KR20160122441A - 차량용 충전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 충전 장치에 관한 것으로, 특히 하이브리드 전기 차량 또는 연료 전지차 등에 채용되는 배터리를 충전하는 컨버터를 효율적으로 제어할 수 있도록 하는 기술이다. 이러한 본 발명은, 직류전압을 공급하는 전원부 및 전원부로부터 인가되는 직류전압을 배터리 충전전압으로 변환하여 배터리에 공급하고, 메인 변압기의 이차코일 측에 구비된 액티브 스너버를 포함하여 이차코일 측에 발생하는 피크 노이즈를 감소시켜 출력단으로 전달하는 DC/DC 컨버터를 포함한다.

Description

차량용 충전 장치{CHARGING DEVICE OF VEHICLE}
본 발명은 차량용 충전 장치에 관한 것으로, 특히 하이브리드 전기 차량 또는 연료 전지차 등에 채용되는 배터리를 충전하는 컨버터를 효율적으로 제어할 수 있도록 하는 기술이다.
최근 수요가 급증한 플러그인 하이브리드 차량(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 전기차(Electric Vehicle, EV), 수소연료전지자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 등의 친환경 차량의 개발과 관련하여 탑재형 충전기(OBC; On-Board Charger)는 필수부품이라 할 수 있다. 여기서, OBC는 고전압 배터리를 충전하기 위한 충전 장치이다.
이러한 OBC는 역률 개선을 목적으로 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 PFC(Power Factor Correction) 부스트 컨버터(Boost Converter)와, PFC에서 직류 전원으로 변환된 전압을 배터리 충전전압으로 변환하는 절연형 DC/DC 컨버터를 포함한다.
이러한 DC/DC 컨버터는 차량의 고전압 배터리로부터 나오는 고전압 직류전압을 저전압 직류전압으로 변환하여 보조배터리를 충전하고 차량의 전장부하량을 모니터링하는 기능을 갖는다.
그런데, OBC는 출력전압이 상당히 높아 DC/DC 컨버터의 변압기에 전압 스파이크가 크게 발생할 수 있다. 즉, 빠른 공진 주파수에 의해 DC/DC 컨버터의 출력 다이오드에 피크 노이즈가 과다하게 생성되어 서지성 전압이 크게 발생하게 된다. 이로 인해, 정류기 소자들이 소손되거나 스파이크 전압까지 커버 할 수 있는 고가의 소자를 사용해야 하는 단점이 있다. 또한, 통상 내압이 높은 정류기 소자는 손실 측면에서 불리하여 효율이 감소 되는 단점도 있다.
본 발명은 변압기의 일차코일 측에 스너버(Snubber)용 공진 인덕터, 다이오드를 제거하고 변압기의 이차코일 측에 스너버(Snubber) 회로를 추가하여 컨버터의 출력 다이오드에 발생하는 서지성 전압 스파이크를 방지하고 제조 원가를 줄일 수 있도록 하는 특징을 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 차량용 충전 장치는, 직류전압을 공급하는 전원부; 및 전원부로부터 인가되는 직류전압을 배터리 충전전압으로 변환하여 배터리에 공급하고, 메인 변압기의 이차코일 측에 구비된 액티브 스너버를 포함하여 이차코일 측에 발생하는 피크 노이즈를 감소시켜 출력단으로 전달하는 DC/DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 변압기의 이차코일 측에 스너버(Snubber) 회로를 추가하여 컨버터의 출력 다이오드에서 발생하는 서지성 전압 스파이크를 방지하고 단품 효율을 높여 제조 원가를 줄일 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
아울러 본 발명의 실시예는 예시를 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 충전 장치의 구성도.
도 2는 도 1의 차량용 충전 장치에 관한 효과를 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 충전 장치의 구성도이다.
본 발명의 실시예는 전원부(100), DC/DC(Direct current) 컨버터(200), 고전압 배터리(300)를 포함한다.
