KR20170059389A - 무선 충전기용 공진 컨버터 및 그 구현방법 - Google Patents

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Abstract

입력 전압을 공급하는 입력 전원과 연결되며, 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련된 풀브릿지 인버터, 직렬 연결된 커패시터 및 코일로 구성되는 복수 개의 공진기를 포함하여, 상기 풀브릿지 인버터로부터 상기 입력 전압을 전달받아, 복수 개의 공진기 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 공진 탱크 및 상기 공진 탱크로부터 전달받는 출력 전압을 정류하여 배터리로 전달하는 정류 브릿지를 포함하는 무선 충전기용 공진 컨버터가 개시된다.

Description

무선 충전기용 공진 컨버터 및 그 구현방법{RESONANT CONVERTER FOR WIRELESS CHARGER AND METHOD FOR IMPLEMENTING THEREOF}
본 발명은 무선 충전기용 공진 컨버터 및 그 구현방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정전류 및 정전압 충전을 실현하는 무선 충전기용 공진 컨버터 및 그 구현방법에 관한 것이다.
최근까지 전기차(EV: Electric Vehicle) 배터리를 충전하는 방법으로, 케이블을 통해 전기차와 계통을 연결하는 방식의 플러그인 충전 방법이 가장 널리 사용되고 있다. 그러나, 이러한 플러그인 충전 방법은 전기 플러그의 노출에 따른 안전 문제 등 몇몇 단점이 존재한다.
이에 무선 전력 전송(WPT: Wireless Power Transfer) 방법이 제안된 바 있다. 무선 전력 전송 방법은 와이어 연결이 불필요하고, 디바이스를 안전하게 재충전할 수 있으며, 편리하다는 장점을 가져 최근 각광받는 추세이다.
이러한 무선 전력 전송 방법으로는, 대표적으로 짧은 거리의 두 개의 공진 코일을 이용한 유도성 무선 전력 전송 시스템이 있다. 유도성 무선 전력 시스템의 토폴로지는 에어 갭이 수 짧은 경우 최대 효율을 가질 수 있다. 이와 달리, 송신단과 수신단의 거리가 늘어나면 자화 커플링(magnetic coupling)이 약해져 그 효율은 급속히 감소하게 된다. 따라서, 자화 커플링을 증가시킬 수 있는 다양한 방법들이 연구되고 있다.
예를 들면, 페라이트(ferrite)와 같은 고투자율 자성 재료(high permeability material)을 이용하는 방법이 제안된 바 있으나, 크기, 무게 및 비용을 증가시켜 전기차에 적용하기에는 부적합하다. 또는, 중간(intermediate) 코일들을 부가하여 커플링(coupling) 효율성을 향상시킨 3-코일 시스템이 제안된 바 있으나, 충전 동작에서 영 위상 각(ZPA: Zero Phase Angle) 조건을 달성할 수 없기 때문에 소프트 스위칭이 불가하다는 단점이 있으며, 소프트 스위칭 범위가 좁아 스위칭 손실이 불가피하다. 특히, 1차측 스위치 소자들의 손실은 전체적인 시스템의 효율을 저감시키는 가장 주요한 원인 중 하나이다.
한편, 충전 장치에 있어서, 정전류(CC: Constant Current) 및 정전압(Constant Voltage) 충전을 실현할 수 있는지 여부도 중요한데, 무선 충전기에 적용되는 공진 컨버터의 경우, 정전류 및 정전압 충전을 위해서는 넓은 범위의 주파수 변화가 요구된다.
정전압 충전을 위한 제어 방법으로, 예를 들면, 펄스 주파수 변조(PFM: Pulse Frequency Modulation) 방식으로 출력 전압을 제어할 수 있으나, 넓은 범위의 주파수 변화가 불가피하며, 전체 충전 동작에서 영 위상 각 조건을 만족시킬 수 없다. 또는, 위상 천이 및 PFM을 조합한 제어 방법이 제안된 바 있다. 이는 1차측 전류의 제로 크로싱(zero-crossing)을 검출하기 위한 하드웨어를 이용하여 1차측 스위치 소자들의 소프트 스위칭 조건을 달성할 수 있다. 그러나, 추력 전압을 제어하기 위한 추가 dc-dc 컨버터가 필요하므로 구현이 복잡하고 제조 비용이 증가한다는 단점이 있다.
본 발명의 일측면은 송신 공진기 및 수신 공진기 이외에 각각 중간 공진기를 포함하는 1차측 공진 탱크와 2차측 공진 탱크 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 무선 충전기용 공진 컨버터를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 영 위상 각 조건 하에서 정전류 및 정전압 충전을 실현하기 위한 2 개의 중간 공진기를 포함하는 공진 탱크를 구현하는 무선 충전기용 공진 컨버터의 구현방법을 제공한다.
본 발명의 일측면은 무선 충전기용 공진 컨버터에 있어서, 입력 전압을 공급하는 입력 전원과 연결되며, 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련된 풀브릿지 인버터, 직렬 연결된 커패시터 및 코일로 구성되는 복수 개의 공진기를 포함하여, 상기 풀브릿지 인버터로부터 상기 입력 전압을 전달받아, 복수 개의 공진기 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 공진 탱크 및 상기 공진 탱크로부터 전달받는 출력 전압을 정류하여 배터리로 전달하는 정류 브릿지를 포함한다.
한편, 상기 공진 탱크는, 상기 풀브릿지 인버터와 연결되는 제1 공진기 및 상기 제1 공진기와 연식 결합된 제1 중간 공진기를 포함하는 1차측 공진 탱크 및 상기 정류 브릿지와 연결되는 제2 공진기 및 상기 제2 공진기와 연식 결합된 제2 중간 공진기를 포함하는 2차측 공진 탱크를 포함하여 상기 1차측 공진 탱크 및 상기 2차측 공진 탱크의 4 개의 공진기 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행할 수 있다.
또한, 상기 공진 탱크는, 고정 주파수인 정전류 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 상기 정류 브릿지로 일정한 크기의 전류를 출력할 수 있다.
또한, 상기 공진 탱크는, 상기 정전류 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 달성하여 상기 풀브릿지 인버터에 마련된 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치가 소프트 스위칭 조건 하에서 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
또한, 상기 공진 탱크는, 고정 주파수인 정전압 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 상기 정류 브릿지로 일정한 크기의 전압을 출력할 수 있다.
또한, 상기 공진 탱크는, 상기 정전압 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 달성하여 상기 풀브릿지 인버터에 마련된 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치가 소프트 스위칭 조건 하에서 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면은 무선 충전기용 공진 컨버터에 있어서, 입력 전압을 공급하는 입력 전원과 연결되며, 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련된 풀브릿지 인버터, 직렬 연결된 커패시터 및 코일로 구성되는 복수 개의 공진기를 포함하여, 상기 풀브릿지 인버터로부터 상기 입력 전압을 전달받아, 복수 개의 공진기 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 공진 탱크, 상기 공진 탱크로부터 전달받는 출력 전압을 정류하여 배터리로 전달하는 정류 브릿지 및 상기 배터리의 정전류 충전을 위한 정전류 모드 및 상기 배터리의 정전압 충전을 위한 정전압 모드의 크로스 오버 주파수에서의 충분한 위상 마진을 제공할 수 있도록 상기 풀브릿지 인버터를 제어하는 제어회로를 포함한다.
