KR20170093014A - 대용량 고전력밀도 ev 탑재형 충전기를 위한 pfc 회로 장치 - Google Patents

대용량 고전력밀도 ev 탑재형 충전기를 위한 pfc 회로 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치로서, 외부로부터 입력되는 상용 교류 전원을 정류하여 입력 전압(Vin)을 생성하는 정류 회로부; DCM(Discontinuous Conduction Mode) 기반으로 설계된 인덕터를 구비하고, 상기 정류 회로부에서 생성한 입력 전압(Vin)을 역률이 보상된 직류 전원으로 승압하는 PFC 컨버터; 및 상기 PFC 컨버터의 구동을 제어하기 위한 제어신호를 생성하고, 상기 PFC 컨버터의 구동을 CCM(Continuous Conduction Mode) 모드로 제어하기 위한 CCM 제어기를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치에 따르면, PFC 컨버터에 구비되는 인덕터를 페라이트 재질을 사용하여 DCM 기반 인덕터로 설계하고, CCM 제어기에서 PFC 컨버터를 CCM 모드로 스위칭 제어할 수 있도록 구성함으로써, 기존 CCM PFC 제어 방식에 DCM PFC 하드웨어 설계가 반영되어 EMI 성능이 개선됨은 물론, PFC 인덕터 사이즈를 줄여 대용량 충전기의 설계에서 충전기 사이즈를 소형 콤팩트한 EV 탑재형 충전기로 구현하는 것이 가능하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, DCM PFC 성능과 CCM PFC 성능을 만족하는 PFC 설계로 구성됨으로써, 기존 CCM 제어기를 사용하기 위해 L 값이 매우 커져야 하는 문제로 부품 사이즈가 L 값에 비례하여 커지고, 그에 따른 충전기 사이즈가 커지는 문제를 해소하면서도, EMI 필터의 설계가 용이하고, 스위칭 손실이 적으며, 회로 기생성분에 의한 영향이 최소화되고, PFC 인덕터의 사이즈가 소형으로 설계될 수 있도록 할 수 있다.

Description

대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치{A PFC CIRCUIT DEVICE FOR HIGH-POWER, HIGH-POWER DENSITY EV ON-BOARD CHARGER}
본 발명은 PFC(Power Factor Correction) 회로 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 대용량 고전력밀도 EV(Electric Vehicle) 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치에 관한 것이다.
일반적으로 일반 차량은 주행에 필요한 구동력을 전적으로 석유 연료(가솔린이나 경유)의 연소를 통해 얻고 있다. 친환경차는 석유 연료 이외의 에너지원(전기)을 사용하여 구동력의 일부분 내지 전부를 생성하는 차량을 말하며, 일반 차량에 비해 연비가 높으면서도 배출가스가 적은 장점이 있다. 이러한 친환경차들 중에서 전기 자동차는 주행용 모터에 전기를 공급하는 고전압 배터리를 구비하며, 고전압 배터리는 급속 충전기 통해 급속 충전되거나 또는 차량 내에 장착되는 완속 충전기(OBC; On-Board Charger)를 통해 일반 교류 전원에 연결되어 충전이 이루어지게 된다.
도 1은 종래의 전기 차량용 배터리 충전 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 전기 차량용 배터리 충전 장치는 상용 전원(10)을 공급받아 배터리(30)에 충전하는 완속 충전기(20)로 구성될 수 있다. 여기서, 완속 충전기(20)는 AC 정류기(21)와 AC/DC 컨버터(22)와 고압 링크 커패시터(23) 및 DC/DC 컨버터(24)를 포함하여 구성됨이 일반적이다. 여기서, AC/DC 컨버터(22)는 AC 정류기(21)에서 정류하여 출력하는 전압의 역률 개선(PFC: Power Factor Correction)을 담당하고, 고압 링크 커패시터(23)는 AC/DC 컨버터(22)의 출력 전압을 안정된 DC 전력으로 변환하며, DC/DC 컨버터(24)는 충전 제어를 위한 변압기를 구비하고, 배터리(30)에 충전 가능한 전압으로 변환하여 배터리(30)를 충전시키는 역할을 하게 된다.
