KR20130053072A - 리플 전류를 극소화하는 배터리 충전기 전력회로 및 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리 충전기의 전류리플을 최소한으로 줄이기 위한 전력변환기 및 그 제어방식에 관한 것이다.
본 발명은 출력전류가 대칭인 Buck 컨버터 2개를 180도 위상 이동하여 운전함으로써 배터리 충전기 출력측 전류 리플을 없애는 장치 및 이를 포함한 전력 변환 시스템을 제공한다.
본 발명에 의하면 평균전류가 같으면서 선형적으로 증감하는 좌우 대칭의 두 전류가 합쳐지기 때문에, 출력 측 전류 리플은 0이 되므로 기존의 어떠한 리플전류 저감 방식에 비해 탁월한 효과가 있다.

Description

리플 전류를 극소화하는 배터리 충전기 전력회로 및 제어장치{ A New Power Converter and Controller for Minimizing Ripple Current}

본 발명은 배터리 충전기에서 충전전류 리플을 최소화 하는 전력회로 및 그 제어 방식에 관한 것이다.

도 1에서 일반적으로 사용되는 배터리 충전기의 회로방식을 나타냈다. 입력 정류부, 직류링크(DC link)부, Buck 컨버터(Converter)부 및 출력 인덕터로 구성된다. 입력 정류부는 상용 주파수 교류전원을 정류하여 직류로 변환하고 직류 링크부는 정류된 전압이 일정하게 유지 하도록 하며, Buck 컨버터는 스위칭을 통해 출력 전압을 강하한다. 출력 인턱터는 출력 전류변화가 작게 하는 역할을 한다.

최근 전원 역율을 규제함에 따라 정류부에 PWM AC/DC 컨버터 적용이 늘어나고 있으며 도 2에 나타나 있다. PWM AC/DC 컨버터 적용 시 출력전압이 일정값 이상에서 제어가 가능하다. 일반적인 다이오우드 정류방식에 비해 직류링크 전압이 높다.

상용 입력전원 전압은 거의 일정하므로 이를 정류한 정류부 전압은 항상 일정하다. 배터리 전압은 단시간 동안 일정하며 충전상태에 따라 전압의 크기가 완만하게 변화한다. 그러나 단시간 동안은 전압원으로 해석하여도 무방하다. 배터리 충전기에 사용되는 Buck 컨버터는 직류링크 전압의 크기와 출력 배터리 전압의 크기에 따라 PWM 펄스폭이 결정되며 스위치 ON 구간이 늘어날수록 출력 인덕터 전류가 증가한다. 출력 배터리 전압의 크기에 비례하여 스위치를 ON시키는 펄스폭도 증가한다. 충전전류가 일정 값 이상이 되면 출력 인덕터에는 연속적으로 전류가 흐른다. 이때 Buck 컨버터 스위치가 ON이면 전류흐름은 도 4와 같으며 출력 인덕터에는 직류링크와 배터리의 전압차가 인가된다. Buck 컨버터 스위치가 OFF이면 전류흐름은 도 4와 같고 배터리 전압이 역이로 인가된다. Buck 컨버터는 입력 전압이 출력전압 보다 항상 크므로 스위치가 ON일때 인덕터 전류 즉 출력전류는 증가하며 스위치가 OFF일때 출력전류를 감소한다. 따라서 출력전류가 증가하는 구간과 출력전류가 감소하는 구간을 적절히 조절하여 전류 제어가 가능하다.

도 6은 Buck 컨버터의 출력전류 증가구간과 감소구간에서 입력전압(Vdc), 배터리전압(Vbat), 출력인덕턴스(Lo)에 대한 전류 기울기의 변화를 나타낸다.

배터리는 단순화하여 단시간 동안 전압원으로 해석하여 회로설계를 하기도 하지만 현실적으로 여러 가지 물리적 제약이 있다. 잘 알려지 바와 같이 배터리는 허용 전압범위 내에서 충방전이 이뤄져야 한다. 또한 대표적 제한 사항으로서 최대 허용 리플전류가 있다. 허용치 이상 리플전류가 반복적으로 흐르면 배터리 수명에 악영향을 미친다. 따라서 저 리플전류 구현은 배터리 충전기 및 급속 충전기의 아주 중요한 항목이 되었다. 허용 전류리플의 크기에 따라 충전기 스위칭 주파수 및 시스템 사이즈에 많은 영향을 미치므로 리플전류 저감은 절실히 요구 된다.

