KR102545894B1 - Electric vehicle charging system applied dual dc-dc converter - Google Patents

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Abstract

본 발명은 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공진주파수가 고정되는 제1 LLC 공진형 컨버터와 공진주파수가 가변되는 제2 LLC 공진형 컨버터로 구성되어, 정전류 충전에서는 공진주파수의 의한 스위칭을 통해 영전압 스위칭(ZVS, Zero Voltage Switching)과 영전류 스위칭(ZCS, Zero Current Switching)을 제공하고, 정전압 충전에서는 공진주파수의 의한 스위칭을 통해 ZVS를 제공하여 소프트 스위칭이 가능하며, 높은 전압 이득과 낮은 정격 전압을 갖는 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템는 공급되는 교류전원에서 전자기 간섭의 노이즈를 제거하는 EMI(Electro-Magnetic Interference)필터부; 상기 EMI필터에서 출력되는 교류전원을 직류전원으로 변환하고, 역률을 보정하는 정류PFC(Power Factor Corrector)부; 상기 정류PFC부에서 출력되는 직류전원을 상기 배터리를 충전시킬 수 있는 입력과 절연된 직류전원으로 출력하는 DC-DC컨버터부; 상기 DC-DC컨버터부에서 출력되는 직류전원의 전압을 평활하여 출력하는 DC필터부; 및 상기 DC필터부에서 출력되는 전압과 전류 및 상기 배터리의 전압에 근거하여 상기 DC-DC컨버터부의 정전류와 정전압을 제어하는 충전제어부를 포함하여 구성되고, 상기 DC-DC컨버터부는 스위칭회로; 상기 스위칭회로에 연결되어 고정된 공진주파수로 동작되는 제1 LLC 공진형 컨버터; 및 상기 스위칭회로에 연결되되 상기 제1 LLC 공진형 컨버터와 병렬로 연결되며 가변되는 공진주파수로 동작되는 제2 LLC 공진형 컨버터를 포함하여 구성된다.The present invention relates to a charging system for an electric vehicle to which a dual DC-DC converter is applied, and more particularly, is composed of a first LLC resonant converter having a fixed resonant frequency and a second LLC resonant converter having a variable resonant frequency, In constant current charging, Zero Voltage Switching (ZVS) and Zero Current Switching (ZCS) are provided through switching by resonance frequency, and in constant voltage charging, ZVS is provided through switching by resonance frequency to provide soft It relates to a charging system for an electric vehicle using a dual DC-DC converter that can be switched and has a high voltage gain and a low rated voltage.
An electric vehicle charging system using a dual DC-DC converter according to the present invention to solve the above problems includes an EMI (Electro-Magnetic Interference) filter unit for removing electromagnetic interference noise from supplied AC power; a power factor corrector (PFC) unit that converts AC power output from the EMI filter into DC power and corrects a power factor; a DC-DC converter unit outputting the DC power output from the rectification PFC unit as DC power insulated from an input capable of charging the battery; a DC filter unit for smoothing and outputting the voltage of the DC power output from the DC-DC converter unit; and a charge control unit controlling constant current and constant voltage of the DC-DC converter unit based on the voltage and current output from the DC filter unit and the voltage of the battery, wherein the DC-DC converter unit includes a switching circuit; a first LLC resonant converter connected to the switching circuit and operated at a fixed resonant frequency; and a second LLC resonant converter connected to the switching circuit, connected in parallel with the first LLC resonant converter, and operating at a variable resonant frequency.

Description

듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템{ELECTRIC VEHICLE CHARGING SYSTEM APPLIED DUAL DC-DC CONVERTER}Charging system for electric vehicle applying dual DC-DC converter {ELECTRIC VEHICLE CHARGING SYSTEM APPLIED DUAL DC-DC CONVERTER}

본 발명은 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공진주파수가 고정되는 제1 LLC 공진형 컨버터와 공진주파수가 가변되는 제2 LLC 공진형 컨버터로 구성되어, 정전류 충전에서는 공진주파수의 의한 스위칭을 통해 영전압 스위칭(ZVS, Zero Voltage Switching)과 영전류 스위칭(ZCS, Zero Current Switching)을 제공하고, 정전압 충전에서는 공진주파수의 의한 스위칭을 통해 ZVS를 제공하여 소프트 스위칭이 가능하며, 높은 전압 이득과 낮은 정격 전압을 갖는 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a charging system for an electric vehicle to which a dual DC-DC converter is applied, and more particularly, is composed of a first LLC resonant converter having a fixed resonant frequency and a second LLC resonant converter having a variable resonant frequency, In constant current charging, Zero Voltage Switching (ZVS) and Zero Current Switching (ZCS) are provided through switching by resonance frequency, and in constant voltage charging, ZVS is provided through switching by resonance frequency to provide soft It relates to a charging system for an electric vehicle using a dual DC-DC converter that can be switched and has a high voltage gain and a low rated voltage.

친환경 자동차의 종류는 하이브리드자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle), 플러그인하이브리드 자동차(PHEV : Plug-in Hybrid Electric Vehicle), 전기자동차(EV: Electric Vehicle) 및 연료전지자동차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle) 등으로 구분될 수 있고, 친환경 자동차는 HEV 중심으로 보급되나 PHEV/EV 와 FCEV로 확대되고 있다.Types of eco-friendly vehicles include hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), electric vehicles (EVs), and fuel cell electric vehicles (FCEVs). Eco-friendly vehicles are distributed mainly around HEVs, but are expanding to PHEVs/EVs and FCEVs.

친환경 자동차는 내연기관을 대체하는 연료전지 또는 배터리 등 에너지원으로부터의 전력을 구동모터에 전달하는 전기동력시스템이 가장 핵심적인 장치이다.An eco-friendly vehicle has an electric power system that delivers power from an energy source such as a fuel cell or battery that replaces an internal combustion engine to a driving motor is the most essential device.

상기의 구성 중에서, 배터리는 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 이용하여 구동모터의 구동에 필요한 에너지를 공급해야 하는 것으로서, 충전시스템은 배터리에 에너지를 저장시키기 위한 매우 중요한 구성이다.Among the above configurations, the battery should store energy and use the stored energy to supply energy necessary for driving the driving motor, and the charging system is a very important component for storing energy in the battery.

배터리 급속 충전시스템은 고조파 규제를 위한 PFC 스테이지와 전기적 절연 및 2차 측 배터리에 필요한 전압을 공급하기 위한 DC-DC 컨버터 스테이지로 구성되어 있다.The battery fast charging system consists of a PFC stage for harmonic regulation and a DC-DC converter stage for electrical isolation and supplying the required voltage to the secondary side battery.

DC-DC 컨버터는 배터리의 충전 방법에 따라 원하는 전압과 전류를 출력해야 하므로 배터리 충전시스템에서 가장 중요한 구성요소이다. 배터리 충전시스템의 특성은 DC-DC 컨버터의 특성과 직결되는 것으로서, 특히 전기자동차 배터리 충전시스템에서 요구되는 조건은 광범위한 전압을 출력할 수 있는 고성능과 전기적 손실이 적은 고효율을 요구한다.The DC-DC converter is the most important component in the battery charging system because it needs to output the desired voltage and current according to the charging method of the battery. The characteristics of the battery charging system are directly related to the characteristics of the DC-DC converter. In particular, the conditions required for the electric vehicle battery charging system require high performance capable of outputting a wide range of voltage and high efficiency with low electrical loss.

이러한 컨버터 중에서, LLC 공진형 컨버터는 스위칭 주파수에 따라 넓은 범위의 전압을 출력할 수 있고, 높은 스위칭 주파수를 사용하여 고 전력밀도의 조건을 만족시킬 수 있다. 또한, 1차 측 스위칭 소자의 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching)과 2차 측 DC정류기 다이오드의 영전류 스위칭(Zero Current Switching)으로 높은 주파수에서도 스위칭 손실을 저감하여 고효율의 요구조건을 만족시킬 수 있기 때문에 배터리 충전시스템에 적합하다.Among these converters, the LLC resonant converter can output a wide range of voltages according to the switching frequency and can satisfy the condition of high power density by using a high switching frequency. In addition, it is possible to reduce switching loss even at high frequencies through zero voltage switching of the primary side switching element and zero current switching of the secondary side DC rectifier diode to satisfy the requirements for high efficiency. Therefore, it is suitable for battery charging system.

전기자동차용 충전시스템에 관한 기술로서, 등록특허공보 제10-1594303호에 상전이 듀얼 풀브리지 컨버터가 개시되었다.As a technology related to a charging system for an electric vehicle, a phase-shift dual full-bridge converter is disclosed in Patent Registration No. 10-1594303.

상기 기술은 한 쌍의 트랜스포머; 직렬 연결되는 한 쌍의 스위치로 구성되는 제1레그, 제2레그 및 한 쌍의 트랜스포머 중 제1트랜스포머를 포함하는 레깅 풀브리지 인버터와, 제3레그, 제4레그 및 한 쌍의 트랜스포머 중 제2트랜스포머를 포함하는 리딩 풀브리지 인버터를 포함하는 제1스테이지; 직렬 연결되는 한 쌍의 다이오드로 구성되는 제5레그, 제6레그 및 제7레그를 포함하며, 제5레그, 제6레그 및 제1트랜스포머를 포함하는 제1풀브리지 정류회로와, 제6레그, 제7레그 및 제2트랜스포머를 포함하는 제2풀브리지 정류회로로 구성되는 제2스테이지를 포함한다.The technology includes a pair of transformers; A legged full-bridge inverter including a first leg, a second leg, and a first transformer among a pair of transformers composed of a pair of switches connected in series, and a second leg among a third leg, a fourth leg, and a pair of transformers. A first stage including a leading full-bridge inverter including a transformer; A first full-bridge rectifier circuit including a fifth leg, a sixth leg, and a seventh leg composed of a pair of diodes connected in series, and including a fifth leg, a sixth leg, and a first transformer, and a sixth leg , a second stage composed of a second full-bridge rectifier circuit including a seventh leg and a second transformer.

