KR20150073291A - 전력 변환 장치 - Google Patents

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KR20150073291A
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김우섭
이재호
박홍태
김영민
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엘에스산전 주식회사
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Abstract

실시 예에 따른 제 1 및 2 배터리를 충전시키는 전력 변환 장치는, 외부로부터 공급되는 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력하는 입력부; 상기 입력부를 통해 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 제 1 전력 변환부; 제 1 동작 모드에서, 상기 제 1 전력 변환부를 통해 변환된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 제 1 배터리를 충전시키고, 제 2 동작 모드에서 상기 제 1 배터리를 통해 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 제 2 전력 변환부; 제 2 동작 모드에서, 상기 제 2 전력 변환부를 통해 변환된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 제 2 배터리를 충전시키는 제 3 전력 변환부; 및 외부로부터 공급되는 제어 신호에 따라 상기 제 1 동작 모드에서는 상기 제 1 전력 변환부와 제 2 전력 변환부 사이를 서로 연결하고, 상기 제 2 동작 모드에서는 상기 제 2 전력 변환부와 제 3 전력 변환부 사이를 서로 연결하는 절환 스위치부를 포함한다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERSION DEVICE}
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로, 특히 고전압 배터리 및 저전압 배터리를 충전시키는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
전력 변환 장치는 하이브리드(PHEV) 혹은 일반 전기 자동차(BEV) 등에 구비되며, 외부로부터 상용 교류 전원을 입력받아 전기 자동차의 주행용 고압 배터리를 충전하는 시스템을 한다. 상기와 같은 고압 배터리 충전은 전기 자동차에 탑재된 탑재형 충전기(OBC : On Board Charger)를 통해 이루어진다.
전력 변환 장치는 상용 전원을 전파 정류를 통해 직류로 변환한 다음 액티브 필터로 역률 조정을 하고 인버터로 고주파 교류로 변환한 다음 트랜스포머를 거쳐 직류로 변환하여 전기 자동차의 주행에 필요한 전력을 공급하는 고압 배터리에 충전한다.
또한, 전력 변환 장치는 입력되는 직류 전압을 고속으로 스위칭하여 고주파 교류로 변환하여 출력하는 고속 스위칭 회로를 포함한다.
한편, 전기 자동차에 있어서 전장용 전원 시스템에 전원을 공급하는 저압 배터리의 충전은 주행용 고압 배터리의 출력을 직류-직류 변환기 회로를 통해 감압시켜 행해진다. 고효율의 직류-직류 변환기 회로는 또한 입력되는 직류 전압을 고속으로 스위칭하여 고주파 교류로 변환하여 출력하는 고속 스위칭 회로를 포함한다.
따라서 전기 자동차에는 고압 배터리의 충전을 위한 충전기과, 저압 배터리의 충전을 위한 충전기이 탑재된다.
도 1은 종래 기술에 따른 전력 변환 장치를 보여주는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 전력 변환 장치는 입력부(11), 제 1 입력 스위치부(12), 제 1 변압부(13), 제 1 출력 정류부(14), 제 1 출력 필터부(15), 고압 배터리(16), 입력 필터부(21), 제 2 입력 스위치부(22), 제 2 변압부(23), 제 2 출력 정류부(24), 제 2 출력 필터부(25), 및 저압 배터리(26)를 포함한다.
상기와 같은, 전력 변환 장치의 동작을 살펴보면, 먼저 상용 교류 전원은 입력부(11)에 공급된다.
입력부(11)는 상기 상용 교류 전원을 전파 정류하여 직류로 변환한 다음 역률을 조정하여 출력한다.
제 1 입력 스위치부(12)는 복수의 스위치로 구성되어, 상기 입력부(11)를 통해 출력되는 직류 전원을 교류 구형파로 변환한다.
제 1 변압부(13)는 변압기로써, 상기 제 1 입력 스위치부(12)를 통해 출력되는 전원에 대한 변압 기능을 수행한다.
상기 제 1 변압부(13)를 통해 출력되는 전원은 제 1 출력 정류부(14)를 통해 정류된 후 제 1 출력 필터부(15)를 통해 필터링되어, 고압 배터리(16)에 충전된다.
이와 마찬가지로, 입력 필터부(21)는 상기 고압 배터리(16)의 방전에 의해 출력되는 전원을 필터링한다.
그리고, 상기에서 설명한 바와 같이, 상기 필터링된 전원은 제 2 입력 스위치부(22), 제 2 변압부(23), 제 2 출력 정류부(24) 및 제 2 출력 필터부(25)를 통해 상기 입력 필터부(21)를 통해 저압 배터리(26)에 충전된다.
