KR20170059391A - Double sided resonant converter for wireless charger and method for implementing thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터 및 그 구현방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정전류 및 정전압 충전을 실현하는 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터 및 그 구현방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
최근 상용화된 대부분의 전기차(EV: Electric Vehicle)는 플러그 인 방식으로 배터리를 충전하는 방법이 적용되고 있으나, 이러한 충전 방법에 비해 사용자의 편의성 및 안전성이 향상된 무선 충전 방법인 유도 전력 전송(IPT: Inductive Power Transfer) 방법이 전기차의 충전 방법으로 제안된 바 있으며, 이와 관련된 연구가 전 세계적으로 활발하게 이루어지고 있다.Most of electric vehicles (EVs) that have been commercialized in recent years have a plug-in type charging method. However, in comparison with such charging methods, inductive charging (IPT) Power transfer method has been suggested as a charging method for electric vehicles, and related researches have been actively conducted worldwide.
유도 전력 전송 충전기는 전도성(conductive) 충전기와는 달리 변압기 대신에 약결합 코일(loosely coupled coils) 세트를 사용하는데, 전송 및 수신 코일 간의 낮은 결합 계수(coupling coefficient)에 의해 높은 무효 전력(reactive power) 및 낮은 전력 전송 효율을 갖는다는 문제점이 있다. 따라서, 유도 전력 전송(IPT) 충전기에 있어서 이러한 무효 전력을 감소시키고, 전력 전송 능력을 향상시키며 전체적인 효율을 높일 수 있는 보상 탱크(compensation tank)가 중요한 부분이라 할 수 있다. Unlike a conductive charger, an inductive power transfer charger uses a loosely coupled coils set instead of a transformer, and has a high reactive power due to a low coupling coefficient between the transmitting and receiving coils. And low power transmission efficiency. Therefore, in an inductive power transmission (IPT) charger, a compensation tank that can reduce such reactive power, improve power transmission capability and increase the overall efficiency is an important part.
이와 같은 보상 토폴로지는 1차측 및 2차측 코일에 보상 커패시터들이 어떻게 부가되었는지에 따라 직렬-직렬(SS), 직렬-병렬(SP), 병렬-직렬(PS) 및 병렬-병렬(PP)의 4개로 나뉠 수 있다. 이외에도, 전력 전송 효율을 증가시키고, 유도 전력 전송(IPT) 시스템의 제어를 간단히 할 수 있도록 하이브리드 토폴로지들이 사용될 수 있다.This compensation topology can be divided into four types of series-serial (SS), serial-parallel (SP), parallel-serial (PS) and parallel-parallel (PP), depending on how compensation capacitors are added to the primary and secondary coils It can be divided. In addition, hybrid topologies can be used to increase power transfer efficiency and simplify control of an inductive power transfer (IPT) system.
예를 들면, 1차측에 LC 보상 네트워크가 부가된 LCL 하이브리드 토폴로지가 있다. 부가된 LC 보상 탱크는 1차측 전류를 감소시켜 1차측 스위치들의 전도 손실(conduction loss)을 감소시킬 수 있다. 또한, 부하-독립적인 특징을 가지며 이를 이용하여 출력단에서의 정전류 제어를 손쉽게 달성할 수 있다. 아울러, 듀티 또는 위상 천이 제어 방식을 이용하여 간단한 출력 전력의 제어가 가능하다. 또는, 이러한 LCL 하이브리드 토폴로지에 하나의 LC 회로를 병렬로 추가하여 수신 코일의 순환 전류를 최소화하고, 단위 역률(unity power factor)을 달성한 LCCL 토폴로지가 있다. For example, there is an LCL hybrid topology with an LC compensation network on the primary side. The added LC compensation tank can reduce the primary side current and reduce the conduction loss of the primary side switches. In addition, it has load-independent characteristics and can easily control the constant current at the output terminal. In addition, simple output power control is possible using a duty or phase shift control scheme. Alternatively, there is an LCCL topology in which one LC circuit is added in parallel to this LCL hybrid topology to minimize the circulating current of the receiving coil and achieve a unity power factor.
그러나, 이와 같은 LCL 및 LCCL 하이브리드 토폴로지는 모두 양 측에 각각 코일의 값과 유사한 값을 갖는 추가 인덕터를 필요로하며, 이에 그 비용과 인덕터의 값을 감소시킬 수 있도록 1차측 코일에 커패시터를 직렬로 연결한 LCC 보상 토폴로지가 제안된 바 있다. 예를 들면, LCL 토폴로지의 1차측 및 2차측에 각각 커패시터를 부가한 양면 LCC 토폴로지가 있으며, 이는 LCL 및 LCCL 토폴로지의 장점을 모두 갖는다. 아울러, 스위치 소자들의 영전압 스위칭 조건을 달성할 수 있고, 공진 주파수는 결합 계수 및 부하와 독립적이므로, 이러한 양면 LCC 토폴로지는 유도 전력 전송(IPT) 시스템에 적용되기에 가장 적합하다.However, such LCL and LCCL hybrid topologies all require additional inductors having values similar to those of the coils on both sides, and in order to reduce the cost and the value of the inductor, a capacitor is connected in series to the primary coil The connected LCC compensation topology has been proposed. For example, there is a double-sided LCC topology with a capacitor added to the primary and secondary sides of the LCL topology, all of which have the advantages of LCL and LCCL topologies. This double-sided LCC topology is best suited to be applied to an inductive power transmission (IPT) system, since zero voltage switching conditions of the switching elements can be achieved and the resonant frequency is independent of coupling coefficient and load.
한편, 유도 전력 전송(IPT) 시스템의 또 다른 문제점은 배터리의 수명 연장을 위해 정전류(CC: Constant Current) 및 정전압(CV: Constant Voltage) 충전 방식에 따른 충전 단계를 실현하는 데 있다. 정전류/정전압 충전 방법은 먼저 정전류 모드로 배터리를 충전함으로써, 배터리 전압을 점차 증가시키며, 배터리 전압이 최대 전압에 도달하면, 배터리 전류가 특정 값에 도달할 때까지 정전압 모드로 전환하여 배터리를 충전하는 것인데, 이러한 충전 단계를 실현하기 위해서는 충전기로부터 정확한 충전 전류 및 전압이 제공되어야 한다. 즉, 충전중인 배터리는 가변 부하이기 때문에, 배터리 충전기에 포함되는 컨버터는 정전류/정전압 충전 단계에 따라 그 출력을 정확하게 제어할 수 있어야 한다. Another problem of the inductive power transmission (IPT) system is to realize a charging step according to a constant current (CC) and a constant voltage (CV) charging method in order to extend the life of the battery. The constant current / constant voltage charging method first charges the battery in the constant current mode to gradually increase the battery voltage. When the battery voltage reaches the maximum voltage, the battery is charged by switching to the constant voltage mode until the battery current reaches a specific value In order to realize such a charging step, the correct charging current and voltage must be provided from the charger. That is, since the battery being charged is a variable load, the converter included in the battery charger must be able to accurately control its output according to the constant current / constant voltage charging step.
일반적으로, 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation)가 컨버터를 고정 주파수에서 동작시키기 위해 사용되고, 펄스 주파수 변조(PFM: Pulse Frequency Modulation)가 컨버터를 고정 듀티에서 동작시키기 위해 사용될 수 있으며, 또는, 이러한 두 가지 방식을 조합한 방식이 사용될 수 있다. In general, Pulse Width Modulation (PWM) is used to operate the converter at a fixed frequency, and Pulse Frequency Modulation (PFM) can be used to operate the converter at a fixed duty, A combination of the two methods can be used.
여기에서, 유도 전력 전송(IPT) 컨버터와 같이, 공진 동작을 이용하는 전력 변환 방식은 펄스 주파수 변조 방식이 요구되며, 그 결과, 부하의 변화에 따른 넓은 범위에서의 동작 주파수의 변화가 불가피한데, 이는 컨버터에서의 높은 순환 전류를 발생시키고, 영전압 스위칭 또는 영전류 스위칭 특성을 가질 수 없으며, 전력 손실이 증가하고, 전력 전달 능력의 감소로 이어진다. 또한, 제어 능력 및 시스템의 안정성이 손실되는 분기 현상이 발생할 수 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해, 백 엔드(back-end) DC-DC 컨버터를 부가하여 출력 전류 및 전압을 제어하고, 프런트 엔드(front-end) DC-DC 컨버터는 공진 주파수에서 동작하여 영 위상 각(ZPA: Zero Phase Angle) 조건을 달성하는 방안이 제안된 바 있으나, 구성 요소들의 수가 증가하고, 손실 및 복잡도가 증가한다는 문제점이 있다.Here, as in the case of an inductive power transfer (IPT) converter, a power conversion system using a resonant operation requires a pulse frequency modulation system. As a result, a change in operating frequency over a wide range in accordance with a change in load is inevitable. Generates high circulating current in the converter, can not have zero voltage switching or zero current switching characteristics, increases power loss, and leads to a reduction in power transfer capability. In addition, branching phenomena may occur where control capability and system stability are lost. To overcome this disadvantage, a back-end DC-DC converter is added to control the output current and voltage, and a front-end DC-DC converter operates at a resonant frequency to produce a zero phase angle ZPA (Zero Phase Angle) condition has been proposed, but there is a problem that the number of components increases, and loss and complexity increase.
한편, 충전기에서의 정전류/정전압 충전 방식을 실현하는 경우, 넓은 범위에서 변동하는 부하 조건에서의 공진 주파수의 주파수 변동 문제를 해결하기 위해, 공진 컨버터의 부하-독립 특성을 활용하는 방안에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 예를 들면, 상술한 직렬-직렬(SS), 직렬-병렬(SP), 병렬-직렬(PS) 및 병렬-병렬(PP) 토폴로지 중에서, PS 토폴로지는 정전압 충전 방식의 구현이 가능하고, PP 토폴로지는 정전류 충전 방식의 구현이 가능하다. 또한, SS 및 SP 토폴로지는 정전류 및 정전압 충전 방식이 모두 구현 가능하나. SS 토폴로지의 경우 정전압 충전 모드로 작동 시, SP 토폴로지는 정전류 충전 모드로 작동 시 영 위상 각(ZPA) 조건을 손실한다는 문제점이 있다. On the other hand, in order to solve the frequency fluctuation problem of the resonance frequency under the load condition varying in a wide range when realizing the constant current / constant voltage charging method in the charger, a study on utilizing the load- . For example, of the serial-to-serial (SS), serial-parallel (SP), parallel-serial (PS), and parallel- parallel (PP) topologies described above, the PS topology is capable of implementing a constant voltage charging scheme, It is possible to implement a constant current charging method. In addition, both SS and SP topologies are capable of both constant current and constant voltage charging. For SS topology, when operating in constant voltage charging mode, the SP topology loses zero phase angle (ZPA) condition when operating in constant current charging mode.