또한, 등록특허공보 제10-1649109호에 듀얼 풀브리지 컨버터가 개시되었다.In addition, a dual full-bridge converter is disclosed in Korean Patent Registration No. 10-1649109.

상기 기술은 1차측에는 하나의 레그를 공유하는 두 개의 풀브리지 인버터를 통합구성하고, 2차측에는 인덕터를 공유하는 두 개의 배전류 정류 회로가 통합되도록 구성된다.The technology is configured such that two full-bridge inverters sharing one leg are integrated on the primary side, and two current doubler rectifying circuits sharing an inductor are integrated on the secondary side.

그러나 LLC 공진형 컨버터의 최적 설계는 데드 타임(dead time), 최대 스위칭 주파수 및 시간 가중 평균 효율과 관련이 있다. 광범위한 스위칭 주파수 변화 없이는 배터리의 CC/CV 충전을 구현할 수 없다.However, the optimal design of an LLC resonant converter is related to dead time, maximum switching frequency, and time-weighted average efficiency. CC/CV charging of the battery cannot be implemented without wide switching frequency variations.

LLC 공진형 컨버터가 공진 주파수를 벗어나 동작하면 낮은 스위칭 손실 및 낮은 순환 전류와 같은 주요 이점을 잃게 되어 결과적으로 효율성이 저하된다.When an LLC resonant converter operates outside its resonant frequency, it loses key benefits such as low switching losses and low circulating current, resulting in reduced efficiency.

또한, 스위칭 주파수가 공진 주파수보다 상대적으로 높으면 FBLLC(Full bridge LLC) 공진 컨버터의 1차 스위치에 높은 턴 오프 전류가 발생하고, 스위칭 주파수가 공진 주파수보다 낮으면 1차 측에서 순환 전류가 발생한다. 이에 더하여 스위칭 주파수 변화의 범위가 넓기 때문에 마그네틱 부품을 최적화하는 데 어려움이 있게 된다. 뿐만 아니라 부품이 최적화되지 않은 경우 컨버터의 더 높은 전도 손실과 더 낮은 전력 밀도는 피할 수 없다. In addition, when the switching frequency is relatively higher than the resonant frequency, a high turn-off current is generated in the primary switch of a full bridge LLC (FBLLC) resonant converter, and a circulating current is generated in the primary side when the switching frequency is lower than the resonant frequency. In addition, the wide range of switching frequency variation presents challenges in optimizing magnetic components. In addition, higher conduction losses and lower power density in the converter are unavoidable if the components are not optimized.

등록특허공보 제10-1594303호 (2016. 02. 05.)Registered Patent Publication No. 10-1594303 (2016. 02. 05.) 등록특허공보 제10-1649109호 (2016. 08. 11.)Registered Patent Publication No. 10-1649109 (2016. 08. 11.)

본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 공진 주파수를 변화시키는 가변스위치를 구성하여 스위칭의 손실을 방지하고, 정전류와 정전압 충전에 고정 주파수의 공진 동작에 의해 순환 전류를 감소시킬 수 있는 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템를 제공하는 데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and the problem to be solved in the present invention is to prevent loss of switching by configuring a variable switch that changes the resonance frequency, and by a resonance operation of a fixed frequency in constant current and constant voltage charging An object of the present invention is to provide a charging system for an electric vehicle to which a dual DC-DC converter capable of reducing circulating current is applied.

또한, 정전류 및 정전압 충전에서 정류기의 소프트 스위칭에 따라 높은 전압 이득을 갖으면서 낮은 정격 전압으로 동작하는 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템를 제공하는 데 있다.In addition, to provide a charging system for an electric vehicle using a dual DC-DC converter operating at a low rated voltage while having a high voltage gain according to soft switching of a rectifier in constant current and constant voltage charging.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템는 공급되는 교류전원에서 전자기 간섭의 노이즈를 제거하는 EMI(Electro-Magnetic Interference)필터부; 상기 EMI필터부에서 출력되는 교류전원을 직류전원으로 변환하고, 역률을 보정하는 정류PFC(Power Factor Corrector)부; 상기 정류PFC부에서 출력되는 직류전원을 배터리를 충전시킬 수 있는 입력과 절연된 직류전원으로 출력하는 DC-DC컨버터부; 상기 DC-DC컨버터부에서 출력되는 직류전원의 전압을 평활하여 출력하는 DC필터부; 및 상기 DC필터부에서 출력되는 전압과 전류 및 상기 배터리의 전압에 근거하여 상기 DC-DC컨버터부의 정전류와 정전압을 제어하는 충전제어부를 포함하여 구성되고, 상기 DC-DC컨버터부는 스위칭회로; 상기 스위칭회로에 연결되어 고정된 공진주파수로 동작되는 제1 LLC 공진형 컨버터; 및 상기 스위칭회로에 연결되되 상기 제1 LLC 공진형 컨버터와 병렬로 연결되며 가변되는 공진주파수로 동작되는 제2 LLC 공진형 컨버터를 포함하여 구성된다.An electric vehicle charging system using a dual DC-DC converter according to the present invention to solve the above problems includes an EMI (Electro-Magnetic Interference) filter unit for removing electromagnetic interference noise from supplied AC power; a power factor corrector (PFC) unit that converts AC power output from the EMI filter unit into DC power and corrects a power factor; a DC-DC converter unit outputting the DC power output from the rectification PFC unit as DC power insulated from an input capable of charging a battery; a DC filter unit for smoothing and outputting the voltage of the DC power output from the DC-DC converter unit; and a charge control unit controlling constant current and constant voltage of the DC-DC converter unit based on the voltage and current output from the DC filter unit and the voltage of the battery, wherein the DC-DC converter unit includes a switching circuit; a first LLC resonant converter connected to the switching circuit and operated at a fixed resonant frequency; and a second LLC resonant converter connected to the switching circuit, connected in parallel with the first LLC resonant converter, and operating at a variable resonant frequency.

여기서, 상기 제1 LLC 공진형 컨버터는 정전류와 정전압로 상기 배터리를 충전시키도록 동작되는 것을 특징으로 한다.Here, the first LLC resonant converter is characterized in that it operates to charge the battery with a constant current and a constant voltage.

또한, 상기 제1 LLC 공진형 컨버터는 상기 스위칭회로에 연결되는 제1 공진회로; 상기 제1 공진회로에 연결되어 전압을 변환하는 제1 변압기; 및 상기 제1 변압기의 2차측에 연결되어 부하에 공진전류를 전달하여 출력전압을 출력하는 제1 정류기를 포함한다.In addition, the first LLC resonant converter may include a first resonant circuit connected to the switching circuit; a first transformer connected to the first resonant circuit to convert a voltage; and a first rectifier connected to the secondary side of the first transformer and outputting an output voltage by transferring a resonant current to a load.

또한, 상기 제2 LLC 공진형 컨버터는 상기 스위칭회로에 연결되는 제2 공진회로; 상기 제2 공진회로에 연결되어 전압을 변환하는 제2 변압기; 상기 제2 변압기의 2차측에 연결되어 부하에 공진전류를 전달하여 출력전압을 출력하는 제2 정류기; 및 상기 제2 공진회로의 커패시턴스를 가변시키는 가변회로를 포함한다.In addition, the second LLC resonant converter may include a second resonant circuit connected to the switching circuit; a second transformer connected to the second resonant circuit to convert a voltage; a second rectifier connected to the secondary side of the second transformer and outputting an output voltage by transferring a resonant current to a load; and a variable circuit for varying the capacitance of the second resonance circuit.

또한, 상기 가변회로는 상기 제2 공진회로의 커패시터에 병렬로 연결되는 제3 공진커패시터와 가변스위치를 포함한다.In addition, the variable circuit includes a third resonance capacitor connected in parallel to the capacitor of the second resonance circuit and a variable switch.

또한, 상기 제2 LLC 공진형 컨버터는 상기 가변스위치의 턴오프에 의해 정전류 충전으로 동작되고, 상기 가변스위치의 턴온에 의해 정전압 충전으로 동작되게 된다.In addition, the second LLC resonant converter operates with constant current charging by turning off the variable switch and operates with constant voltage charging by turning on the variable switch.

또한, 상기 정전류 충전에서 상기 제1 LLC 공진형 컨버터의 출력 전압은 상기 배터리의 전압보다 상대적으로 낮은 전압으로 출력된다.In addition, in the constant current charging, the output voltage of the first LLC resonant converter is output as a relatively lower voltage than the voltage of the battery.

본 발명에 의하면, 공진 주파수를 변화시키는 가변스위치를 구성하여 스위칭의 손실을 방지하고, 정전류와 정전압 충전에 고정 주파수의 공진 동작에 의해 순환 전류를 감소시킴으로써 충전 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, a variable switch that changes the resonance frequency is configured to prevent switching loss, and charging efficiency can be increased by reducing circulating current by a resonance operation of a fixed frequency in constant current and constant voltage charging.

또한, 정전류 및 정전압 충전에서 정류기의 소프트 스위칭에 따라 높은 전압 이득을 갖으면서 낮은 정격 전압으로 동작하는 장점이 있다.In addition, there is an advantage of operating at a low rated voltage while having a high voltage gain according to the soft switching of the rectifier in constant current and constant voltage charging.

도 1은 본 발명에 따른 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템에 적용된 정류PFC부의 개략적인 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템에 적용된 DC-DC컨버터부의 회로도,
도 4는 본 발명에 따른 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템에 적용된 정전류 충전 모드시 DC-DC컨버터부의 등가회로를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템에 적용된 정전압 충전 모드시 DC-DC컨버터부의 등가회로를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템를 통해 배터리를 충전하는 과정에서의 등가 임피던스를 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템에 적용된 정전류 충전 모드에서의 LLC 공진형 컨버터의 파형을 나타낸 것이다.1 is a schematic configuration diagram of a charging system for an electric vehicle to which a dual DC-DC converter according to the present invention is applied;
2 is a schematic circuit diagram of a rectifying PFC unit applied to a charging system for an electric vehicle to which a dual DC-DC converter is applied according to the present invention;
3 is a circuit diagram of a DC-DC converter applied to a charging system for an electric vehicle to which a dual DC-DC converter according to the present invention is applied;
4 is a diagram showing an equivalent circuit of a DC-DC converter unit in a constant current charging mode applied to a charging system for an electric vehicle to which a dual DC-DC converter according to the present invention is applied;
5 is a diagram showing an equivalent circuit of a DC-DC converter unit in a constant voltage charging mode applied to a charging system for an electric vehicle to which a dual DC-DC converter according to the present invention is applied;
6 is a graph showing equivalent impedance in the process of charging a battery through a charging system for an electric vehicle to which a dual DC-DC converter according to the present invention is applied;
7 shows waveforms of an LLC resonant converter in a constant current charging mode applied to a charging system for an electric vehicle to which a dual DC-DC converter according to the present invention is applied.