여기서, 전원부(100)는 DC/DC 컨버터(200)에 고전압 레벨을 갖는 직류(DC) 전원을 공급한다. 그리고, DC/DC 컨버터(200)는 스위칭부(210)와, 메인 변압기(220), 정류부(230), 필터부(240) 및 액티브 스너버(Snubber)(250)를 포함한다. 이러한 DC/DC 컨버터(200)는 전원부(100)로부터 인가되는 직류전압을 배터리 충전전압으로 변환하여 고전압 배터리(300)에 공급한다.
여기서, 스위칭부(210)는 복수의 스위칭 소자 S1~S4와, 복수의 다이오드 D1~D4를 포함한다. 이러한 스위칭부(210)는 전원부(100)로부터 인가되는 DC 전압을 AC(교류) 전압으로 변경한다.
본 발명의 실시예에서는 스위칭부(210)가 복수의 스위칭 소자 S1~S4와, 복수의 다이오드 D1~D4로 이루어진 것을 그 일 예로 설명하였다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 스위칭부(210)의 회로 구성 및 연결 구조는 충분히 변경될 수 있다.
스위칭 소자 S1, S1는 노드 C와 노드 D 사이에 직렬 연결된다. 그리고, 스위칭 소자 S3, S4는 노드 C와 노드 D 사이에 직렬 연결된다.
스위칭 소자 S1의 드레인 단자는 노드 C에 연결되고 소스 단자는 노드 F에 연결된다. 그리고, 스위칭 소자 S2의 드레인 단자는 노드 D에 연결되고 소스 단자는 노드 F에 연결된다.
스위칭 소자 S3의 드레인 단자는 노드 C에 연결되고 소스 단자는 노드 E에 연결된다. 그리고, 스위칭 소자 S4의 드레인 단자는 노드 D에 연결되고 소스 단자는 노드 E에 연결된다. 그리고, 복수의 다이오드 D1~D4는 복수의 스위칭 소자 S1~S4와 각각 병렬 연결된다.
이러한 스위칭부(210)는 스위칭 소자 S1~S4의 턴 온 시그널의 위상을 변위시켜 듀티를 제어하는 것에 의해 노드 E, F에 공급되는 전압이 조절된다. 즉, 스위칭부(210)는 스위칭 소자 S1~S4가 동시에 턴 온 되는 기간에 따라 일차코일(221)에 공급되는 전압의 펄스폭을 제어한다.
각 스위칭 소자 S1~S4의 게이트 단자는 별도의 제어회로(도시되지 않음)에 접속된다. 제어회로의 제어에 대응하여 스위칭 소자 S1~S4의 온 오프 동작 및 시그널의 위상이 제어된다.
여기서, 복수의 스위칭 소자 S1~S4는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)로 이루어질 수 있다.
그리고, 메인 변압기(220)는 일차코일(221), 코어(223) 및 이차코일(222)을 포함한다. 이러한 메인 변압기(220)는 노드 E, F를 통해 인가되는 높은 교류 입력 전압을 낮은 교류 전압으로 변환하여 정류부(230)에 출력한다. 또한, 메인 변압기(220)는 고전압과 샤시 간의 절연을 확보하도록 한다.
여기서, 일차코일(221)과 이차코일(222)는 코어(223)를 기준으로 하여 양측에 형성된다. 그리고, 일차코일(221)은 노드 E, F에 연결된다. 또한, 이차코일(222)은 노드 G, H와 연결된다.
그리고, 정류부(230)는 복수의 정류 다이오드 D5, D6를 포함한다. 복수의 정류 다이오드 D5, D6는 노드 I(출력단)로부터 인가되는 교류 전원을 직류로 정류하여 필터부(240)와 액티브 스너버(250)에 출력한다. 복수의 정류 다이오드 D5, D6는 노드 I로부터 노드 G, H 방향으로 순 방향으로 연결된다.