이에, 최근에는 정전류/정전압 충전의 전 단계에서 영 위상 각(ZPA) 조건을 달성할 수 있도록 SS 및 PS, 또는, SP 및 PP 토폴로지의 듀얼 토폴로지들이 제안된 바 있다. 예를 들면, 상술한 양면 LCC 토폴로지는 공진 주파수에서 동작하여 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서 부하 독립적인 전류 및 전압의 출력을 보장할 수 있으나, 반드시 스위치 소자 및 토폴로지 전환을 위한 제어 회로가 부가되어야 한다.Recently, dual topologies of SS and PS, or SP and PP topologies have been proposed to achieve zero phase angle (ZPA) conditions at all stages of constant current / constant voltage charging. For example, the double-sided LCC topology described above can operate at a resonant frequency to ensure output of a load-independent current and voltage under zero phase angle (ZPA) conditions, but a switch element and a control circuit for topology switching must be added do.
본 발명의 일측면은 하나의 공진 인덕터와 두개의 공진 커패시터로 동일하게 구성되며 각각 1차측 코일 및 2차측 코일을 포함하는 1차측 공진 탱크와 2차측 공진 탱크 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터를 제공한다.One aspect of the present invention is to perform voltage conversion of an inductive power transmission system between a primary resonance tank and a secondary resonance tank, which are constituted by one resonance inductor and two resonance capacitors, respectively, and each including a primary coil and a secondary coil Side LCC converter for a wireless charger.
본 발명의 다른 측면은 영 위상 각 조건 하에서 정전류 및 정전압 충전을 실현하기 위한 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 파라미터를 산출하여 LCC 공진 탱크를 구현하는 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터의 구현방법을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a method for implementing a double-sided LCC converter for a wireless charger that implements an LCC resonance tank by calculating parameters of resonance elements included in an LCC resonance tank for realizing constant current and constant voltage charging under zero phase angle conditions .
본 발명의 일측면은 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터에 있어서, 입력 전압을 공급하는 입력 전원과 연결되며, 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련된 풀브릿지 인버터, 하나의 공진 인덕터와 두개의 공진 커패시터로 동일하게 구성되는 1차측 공진 탱크 및 2차측 공진 탱크를 포함하고, 상기 1차측 공진 탱크가 상기 풀브릿지 인버터와 연결되어 상기 입력 전압을 전달받아, 상기 1차측 공진 탱크와 상기 2차측 공진 탱크 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 LCC 공진 탱크, 상기 2차측 공진 탱크와 연결되어 상기 2차측 공진 탱크로부터 전달받는 출력 전압을 정류하는 정류 브릿지 및 상기 정류 브릿지와 연결되어 정류된 출력 전압을 전달 받는 부하 네트워크를 포함한다.One aspect of the present invention is a double-sided LCC converter for a wireless charger, comprising: a full-bridge inverter connected to an input power supply for supplying an input voltage and having first to fourth switches; and a first resonant inductor and two resonant capacitors Side resonance tank and the secondary-side resonance tank, the primary-side resonance tank being connected to the full-bridge inverter and receiving the input voltage, and the inductive power between the primary-side resonance tank and the secondary-side resonance tank A rectifying bridge connected to the secondary side resonance tank for rectifying an output voltage received from the secondary side resonance tank, and a rectifier bridge connected to the rectifying bridge for receiving a rectified output voltage, Network.
한편, 상기 LCC 공진 탱크는, 상기 풀브릿지 인버터와 연결되는 1차측 공진 인덕터, 상기 1차측 공진 인덕터와 연결되는 제1 1차측 공진 커패시터 및 제2 1차측 공진 커패시터, 상기 제1 1차측 공진 커패시터 및 상기 제2 1차측 공진 커패시터와 연결되는 1차측 코일로 구성되는 1차측 공진 탱크 및 상기 정류 브릿지와 연결되는 2차측 공진 인덕터, 상기 2차측 공진 인덕터와 연결되는 제1 2차측 공진 커패시터 및 제2 2차측 공진 커패시터, 상기 제1 2차측 공진 커패시터 및 상기 제2 2차측 공진 커패시터와 연결되는 2차측 코일로 구성되는 2차측 공진 탱크를 포함할 수 있다.The LCC resonant tank may include a primary resonant inductor connected to the full bridge inverter, a first primary resonant capacitor and a second primary resonant capacitor connected to the primary resonant inductor, a first primary resonant capacitor, Side resonance capacitor connected to the first primary side resonance capacitor, a primary side resonance tank composed of a primary side coil connected to the second primary side resonance capacitor, a secondary side resonance inductor connected to the rectification bridge, a first secondary side resonance capacitor connected to the secondary side resonance inductor, And a secondary side resonance tank composed of a secondary side coil connected to the first secondary side resonance capacitor and the second side resonance capacitor.
또한, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 자체 인덕턴스는 동일하게 설정될 수 있다.In addition, the self inductance of the primary coil and the secondary coil can be set to be the same.
또한, 상기 LCC 공진 탱크는, 고정 주파수인 정전류 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 상기 부하 네트워크의 변화와 무관하게 일정한 크기의 전류를 출력할 수 있다.In addition, the LCC resonance tank can output a constant current regardless of the change of the load network when the LCC resonant tank operates under a constant current mode frequency condition of a fixed frequency.
또한, 상기 LCC 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.In addition, the LCC resonance tank, when operating under the constant current mode frequency condition, achieves the zero phase angle condition of the input impedance so that the first switch to the fourth switch provided in the full bridge inverter performs the switching operation Can be performed.
또한, 상기 LCC 공진 탱크는, 고정 주파수인 정전압 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 상기 부하 네트워크의 변화와 무관하게 일정한 크기의 전압을 출력할 수 있다.In addition, the LCC resonance tank can output a constant voltage regardless of the change of the load network when the LCC resonant tank is operated under a constant frequency mode frequency condition, which is a fixed frequency.
또한, 상기 LCC 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.In addition, the LCC resonance tank, when operating under the constant voltage mode frequency condition, achieves the zero phase angle condition of the input impedance so that the first to fourth switches provided in the full bridge inverter can perform the switching operation Can be performed.
한편, 본 발명의 다른 측면은 하나의 공진 인덕터와 두개의 공진 커패시터로 동일하게 구성되며 각각 1차측 코일 및 2차측 코일을 포함하는 1차측 공진 탱크와 2차측 공진 탱크 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 LCC 공진 탱크를 포함하여, 상기 1차측 공진 탱크와 연결되는 입력단의 전압을 상기 2차측 공진 탱크와 연결되는 출력단으로 전달하는 무선 충전기용 양면 LCC 공진 컨버터의 구현방법에 있어서, 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 크기 및 손실을 고려하여 상기 출력단으로 일정한 크기의 전류를 출력하기 위한 정전류 모드로 동작 시 동작 주파수인 정전류 모드 주파수를 설정하고, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 크기 및 무게에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스를 설정하고, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 정전류 모드 주파수, 상기 입력단으로부터 공급 받는 입력 전압 및 출력하고자 하는 출력 전류의 크기에 따라 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스를 산출하며, 산출한 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따르면 상기 출력단으로 일정한 크기의 전압을 출력하기 위한 정전압 모드로 동작 시 동작 주파수인 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족하는지 여부를 검증하고, 그 결과에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따른 상기 LCC 공진 탱크를 구현하는 것을 포함한다.In another aspect of the present invention, there is provided an inductive power transmission type voltage conversion between a primary resonance tank and a secondary resonance tank, the resonance inductor including two resonance inductors and two resonance capacitors and including a primary coil and a secondary coil, Side resonance tank for transmitting a voltage of an input terminal connected to the primary-side resonance tank to an output terminal connected to the secondary-side resonance tank, the method for implementing a double-side LCC resonance converter for a wireless charger, A constant current mode frequency which is an operating frequency in a constant current mode for outputting a constant magnitude current to the output terminal is set in consideration of the size and loss of the resonance elements included in the tank and the size of the primary coil and the secondary coil And the mutual inductance of the primary coil and the secondary coil, the primary coil and the phase The inductance of each of the secondary coils is set, and the mutual inductance of the primary coil and the secondary coil, the self inductance of each of the primary coil and the secondary coil, the constant current mode frequency, And the inductance or capacitance of the resonant elements included in the LCC resonant tank is calculated according to the magnitude of the output current to be output. According to the inductance or capacitance of the resonant elements included in the calculated LCC resonant tank, Voltage condition for operating the constant-voltage mode for outputting a voltage under a constant-voltage-mode frequency condition, which is an operating frequency, to verify whether or not the zero-phase angle condition of the input impedance of the LCC resonance tank is satisfied, Self inductance of each of the coils, And implementing the LCC resonant tank according to the inductance or capacitance of the resonant elements included in the true tank.
한편, 상기 1차측 공진 탱크는 상기 입력단에 마련되며, 제1 스위치 내지 제4 스위치를 포함하여 상기 입력 전압을 상기 LCC 공진 탱크로 전달하는 풀브릿지 인버터와 연결하는 것을 더 포함할 수 있다.The primary resonance tank may further include a first bridge, a fourth bridge, and a fourth bridge connected to the input of the full-bridge inverter for transmitting the input voltage to the LCC resonance tank.
또한, 상기 2차측 공진 탱크는 상기 출력단에 마련되며, 제1 다이오드 내지 제4 다이오드를 포함하여 상기 LCC 공진 탱크의 출력을 정류하는 정류 브릿지와 연결하는 것을 더 포함할 수 있다.The secondary resonance tank may further include a first diode to a fourth diode provided at the output terminal and connected to a rectifying bridge for rectifying the output of the LCC resonance tank.
또한, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 크기 및 무게에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스를 설정하는 것은, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스가 같은 값을 갖도록 설정하는 것일 수 있다.The mutual inductance of the primary coil and the secondary coil, and the self inductance of each of the primary coil and the secondary coil are set according to the size and weight of the primary coil and the secondary coil, And the self inductance of each of the secondary coil and the secondary coil may have the same value.
또한, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 정전류 모드 주파수, 상기 입력단으로부터 공급 받는 입력 전압 및 출력하고자 하는 출력 전류의 크기에 따라 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스를 산출하는 것은, 상기 정전류 모드 주파수 조건 하에서, 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족할 수 있도록 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스를 산출하는 것일 수 있다.The inductance of each of the primary coil and the secondary coil, the constant current mode frequency, the input voltage supplied from the input terminal, and the magnitude of the output current to be outputted are determined by the inductance of the primary coil and the secondary coil, The inductance or the capacitance of the resonant elements included in the LCC resonance tank may be calculated by calculating the inductance or capacitance of the resonant elements included in the LCC resonance tank so as to satisfy the zero phase angle condition of the input impedance of the LCC resonant tank under the constant- It may be to calculate the inductance or capacitance of the devices.
또한, 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 크기 및 손실을 고려하여 상기 출력단으로 일정한 크기의 전류를 출력하기 위한 정전류 모드로 동작 시 동작 주파수인 정전류 모드 주파수를 설정하는 것은, 고정 주파수인 상기 정전류 모드 주파수를 설정하는 것일 수 있다.In addition, setting the constant current mode frequency, which is an operation frequency in a constant current mode for outputting a constant magnitude current to the output terminal, considering the size and loss of the resonant elements included in the LCC resonance tank, It may be to set the mode frequency.