다음으로, 본 발명에 따른 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Next, a preferred embodiment of a charging system for an electric vehicle to which the dual DC-DC converter according to the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

이하에서 동일한 기능을 하는 기술요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고, 중복 설명을 피하기 위하여 반복되는 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, the same reference numerals are used for technical elements that perform the same function, and repeated detailed descriptions are omitted to avoid redundant description.

또한, 이하에 설명하는 실시 예는 본 발명의 바람직한 실시 예를 효과적으로 보여주기 위하여 예시적으로 나타내는 것으로, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위하여 해석되어서는 안 된다.In addition, the embodiments described below are shown by way of example to effectively show preferred embodiments of the present invention, and should not be construed to limit the scope of the present invention.

본 발명은 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공진주파수가 고정되는 제1 LLC 공진형 컨버터와 공진주파수가 가변되는 제2 LLC 공진형 컨버터로 구성되어, 정전류 충전에서는 공진주파수의 의한 스위칭을 통해 영전압 스위칭(ZVS, Zero Voltage Switching, 이하 'ZVS'라 한다)과 영전류 스위칭(ZCS, Zero Current Switching, 이하 'ZCS'라 한다)을 제공하고, 정전압 충전에서는 공진주파수의 의한 스위칭을 통해 ZVS를 제공하여 소프트 스위칭이 가능하며, 높은 전압 이득과 낮은 정격 전압을 갖는 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a charging system for an electric vehicle to which a dual DC-DC converter is applied, and more particularly, is composed of a first LLC resonant converter having a fixed resonant frequency and a second LLC resonant converter having a variable resonant frequency, In constant current charging, zero voltage switching (ZVS, Zero Voltage Switching, hereinafter referred to as 'ZVS') and zero current switching (ZCS, Zero Current Switching, hereinafter referred to as 'ZCS') are provided through switching by resonant frequency, and constant voltage In charging, soft switching is possible by providing ZVS through switching by resonant frequency, and it relates to a charging system for an electric vehicle using a dual DC-DC converter having a high voltage gain and a low rated voltage.

도 1은 본 발명에 따른 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템의 개략적인 구성도를 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing a schematic configuration of a charging system for an electric vehicle to which a dual DC-DC converter according to the present invention is applied.

첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 EMI(Electro-Magnetic Interference)필터부(10), 정류PFC(Power Factor Corrector)부(20), DC-DC컨버터부(30), DC필터부(40) 및 충전제어부(50)를 포함하여 구성되고, 본 발명의 충전시스템을 통해 상용전원의 교류전원을 이용하여 전기자동차의 배터리(B)를 충전하게 된다.1, an EMI (Electro-Magnetic Interference) filter unit 10, a rectifying PFC (Power Factor Corrector) unit 20, DC-DC to which a dual DC-DC converter according to the present invention is applied It is composed of a converter unit 30, a DC filter unit 40, and a charging control unit 50, and the battery B of the electric vehicle is charged using AC power of commercial power through the charging system of the present invention. .

여기서, 상기 상용전원은 단상 220V/60Hz의 계통으로 구성될 수 있다.Here, the commercial power source may be configured as a single-phase 220V/60Hz system.

통상적으로 상기 상용전원은 가정용 또는 상업용으로 사용될 수 있는 단상의 교류 전원일 수 있다. 대한민국에서 상용 전압은 단상 AC 220V인 것이 일반적이고, 국가에 따라서 사용 전압은 상이할 수는 있으나 85~265V의 범위 내에 있다. 또한, 주파수는 60Hz인 것이 일반적이며, 50Hz일 수도 있다. 이 상용전원에 의하여 교류 전원이 입력되게 된다.Typically, the commercial power source may be a single-phase AC power source that can be used for home or commercial use. In Korea, commercial voltage is generally single-phase AC 220V, and depending on the country, the voltage used may be different, but it is within the range of 85 ~ 265V. Also, the frequency is generally 60 Hz, and may be 50 Hz. AC power is input by this commercial power supply.

EMI필터부(10)는 공급되는 교류전원에서 전자기 간섭의 노이즈를 제거한다.The EMI filter unit 10 removes electromagnetic interference noise from supplied AC power.

AC-DC 및 DC-DC 컨버터는 전도성과 복사성 방사 잡음에서 상당히 높은 수치를 나타낸다. 이러한 EMI 노이즈가 컨버터(AC-AD, DC-DC)에 입력 전원을 공급하는 주전원 입력측에서 필터링되지 않으면, 충전시스템의 다른 구성에 영향을 미쳐 EMI 노이즈에 의한 오동작이 발생될 수 있다.AC-DC and DC-DC converters exhibit significantly higher levels of conducted and radiated radiated noise. If this EMI noise is not filtered at the main power input side that supplies input power to the converters (AC-AD, DC-DC), it may affect other components of the charging system and cause malfunction due to EMI noise.

본 발명에 따른 EMI필터부(10)는 수동 EMI필터와 능동 EMI필터로 구분될 수있다.The EMI filter unit 10 according to the present invention can be divided into a passive EMI filter and an active EMI filter.

수동 EMI 필터는 인덕터와 커패시터로 구성된 LPF(low pass filter)로서, 초크코일의 인덕턴스 성분과 X-커패시터가 DM 잡음을 차단시키는 필터로서 LC LPF의 역할을 하여 잡음을 감쇠하게 되며, 초크코일의 누설 인덕턴스와 Y-커패시터가 CM 잡음을 감쇄시키는 LC LPF의 역할을 수행한다.The passive EMI filter is an LPF (low pass filter) composed of an inductor and a capacitor. The inductance component of the choke coil and the X-capacitor block DM noise. The inductance and Y-capacitor play the role of LC LPF to attenuate CM noise.

능동 EMI 필터는 잡음 검출회로, 반전 증폭 회로 및 주입 회로로 구성된다.The active EMI filter consists of a noise detection circuit, an inverting amplifier circuit and an injection circuit.

잡음 검출회로는 전압검출, 전류검출 두 가지로 분류되며, DC성분 또는 기본파(60Hz)성분을 제외한 고주파 잡음만 검출하는 것을 목적으로 한다.The noise detection circuit is classified into voltage detection and current detection, and aims to detect only high-frequency noise excluding the DC component or the fundamental wave (60Hz) component.

반전 증폭회로의 경우 검출된 신호를 180°의 역위상과 원하는 이득을 갖는 출력신호를 출력하는 역할을 하며, 주요 소자인 OP-Amp의 이득과 위상 및 주파수 특성에 따라 회로구성이 결정된다.In the case of an inverting amplifier circuit, it serves to output an output signal having an anti-phase of 180° and a desired gain from the detected signal, and the circuit configuration is determined according to the gain, phase and frequency characteristics of the main element, the OP-Amp.

주입회로는 잡음 검출회로와 마찬가지로 크게 전압주입, 전류주입 두 가지 형태로 나누어지게 되며 회로의 임피던스와 주입 위상오차를 고려하여 설계된다.The injection circuit, like the noise detection circuit, is largely divided into two types: voltage injection and current injection, and is designed in consideration of the impedance of the circuit and the injection phase error.

본 발명에 적용된 EMI필터부(10)는 저주파대역의 잡음을 감쇠시키고 위상오차에 따른 고주파 잡음은 수동 EMI 필터로 감쇠시키도록 구성될 수 있다.The EMI filter unit 10 applied to the present invention may be configured to attenuate noise in a low frequency band and to attenuate high frequency noise according to a phase error with a passive EMI filter.

이때, 수동 EMI 필터는 저주파 제거가 목표가 아니라 250khz 이상의 고주파 대역의 잡음만 제거하면 되기 때문에 저용량의 인덕턴스와 커패시턴스로 구성될 수 있다. In this case, the passive EMI filter may be configured with low-capacity inductance and capacitance because the goal is not to remove low frequencies, but only needs to remove noise in a high-frequency band of 250 khz or more.

따라서 전체적인 EMI필터부(10)를 구성하는 경우 크기와 부피를 개선할 수 있고, 충전시스템의 각 구성에 일정 수준의 EMI 노이즈를 제거하여 충전시스템의 오동작을 방지하게 된다.Therefore, when configuring the entire EMI filter unit 10, the size and volume can be improved, and a certain level of EMI noise is removed from each component of the charging system to prevent malfunction of the charging system.

정류PFC부(20)는 EMI필터부(10)에서 출력되는 교류전원을 직류전원으로 변환하고, 역률을 보정하는 기능을 수행한다.The rectifying PFC unit 20 converts the AC power output from the EMI filter unit 10 into DC power and performs a function of correcting the power factor.

도 2는 본 발명에 따른 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템에 적용된 정류PFC부의 개략적인 회로도를 나타낸 것이다.2 shows a schematic circuit diagram of a rectifying PFC unit applied to a charging system for an electric vehicle to which a dual DC-DC converter according to the present invention is applied.

첨부된 도 2를 참조하면, 상기 정류PFC부(20)는 교류전원을 직류전원으로 정류하는 ACDC정류기(21)와 역률을 보상하는 역률보상회로(22)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the rectifying PFC unit 20 includes an ACDC rectifier 21 for rectifying AC power to DC power and a power factor correction circuit 22 for compensating the power factor.