필터부(240)는 인덕터 L1와 커패시터 C1를 포함하여, 정류부(230)의 출력 전압을 필터링하여 평활화한다.
인덕터 L1는 노드 J의 출력전류에서 리플을 감소시키도록 하는 평활 인덕터이다. 이러한 인덕터 L1는 노드 J와 노드 K 사이에 연결된다.
그리고, 커패시터 C1는 노드 K과 노드 I 사이에 연결된다. 이러한 커패시터 C1는 노드 K에 인가된 출력 전압의 리플을 감소시킨다. 커패시터 C1는 노드 K에 인가되는 전압을 일정하게 유지시키는 평활 커패시터이다. 인덕터 L1와 커패시터 C1에서 출력된 전압은 고전압 배터리(300)에 공급된다. 고전압 배터리(300)는 전장 부하에 전원을 공급한다.
또한, 액티브 스너버(250)는 정류부(230)의 출력단에 연결되어, 정류부(230)에서 발생한 전압 스파이크 등의 서지 전압이나 링잉 전압을 흡수한다. 즉, 액티브 스너버(250)는 정류부(230)의 정류 다이오드 D5, D6에서 발생하는 역전압을 감소시킨다. 이러한 액티브 스너버(340)는 복수의 다이오드 D8~D11, 커패시터 C3, 스위칭 소자 S5 및 변압기(251)를 포함한다.
여기서, 다이오드 D8는 노드 H와 커패시터 C2 사이에 순 방향으로 연결된다. 그리고, 다이오드 D9는 노드 G와 커패시터 C2 사이에 순 방향으로 연결된다. 이러한 다이오드 D8, D9는 노드 G, H로부터 인가되는 전압을 정류하여 커패시터 C2와 변압기(251)에 출력한다.
그리고, 커패시터 C2는 다이오드 D8, D9과 접지전압단 사이에 연결된다. 그리고, 변압기(251)는 다이오드 D8, D9의 출력전압을 변환하여 다이오드 D11에 출력한다. 이러한 변압기(251)는 다이오드 D8, D9로부터 인가되는 높은 입력 전압을 낮은 전압으로 변환하여 다이오드 D11에 출력한다.
그리고, 다이오드 D11는 변압기(251)와 노드 K 사이에 순방향으로 연결된다. 이러한 다이오드 D11는 변압기(251)로부터 인가되는 전압을 정류하여 노드 K에 출력한다.
그리고, 스위칭 소자 S5는 변압기(251)와 접지전압단 사이에 연결된다. 그리고, 다이오드 D10는 스위칭 소자 S5와 병렬 연결된다. 여기서, 복수의 스위칭 소자 S5는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 스위칭 소자 S5가 턴 온 되는 경우 변압기(251)의 입력전압을 접지전압단으로 방전시켜 입력전압을 낮추도록 한다. 반면에, 스위칭 소자 S5가 턴 오프 되는 경우 변압기(251)의 입력전압을 다시 상승시키도록 한다.
그리고, 스위칭 소자 S5의 게이트 단자는 별도의 제어회로(도시되지 않음)에 접속된다. 제어회로의 제어에 대응하여 스위칭 소자 S5의 온 오프 동작 및 시그널의 위상이 제어된다.
그런데, 공진 주파수가 빠른 경우 다이오드 D5, D6의 출력단에 흐르는 전류가 증가하여, 메인 변압기(220)의 이차코일(222)에 흐르는 피크 노이즈 전류가 높아질 수 있다. 도 2에서 (A)는 종래기술에서 피크 노이즈가 과다하게 발생하는 경우를 나타낸다.
피크 전류가 높아지는 경우 DC/DC 컨버터(200)의 스위치가 턴 오프 될 때 턴 오프 손실이 증가하고 리딩 스위치의 RMS(Root Mean Square) 전류가 증가하게 된다. 그러면, 도통 손실이 증가하게 되고 탑재형 충전기(OBC; On-Board Charger) 효율이 감소 될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예는 액티브 스너버(250)를 통해 다이오드 D5, D6의 출력단에 발생하는 피크 전압을 도 2의 (B)에서와 같이 흡수하게 된다.