상기와 같이, 종래 기술에 따른 전력 변환 장치는 고압 배터리 충전을 위한 제 1 충전기-입력부(11), 제 1 입력 스위치부(12), 제 1 변압부(13), 제 1 출력 정류부(14), 제 1 출력 필터부(15), 고압 배터리(16)-, 저압 배터리 충전을 위한 제 2 충전기-입력 필터부(21), 제 2 입력 스위치부(22), 제 2 변압부(23), 제 2 출력 정류부(24), 제 2 출력 필터부(25), 및 저압 배터리(26)-를 포함한다.
이때, 상기와 같이 종래 기술에 따른 전력 변환 장치는 서로 동일한 기능을 수행하는 스위치부, 정류부 및 필터부가 제 1 충전기와 제 2 충전기에 각각 구비되어 있음에 따라 전기 자동차 내부에 탑재되는 전력 변환 장치의 부피가 커지고, 제품 단가가 상승하게 되는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 실시 예에서는, 고압 배터리를 충전하는 제 1 충전기와, 저압 배터리를 충전하는 제 2 충전기의 소자 중 일부를 공용화할 수 있는 전력 변환 장치를 제공한다.
또한, 실시 예에서는 하나의 스위치부 및 필터를 이용하여 고압 배터리의 충전 및 저압 배터리의 충전 동작을 수행할 수 있는 전력 변환 장치를 제공한다.
제안되는 실시 예에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 제안되는 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시 예에 따른 제 1 및 2 배터리를 충전시키는 전력 변환 장치는, 외부로부터 공급되는 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력하는 입력부; 상기 입력부를 통해 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 제 1 전력 변환부; 제 1 동작 모드에서, 상기 제 1 전력 변환부를 통해 변환된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 제 1 배터리를 충전시키고, 제 2 동작 모드에서 상기 제 1 배터리를 통해 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 제 2 전력 변환부; 제 2 동작 모드에서, 상기 제 2 전력 변환부를 통해 변환된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 제 2 배터리를 충전시키는 제 3 전력 변환부; 및 외부로부터 공급되는 제어 신호에 따라 상기 제 1 동작 모드에서는 상기 제 1 전력 변환부와 제 2 전력 변환부 사이를 서로 연결하고, 상기 제 2 동작 모드에서는 상기 제 2 전력 변환부와 제 3 전력 변환부 사이를 서로 연결하는 절환 스위치부를 포함한다.
또한, 상기 제 1 동작 모드에서 상기 제 3 전력 변환부는 상기 절환 스위치부와 연결되지 않음에 따라 동작을 중지하고, 상기 제 2 동작 모드에서 제 1 전력 변환부는 상기 절환 스위치부와 연결되지 않음에 따라 동작을 중지한다.
또한, 상기 제 2 전력 변환부는, 상기 제 1 동작 모드 및 제 2 동작 모드에서 모두 동작하는 제 1 공용 회로부 및 제 2 공용 회로부를 포함한다.
또한, 상기 제 1 공용 회로부는, 제 1 동작 모드에서, 상기 제 2 전력 변환부를 통해 출력되는 교류 전원을 정류하여 직류 전원으로 변환하고, 제 2 동작 모드에서, 상기 제 2 공용 회로부를 통해 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환한다.
또한, 상기 제 2 공용 회로부는, 제 1 동작 모드에서, 상기 고전압 배터리로 공급되는 직류전원에 대한 출력 필터의 기능을 수행하고, 제 2 동작 모드에서 , 상기 제 1 공용 회로부로 공급되는 직류 전원에 대한 입력 필터의 기능을 수행한다.
또한, 상기 제 1 공용 회로부는, 복수 개의 능동 스위칭 소자로 구성된다.
한편, 실시 예에 따른 전력 변환 장치는 제 1 스위칭 소자; 상기 제 1 스위칭 소자의 소스 전극에 연결된 드레인 전극, 제 4 스위칭 소자의 소스 전극에 연결된 소스 전극을 갖는 제 2 스위칭 소자; 상기 제 1 스위칭의 드레인 전극에 연결된 드레인 전극, 제 4 스위칭 소자의 드레인 전극에 연결된 소스 전극을 갖는 제 3 스위칭 소자; 제 3 스위칭 소자의 소스 전극에 연결된 드레인 전극, 제 2 스위칭 소자의 소스 전극에 연결된 소스 전극을 갖는 제 4 스위칭 소자; 상기 제 3 스위칭 소자의 드레인 전극이 일단이 연결되고, 제 1 커패시터의 일단 및 고압 배터리의 일단에 타단이 연결된 인덕터; 상기 인덕터의 타단에 일단이 연결되고, 고압 배터리의 타단 및 상기 제 4 스위칭 소자의 소스 전극에 타단이 연결된 커패시터; 및 일단이 고압 충전기 및 저압 충전기 중 어느 하나에 선택적으로 연결되고, 타단이 상기 제 1 스위칭 소자의 소스 전극 및 제 2 스위칭 소자의 드레인 전극 사이에 연결된 스위치를 포함한다.
