KR20180070447A - 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 ac- dc 컨버터 - Google Patents

단일단 인터리브드 소프트 스위칭 ac- dc 컨버터 Download PDF

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KR20180070447A
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최세완
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Abstract

본 기술은 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC- DC 컨버터가 개시된다. 본 발명의 구체적인 예에 따르면, 단일 방식의 인터리빙 PFC 회로에 의거하여 역률 제어 및 배터리 충전 및 전류를 통합 제어함에 따라 충전 장치의 효율 및 단가를 절감할 수 있고, 기존의 전해 캐패시터 대신 필름형 캐패시터를 이용함에 따라 전력 밀도 및 내구성을 향상시킬 수 있으며, 리플이 작아 스위칭 손실을 감소할 수 있고, 필터부의 부피를 줄일 수 있다. 또한 변압기의 저주파 성분을 제거하여 자화 전류를 작게 설계할 수 있고 부피를 줄일 수 있으며 변압기의 권선 수에 따라 대전력의 충전이 가능하다.

Description

단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC- DC 컨버터{SINGLE STAGE INTERLEAVED SWITCHING AC-DC CONVERTER}
본 발명은 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC- DC 컨버터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인터리빙 PFC 회로를 이용하여 역률 제어 및 배터리 충전 및 전류를 통합 제어함에 따라 충전 장치의 효율 및 단가를 절감할 수 있고, 기존의 전해 캐패시터 대신 필름형 캐패시터를 이용함에 따라 전력 밀도 및 내구성을 향상시킬 수 있으며, 리플이 작아 스위칭 손실을 감소할 수 있고, 필터부의 부피를 줄일 수 있으며, 변압기의 저주파 성분을 제거하여 자화 전류를 작게 설계할 수 있고 부피를 줄일 수 있으며 변압기의 권선 수에 따라 대전력의 충전이 가능한 기술에 관한 것이다.
전기 차량을 실용화하기 위한 연구가 근래 들어 활발하게 진행되고 있다. 전기 차량은 외부로부터 전기 에너지를 공급받아 이를 배터리에 충전한 후, 배터리에 충전된 전압으로 차륜과 결합된 모터를 통해 기계적 에너지인 동력을 얻는다.
즉, 전기 차량은 배터리에 충전된 전압으로 모터를 구동시켜야 하기 때문에 대용량의 충전식 배터리를 사용하며, 이러한 대용량의 충전식 배터리를 충전하기 위한 배터리 충전장치를 구비하고 있다.
배터리 충전장치는 충전시간에 따라 급속 충전기와 완속 충전기로 구분된다. 급속 충전기는 주유소와 같이 주행 중 긴급하게 충전하기 위한 장소에 설치되고 충전시간은 약 20분 정도 소요된다. 반면, 완속 충전기는 주차장이나 쇼핑몰 등 장시간 주차가 예상되는 장소에 설치되고 충전시간은 약 5시간 정도 소요된다.
이러한 배터리 충전장치는 상용전원 110V/220V의 AC 입력전압을 모두 사용하지 못하고 하나의 AC 입력전압(단일 입력)만을 사용할 수 있으며, 배터리 충전을 위해 출력되는 전압의 범위도 좁다.
뿐만 아니라, 기존의 차량 탑재용 충전기는 역률 개선용 PFC(Power Factor Correction) 회로와 DC-DC 컨버터르 구성된 2단 방식을 이루어지므로 고전력밀도, 높은 효율 및 저가 격화를 만족하기 위해 PFC 회로와 DC-DC 컨버터가 통합한 단일단 방식으로 고려할 수 있다.
기존의 단일단 방식으로는 DCM 과 CCM 방식으로 분류되며, 충전 용량이 소용량인 경우 DCM 방식의 플라이백과 포워드 컨버터를 이용하여 소자수가 적고 소프트 스위칭되므로 충전 효율이 높다. 그러나, 대용량의 경우 CCM 방식의 풀 브리지 컨버터가 사용되고 소프트 스위칭이 가능하나 변압기의 저주파 성분으로 변압기의 부피와 손실이 증가하는 문제점이 있었다.
이에 본 출원인은 CCM 방식으로 풀 브리지 컨버터와 인터리빙 PFC 회로 및 소프트 스위칭 기법으로 통해 대용량 충전기 가능하면서도 동시에 변압기의 저주파 성분을 상쇄할 수 있는 방안을 제안하고자 한다.