한편, 상기 공진 탱크는, 상기 풀브릿지 인버터와 연결되는 제1 공진기 및 상기 제1 공진기와 연식 결합된 제1 중간 공진기를 포함하는 1차측 공진 탱크 및 상기 정류 브릿지와 연결되는 제2 공진기 및 상기 제2 공진기와 연식 결합된 제2 중간 공진기를 포함하는 2차측 공진 탱크를 포함하여 상기 1차측 공진 탱크 및 상기 2차측 공진 탱크의 4 개의 공진기 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행할 수 있다.
또한, 상기 공진 탱크는, 고정 주파수인 정전류 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 상기 정류 브릿지로 일정한 크기의 전류를 출력할 수 있다.
또한, 상기 공진 탱크는, 상기 정전류 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 달성하여 상기 풀브릿지 인버터에 마련된 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치가 소프트 스위칭 조건 하에서 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
또한, 상기 공진 탱크는, 고정 주파수인 정전압 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 상기 정류 브릿지로 일정한 크기의 전압을 출력할 수 있다.
또한, 상기 공진 탱크는, 상기 정전압 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 달성하여 상기 풀브릿지 인버터에 마련된 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치가 소프트 스위칭 조건 하에서 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
또한, 상기 제어 회로는, 상기 정전류 모드 또는 상기 정전압 모드에 따라 서로 다른 제어를 수행할 수 있도록 상기 배터리 전원과 레퍼런스 전원을 비교하여 스위칭 동작을 수행하는 모드 변경 스위치, 상기 공진 탱크가 유도성 영역에서 동작할 수 있도록 상기 풀브릿지 인버터에 마련된 스위치 소자들의 스위칭 동작을 제어하는 PI 제어기 및 상기 PI 제어기의 동작에 의해 발생하는 오버슛 및 이동 시간을 감소시키는 안티 와인드 업 회로를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면은 제1 공진기 및 상기 제1 공진기와 연식 결합된 제1 중간 공진기를 포함하는 1차측 공진 탱크와, 제2 공진기 및 상기 제2 공진기와 연식 결합된 제2 중간 공진기를 포함하는 2차측 공진 탱크 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 공진 탱크를 포함하여, 상기 1차측 공진 탱크와 연결되는 입력단의 전압을 상기 2차측 공진 탱크와 연결되는 출력단으로 전달하는 무선 충전기용 공진 컨버터의 구현방법에 있어서, 상기 제1 공진기에 포함되는 제1 코일 및 상기 제2 공진기에 포함되는 제4 코일 간의 결합 계수를 최대로 할 수 있도록 상기 제1 코일 및 상기 제4 코일의 자체 인덕턴스를 설정하고, 상기 제1 중간 공진기에 포함되는 제2 코일 및 상기 제2 중간 공진기에 포함되는 제3 코일이 각각 최대 큐 인지 값을 가질 수 있도록 상기 제2 코일 및 상기 제3 코일의 턴 수를 산출하고, 상기 제1 코일 내지 상기 제4 코일의 공진 주파수를 설정하며, 상기 제1 코일 내지 상기 제4 코일의 인덕턴스 및 상기 공진 주파수에 따라 상기 제1 코일 내지 상기 제4 코일과 각각 직렬 연결되는 제1 커패시터 내지 제4 커패시터의 커패시턴스를 산출하여 상기 공진 탱크를 구현하는 것을 포함한다.
한편, 상기 제1 공진기는 상기 입력단에 마련되며, 제1 스위치 내지 제4 스위치를 포함하여 상기 입력 전압을 상기 공진 탱크로 전달하는 풀브릿지 인버터와 연결하고, 상기 제2 공진기는 상기 출력단에 마련되며, 제1 다이오드 내지 제4 다이오드를 포함하여 상기 공진 탱크의 출력을 정류하는 정류 브릿지와 연결하는 것을 더 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면 부하의 변화와 무관하게 고정 주파수 조건 하에서 정전류 및 정전압 충전을 수행할 수 있으므로, 제어가 간단하며 충전기의 안정성을 보장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터의 개략적인 회로도이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리의 등가 임피던스를 측정한 일 예이다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터의 개략적인 등가 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터의 임피던스 네트워크를 나타난 회로도이다.
도 5 내지 도 7은 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터의 임피던스 네트워크에 테브낭 정리(Thevenin's theorem)을 적용하여 보다 간략하게 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 컨버터가 정전류 충전을 위한 정전류 모드로 동작 시 출력 전류를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 컨버터가 정전압 충전을 위한 정전압 모드로 동작 시 전압 이득을 나타낸 그래프이다.
도 10a, 도 10b, 도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터의 영 위상 각 조건 하에서 정전압 충전을 실현하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터의 개략적인 회로도이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터에서의 정전류 및 정전압 충전을 수행하는 경우 전압 이득을 나타낸 그래프이다.
도 14a 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터의 유리한 효과를 설명하기 위한 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터의 개략적인 회로도이고, 도 2는 도 1에 도시된 배터리의 등가 임피던스를 측정한 일 예이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)는 무선 충전을 지원하는 배터리 충전 장치용 컨버터로, 입력단의 전압(Udc)을 유도 전력 전송 방식으로 변환하여 배터리로 전달할 수 있으며, 이를 위해, 풀브릿지 인버터(110), 공진 탱크(120) 및 정류 브릿지(130)로 구성될 수 있다. 특히, 공진 탱크(120)는 두 개의 중간 공진기(intermediate resonator)를 포함하는 연식 결합 변압기(loosely coupled transformer)로서, 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)가 아래의 표 1과 같은 조건 하에서 동작하는 경우, 출력단에 연결된 배터리의 정전류/정전압 충전을 실현할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)의 출력단에 연결된 배터리는 충전이 진행되는 동안 도 2에 도시된 등가 임피던스를 가질 수 있다.
Parameters Symbol Value
Nominal input voltage Udc 400 V
Battery voltage Uo 250 - 420 V
Rated output power Po 6.6 kW
Nominal charging current Io 15.7 A
Cut-off current Ico 1.57A
Equivalent load impedance
Figure pat00001
 17 - 267 Ω
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)의 각 구성요소에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 풀브릿지 인버터(110)는 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)가 마련된 풀브릿지 회로를 포함하며, 이러한 풀브릿지 회로는 입력 전압(Udc)을 공급하는 입력단과 연결되어, 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)의 스위칭 동작에 따라 입력 전압(Udc)을 공진 탱크(120)로 전달할 수 있다.
구체적으로는, 풀브릿지 인버터(110)는 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)가 마련된 제1 레그, 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)가 마련된 제2 레그가 병렬 연결된 형태의 풀브릿지 회로를 포함하며, 제1 레그 및 제2 레그의 상측 접점 및 하측 접점은 각각 입력 전압(Udc)을 공급하는 입력 커패시터와 연결될 수 있다.