또한, 산출한 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따르면 상기 출력단으로 일정한 크기의 전압을 출력하기 위한 정전압 모드로 동작 시 동작 주파수인 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족하는지 여부를 검증하는 것은, 고정 주파수인 상기 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족하는지 여부를 검증하는 것일 수 있다.According to the calculated inductance or capacitance of the resonance elements included in the LCC resonance tank, the input impedance of the LCC resonance tank under a constant voltage mode frequency condition, which is an operation frequency in a constant voltage mode for outputting a constant magnitude voltage to the output terminal, Verifying whether or not the zero phase angle condition of the LCC resonance tank satisfies the zero phase angle condition of the input impedance of the LCC resonance tank under the constant voltage mode frequency condition of the fixed frequency.
또한, 검증 결과에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따른 상기 LCC 공진 탱크를 구현하는 것은, 검증 결과 산출한 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스가 상기 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족시키는 경우, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따른 상기 LCC 공진 탱크를 구현하는 것이며, 그 반대의 경우 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스가 상기 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족시킬 때까지 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 크기 및 무게에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스를 설정하는 단계를 반복 수행하는 것을 포함할 수 있다.The implementation of the LCC resonance tank according to the self inductance of each of the primary coil and the secondary coil and the inductance or capacitance of the resonance elements included in the LCC resonance tank according to the result of the verification can be realized by the LCC When the inductance or the capacitance of the resonance elements included in the resonance tank satisfies the zero phase angle condition of the input impedance of the LCC resonance tank under the constant voltage mode frequency condition, the self inductance of each of the primary coil and the secondary coil, The inductance or the capacitance of the resonant elements included in the LCC resonance tank is set to be equal to or less than the inductance or the capacitance of the LCC resonance tank under the constant voltage mode frequency condition, Input Impedance of Tank The inductance of each of the primary coil and the secondary coil, the inductance of each of the primary coil and the secondary coil, depending on the size and weight of the primary coil and the secondary coil until the zero phase angle condition is satisfied, ≪ / RTI >
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. According to one aspect of the present invention, since the constant current and the constant voltage charging can be performed under the fixed frequency condition regardless of the change in the load, the control is simple and the stability of the charger can be ensured.
도 1a 내지 도 1d은 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 기본 토폴로지들의 AC 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LLC 컨버터의 개략적인 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 M 모델을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 M 모델을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 도 2b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 등가 회로를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7은 입력 임피던스의 변화에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 등가 회로를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 구현방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 입력 임피던스에 따른 트랜스컨덕턴스(transconductance) 이득 및 전압 이득을 측정한 일 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 배터리 충전 프로필 및 배터리의 등가 임피던스의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터에 적용되는 유도 전력 전송 패드의 일 예를 도시한 도면이다.
도 12a 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 유리한 효과를 설명하기 위한 도면이다.1A to 1D are diagrams showing an AC equivalent circuit of basic topologies for performing voltage conversion of an inductive power transmission system.
2A and 2B are schematic circuit diagrams of a double-sided LLC converter according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating an M model of a double-sided LCC converter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a simplified view of an M model of a double-sided LCC converter according to an embodiment of the present invention shown in FIG.
FIGS. 5A and 5B are simplified views of an equivalent circuit of a double-sided LCC converter according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 2B.
6 and 7 are simplified views of an equivalent circuit of a double-sided LCC converter according to an embodiment of the present invention in accordance with a change in input impedance.
8 is a flowchart illustrating a method of implementing a two-sided LCC converter according to an embodiment of the present invention.
9A and 9B are views illustrating an example of measuring transconductance gain and voltage gain according to the input impedance of the double-sided LCC converter according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram illustrating an example of a battery charging profile and equivalent impedance of a battery of a double-sided LCC converter according to an embodiment of the present invention.
11 is a diagram illustrating an example of an inductive power transmission pad applied to a double-sided LCC converter according to an embodiment of the present invention.
12A to 15 are diagrams for explaining advantageous effects of a double-sided LCC converter according to an embodiment of the present invention.
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.The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings, which illustrate, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain features, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with an embodiment. It is also to be understood that the position or arrangement of the individual components within each disclosed embodiment may be varied without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is to be limited only by the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled, if properly explained. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions throughout the several views.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
먼저, 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 유도 전력 전송(IPT: Inductive Power Transfer) 방식의 전압 변환을 수행하는 기본 토폴로지들의 특징에 대하여 설명한 뒤, 이러한 기본 토폴로지들의 조합으로 구현되는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터에 대하여 설명하기로 한다.First, the characteristics of the basic topologies for performing the inductive power transfer (IPT) voltage conversion will be described with reference to FIGS. 1A to 1D. In the first embodiment of the present invention implemented as a combination of these basic topologies The double-sided LCC converter according to the present invention will be described.
도 1a 내지 도 1d는 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 기본 토폴로지들의 AC 등가 회로를 도시한 도면이다.FIGS. 1A to 1D are diagrams showing AC equivalent circuits of basic topologies for performing voltage conversion of an inductive power transmission system.
도 1a 내지 도 1d의 순서대로 1차측 및 2차측에 각각 보상 커패시터(Cp, Cs)가 부가된 위치 따라 직렬-직렬(SS), 직렬-병렬(SP), 병렬-직렬(PS) 및 병렬-병렬(SS)의 4 가지가 기본 토폴로지라 할 수 있다. 이하의 설명에서 참조하는 수학식에서, L1 및 L2는 각각 1차측 및 2차측 자체 인덕턴스(self-inductance), M은 상호 인덕턴스(mutual inductance), Lp 및 Ls는 각각 1차측 및 2차측의 누설 인덕턴스(leakage inductance), Lm은 코일의 자화 인덕턴스, Cp 및 Cs는 각각 1차측 및 2차측의 보상 커패시턴스를 나타낸다. 이때, 두 코일 간의 턴비는 1:n일 수 있다. (SS), a series-parallel (SP), a parallel-series (PS), and a series-parallel (PS) according to the positions where the compensation capacitors C p and C s are added to the primary side and the secondary side, And parallel-parallel (SS) are the basic topologies. L 1 and L 2 denote the primary and secondary self-inductances, M denotes the mutual inductance, L p and L s denote the primary and secondary sides, respectively, L m is the magnetization inductance of the coil, C p And C s represent the compensation capacitances of the primary and secondary sides, respectively. At this time, the turn ratio between the two coils may be 1: n.
도 1a에 도시된 SS 토폴로지의 경우, 영 위상 각(ZPA: Zero Phase Angle) 조건을 달성하기 위해 필요한 공진 주파수는 아래의 수학식 1과 같다.In the case of the SS topology shown in FIG. 1A, the resonant frequency required to achieve the zero phase angle (ZPA) condition is expressed by
[수학식 1][Equation 1]
여기에서, 도 1a에 도시된 SS 토폴로지가 fCC_SS의 주파수로 동작 시, L1(Lm+Lp) 및 L2(Lm+Ls)가 1차측 보상 커패시턴스(Cp) 및 2차측 보상 커패시턴스(Cs)에 의해 완벽히 상쇄되는 경우, 출력 전류 Io는 부하 독립적인 특징을 가질 수 있으며, 입력 임피던스의 위상은 0과 같아질 수 있다. 즉, 도 1a에 도시된 SS 토폴로지는 fCC_SS의 주파수로 동작 시 정전류 충전을 위한 CC(Constant Current) 모드로서 동작이 가능하고, 영 위상 각(ZPA) 조건을 달성할 수 있다. Here, when the SS topology shown in FIG. 1A operates at the frequency of f CC_SS , L 1 (L m + L p ) and L 2 (L m + L s ) are connected to the primary side compensation capacitance C p and the secondary side When completely compensated by the compensation capacitance (C s ), the output current I o can have a load-independent characteristic and the phase of the input impedance can be equal to zero. That is, the SS topology shown in FIG. 1A can operate as a CC (Constant Current) mode for constant current charging when operating at the frequency of f CC_SS , and can achieve the zero phase angle (ZPA) condition.
한편, 도 1a에 도시된 SS 토폴로지는 두 개의 공진 주파수를 가지며, 수학식 1 이외의 다른 공진 주파수는 부하 조건과 무관하게 일정한 전압을 출력하기 위한 주파수, 즉, 정전압 충전을 위한 CV(Constant Voltage) 모드로서 동작하기 위한 주파수로 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. 이러한 CV 모드 주파수로는 보통 높은 주파수가 선택되는데, 이에 따라 공진 탱크는 유도성 영역(inductive region)에서 동작하게 되며, 1차측 스위치들이 영전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching) 조건 하에서 동작할 수 있다.The SS topology shown in FIG. 1A has two resonant frequencies. The resonant frequencies other than Equation (1) are the frequencies for outputting a constant voltage regardless of the load condition, that is, a constant voltage (CV) Mode can be expressed as Equation (2) below. &Quot; (2) " This CV mode frequency is usually chosen to be a high frequency, so that the resonant tank operates in an inductive region and the primary switches can operate under Zero Voltage Switching (ZVS) conditions .
[수학식 2]&Quot; (2) "
그러나, 도 1a에 도시된 SS 토폴로지는 수학식 2와 같은 CV 모드 주파수로 동작하는 경우 다음과 같은 단점을 갖는다. 먼저, 경부하 조건 하에서 입력 임피던스의 큰 위상에 의한 높은 턴오프 전류는 스위칭 손실을 증가시키고, 효율을 저감시킨다. 또한, 큰 무효전력(reactive power)에 의한 전도 손실(conduction loss)을 증가시키고, 전력 전달 능률을 저감시킨다.However, the SS topology shown in FIG. 1A has the following disadvantages when operating at the CV mode frequency as shown in Equation (2). First, the high turn-off current due to the large phase of the input impedance under light load conditions increases the switching losses and reduces the efficiency. In addition, conduction loss due to large reactive power is increased, and power transmission efficiency is reduced.
도 1b에 도시된 SP 토폴로지의 경우, 앞서 살펴본 SS 토폴로지와 유사하게 CC 모드 및 CV 모드로서 동작할 수 있다. 즉, 도 1b에 도시된 SP 토폴로지는 1차측 보상 커패시턴스(Cp)가 L1-L2 m/L2와 공진하는 주파수에서 입력 임피던스는 저항성을 가지게 되고, 출력은 부하 독립적인 전압원이 될 수 있다. In the case of the SP topology shown in FIG. 1B, it can operate as a CC mode and a CV mode, similar to the SS topology. That is, in the SP topology shown in FIG. 1B, at a frequency where the primary-side compensation capacitance C p resonates with L 1 -L 2 m / L 2 , the input impedance becomes resistive and the output becomes a load- have.