또한, 상기 제 1 내지 4 스위칭 소자는, 능동 스위칭 소자로 구성된다.
또한, 상기 제 1 내지 4 스위칭 소자는, 상기 스위치의 일단이 고압 충전기에 연결된 경우, 정류기로 동작하고, 상기 스위치의 일단이 저압 충전기에 연결된 경우, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 입력 스위칭부로 동작한다.
또한, 상기 인덕터 및 커패시터는, 상기 스위치의 일단이 고압 충전기에 연결된 경우, 상기 고압 충전기의 출력 필터로 동작하고, 상기 스위치의 일단이 저압 충전기에 연결된 경우, 상기 저압 충전기의 입력 필터로 동작한다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 저압 배터리 충전기 및 고압 배터리 충전기의 통합형 구조에서, 절환 스위치를 이용하여 전원의 전달 경로를 변경해줌으로써, 기존 회로에 구성된 일부 소자들의 제거가 가능하여 회로 구조 단순화, 부피 감소 및 가격 절감을 달성할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전력 변환 장치를 보여주는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치의 개략 블럭도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전력 변환 장치의 상세 회로 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고압 배터리의 충전을 위한 동작 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 저압 배터리의 충전을 위한 동작 회로도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치의 개략 블럭도이다.
도 2를 참조하면, 전력 변환 장치는 입력부(110), 제 1 전력 변환부(120), 제 2 전력 변환부(130), 고압 배터리(140), 제 3 전력 변환부(150), 저압 배터리(160), 절환 스위치부(170) 및 제어부(180)를 포함한다.
입력부(110)는 외부로부터 상용 교류 전원을 입력받고, 이를 직류 전원으로 변환하여 출력한다.
이를 위해, 입력부(110)는 입력되는 상용 교류 전원의 과전류를 차단하는 입력 필터, 상기 입력 필터로부터 출력되는 교류 전원을 정류하여 출력하는 정류기 및 상기 정류기에서 정류된 전원의 역률을 보상하여 출력하는 역률 보상회로(PFC)를 포함한다.
상기 입력 필터는 적어도 하나의 인덕터로 구성될 수 있다.
상기 정류기는 브리지 정류기를 포함할 수 있다. 이때, 상기 브리지 정류기를 이루는 복수의 다이오드는 소정 구동 전압 이상에서만 턴-온 되어 입력 전원을 출력하므로, 상기 정류기의 출력 전원은 구형파를 이루지 않는다. 따라서, 상기 정류기의 후단에 배치되는 소자에는 전원이 입력되지 않는 시간이 발생하며, 이는 역률을 감소시키는 요인으로 작용한다.
따라서, 상기 역률 보상회로는 상기 정류기를 통해 출력되는 직류 전원의 역률을 보상한다. 이때, 역률 보상회로는 역률 보상을 위해, 적어도 하나의 인덕터를 포함하며, 상기 인덕터에 에너지를 저장하였다가 상기와 같이 전원이 입력되지 않는 구간에 상기 저장된 에너지를 후단에 배치된 소자로 흘림으로써, 역률을 보상한다.
이를 위해, 역률 보상회로는 정류기에 연결된 인덕터와, 제어부(180)의 제어신호에 따라 선택적으로 스위칭 동작을 하여 상기 인덕터에 저장된 에너지를 출력하는 트랜지스터와, 역방향 전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 다이오드를 포함한다.
제 1 전력 변환부(120)는 상기 입력부(110)를 통해 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력한다.
이때, 상기 제 1 전력 변환부(120)는 복수의 스위칭 소자로 이루어져 상기 입력부(110)를 통해 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 입력 스위칭부(121)와, 상기 입력 스위칭부(121)를 통해 출력되는 교류 전원을 변압하는 제 1 변압기(122)를 포함한다.
상기 제 1 전력 변환부(120)는 상기 입력부(110)를 통해 출력되는 직류 전원을 고압 배터리(140)의 충전에 적합한 교류 전원으로 변환하여 출력한다.
제 2 전력 변환부(130)는 제 1 동작 모드에서, 상기 제 1 전력 변환부(120)와 연결되며, 그에 따라 상기 제 1 전력 변환부(120)를 통해 출력되는 교류 전원을 상기 고압 배터리(140)의 충전을 위한 직류 전원으로 변환한다.
고압 배터리(140)는 상기 제 1 동작 모드에서 상기 제 2 전력 변환부(130)를 통해 출력되는 직류 전원에 의해 충전된다.