공진 탱크(120)는 두 개의 중간 공진기(intermediate resonator)를 포함하는 연식 결합 변압기(loosely coupled transformer)로서, 크게 1차측 공진 탱크와 2차측 공진 탱크로 나뉠 수 있다. 1차측 공진 탱크는 풀브릿지 인버터(110)와 연결되는 제1 공진기 및 제1 공진기와 연식 결합되는 제1 중간 공진기로 이루어질 수 있으며, 2차측 공진 탱크는 정류 브릿지(130)와 연결되는 제2 공진기 및 제2 공진기와 연식 결합되는 제2 중간 공진기로 이루어질 수 있다. 이러한 제1 공진기, 제2 공진기, 제1 중간 공진기 및 제2 중간 공진기는 모두 직렬-직렬 공진 탱크로 코일과 커패시터로 구성될 수 있으며, 각 코일들이 연식 결합되어 1차측 공진 탱크와 2차측 공진 탱크 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행할 수 있다. 즉, 공진 탱크(120)는 직렬-직렬 4 코일 보상 토폴로지로, 연식 결합된 4개의 코일 간의 에너지 전달을 수행할 수 있다.
구체적으로는, 1차측 공진 탱크는 풀브릿지 인버터(110)와 연결되는 제1 공진기 및 제1 공진기와 연식 결합된 제1 중간 공진기로 이루어질 수 있으며, 제1 공진기는 직렬 연결된 제1 코일(121) 및 제1 커패시터(122)를 포함하고, 제1 중간 공진기는 직렬 연결된 제2 코일(123) 및 제2 커패시터(124)를 포함할 수 있다. 제1 공진기는 풀브릿지 인버터(110)를 구성하는 두 레그를 연결하는 입력 전압선 상에 구현될 수 있는데, 제1 커패시터(122)의 일단이 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3) 사이에 연결되고, 제1 커패시터(122)의 타단은 제1 코일(121)의 일단과 연결되며, 제1 코일(121)의 타단이 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4) 사이에 연결될 수 있다. 제1 중간 공진기에 포함되는 제2 코일(123)은 제1 코일(121)과 연식 결합될 수 있다. 아울러, 제1 코일(121) 및 제2 코일(123)은 후술하는 2차측 공진 탱크에 포함되는 제3 코일(125) 및 제4 코일(127)과 연식 결합될 수 있다.
2차측 공진 탱크는 정류 브릿지(130)와 연결되는 제2 공진기 및 제2 공진기와 연식 결합된 제2 중간 공진기로 이루어질 수 있으며, 제2 중간 공진기는 직렬 연결된 제3 코일(125) 및 제3 커패시터(126)를 포함하고, 제2 공진기는 직렬 연결된 제4 코일(127) 및 제4 커패시터(128)를 포함할 수 있다. 제2 공진기는 정류 브릿지(130)를 구성하는 두 레그를 연결하는 출력 전압선 상에 구현될 수 있는데, 제4 커패시터(128)의 일단이 제1 다이오드(D1) 및 제3 다이오드(D3) 사이에 연결되고, 제4 커패시터(128)의 타단은 제4 코일(127)의 일단과 연결되며, 제4 코일(127)의 타단이 제2 다이오드(D2) 및 제4 다이오드(D4) 사이에 연결될 수 있다. 제2 중간 공진기에 포함되는 제3 코일(125)은 제4 코일(127)과 연식 결합될 수 있다. 아울러, 제3 코일(125) 및 제4 코일(127)은 1차측 공진 탱크에 포함되는 제1 코일(121) 및 제2 코일(123)과 연식 결합될 수 있다.
이처럼, 공진 탱크(120)는 직렬 연결된 커패시터 및 코일로 이루어지는 공진 탱크가 각각 1차측 및 2차측의 양측에 마련되며, 아울러, 1차측 및 2차측의 양측에 마련된 공진 탱크와 연식 결합되는 2개의 중간 공진기를 더 포함하는 형태일 수 있다. 이와 같은 공진 탱크(120)의 기본 특징을, 도 3 및 도 4를 참조하여 일차 고조파 근사(FHA: First Harmonic Approximation)에 기반하여 간략하게 설명하기로 한다. 이하의 설명에서 참조하는 수학식들에서, u1(t)는 공진 탱크(120)의 사각 파 입력 전압의 기본 고조파 전압, Udc는 입력 전압, ω 는 공진 탱크(120)의 동작 주파수, i1(t)는 공진 탱크(120)의 사각 파 입력 전류의 기본 고조파 전류, u4(t)는 공진 탱크(120)의 사각 파 출력 전압의 기본 고조파 전압, i4(t)는 공진 탱크(120)의 사각 파 출력 전류의 기본 고조파 전류, I1 내지 I4는 각각 제1 코일(121) 내지 제4 코일(127)에 흐르는 전류, Io는 출력 전류, RL,eq는 정전류/정전압 충전 동안 배터리의 충전 상태를 고려한 등가 부하 저항, nf21은 제1 코일(121) 및 제2 코일(123)의 공진 주파수의 비율(f2/f1), L1, L2, L3 및 L4는 각각 제1 코일(121) 내지 제4 코일(127)의 자체 인덕턴스, k12, k13, k14, k23, k24 및 k34는 각각 도 3에 도시된 두 코일 간의 결합 계수(coupling coefficient), Zpri 및 Zse는 각각 1차측 공진 탱크 및 2차측 공진 탱크의 임피던스, Zmag는 1차측 공진 탱크 및 2차측 공진 탱크 간의 상호 임피던스를 의미한다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터의 개략적인 등가 회로도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터의 임피던스 네트워크를 나타난 회로도이다.
먼저, 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)의 일차 고조파(하모닉) 근사(FHA) 모델의 모든 고차 하모닉을 무시하는 경우, 도 3과 같은 등가 회로를 획득할 수 있다. 도 3에 도시된 무선 충전기용 공진 컨버터(100)의 일차 하모닉 근사 모델로부터 아래의 수학식 1을 획득할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00002
또한, 도 3에 도시된 무선 충전기용 공진 컨버터(100)의 일차 하모닉 근사 모델에 키르히호프 전압 법칙(Kirchhoff;s voltage law)을 적용하면, 아래의 수학식 2와 같은 전압 식을 획득할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00003
여기에서, 설명의 편의를 위해 1차측 공진 탱크 및 2차측 공진 탱크의 파라미터들이 동일하다고 가정하면, 즉, L1=L4, L2=L3, k12=k34 및 k13=k24라고 가정하면, 각 코일의 공진 주파수는
Figure pat00004
일 수 있으며, 대부분의 전압은 각 코일의 인덕턴스에 적용되므로 각 코일의 저항값은 무시하여도 무방하다. 그 결과 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)를 도 4와 같이 2-포트 임피던스 네트워크로 나타낼 수 있으며, 이때, 두 폐쇄 회로의 전압 식은 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00005
수학식 3에서 Zmag는 1차측 공진 탱크와 2차측 공진 탱크 간의 유효 자화 임피턴스, Zpri 및 Zse는 각각 1차측 공진 탱크 및 2차측 공진 탱크의 임피던스를 나타내고, 이때, 1차측 공진 탱크 및 2차측 공진 탱크의 임피던스 및 1차측 공진 탱크와 2차측 공진 탱크 간의 유효 자화 임피턴스는 아래의 수학식 4와 같이 산출될 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00006
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)는 이러한 공진 탱크(120)에 의해 출력단에 연결되는 배터리의 정전류 및 정전압 충전을 실현할 수 있는데, 이를 위한 공진 탱크(120)의 구현방법에 대하여 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
다시 도 1을 참조하면, 정류 브릿지(130)는 제1 다이오드(D1) 내지 제4 다이오드(D4)가 마련된 풀브릿지 회로를 포함하며, 이러한 풀브릿지 회로는 출력단과 연결되어, 제1 다이오드(D1) 내지 제4 다이오드(D4)에 의해 공진 탱크(120)로부터 전달 받는 에너지를 정류하여 배터리(Rb, Cb)로 전달할 수 있다.