상기 ACDC정류기(21)는 4개의 브릿지 정류 다이오드를 연결한 브리지 회로로 구성된다. 상기 브리지 정류 다이오드는 입력된 교류전원을 어떠한 극성 전압이 입력되더라도 동일한 극성 전압을 출력한다.The ACDC rectifier 21 is composed of a bridge circuit connecting four bridge rectifier diodes. The bridge rectifier diode outputs the same polarity voltage no matter what polarity voltage is input to the input AC power.

역률보상회로(22)는 상기 ACDC정류기(21)에서 정류되어 출력되는 정류 전원을 저장하는 입력커패시터(Cp1)와 입력인덕터(Lp)의 전하(에너지)가 저장되는 출력커패시터(Cp2)가 직렬 결합된 구조를 가진다. 또한, 입력전류를 전류 불연속 모드(DCM, Discontinuous Conduction Mode)로 동작시켜 입력 전류나 전압의 센싱없이 일정 시비율(Duty ratio)로 스위칭하는 스위치(Qp) 및 상기 스위치(Qp)와 직렬로 구성되는 환류다이오드(Dp)를 포함한다.The power factor correction circuit 22 includes an input capacitor Cp1 storing the rectified power output after being rectified by the ACDC rectifier 21 and an output capacitor Cp2 storing the charge (energy) of the input inductor Lp coupled in series. has a structure In addition, a switch (Qp) that operates the input current in a current discontinuous conduction mode (DCM, Discontinuous Conduction Mode) and switches at a constant duty ratio without sensing the input current or voltage, and is configured in series with the switch (Qp) It includes a reflux diode (Dp).

이와 같이 구성된 상기 역률보상회로(22)는 스위치의 온/오프와 출력커패시터(Cp2)에 충전된 전하가 방전되는 3개의 모드로 동작된다.The power factor correction circuit 22 configured as described above operates in three modes in which the switch is turned on/off and the charge stored in the output capacitor Cp2 is discharged.

모드 1은 스위치(Qp)가 턴 온 상태로서, 스위치(Qp)가 턴 온 상태로 전환되면, 입력전류는 입력인덕터(Lp)를 거쳐 스위치(Qp)를 통해 상승한다. 여기서 입력인덕터(Lp)에는 스위칭 동작에 의해 전하가 저장되고 커패시터(Cp2)는 방전된다.In mode 1, the switch Qp is turned on, and when the switch Qp is turned on, the input current rises through the switch Qp via the input inductor Lp. Here, charge is stored in the input inductor (Lp) by a switching operation and the capacitor (Cp2) is discharged.

모드 2는 스위치(Qp)가 턴 오프 상태로서, 스위치(Qp)가 턴 오프 상태로 전환되면, 입력전류는 하강하며 입력인덕터(Lp)에 흐르는 전류는 감소한다.In mode 2, the switch Qp is turned off. When the switch Qp is turned off, the input current decreases and the current flowing through the input inductor Lp decreases.

이때, 상기 모드 1에서 입력인덕터(Lp)에 저장되었던 전하는 환류 다이오드(Dp)를 통해 출력커패시터(Qp2)에 충전되며 동시에 출력 측으로 방출된다.At this time, the charge stored in the input inductor (Lp) in the mode 1 is charged in the output capacitor (Qp2) through the freewheeling diode (Dp) and released to the output side at the same time.

모드 3은 모드 2에서 입력인덕터(Lp)에 흐르던 전류가 0이 되는 상태로 입력전류도 0이 된다. 환류다이오드(Dp)는 차단되고 출력커패시터(Qp)에 충전된 전하가 출력으로 방전된다.Mode 3 is a state in which the current flowing through the input inductor Lp in mode 2 becomes 0, and the input current also becomes 0. The freewheeling diode (Dp) is blocked and the charge charged in the output capacitor (Qp) is discharged to the output.

이러한 구성에서, 스위치(Qp)의 온/오프 구간 동안 출력전압은 항상 입력커패시터 양단전압과 출력 커패시터 양단전압의 합이 출력된다. 즉, 입력되는 입력전압 220V에 대하여 출력 700V의 출력 직류전원이 출력된다.In this configuration, the sum of the voltage across the input capacitor and the voltage across the output capacitor is always output as the output voltage during the on/off period of the switch Qp. That is, an output DC power supply having an output of 700V is output with respect to an input voltage of 220V.

따라서 상기 정류PFC부(20)에서 출력되는 직류전원은 입력 직류전원을 고전압으로 변환할 수 있고, 추가 제어기가 필요 없는 장점을 가진다.Accordingly, the DC power output from the rectifying PFC unit 20 can convert the input DC power into a high voltage, and has the advantage of not requiring an additional controller.

DC-DC컨버터부(30, 도 1 참조)는 정류PFC부(20)에서 출력되는 직류전원을 상기 배터리를 충전시킬 수 있는 입력과 절연된 직류전원으로 출력하는 기능을 수행한다.The DC-DC converter unit 30 (see FIG. 1) performs a function of outputting DC power output from the rectifying PFC unit 20 as DC power insulated from an input capable of charging the battery.

도 3은 본 발명에 따른 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템에 적용된 DC-DC컨버터부의 회로도를 나타낸 것이다.3 is a circuit diagram of a DC-DC converter applied to a charging system for an electric vehicle to which a dual DC-DC converter according to the present invention is applied.

첨부된 도 3을 참조하면, DC-DC컨버터부(30)는 스위칭회로(31), 제1 LLC 공진형 컨버터(100) 및 제2 LLC 공진형 컨버터(200)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 3 attached, the DC-DC converter unit 30 includes a switching circuit 31, a first LLC resonant converter 100 and a second LLC resonant converter 200.

스위칭회로(31)는 4개의 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)로 구성되고, 스위칭 주파수(예를 들면 gating signal)에 근거하여 직류전압을 입력받아 소정의 전압을 가진 전력으로 스위칭하여 출력한다.The switching circuit 31 is composed of four switching elements (S1, S2, S3, S4), receives DC voltage based on the switching frequency (eg gating signal), switches it to power having a predetermined voltage, and outputs the output. do.

상기 스위칭회로(31)의 스위칭 주파수는 고정 주파수와 50%의 고정 듀티 사이클로 동작되게 된다.The switching frequency of the switching circuit 31 is operated at a fixed frequency and a fixed duty cycle of 50%.

상기 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)는 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)와 같은 반도체 스위칭소자 또는 실리콘 카바이드(SiC) 기반의 MOSFET이 사용될 수 있다.As the switching devices S1, S2, S3, and S4, semiconductor switching devices such as metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) or MOSFETs based on silicon carbide (SiC) may be used.

특히, 상기 실리콘 카바이드(SiC) 기반의 MOSFET은 전압/전류 사양 이외에도 낮은 정전 용량의 고속 스위칭에 최적화 되어 있고, 낮은 임피던스 패키지로 이루어지며, 낮은 역회복 전하를 가지고 스위칭 속도가 빠른 장점을 가지고 있다. 또한, 높은 전압(대략 900V)을 안정적으로 스위칭할 수 있는 것으로서, 본 발명의 스위칭회로에 적합하다.In particular, the silicon carbide (SiC)-based MOSFET is optimized for high-speed switching of low capacitance in addition to voltage/current specifications, is made of a low-impedance package, has a low reverse recovery charge, and has a fast switching speed. In addition, as it can stably switch a high voltage (approximately 900V), it is suitable for the switching circuit of the present invention.

제1 LLC 공진형 컨버터(100)는 상기 스위칭회로(31) 연결되는 고정된 공진주파수로 동작되는 것으로서, 정전류(CC, Constant Current)와 정전압(CV, Constant Voltage)로 상기 배터리를 충전시키도록 동작된다.The first LLC resonant converter 100 operates at a fixed resonant frequency connected to the switching circuit 31, and operates to charge the battery with constant current (CC) and constant voltage (CV). do.

첨부된 도 3을 참조하면, 상기 제1 LLC 공진형 컨버터(100)는 상기 스위칭회로에 연결되는 제1 공진회로(110), 상기 제1 공진회로(110)에 연결되어 전압을 변환하는 제1 변압기(120) 및 상기 제1 변압기(120)의 2차측에 연결되어 부하에 공진전류를 전달하여 출력전압을 출력하는 제1 정류기(130)를 포함한다.Referring to FIG. 3, the first LLC resonant converter 100 includes a first resonant circuit 110 connected to the switching circuit and a first resonant circuit 110 connected to the first resonant circuit 110 to convert a voltage. It includes a transformer 120 and a first rectifier 130 connected to the secondary side of the first transformer 120 and outputting an output voltage by transferring a resonance current to a load.

상기 제1 공진회로(110)는 공진인덕터와 공진커패시터를 포함한다. 상기 공진인덕터의 인덕턴스를 공진인덕턴스(L1)으로 정의하고, 상기 공진커패시터의 커패시턴스를 공진커패시턴스(Cr1)의 정의한다.The first resonant circuit 110 includes a resonant inductor and a resonant capacitor. The inductance of the resonant inductor is defined as a resonant inductance (L1), and the capacitance of the resonant capacitor is defined as a resonant capacitance (Cr1).

이때, 상기 제1 변압기(120)에는 자화인덕터에 의해 발생되는 자화인덕턴스(Lm1)가 존재한다.At this time, the first transformer 120 has a magnetizing inductance Lm1 generated by the magnetizing inductor.

제2 LLC 공진형 컨버터(200)는 상기 스위칭회로(31) 연결되고 상기 제1 LLC 공진형 컨버터와 병렬로 연결되며 가변되는 공진주파수로 동작되는 것으로서, 상기 스위칭회로(31)에 연결되는 제2 공진회로(210), 상기 제2 공진회로(210)에 연결되어 전압을 변환하는 제2 변압기(220), 상기 제2 변압기(220)의 2차측에 연결되어 부하에 공진전류를 전달하여 출력전압을 출력하는 제2 정류기(230) 및 상기 제2 공진회로(210)의 커패시턴스를 가변시키는 가변회로(240)를 포함한다.The second LLC resonant converter 200 is connected to the switching circuit 31 and is connected in parallel with the first LLC resonant converter and operates at a variable resonance frequency, and is connected to the switching circuit 31. A resonance circuit 210, a second transformer 220 connected to the second resonance circuit 210 and converting a voltage, connected to a secondary side of the second transformer 220 to transmit a resonance current to a load and output voltage It includes a second rectifier 230 that outputs and a variable circuit 240 that varies the capacitance of the second resonant circuit 210.