대용량 배터리 충전기는 대부분 스위칭 방식의 전력변환기를 사용하여 배터이 입력에 전류리플이 커 배터리 수명저하의 원인이 되고 발열 등의 부가적 문제를 발생시킨다. 때로는 배터리 폭발의 원인이 되기도 한다. 충전기가 지나치게 커지거나 비싸지지 않는 범위에서 배터리 전류리플을 저감하는 것이 절대적으로 필요하다.

도 6은 Buck 컨버터에서 스위치의 ON, OFF 상태에 따른 출력전류의 변화를 나타낸다. 전술한 바와 같이 스위치가 ON일때 인덕터에는 입출력 전압차가 인가되어 전류가 증가하며, 전류증가 기울기는 인덕터 전압에 비례한다. 스위치가 OFF일때는 출력 배터리 전압이 인덕터에 역으로 인가되어 전류는 감소하며 그 기울기는 배터리 전압에 비례한다. 도 7은 입출력 전압의 변화에 따라 전류리플의 모양은 나타낸다. 입출력 전압이 같으면 인덕터의 전류변화 기울기는 유지된다. 따라서 스위칭 주파수가 높으면 리플전류의 크기는 감소한다. 그러나 고주파 스위칭 시 스위칭 손실이 증가하므로 주파수를 늘리는데 한계가 있다. 리플전류를 감소하는 또 하나의 대표적 방법은 출력 인덕터의 인덕턴스를 늘리는 것이다. 인덕턴스 값에 반비례하여 리플전류는 감소한다. 그러나 모든 전류가 흐르는 대전류 인덕터의 인덕턴스를 키우려면 사이즈가 커지고 무게가 증가하는 문제가 있다.

반도체 스위치가 상대적으로 저렴해 지면서 인터리브 방식을 통해 리플전류를 저감하는 방식이 적용되기 시작하였다. 인터리브 방식은 여러 개 전력 스위치를 같은 스위칭 주파수로 병렬 운전하면서 위상차를 균일하게 배분하는 방식이다. 입출력 전압 조건이 같으므로 각 스위치 전류 모양은 같으나 일정한 위상차를 갖게 된다. 이러한 스위치 전류가 합쳐지는 출력에서는 각 리플전류가 상쇄되어 전체 리플전류는 감소하게 된다. 도 8은 인터리브 방식으로 두 개 스위치를 적용한 충전기의 회로도 및 운전 파형을 나타낸다. 인터리브 방식은 병렬운전의 수만큼 스위칭 주파수를 증가 시키는 효과가 있다. 전술한 바와 같이 스위칭 주파수 증가에 비례하는 전력소자 발열로 한계가 있으나 인터리브 방식에서는 전력소자의 발열은 일정하므로 그 수를 증가시켜 리플을 줄일 수 있다. 병렬운전 수가 증가할수록 출력에 합 전류리플은 점점 감소하게 된다. 도 9는 2개 스위치를 인터리브 방식으로 병렬 운전할 때 각 스위치 전류와 출력 측 합 전류를 나타낸다. 출력 전류리플이 감소되는 것을 쉽게 확인할 수 있다.

제안된 배터리 충전방식은 기존의 다른 리플전류 저감방식과 달리 전류리플 저감이 아닌 리플전류 0을 구현하는 장점이 있다. 2개 스위치 인터리브 병렬운전이 기본단위이므로 스위치를 짝수로 확장하여 리플전류 0의 특징을 가지며 용량확대도 쉽게 이룰 수 있다.