본 발명은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 단일 방식의 인터리빙 PFC 회로에 의거하여 역률 제어 및 배터리 충전 및 전류를 통합 제어함에 따라 충전 장치의 효율 및 단가를 절감할 수 있고, 기존의 전해 캐패시터 대신 필름형 캐패시터를 이용함에 따라 전력 밀도 및 내구성을 향상시킬 수 있으며, 리플이 작아 스위칭 손실을 감소할 수 있고, 필터부의 부피를 줄일 수 있는 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC- DC 컨버터를 제공하고자 함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 변압기의 저주파 성분을 제거하여 자화 전류를 작게 설계할 수 있고 부피를 줄일 수 있으며 변압기의 권선 수에 따라 대전력의 충전이 가능한 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC- DC 컨버터를 제공하고자 함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 스위칭부를 가지는 단일 방식의 인터리빙 PFC 회로를 복수의 상에 대해 확장성을 가지며 적어도 하나의 모듈로 제조할 수 있는 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC- DC 컨버터를 제공하고자 함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 과제는,
제1 내지 제4 다이오드로 구비되어 입력되는 교류 전원을 직류 형태의 전원으로 변환하는 정류부;
상기 정류부의 출력 단에 접속되고 단일 방식의 소프트 스위칭되어 역률 제어 및 배터리 충전 및 전류를 제어하는 인터리빙 PFC 회로;
인터리빙 PFC 회로의 출력측에 병렬로 접속되는 제3 코일 및 제4 코일로 구비되어 소정 주파수 성분을 제거하는 필터부;
상기 필터부의 제4 코일의 입력측과 출력측 사이에 필터부의 출력 전압을 권선비에 따라 승압하는 변압기;
상기 변압기의 출력측에 접속되어 상기 변압기의 승압된 교류 형태의 출력 전력을 정형시키는 정형부;
상기 정형부의 출력 전력을 캐패시터를 통해 충방전시켜 직류 형태의 링크 전압을 출력하고 출력된 링크 전압을 배터리로 전달하는 링크부; 및
상기 인터리빙 PFC 회로의 스위칭 소자를 제어하기 위한 스위칭신호를 생성하여 전달하여 배터리의 출력전압 및 전류를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 인터리빙 PFC 회로는 상기 정류부의 출력측에 병렬로 연결되어 정류부의 출력 전압의 역률을 보정하는 제1 코일 및 제2 코일을 포함하는 PFC부; 상기 제1 코일의 출력측과 정류부의 출력측 사이에 병렬로 접속되면 상보적으로 작동하는 제1 및 제 4스위칭 소자(S1, S4)와 제1 코일(L1)의 출력측과 정류부의 출력측 사이에 병렬로 접속되면 상보적으로 작동하는 제2 및 제3 스위칭 소자(S2, S3)를 포함하는 스위칭부; 및 상기 제2 스위칭 소자와 제3 스위칭 소자 사이에 캐패시터를 마련하여 클랭핑하는 클램핑부를 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 클램핑부는 전력 밀도와 내구성을 향상하기 위해 필름형으로 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)는 동일한 극성의 FET 및 다이오드로 구비되고, 상기 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)와 반대 극성을 가지는 상기 제3 스위칭 소자(S3) 및 제4 스위칭 소자(S4)는 동일한 극성의 FET 및 다이오드로 구비되며, 상기 제어부의 스위칭 신호에 의거하여 제1 스위칭 소자(S1)과 제4 스위칭 소자(S4)는 서로 상보적으로 동작되며 제2 스위칭 소자(S1)과 제3 스위칭 소자(S3)는 상보적으로 동작될 수 있다.
바람직하게 상기 정형부는 상기 변압기의 2차측 코일의 제1 출력측 및 제2 출력측에 접속되는 제5 다이오드(D5) 및 제7 다이오드(D7)가 각각 연결되어 배터리(Vbat)의 입력측에 접속되고, 배터리(Vbat)의 출력측과 변압기(400)의 2차측 코일의 제1 출력측과 제2 출력측 사이에 제6 다이오드(D6) 및 제8 다이오드(D8)가 연결될 수 있고, 상기 링크부는 상기 제5 다이오드(D5)와 제7 다이오드(D7)의 출력측과 제6 다이오드(D6) 및 제8 다이오드(D8)의 입력측 사이에 상기 제5 다이오드(D5) 내지 제8 다이오드(D8)의 출력 전압을 배터리(Vbat)로 링크시키는 캐패시터(Co)가 접속될 수 있다.
바람직하게 상기 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC-DC 컨버터는 확장하고자 하는 출력 상을 토대로 FC부의 코일의 수, 스위칭부의 스위칭 소자의 수, 변압기의 수, 및 정형부의 다이오드의 수를 설정하도록 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 확장된 상이 짝수 상인 경우 PFC부의 제1 코일 및 제2 코일을 커플링하는 커플러를 더 포함하고, 각 상에 대한 각 변압기는 2차측 제1 권선 코일의 타단과 제2 권선 코일의 일단이 접속되는 직렬과 2차측 제1 권선 코일의 일단과 제2 권선 코일의 일단이 접속되고 2차측 제1 권선 코일의 타단과 제2 권선 코일의 타단이 접속되는 병렬 중 하나로 구비되고, 상기 각 상에 대한 정형부는 각 상에 대한 변압기와 배터리 사이에 직렬 또는 병렬로 결합되며, 상기 각 상에 대한 링크부는 각 상에 대해 직렬 또는 병렬로 결합된 캐패시터로 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC- DC 컨버터는 복수의 단상 입력 모듈로 구비되고 각각의 단상 입력 모듈은 상호 직렬 및 병렬 형태 중 하나로 구비될 수 있고, 복수의 멀티 상 입력 모듈로 구비되고 이에 각 멀티 상 입력 모듈은 상호 직렬 및 병렬 중 하나로 구비될 수 있다.