이와 같은 종래의 전기 차량용 배터리 충전 장치를 위한 전기 자동차 탑재형 충전기, 즉 완속 충전기(20) 개발에 있어 핵심 기술로 PFC 기술이 사용되고 있다. 완속 충전기(20)에서 역률 개선(PFC) 역할을 담당하는 AC/DC 컨버터(22)에서는 스위치의 스위칭 손실이 작고, 기생공진 제거를 위한 스너버 회로가 없으며, 주파수가 고정되고 스위칭 손실이 적으며, 스위치의 기생성분에 영향이 적도록 하는 고효율화의 필수 요소와, 마그네틱의 사이즈가 작고, 제어기가 단순하며, 보조회로의 사이즈가 작고, 주손실 소자가 작으며, 구조가 간단하도록 하는 고밀도화의 필수 요소, 및 EMI와 EMC에 대응이 용이한 OBC로서의 기능이 요구되고 있다. 그러나 기존의 DCM(Discontinuous Current Mode) PFC 설계 기술은 PFC 인덕터 사이즈를 크게 줄일 수 있는 장점이 있으나, EMI 성능이 나빠 대용량의 전기 자동차(EV) 충전기 응용에서는 사용되지 못하는 문제가 있었다. 또한, 기존의 OBC에서 CCM(Continuous Current Mode) 제어기를 사용하기 위해서는 L 값이 매우 커지게 되고, 부품 사이즈가 L 값에 비례하여 충전기가 커지게 되는 문제가 있었다. 대한민국 등록특허공보 제10-1558770호는 차량용 충전 장치를 개시하고, 대한민국 등록특허공보 제10-1449305호는 차량용 파워컨트롤 모듈을 선행기술 문헌으로 개시하고 있다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, PFC 컨버터에 구비되는 인덕터를 페라이트 재질을 사용하여 DCM 기반 인덕터로 설계하고, CCM 제어기에서 PFC 컨버터를 CCM 모드로 스위칭 제어할 수 있도록 구성함으로써, 기존 CCM PFC 제어 방식에 DCM PFC 하드웨어 설계가 반영되어 EMI 성능이 개선됨은 물론, PFC 인덕터 사이즈를 줄여 대용량 충전기의 설계에서 충전기 사이즈를 소형 콤팩트한 EV 탑재형 충전기로 구현하는 것이 가능하도록 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, DCM PFC 성능과 CCM PFC 성능을 만족하는 PFC 설계로 구성됨으로써, 기존 CCM 제어기를 사용하기 위해 L 값이 매우 커져야 하는 문제로 부품 사이즈가 L 값에 비례하여 커지고, 그에 따른 충전기 사이즈가 커지는 문제를 해소하면서도, EMI 필터의 설계가 용이하고, 스위칭 손실이 적으며, 회로 기생성분에 의한 영향이 최소화되고, PFC 인덕터의 사이즈가 소형으로 설계될 수 있도록 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치는,
대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치로서,
외부로부터 입력되는 상용 교류 전원을 정류하여 입력 전압(Vin)을 생성하는 정류 회로부;
DCM(Discontinuous Conduction Mode) 기반으로 설계된 인덕터를 구비하고, 상기 정류 회로부에서 생성한 입력 전압(Vin)을 역률이 보상된 직류 전원으로 승압하는 PFC 컨버터; 및
상기 PFC 컨버터의 구동을 제어하기 위한 제어신호를 생성하고, 상기 PFC 컨버터의 구동을 CCM(Continuous Conduction Mode) 모드로 제어하기 위한 CCM 제어기를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 정류 회로부는,
4개의 스위칭 다이오드 소자의 연결로 구성되는 풀 브리지(Full Bridge) 형태의 브리지다이오드(BD)를 포함하여 구성할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 정류 회로부는,
상기 브리지 다이오드(BD)의 입력 단으로 입력되는 상용 교류 전원의 연결 접속을 단속하기 위한 릴레이(Relay)를 더 포함하여 구성할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 상용 교류 전원은,
90[Vac] 이상 250[Vac] 이하의 크기를 갖는 교류 전원으로 구성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 PFC 컨버터는,
상기 정류 회로부의 브리지다이오드(BD)의 출력 단에 직렬 접속되는 노멀 필터(Ln);
상기 노멀 필터(Ln)에 직렬 접속되는 제1 인덕터(Lp1);
상기 제1 인덕터(Lp1)에 직렬 접속되는 제1 다이오드(D1);
상기 노멀 필터(Ln)에 직렬 접속되는 제1 인덕터(Lp1)와 병렬 접속되는 제2 인덕터(Lp2);