한편, 도 1b에 도시된 SP 토폴로지는 아래의 수학식 3과 같은 주파수에서 동작하는 경우, 부하 독립적인 전류원으로 동작할 수 있다. 구체적으로는, 도 1b에 도시된 SP 토폴로지는 아래의 수학식 3과 같은 주파수에서 동작하는 경우, CC 모드로서 동작할 수 있다.Meanwhile, the SP topology shown in FIG. 1B can operate as a load-independent current source when operating at the frequency as shown in Equation (3) below. Specifically, the SP topology shown in FIG. 1B can operate as a CC mode when operating at the frequency shown in
[수학식 3]&Quot; (3) "
이때, 도 1b에 도시된 SP 토폴로지의 입력 임피던스는 아래의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.In this case, the input impedance of the SP topology shown in FIG. 1B can be expressed by Equation (4) below.
[수학식 4]&Quot; (4) "
수학식 4에서 1차측 보상 커패시턴스(Cp)와 1차측 누설 인덕턴스(Lp), 2차측 보상 커패시턴스(Cs)와 2차측 누설 인덕턴스(Ls) 간의 공진이 이루어지는 경우, 수학식 4는 아래의 수학식 5와 같이 간단히 나타낼 수 있으며, 입력 임피던스의 위상은 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.If the resonance is made between
[수학식 5]&Quot; (5) "
[수학식 6]&Quot; (6) "
수학식 6에 따르면 입력 임피던스의 위상은 항시 양의 값을 가지므로, 도 1b에 도시된 SP 토폴로지는 유도성 영역(inductive region)에서 동작하게 되어, 1차측 스위치들이 높은 턴오프 전류를 가지게 되며, 큰 순환 전류가 발생하게 되어 전체적인 효율이 낮아진다는 단점이 있다.According to Equation (6), since the phase of the input impedance always has a positive value, the SP topology shown in FIG. 1B operates in an inductive region, so that the primary switches have a high turn-off current, A large circulating current is generated and the overall efficiency is lowered.
한편, 이와 같은 SS 및 SP 토폴로지와는 달리, 도 1c에 도시된 PS 토폴로지 및 도 1d에 도시된 PP 토폴로지는 각각 CV 모드 및 CC 모드로서만 동작할 수 있다. 아래의 표 1은 도 1a 내지 도 1d에 도시된 4 가지의 기본적인 유도 전력 전송 토폴로지들의 정전류 및 정전압 충전의 실현이 가능한지 여부와 영 위상 각(ZPA) 조건을 달성할 수 있는지 여부를 나타낸다.On the other hand, unlike the SS and SP topologies, the PS topology shown in FIG. 1C and the PP topology shown in FIG. 1D can operate only as the CV mode and the CC mode, respectively. Table 1 below shows whether the realization of constant current and constant voltage charging of the four basic inductive power transmission topologies shown in Figures 1A-1D and whether zero phase angle (ZPA) conditions can be achieved.
TopologyTopology
ZPAZPA
Angular Resonant FrequencyAngular Resonant Frequency
SSSS
CCCC
Yes Yes
CVCV
NoNo
SPSP
CCCC
No No
CVCV
YesYes
PSPS
CVCV
YesYes
and
and
PPPP
CCCC
YesYes
and
and
표 1에 따르면, 도 1a 내지 도 1d에 도시된 4 가지의 기본적인 유도 전력 전송 토폴로지 각각은 정전류 및 정전압 충전을 모두 실현하고, 영 위상 각(ZPA) 조건을 달성할 수 없다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서 정전압 및 정전류 충전을 실현할 수 있도록, 도 1a 내지 도 1d에 도시된 기본적인 유도 전력 전송 토폴로지들의 조합으로 구현될 수 있다. 이와 관련하여 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명하기로 한다.According to Table 1, each of the four basic inductive power transfer topologies shown in Figs. 1A to 1D realizes both constant current and constant voltage charging, and can not achieve the zero phase angle (ZPA) condition. Thus, the double-
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LLC 컨버터의 개략적인 회로도이다.2A and 2B are schematic circuit diagrams of a double-sided LLC converter according to an embodiment of the present invention.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 풀브릿지 인버터(110), LCC 공진 탱크(120), 정류 브릿지(130) 및 부하 네트워크(140)로 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 무선 충전을 지원하는 배터리 충전 장치용 컨버터로, 입력 전압(Vin)을 유도 전력 전송 방식으로 변환하여 출력 부하(Ro), 즉, 배터리로 전달할 수 있으며, 특히, 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전류/정전압 충전을 실현할 수 있다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 각 구성요소에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.2A, a double-
먼저, 풀브릿지 인버터(110)는 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)가 마련된 풀브릿지 회로로, 이러한 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)의 스위칭 동작에 따라 DC 형태의 입력 전압(Vin)을 AC 형태로 변환하여 LCC 공진 탱크(120)로 전달할 수 있다. First, the full-
LCC 공진 탱크(120)는 크게 1차측 공진 탱크와 2차측 공진 탱크로 나뉠 수 있고, 1차측 공진 탱크는 풀브릿지 인버터(110)와 연결되고, 2차측 공진 탱크는 정류 브릿지(130)와 연결될 수 있으며, 1차측 공진 탱크와 2차측 공진 탱크 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행할 수 있다.The LCC
구체적으로는, 1차측 공진 탱크는 1차측 공진 인덕터(121), 제1 1차측 공진 커패시터(122) 및 제2 1차측 공진 커패시터(123)로 구성될 수 있다. 이때, 제1 1차측 공진 커패시터(122) 및 제2 1차측 공진 커패시터(123)는 직렬 연결된 상태로 1차측 코일(124)과는 병렬 연결될 수 있다. 다시 말하면, 제1 1차측 공진 커패시터(122)의 일단은 제2 1차측 공진 커패시터(123)의 일단과 연결되고, 제1 1차측 공진 커패시터(122)의 타단은 1차측 코일(124)의 일단과 연결될 수 있으며, 1차측 코일(124)의 타단은 제2 1차측 공진 커패시터(123)의 타단과 연결될 수 있다. 또한, 제1 1차측 공진 커패시터(122)의 일단 및 제2 1차측 공진 커패시터(123)의 일단은 1차측 공진 인덕터(121)와 연결될 수 있다. 이와 같은 1차측 공진 탱크는 풀브릿지 인버터(110)를 구성하는 한 쌍의 레그를 연결하는 입력 전압선 상에 구현될 수 있다. 즉, 1차측 공진 인덕터(121) 및 제2 1차측 공진 커패시터(123)의 타단이 각각 풀브릿지 인버터(110)와 연결될 수 있다.Specifically, the primary resonance tank may include a
2차측 공진 탱크는 1차측 공진 탱크와 동일하게 구성될 수 있으며, 2차측 공진 인덕터(128), 제1 2차측 공진 커패시터(126) 및 제2 2차측 공진 커패시터(127)로 구성될 수 있다. 이때, 제1 2차측 공진 커패시터(126) 및 제2 2차측 공진 커패시터(127)는 직렬 연결된 상태로, 2차측 코일(125)과는 병렬 연결될 수 있다. 다시 말하면, 제1 2차측 공진 커패시터(126)의 일단은 제2 2차측 공진 커패시터(127)의 일단과 연결되고, 제1 2차측 공진 커패시터(126)의 타단은 2차측 코일(125)의 일단과 연결될 수 있으며, 2차측 코일(125)의 타단은 제2 2차측 공진 커패시터(127)의 타단과 연결될 수 있다. 또한, 제1 2차측 공진 커패시터(126)의 일단 및 제2 2차측 공진 커패시터(127)의 일단은 2차측 공진 인덕터(128)와 연결될 수 있다. 이와 같은 2차측 공진 탱크는 정류 브릿지(130)를 구성하는 한 쌍의 레그를 연결하는 출력 전압선 상에 구현될 수 있다. 즉, 2차측 공진 인덕터(128) 및 제2 2차측 공진 커패시터(127)의 타단이 각각 정류 브릿지(130)와 연결될 수 있다.The secondary-side resonance tank may be configured in the same manner as the primary-side resonance tank, and may be constituted by the secondary-
이처럼, LCC 공진 탱크(120)는 하나의 공진 인덕터와 두 개의 공진 커패시터로 구성되는 공진 탱크가 각각 1차측 및 2차측의 양측에 마련된 형태일 수 있다. 이하의 설명에서 참조하는 수학식들에서, L1 및 L2는 각각 1차측 및 2차측 공진 탱크의 자체 인덕턴스, Lrp 및 Lrs는 각각 1차측 및 2차측 공진 탱크의 누설 인덕턴스, k는 1차측 코일(124)과 2차측 코일(125)의 결합 계수(coupling coefficient), M은 1차측 코일(124)과 2차측 코일(125) 간의 상호 인덕턴스, Lm은 코일의 자화 인덕턴스를 나타낸다. As described above, the
여기에서, 설명의 편의를 위해 1차측 코일(124)과 2차측 코일(125)의 턴수가 동일한 것으로 가정하면, 1차측 공진 탱크의 자체 인덕턴스(L1) 및 2차측 공진 탱크의 자체 인덕턴스(L2), 1차측 공진 탱크의 누설 인덕턴스(Lrp) 및 2차측 공진 탱크의 누설 인덕턴스(Lrs), 1차측 코일(124)과 2차측 코일(125)의 결합 계수(coupling coefficient)의 관계는 아래의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.Assuming that the number of turns of the
[수학식 7]&Quot; (7) "
한편, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 AC 등가 회로로, 이러한 도 2b를 참조하면, 1차 고조파 성분(harmonic components)은 아래의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.2B is an AC equivalent circuit of the double-
[수학식 8]&Quot; (8) "
수학식 8에서 Vin_AC 및 Vo _AC 는 각각 입력 및 출력 전압, iO_AC는 출력 전류, RAC는 부하 저항의 크기를 나타낸다.In Equation 8 V, and V o in_AC _AC each input and output voltage, the output current i O_AC, R AC indicates the size of the load resistance.