고압 배터리(140)는 바람직하게는 연료전지로서, 수소(H2)와 공기 중 산소(O2)의 화학 반응을 통해 전기 에너지를 생성시켜 스택에 축적하는 방식으로, 내부에 저장된 직류 전원을 발생시킬 수 있으며, 또한 상기 제 2 전력 변환부(130)를 통해 공급되는 직류 전원에 의해 충전될 수 있다.
한편, 상기 제 2 전력 변환부(130)는 제 2 동작 모드에서, 상기 고압 배터리(140)로부터 직류 전원을 공급받고, 그에 따라 상기 공급받은 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력한다.
이때, 상기 제 2 동작 모드에서 상기 제 2 전력 변환부(130)를 통해 출력되는 교류 전원은 제 3 전력 변환부(150)로 공급된다.
즉, 제 1 동작 모드에서 상기 제 2 전력 변환부(130)는 상기 제 1 전력 변환부(120)와 연결되며, 그에 따라 상기 제 1 전력 변환부(120)를 통해 출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 고압 배터리(140)로 공급한다.
또한, 제 2 동작 모드에서 상기 제 2 전력 변환부(130)는 상기 제 3 전력 변환부(150)와 연결되며, 그에 따라 상기 고압 배터리(140)를 통해 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 제 3 전력 변환부(150)로 공급한다.
또한, 제 1 동작 모드에서 상기 고압 배터리(140)는 상기 제 2 전력 변환부(130)를 통해 공급되는 직류 전원에 의해 충전 동작을 수행한다. 또한, 제 2 동작 모드에서 상기 고압 배터리(140)는 상기 제 2 전력 변환부(130)로 직류 전원을 공급하기 위한 방전 동작을 수행한다.
제 3 전력 변환부(150)는 상기 제 2 전력 변환부(130)를 통해 공급되는 교류 전원을 저압 배터리(160)의 충전을 위한 직류 전원으로 변환하고, 상기 변환한 직류 전원을 상기 저압 배터리(160)로 공급한다.
제 3 전력 변환부(150)는 상기 제 2 전력 변환부(130)를 통해 공급되는 교류 전원을 변압하는 제 2 변압기(151)와, 상기 제 2 변압기(151)를 통해 변압된 교류 전원을 정류하여 직류 전원을 출력하는 정류부(152)와, 상기 정류된 직류 전원을 필터링하는 출력 필터부(153)를 포함한다.
절환 스위치부(170)는 상기 제 2 전력 변환부(130)의 동작 모드를 결정한다. 즉, 절환 스위치부(170)는 제 1 동작 모드에서 상기 제 2 전력 변환부(130)와 제1 전력 변환부(120) 사이를 연결한다.
또한, 절환 스위치부(170)는 제 2 동작 모드에서 상기 제 2 전력 변환부(130)와 제 3 전력 변환부(150) 사이를 연결한다.
이에 따라, 상기 제 3 전력 변환부(150)는 제 1 동작 모드에서 상기 절환 스위치(170)에 의해 상기 제 2 전력 변환부(130)와 전기적으로 연결되어 있지 않은 상태가 되며, 이로 인해 별도의 동작을 수행하지 않는다.
또한, 상기 제 1 전력 변환부(120)는 제 2 동작 모드에서 상기 절환 스위치(170)에 의해 상기 제 2 전력 변환부(130)와 전기적으로 연결되어 있지 않은 상태가 되며, 이로 인해 별도의 동작을 수행하지 않는다.
제어부(180)는 전력 변환 장치의 전반적인 동작을 제어한다.
먼저, 제어부(180)는 입력부(110)를 구성하는 역률 보상회로에 포함된 스위칭 소자의 스위칭을 제어하여 상기 입력부(110)를 통해 출력되는 전원의 역률이 보상되도록 한다.
또한, 제어부(180)는 제 1 전력 변환부(120)에 구성된 스위칭 소자들의 스위칭을 제어하여, 상기 제 1 전력 변환부(120)의 전원 변환 동작을 제어한다.
또한, 제어부(180)는 상기 제 2 전력 변환부(130)에 구성된 스위칭 소자들의 스위칭을 제어하여, 상기 제 2 전력 변환부(130)의 전원 변환 동작을 제어한다.
또한, 제어부(180)는 제 3 전력 변환부(150)에 구성된 스위칭 소자들의 스위칭을 제어하여, 상기 제 3 전력 변환부(130)의 전원 변환 동작을 제어한다.
그리고, 제어부(180)는 상기 절환 스위치부(170)의 스위칭을 제어하여, 상기 제 2 전력 변환부(130)의 동작 모드를 결정한다.
즉, 제어부(180)는 고압 배터리(140)의 충전이 필요한 제 1 동작 모드에서는, 상기 절환 스위치부(170)가 상기 제 1 전력 변환부(120)와 제 2 전력 변환부(130) 사이를 연결하도록 하여, 상기 제 2 전력 변환부(130)가 고압 배터리 충전을 위한 전력 변환부로 동작하도록 한다.