상기 제2 인덕터(Lp2)에 직렬 접속되는 제2 다이오드(D2);
상기 노멀 필터(Ln)와 병렬 접속된 제1 및 제2 인덕터(Lp1, Lp2) 사이에 병렬 접속되는 입력 커패시터(Cin);
상기 제1 인덕터(Lp1)와 직렬 접속된 제1 다이오드(D1) 사이에 연결 접속되어 스위칭 동작을 수행하는 제1 스위칭 소자(M1);
상기 제2 인덕터(Lp2)와 직렬 접속된 제2 다이오드(D2) 사이에 연결 접속되어 스위칭 동작을 수행하는 제2 스위칭 소자(M2); 및
상기 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)의 출력 단에 연결 접속되는 DC-링크 커패시터(Cb)를 포함하여 구성할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 노멀 필터(Ln)는,
상기 정류 회로부에서 정류하여 생성하는 입력 전압(Vin)에 포함된 EMI(Electro Magnetic Interference) 성분을 필터링 할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 제1 인덕터(Lp1)는,
DCM 기반 인덕터 설계로서, 열손실을 줄일 수 있는 페라이트(ferrite) 재질로 구성할 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 제1 인덕터(Lp1)는,
DCM 기반 인덕터로 열손실을 줄여줄 수 있는 페라이트 재질로 구성됨으로써, 기존 CCM 제어기를 사용하기 위해 인덕터 값(L value)이 커지고, 그에 따라 부품 사이즈가 인덕터 값에 비례하여 충전기 사이즈가 커지는 문제가 해소될 수 있도록 할 수 있다.
더더욱 바람직하게는, 상기 제1 인덕터(Lp1)는,
상기 CCM 제어기를 이용하되, 인덕터 값(L value)이 DCM 기반으로 작게 구현되도록 설계될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 제2 인덕터(Lp2)는,
DCM 기반 인덕터 설계로서, 열손실을 줄일 수 있는 페라이트(ferrite) 재질로 구성할 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 제2 인덕터(Lp1)는,
DCM 기반 인덕터로 열손실을 줄여줄 수 있는 페라이트 재질로 구성됨으로써, 기존 CCM 제어기를 사용하기 위해 인덕터 값(L value)이 커지고, 그에 따라 부품 사이즈가 인덕터 값에 비례하여 충전기 사이즈가 커지는 문제가 해소될 수 있도록 할 수 있다.
더더욱 바람직하게는, 상기 제2 인덕터(Lp1)는,
상기 CCM 제어기를 이용하되, 인덕터 값(L value)이 DCM 기반으로 작게 구현되도록 설계될 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 제1 및 제2 인덕터(Lp1, Lp2)는,
열손실을 줄일 수 있는 페라이트(ferrite) 재질의 DCM 기반 인덕터로 2개의 패스 경로를 구성할 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 제1 스위칭 소자(M1)는,
상기 CCM 제어기의 제어 하에, 상기 제1 인덕터(Lp1)와 제1 다이오드(D1) 사이에서 스위칭 온오프를 위한 전력용 반도체로 사용되는 MOSFET(Metal Oxide Filed Effect Transistor)로 구성할 수 있다.
더더욱 바람직하게는, 상기 제1 스위칭 소자(M1)는,
주파수가 고정되고, 스위칭 손실이 적으며, 스위치의 기생성분에 영향이 최소화될 수 있도록 병렬 접속되는 기생 다이오드를 더 포함하여 구성될 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 제2 스위칭 소자(M2)는,
상기 CCM 제어기의 제어 하에, 상기 제2 인덕터(Lp2)와 제2 다이오드(D2) 사이에서 스위칭 온오프를 위한 전력용 반도체로 사용되는 MOSFET(Metal Oxide Filed Effect Transistor)로 구성할 수 있다.
더더욱 바람직하게는, 상기 제2 스위칭 소자(M1)는,
주파수가 고정되고, 스위칭 손실이 적으며, 스위치의 기생성분에 영향이 최소화될 수 있도록 병렬 접속되는 기생 다이오드를 더 포함하여 구성될 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 DC-링크 커패시터(Cb)는,
상기 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)에서 출력되는 전압에서 발생하는 변동 전력(fluctuating power)을 필터링할 수 있다.