본 발명에 따르면 단일 방식의 인터리빙 PFC 회로에 의거하여 역률 제어 및 배터리 충전 및 전류를 통합 제어함에 따라 충전 장치의 효율 및 단가를 절감할 수 있고, 기존의 전해 캐패시터 대신 필름형 캐패시터를 이용함에 따라 전력 밀도 및 내구성을 향상시킬 수 있으며, 리플이 작아 스위칭 손실을 감소할 수 있고, 필터부의 부피를 줄일 수 있는 효과를 가진다.
또한 본 발명에 의하면, 변압기의 저주파 성분을 제거하여 자화 전류를 작게 설계할 수 있고 부피를 줄일 수 있으며 변압기의 권선 수에 따라 대전력의 충전이 가능한 잇점을 가진다.
그리고, 기존의 입력된 교류 전원을 직류 형태로 변환하고 직류 형태를 직류 형태로 변환하는 PFC 단과 상기 PFC 단을 통과한 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 변압기로 전달하고 변압기의 교류 전원을 다시 직류 전원으로 변환하여 배터리로 충전하는 절연단을 가지는 2중 구조의 컨버터를 하나의 단으로 설계함에 따라, 부품의 수를 줄일 수 있고, 복수의 상에 대해 확장성을 가질 수 있으며, 하나의 모듈 형태의 제조가 가능하여 경박단소화가 가능하다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 장치의 개략적인 구성을 보인 도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 장치의 세부적인 구성을 보인 도이다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 장치의 동작 상태를 보인 도들이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 장치의 각 부의 출력 파형을 보인 도이다.
도 9 및 도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차의 충전 장치의 멀티 상으로 확장된 상태를 보인 도들이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차의 충전 장치의 인터리빙 PFC 회로가 원 칩의 모듈로 제조된 상태를 보인 도들이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.
따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 각 부의 세부적인 회로를 보인 도이며, 도 3 내지 도 7은 도 2에 도시된 전기 자동차용 충전 장치의 동작 과정을 설명하기 위한 도들이고, 도 8은 도 2에 도시된 각 부의 출력 파형을 보인 도이고, 도 9 및 도 10은 도 2에 도시된 충전 장치의 실시 예의 컨버터를 멀티 상에 대해 확장된 예시도이고, 도 11 내지 도 13은 도 9 및 도 10에 도시된 확장된 컨버터에 대한 변압기, 정형부, 및 링크부의 각 소자의 결합 상태를 보인 예시도이며, 도 14 및 도 15는 도 9 및 도 10에 도시된 확장된 컨버터를 하나의 모듈 형태의 원칩으로 제조된 상태를 보인 예시도들이다.
도 1 내지 도 15를 참조하면, 전기 자동차용 충전 장치는, 정류부(100), 인터리빙 PFC 회로(200), 필터부(300), 변압기(400), 링크부(500), 정형부(600), 및 제어부(700)로 구비될 수 있다.
정류부(100)는 입력되는 교류 전원을 전파 정류시키는 다이오드(D1-D4)를 포함하는 풀 브리지 회로로 구비될 수 있으며, 이러한 교류 전원을 전파 정류시키는 일련의 과정은 본 발명에 관련된 통상의 지식을 가진 자라면 이해될 수 있다.
그리고, 인터리빙 PFC 회로(200)는, 정류부(100)의 출력측에 병렬로 각각 연결된 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)로 구비되어 정류부(100)의 출력 전압의 역률을 보정하는 PFC부(210)과, 제1 코일(L1)에 각각 병렬로 접속되어 상보적으로 작동하는 제1 및 제 4스위칭 소자(S1, S4)와, 제2 코일(L1)의 출력측에 각각 병렬로 접속되어 상보적으로 작동하는 제2 및 제3 스위칭 소자(S2, S3)를 포함하는 스위칭부(220)의 구성을 갖춘다.
여기서, 상기 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)는 동일한 극성의 FET 및 다이오드로 구비될 수 있으며, 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)와 반대 극성을 가지는 상기 제3 스위칭 소자(S3) 및 제4 스위칭 소자(S4)는 동일한 극성의 FET 및 다이오드로 구비될 수 있다. 이에 따라 제어부(600)의 스위칭 신호에 의거하여 제1 스위칭 소자(S1)과 제4 스위칭 소자(S4)는 상호 상보적으로 동작되며 제2 스위칭 소자(S1)과 제3 스위칭 소자(S3)는 상보적으로 동작되어 스위칭 손실을 최소로 줄일 수 있다.