이와 다르게, 제어부(180)는 저압 배터리(160)의 충전이 필요한 제 2 동작 모드에서, 상기 절환 스위치부(170)가 상기 제 2 전력 변환부(130)와 제 3 전력 변환부(150) 사이를 연결하도록 하여, 상기 제 2 전력 변환부(130)가 저압 배터리 충전을 위한 전력 변환부로 동작하도록 한다.
이때, 제어부(180)는 현재 전기 자동차의 상태를 파악하고, 상기 파악한 상태에 따라 상기 고압 배터리(140)의 충전을 위한 제 1 동작 모드와, 상기 저압 배터리(160)의 충전을 위한 제 2 동작 모드를 결정할 수 있다.
예를 들어, 상기 제어부(180)는 교류 상용 전원이 상기 입력부(110)에 연결되면, 현 상태를 제 1 동작 모드 상태로 인식하고, 그에 따라 상기 절환 스위치부(170)가 제 1 전력 변환부(120)와 제 2 전력 변환부(130) 사이를 연결하도록 할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명은 제 2 전력 변환부(130)가 제 1 동작 모드에서 제 1 전력 변환부(120)와 연결되어, 고압 배터리의 충전을 위한 고압 배터리 충전기로 동작하게 되며, 제 2 동작 모드에서 제 3 전력 변환부(150)와 연결되어 저압 배터리의 충전을 위한 저압 배터리 충전기로 동작하게 된다.
상기와 같은 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 저압 배터리 충전기 및 고압 배터리 충전기의 통합형 구조에서, 절환 스위치를 이용하여 전원의 전달 경로를 변경해줌으로써, 기존 회로에 구성된 일부 소자들의 제거가 가능하여 회로 구조 단순화, 부피 감소 및 가격 절감을 달성할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 전력 변환 장치의 상세 회로 구성도이다.
도 3을 참조하여, 본 발명의 전력 변환 장치의 상세 회로 구성에 대해 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 우선 전력 변환 장치는 입력부(110), 입력 스위치부(121), 제1 변압기(122), 제 1 공용 회로부(131), 제 2 공용 회로부(132), 고압 배터리(140), 제 2 변압기(151), 정류부(152), 출력 필터(153), 저압 배터리(160) 및 절환 스위치부(170)를 포함한다.
상기 입력부(110)는 상기에서 이미 설명한 바와 같이, 입력 필터, 정류기 및 역률 개선회로를 포함하여 구성되므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
입력 스위치부(121)는 제 1 스위칭 소자(Q1), 제 2 스위칭 소자(Q2), 제 3 스위칭 소자(Q3) 및 제 4 스위칭 소자(Q4)를 포함하여 구성된다.
제 1 스위칭 소자(Q1)의 게이트 전극은 제어부(180)와 연결되어, 스위칭 신호를 수신한다.
제 1 스위칭 소자(Q1)는 입력부(110)의 제 1 노드(포지티브 전원 노드)에 연결된 드레인 전극, 제 2 스위칭 소자(Q2)의 드레인 전극에 연결된 소스 전극을 포함한다.
제 2 스위칭 소자(Q2)는 제 1 스위칭 소자(Q1)의 소스 전극에 연결된 드레인 전극, 입력부(11)의 제 2 노드(네거티브 전원 노드)에 연결된 소스 전극을 포함한다.
제 3 스위칭 소자(Q3)는 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)의 드레인 전극에 연결된 드레인 전극, 제 4 스위칭 소자(Q4)의 드레인 전극에 연결된 소스 전극을 포함한다.
제 4 스위칭 소자(Q4)는 제 3 스위칭 소자(Q3)의 소스 전극에 연결된 드레인 전극 및 상기 제 2 스위칭 소자(Q2)의 소스 전극에 연결된 소스 전극을 포함한다.
상기 제 1 내지 4 스위칭 소자(Q1~Q4)의 게이트 전극은 모두 제어부(180)에 연결되어, 상기 제어부(180)로부터 게이트 신호를 수신하게 된다.
한편, 제 1 내지 4 스위칭 소자(Q1~Q4) 각각은, 일단이 드레인 전극에 연결되고 타단이 소스 전극에 연결되는 바디 다이오드와, 커패시터를 포함한다.
제 1 변압기(122)는 제 1 인덕터(L1)와, 제 2 인덕터(L2)를 포함한다.
제 1 인덕터(L1)의 제 1단은 상기 제 3 스위칭 소자(Q3)의 소스 전극과, 상기 제 4 스위칭 소자(Q4)의 드레인 전극 사이에 연결되고, 제 2 단은 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)의 소스 전극과, 상기 제 2 스위칭 소자(Q2)의 드레인 전극 사이에 연결된다.