더더욱 바람직하게는, 상기 DC-링크 커패시터(Cb)는,
상기 DC-링크 커패시터 양단에서 측정되는 전압이 PFC 컨버터의 출력 전압으로 할 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 CCM 제어기는,
상기 제1 스위칭 소자(M1)와 제2 스위칭 소자(M2)를 평균전류모드(average current mode) 방식으로 각각 스위칭 제어할 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 PFC 컨버터는,
인터리브 부스트(Interleaved Boost) PFC 컨버터로 차량용 충전기(OBC; On-Board Charger)에 적용될 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치에 따르면, PFC 컨버터에 구비되는 인덕터를 페라이트 재질을 사용하여 DCM 기반 인덕터로 설계하고, CCM 제어기에서 PFC 컨버터를 CCM 모드로 스위칭 제어할 수 있도록 구성함으로써, 기존 CCM PFC 제어 방식에 DCM PFC 하드웨어 설계가 반영되어 EMI 성능이 개선됨은 물론, PFC 인덕터 사이즈를 줄여 대용량 충전기의 설계에서 충전기 사이즈를 소형 콤팩트한 EV 탑재형 충전기로 구현하는 것이 가능하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, DCM PFC 성능과 CCM PFC 성능을 만족하는 PFC 설계로 구성됨으로써, 기존 CCM 제어기를 사용하기 위해 L 값이 매우 커져야 하는 문제로 부품 사이즈가 L 값에 비례하여 커지고, 그에 따른 충전기 사이즈가 커지는 문제를 해소하면서도, EMI 필터의 설계가 용이하고, 스위칭 손실이 적으며, 회로 기생성분에 의한 영향이 최소화되고, PFC 인덕터의 사이즈가 소형으로 설계될 수 있도록 할 수 있다.
도 1은 종래의 전기 차량용 배터리 충전 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치의 구성을 기능블록으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치의 정류 회로부의 구성을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치의 회로 구성을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치의 PFC 인덕터 전류 파형을 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’ 되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’ 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’ 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치의 구성을 기능블록으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치의 정류 회로부의 구성을 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치의 회로 구성을 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치의 PFC 인덕터 전류 파형을 도시한 도면이다. 도 2 내지 도 4에 각각 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치(100)는, 정류 회로부(110), PFC 컨버터(120), 및 CCM 제어기(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
정류 회로부(110)는, 외부로부터 입력되는 상용 교류 전원을 정류하여 입력 전압(Vin)을 생성하는 구성이다. 이러한 정류 회로부(110)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 4개의 스위칭 다이오드 소자의 연결로 구성되는 풀 브리지(Full Bridge) 형태의 브리지다이오드(111)를 포함하여 구성할 수 있다. 또한, 정류 회로부(110)는 브리지 다이오드(BD)(111)의 입력 단으로 입력되는 상용 교류 전원의 연결 접속을 단속하기 위한 릴레이(Relay)(112)를 더 포함하여 구성할 수 있다. 여기서, 상용 교류 전원은 90[Vac] 이상 250[Vac] 이하의 크기를 갖는 교류 전원을 입력으로 할 수 있다.
PFC 컨버터(120)는, DCM(Discontinuous Conduction Mode) 기반으로 설계된 인덕터를 구비하고, 정류 회로부(110)에서 생성한 입력 전압(Vin)을 역률이 보상된 직류 전원으로 승압하는 구성이다. 이러한 PFC 컨버터(120)는 도 4에 도시된 바와 같이, 정류 회로부(110)의 브리지다이오드(111)의 출력 단에 직렬 접속되는 노멀 필터(121)와, 노멀 필터(121)에 직렬 접속되는 제1 인덕터(122)와, 제1 인덕터(122)에 직렬 접속되는 제1 다이오드(123)와, 노멀 필터(121)에 직렬 접속되는 제1 인덕터(122)와 병렬 접속되는 제2 인덕터(124)와, 제2 인덕터(124)에 직렬 접속되는 제2 다이오드(125)와, 노멀 필터(121)와 병렬 접속된 제1 및 제2 인덕터(122, 124) 사이에 병렬 접속되는 입력 커패시터(126)와, 제1 인덕터(122)와 직렬 접속된 제1 다이오드(123) 사이에 연결 접속되어 스위칭 동작을 수행하는 제1 스위칭 소자(127)와, 제2 인덕터(125)와 직렬 접속된 제2 다이오드(125) 사이에 연결 접속되어 스위칭 동작을 수행하는 제2 스위칭 소자(128), 및 제1 및 제2 다이오드(123, 125)의 출력 단에 연결 접속되는 DC-링크 커패시터(129)를 포함하는 회로로 구성될 수 있다.