구체적으로는, 정류 브릿지(130)는 제1 다이오드(D1) 및 제3 다이오드(D3)가 마련된 제3 레그, 제2 다이오드(D2) 및 제4 다이오드(D4)가 마련된 제4 레그가 병렬 연결된 형태의 풀브릿지 회로를 포함하며, 제3 레그 및 제4 레그의 상측 접점 및 하측 접점은 각각 배터리와 병렬 연결되는 출력 커패시터와 연결될 수 있다.
이하에서는, 도 5 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)에서의 정전류 및 정전압 충전을 실현하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 5 내지 도 7은 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터의 임피던스 네트워크에 테브낭 정리(Thevenin's theorem)을 적용하여 보다 간략하게 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 컨버터가 정전류 충전을 위한 정전류 모드로 동작 시 출력 전류를 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 컨버터가 정전압 충전을 위한 정전압 모드로 동작 시 전압 이득을 나타낸 그래프이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)는 출력단에 연결되는 배터리의 정전류 및 정전압 충전을 실현할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)는 전류원 및 전압원으로의 동작이 가능한데, 이러한 동작 특성을 갖기 위해서는 공진 탱크(120)를 적절하게 구현하여야 한다. 이하의 설명에서 참조하는 수학식들에서, u1(t)는 공진 탱크(120)의 사각 파 입력 전압의 기본 고조파 전압, Udc는 입력 전압, ω 는 공진 탱크(120)의 동작 주파수, i1(t)는 공진 탱크(120)의 사각 파 입력 전류의 기본 고조파 전류, u4(t)는 공진 탱크(120)의 사각 파 출력 전압의 기본 고조파 전압, i4(t)는 공진 탱크(120)의 사각 파 출력 전류의 기본 고조파 전류, I1 내지 I4는 각각 제1 코일(121) 내지 제4 코일(127)에 흐르는 전류, Io는 출력 전류, RL,eq는 정전류/정전압 충전 동안 배터리의 충전 상태를 고려한 등가 부하 저항, nf21은 제1 코일(121) 및 제2 코일(123)의 공진 주파수의 비율(f2/f1), L1, L2, L3 및 L4는 각각 제1 코일(121) 내지 제4 코일(127)의 자체 인덕턴스, k12, k13, k14, k23, k24 및 k34는 각각 도 3에 도시된 두 코일 간의 결합 계수(coupling coefficient), Zpri 및 Zse는 각각 1차측 공진 탱크 및 2차측 공진 탱크의 임피던스, Zmag는 1차측 공진 탱크 및 2차측 공진 탱크 간의 상호 임피던스, Zin은 공진 탱크(120)의 입력 임피던스,
Figure pat00007
, ZTH,
Figure pat00008
및
Figure pat00009
는 각각 테브낭 전압, 테브낭 임피던스, 테브낭 전류 및 출력 전압을 의미한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터의 임피던스 네트워크는 2-포트 임피던스 네트워크로 나타낼 수 있으며, 이러한 2-포트 임피던스 네트워크에 테브낭 정리를 적용하면 도 5와 같이 더욱 간략하게 나타낼 수 있다. 도 5와 같은 테브낭 등가 회로를 구현하기 위한 수학식은 아래의 수학식 5 내지 8과 같다.
[수학식 5]
Figure pat00010
[수학식 6]
Figure pat00011
[수학식 7]
Figure pat00012
[수학식 8]
Figure pat00013
여기에서, 수학식 7 및 8에 따르면, 테브낭 전류(
Figure pat00014
) 및 출력 전압(
Figure pat00015
) 을 부하 저항 RL,eq과 무관하게 일정하도록 제어함으로써 정전류 충전을 실현할 수 있음을 확인할 수 있다.
구체적으로는, 먼저, 수학식 7을 참조하면, 테브낭 전류(
Figure pat00016
)는 테브낭 임피던스(ZTH)가 부하 저항(RL,eq)보다 충분히 큰 값을 갖는 경우, 일정한 값을 가질 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 수학식 7을 참조하면, 아래의 수학식 9와 같이 동작 주파수에서 1차측 공진 탱크의 임피던스(Zpri)가 0이 되는 경우, 테브낭 전류(
Figure pat00017
)는 부하 저항의 크기와 무관하게 일정한 값을 가질 수 있다.
[수학식 9]
Figure pat00018
이와 같은 경우, 수학식 5 및 6에 따르면, 테브낭 임피던스(ZTH) 및 테브낭 전압(
Figure pat00019
)이 무한대가 되므로, 도 5의 회로는 도 6과 같이 나타낼 수 있으며, 도 6을 참조하면, 정전류 충전의 실현이 가능함을 확인할 수 있다.
도 8을 참조하면, 다양한 부하 조건 하에서 동작 주파수의 변화에 따른 출력 전류의 변화를 확인할 수 있는데, 50kHz의 정전류 주파수(fCC) 조건 하에서 동작하는 경우, 부하 조건과 무관하게 15.7A의 정전류를 출력함을 확인할 수 있다.
이에 더하여, 상술한 수학식 4에 따르면, 1차측 공진 탱크의 임피던스와 2차측 공진 탱크의 임피던스가 동일한 값을 가지므로(Zpri=Zse), 아래의 수학식 10과 같이 입력 임피던스(Zin)는 실수(real number)만으로 나타낼 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)는 정전류 충전을 위한 정전류 모드로 동작 시 영 위상 각(ZPA: Zero Phase Angle) 조건을 달성할 수 있음을 확인할 수 있다. 아울러, 도 8을 참조하면, 정전류 주파수 조건 하에서 입력 임피던스의 위상이 0이 됨을 확인할 수 있다.