제 2 인덕터(L2)는 제 1단이 절환 스위치부(170)의 제 1 단과 연결되고, 제 2 단은 추후 설명할 제 7 스위칭 소자(Q7)의 소스 전극과, 제 8 스위칭 소자(Q8)의 드레인 전극 사이에 연결된다.
절환 스위치부(170)는 제 1 단이 상기 제 2 인덕터(L2)의 제 1단 또는 추후 설명한 제 4 인덕터(L4)의 제 1 단에 연결되고, 제 2 단이 제 5 스위칭 소자(Q5)의 소스 전극과, 제 6 스위칭 소자(Q6)의 드레인 전극 사이에 연결된다.
제 1 공용 회로부(131)는 제 5 스위칭 소자(Q5), 제 6 스위칭 소자(Q6), 제 7 스위칭 소자(Q7) 및 제 8 스위칭 소자(Q8)를 포함한다.
제 5 스위칭 소자(Q5)는 제 7 스위칭 소자(Q7)의 드레인 전극에 연결되는 드레인 전극과, 제 6 스위칭 소자(Q6)의 드레인 전극에 연결되는 소스 전극을 포함한다.
제 6 스위칭 소자(Q6)는 제 5 스위칭 소자(Q5)의 소스 전극에 연결되는 드레인 전극과, 제 8 스위칭 소자(Q8)의 소스 전극에 연결되는 소스 전극을 포함한다.
제 7 스위칭 소자(Q7)는 제 5 스위칭 소자(Q5)의 드레인 전극에 연결되는 드레인 전극과, 제 8 스위칭 소자(Q8)의 드레인 전극에 연결되는 소스 전극을 포함한다.
제 8 스위칭 소자(Q8)는 제 7 스위칭 소자(Q7)의 소스 전극에 연결되는 드레인 전극과, 제 6 스위칭 소자(Q6)의 소스 전극에 연결되는 소스 전극을 포함한다.
상기 제 5 내지 8 스위칭 소자(Q5, Q6, Q7, Q8)는 제 1 동작 모드에서 상기 제 1 변압기(122)를 통해 출력되는 교류 전원을 정류하여 출력한다.
이에 따라, 상기 제 1 공용 회로부(131)는 제 1 동작 모드에서 정류기 기능을 수행한다.
또한, 상기 제 5 내지 8 스위칭 소자(Q5, Q6, Q7, Q8)는 제 2 동작 모드에서 상기 고압 배터리(140)를 통해 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환한다.
이에 따라, 상기 제 1 공용 회로부(131)는 제 2 동작 모드에서 입력 스위치부와 동일한 기능을 수행한다.
제 2 공용 회로부(132)는 제 3 인덕터(L3)와, 제 1 커패시터(C1)를 포함한다.
제 3 인덕터(L3)의 일단은 상기 제 7 스위칭 소자(Q7)의 드레인 전극에 연결되고, 타단은 커패시터의 일단에 연결된다.
제 1 커패시터(C1)는 일단이 상기 제 3 인덕터(L3)의 타단에 연결되고, 타단은 제 8 스위칭 소자(Q8)의 소스 전극에 연결된다.
상기 제 3 인덕터(L3)와, 제 1 커패시터(C1)는 제 1 동작 모드에서 상기 제 1 공용 회로부(131)를 통해 정류된 직류 전원을 필터링하는 필터이다.
이에 따라, 상기 제 2 공용 회로부(132)는 제 1 동작 모드에서 고압 배터리 충전기를 구성하는 출력 필터로서의 기능을 수행한다.
또한, 상기 제 3 인덕터(L3)와, 제 1 커패시터(C1)는 제 2 동작 모드에서 상기 고압 배터리(140)를 통해 출력된 직류 전원을 필터링하는 필터이다.
이에 따라, 상기 제 2 공용 회로부(132)는 제 2 동작 모드에서 저압 배터리 충전기를 구성하는 입력 필터로서의 기능을 수행한다.
제 2 전력 변환부(150)는 제 2 변압기(151), 정류부(152) 및 출력 필터(153)를 포함한다.
제 2 변압기(151)는 제 4 인덕터(L4)와, 제 5 인덕터(L5)와, 제 6 인덕터(L6)를 포함한다.
제 4 인덕터(L4)는 상기 절환 스위치부(170)의 스위치 일단과 선택적으로 연결되어, 상기 제 5 스위칭 소자(Q5)의 소스 전극과, 제 6 스위칭 소자(Q6)의 드레인 전극 사이에 연결되고, 타단은 제 7 스위칭 소자(Q7)의 소스 전극과 제 8 스위칭 소자(Q8)의 드레인 전극 사이에 연결된다.