노멀 필터(121)는 정류 회로부(110)에서 정류하여 생성하는 입력 전압(Vin)에 포함된 EMI(Electro Magnetic Interference) 성분을 필터링 하는 역할을 수행한다. 또한, 제1 인덕터(122)는 DCM 기반 인덕터 설계로서, 열손실을 줄일 수 있는 페라이트(ferrite) 재질로 구성할 수 있다. 즉, 제1 인덕터(122)는 DCM 기반 인덕터로 열손실을 줄여줄 수 있는 페라이트 재질로 구성됨으로써, 기존 CCM 제어기를 사용하기 위해 인덕터 값(L value)이 커지고, 그에 따라 부품 사이즈가 인덕터 값에 비례하여 충전기 사이즈가 커지는 문제가 해소될 수 있도록 할 수 있다. 이러한 제1 인덕터(122)는 후술하게 될 CCM 제어기(130)를 이용하되, 인덕터 값(L value)이 DCM 기반으로 작게 구현되도록 설계될 수 있게 된다.
또한, 제2 인덕터(124)는 DCM 기반 인덕터 설계로서, 열손실을 줄일 수 있는 페라이트(ferrite) 재질로 구성할 수 있다. 즉, 제2 인덕터(124)는 DCM 기반 인덕터로 열손실을 줄여줄 수 있는 페라이트 재질로 구성됨으로써, 기존 CCM 제어기를 사용하기 위해 인덕터 값(L value)이 커지고, 그에 따라 부품 사이즈가 인덕터 값에 비례하여 충전기 사이즈가 커지는 문제가 해소될 수 있도록 할 수 있으며, 이러한 제2 인덕터(124)는 CCM 제어기(130)를 이용하되, 인덕터 값(L value)이 DCM 기반으로 작게 구현되도록 설계될 수 있게 된다.
즉, PFC 컨버터(120)는 인터리브 부스트(Interleaved Boost) PFC 컨버터로 차량용 충전기(OBC; On-Board Charger)에 적용되는 구성으로, 제1 및 제2 인덕터(122, 124)는 열손실을 줄일 수 있는 페라이트(ferrite) 재질의 DCM 기반 인덕터로 2개의 패스 경로를 구성할 수 있다.
또한, 제1 스위칭 소자(127)는 CCM 제어기(130)의 제어 하에, 제1 인덕터(122)와 제1 다이오드(123) 사이에서 스위칭 온오프를 위한 전력용 반도체로 사용되는 MOSFET(Metal Oxide Filed Effect Transistor)로 구성될 수 있다. 또한, 제1 스위칭 소자(127)는 주파수가 고정되고, 스위칭 손실이 적으며, 스위치의 기생성분에 영향이 최소화될 수 있도록 병렬 접속되는 기생 다이오드를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 제2 스위칭 소자(128)는 CCM 제어기(130)의 제어 하에, 제2 인덕터(124)와 제2 다이오드(125) 사이에서 스위칭 온오프를 위한 전력용 반도체로 사용되는 MOSFET(Metal Oxide Filed Effect Transistor)로 구성될 수 있다. 또한, 제2 스위칭 소자(M1)(128)는 주파수가 고정되고, 스위칭 손실이 적으며, 스위치의 기생성분에 영향이 최소화될 수 있도록 병렬 접속되는 기생 다이오드를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, DC-링크 커패시터(129)는 제1 및 제2 다이오드(123,125)에서 출력되는 전압에서 발생하는 변동 전력(fluctuating power)을 필터링하는 역할을 하며, DC-링크 커패시터(129) 양단에서 측정되는 전압이 PFC 컨버터(120)의 출력 전압이 된다.