즉, 본 발명의 실시예는 출력 다이오드 D5, D6에서 발생하는 기생 콘덴서, 메인 변압기(220)의 누설 인덕턴스에 의해 발생하는 스위치의 노이즈성 에너지를 낮추도록 한다. 그리고, 출력 다이오드 D5, D6에서 발생하는 역전압을 줄여 출력 커패시터 C1에 전달하도록 함으로써 피크 노이즈를 제거할 수 있도록 한다.
그리고, 본 발명의 실시예는 메인 변압기(220)의 일차코일(221) 측에 고전류용 공진인덕터 또는 고전압용 다이오드를 구비하지 않는다. 또한, 본 발명의 실시예는 메인 변압기(220)의 이차코일(222) 측에 액티브 스너버(250)가 구비되어 스너버 효과를 유지하면서도 낮은 전압 및 전류를 사용하게 된다. 이로 인해, 비교적 가격이 저렴한 부품의 사용이 가능하게 되어 단품 효율을 개선할 수 있도록 한다.

Claims (6)

  1. 직류전압을 공급하는 전원부; 및
    상기 전원부로부터 인가되는 상기 직류전압을 배터리 충전전압으로 변환하여 배터리에 공급하고, 메인 변압기의 이차코일 측에 구비된 액티브 스너버를 포함하여 상기 이차코일 측에 발생하는 피크 노이즈를 감소시켜 출력단으로 전달하는 DC/DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 DC/DC 컨버터는
    복수의 스위칭 소자의 턴 온 또는 턴 오프에 따라 상기 메인 변압기의 일차코일에 공급되는 전압을 제어하는 스위칭부;
    상기 스위칭부의 스위칭 동작을 통해 교류전압이 인가되어 상기 이차코일 측에 전달하는 상기 메인 변압기;
    상기 출력단으로부터 인가되는 전압을 정류하는 정류부;
    상기 메인 변압기의 상기 이차코일 측으로부터 인가되는 전압을 필터링하는 필터부; 및
    상기 이차코일 측에 구비되어 상기 정류부의 출력에서 발생하는 피크 노이즈를 감소시켜 상기 출력단으로 전달하는 상기 액티브 스너버를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 정류부는
    제 1출력단의 전압을 정류하여 제 1노드에 출력하는 제 1다이오드; 및
    제 2출력단의 전압을 정류하여 제 2노드에 출력하는 제 2다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전 장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 필터부는
    상기 이차코일 측과 제 1출력단 사이에 연결된 인덕터; 및
    상기 제 1출력단과 상기 정류부의 입력단 사이에 연결된 제 1커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전 장치.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 액티브 스너버는
    상기 정류부의 제 1노드로부터 인가되는 전압을 정류시키는 제 3다이오드;
    상기 정류부의 제 2노드로부터 인가되는 전압을 정류시키는 제 4다이오드;
    상기 제 3다이오드, 상기 제 4다이오드로와 접지전압단 사이에 연결된 제 2커패시터;
    상기 제 3다이오드, 상기 제 4다이오드의 출력 전압을 변환시키는 변압기;
    상기 변압기의 출력을 상기 필터부의 제 1출력단에 출력하는 제 5다이오드;
    상기 변압기와 접지전압단 사이에 연결된 스위칭 소자; 및
    상기 스위칭 소자와 병렬 연결된 제 6다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 액티브 스너버는
    상기 스위칭 소자의 턴 온 또는 턴 오프 동작에 따라 상기 변압기의 입력전압을 선택적으로 방전시켜 상기 정류부에 발생하는 피크 전압을 감소시켜 상기 제 1출력단에 출력하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전 장치.
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