제 5 인덕터(L5)는 제 9 스위칭 소자(Q9)의 드레인 전극에 일단이 연결되고, 제 6 인덕터(L6)의 일단에 타단이 연결된다.
제 6 인덕터(L6)는 제 5 인덕터(L5)의 타단에 일단이 연결되고, 제 10 스위칭 소자(Q10)의 드레인 전극에 타단이 연결된다.
정류부(152)는 제 9 스위칭 소자(Q9)와 제 10 스위칭 소자(Q10)를 포함한다.
제 9 스위칭 소자(Q9)는 제 5 인덕터(L5)의 일단에 드레인 전극이 연결되고, 제 7 인덕터(L7)의 일단에 소스 전극이 연결된다.
제 10 스위칭 소자(Q10)는 제 6 인덕터(L6)의 타단에 드레인 전극이 연결되고, 제 7 인덕터(L7)의 일단에 소스 전극이 연결된다.
출력 필터(153)는 제 7 인덕터(L7)와 제 2 커패시터(C2)를 포함한다.
제 7 인덕터(L7)는 일단이 상기 제 9 스위칭 소자(Q9)의 소스 전극 및 제 10 스위칭 소자(Q10)의 소스 전극에 연결되고, 타단이 제 2 커패시터(C2)의 일단에 연결된다.
제 2 커패시터(C2)는 일단이 제 7 인덕터(L7)의 타단에 연결되고, 타단이 상기 제 5 인덕터(L5)의 타단과, 제 6 인덕터(L6)의 일단 사이에 연결된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고압 배터리의 충전을 위한 동작 회로도이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 저압 배터리의 충전을 위한 동작 회로도이다.
도 4를 참조하면, 고압 배터리(140)의 충전 동작 모드에서는, 입력부(110), 제 1 전력 변환부(120), 절환 스위치부(170), 제 2 전력 변환부(130)에 의해 고압 배터리(140)의 충전이 이루어진다.
즉, 입력부(110)는 외부로부터 상용 교류 전원을 입력받고, 그에 따라 상기 입력받은 상용 교류 전원을 정류한 후 역률을 보상하여 출력한다.
제 1 전력 변환부(120)는 상기 역률이 보상된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력한다.
상기 제 1 전력 변환부(120)를 통해 변환된 직류 전원은 절환 스위치부(170)를 통해 연결된 제 2 전력 변환부(130)로 제공된다.
제 1 공용 회로부(131)는 상기 제 1 전력 변환부(120)를 통해 출력되는 교류 전원을 정류하여 출력한다.
제 2 공용 회로부(132)는 상기 제 1 공용 회로부(131)를 통해 정류된 직류 전원을 필터링한다.
그리고, 상기 제 2 공용 회로부(132)를 통해 필터링된 직류 전원은 고압 배터리(140)로 공급되어, 상기 고압 배터리(140)를 충전시킨다.
도 5를 참조하면, 저압 배터리(160)의 충전 동작 모드에서는, 고압 배터리(140), 제 2 전력 변환부(130), 절환 스위치부(170) 및 제 3 전력 변환부(150)에 의해 저압 배터리(160)의 충전이 이루어진다.
고압 배터리(140)는 저압 배터리(160)의 충전 동작 모드에서 방전 동작을 수행하며, 그에 따라 내부에 충전해놓은 직류 전원을 출력한다.
상기 고압 배터리(140)를 통해 직류 전원이 출력되면, 상기 직류 전원은 제 2 공용 회로부(132)에 의해 필터링되어 제 1 공용 회로부(131)로 전달된다.
제 1 공용 회로부(131)는 상기 제 2 공용 회로부(132)를 통해 전달되는 직류 전원을 스위칭하여 교류 전원으로 변환하고, 그에 따라 상기 변환한 교류 전원을 상기 절환 스위치부(170)를 통해 연결된 제 2 변압기(151)로 출력한다.
제 2 변압기(151)는 변압 동작을 수행하고, 변압된 교류 전원을 정류부(152)로 출력한다.
정류부(152)는 상기 제 2 변압기(151)를 통해 출력되는 교류 전원을 정류하여 직류 전원으로 변환한다.
상기 변환된 직류 전원은 출력 필터(153)를 거쳐 저압 배터리(160)로 공급되어, 상기 저압 배터리(160)를 충전시킨다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 저압 배터리 충전기 및 고압 배터리 충전기의 통합형 구조에서, 절환 스위치를 이용하여 전원의 전달 경로를 변경해줌으로써, 기존 회로에 구성된 일부 소자들의 제거가 가능하여 회로 구조 단순화, 부피 감소 및 가격 절감을 달성할 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.