CCM 제어기(130)는, PFC 컨버터(120)의 구동을 제어하기 위한 제어신호를 생성하고, PFC 컨버터(120)의 구동을 CCM(Continuous Conduction Mode) 모드로 제어하기 위한 구성이다. 이러한 CCM 제어기(130)는 제1 스위칭 소자(127)와 제2 스위칭 소자(128)를 평균전류모드(average current mode) 방식으로 각각 스위칭 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치의 PFC 인덕터 전류 파형을 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, PFC 인덕터의 전류 파형은 PFC 컨버터(120)의 제1 및 제2 인덕터(122, 124)가 열손실을 줄일 수 있는 페라이트 재질로 DCM 기반 인덕터로 설계되어 구성되고, PFC 컨버터(120)가 CCM 제어기(130)에 의해 CCM 모드로 제어되어 구동됨에 따라 인덕터에서 측정된 파형이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치는, DCM PFC 성능과 CCM PFC 성능을 모두 갖춘 PFC 설계 구성으로, 구체적으로 PFC 컨버터의 인덕터를 페라이트 재질을 사용하여 열손실을 줄인 소형의 DCM 기반 인덕터로 설계하고, CCM 제어기에서 PFC 컨버터를 CCM 모드 방식으로 스위칭 제어할 수 있도록 함으로써, 기존 CCM PFC 제어 방식에 DCM PFC 하드웨어 설계가 반영되어 EMI 성능이 개선됨은 물론, PFC 인덕터 사이즈를 줄여 대용량 충전기의 설계에서 충전기 사이즈를 소형 콤팩트한 EV 탑재형 충전기로 구현하는 것이 가능하고, 또한 EMI 필터의 설계가 용이하고, 스위칭 손실이 적으며, 회로 기생성분에 의한 영향이 최소화될 수 있는 성능 개선이 가능하도록 하는 고효율화와 고밀도화 및 OBC로서의 성능이 향상될 수 있도록 한다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 본 발명의 일실시예에 따른 PFC 회로 장치
110: 정류 회로부 111: 브리지 다이오드(BD)
112: 릴레이 120: PFC 컨버터
121: 노멀 필터(Ln) 122: 제1 인덕터(Lp1)
123: 제1 다이오드(D1) 124: 제2 인덕터(Lp2)
125: 제2 다이오드(D2) 126: 입력 커패시터(Cin)
127: 제1 스위칭 소자(M1) 128: 제2 스위칭 소자(M2)
129: DC-링크 커패시터(Cb) 130: CCM 제어기

Claims (21)

  1. 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치(100)로서,
    외부로부터 입력되는 상용 교류 전원을 정류하여 입력 전압(Vin)을 생성하는 정류 회로부(110);
    DCM(Discontinuous Conduction Mode) 기반으로 설계된 인덕터를 구비하고, 상기 정류 회로부(110)에서 생성한 입력 전압(Vin)을 역률이 보상된 직류 전원으로 승압하는 PFC 컨버터(120); 및
    상기 PFC 컨버터(120)의 구동을 제어하기 위한 제어신호를 생성하고, 상기 PFC 컨버터(120)의 구동을 Average Current 모드로 제어하기 위한 CCM 제어기(130)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정류 회로부(110)는,
    4개의 스위칭 다이오드 소자의 연결로 구성되는 풀 브리지(Full Bridge) 형태의 브리지다이오드(BD)(111)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 정류 회로부(110)는,
    상기 브리지 다이오드(BD)(111)의 입력 단으로 입력되는 상용 교류 전원의 연결 접속을 단속하기 위한 릴레이(Relay)(112)를 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 상용 교류 전원은,
    90[Vac] 이상 250[Vac] 이하의 크기를 갖는 교류 전원인 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 PFC 컨버터(120)는,
    상기 정류 회로부(110)의 브리지다이오드(BD)(111)의 출력 단에 직렬 접속되는 노멀 필터(Ln)(121);
    상기 노멀 필터(Ln)(121)에 직렬 접속되는 제1 인덕터(Lp1)(122);
    상기 제1 인덕터(Lp1)(122)에 직렬 접속되는 제1 다이오드(D1)(123);
    상기 노멀 필터(Ln)(121)에 직렬 접속되는 제1 인덕터(Lp1)(122)와 병렬 접속되는 제2 인덕터(Lp2)(124);
    상기 제2 인덕터(Lp2)(124)에 직렬 접속되는 제2 다이오드(D2)(125);
    상기 노멀 필터(Ln)(121)와 병렬 접속된 제1 및 제2 인덕터(Lp1, Lp2)(122, 124) 사이에 병렬 접속되는 입력 커패시터(Cin)(126);
    상기 제1 인덕터(Lp1)(122)와 직렬 접속된 제1 다이오드(D1)(123) 사이에 연결 접속되어 스위칭 동작을 수행하는 제1 스위칭 소자(M1)(127);
    상기 제2 인덕터(Lp2)(125)와 직렬 접속된 제2 다이오드(D2)(125) 사이에 연결 접속되어 스위칭 동작을 수행하는 제2 스위칭 소자(M2)(128); 및
    상기 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)(123, 125)의 출력 단에 연결 접속되는 DC-링크 커패시터(Cb)(129)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 노멀 필터(Ln)(121)는,