본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 이러한 LCC 공진 탱크(120)의 구현 시, 위상 값(ZVS) 조건 하에서의 배터리의 정전류/정전압 충전을 실현할 수 있도록 구현할 수 있다. 이와 관련하여 구체적인 설명은 후술하기로 한다.The two-
다시, 도 2a를 참조하면, 정류 브릿지(130)는 제1 다이오드(D1) 내지 제4 다이오드(D4)가 마련된 풀브릿지 회로로, 제1 다이오드(D1) 내지 제4 다이오드(D4)에 의해 LCC 공진 탱크(120)의 2차측 공진 탱크로부터 전달 받는 전압을 정류하여 부하 네트워크(140)로 전달할 수 있다. Again, referring to Figure 2a, the
부하 네트워크(140)는 병렬로 연결된 출력 커패시터(Co) 및 부하 저항(Ro)으로 구성되며, 이때, 부하 저항(Ro)는 배터리일 수 있다. 출력 커패시터(Co)의 양단은 정류 브릿지(130)를 구성하는 풀브릿지 회로의 상측 접점 및 하측 접점에 각각 연결되어, 정류 브릿지(130)를 통해 정류된 출력 전압을 전달받을 수 있다.The
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 동작특성 및 그에 따른 유리한 효과 대하여 간략하게 설명하기로 한다. 설명의 편의를 위해 일차 고조파 주파수 근사(FHA: First Harmonic Approximation)에 기반한 주파수 영역에서 분석하기로 한다. Hereinafter, operational characteristics and advantageous effects of the double-
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 최대 기본 출력 전압을 얻기 위해, 풀브릿지 인버터(110)에 마련된 스위치들이 거의 50%의 듀티비로 동작하는 것이 바람직하다. First, in order to obtain a maximum basic output voltage, the double-
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 부하 및 결합 조건과는 무관하게 1차측 코일(124)에 흐르는 전류는 일정하며, 따라서 1차측에서의 출력 제어를 단순화할 수 있다.Also, in the double-
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 1차측 및 2차측에서 모두 단위 역률(unit power factor)을 달성할 수 있으므로, 양측에서의 순환 전류를 최소화할 수 있다.In addition, the double-
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)와 도 1a에 도시된 SS 토폴로지를 비교하면, LCC 정류 탱크(120)에 마련되는 직렬 연결된 공진 커패시터들 및 코일들의 전압 및 전류 스트레스를 작게 할 수 있으며, 이에 따라, 낮은 정격(rating)의 구성 요소들의 사용이 가능하고, 전도 손실(conduction loss)을 감소시킬 수 있다.1A is compared with the SS topology shown in FIG. 1A, voltage and current stresses of the series-connected resonant capacitors and coils provided in the
마지막으로, 코일 간의 거리 또는 어긋남(misalignment)의 변화에 따라 코일의 자화 인덕턴스 값 또한 변화하는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 도 1a에 도시된 SS 토폴로지에 비해 이러한 변화에 덜 민감하다.Finally, the magnetization inductance value of the coil also changes according to the change in the distance or misalignment between the coils. The double-
이하에서는, 도 3 및 도 4를 참조하여, 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전류 충전을 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 구현방법에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to FIG. 3 and FIG. 4, a description will be made of a method of implementing the double-
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 M 모델을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 M 모델을 간략하게 나타낸 도면이다.3 is a view showing an M model of a double-sided LCC converter according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a view schematically showing an M model of a double-sided LCC converter according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 3 .
본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 상술한 바와 같이 배터리 충전 장치에 포함되어 정전류(CC) 충전 방식으로 배터리 충전을 실현할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 전류원(current source)으로 동작하여 출력단에 연결되는 배터리의 정전류 충전을 수행할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전류 충전을 수행할 수 있는데, 이를 위해, 입력 임피던스의 위상이 0이 되도록 LCC 공진 탱크(120)가 구현되어야 한다. 이하의 설명에서 참조하는 수학식들에서, L1 및 L2는 각각 1차측 및 2차측 공진 탱크의 자체 인덕턴스, Lrp 및 Lrs는 각각 1차측 및 2차측 공진 탱크의 누설 인덕턴스, k는 1차측 코일(124)과 2차측 코일(125)의 결합 계수(coupling coefficient), M은 1차측 코일(124)과 2차측 코일(125) 간의 상호 인덕턴스, Lm은 코일의 자화 인덕턴스, ω는 공진 각주파수(angular resonant frequency), Iin은 입력 전류, Io는 출력 전류, I1은 1차측 코일(124)의 전류, I2는 2차측 코일(125)의 전류, L1p 및 L1s는 각각 1차측 공진 인덕터(121) 및 2차측 공진 인덕터(128)의 인덕턴스, C1p 및 C2p는 각각 제1 1차측 공진 커패시터(122) 및 제2 1차측 공진 커패시터(123)의 커패시턴스, C1s 및 C2s는 각각 제1 2차측 공진 커패시터(126) 및 제2 2차측 공진 커패시터(127)의 커패시턴스, RAC는 부하 저항의 크기를 나타낸다.As described above, the double-
도 3을 참조하여 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전류 충전을 수행하기 위한 LCC 공진 탱크(120)의 구현방법에 대하여 자세히 설명하면, 먼저, 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 M 모델에 키르히호프 법칙(Kirchhoff's law)을 적용할 수 있으며 그 결과, LCC 공진 탱크(120)의 1차측 전압 식은 아래의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.3, a method of implementing the LCC
[수학식 9]&Quot; (9) "
또한, 키르히호프 법칙을 이용하여 LCC 공진 탱크(120)의 2차측 전압식은 아래의 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.Further, the secondary voltage equation of the
[수학식 10]&Quot; (10) "
여기에서, 수학식 9 및 10으로부터 입력 전압(Vin)은 아래의 수학식 11과 같이 출력 전류(Io) 및 임피던스만으로 나타낼 수 있음을 예측할 수 있다. 이와 같은 경우, LCC 공진 탱크(120)의 구성요소들이 아래의 수학식 12 및 13과 같은 조건을 만족하여야 한다.From Equations (9) and (10), it can be predicted that the input voltage (V in ) can be represented only by the output current (I o ) and the impedance as shown in the following Equation (11). In this case, the components of the
[수학식 11]&Quot; (11) "
[수학식 12]&Quot; (12) "
[수학식 13]&Quot; (13) "
수학식 11로부터 출력 전류(Io)는 입력 전압(Vin), 동작 주파수 및 LCC 공진 탱크(120)의 파라미터들에 의해 결정됨을 확인할 수 있으며, 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 CC 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우 전류원으로서 동작할 수 있으며, 결과적으로는 출력단에 연결되는 배터리의 정전류 충전이 가능하다.It can be seen from
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전류 충전을 수행하기 위한 조건을 찾기 위해서는 아래의 수학식 14와 같이 LCC 공진 탱크(120) 2차측의 임피던스를 산출하여야 한다. 이때, LCC 공진 탱크(120) 2차측의 임피던스는 수학식 13을 이용하여 산출될 수 있다.Meanwhile, in order to find the condition for performing the constant current charging of the battery under the zero phase angle (ZPA) condition, the double-
[수학식 14]&Quot; (14) "
이러한 LCC 공진 탱크(120) 2차측의 임피던스는 아래의 수학식 15와 같이 LCC 공진 탱크(120) 1차측의 임피던스로 나타낼 수 있다.The impedance of the secondary side of the
[수학식 15]&Quot; (15) "
이러한 수학식 15로부터 도 3의 M등가 회로를 도 4와 같이 간략하게 도시할 수 있다.From Equation (15), the equivalent circuit of M shown in Fig. 3 can be schematically shown as shown in Fig.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 입력 임피던스(Zin)는 아래의 수학식 16과 같이 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 4, the input impedance (Z in ) of the double-
[수학식 16]&Quot; (16) "
수학식 16으로부터, 공진 주파수에서의 영 위상 각(ZPA) 조건을 달성하기 위해서는 입력 임피던스의 허수 부분이 0이 되어야 함을 확인할 수 있다. From Equation (16), it can be confirmed that the imaginary part of the input impedance must be 0 in order to achieve the zero phase angle (ZPA) condition at the resonant frequency.
여기에서, 수학식 12에 따르면 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 CC 모드로 동작 시, 수학식 16의 등호 오른쪽에서 첫 번째 항의 허수 부분은 0이 됨을 확인할 수 있다. 따라서, 수학식 16의 등호 오른쪽에서 두 번째 항의 허수 부분만 0을 만족하면 되는데, 이를 위해 수학식 16의 등호 오른쪽의 두 번째 항을 자세히 나타내면 아래의 수학식 17과 같다.Here, according to Equation (12), when the double-
[수학식 17]&Quot; (17) "
여기에서, CC 모드의 공진 각주파수(angular resonant frequency)가 아래의 수학식 18 및 19를 만족하는 경우, 수학식 17은 실수 부분만 남게 됨을 확인할 수 있다.Here, when the angular resonant frequency of the CC mode satisfies the following equations (18) and (19), it can be confirmed that only the real part remains in the equation (17).
[수학식 18]&Quot; (18) "
[수학식 19]&Quot; (19) "
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리 정전류 충전을 수행하기 위해서는, LCC 공진 탱크(120)가 상술한 수학식 11, 12, 18 및 19를 만족하도록 설계되어야 하며, 이때, CC 모드 공진 각주파수는 아래의 수학식 20과 같이 나타낼 수 있다.Accordingly, in order for the double-
[수학식 20]&Quot; (20) "
이하에서는, 도 5a 내지 도 7을 참조하여, 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전압 충전을 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 구현방법에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to FIG. 5A to FIG. 7, a description will be made of a method of implementing the double-
도 5a 및 도 5b는 도 2b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 등가 회로를 간략하게 나타낸 도면이고, 도 6 및 도 7은 입력 임피던스의 변화에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 등가 회로를 간략하게 나타낸 도면이다.FIGS. 5A and 5B are simplified views of an equivalent circuit of the double-sided LCC converter according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 2B. FIG. 6 and FIG. 1 is a diagram schematically showing an equivalent circuit of a double-sided LCC converter according to a first embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 상술한 바와 같이 배터리 충전 장치에 포함되어 정전압(CV) 충전 방식으로 배터리 충전을 실현할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 전압원(voltage source)으로 동작하여 출력단에 연결되는 배터리의 정전압 충전을 수행할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전압 충전을 수행할 수 있는데, 이를 위한 LCC 공진 탱크(120)의 구현방법을 설명하기 전에 아래의 수학식 21과 같이 LCC 공진 탱크(120)의 1차측 및 2차측의 각 공진 구성요소들이 동일한 값을 갖는 것으로 가정하기로 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 특징 중 하나는 전압 이득이 거의 유니티(unity)하다는 것인데, 이러한 특징으로부터 1차측 코일(124)의 자체 인덕턴스는 2차측 코일(125)의 자체 인덕턴스와 동일함을 알 수 있다(L1=L2).As described above, the double-
[수학식 21]&Quot; (21) "
또한, 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리 정전압 충전을 수행하기 위한 LCC 공진 탱크(120)의 구현방법에 대하여 설명할 수 있도록, 도 5a와 같이 도 2b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 등가 회로를 간략하게 나타냈으며, 도 5a의 등가 회로에 Υ-Δ 변환을 적용하여 도 5(b)와 같이 보다 간략하게 도시하였다. 이때, 도 5a 및 도 5b의 각 임피던스의 값은 아래의 수학식 22와 같다.In order to explain the method of implementing the LCC
[수학식 22]&Quot; (22) "
이러한 도 5b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 등가 회로에 키르히호프 법칙을 적용할 수 있으며, 그 결과 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 전압 이득은 아래의 수학식 23과 같이 나타낼 수 있다.The Kirchhoff law can be applied to the equivalent circuit of the double-
[수학식 23]&Quot; (23) "
수학식 23에 따르면, CV 모드의 공진 각주파수(angular resonant frequency)에서 아래의 수학식 24를 만족하는 경우, 전압 이득 GV는 부하 저항 RAC와 무관하게 일정하게 산출됨을 확인할 수 있다. According to Equation 23, when the following Equation 24 is satisfied in the angular resonant frequency of the CV mode, it can be confirmed that the voltage gain G V is constant regardless of the load resistance R AC .