상기 제2 공진회로(210)는 공진인덕터와 공진커패시터를 포함한다. 상기 공진인덕터의 인덕턴스를 공진인덕턴스(L2)으로 정의하고, 상기 공진커패시터의 커패시턴스를 공진커패시턴스(Cr2)의 정의한다.The second resonant circuit 210 includes a resonant inductor and a resonant capacitor. The inductance of the resonant inductor is defined as a resonant inductance (L2), and the capacitance of the resonant capacitor is defined as a resonant capacitance (Cr2).

이때, 상기 제2 변압기(220)에는 자화인덕터에 의해 발생되는 자화인덕턴스(Lm2)가 존재한다.At this time, the second transformer 220 has a magnetizing inductance Lm2 generated by the magnetizing inductor.

또한, 상기 가변회로(240)는 상기 제2 공진회로(210)의 커패시터에 병렬로 연결되는 제3 공진커패시터(241)와 가변스위치(242)를 포함하는 것으로서, 상기 제3 공진커패시터(241)의 커패시턴스를 가변커패시턴스(Cr3)로 정의한다.In addition, the variable circuit 240 includes a third resonance capacitor 241 and a variable switch 242 connected in parallel to the capacitor of the second resonance circuit 210, and the third resonance capacitor 241 The capacitance of is defined as variable capacitance (Cr3).

상기의 구성에서 제1 정류기(130) 및 제2 정류기(230)는 각각 제1 변압기(120)와 제2 변압기(220) 2차측에 연결되어 부하(배터리)에 공진전류를 전달하여 출력전압을 출력하는 기능을 수행한다.In the above configuration, the first rectifier 130 and the second rectifier 230 are connected to the secondary side of the first transformer 120 and the second transformer 220, respectively, and deliver a resonance current to the load (battery) to increase the output voltage. Performs the output function.

상기 제1 및 제2 정류기(120, 220)는 4개의 정류다이오드로 구성되는데, 상기 제1 정류기(120)는 제1 변압기 2차측에 연결되어 정류다이오드(D1, D2, D3, D4)를 포함하고, 상기 제2 정류기(220)는 제2 변압기의 2차측에 연결되어 정류다이오드(D5, D6, D7, D8)를 포함한다.The first and second rectifiers 120 and 220 are composed of four rectifier diodes, and the first rectifier 120 is connected to the secondary side of the first transformer and includes rectifier diodes D1, D2, D3, and D4. And, the second rectifier 220 is connected to the secondary side of the second transformer and includes rectifying diodes D5, D6, D7, and D8.

또한, 상기 제1 정류기(120)의 출력단에는 직류전압을 안정화시키는 제1 전해커패시터(C01)가 구성되고, 상기 제2 정류기(220)의 출력단에는 직류전압을 안정화시키는 제2 전해커패시터(C02)가 구성된다.In addition, a first electrolytic capacitor (C 01 ) for stabilizing the DC voltage is formed at the output terminal of the first rectifier 120, and a second electrolytic capacitor (C 01 ) for stabilizing the DC voltage is formed at the output terminal of the second rectifier 220. 02 ) is composed.

한편, 배터리(B)를 충전은 CC충전과 CV충전으로 이루어진다.On the other hand, the battery B is charged by CC charging and CV charging.

정전류(CC)충전을 수행하기 위해서 제1 공진회로(110)는 전압 소스로 동작하고 제2 공진회로(210)는 전류 소스로 동작한다.To perform constant current (CC) charging, the first resonance circuit 110 operates as a voltage source and the second resonance circuit 210 operates as a current source.

정전압(CV)충전을 수행하기 위해서 제1 공진회로(110)와 제2 공진회로(210)는 전압 소스로 동작한다.In order to perform constant voltage (CV) charging, the first resonance circuit 110 and the second resonance circuit 210 operate as voltage sources.

공진주파수는 다음의 수학식 1에 의해 산출된다.The resonant frequency is calculated by Equation 1 below.

수학식 1)Equation 1)

Figure 112022118892210-pat00001
Figure 112022118892210-pat00001

여기서, f0는 공진주파수, L은 공진인덕턴스, C는 공진커패시턴스이다.Here, f 0 is the resonant frequency, L is the resonant inductance, and C is the resonant capacitance.

상기 제1 LLC 공진형 컨버터(100)는 상기 제2 LLC 공진형 컨버터(200)보다 상대적으로 더 높은 공진주파수에서 전압 소스로 동작하도록 구성되고, 특히 상기 제2 LLC 공진형 컨버터(200)는 가변스위치(242)에 의해 공진주파수가 변환되게 되어 전류 소스로 동작되게 된다.The first LLC resonant converter 100 is configured to operate as a voltage source at a relatively higher resonant frequency than the second LLC resonant converter 200, and in particular, the second LLC resonant converter 200 is variable. The resonant frequency is converted by the switch 242 to operate as a current source.

즉, 상기 제1 LLC 공진형 컨버터(100)는 정전류(CC) 충전과 정전압(CV) 충전에 관여하게 된다. 상기 제2 LLC 공진형 컨버터(200)는 가변스위치(242)의 턴오프에 의해 정전류(CC)충전에 관여하고, 상기 가변스위치(242)의 턴온에 의해 정전압(CV)충전에 관여하게 된다.That is, the first LLC resonant converter 100 is involved in constant current (CC) charging and constant voltage (CV) charging. The second LLC resonant converter 200 participates in constant current (CC) charging by turning off the variable switch 242, and participates in constant voltage (CV) charging by turning on the variable switch 242.

1. 정전류 충전(CC충전) 모드1. Constant current charging (CC charging) mode

정전류 충전 모드에서 제1 LLC 공진형 컨버터(100)는 전압원(소스)으로 동작하고, 제2 LLC 공진형 컨버터(200)는 전류원(소스)으로 동작된다.In the constant current charging mode, the first LLC resonant converter 100 operates as a voltage source (source), and the second LLC resonant converter 200 operates as a current source (source).

이에, 상기 제1 LLC 공진형 컨버터(100)의 공진주파수는 L1과 Cr1에 의해 결정되고, 상기 제2 LLC 공진형 컨버터(200)의 공진주파수는 L2, Lm2 및 Cr2에 의해 결정되게 된다.Accordingly, the resonant frequency of the first LLC resonant converter 100 is determined by L1 and Cr1, and the resonant frequency of the second LLC resonant converter 200 is determined by L2, Lm2 and Cr2.

이때, 상기 정전류 충전 모드에서 상기 제1 LLC 공진형 컨버터(100)의 출력 전압은 상기 배터리의 전압보다 상대적으로 낮은 전압으로 설계되어야 DC-DC컨버터(30)가 전류원으로 동작된다. At this time, in the constant current charging mode, the output voltage of the first LLC resonant converter 100 must be designed to be relatively lower than the voltage of the battery so that the DC-DC converter 30 operates as a current source.

정전류 충전 모드에서 상기 제1 LLC 공진형 컨버터(100)의 공진주파수와 상기 제2 LLC 공진형 컨버터(200)의 공진주파수는 다음의 수학식 2 및 수학식 3에 의해 결정된다.The resonant frequency of the first LLC resonant converter 100 and the resonant frequency of the second LLC resonant converter 200 in the constant current charging mode are determined by Equations 2 and 3 below.

수학식 2)Equation 2)

Figure 112022118892210-pat00002
Figure 112022118892210-pat00002

여기서, fr1-LLC1은 정전류 충전 모드에서 제1 LLC 공진형 컨버터의 공진주파수, L1은 제1 공진회로 공진인덕터의 공진인덕턴스, Cr1은 제1 공진회로 커패시터의 커패시턴스이다.Here, f r1-LLC1 is the resonant frequency of the first LLC resonant converter in the constant current charging mode, L1 is the resonant inductance of the first resonant circuit resonant inductor, and Cr1 is the capacitance of the first resonant circuit capacitor.

수학식 3)Equation 3)

Figure 112022118892210-pat00003
Figure 112022118892210-pat00003

여기서, fr2-LLC2는 정전류 충전 모드에서 제2 LLC 공진형 컨버터의 공진주파수, L2는 제2 공진회로 공진인덕터의 공진인덕턴스, Lm은 제2 변압기의 자화인덕턴스, Cr2는 제2 공진회로 커패시터의 커패시턴스이다.Here, f r2-LLC2 is the resonant frequency of the second LLC resonant converter in constant current charging mode, L2 is the resonant inductance of the resonant inductor of the second resonant circuit, Lm is the magnetizing inductance of the second transformer, and Cr2 is the resonant inductance of the second resonant circuit capacitor. is capacitance.

도 4는 본 발명에 따른 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템에 적용된 정전류 충전 모드시 DC-DC컨버터부의 등가회로를 나타낸 도면이다.4 is a diagram showing an equivalent circuit of a DC-DC converter unit in a constant current charging mode applied to a charging system for an electric vehicle to which a dual DC-DC converter according to the present invention is applied.

첨부된 도 4와 같이, 정전류 충전 모드에서 제2 LLC 공진형 컨버터(200)의 가변스위치(242)는 오프 상태이고, 제2 LLC 공진형 컨버터(200)의 인덕턴스는 L2 및 Lm2이며, 커패시턴스는 Cr2이다.4, in the constant current charging mode, the variable switch 242 of the second LLC resonant converter 200 is in an off state, the inductances of the second LLC resonant converter 200 are L2 and Lm2, and the capacitance is is Cr2.