[수학식 10]
Figure pat00020
Figure pat00021
한편, 수학식 8로부터, 도 9와 같이 다양한 부하 조건 하에서 동작 주파수의 변화에 따른 전압 이득의 변화를 확인할 수 있다. 수학식 8 및 도 7에 따르면, 테브낭 임피던스(ZTH)가 0인 경우, 부하 조건과 무관하게 출력 전압이 일정함을 확인할 수 있다. 또한, 도 9에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 컨버터(100)는 2 가지의 서로 다른 정전압 모드 주파수(fCV1, fCV2) 조건 하에서 동작 시 정전압 충전을 실현할 수 있음을 확인할 수 있다.
구체적으로는, 수학식 6에 따르면, 공진 주파수 조건 하에서 Z 2 pri - Z 2 mag = 0 인 경우, 테브낭 임피던스(ZTH)는 0으로 산출됨을 확인할 수 있다. 이와 같은 경우, 도 7과 같이 출력 전압(
Figure pat00022
)은 테브낭 전압(
Figure pat00023
)과 같아지므로, 정전압 충전을 실현할 수 있다. 이때, 수학식 10에 따르면, 입력 임피던스(Zin) 및 그 위상은 아래의 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 11]
Figure pat00024
수학식 11을 참조하면, 부하가 변하는 경우, 입력 임피던스의 위상 또한 변함을 확인할 수 있다. 따라서, 종래의 컨버터와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)가 정전압 충전을 실현하기 위한 정전압 모드로 동작 시, 영 위상 각(ZPA) 조건을 달성할 수 없는 것처럼 보여질 수 있으나, 1차측 공진 탱크와 2차측 공진 탱크 간의 유효 자화 임피턴스(Zmag)가 매우 큰 값을 갖도록 구현함으로써 정전압 모드로 동작 시에도 영 위상 각 조건을 달성할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)는 종래의 무선 충전기용 컨버터의 토폴로지와는 달리 공진 탱크(120)에 두 개의 중간 공진기를 더 포함함으로써 1차측 공진 탱크와 2차측 공진 탱크 간의 유효 자화 임피던스의 값을 크게 할 수 있으며, 이에 따라, 정전압 모드로 동작 시 영 위상 각 조건을 달성할 수 있다. 이와 관련하여 도 10a, 도 10b, 도 11a 및 도 11b를 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 10a 내지 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터의 영 위상 각 조건 하에서 정전압 충전을 실현하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)는 풀브릿지 인버터(110), 공진 탱크(120) 및 정류 브릿지(130)로 이루어질 수 있으며, 이러한 컨버터의 구성에 따르면, 시스템의 전체적인 효율은 풀브릿지 인버터(110)에 마련된 스위치 소자들의 스위칭 손실 및 공진 탱크(120)에서의 전력 전송 효율에 따라 결정될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)가 높은 효율을 갖기 위해서는 풀브릿지 인버터(110)에 마련된 스위치 소자들의 소프트 스위칭을 위한 영 위상 각 조건을 만족할 수 있도록 구현되는 것이 바람직하다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)는 정전류 충전을 위한 정전류 모드로 동작 시, 수학식 10과 같이 입력 임피던스(Zin)는 실수(real number)로 나타낼 수 있으므로, 영 위상 각 조건 또한 자연스럽게 달성할 수 있다.
반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)가 정전압 충전을 위한 정전압 모드로 동작 시, 영 위상 각 조건을 달성하기 위해서는 아래의 수학식 12와 같은 조건을 만족하여야 한다.
[수학식 12]
Figure pat00025
수학식 12에 따르면, 공진 탱크(120)의 구현 시, 1차측 공진 탱크의 임피던스(Zpri)와 1차측 공진 탱크와 2차측 공진 탱크 간의 유효 자화 임피던스(Zmag)가
Figure pat00026
또는
Figure pat00027
를 만족하도록 구현됨이 바람직함을 확인할 수 있다.
구체적으로는, 먼저, 공진 탱크(120)가
Figure pat00028
를 만족하도록 구현되는 경우, 수학식 4 및 12에 따르면 아래의 수학식 13이 도출될 수 있다.
[수학식 13]
Figure pat00029
수학식 13에 따르면, 제1 코일(121) 및 제2 코일(123) 간의 공진 주파수 비(ratio)는 아래의 수학식 14와 같이 산출될 수 있다.
[수학식 14]
Figure pat00030
여기에서, 제1 코일(121) 및 제2 코일(123) 간의 공진 주파수 비(ratio)가 수학식 14를 만족하도록 구현되는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)가 정전압 모드로 동작 시 영 위상 각 조건을 달성할 수 있다. 이는, 풀브릿지 인버터(110)에 마련된 스위치 소자들이 정전압 모드로 동작 시 소프트 스위칭 조건을 달성할 수 있음을 의미한다.
또한, 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 공진 탱크(120)가 수학식 11에 따라 구현되는 경우, 서로 다른 부하 조건 하에서의 입력 임피던스(Zin)의 위상 및 유효 자화 임피던스(Zmag )의 크기를 확인할 수 있다. 도 10a에 따르면, 제2 정전압 주파수(fCV2)에서 영 위상 각 조건을 달성할 수 있음을 확인할 수 있는데, 이는 유효 자화 임피던스(Zmag)의 값이 매우 크고, 이에 따라 입력 임피던스(Zin)의 값이 부하 조건과는 무관하게 거의 0에 가깝기 때문이다. 하지만 이와 달리 도 10b에 따르면, 제1 정전압 주파수(fCV1)에서는 유효 자화 임피던스(Zmag)의 값이 매우 작으므로, 영 위상 값 조건을 달성할 수 없다.
한편, 공진 탱크(120)가
Figure pat00031
를 만족하도록 구현되는 경우, 수학식 13에 따르면, 제1 코일(121) 및 제2 코일(123) 간의 공진 주파수 비(ratio)는 아래의 수학식 15와 같이 산출될 수 있다.
[수학식 15]
Figure pat00032
또한, 도 11a 및 도 11b를 참조하면, 공진 탱크(120)가 수학식 15에 따라 구현되는 경우, 서로 다른 부하 조건 하에서의 입력 임피던스(Zin)의 위상 및 유효 자화 임피던스(Zmag)의 크기를 확인할 수 있다. 이때, 도 10a와는 달리, 제1 정전압 주파수(fCV1)에서 유효 자화 임피던스(Zmag)의 값이 매우 큰 값을 갖기 때문에, 제1 정전압 주파수(fCV1)에서 영 위상 각 조건을 달성할 수 있음을 확인할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)는 공진 탱크(120)가 수학식 15를 만족하도록 구현되어 제1 정전압 주파수(fCV1) 조건 하에서 동작하는 경우, 또는 공진 탱크(120)가 수학식 14를 만족하도록 구현되어 제2 정전압 주파수(fCV2) 조건 하에서 동작하는 경우, 영 위상 각 조건 하에서의 정전압 충전을 실현할 수 있다. 이때, 도 10b 및 도 11b를 참조하여, 정전류 주파수(fCC)와 영 위상 각 조건 하에서의 정전압 충전을 가능하게 하는 제2 정전압 주파수(fCV2) 또는 제1 정전압 주파수(fcv1)의 차이를 비교하면, 도 10b와 같이 공진 탱크(120)가 수학식 14를 만족하도록 구현되어 제2 정전압 주파수(fCV2)조건 하에서 동작하는 경우 그 차이가 적음을 확인할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)는 영 위상 각 조건 하에서의 정전압 충전을 실현하기 위해서는, 제1 코일(121) 및 제2 코일(123)간의 공진 주파수 비(nf21)을 수학식 14를 만족하도록 설계하고, 제2 정전압 주파수(fCV2)에 따라 동작하는 것이 바람직하다.
