 급속 충전 또는 완속 충전을 선택하는 디스플레이부가 마련되고,
    상기 선택에 따른 신호는 컨트롤보드로 보내지며, 상기 컨트롤보드는 상기 사용자가 선택한 상기 외부커넥터와 제어부에 동작 신호를 보내고,
    상기 제어부는 상기 동작 신호에 따라 상기 릴레이 메쉬에 트리거 신호를 보내 상기 외부커넥터로 보내는 전력량을 조절하는 전기차 충전 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    제어부의 트리거 신호에 따라 상기 어레이 SiC 모듈은 상기 각각의 SiC 모듈에서 출력되는 전력량의 양의 정수배를 출력하는 전기차 충전 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 파워팩의 양(+)단자와 음(-)단자에 각각 SiC 모스펫이 연결되며,
    상기 복수의 SiC 모스펫에 의해서 PWM의 제어가 피드백되는 전기차 충전 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    제1 파워팩의 양(+)단자는 제1 SiC 모스펫에 연결되고, 상기 제1 SiC 모스펫에서 부하로 전기가 공급되며,
    제2 파워팩의 양(+)단자는 제2 SiC 모스펫에 연결되고, 상기 제2 모스펫에서 부하로 전기가 공급되며,
    상기 제1 파워팩의 음(-)단자는 제3 SiC 모스펫에 연결되고, 부하에서 상기 제3 SiC 모스펫으로 전기가 공급되며,
    상기 제2 파워팩의 음(-)단자는 제4 SiC 모스펫에 연결되고, 부하에서 상기 제4 SiC 모스펫으로 전기가 공급되며,
    상기 제1 SiC 모스펫 및 제2 SiC 모스펫을 통과한 전기는 제1 노드에서 합쳐져 부하로 공급되고,
    부하를 통과한 전기는 제2 노드에서 분기되어 상기 제3 SiC 모스펫 및 제4 SiC 모스펫으로 공급되며,
    상기 제1 SiC 모스펫 및 제3 SiC 모스펫이 온(on)되어 상기 제1 파워팩의 전기가 부하에 공급되는 경우, 또는 상기 제2 SiC 모스펫 및 제4 SiC 모스펫이 온(on)되어 상기 제2 파워팩의 전기가 부하에 공급되는 경우를 정상 모드로 하는 전기차 충전 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    제1 파워팩의 양(+)단자는 제1 SiC 모스펫에 연결되고, 상기 제1 SiC 모스펫에서 부하로 전기가 공급되며,
    제2 파워팩의 양(+)단자는 제2 SiC 모스펫에 연결되고, 상기 제2 모스펫에서 부하로 전기가 공급되며,
    상기 제1 파워팩의 음(-)단자는 제3 SiC 모스펫에 연결되고, 부하에서 상기 제3 SiC 모스펫으로 전기가 공급되며,
    상기 제2 파워팩의 음(-)단자는 제4 SiC 모스펫에 연결되고, 부하에서 상기 제4 SiC 모스펫으로 전기가 공급되며,
    상기 제1 SiC 모스펫 및 제2 SiC 모스펫을 통과한 전기는 제1 노드에서 합쳐져 부하로 공급되고,
    부하를 통과한 전기는 제2 노드에서 분기되어 상기 제3 SiC 모스펫 및 제4 SiC 모스펫으로 공급되며,
    상기 제3 SiC 모스펫에 하자 발생시, 상기 제1 SiC 모스펫 및 제4 SiC 모스펫은 온(on)되고, 상기 제3 SiC 모스펫은 오프(off)되는 경우를 예비 모드로 하며,
    상기 예비 모드시, 상기 파워팩의 음단자에 연결되는 SiC 모스펫은 다른 파워팩의 음단자에 연결되는 SiC 모스펫의 예비 모스펫이 되는 전기차 충전 장치.
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