    상기 정류 회로부(110)에서 정류하여 생성하는 입력 전압(Vin)에 포함된 EMI(Electro Magnetic Interference) 성분을 필터링 하는 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 인덕터(Lp1)(122)는,
    DCM 기반 인덕터 설계로서, 열손실을 줄일 수 있는 페라이트(ferrite) 재질로 구성하는 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 인덕터(Lp1)(122)는,
    DCM 기반 인덕터로 열손실을 줄여줄 수 있는 페라이트 재질로 구성됨으로써, 기존 CCM 제어기를 사용하기 위해 인덕터 값(L value)이 커지고, 그에 따라 부품 사이즈가 인덕터 값에 비례하여 충전기 사이즈가 커지는 문제가 해소될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 인덕터(Lp1)(122)는,
    상기 CCM 제어기(130)를 이용하되, 인덕터 값(L value)이 DCM 기반으로 작게 구현되도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  10. 제5항에 있어서, 상기 제2 인덕터(Lp2)(124)는,
    DCM 기반 인덕터 설계로서, 열손실을 줄일 수 있는 페라이트(ferrite) 재질로 구성하는 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2 인덕터(Lp1)(124)는,
    DCM 기반 인덕터로 열손실을 줄여줄 수 있는 페라이트 재질로 구성됨으로써, 기존 CCM 제어기를 사용하기 위해 인덕터 값(L value)이 커지고, 그에 따라 부품 사이즈가 인덕터 값에 비례하여 충전기 사이즈가 커지는 문제가 해소될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 인덕터(Lp1)(124)는,
    상기 CCM 제어기(130)를 이용하되, 인덕터 값(L value)이 DCM 기반으로 작게 구현되도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  13. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 인덕터(Lp1, Lp2)(122, 124)는,
    열손실을 줄일 수 있는 페라이트(ferrite) 재질의 DCM 기반 인덕터로 2개의 패스 경로를 구성하는 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  14. 제5항에 있어서, 상기 제1 스위칭 소자(M1)(127)는,
    상기 CCM 제어기(130)의 제어 하에, 상기 제1 인덕터(Lp1)(122)와 제1 다이오드(D1)(123) 사이에서 스위칭 온오프를 위한 전력용 반도체로 사용되는 MOSFET(Metal Oxide Filed Effect Transistor)로 구성하는 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 스위칭 소자(M1)(127)는,
    주파수가 고정되고, 스위칭 손실이 적으며, 스위치의 기생성분에 영향이 최소화될 수 있도록 병렬 접속되는 기생 다이오드를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  16. 제5항에 있어서, 상기 제2 스위칭 소자(M2)(128)는,
    상기 CCM 제어기(130)의 제어 하에, 상기 제2 인덕터(Lp2)(124)와 제2 다이오드(D2)(125) 사이에서 스위칭 온오프를 위한 전력용 반도체로 사용되는 MOSFET(Metal Oxide Filed Effect Transistor)로 구성하는 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제2 스위칭 소자(M1)(128)는,
    주파수가 고정되고, 스위칭 손실이 적으며, 스위치의 기생성분에 영향이 최소화될 수 있도록 병렬 접속되는 기생 다이오드를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  18. 제5항에 있어서, 상기 DC-링크 커패시터(Cb)(129)는,
    상기 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)(123,125)에서 출력되는 전압에서 발생하는 변동 전력(fluctuating power)을 필터링하는 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 DC-링크 커패시터(Cb)(129)는,
    상기 DC-링크 커패시터(129) 양단에서 측정되는 전압이 PFC 컨버터(120)의 출력 전압인 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  20. 제5항에 있어서, 상기 CCM 제어기(130)는,
    상기 제1 스위칭 소자(M1)(127)와 제2 스위칭 소자(M2)(128)를 평균전류모드(average current mode) 방식으로 각각 스위칭 제어하는 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
  21. 제5항에 있어서, 상기 PFC 컨버터(120)는,
    인터리브 부스트(Interleaved Boost) PFC 컨버터로 차량용 충전기(OBC; On-Board Charger)에 적용되는 것을 특징으로 하는, 대용량 고전력밀도 EV 탑재형 충전기를 위한 PFC 회로 장치.
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