[수학식 24]&Quot; (24) "
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 아래의 수학식 25 또는 26을 만족하도록 구현되는 경우, CV 모드 주파수 조건 하에서 전압원으로서 동작할 수 있으며, 결과적으로는 출력단에 연결되는 배터리의 정전압 충전이 가능하다.That is, the double-
[수학식 25]&Quot; (25) "
[수학식 26]&Quot; (26) "
한편, 수학식 25에 따라 도 5b에서 Z13=0인 경우, 도 5b는 도 6과 같이 다시 그려질 수 있다. 이와 같은 경우, LCC 공진 탱크(120)의 임피던스는 와 같이 산출될 수 있고, 입력 임피던스는 아래의 수학식 27과 같이 나타낼 수 있다.On the other hand, according to Equation (25), when Z 13 = 0 in FIG. 5B, FIG. 5B can be redrawn as shown in FIG. In this case, the impedance of the
[수학식 27]&Quot; (27) "
여기에서, 수학식 22 및 23에 따르면, Z12, Za 및 Zb는 모두 허수를 포함하는 복소수임을 확인할 수 있다. 따라서, Zb 를 jK로 대체하여, Z13=0인 경우의 입력 임피던스를 아래의 수학식 28과 같이 허수 부분과 진수 부분으로 나누어 나타낼 수 있다. Here, according to equations (22) and (23), it can be confirmed that Z 12 , Z a and Z b are both complex numbers including imaginary numbers. Therefore, by replacing Z b with jK, the input impedance in the case of Z 13 = 0 can be expressed as an imaginary part and an imaginary part, as shown in the following equation (28).
[수학식 28]&Quot; (28) "
여기에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전압 충전을 수행하기 위해서는, 수학식 28에 개시된 입력 임피던스의 허수 부분이 0이 되어야 함을 확인할 수 있다. 즉, 수학식 28에서 K, 즉, Zb 가 0인 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 공진 주파수에서의 영 위상 각(ZPA) 조건을 달성할 수 있다. 그러나, Zb 가 0이 되는 경우, 전력은 부하로 전달될 수 없다. Here, in order for the double-
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 정전압 충전을 수행하기 위해서는 수학식 25 또는 26을 만족하여야 하는데, 수학식 25에 개시된 조건을 만족하도록 구현되는 경우, 영 위상 각(ZPA) 조건을 달성할 수 없다. 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 수학식 26에 따라 도 5b에서 Z13=-2Za 인 경우, 도 5b는 도 7과 같이 다시 그려질 수 있다. 이와 같은 경우, 입력 임피던스는 아래의 수학식 29와 같이 나타낼 수 있다.As described above, the double-
[수학식 29]&Quot; (29) "
수학식 29에서 허수 부분은 아래의 수학식 30과 같이 나타낼 수 있다.The imaginary part in Equation (29) can be expressed as Equation (30) below.
[수학식 30]&Quot; (30) "
여기에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전압 충전을 수행하기 위해서는, 수학식 30에 개시된 입력 임피던스의 허수 부분이 0이 되어야 한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전압 충전을 수행하기 위해서는, CV 모드의 공진 각주파수에서 A1 및 A2 가 0이 되는 아래의 수학식 31을 만족할 수 있도록 구현되어야 한다.Here, in order for the double-
[수학식 31]&Quot; (31) "
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리 정전압 충전을 수행하기 위해서는, 상술한 수학식 26 및 31을 만족하도록 구현되어야 한다.As described above, in order for the double-
이하에서는, 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 구현방법에 대하여 설명하기로 한다. Hereinafter, a method of implementing the double-
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 구현방법을 설명하기 위한 순서도이다.8 is a flowchart illustrating a method of implementing a two-sided LCC converter according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 무선 충전을 지원하는 배터리 충전 장치용 컨버터로, 입력 전압(Vin)을 유도 전력 전송 방식으로 변환하여 출력 부하(Ro), 즉, 배터리로 전달할 수 있으며, 특히, 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 배터리의 정전류/정전압 충전을 실현할 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 입력단과 연결되는 풀브릿지 인버터(110) 및 출력 부하(Ro)와 연결되는 부하 네트워크(140)와, 풀브릿지 인버터(110)와 부하 네트워크(140) 사이에서 전압 변환을 수행하는 LCC 공진 탱크(120)를 포함할 수 있다. 이때, LCC 공진 탱크(120)와 부하 네트워크(140) 사이에는 정류 브릿지(130)가 마련될 수 있다. 여기서, LCC 공진 탱크(120)는 하나의 공진 인덕터와 두 개의 공진 커패시터로 구성되는 공진 탱크가 각각 1차측 및 2차측의 양측에 마련된 형태일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 이러한 LCC 공진 탱크(120)에 의해 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 정전류 및 정전압 충전을 수행할 수 있으므로, 양면 LCC 컨버터(1000)의 구성요소 중 LCC 공진 탱크(120)의 구현방법을 중점적으로 설명하기로 한다.The two-
도 8을 참조하면, 먼저, LCC 공진 탱크(120)에 포함되는 공진 소자들의 크기 및 손실을 고려하여 정전류 모드 주파수(fCC)를 선택할 수 있다(800). 일반적으로, 무선 충전기용 컨버터의 스위칭 주파수는 20kHz 내지 95kHz 사이에서 선택되며, 이하, 정전류 모드 주파수(fCC)를 68kHz로 하여 설명하기로 한다.Referring to FIG. 8, the constant current mode frequency f CC may be selected 800 considering the size and loss of the resonant elements included in the LCC
그리고, 충전기의 설치 환경에 따라 제한되는 코일의 크기(dimension) 및 무게(weight)의 제한 사항에 기반하여 1차측 코일(124) 및 2차측 코일(125)의 상호 인덕턴스(M), 1차측 및 2차측 자체 인덕턴스(L1, L2)를 설정할 수 있다(810).The mutual inductance M of the
그리고, 1차측 공진 인덕터(121)의 인덕턴스(L1p) 및 2차측 공진 인덕터(128)의 인덕턴스(L1s)를 설정할 수 있다(820). 1차측 공진 인덕터(121)의 인덕턴스(L1p) 및 2차측 공진 인덕터(128)의 인덕턴스(L1s)는 두 값이 동일하다는 가정 하에 상술한 수학식 11에 따라 산출될 수 있다. 수학식 11에 따르면 1차측 공진 인덕터(121)의 인덕턴스(L1p) 및 2차측 공진 인덕터(128)의 인덕턴스(L1s)는 1차측 코일(124) 및 2차측 코일(125)의 상호 인덕턴스(M), 1차측 및 2차측 자체 인덕턴스(L1, L2), 입력 전압, 출력 전류 및 정전류 모드 주파수에 기반하여 설정될 수 있다.The inductance L 1p of the primary
그리고, 제2 1차측 공진 커패시터(123)의 커패시턴스(C2p) 및 제2 2차측 공진 커패시터(127)의 커패시턴스(C2s)를 설정할 수 있다(830). 제2 1차측 공진 커패시터(123)의 커패시턴스(C2p) 및 제2 2차측 공진 커패시터(127)의 커패시턴스(C2s)는 각각 상술한 수학식 12 및 18에 의해 산출될 수 있다. 수학식 12 및 18에 따르면, 제2 1차측 공진 커패시터(123)의 커패시턴스(C2p) 및 제2 2차측 공진 커패시터(127)의 커패시턴스(C2s)는 각각 1차측 공진 인덕터(121)의 인덕턴스(L1p) 및 2차측 공진 인덕터(128)의 인덕턴스(L1s)와 정전류 모드 주파수에 기반하여 설정될 수 있다.The capacitance C 2p of the second primary-side
그리고, 제1 1차측 공진 커패시터(122)의 커패시턴스(C1p) 및 제1 2차측 공진 커패시터(126)의 커패시턴스(C1s)를 설정할 수 있다(840). 제1 1차측 공진 커패시터(122)의 커패시턴스(C1P) 및 제1 2차측 공진 커패시터(126)의 커패시턴스(C1s)는 상술한 수학식 20에 의해 산출될 수 있다. The capacitance C 1p of the first primary
이와 같은 단계를 거쳐 산출되는 값으로 LCC 공진 탱크(120)를 구현하는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 정전류 충전을 수행할 수 있다.When the
여기에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 정전류 충전뿐만 아니라 정전압 충전을 수행할 수 있도록 위와 같은 단계에서 산출한 LCC 공진 탱크(120)의 파라미터들을 검증할 수 있다. 즉, LCC 공진 탱크(120)의 파라미터들이 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 정전압 충전 조건을 만족시키는지 여부를 확인할 수 있다(850). 이때, LCC 공진 탱크(120)의 파라미터들이 수학식 26 및 31를 만족시키는지 여부를 확인할 수 있으며, 그 결과, 수학식 26 및 31을 만족시키면 해당 LCC 공진 탱크(120)의 파라미터들에 따라 LCC 공진 탱크(120)를 구현할 수 있으며(860), 그 반대의 경우 1차측 코일(124) 및 2차측 코일(125)의 상호 인덕턴스(M), 1차측 및 2차측 자체 인덕턴스(L1, L2)를 다시 설정할 수 있다(810). Here, the double-
본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 구현방법으로는, 이와 같이 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 정전류 및 정전압 충전의 실현이 가능하도록 LCC 공진 탱크(120)의 파라미터들을 설정한 뒤 그에 따라 LCC 공진 탱크(120)를 구현하며, LCC 공진 탱크(120)의 1차측은 입력 전원을 전달하는 풀브릿지 인버터(110)와 연결하고, LCC 공진 탱크(120)의 2차측은 정류 브릿지(130) 및 부하 네트워크(140)와 연결할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 LCC 공진 탱크(120)의 1차측과 2차측 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행할 수 있으며, 특히, 배터리의 정전류 충전을 위한 정전류 모드로 동작 시, 정전압 충전을 위한 정전압 모드로 동작 시 각각 고정된 주파수 조건 하에서 동작함으로써, 그 제어가 용이하고 전체적으로 안정성을 높일 수 있다.The method of implementing the double-
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 구현방법에 따른 경우, 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서의 정전류/정전압 충전이 가능한지 여부를 검증하기로 한다. Hereinafter, according to a method of implementing the double-
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 입력 임피던스에 따른 트랜스컨덕턴스(transconductance) 이득 및 전압 이득을 측정한 일 예를 나타낸 도면이다.9A and 9B are views illustrating an example of measuring transconductance gain and voltage gain according to the input impedance of the double-sided LCC converter according to an embodiment of the present invention.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 아래의 표 2와 같은 조건의 무선 충전기에 적용되는 경우를 예로 들어, 도 8에 도시된 순서도에 따라 LCC 공진 탱크(120)의 파라미터들을 산출하여 양면 LCC 컨버터(1000)를 구현하였으며, 입력 임피던스(Zin)에 따른 트랜스컨덕턴스 이득을 측정하여 도 9a와 같은 그래프가 산출하였고, 입력 임피던스(Zin)에 따른 전압 이득을 측정하여 도 9b와 같은 그래프를 산출하였다.First, a double-
도 9a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 정전류 모드 주파수인 fCC(68kHz)에서 동작하는 경우, 트랜스컨덕턴스 이득(GI)는 부하 저항(Ro)의 크기와 무관하게 일정하고, 이때, 영 위상 각(ZPA) 조건을 달성함을 확인할 수 있다.9A, when the double-
또한, 도 9b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 정전압 모드 주파수인 fCV(79.1kHz)에서 동작하는 경우, 전압 이득은 부하 저항(Ro)의 크기와 무관하게 일정하고, 이때, 영 위상 각(ZPA) 조건을 달성함을 확인할 수 있다.9B, when the double-
이하에서는, 도 10 및 도 11을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000) 구현 시 고려하여야 할 점에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 10 and 11, a description will be given of considerations in implementing the double-
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터의 배터리 충전 프로필 및 배터리의 등가 임피던스의 일 예를 나타낸 도면이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터에 적용되는 유도 전력 전송 패드의 일 예를 도시한 도면이다.FIG. 10 is a view showing an example of a battery charging profile and equivalent impedance of a battery of a double-sided LCC converter according to an embodiment of the present invention. Fig. 2 is a view showing an example of a transmission pad.