정전류 충전 모드에서 제1 LLC 공진형 컨버터(100)와 제2 LLC 공진형 컨버터(200)는 공통으로 스위칭회로(31)를 공유하게 되므로, 제1 LLC 공진형 컨버터의 공진주파수와 제2 LLC 공진형 컨버터의 공진주파수는 동일하게 설계된다.Since the first LLC resonant converter 100 and the second LLC resonant converter 200 share the switching circuit 31 in common in the constant current charging mode, the resonant frequency of the first LLC resonant converter and the second LLC resonant converter The resonant frequency of the type converter is designed to be the same.

즉, 제1 LLC 공진형 컨버터(100)와 제2 LLC 공진형 컨버터(200)는 스위칭회로(31)의 스위칭 주파수에서 공진하여, 상기 제1 LLC 공진형 컨버터(100)는 정전압원을 공급하고, 제2 LLC 공진형 컨버터(200)는 정전류를 공급하게 된다.That is, the first LLC resonant converter 100 and the second LLC resonant converter 200 resonate at the switching frequency of the switching circuit 31, so that the first LLC resonant converter 100 supplies a constant voltage source and , the second LLC resonant converter 200 supplies constant current.

정전류 충전 모드에서 상기 제1 LLC 공진형 컨버터(100)의 출력전압(Vo1)은 입력전압(Vin)과 제1 변압기(120)의 권선비의 곱으로 출력된다.In the constant current charging mode, the output voltage Vo1 of the first LLC resonant converter 100 is output as a product of the input voltage Vin and the turn ratio of the first transformer 120 .

또한, 상기 제2 LLC 공진형 컨버터(200)에서 출력되는 정전류는 다음의 수학식 4로 표현된다.In addition, the constant current output from the second LLC resonant converter 200 is expressed by Equation 4 below.

수학식 4)Equation 4)

Figure 112022118892210-pat00004
Figure 112022118892210-pat00004

여기서, Io2는 정전류 충전 모드에서 제2 LLC 공진형 컨버터의 출력되는 정전류, Vin은 스위칭회로로 입력되는 입력전압, n2는 제2 변압기의 권선비, L2는 제2 LLC 공진형 컨버터의 공진인덕터의 공진커패시턴스, Cr2는 제2 LLC 공진형 컨버터의 공진커패시터의 공진커패시턴스, ωs는 각주파수이다.Here, Io2 is the constant current output from the second LLC resonant converter in constant current charging mode, Vin is the input voltage input to the switching circuit, n2 is the turns ratio of the second transformer, and L2 is the resonance of the resonant inductor of the second LLC resonant converter. The capacitance, Cr2 is the resonant capacitance of the resonant capacitor of the second LLC resonant converter, ω s is the angular frequency.

정전류 충전 모드에서의 제1 LLC 공진형 컨버터(100)는 전압 소스로 동작되고, 제2 LLC 공진형 컨버터(200)는 전류 소스로 동작되기 때문에, 상기 제2 LLC 공진형 컨버터(200)의 출력 전류는 배터리(B)의 충전 전류와 동일하다.Since the first LLC resonant converter 100 in the constant current charging mode operates as a voltage source and the second LLC resonant converter 200 operates as a current source, the output of the second LLC resonant converter 200 The current is equal to the charging current of battery B.

따라서, 정전류 충전 모드에서 제1 LLC 공진형 컨버터(100)와 제2 LLC 공진형 컨버터(200)의 출력 전력은 다음의 수학식 5로 표현된다.Accordingly, the output power of the first LLC resonant converter 100 and the second LLC resonant converter 200 in the constant current charging mode is expressed by Equation 5 below.

수학식 5)Equation 5)

Figure 112022118892210-pat00005
Figure 112022118892210-pat00005

여기서, PLLC1은 제1 LLC 공진형 컨버터의 출력 전력, V01은 제1 LLC 공진형 컨버터의 출력 전압, I0는 배터리의 충전 전류(=제2 LLC 공진형 컨버터의 출력 전류), PLLC2는 제2 LLC 공진형 컨버터의 출력 전력, V0는 배터리의 충전 전압이다.Here, P LLC1 is the output power of the first LLC resonant converter, V 01 is the output voltage of the first LLC resonant converter, I 0 is the charging current of the battery (= output current of the second LLC resonant converter), P LLC2 Is the output power of the second LLC resonant converter, and V 0 is the charging voltage of the battery.

2. 정전압 충전(CV충전) 모드2. Constant voltage charging (CV charging) mode

정전압 충전 모드에서 제1 LLC 공진형 컨버터(100)와 제2 LLC 공진형 컨버터(200)는 전압원(소스)로 동작된다.In the constant voltage charging mode, the first LLC resonant converter 100 and the second LLC resonant converter 200 are operated as voltage sources (sources).

여기서, 상기 정전류 충전 모드에서 상기 제1 LLC 공진형 컨버터(100)의 공진주파수와 상기 제2 LLC 공진형 컨버터(200)의 공진주파수가 동일하게 구성됨에 따라, 정전압 충전 모드로 동작하기 위해서는 상기 제1 LLC 공진형 컨버터(100)의 공진주파수가 상기 제2 LLC 공진형 컨버터(200)의 공진주파수 보다 상대적으로 높아야 한다.Here, since the resonant frequency of the first LLC resonant converter 100 and the resonant frequency of the second LLC resonant converter 200 are configured to be the same in the constant current charging mode, in order to operate in the constant voltage charging mode, the first The resonant frequency of the 1 LLC resonant converter 100 should be relatively higher than the resonant frequency of the second LLC resonant converter 200 .

그런데, 상기 수학식 2에서와 같이 상기 제1 LLC 공진형 컨버터(100)의 공진주파수는 L1과 Cr1에 의해 결정되므로, 상기 제1 LLC 공진형 컨버터(100)의 공진주파수를 더 높일 수가 없고, 상기 제2 LLC 공진형 컨버터(200)의 공진주파수를 상기 제1 LLC 공진형 컨버터(100)의 공진주파수보다 상대적으로 낮춰야 한다.However, since the resonant frequency of the first LLC resonant converter 100 is determined by L1 and Cr1 as in Equation 2, the resonant frequency of the first LLC resonant converter 100 cannot be further increased, The resonant frequency of the second LLC resonant converter 200 should be relatively lower than the resonant frequency of the first LLC resonant converter 100 .

이에, 가변회로(240)의 가변스위치(242)는 턴온에 의해 제3 공진커패시터(241)가 상기 제2 LLC 공진형 컨버터(200)에 투입되고, 투입된 상기 제3 공진커패시터(241)와 공진커패시터(Cr2)가 병렬로 연결되어 상기 제2 LLC 공진형 컨버터(200)의 커패시턴스가 증가된다. 증가된 커패시턴스에 의해 상기 제2 LLC 공진형 컨버터(200)의 공진주파수는 감소되게 된다.Accordingly, when the variable switch 242 of the variable circuit 240 is turned on, the third resonant capacitor 241 is put into the second LLC resonant converter 200, and the third resonant capacitor 241 and the third resonant capacitor 241 are resonated. Capacitance Cr2 is connected in parallel to increase the capacitance of the second LLC resonant converter 200 . The resonant frequency of the second LLC resonant converter 200 is reduced by the increased capacitance.

도 5는 본 발명에 따른 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템에 적용된 정전압 충전 모드시 DC-DC컨버터부의 등가회로를 나타낸 도면이다.5 is a diagram showing an equivalent circuit of a DC-DC converter unit in a constant voltage charging mode applied to a charging system for an electric vehicle to which a dual DC-DC converter according to the present invention is applied.

첨부된 도 5와 같이, 정전압 충전 모드에서 제2 LLC 공진형 컨버터(200)의 가변스위치(242)는 온 상태이고, 제2 LLC 공진형 컨버터(200)의 인덕턴스는 L2이며, 커패시턴스는 Cr2, Cr3의 합으로 이루어진다.5, in the constant voltage charging mode, the variable switch 242 of the second LLC resonant converter 200 is in an on state, the inductance of the second LLC resonant converter 200 is L2, and the capacitance is Cr2, It consists of the sum of Cr3.

이에, 상기 제2 LLC 공진형 컨버터(200)의 공진주파수는 다음의 수학식 6으로 표현된다.Accordingly, the resonant frequency of the second LLC resonant converter 200 is expressed by Equation 6 below.

수학식 6)Equation 6)

Figure 112022118892210-pat00006
Figure 112022118892210-pat00006

여기서, fr2-LLC2는 정전압 충전 모드에서 제2 LLC 공진형 컨버터의 공진주파수, L2는 제2 공진회로 공진인덕터의 공진인덕턴스, Cr2는 제2 공진회로 커패시터의 커패시턴스, Cr3는 제3 공진커패시터의 커패시턴스이다.Here, f r2-LLC2 is the resonant frequency of the second LLC resonant converter in constant voltage charging mode, L2 is the resonant inductance of the second resonant circuit resonant inductor, Cr2 is the capacitance of the second resonant circuit capacitor, and Cr3 is the resonant inductance of the third resonant capacitor. is capacitance.

정전압 충전 모드에서 제1 LLC 공진형 컨버터(100)와 제2 LLC 공진형 컨버터(200)는 동일한 스위칭 주파수에서 동작되어야 한다.In the constant voltage charging mode, the first LLC resonant converter 100 and the second LLC resonant converter 200 must be operated at the same switching frequency.

상기 제1 LLC 공진형 컨버터(100)와 제2 LLC 공진형 컨버터(200)가 정전압 충전 모드에서 스위칭회로(31)의 공진 주파수에 의해 공진 동작하게 되면, 상기 제1 LLC 공진형 컨버터(100)와 제2 LLC 공진형 컨버터(200)는 전압원(소스)으로 동작되게 되고, 상기 제2 LLC 공진형 컨버터(200)의 출력 전압은 다음의 수학식 7로 표현된다.When the first LLC resonant converter 100 and the second LLC resonant converter 200 operate in resonance by the resonant frequency of the switching circuit 31 in the constant voltage charging mode, the first LLC resonant converter 100 and the second LLC resonant converter 200 are operated as a voltage source (source), and the output voltage of the second LLC resonant converter 200 is expressed by Equation 7 below.