도 1 일반적 배터리 충전기 회로이고,
도 2 PWM AC/DC 컨버터를 사용한 충전기 회로이며,
도 3 Buck 컨버터이고,
도 4 Buck 컨버터 스위치가 ON 시 전류흐름이며,
도 5 Buck 컨버터 스위치가 OFF 시 전류흐름이고,
도 6 펄스폭(tp)에 따른 전류변화 기울기이며,
도 7 Buck 컨버터 입출력 전압 크기에 따른 전류파형이고,
도 8 두개 스위치를 이용한 인터리브 방식 Buck 컨버터이고,
도 9 두개 스위치 이용한 인터리브 운전 시 전류파형이며
도 10 제안된 리플전류 저감 전력회로이고,
도 11 펄스 듀티 0.5일때 각 스위치 및 합전류의 파형이다

제안된 리플전류 저감회로는 도 10에 나타나 있으며 기본단위는 2개 스위치의 인터리브 병렬 운전하는 방식이다. 계속 짝수 개 스위치의 병렬운전 수를 증가하여 용량 확대가 가능하다. 도 7에 나타나 있듯이 Buck 컨버터의 입출력 전압에 따라 전류 형태는 변화한다. Buck 컨버터 스위치의 ON 시간 즉 펄스 듀티는 입력(직류 링크) 전압을 출력(배터리) 전압으로 나눈 값으로 결정된다. 펄스 듀티가 0.5이상에서는 전류 증가구간이 감소구간에 비해 짧고 상승 기울기가 하강 기울기 보다 크다. 펄스 듀티 0.5이하에서는 반대로 나타난다. 정확하게 펄스 듀티가 0.5일때는 도 11에 나타냈듯이 전류 상승구간 및 하강구간의 시간이 같으며 기울기도 같아 전류리플 모양을 대칭을 이룬다. 이 경우 2개 스위치의 인터리브 병렬 운전 시 대칭인 전류를 180도 이동하여 합해진 출력전류리플은 0이 된다.

제안 방식은 Buck 컨버터의 스위치 도통구간인 펄스 듀티가 0.5인 조건을 유지하여 전류리플을 없앤다. 펄스 듀티가 0.5이면 Buck 컨버터의 입출력 전압비는 2:1이다.

충전 상태에 따라 배터리 전압은 변화하게 되는데 기존 방식에는 펄스폭을 조절하여 출력전류를 설정치가 되도록 제어한다. 그러나 제안된 방식에서는 펄스 듀티를 0.5로 유지하여야 하므로 직류링크 전압이 배터리 전압의 2배가 되도록 제어한다. 충전량이 늘어나 배터리 전압이 상승하면 그에 비례하여 직류링크 전압도 같이 높아지게 운전하게 된다. 이를 통해 출력전류를 일정하게 제어하면서 전류리플을 없앨 수 있다.

상기에서 정상상태을 중심으로 설명하였다. 전류 설정치가 바뀌는 구간에서는 입출력 전압비를 2:1로 유지하여도 순간적으로 펄스 듀티가 0.5를 벗어나므로 전류리플이 발생한다. 그러나 배터리 충전기는 대부분 일정 전류로 충전을 하므로 전류가 변화구간이 거의 없어 전류리플은 무시할 수 있다.

제안된 배터리 충전방식은 기존의 다른 리플전류 저감방식과 달리 전류리플 저감이 아닌 리플전류 0을 구현하는 장점이 있다. 2개 스위치 인터리브 병렬운전이 기본단위이므로 스위치를 짝수로 확장하여 리플전류 0의 특징을 가지며 용량확대도 쉽게 이룰 수 있다.

Claims (2)

1. 상용전원을 정류하고 직류링크와 배터리 전압비가 2:1이 되도록 전압 제어하는 기능을 갖는 PWM AC/DC 컨버터;
   직류링크;
   두 스위치 펄스 듀티가 0.5로 제어되고 180도 위상차를 갖도록 하는 Buck 컨버터; 및
   출력전류의 고조파 성분을 제거하는 출력필터;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치 전력회로 방식
   
   
2. 제 1항에 있어서
   Buck 컨버터 입출력 전압비를 2:1로 유지하여 전류증가 및 전류감소 구간이 대칭을 이루는 방식; 및
   전류형상이 같은 2개 스위치 전류가 180도 위상차를 갖도록 운전방식;
   이 합해져 리플전류 0이 되는 특징을 갖는 컨버터 제어방식

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