110: 입력부
120: 제 1 전력 변환부
121: 입력 스위치부 122: 제 1 변압기
130: 제 2 전력 변환부
131: 제 1 공용 회로부 132: 제 2 공용 회로부
140: 고압 배터리
150: 제 3 전력 변환부
151: 제 2 변압기 152: 정류부
153: 출력 필터
160: 저압 배터리
170: 절환 스위치부

Claims (10)

  1. 제 1 및 2 배터리를 충전시키는 전력 변환 장치에 있어서,
    외부로부터 공급되는 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력하는 입력부;
    상기 입력부를 통해 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 제 1 전력 변환부;
    제 1 동작 모드에서, 상기 제 1 전력 변환부를 통해 변환된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 제 1 배터리를 충전시키고, 제 2 동작 모드에서 상기 제 1 배터리를 통해 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 제 2 전력 변환부;
    제 2 동작 모드에서, 상기 제 2 전력 변환부를 통해 변환된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 제 2 배터리를 충전시키는 제 3 전력 변환부; 및
    외부로부터 공급되는 제어 신호에 따라 상기 제 1 동작 모드에서는 상기 제 1 전력 변환부와 제 2 전력 변환부 사이를 서로 연결하고, 상기 제 2 동작 모드에서는 상기 제 2 전력 변환부와 제 3 전력 변환부 사이를 서로 연결하는 절환 스위치부를 포함하는
    전력 변환 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 동작 모드에서 상기 제 3 전력 변환부는 상기 절환 스위치부와 연결되지 않음에 따라 동작을 중지하고,
    상기 제 2 동작 모드에서 제 1 전력 변환부는 상기 절환 스위치부와 연결되지 않음에 따라 동작을 중지하는
    전력 변환 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 전력 변환부는,
    상기 제 1 동작 모드 및 제 2 동작 모드에서 모두 동작하는 제 1 공용 회로부 및 제 2 공용 회로부를 포함하는
    전력 변환 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 공용 회로부는,
    제 1 동작 모드에서, 상기 제 2 전력 변환부를 통해 출력되는 교류 전원을 정류하여 직류 전원으로 변환하고,
    제 2 동작 모드에서, 상기 제 2 공용 회로부를 통해 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는
    전력 변환 장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제 2 공용 회로부는,
    제 1 동작 모드에서, 상기 고전압 배터리로 공급되는 직류전원에 대한 출력 필터의 기능을 수행하고,
    제 2 동작 모드에서 , 상기 제 1 공용 회로부로 공급되는 직류 전원에 대한 입력 필터의 기능을 수행하는
    전력 변환 장치.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 공용 회로부는,
    복수 개의 능동 스위칭 소자로 구성되는
    전력 변환 장치.
  7. 제 1 스위칭 소자;
    상기 제 1 스위칭 소자의 소스 전극에 연결된 드레인 전극, 제 4 스위칭 소자의 소스 전극에 연결된 소스 전극을 갖는 제 2 스위칭 소자;
    상기 제 1 스위칭의 드레인 전극에 연결된 드레인 전극, 제 4 스위칭 소자의 드레인 전극에 연결된 소스 전극을 갖는 제 3 스위칭 소자;
    제 3 스위칭 소자의 소스 전극에 연결된 드레인 전극, 제 2 스위칭 소자의 소스 전극에 연결된 소스 전극을 갖는 제 4 스위칭 소자;
    상기 제 3 스위칭 소자의 드레인 전극이 일단이 연결되고, 제 1 커패시터의 일단 및 고압 배터리의 일단에 타단이 연결된 인덕터;
    상기 인덕터의 타단에 일단이 연결되고, 고압 배터리의 타단 및 상기 제 4 스위칭 소자의 소스 전극에 타단이 연결된 커패시터; 및
    일단이 고압 충전기 및 저압 충전기 중 어느 하나에 선택적으로 연결되고, 타단이 상기 제 1 스위칭 소자의 소스 전극 및 제 2 스위칭 소자의 드레인 전극 사이에 연결된 스위치를 포함하는
    전력 변환 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 내지 4 스위칭 소자는,
    능동 스위칭 소자로 구성되는
    전력 변환 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제 1 내지 4 스위칭 소자는,
    상기 스위치의 일단이 고압 충전기에 연결된 경우, 정류기로 동작하고,
    상기 스위치의 일단이 저압 충전기에 연결된 경우, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 입력 스위칭부로 동작하는
    전력 변환 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 인덕터 및 커패시터는,
    상기 스위치의 일단이 고압 충전기에 연결된 경우, 상기 고압 충전기의 출력 필터로 동작하고,
    상기 스위치의 일단이 저압 충전기에 연결된 경우, 상기 저압 충전기의 입력 필터로 동작하는
    전력 변환 장치.
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