또한 인터리빙 PFC 회로(200)는, 스위칭부(220)의 제2 스위칭 소자(S2)와 제3 스위칭 소자 사이에 클램핑용 캐패시터(Cc)를 포함하는 클램핑부(230)를 더 포함할 수 있다. 이때 클램핑용 캐패시터(Cc)는 필름형으로 마련될 수 있다.
이에 제1 스위칭 소자 (S1) 내지 제4 스위칭 소자(S4)의 스위칭 작용에 따라 기존의 역률 제어 및 배터리의 출력 전압 및 전류를 단일단 방식으로 제어할 수 있고, 클램핑용 캐패시터(Cc)를 전해 대신에 필름으로 사용함에 따라 전력 밀도와 내구성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)의 출력측 사이에 직렬로 연결되어 상기 인터리빙 PFC 회로(100)의 출력 전압의 기 정해진 소정 주파수(통상 120 Hz) 성분을 제거하기 위한 필터부(300)는 인터리빙 PFC 회로(200)의 출력측에 연결되며, 이러한 필터부(300)는 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)의 출력측 사이에 직렬로 연결된 제3 코일 및 제4 코일(Lk)(Lm)의 구성을 갖춘다.
이러한 필터부(300)의 제4 코일(Lm)의 입력측과 출력측 사이에 필터부(300)의 출력 전압을 권선비에 따라 승압하는 변압기(400)가 연결된다. 여기서 권선비에 따라 필터부(300)의 출력 전압을 승압시켜 전달하는 변압기(400)는 본 발명에 관련된 통상의 지식을 가진 자라면 이해될 수 있다.
한편, 변압기(400)의 출력측에는 정형부(500)를 연결될 수 있으며, 링크부(500)는 제5 및 제8 다이오드(D5-D8)과 링크용 캐패시터(Co)를 포함하여 승압된 변압기(400)의 출력 전압을 베터리(Vbat)로 전달하는 동작을 수행한다.
즉, 정형부(500)는 변압기(400)의 2차측 코일의 제1 출력측 및 제2 출력측에 접속되는 제5 다이오드(D5) 및 제7 다이오드(D7)가 각각 연결되어 배터리(Vbat)의 입력측에 접속되고, 배터리(Vbat)의 출력측과 변압기(400)의 2차측 코일의 제1 출력측과 제2 출력측 사이에 제6 다이오드(D6) 및 제8 다이오드(D8)가 연결된다.
또한 링크부(600)는 상기 제5 다이오드(D5)와 제7 다이오드(D7)의 출력측과 제6 다이오드(D6) 및 제8 다이오드(D8)의 입력측 사이에 상기 제5 다이오드(D5) 내지 제8 다이오드(D8)의 출력 전압을 배터리(Vbat)로 링크시키는 캐패시터(Co)를 포함한다.
이에 변압기(400)의 2차측 출력 전압에 제공받은 제5 다이오드(D5) 내지 제8 다이오드(D8)는 상호 상보적으로 스위칭되어 이에 변압기(400)의 2차측 출력 전압이 배터리(Vbat)에 전달되는 것이 단속된다.
이하 입력되는 교류전원(AC)가 배터리(Vbat)에 충전되는 일련의 과정을 도 3 내지 도 8을 참조하여 설명한다.
우선 도 3 및 도 8을 참조하여 외부로부터 입력되는 교류 전원(AC)이 DC 형태의 출력 전압의 형태로 배터리(Vbat)에 공급되는 모드 1에 대해 설명한다.
도 8의 to -t1 구간에서 양의 교류 전원(AC)는 정형부(100)의 제 1 다이오드(D1), 인터리빙 PFC 회로(200)의 제1 코일(L1), 및 필터부(300)의 제3 코일(Lk) 및 제4 코일(Lm)을 순차 경유하여 인터리빙 PFC 회로(200)의 스위칭부(220)로 전달된다.
이때 도 8을 참조하면, 제어부(600)의 스위칭 신호에 의거하여 스위칭부(220)의 제2 스위칭 소자(S2)가 온 상태로 스위칭된다.
이에 필터부(300)의 출력 전압은 제2 스위칭소저(S2)를 경유한 후 정형부(100)의 제4 다이오드(D4)를 통해 교류 전원(AC)의 네거티브 단자로 전달된다. 이때 필터부(300)의 제3 코일(Lk) 및 제4 코일(Lm)에 흐르는 전류는 변압기(400)의 1차측에 전달되고 이에 변압기(400)에 의거 승압된 출력 전류는 링크부(500)의 제5 다이오드(D5)를 경유하여 링크용 캐패시터(Co)를 통해 배터리(Vbat)에 충전된다.
즉, 교류 전원(AC)은 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)에 의거하여 역률이 개선되어 스위칭 소자(S2)에 의거 소프트 스위칭이 가능한다.