본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 무선 코일들과 LCC 공진 탱크(120)를 포함하여 구성되어, 도 10에 도시된 바와 같이 출력단에 연결된 배터리의 정전류/정전압 충전을 실현할 수 있다.The double-
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)에 있어서, 유도 전력 전송 패드는 중요한 역할을 수행하는데, 전체적인 효율이 결합 계수(k) 및 코일의 큐 인자(quality factor)에 따라 결정되기 때문이다. 일반적으로, 결합 계수(k)는 패드 면적 및 에어 갭 간의 비(ratio), 턴 수, ferrite 바의 수에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 유도 전력 전송 패드는 높은 결합 계수(k) 및 최소 부피 및 무게의 큐 인자를 갖도록 설계되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 11과 같은 DD 타입의 유도 전력 전송 패드는 이러한 조건을 충족시킬 수 있으며, 아울러, 가장 높은 기본 플럭스 패스 길이를 가져, 수평의 어긋남에 대해 내성이 있다. In the double-
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 15.A의 충전 전류로 정전류 충전을 수행하는 경우, LCC 공진 탱크(120)의 공진 인덕터들의 크기는 수학식 11에 따라 아래의 수학식 32와 같이 산출될 수 있다.Meanwhile, when the double-
[수학식 32](32)
수학식 32에 따르면, 공진에 의해 LCC 공진 탱크(120)의 공진 인덕터들에 꽤 높은 전압이 걸리기 때문에, 에어 코어가 LCC 공진 탱크(120)의 공진 인덕터로 사용되는 것이 바람직하다. 그렇지 않은 경우, LCC 공진 탱크(120)의 공진 인덕터의 크기가 매우 커질 수 있다. It is preferable that the air core is used as the resonant inductor of the LCC
이하에서는, 도 12a 내지 도 15를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 유리한 효과를 검증하기로 한다.Hereinafter, the advantageous effects of the double-
도 12a 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 유리한 효과를 설명하기 위한 도면이다.12A to 15 illustrate advantageous effects of the double-
먼저, 도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 정전류 충전을 수행하기 위한 정전류 모드로 동작 시 나타나는 파형의 두 가지 예를 도시한 도면으로, 이때, 입력 전압은 400V로 설정하였다. 12A and 12B are diagrams showing two examples of waveforms when the double-
도 12a를 참조하면, 67.5kHz의 정전류 모드 주파수로 동작 시, 출력 전력은 3.9kW, 출력 전류(Io)는 15.7A로 일정함을 확인할 수 있으며, 도 12b를 참조하면, 68.3kHz의 정전류 모드 주파수로 동작 시, 출력 전력은 6.6kW, 출력 전류(Io)는 15.7A로 일정함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 12A, it can be seen that, when operating at a constant current mode frequency of 67.5 kHz, the output power is 3.9 kW and the output current I 0 is constant at 15.7 A. Referring to FIG. 12 b, when operating in the frequency, the output power can be confirmed that the schedule to 6.6kW, the output current (I o) is 15.7A.
도 12a 및 도 12b에 따르면, 두 경우 모두 정전류 모드 주파수로 동작 시, 스위치 소자들의 영전압 스위칭(ZVS) 및 영전류 스위칭(ZCS) 조건을 달성할 수 있음을 확인할 수 있는데, 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서 정전류 충전을 수행하기 때문이다. 12A and 12B, it can be seen that the ZVS and ZCS conditions of the switching elements can be achieved in both cases when operating at a constant current mode frequency, This is because the double-
한편, 도 12a 및 도 12b에 따르면 출력 전력이 증가(3.9kW->6.6kW) 함에 따라 출력 전류(Io)를 일정하게 하기 위해 동작 주파수가 약간 변화하는데, 이러한 변화는 FHA 및 공진 소자들에서의 저항의 방치로 인해 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)에 작은 오류를 발생시킬 수 있다. 그러나, 이러한 문제점은 간단한 PI 제어의 폐쇄 루프를 적용하여 쉽게 해결할 수 있다. 결과적으로는, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 정전류 충전을 위한 정전류 모드로 동작 시, 고정된 주파수 조건 하에서의 동작이 가능하다.12A and 12B, as the output power increases (3.9 kW-> 6.6 kW), the operating frequency slightly changes in order to keep the output current I 0 constant. This change is caused by the FHA and the resonance elements
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 정전압 충전을 수행하기 위한 정전압 모드로 동작 시 나타나는 파형의 두 가지 예를 도시한 도면으로, 이때, 입력 전압은 400V로 설정하였다.FIGS. 13A and 13B illustrate two examples of waveforms when a double-
도 13a를 참조하면, 77.5kHz의 정전압 모드 주파수로 동작 시, 출력 전력은 5.88kW, 출력 전압(Vo)은 420V로 일정함을 확인할 수 있으며, 도 13b를 참조하면, 76.8kHz의 정전압 모드 주파수로 동작 시, 출력 전력은 2.52kW, 출력 전압(Vo)은 420V로 일정함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 13A, it can be seen that, when operating at a constant voltage mode frequency of 77.5 kHz, the output power is 5.88 kW and the output voltage (V o ) is constant at 420 V. Referring to FIG. 13B, , It can be confirmed that the output power is 2.52 kW and the output voltage (V o ) is constant at 420 V.
도 13a 및 도 13b에 따르면, 두 경우 모두 정전압 모드 주파수로 동작 시, 스위치 소자들의 영전압 스위칭(ZVS) 조건만을 달성할 수 있음을 확인할 수 있는데, 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)가 보다 높은 전압 이득을 얻기 위해 공진 주파수(77kHz)보다 낮은 주파수 조건 하에서 동작하여, 유도성 영역에서 동작하기 때문이다. 13A and 13B, it can be seen that, in both cases, only the ZVS condition of the switching elements can be achieved when operating at the constant voltage mode frequency. This is because the double-sided LCC converter according to the embodiment of the present invention (1000) operates under frequency conditions below the resonant frequency (77 kHz) to obtain a higher voltage gain, operating in an inductive region.
반면, 도 14a 및 도 14b를 참조하면, 각각 78.6kHz 및 79.4kHz의 정전압 모드 주파수로 동작 시, 스위치 소자들이 영전압 스위칭(ZVS) 및 영전류 스위칭(ZCS) 조건을 모두 달성할 수 있음을 확인할 수 있다. 이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 정전압 충전을 위한 정전압 모드로 동작 시, 고정된 주파수 조건 하에서의 동작이 가능하며, 결과적으로는 정전압 모드 주파수를 조절함으로써 스위치 소자들의 영전압 스위칭(ZVS) 및 영전류 스위칭(ZCS) 조건을 만족시킬 수 있다.14A and 14B, it can be seen that when operating at constant voltage mode frequencies of 78.6 kHz and 79.4 kHz, the switch elements can achieve both zero voltage switching (ZVS) and zero current switching (ZCS) conditions . As described above, the double-
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 가장 큰 장점은 부하의 변화와 무관하게 고정 주파수 조건 하에서 정전류 및 정전압 충전을 수행할 수 있으므로, 제어가 간단하며 충전기의 안정성을 보장할 수 있다.As described above, the most significant advantage of the double-
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)의 서로 다른 출력 조건 하에서의 효율을 확인할 수 있다. 도 15에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 정전류 모드로 동작 시 6.6kW의 출력 전력에서 96.1%의 최대 효율을 가짐을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 LCC 컨버터(1000)는 정전압 모드로 동작 시 입력 전압이 420V인 경우 입력 전압이 400V인 경우 보다 더 나은 효율을 보임을 확인할 수 있는데, 이는 영 위상 각(ZPA) 조건 하에서 완벽한 공진이 이루어지기 때문이다.Referring to FIG. 15, the efficiency of the double-
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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be possible.
1000: 양면 LCC 컨버터
121: 1차측 공진 인덕터
110: 풀브릿지 인버터
122: 제1 1차측 공진 커패시터
120: LCC 공진 탱크
123: 제2 1차측 공진 커패시터
130: 정류 브릿지
124: 1차측 코일
140: 부하 네트워크
125: 2차측 코일
126: 제1 2차측 공진 커패시터
127: 제2 2차측 공진 커패시터
128: 2차측 공진 인덕터1000: Double-sided LCC converter 121: Primary side resonant inductor
110: full bridge inverter 122: first primary resonant capacitor
120: LCC resonant tank 123: second primary resonant capacitor
130: rectifier bridge 124: primary coil
140: load network 125: secondary coil
126: first secondary resonance capacitor
127: second secondary resonance capacitor
128: secondary resonant inductor
Claims (15)
하나의 공진 인덕터와 두개의 공진 커패시터로 동일하게 구성되는 1차측 공진 탱크 및 2차측 공진 탱크를 포함하고, 상기 1차측 공진 탱크가 상기 풀브릿지 인버터와 연결되어 상기 입력 전압을 전달받아, 상기 1차측 공진 탱크와 상기 2차측 공진 탱크 간의 유도 전력 전송 방식의 전압 변환을 수행하는 LCC 공진 탱크;
상기 2차측 공진 탱크와 연결되어 상기 2차측 공진 탱크로부터 전달받는 출력 전압을 정류하는 정류 브릿지; 및
상기 정류 브릿지와 연결되어 정류된 출력 전압을 전달 받는 부하 네트워크를 포함하는 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터.A full bridge inverter connected to an input power source for supplying an input voltage and having first to fourth switches;
Wherein the primary resonance tank is connected to the full bridge inverter and receives the input voltage, the primary side resonance tank is connected to the full bridge inverter, and the primary side resonance tank is connected to the full- An LCC resonance tank for performing voltage conversion of an inductive power transmission system between the resonance tank and the secondary resonance tank;
A rectifying bridge connected to the secondary resonance tank for rectifying an output voltage received from the secondary resonance tank; And
And a load network coupled to the rectifying bridge for receiving a rectified output voltage.