이하에서는, 정전류 및 정전압 충전을 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)의 구현방법에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)는 상술한 바와 같이 풀브릿지 인버터(110), 공진 탱크(120) 및 정류 브릿지(130)로 구성되는데, 출력단에 연결되는 배터리를 정전류 및 정전압 방식으로 충전하기 위해서는 소정의 조건을 만족하도록 공진 탱크(120)를 구현하여야 한다. 이에, 정전류 및 정전압 충전을 실현하기 위한 공진 탱크(120)의 구현방법에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다. 이하의 설명에서는, 공진 탱크(120)에 포함되는 코일들은 플레이너 스파이럴 코일(planar spiral coil)로 구현된 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 이는 직사각형 코일 또는 정사각형 코일에 비해 자화 결합을 높게 하기 때문이다.
공진 탱크(120)는 상술한 바와 같이 1차측 및 2차측에 각각 중간 공진기를 포함하여 총 4개의 공진기로 이루어지며, 이러한 4개의 공진기의 구현 방법으로는 먼저 송신단 및 수신단에 마련된 코일들, 즉, 제1 코일(121) 및 제4 코일(127)의 자체 인덕턴스(self-inductance)를 설정할 수 있다.
이를 위해, 다음과 같은 제한 조건에 기반하여, try-and-error 방법으로 코일의 최적 턴 수를 산출할 수 있다.
먼저, 일반적으로 유도 전력 전송 방식에 있어서, 송신 코일의 지름(diameter)은 에어 갭(airgap) 거리의 4배보다 적게 설정되는 것이 바람직한데, 이러한 제한 사항에 기반하여 코일의 최적 턴 수를 산출할 수 있다.
또한, 전력 효율을 높이기 위해서는 코일 간의 높은 자화 결합(magnetic coupling)이 요구되며, 따라서, 공진기들은 높은 결합 계수(coupling coefficient)를 갖도록 설계되어야 한다. 아울러, 코일의 저항에 의해 발생하는 전도 손실(conduction loss)을 감소시키기 위해서는 큰 큐 인자(quality factor)를 갖도록 설계되는 것이 바람직하다.
또한, 송신 코일과 수신 코일은 아래의 수학식 19를 고려하여 설계되어야 함은 물론이다.
[수학식 19]
Figure pat00033
이와 같은 송신 코일과 수신 코일의 설계 시 제한 조건들에 기반하여, 제1 코일(121)과 제4 코일(127), 즉, 송신 코일과 수신 코일의 턴 수를 산출하는 과정을 반복함으로써, 송신 코일과 수신 코일 간의 결합 계수를 최대로 할 수 있는 최적의 턴 수를 산출할 수 있으며, 이를 이용하여 제1 코일(121) 및 제4 코일(127)의 자체 인덕턴스를 산출할 수 있다.
그 다음으로는, 중간 공진기의 코일들, 즉, 제2 코일(123) 및 제3 코일(125)의 자체 인덕턴스를 설정할 수 있다. 중간 공진기의 코일들의 전도 손실을 최소화 하기 위해서는 그 큐 인자가 500~600으로 설정되는 것이 바람직하다. 따라서, 중간 공진기의 코일들이 최대 큐 인자 값을 가질 수 있도록 try-and-error 방식으로 중간 공진기의 코일들의 최적의 턴 수를 산출할 수 있으며, 이를 이용하여 제2 코일(123) 및 제3 코일(125)의 자체 인덕턴스를 산출할 수 있다. 이때, 아래의 수학식 20및 21을 이용할 수 있다.
[수학식 20]
Figure pat00034
[수학식 21]
Figure pat00035
수학식 20 및 21에서, r2 및 r3은 제2 코일(123) 및 제3 코일(125)각각의 AC 저항을 나타내고, Q2 및 Q3은 각각 제2 코일(123) 및 제3 코일(125)의 큐 인자를 나타낸다.
그 다음으로는, 송신 코일과 중간 공진기의 코일들의 공진 주파수를 설정할 수 있다. 공진 탱크(120)가 정전류 모드로 동작할 때, 송신 코일인 제1 코일(121)의 공진 주파수는 f 1 =
Figure pat00036
로 산출될 수 있다. 이때, 유효 자화 임피던스, 즉, 1차측 공진 탱크 및 2차측 공진 탱크 간의 유효 자화 임피던스는 수학식 1 및 9로부터 아래의 수학식 22와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 22]
Figure pat00037
이때, 수학식 4를 수학식 22에 적용하면 아래의 수학식 23을 획득할 수 있다.
[수학식 23]
Figure pat00038
또한, 도 8에 따르면, 정전류 주파수는 50kHz로 설정될 수 있으므로, 수학식 23에서의 송신 코일의 공진 주파수 f1은 수치 계산법(numerical method)에 의해 산출될 수 있다. 이후, 중간 코일의 공진 주파수 f2는 아래의 수학식 25와 같이 제1 코일(121) 및 제2 코일(123)의 공진 주파수의 비율(nf21)에 따라 계산될 수 있다.
[수학식 25]
Figure pat00039
마지막으로, 4개의 공진기들에 포함되는 4개의 코일의 인덕턴스 및 공진 주파수를 설정하면, 이를 이용하여 4개의 공진기들에 포함되는 공진 커패시터들의 커패시턴스를 아래의 수학식 26과 같이 산출할 수 있다.