이에 도 8을 참조하면, 모드 1의 구간 t0-t1 에서 제4 코일(Lk)에 흐르는 전류(iLk)는 일정한 기울기로 감소하고, 이때 제4 코일(Lk)에 흐르는 전류(iLk)와 제1 코일(L1)에 흐르는 전류 차가 제1 스위칭 소자(S1)에 공급되면서, 스위칭부(ZVC: 220)가 턴온 상태로 스위칭되고 링크부(ZCS: 500)가 턴오프됨을 확인할 수 있다.
이 후 도 8의 t1 - t2 구간에서 링크부(500)의 캐패시터(Co)의 방전으로 배터리(Vbat)의 충전이 완료되는 모드 2의 동작 과정은 도 4를 참조하여 설명한다.
링크부(500)의 캐패시터(Co)에 의거 링크된 출력 전압으로 배터리(Vbat)의 충전이 완료되면 링크부(400)의 제5 다이오드(D5)을 통과한 DC 형태의 출력 전압이 0이 된다.
변압기(400)의 출력 전압이 링크부(400)에 의거 차단되어 베터리(Vbat)로 전달되는 것이 차단된다. 이 후 양의 교류 전원(AC)은 음의 교류 전원으로 전환된다.
이에 도 8의 t1-t2 구간에서 제4 코일(Lk) 및 제4 코일(Lm)에 흐르는 전류는 일정하고 제어부(600)에 의거 제2 스위칭 소자(S2)가 턴오프됨을 확인할 수 있다.
도 8의 t2-t3 구간에서 배터리(Vbat)가 충전되는 모드 3에 대해 도 5를 참조하여 설명한다.
교류 전원(AC)은 정류부(100)의 제1 다이오드(D1) 및 PFC부(210)의 제1 코일(L1)을 경유하여 스위칭부(220)에 전달되고, 제어부(600)의 스위칭 신호에 의거 온 상태로 스위칭되는 제1 스위칭 소자(S1), 및 정류부(100)의 제4 다이오드(D4)를 경유하여 교류전원(AC)의 네거티브 단자로 전달된다.
한편, 배터리(Vbat)의 음의 전압(-)은 링크부(400)의 제6 다이오드(D6)를 경유하여 변압기(400)의 2차측으로 통해 제7 다이오드(D7)을 경유하여 캐패시터(Co)로 링크되고 캐패시터(Co)의 링크 전압은 배터리(Vbat)의 포지티브로 단자(+)로 공급된다.
이에 변압기(400)의 2차측으로 흐르는 전류에 의해 여기된 1차측의 출력 전압은 필터부(300)의 제3 코일(Lk)를 경유하여 스위칭부(220)의 제1 스위칭 소자(S1)에 전달된다.
제어부(600)의 스위칭 신호에 의거 턴 온상태로 스위칭되는 제1 스위칭 소자(S1), 및 제4 다이오드(D4)를 경유하여 교류 전원(AC)의 네거티브 단자로 공급된다.
또한, PFC부(220)의 제2 코일(L2)의 출력 전류는 제어부(600)의 스위칭 신호에 의거 턴온 상태로 스위칭되는 스위칭부(220)의 제3 스위칭 소자(S3)를 경유하여 클램핑부(230)의 캐패시터(Cc)에 충전된다.
이에 도 8의 t2-t3 구간에서 제2 스위칭 소자(S2)는 턴오프되고 제3 코일(Lk)의 전류가 일정한 경우 제3 코일(Lk)는 감소하고 제4 코일(Lm)의 전류는 배터리(Vbat)로 공급되는 전압에 의해 일정하게 감소되며 제3 스위칭 소자(S3)가 턴오프됨을 확인할 수 있다.
이 후 도 8의 t3-t4 구간에서 필터부(300)의 제3 코일(Lk)와 제4 코일(Lm)에 흐르는 전류량이 같은 경우 도 6및 도 8을 참조한다.
즉, 도 8의 t3-t4 구간에서 필터부(300)의 제3 코일(Lk)와 제4 코일(Lm)에 흐르는 전류가 같아지면, 교류 전원(AC)은 정류부(100)의 제1 다이오드(D1)를 경유하여 PFC부(2110)의 제1 코일(L1)을 통해 필터부(300)의 제3 코일(Lk)에 공급되고, 제1 다이오드(D1)를 경과한 정류부(100)의 출력 전압은 PFC부(210)의 제2 코일(L2)을 통해 필터부(300)의 제4 코일(Lm)에 공급된다.
이때 배터리(Vbat)의 음의 전압(-)은 링크부(400)의 제6 다이오드(D6)를 경유하여 변압기(400)의 2차측으로 통해 제7 다이오드(D7)을 경유하여 캐패시터(Co)로 링크되고 캐패시터(Co)의 링크 전압은 배터리(Vbat)의 포지티브로 단자(+)로 공급된다.
이에 변압기(400)의 1차측으로 흐르는 전류에 의해 여기된 1차측의 출력 전압은 필터부(300)의 제3 코일(Lk)를 경유하여 스위칭부(220)의 제1 스위칭 소자(S1)에 전달된다.