상기 LCC 공진 탱크는,
상기 풀브릿지 인버터와 연결되는 1차측 공진 인덕터, 상기 1차측 공진 인덕터와 연결되는 제1 1차측 공진 커패시터 및 제2 1차측 공진 커패시터, 상기 제1 1차측 공진 커패시터 및 상기 제2 1차측 공진 커패시터와 연결되는 1차측 코일로 구성되는 1차측 공진 탱크 및 상기 정류 브릿지와 연결되는 2차측 공진 인덕터, 상기 2차측 공진 인덕터와 연결되는 제1 2차측 공진 커패시터 및 제2 2차측 공진 커패시터, 상기 제1 2차측 공진 커패시터 및 상기 제2 2차측 공진 커패시터와 연결되는 2차측 코일로 구성되는 2차측 공진 탱크를 포함하는 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터.The method according to claim 1,
In the LCC resonance tank,
A first primary resonant capacitor and a second primary resonant capacitor; a first primary resonant inductor connected to the full bridge inverter; a first primary resonant capacitor and a second primary resonant capacitor connected to the primary resonant inductor; Side resonance capacitor and a second secondary resonance capacitor connected to the secondary-side resonance inductor, a second secondary-side resonance capacitor connected to the secondary-side resonance inductor, a second secondary-side resonance capacitor connected to the secondary-side resonance inductor, Side resonant capacitor, and a secondary-side resonant tank composed of a secondary-side coil connected to the second secondary-side resonant capacitor.
상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 자체 인덕턴스는 동일하게 설정되는 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터.3. The method of claim 2,
Wherein the self inductance of the primary coil and the secondary coil is set to be the same.
상기 LCC 공진 탱크는,
고정 주파수인 정전류 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 상기 부하 네트워크의 변화와 무관하게 일정한 크기의 전류를 출력하는 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터.The method according to claim 1,
In the LCC resonance tank,
Sided LCC converter for a wireless charger that outputs a constant magnitude current regardless of changes in the load network when operating under constant current mode frequency conditions of fixed frequency.
상기 LCC 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 양면 LCC 컨버터.5. The method of claim 4,
In the LCC resonance tank,
Side LCC for a wireless charger that achieves the zero phase angle condition of the input impedance and performs the switching operation under the soft switching condition when the first switch and the fourth switch provided in the full bridge inverter are operated under the constant current mode frequency condition, Converter.
상기 LCC 공진 탱크는,
고정 주파수인 정전압 모드 주파수 조건 하에서 동작하는 경우, 상기 부하 네트워크의 변화와 무관하게 일정한 크기의 전압을 출력하는 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터.The method according to claim 1,
In the LCC resonance tank,
Sided LCC converter for a wireless charger that outputs a constant magnitude of voltage regardless of the change in the load network when operating under a constant frequency frequency condition.
상기 LCC 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 양면 LCC 컨버터.The method according to claim 6,
In the LCC resonance tank,
Way LCC for a wireless charger in which the first switch to the fourth switch provided in the full bridge inverter performs a switching operation under soft switching conditions when operating under the constant voltage mode frequency condition, Converter.
상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 크기 및 손실을 고려하여 상기 출력단으로 일정한 크기의 전류를 출력하기 위한 정전류 모드로 동작 시 동작 주파수인 정전류 모드 주파수를 설정하고,
상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 크기 및 무게에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스를 설정하고,
상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 정전류 모드 주파수, 상기 입력단으로부터 공급 받는 입력 전압 및 출력하고자 하는 출력 전류의 크기에 따라 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스를 산출하며,
산출한 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따르면 상기 출력단으로 일정한 크기의 전압을 출력하기 위한 정전압 모드로 동작 시 동작 주파수인 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족하는지 여부를 검증하고, 그 결과에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따른 상기 LCC 공진 탱크를 구현하는 것을 포함하는 무선 충전기용 양면 LCC 공진 컨버터의 구현방법.And an LCC resonance tank configured to perform voltage conversion of the induction power transfer system between the resonance tank of the primary side and the resonance tank of the primary side including the primary side coil and the secondary side coil, respectively, constituted by one resonance inductor and two resonance capacitors Side LCC resonant converter for a wireless charger that transmits a voltage of an input terminal connected to the primary resonance tank to an output terminal connected to the secondary resonance tank,
A constant current mode frequency which is an operating frequency in a constant current mode for outputting a constant current to the output terminal in consideration of the size and loss of the resonant elements included in the LCC resonant tank,
The mutual inductance of the primary coil and the secondary coil, the self-inductance of each of the primary coil and the secondary coil is set according to the size and weight of the primary coil and the secondary coil,
And the output currents of the primary coil and the secondary coil, the inductance of each of the primary coil and the secondary coil, the constant current mode frequency, the input voltage supplied from the input terminal, Calculates an inductance or a capacitance of the resonant elements included in the LCC resonant tank,
According to the inductance or the capacitance of the resonance elements included in the LCC resonance tank, the input impedance of the LCC resonance tank is set to be in the constant voltage mode for operating the constant voltage mode for outputting a constant voltage to the output terminal. Resonance tank according to the self inductance of each of the primary coil and the secondary coil and the inductance or capacitance of the resonance elements included in the LCC resonance tank according to the result of the verification Lt; RTI ID = 0.0 > LCC < / RTI > resonant converter for a wireless charger.
상기 1차측 공진 탱크는 상기 입력단에 마련되며, 제1 스위치 내지 제4 스위치를 포함하여 상기 입력 전압을 상기 LCC 공진 탱크로 전달하는 풀브릿지 인버터와 연결하는 것을 더 포함하는 무선 충전기용 양면 LCC 공진 컨버터의 구현방법.9. The method of claim 8,
Wherein the primary side resonance tank further comprises a first bridge to a fourth bridge, and the first side resonance tank is connected to a full bridge inverter that is provided at the input end and includes the first to fourth switches to transfer the input voltage to the LCC resonance tank. / RTI >
상기 2차측 공진 탱크는 상기 출력단에 마련되며, 제1 다이오드 내지 제4 다이오드를 포함하여 상기 LCC 공진 탱크의 출력을 정류하는 정류 브릿지와 연결하는 것을 더 포함하는 무선 충전기용 양면 LCC 공진 컨버터의 구현방법.10. The method of claim 9,
Wherein the secondary side resonance tank further comprises a first diode to a fourth diode and is connected to a rectifying bridge for rectifying the output of the LCC resonance tank. .
상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 크기 및 무게에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스를 설정하는 것은,
상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스가 같은 값을 갖도록 설정하는 것인 무선 충전기용 양면 LCC 공진 컨버터의 구현방법.9. The method of claim 8,
Setting the mutual inductance of the primary coil and the secondary coil, and the self inductance of each of the primary coil and the secondary coil according to the size and weight of the primary coil and the secondary coil,
Wherein the self-inductance of each of the primary coil and the secondary coil is set to have the same value.
상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 정전류 모드 주파수, 상기 입력단으로부터 공급 받는 입력 전압 및 출력하고자 하는 출력 전류의 크기에 따라 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스를 산출하는 것은,
상기 정전류 모드 주파수 조건 하에서, 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족할 수 있도록 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스를 산출하는 것인 무선 충전기용 양면 LCC 공진 컨버터의 구현방법.9. The method of claim 8,
And the output currents of the primary coil and the secondary coil, the inductance of each of the primary coil and the secondary coil, the constant current mode frequency, the input voltage supplied from the input terminal, The calculation of the inductance or the capacitance of the resonance elements included in the LCC resonance tank,
Wherein the inductance or capacitance of the resonant elements included in the LCC resonant tank is calculated so as to satisfy the zero phase angle condition of the input impedance of the LCC resonant tank under the constant current mode frequency condition. Way.
상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 크기 및 손실을 고려하여 상기 출력단으로 일정한 크기의 전류를 출력하기 위한 정전류 모드로 동작 시 동작 주파수인 정전류 모드 주파수를 설정하는 것은,
고정 주파수인 상기 정전류 모드 주파수를 설정하는 것인 무선 충전기용 양면 LCC 공진 컨버터의 구현방법.9. The method of claim 8,
Setting a constant current mode frequency which is an operation frequency in a constant current mode for outputting a constant magnitude current to the output terminal in consideration of size and loss of resonant elements included in the LCC resonant tank,
And setting the constant current mode frequency to be a fixed frequency.
산출한 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따르면 상기 출력단으로 일정한 크기의 전압을 출력하기 위한 정전압 모드로 동작 시 동작 주파수인 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족하는지 여부를 검증하는 것은,
고정 주파수인 상기 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족하는지 여부를 검증하는 것인 무선 충전기용 양면 LCC 공진 컨버터의 구현방법.9. The method of claim 8,
According to the inductance or the capacitance of the resonance elements included in the LCC resonance tank, the input impedance of the LCC resonance tank is set to be in the constant voltage mode for operating the constant voltage mode for outputting a constant voltage to the output terminal. To verify whether the phase angle condition is satisfied,
And verifies whether the zero phase angle condition of the input impedance of the LCC resonance tank is satisfied under the constant voltage mode frequency condition that is a fixed frequency.
검증 결과에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따른 상기 LCC 공진 탱크를 구현하는 것은,
검증 결과 산출한 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스가 상기 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족시키는 경우, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스, 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스에 따른 상기 LCC 공진 탱크를 구현하는 것이며, 그 반대의 경우 상기 LCC 공진 탱크에 포함되는 공진 소자들의 인덕턴스 또는 커패시턴스가 상기 정전압 모드 주파수 조건 하에서 상기 LCC 공진 탱크의 입력 임피던스의 영 위상 각 조건을 만족시킬 때까지 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 크기 및 무게에 따라 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일의 상호 인덕턴스, 상기 1차측 코일 및 상기 2차측 코일 각각의 자체 인덕턴스를 설정하는 단계를 반복 수행하는 것을 포함하는 무선 충전기용 양면 LCC 공진 컨버터의 구현방법.
9. The method of claim 8,
According to the verification result, implementing the LCC resonance tank according to the self inductance of each of the primary side coil and the secondary side coil, and the inductance or capacitance of the resonance elements included in the LCC resonance tank,
When the inductance or capacitance of the resonance elements included in the LCC resonance tank calculated as a result of the verification satisfies the zero phase angle condition of the input impedance of the LCC resonance tank under the constant voltage mode frequency condition, The inductance or the capacitance of the resonant elements included in the LCC resonant tank is equal to or greater than the inductance or capacitance of the resonant elements included in the LCC resonant tank, The mutual inductance of the primary coil and the secondary coil, and the inductance of the primary coil and the secondary coil, depending on the size and weight of the primary coil and the secondary coil, until the zero phase angle condition of the input impedance of the LCC resonant tank is satisfied. Side coils and the secondary coils themselves Lt; RTI ID = 0.0 > LCC < / RTI > resonant converter for a wireless charger comprising repeating the step of setting the inductance.
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