수학식 7)Equation 7)

Figure 112022118892210-pat00007
Figure 112022118892210-pat00007

여기서, V02는 정전압 충전 모드에서 제2 LLC 공진형 컨버터의 출력 전압, n2는 제2 변압기의 권선비, Vin은 스위칭회로로 입력되는 입력전압이다.Here, V 02 is the output voltage of the second LLC resonant converter in the constant voltage charging mode, n2 is the turns ratio of the second transformer, and Vin is the input voltage input to the switching circuit.

이에, DC-DC컨버터(30)의 출력 전압은 제1 LLC 공진형 컨버터(100)와 제2 LLC 공진형 컨버터(200)가 직렬로 연결된 구조여서, DC-DC컨버터(30)의 출력 전압은 제1 LLC 공진형 컨버터(100)의 출력 전압(V01)과 제2 LLC 공진형 컨버터(200)의 출력 전압(V02)의 합으로 출력된다.Accordingly, the output voltage of the DC-DC converter 30 is a structure in which the first LLC resonant converter 100 and the second LLC resonant converter 200 are connected in series, so that the output voltage of the DC-DC converter 30 is It is output as the sum of the output voltage (V 01 ) of the first LLC resonant converter 100 and the output voltage (V 02 ) of the second LLC resonant converter 200 .

DC필터부(40, 도 1 참조)는 DC-DC컨버터부에서 출력되는 직류전원의 전압을 평활하여 출력하는 기능을 수행하는 것으로서, 인덕터와 커패시터가 병렬로 연결된 저역 통과필터(LPF, Low Pass Filter)로 구성될 수 있다.The DC filter unit (40, see FIG. 1) performs a function of smoothing and outputting the voltage of the DC power output from the DC-DC converter unit, and has a low pass filter (LPF) in which an inductor and a capacitor are connected in parallel. ) can be configured.

상기 저역 통과필터는 주파수가 낮은 영역의 신호 성분은 통과할 수 있으나 주파수가 높은 영역에서는 인덕터의 임피던스가 높아짐과 동시에 커패시터의 임피던스는 낮아지기 때문에 고주파 신호 성분이 제거되게 된다.The low-pass filter can pass signal components in a low-frequency region, but high-frequency signal components are removed in a high-frequency region because the impedance of the inductor increases and the impedance of the capacitor decreases at the same time.

충전제어부(50)는 상기 DC필터부에서 출력되는 전압과 전류 및 상기 배터리의 전압에 근거하여 상기 DC-DC컨버터부의 정전류 충전과 정전압 충전을 제어하는 기능을 수행한다.The charge control unit 50 controls the constant current charging and constant voltage charging of the DC-DC converter unit based on the voltage and current output from the DC filter unit and the voltage of the battery.

여기서, 상기 충전제어부(50)는 전기자동차의 배터리를 충전하기 위해 정전류(CC)충전으로 시작하여 정전압(CV)충전으로 완료되게 제어한다.Here, the charging control unit 50 controls to start with constant current (CC) charging and complete with constant voltage (CV) charging in order to charge the battery of the electric vehicle.

정전류 충전을 위해 상기 충전제어부(50)는 가변스위치(242)를 오프시켜 제1 LLC 공진형 컨버터(100)는 전압원으로 동작되게 하고, 제2 LLC 공진형 컨버터(200)는 전류원으로 동작되게 하여, DC-DC컨버터부(30)의 전체 출력은 정전류 충전 모드가 되도록 제어한다.For constant current charging, the charging controller 50 turns off the variable switch 242 so that the first LLC resonant converter 100 operates as a voltage source and the second LLC resonant converter 200 operates as a current source. , the entire output of the DC-DC converter 30 is controlled to be in the constant current charging mode.

정전류 충전 모드로 배터리를 충전하는 과정에서 배터리의 전압에 최대 전압에 도달되면, 상기 충전제어부(50)는 가변스위치(242)를 턴온하여 정전압 충전 모드로 전환된다.In the process of charging the battery in the constant current charging mode, when the maximum voltage of the battery is reached, the charging controller 50 turns on the variable switch 242 to switch to the constant voltage charging mode.

상기 정전압 충전 모드에서 상기 배터리의 충전 전류가 설정치 이하로 감소되게 되면, 상기 충전제어부(50)는 충전이 완료된 것으로 판단하고 충전을 종료하게 된다.When the charging current of the battery is reduced below a set value in the constant voltage charging mode, the charging control unit 50 determines that charging is completed and terminates charging.

도 6은 본 발명에 따른 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템를 통해 배터리를 충전하는 과정에서의 등가 임피던스를 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing equivalent impedance in a process of charging a battery through a charging system for an electric vehicle to which a dual DC-DC converter according to the present invention is applied.

제1 LLC 공진형 컨버터(100)의 출력 전압은 최소 배터리 전압보다 상대적으로 낮은 최대 배터리 전압의 1/2로 출력되게 구성된다. 따라서 정전류(CC) 모드에서 충전 전류는 제2 LLC 공진형 컨버터(200)의 출력 전류에만 의존한다.The output voltage of the first LLC resonant converter 100 is configured to be output as 1/2 of the maximum battery voltage, which is relatively lower than the minimum battery voltage. Therefore, in the constant current (CC) mode, the charging current depends only on the output current of the second LLC resonant converter 200 .

제1 LLC 공진형 컨버터(100)의 출력 전압이 최소 배터리 전압보다 상대적으로 높게 출력되면, DC-DC컨버터부(30)를 전류원으로 동작되지 못하여 정전류 충전 모드를 수행할 수 없기 때문에, 제1 LLC 공진형 컨버터(100)의 출력 전압은 최소 배터리 전압보다 낮은 출력 전압을 갖도록 구성된다.When the output voltage of the first LLC resonant converter 100 is relatively higher than the minimum battery voltage, the DC-DC converter 30 cannot be operated as a current source and cannot perform the constant current charging mode. The output voltage of the resonant converter 100 is configured to have an output voltage lower than the minimum battery voltage.

제1 LLC 공진형 컨버터(100)와 제2 LLC 공진형 컨버터(200)의 출력단이 직렬구조로 연결되어 있으므로, 각각의 공진형 컨버터(100, 200)의 출력 전력은 정전류(CC) 및 정전압(CV) 충전 모드 동작에서 출력 전압에 비례한다.Since the output terminals of the first LLC resonant converter 100 and the second LLC resonant converter 200 are connected in series, the output power of each of the resonant converters 100 and 200 is constant current (CC) and constant voltage ( CV) is proportional to the output voltage in charge mode operation.

도 7은 본 발명에 따른 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템에 적용된 정전류 충전 모드에서의 LLC 공진형 컨버터의 파형을 나타낸 것이다.7 shows waveforms of an LLC resonant converter in a constant current charging mode applied to a charging system for an electric vehicle to which a dual DC-DC converter according to the present invention is applied.

정전류 충전 모드에서 가변스위치(242)는 오프된 상태이다.In the constant current charging mode, the variable switch 242 is in an off state.

정정류 충전 모드에서 반주기 동안 스위칭회로는 모드 1(t0 ~ t1), 모드 2(t1 ~ t2), 모드 3(t2 ~ t3) 및 모드 4(t3 ~ t4)의 4가지 동작 모드로 동작된다.During the half cycle in the rectification charging mode, the switching circuit operates in four operating modes: mode 1 (t0 to t1), mode 2 (t1 to t2), mode 3 (t2 to t3), and mode 4 (t3 to t4).

모드 1(t0-t1)은 스위칭회로(31)의 스위치(S2, S3)는 t0에서 ZCS로 차단된다. 제1 LLC 공진형 컨버터(100)의 1차 전류(ipri)는 스위치(S1, S4)의 출력커패시턴스를 방전시킨다. 출력커패시턴스의 방전으로 스위치(S1, S4)의 전압이 0으로 낮아지면 스위치의 바디 다이오드가 전도되어 ZVS(제로 전압 스위칭)조건을 만족하게 된다.In mode 1 (t0-t1), the switches S2 and S3 of the switching circuit 31 are cut off to ZCS at t0. The primary current ipri of the first LLC resonant converter 100 discharges the output capacitances of the switches S1 and S4. When the voltage of the switches S1 and S4 is lowered to 0 due to the discharge of the output capacitance, the body diode of the switch conducts and satisfies the ZVS (zero voltage switching) condition.

모드 2(t1-t2)는 스위치(S1, S4)는 t1에서 ZVS로 턴온된다. L1과 Cr1을 포함하는 제1 LLC 공진형 컨버터(100)는 공진을 시작한다.In mode 2 (t1-t2), switches S1 and S4 are turned on at t1 to ZVS. The first LLC resonant converter 100 including L1 and Cr1 starts resonance.

모드 3(t2-t3)은 모드 2의 종료시점인(t2)에서, 제2 LLC 공진형 컨버터(200)의 1차 전류(ipri2)는 제2 변압기(220)의 자화 전류와 동일하다. 이에, 전력 전송이 종료되고 제2 정류기(230)의 다이오드(D5)가 ZCS 턴오프되게 된다.In mode 3 (t2-t3), at the end point of mode 2 (t2), the primary current ipri2 of the second LLC resonant converter 200 is equal to the magnetizing current of the second transformer 220. Accordingly, power transfer is terminated and the diode D5 of the second rectifier 230 is turned off by ZCS.

모드 4(t3-t4)는 t3에서 스위치(S1, S4)는 ZCS로 턴오프되고, 제1 정류기(130)의 다이오드(D1)는 ZCS 턴오프 조건을 만족한다.In mode 4 (t3-t4), at t3, the switches S1 and S4 are turned off to ZCS, and the diode D1 of the first rectifier 130 satisfies the ZCS turn-off condition.

정전압 충전에서는 가변스위치(242)가 턴온된다. 상기 정전압 충전 모드에서는 제1 LLC 공진형 컨버터(100)와 제2 LLC 공진형 컨버터(200)는 모두 더 높은 공진 주파수에서 동작한다.In constant voltage charging, the variable switch 242 is turned on. In the constant voltage charging mode, both the first LLC resonant converter 100 and the second LLC resonant converter 200 operate at a higher resonant frequency.