즉, 상기 제1 스위칭 소자(S1)로 공급되는 전류는 필터부(300)의 제3 코일(Lk) 및 제4 코일(Lm)에 의해 여기된 전류와 제1 코일(L1)의 전류가 가산된다.
한편, 제2 코일(L2)을 통과하여 제4 코일(Lm)으로 흐르는 전류는 제2 스위칭 소자(S2)에 공급된다.
이에 제어부(600)의 스위칭 신호에 의거하여 턴온 상태로 스위칭되는 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)를 경과한 PFC부(210)의 출력 전류는 제4 다이오드(D4)를 경유하여 교류 전원의 네거티브 단자로 전달된다.
이에 도 8의 t3-t4 구간에서 제3 코일(Lk)에 제1 다이오드(D1)의 출력 전압이 제공되어 제3 코일(iLk)에 흐르는 전류는 감소하여 제 4코일(iLm)에 흐르는 전류와 같아진다.
이 후 도 8의 t4-t5 구간에서 필터부(300)의 제3 코일(Lk)와 제4 코일(Lm)에 흐르는 전류가 같아지는 경우 배터리(Vbat)의 충전이 정지되는 일련의 과정은 도 7을 참조하여 설명한다.
즉, 필터부(300)의 제3 코일(Lk)와 제4 코일(Lm)에 흐르는 전류가 같아지면, 변압기(400)의 1차측에 흐르는 전류가 0이되므로, 베터리(Vbat)의 충전은 링크부(500)의 캐패시터(Co)에 의해 이루어진다.
이때 변압기(400)의 1차측으로 흐르는 전류에 의해 여기된 1차측의 출력 전압은 필터부(300)의 제3 코일(Lk)를 경유하여 스위칭부(220)의 제1 스위칭 소자(S1)에 전달된다.
이에 제1 스위칭 소자(S1)에 공급되는 출력 전압은 다이오드(D1)을 경유하여 공급되는 전압과 필터부(300)의 제3 코일(Lk)를 통과한 전압의 합으로 이루어진다. 한편, 제2 코일(L2)을 통과하여 제4 코일(Lm)으로 흐르는 전류는 제2 스위칭 소자(S2)에 공급된다.
이에 제어부(700)의 스위칭 신호에 의거하여 턴온 상태로 스위칭되는 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)를 경과한 PFC부(210)의 출력 전류는 제4 다이오드(D4)를 경유하여 교류 전원의 네거티브 단자로 전달된다.
도 8의 t4-t5 구간에서 제3 코일(Lk) 및 제4 코일(Lm)에 흐르는 전류량이 같으며 제1 스위칭 소자(S1)이 턴 오프됨을 확인할 수 있고, 이 후 교류 전원의 주기에 의해 반복 수행된다. 이때 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC-DC 컨버터에 대해 제어부(800)에서 스위칭부(120) 및 정형부(600)의 스위치 소자를 제어하기 위한 스위칭 신호를 생성하는 일련의 과정은 본 발명의 실시 예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서 설명 상의 편의를 위해 하나의 위상의 충전 장치를 예를 들어 설명하고 있으나, 도 9 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 위상차가 120도인 3 상 또는 그 이상의 충전 장치를 단일 입력의 구조의 인터리브 PFC 방식의 전기 자동차용 충전 장치로 구현 가능하다.
다수의 PFC부의 각 PFC부의 출력측에 접속된 다수의 스위칭부를 포함하며 다수의 스위칭부의 출력측 중 첫번째 상의 스위칭부의 출력측과 마지막 상의 스위칭부의 출력측 사이에 접속된 클램핑부를 포함하는 적어도 하나 이상의 인터리빙 PFC 회로와, 각각의 인터리빙 PFC 회로의 출력측에 각각 접속되는 정류부 및 클램핑부와, 상기 각 인터리빙 PFC 회로의 출력측에 연결된 적어도 하나의 필터부와, 각각의 필터부의 출력측에 접속되는 적어도 하나의 변압기를 포함할 수 있다.
이때 하나의 모듈로 구비된 적어도 하나의 인터리빙 PFC 회로를 이용하는 경우 전기 자동차의 충전 장치는 도 9에 도시된 바와 같이 단일 입력의 1상(3상, 4상, 등)씩 증가될 수 있고, 도 10에 도시된 바와 같이, 단일 입력에 대해 2상(4상, 6상 등)씩 증가될 수 있다.
즉, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC-DC 컨버터는 확장하고자 하는 출력 상을 토대로 PFC부(110)의 코일의 수, 스위칭부(120)의 스위치 소자의 수, 변압기의 수, 및 정형부의 다이오드의 수를 설정된다.