[수학식 26]
Figure pat00040
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)는 이와 같은 구현방법에 따라 구현되는 경우, 각각 고정 주파수 조건 하에서의 정전류 및 정전압 충전을 실현할 수 있으며, 정전류 및 정전압 충전 시 영 위상 각 조건을 달성하여 1차측 스위치 소자들의 소프트 스위칭 조건을 달성할 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 다른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)가 이와 같은 특성을 갖기 위해서는 전위(front-end) PFC 컨버터의 출력 전압이 항상 일정하다는 전제 조건이 필요하다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)는 전위 PFC 컨버터의 출력 전압이 일정하지 않은 경우, 공진 동작에 있어서 편차가 발생하여 위와 갖은 특성을 갖기 어렵다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)는 AC 입력 전압의 변화와 무관하게 영 위상 각 조건 하에서의 정전류 및 정전압 충전을 실현하기 위해서는, 폐쇄(closed-loop) 제어 회로가 부가될 필요가 있다. 이와 관련하여, 도 12, 도 13a 및 도 13b를 참조하여 설명하기로 한다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터의 개략적인 회로도이고, 도 13a 및 도 13b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터에서의 정전류 및 정전압 충전을 수행하는 경우 전압 이득을 나타낸 그래프이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100')는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)와 같이 무선 충전을 지원하는 배터리 충전 장치용 컨버터로, 입력단의 전압(Udc)을 유도 전력 전송 방식으로 변환하여 배터리로 전달할 수 있으며, 이를 위해, 풀브릿지 인버터(100'), 공진 탱크(200') 및 정류 브릿지(300')로 구성될 수 있다. 이에 더하여, 본 발명의 다른 실시예에 다른 무선 충전기용 공진 컨버터(100')는 모드 변경 스위치(140'), PI 제어기(150'), 안티 와인드 업 회로(160') 및 전압 제어 오실레이터(VCO)로 구성되는 제어 회로를 더 포함할 수 있다. 이러한 제어 회로는 상술한 바와 같이 전위(front-end) PFC 컨버터의 출력 전압의 변화와 무관하게 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100')가 영 위상 각 조건 하에서의 정전류 및 정전압 충전을 실현할 수 있도록 제어할 수 있다. 이하, 도 12에 도시된 풀브릿지 인버터(100'), 공진 탱크(200') 및 정류 브릿지(300')의 구성은 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)에 포함되는 각 구성요소들과 동일한 특징을 가지므로 반복되는 설명은 생략하며, 제어 회로에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
모드 변경 스위치(140')는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)의 정전류 또는 정전압 동작 모드에 따라 스위치를 제어할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100')는 출력단의 배터리를 일정한 전류로 충전하기 위한 정전류 모드 또는 배터리를 일정한 전압으로 충전하기 위한 정전압 모드 중 어느 하나의 모드에 따라 동작할 수 있는데, 제어 회로는 이러한 정전류 모드 및 정전압 모드에 따라 서로 다른 제어를 수행할 수 있다. 따라서, 모드 변경 스위치(140')는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100')가 정전류 모드로 동작 시, 배터리 전원과 레퍼런스 전류의 비교기를 PI 제어기(150')와 연결시키고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100')가 정전압 모드로 동작 시, 배터리 전원과 레퍼런스 전압의 비교기를 PI 제어기(150')와 연결시킬 수 있다.
PI 제어기(150')는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100')가 최대 부하(6.6kW) 조건 하에서의 피크 전압의 주파수 보다 낮은 주파수에서 동작하는 것을 방지할 수 있다. 이러한 PI 제어기(150')의 동작에 의해, 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100')는 항상 유도성 영역에서 동작할 수 있다.
안티 와인드 업 회로(160')는 PI 제어기(150')의 동작에 의해 발생하는 오버슛(overshoot) 및 이동 시간(transient time)을 감소시킬 수 있다.
이와 같은 제어 회로의 구동방법에 대하여 간략히 설명하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100')는 출력단에 연결된 배터리의 전압이 최대 충전 전압, 일예로 420V에 도달할 때까지 정전류 충전을 수행할 수 있다. 이에 제어 회로 또한 모드 변경 스위치(140')의 스위칭 동작에 따라 정전류 모드로 동작할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100')는 출력단에 연결된 배터리의 전압이 최대 충전 전압에 도달하면 정전압 충전을 수행할 수 있으며, 이때, 제어 회로 또한 모드 변경 스위치(140')의 스위칭 동작에 따라 정전압 모드로 자동 전환되어 동작할 수 있다.
이러한 제어 회로의 동작 특성을 확인하기 위해, 도 13a 및 도 13b와 같이 PSIM ac sweep function을 이용하여 각 동작 모드에서의 개방 회로 전달 함수를 획득하였다. 도 13a 및 도 13b를 참조하면 각각 서로 다른 부하 조건 하에서의 전류 및 전압 제어의 bode plot을 확인할 수 있다. 도 13a 및 도 13b에 따르면 제어 각 동작 모드에서 크로스 오버 주파수에서의 충분한 위상 마진을 제공할 수 있도록 풀브릿지 인버터(100')에 마련된 스위치 소자들의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 예를 들면, 도 13a에 도시된 바와 같이 제어 회로는 정전류 모드로 동작 시 850Hz 및 60°의 대역폭 및 위상 마진을 제공할 수 있다.
[수학식 27]
Figure pat00041
또는, 도 13b에 도시된 바와 같이 제어 회로는 정전압 모드로 동작 시 100Hz 및 90°의 대역폭 및 위상 마진을 제공할 수 있다.
[수학식 28]
Figure pat00042
이하에서는, 도 14a 내지 도 16을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)의 유리한 효과를 검증하기로 한다.
도 14a 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터의 유리한 효과를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)의 유리한 효과를 확인하기 위해 아래 표 2와 같은 사양의 컨버터를 설계하였으며, 각 소자에 흐르는 전류 및 각 소자에 걸리는 전압을 측정하는 실험을 수행하였고 그 결과는 도 14a, 도 14b, 도 15a 및 도 15b와 같다. 이때, 공진 탱크(120)의 1차측 및 2차측의 에어갭(airgap)은 200mm로 설정하였는데, 이는 일반적인 차량의 조립 거리(mounting distance)가 150~300mm이기 때문이다.
Parameters Designed Par. Measured Par.
Self inductance L 1 132 μH 132.4 μH
Self inductance L 2 80 μH 79.7 μH
Self inductance L 3 98 μH 98.3 μH
Self inductance L 4 135 μH 135.6 μH
Resonance Cap C 1 56.78 nF 56.76 nF
Resonance Cap C 2 75.1 nF 75.76 nF
Resonance Cap C 3 64.15 nF 64.12 nF
Resonance Cap C 4 54.54 nF 54.51 nF
도 14a 및 도 14b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)가 각각 6.6kW 및 3.3kW의 출력 전력의 정전류 모드 및 정전압 모드로 동작 시 풀브릿지 인버터(110)에 마련된 제4 스위치(S4)는 영전압 스위칭 조건 하에서 턴온 동작을 수행하고, 영전류 스위칭 조건 하에서 턴오프 동작을 수행함을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)는 풀브릿지 인버터(110)에 마련된 스위치 소자들의 소프트 스위칭 조건 하에서의 스위칭 동작이 가능하여 전체적인 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 15a 및 도 15b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)가 정전류 모드로 동작 시, 3.9kW에서 4.8kW로의 전력 레퍼런스의 변화 및 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)가 정전압 모드로 동작 시, 3.9kW에서 2.9kW로의 전류 레퍼런스의 변화를 확인할 수 있는데, 여기에서, 그 전이 시간(transition time)이 각각 16msec 및 20msec로 측정되었으며, 이는 배터리 충전 장치로서의 구현되기에 적합함을 의미한다.