본 발명에 의하면, 공진 주파수를 변화시키는 가변스위치를 구성하여 스위칭의 손실을 방지하고, 정전류와 정전압 충전에 고정 주파수의 공진 동작에 의해 순환 전류를 감소시킴으로써 충전 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, there is an advantage in that switching loss is prevented by configuring a variable switch that changes a resonance frequency, and charging efficiency can be increased by reducing a circulating current by a resonance operation of a fixed frequency in constant current and constant voltage charging.

또한, 정전류 및 정전압 충전에서 정류기의 소프트 스위칭에 따라 높은 전압 이득을 갖으면서 낮은 정격 전압으로 동작하는 장점이 있다.In addition, there is an advantage of operating at a low rated voltage while having a high voltage gain according to the soft switching of the rectifier in constant current and constant voltage charging.

상기에서는 본 발명에 따른 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 청구범위 및 발명의 설명, 첨부한 도면의 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위내에 속한다.In the above, a preferred embodiment of a charging system for an electric vehicle to which the dual DC-DC converter according to the present invention is applied has been described, but the present invention is not limited thereto, and within the scope of the claims and description of the invention, the accompanying drawings Various modifications and implementations are possible, and this also falls within the scope of the present invention.

B: 배터리 10: EMI필터부
20: 정류PFC부 30: DC-DC컨버터부
31: 스위칭회로 40: DC필터부
50: 충전제어부 100: 제1 LLC 공진형 컨버터
110: 제1 공진회로 120: 제1 변압기
130: 제1 정류기 200: 제2 LLC 공진형 컨버터
210: 제1 공진회로 220: 제2 변압기
230: 제2 정류기 240: 가변회로
241: 제3 공진커패시터 242: 가변스위치B: battery 10: EMI filter unit
20: rectification PFC unit 30: DC-DC converter unit
31: switching circuit 40: DC filter unit
50: charging control unit 100: first LLC resonant converter
110: first resonance circuit 120: first transformer
130: first rectifier 200: second LLC resonant converter
210: first resonance circuit 220: second transformer
230: second rectifier 240: variable circuit
241: third resonant capacitor 242: variable switch

Claims (7)

공급되는 교류전원에서 전자기 간섭의 노이즈를 제거하는 EMI(Electro-Magnetic Interference)필터부;
상기 EMI필터부에서 출력되는 교류전원을 직류전원으로 변환하고, 역률을 보정하는 정류PFC(Power Factor Corrector)부;
상기 정류PFC부에서 출력되는 직류전원을 배터리를 충전시킬 수 있는 입력과 절연된 직류전원으로 출력하는 DC-DC컨버터부;
상기 DC-DC컨버터부에서 출력되는 직류전원의 전압을 평활하여 출력하는 DC필터부; 및
상기 DC필터부에서 출력되는 전압과 전류 및 상기 배터리의 전압에 근거하여 상기 DC-DC컨버터부의 정전류와 정전압을 제어하는 충전제어부;
를 포함하여 구성되고,
상기 정류PFC부는 교류전원을 직류전원으로 정류하는 ACDC정류기와 역률을 보상하는 역률보상회로를 포함 포함하되,
상기 역률보상회로는,
상기 ACDC정류기에서 정류되어 출력되는 정류 전원을 저장하는 입력커패시터(Cp1); 입력인덕터(Lp)의 전하(에너지)가 저장되는 출력커패시터(Cp2); 입력전류를 전류 불연속 모드로 동작시키도록 스위칭하는 스위치(Qp); 및 상기 스위치(Qp)에 직렬로 구성되는 환류다이오드(Dp)를 포함하여 구성되어,
상기 역률보상회로는,
상기 스위치(Qp)가 턴 온 상태로 전환되어 상기 입력인덕터(Lp)에는 스위칭 동작에 의해 전하가 저장되고 상기 출력커패시터(Cp2)는 방전되는 모드 1;
상기 스위치(Qp)가 턴 오프 상태로 전환되어 입력전류는 하강하며 상기 입력인덕터(Lp)에 흐르는 전류는 감소하고, 상기 모드 1에서 상기 입력인덕터(Lp)에 저장되었던 전하는 상기 환류 다이오드(Dp)를 통해 상기 출력커패시터(Cp2)에 충전되면서 출력 측으로 방출되는 모드 2; 및
상기 환류다이오드(Dp)는 차단되고 상기 출력커패시터(Cp2)에 충전된 전하가 출력으로 방전되며, 상기 모드 2에서 상기 입력인덕터(Lp)에 흐르던 전류가 0이 되는 상태로 입력전류도 0이 되는 모드 3;
으로 동작되고,
상기 DC-DC컨버터부는,
스위칭회로;
상기 스위칭회로에 연결되어 고정된 공진주파수로 동작되는 제1 LLC 공진형 컨버터; 및
상기 스위칭회로에 연결되되 상기 제1 LLC 공진형 컨버터와 병렬로 연결되며 가변되는 공진주파수로 동작되는 제2 LLC 공진형 컨버터;
를 포함하며,
상기 제1 LLC 공진형 컨버터는,
상기 스위칭회로에 연결되는 제1 공진회로;
상기 제1 공진회로에 연결되어 전압을 변환하는 제1 변압기; 및
상기 제1 변압기의 2차측에 연결되어 부하에 공진전류를 전달하여 출력전압을 출력하는 제1 정류기;
를 포함하고,
상기 제2 LLC 공진형 컨버터는,
상기 스위칭회로에 연결되는 제2 공진회로;
상기 제2 공진회로에 연결되어 전압을 변환하는 제2 변압기;
상기 제2 변압기의 2차측에 연결되어 부하에 공진전류를 전달하여 출력전압을 출력하는 제2 정류기; 및
상기 제2 공진회로의 커패시턴스를 가변시키는 가변회로;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템.
An EMI (Electro-Magnetic Interference) filter unit that removes electromagnetic interference noise from supplied AC power;
a power factor corrector (PFC) unit that converts AC power output from the EMI filter unit into DC power and corrects a power factor;
a DC-DC converter unit outputting the DC power output from the rectification PFC unit as DC power insulated from an input capable of charging a battery;
a DC filter unit for smoothing and outputting the voltage of the DC power output from the DC-DC converter unit; and
a charge control unit controlling the constant current and constant voltage of the DC-DC converter unit based on the voltage and current output from the DC filter unit and the voltage of the battery;
It is composed of,
The rectifying PFC unit includes an ACDC rectifier for rectifying AC power to DC power and a power factor correction circuit for compensating the power factor,
In the power factor correction circuit,
an input capacitor (Cp1) for storing rectified power output after being rectified by the ACDC rectifier; an output capacitor (Cp2) in which the charge (energy) of the input inductor (Lp) is stored; a switch (Qp) for switching the input current to operate in a current discontinuous mode; And a freewheeling diode (Dp) configured in series with the switch (Qp),
In the power factor correction circuit,
Mode 1, in which the switch (Qp) is turned on, charge is stored in the input inductor (Lp) by a switching operation, and the output capacitor (Cp2) is discharged;
When the switch Qp is turned off, the input current decreases and the current flowing through the input inductor Lp decreases, and the charge stored in the input inductor Lp in the mode 1 is transferred to the freewheeling diode Dp. Mode 2 discharged to the output side while being charged in the output capacitor (Cp2) through and
The freewheeling diode (Dp) is blocked and the charge charged in the output capacitor (Cp2) is discharged to the output, and the current flowing through the input inductor (Lp) in the mode 2 is 0, and the input current is also 0. mode 3;
operates as
The DC-DC converter unit,
switching circuit;
a first LLC resonant converter connected to the switching circuit and operated at a fixed resonant frequency; and
a second LLC resonant converter connected to the switching circuit and connected in parallel with the first LLC resonant converter and operating at a variable resonant frequency;
Including,
The first LLC resonant converter,
a first resonance circuit connected to the switching circuit;
a first transformer connected to the first resonant circuit to convert a voltage; and
a first rectifier connected to the secondary side of the first transformer and outputting an output voltage by transferring a resonant current to a load;
including,
The second LLC resonant converter,
a second resonance circuit connected to the switching circuit;
a second transformer connected to the second resonant circuit to convert a voltage;
a second rectifier connected to the secondary side of the second transformer and outputting an output voltage by transferring a resonant current to a load; and
a variable circuit for varying the capacitance of the second resonance circuit;
A charging system for an electric vehicle using a dual DC-DC converter, characterized in that it comprises a.
 청구항 1에 있어서,
상기 제1 LLC 공진형 컨버터는,
정전류와 정전압으로 상기 배터리를 충전시키도록 동작되는 것을 특징으로 하는 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템.
The method of claim 1,
The first LLC resonant converter,
An electric vehicle charging system using a dual DC-DC converter, characterized in that operated to charge the battery with constant current and constant voltage.
 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 가변회로는,
상기 제2 공진회로의 커패시터에 병렬로 연결되는 제3 공진커패시터와 가변스위치를 포함하는 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템.
The method of claim 1,
The variable circuit,
A charging system for an electric vehicle using a dual DC-DC converter including a variable switch and a third resonant capacitor connected in parallel to the capacitor of the second resonant circuit.
 청구항 5에 있어서,
상기 제2 LLC 공진형 컨버터는 상기 가변스위치의 턴오프에 의해 정전류 충전으로 동작되고, 상기 가변스위치의 턴온에 의해 정전압 충전으로 동작되는 것을 특징으로 하는 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템.
The method of claim 5,
The second LLC resonant converter is operated with constant current charging by turning off the variable switch and operated with constant voltage charging by turning on the variable switch. .
 청구항 1에 있어서,
상기 제1 LLC 공진형 컨버터의 출력 전압은 상기 배터리의 전압보다 상대적으로 낮은 전압으로 출력되는 것을 특징으로 하는 듀얼 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템.
The method of claim 1,
An electric vehicle charging system using a dual DC-DC converter, characterized in that the output voltage of the first LLC resonant converter is output at a voltage relatively lower than the voltage of the battery.
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