이에 도 10에 도시된 바와 같이, 확장된 상이 짝수(2상, 4상, 등) 상인 경우 PFC부의 제1 코일 및 제2 코일을 커플링하는 커플러를 더 포함하고, 도 11에 도시된 바와 같이, 각 상에 대한 각 변압기는 2차측 제1 권선 코일의 타단과 제2 권선 코일의 일단이 연결된 직렬 접속할 수 있고, 2차측 제1 권선 코일의 일단과 제2 권선 코일의 일단이 연결되고 2차측 제1 권선 코일의 타단과 제2 권선 코일의 타단이 연결된 병렬 접속할 수 있다.
또한 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 각 상에 대한 정형부는 각 상에 대한 변압기와 배터리 사이에 직렬 또는 병렬로 결합하도록 구비될 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 각 상에 대한 링크부는 각 상에 대한 직렬 또는 병렬로 결합된 캐패시터로 구비될 수 있다. 이에 본 발명은 단일 방식의 인터리빙 PFC 회로에 대해 복수의 상에 대해 확장성을 가지며 대전력의 충전을 수행할 수 있게 된다.
한편, 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC-DC 컨버터는 복수의 단상 입력 모듈로 구비될 수 있고, 각각의 단상 입력 모듈은 상호 직렬 및 병렬 형태 중 하나로 구비될 수 있고, 멀티 상 입력 모듈로 구비될 수 있으며 각 멀티 상 입력 모듈은 상호 직렬 및 병렬 중 하나로 구비될 수 있다. 이에 본 발명의 실시 예에 따른 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC-DC 컨버터에 대해 하나의 칩 형태의 모듈로 제작이 가능하다.
이에 본 발명에 의하면, 단일 방식의 인터리빙 PFC 회로에 의거하여 역률 제어 및 배터리 충전 및 전류를 통합 제어함에 따라 충전 장치의 효율 및 단가를 절감할 수 있고, 기존의 전해 캐패시터 대신 필름형 캐패시터를 이용함에 따라 전력 밀도 및 내구성을 향상시킬 수 있으며, 리플이 작아 스위칭 손실을 감소할 수 있고, 필터부의 부피를 줄일 수 있다. 또한 변압기의 저주파 성분을 제거하여 자화 전류를 작게 설계할 수 있고 부피를 줄일 수 있으며 변압기의 권선 수에 따라 대전력의 충전이 가능하다.
또한, 기존의 입력된 교류 전원을 직류 형태로 변환하고 직류 형태를 직류 형태로 변환하는 PFC 단과 상기 PFC 단을 통과한 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 변압기로 전달하고 변압기의 교류 전원을 다시 직류 전원으로 변환하여 배터리로 충전하는 절연단을 가지는 2중 구조의 컨버터를 하나의 단으로 설계함에 따라, 부품의 수를 줄일 수 있고, 복수의 상에 대해 확장성을 가질 수 있으며, 하나의 모듈 형태의 제조가 가능하여 경박단소화가 가능하다.
단일 방식의 인터리빙 PFC 회로에 의거하여 역류 제어 및 배터리 충전 및 전류를 통합 제어함에 따라 충전 장치의 효율 및 단가 절감뿐만 아니라 유해 전자파를 제거할 수 있고, 기존의 전해 캐패시터 대신 필름형 캐패시터를 이용함에 따라 전력 밀도 및 내구성을 향상시킬 수 있으며, 소프트 스위칭 동작에 의거 스위칭 손실을 감소할 수 있고, 필터부의 부피를 줄일 수 있고, 변압기의 저주파 성분을 제거하여 자화 전류를 작게 설계할 수 있고 부피를 줄일 수 있으며 변압기의 권선 수에 따라 대전력의 충전이 가능하고, 기존의 입력된 교류 전원을 직류 형태로 변환하고 직류 형태를 직류 형태로 변환하는 PFC 단과 상기 PFC 단을 통과한 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 변압기로 전달하고 변압기의 교류 전원을 다시 직류 전원으로 변환하여 배터리로 충전하는 절연단을 가지는 2중 구조의 컨버터를 하나의 단으로 설계함에 따라, 부품의 수를 줄일 수 있고, 복수의 상에 대해 확장성을 가질 수 있으며, 하나의 모듈 형태의 제조가 가능하여 경박단소화가 가능한 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC- DC 컨버터에 대한 운용의 정확성 및 신뢰도 측면, 더 나아가 성능 효율 면에 매우 큰 진보를 가져올 수 있으며, 충전 장치의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.