마지막으로, 도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전기용 공진 컨버터(100)가 정전류 모드 및 정전압 모드로 충전 동작을 수행하는 경우, 효율을 확인할 수 있으며, 이때, 정전압 모드로 동작 시 3.7kW의 출력 전력에서 97.08%의 최대 효율을 갖고, 정전류 모드로 동작 시 6.1kW의 출력 전력에서 96.39%의 최대 효율을 가짐을 확인할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 무선 충전기용 공진 컨버터
110: 풀브릿지 인버터
120: 공진 탱크
130: 정류 브릿지

Claims (15)

  1. 입력 전압을 공급하는 입력 전원과 연결되며, 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련된 풀브릿지 인버터;
    직렬 연결된 커패시터 및 코일로 구성되는 복수 개의 공진기를 포함하여, 상기 풀브릿지 인버터로부터 상기 입력 전압을 전달받아, 복수 개의 공진기 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 공진 탱크; 및
    상기 공진 탱크로부터 전달받는 출력 전압을 정류하여 배터리로 전달하는 정류 브릿지를 포함하는 무선 충전기용 공진 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공진 탱크는,
    상기 풀브릿지 인버터와 연결되는 제1 공진기 및 상기 제1 공진기와 연식 결합된 제1 중간 공진기를 포함하는 1차측 공진 탱크 및 상기 정류 브릿지와 연결되는 제2 공진기 및 상기 제2 공진기와 연식 결합된 제2 중간 공진기를 포함하는 2차측 공진 탱크를 포함하여 상기 1차측 공진 탱크 및 상기 2차측 공진 탱크의 4 개의 공진기 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 무선 충전기용 공진 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공진 탱크는,
    고정 주파수인 정전류 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 상기 정류 브릿지로 일정한 크기의 전류를 출력하는 무선 충전기용 공진 컨버터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공진 탱크는,
    상기 정전류 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 달성하여 상기 풀브릿지 인버터에 마련된 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치가 소프트 스위칭 조건 하에서 스위칭 동작을 수행하는 무선 충전기용 공진 컨버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공진 탱크는,
    고정 주파수인 정전압 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 상기 정류 브릿지로 일정한 크기의 전압을 출력하는 무선 충전기용 공진 컨버터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 공진 탱크는,
    상기 정전압 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 달성하여 상기 풀브릿지 인버터에 마련된 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치가 소프트 스위칭 조건 하에서 스위칭 동작을 수행하는 무선 충전기용 공진 컨버터.
  7. 입력 전압을 공급하는 입력 전원과 연결되며, 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련된 풀브릿지 인버터;
    직렬 연결된 커패시터 및 코일로 구성되는 복수 개의 공진기를 포함하여, 상기 풀브릿지 인버터로부터 상기 입력 전압을 전달받아, 복수 개의 공진기 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 공진 탱크;
    상기 공진 탱크로부터 전달받는 출력 전압을 정류하여 배터리로 전달하는 정류 브릿지; 및
    상기 배터리의 정전류 충전을 위한 정전류 모드 및 상기 배터리의 정전압 충전을 위한 정전압 모드의 크로스 오버 주파수에서의 충분한 위상 마진을 제공할 수 있도록 상기 풀브릿지 인버터를 제어하는 제어회로를 포함하는 무선 충전기용 공진 컨버터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 공진 탱크는,
    상기 풀브릿지 인버터와 연결되는 제1 공진기 및 상기 제1 공진기와 연식 결합된 제1 중간 공진기를 포함하는 1차측 공진 탱크 및 상기 정류 브릿지와 연결되는 제2 공진기 및 상기 제2 공진기와 연식 결합된 제2 중간 공진기를 포함하는 2차측 공진 탱크를 포함하여 상기 1차측 공진 탱크 및 상기 2차측 공진 탱크의 4 개의 공진기 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 무선 충전기용 공진 컨버터.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 공진 탱크는,
    고정 주파수인 정전류 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 상기 정류 브릿지로 일정한 크기의 전류를 출력하는 무선 충전기용 공진 컨버터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 공진 탱크는,
    상기 정전류 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 달성하여 상기 풀브릿지 인버터에 마련된 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치가 소프트 스위칭 조건 하에서 스위칭 동작을 수행하는 무선 충전기용 공진 컨버터.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 공진 탱크는,
    고정 주파수인 정전압 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 상기 정류 브릿지로 일정한 크기의 전압을 출력하는 무선 충전기용 공진 컨버터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 공진 탱크는,
    상기 정전압 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 달성하여 상기 풀브릿지 인버터에 마련된 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치가 소프트 스위칭 조건 하에서 스위칭 동작을 수행하는 무선 충전기용 공진 컨버터.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    상기 정전류 모드 또는 상기 정전압 모드에 따라 서로 다른 제어를 수행할 수 있도록 상기 배터리 전원과 레퍼런스 전원을 비교하여 스위칭 동작을 수행하는 모드 변경 스위치;
    상기 공진 탱크가 유도성 영역에서 동작할 수 있도록 상기 풀브릿지 인버터에 마련된 스위치 소자들의 스위칭 동작을 제어하는 PI 제어기; 및
    상기 PI 제어기의 동작에 의해 발생하는 오버슛 및 이동 시간을 감소시키는 안티 와인드 업 회로를 포함하는 무선 충전기용 공진 컨버터.
  14. 제1 공진기 및 상기 제1 공진기와 연식 결합된 제1 중간 공진기를 포함하는 1차측 공진 탱크와, 제2 공진기 및 상기 제2 공진기와 연식 결합된 제2 중간 공진기를 포함하는 2차측 공진 탱크 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 공진 탱크를 포함하여, 상기 1차측 공진 탱크와 연결되는 입력단의 전압을 상기 2차측 공진 탱크와 연결되는 출력단으로 전달하는 무선 충전기용 공진 컨버터의 구현방법에 있어서,
    상기 제1 공진기에 포함되는 제1 코일 및 상기 제2 공진기에 포함되는 제4 코일 간의 결합 계수를 최대로 할 수 있도록 상기 제1 코일 및 상기 제4 코일의 자체 인덕턴스를 설정하고,
    상기 제1 중간 공진기에 포함되는 제2 코일 및 상기 제2 중간 공진기에 포함되는 제3 코일이 각각 최대 큐 인지 값을 가질 수 있도록 상기 제2 코일 및 상기 제3 코일의 턴 수를 산출하고,
    상기 제1 코일 내지 상기 제4 코일의 공진 주파수를 설정하며,
    상기 제1 코일 내지 상기 제4 코일의 인덕턴스 및 상기 공진 주파수에 따라 상기 제1 코일 내지 상기 제4 코일과 각각 직렬 연결되는 제1 커패시터 내지 제4 커패시터의 커패시턴스를 산출하여 상기 공진 탱크를 구현하는 것을 포함하는 무선 충전기용 공진 컨버터의 구현방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 공진기는 상기 입력단에 마련되며, 제1 스위치 내지 제4 스위치를 포함하여 상기 입력 전압을 상기 공진 탱크로 전달하는 풀브릿지 인버터와 연결하고,
    상기 제2 공진기는 상기 출력단에 마련되며, 제1 다이오드 내지 제4 다이오드를 포함하여 상기 공진 탱크의 출력을 정류하는 정류 브릿지와 연결하는 것을 더 포함하는 무선 충전기용 공진 컨버터의 구현방법.

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