Claims (10)

  1. 제1 내지 제4 다이오드로 구비되어 입력되는 교류 전원을 DC 형태의 전원을 변환하는 정류부;
    단일 방식의 소프트 스위칭되어 역률 제어 및 배터리 충전 및 전류를 제어하는 인터리빙 PFC 회로;
    인터리빙 PFC 회로의 출력측에 병렬로 접속되는 제3 코일 및 제4 코일로 구비되어 소정 주파수 성분을 제거하는 필터부;
    상기 필터부의 제4 코일의 입력측과 출력측 사이에 필터부의 출력 전압을 권선비에 따라 승압하는 변압기;
    상기 변압기의 출력측에 접속되어 상기 변압기의 승압된 교류 형태의 출력 전력을 정형시키는 정형부;
    상기 정형부의 출력 전력을 캐패시터를 통해 충방전시켜 직류 형태의 링크 전압을 출력하고 출력된 링크 전압을 배터리로 전달하는 링크부; 및
    상기 인터리빙 PFC 회로의 스위칭 소자를 제어하기 위한 스위칭신호를 생성하여 전달하여 배터리의 출력전압 및 전류를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC-DC 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 인터리빙 PFC 회로는
    상기 정류부의 출력측에 병렬로 연결된 제1 코일 및 제2 코일로 구비되어 상기 정류부의 출력 전압의 역률을 보정하는 PFC부;
    상기 제1 코일(L1)의 출력측에 병렬로 접속되어 상호 상보적으로 작동하는 제1 및 제 4스위칭 소자(S1, S4)와 제2 코일(L2)의 출력측에 병렬로 접속되어 상호 상보적으로 작동하는 제2 및 제3 스위칭 소자(S2, S3)를 포함하는 스위칭부; 및
    상기 제2 스위칭 소자와 제3 스위칭 소자 사이에 캐패시터를 마련하여 상기 스위칭부의 출력 전력을 클랭핑하는 클램핑부를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC-DC 컨버터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 클램핑부는
    전력 밀도와 내구성을 향상하기 위해 필름형으로 구비되는 것을 특징으로 하는 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC-DC 컨버터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)는
    동일한 극성의 FET 및 다이오드로 구비되고,
    상기 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)와 반대 극성을 가지는 상기 제3 스위칭 소자(S3) 및 제4 스위칭 소자(S4)는 동일한 극성의 FET 및 다이오드로 구비되며,
    상기 제어부의 스위칭 신호에 의거하여 제1 스위칭 소자(S1)과 제4 스위칭 소자(S4)는 서로 상보적으로 동작되며 제2 스위칭 소자(S1)과 제3 스위칭 소자(S3)는 상보적으로 동작되는 것을 특징으로 하는 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC-DC 컨버터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 정형부는
    상기 변압기의 2차측 코일의 제1 출력측 및 제2 출력측에 접속되는 제5 다이오드(D5) 및 제7 다이오드(D7)가 각각 연결되어 배터리(Vbat)의 입력측에 접속되고,
    배터리(Vbat)의 출력측과 변압기(400)의 2차측 코일의 제1 출력측과 제2 출력측 사이에 제6 다이오드(D6) 및 제8 다이오드(D8)가 연결되는 것을 특징으로 하는 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC-DC 컨버터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 링크부는
    상기 제5 다이오드(D5)와 제7 다이오드(D7)의 출력측과 제6 다이오드(D6) 및 제8 다이오드(D8)의 입력측 사이에 접속되어 상기 제5 다이오드(D5) 내지 제8 다이오드(D8)의 출력 전압을 배터리(Vbat)로 링크시키는 캐패시터(Co)로 구비되는 것을 특징으로 하는 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC-DC 컨버터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC-DC 컨버터는,
    확장하고자 하는 상을 토대로 FC부의 코일의 수, 스위칭부의 스위칭 소자의 수, 변압기의 수, 및 정형부의 다이오드의 수를 설정하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC-DC 컨버터.
  8. 제7항에 있어서, 상기 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC-DC 컨버터는
    상기 확장된 상이 짝수 상인 경우 PFC부의 제1 코일 및 제2 코일을 커플링하는 커플러를 더 포함하고,
    각 상에 대한 각 변압기는
    2차측 제1 권선 코일의 타단과 제2 권선 코일의 일단이 접속되는 직렬과 2차측 제1 권선 코일의 일단과 제2 권선 코일의 일단이 접속되고 2차측 제1 권선 코일의 타단과 제2 권선 코일의 타단이 접속되는 병렬 중 하나로 구비되고,
    상기 각 상에 대한 정형부는
    각 상에 대한 변압기와 배터리 사이에 직렬 또는 병렬로 결합되는 것을 특징으로 하는 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC-DC 컨버터.
  9. 제8항에 있어서, 상기 각 상에 대한 링크부는
    상에 대해 정형부의 각 스위칭 소자의 입력단과 출력단 사이에 각각 연결된 캐패시터로 구비되는 것을 특징으로 하는 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC-DC 컨버터.
  10. 제9항에 있어서, 상기 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC-DC 컨버터는
    복수의 단상 입력 모듈로 구비되고
    각각의 단상 입력 모듈은 상호 직렬 및 병렬 형태 중 하나로 구비될 수 있고, 복수의 멀티 상 입력 모듈로 구비되며
    각 멀티 상 입력 모듈은 상호 직렬 및 병렬 중 하나로 구비되는 것을 특징으로 하는 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC-DC 컨버터.
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KR20220154957A (ko) * 2021-05-14 2022-11-22 전남대학교산학협력단 무선 전력 송수신 장치 및 그 설계 방법

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