KR20180092192A - power conversion device and charging system of battery including the same - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a power conversion device capable of obtaining high efficiency and high performance, and a charging system of a battery including the same. According to embodiments of the present invention, the power conversion device comprises: a power factor corrector (PFC) converter converting and outputting alternating current input voltage into direct current voltage, and compensating a power factor; a DC link receiving the direct current voltage from the PFC converter; a DC-DC converter converting the direct current voltage supplied from the DC link into alternating current voltage, and converting the alternating current voltage into the direct current voltage, again; and a control part controlling at least one of a switching frequency and a duty ratio of the PFC converter, and adjusting output voltage and output current of the DC-DC converter. The PFC converter and the DC-DC converter include a three-level converter.

Description

전력 변환 장치 및 이를 포함하는 배터리의 충전 시스템{power conversion device and charging system of battery including the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a power conversion device,

본 발명은 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 배터리의 충전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a power conversion apparatus and a charging system of a battery including the same.

오늘날 사용되는 각종 전자 기기의 내부를 구성하는 각 부품들은 대부분 직류 전압을 요구하기는 하나 그 요구 값이 각각 차이가 나기 때문에, 이들 부품에 공급되는 전압의 레벨을 적절히 변환하는 것은 매우 중요하다. 이에 따라 입력된 일정 전압을 승압 또는 강압시켜 원하는 전압으로 출력시키기 위한 컨버터가 널리 사용되고 있다. 특히, 입력된 직류 전원을 다른 레벨의 직류 전원으로 변환하는 직류-직류 컨버터에는 최근 전력용 반도체 소자의 스위칭 동작을 이용하여 전력의 흐름을 제어하는 방식이 널리 사용됨으로써, 고효율 및 고전력 밀도를 갖는 전력 변환 장치의 구현을 가능하게 하였다.Although most of the components constituting the interior of various electronic apparatuses used today require direct current voltage, the required values are different from each other. Therefore, it is very important to appropriately change the level of the voltage supplied to these components. Accordingly, a converter for increasing or decreasing an input constant voltage to output a desired voltage has been widely used. In particular, a DC-DC converter that converts input DC power to a DC power of another level is widely used in recent years to control the flow of electric power using the switching operation of the power semiconductor device. Thus, power with high efficiency and high power density Enabling the implementation of the conversion device.

전력 변환 장치는 일반적으로 PFC 컨버터 및 DC-DC 컨버터를 포함한다. DC-DC 컨버터는 부하량의 변동에 따라 스위칭 주파수 및 듀티비가 조정된다. 부하량의 변동으로 DC-DC 컨버터가 소정의 스위칭 주파수를 벗어나게 되면, DC-DC 컨버터에 포함된 스위칭 소자가 턴 온/턴 오프될 때에 스위칭 손실이 발생한다. 이러한 스위칭 손실로 DC-DC 컨버터의 효율이 저하되는 문제가 있다.Power conversion devices generally include a PFC converter and a DC-DC converter. The DC-DC converter adjusts the switching frequency and duty ratio according to the variation of the load. When the DC-DC converter deviates from the predetermined switching frequency due to the fluctuation of the load, a switching loss occurs when the switching element included in the DC-DC converter is turned on / off. This switching loss has a problem in that the efficiency of the DC-DC converter is lowered.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 PFC 컨버터를 피드백 제어하고 DC-DC 컨버터를 고정된 듀티비 및 고정된 스위칭 주파수로 오픈 루프(Open loop)로 구동시킴으로써 DC-DC 컨버터가 부하에 관계없이 항상 최적 상태로 동작 되도록 함으로써 고효율 및 고성능을 획득할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 충전 시스템을 제공하고자 한다.A problem to be solved by the present invention is to provide a DC-DC converter with feedback control of a PFC converter and driving the DC-DC converter with an open loop at a fixed duty ratio and a fixed switching frequency, To thereby achieve a high efficiency and a high performance, and to provide a charging system including the same.

본 발명의 일 측면에 따른 전력 변환 장치는 교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력하고, 역률을 보상하는 PFC 컨버터, 상기 PFC 컨버터로부터 직류 전압을 공급받는 DC 링크, 상기 DC 링크로부터 공급 받은 직류 전압을 교류 전압으로 변환하고, 다시 직류 전압으로 변환시키는 DC-DC 컨버터, 및 상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 제어하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압 및 출력 전류를 조정하는 제어부를 포함하고, 상기 PFC 컨버터 및 DC-DC 컨버터는 3레벨 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.A power conversion apparatus according to an aspect of the present invention includes a PFC converter for converting an AC input voltage into a DC voltage and outputting the DC voltage and compensating for a power factor, a DC link receiving a DC voltage from the PFC converter, A DC-DC converter for converting an output voltage of the DC-DC converter into an AC voltage and converting the DC voltage to a DC voltage, and a control unit for controlling at least one of a switching frequency and a duty ratio of the PFC converter to adjust an output voltage and an output current of the DC- And the PFC converter and the DC-DC converter include a three-level converter.

전력 변환 장치의 일 예에 따르면, 상기 제어부는 상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압 및 출력 전류의 크기를 검출하여 상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비를 피드백 제어하는 것을 특징으로 한다.According to an example of the power conversion apparatus, the controller detects the magnitude of the output voltage and the output current of the DC-DC converter and feedback-controls the switching frequency and the duty ratio of the PFC converter.

전력 변환 장치의 다른 예에 따르면, 상기 DC-DC 컨버터에 포함된 3 레벨 컨버터는 공진 LLC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another example of the power conversion device, the three-level converter included in the DC-DC converter includes a resonant LLC converter.

전력 변환 장치의 다른 예에 따르면, 상기 DC-DC 컨버터는 고정된 스위칭 주파수인 제1 주파수로 동작하고, 상기 제1 주파수는 상기 공진 LLC 컨버터의 공진 주파수와 상응한 값을 갖는 것을 특징으로 한다.According to another example of the power conversion apparatus, the DC-DC converter operates at a first frequency, which is a fixed switching frequency, and the first frequency has a value corresponding to the resonant frequency of the resonant LLC converter.

전력 변환 장치의 다른 예에 따르면, 상기 DC-DC 컨버터는 25% 내지 50% 중 어느 한 값으로 고정된 듀티비를 갖는 PWM 신호를 통해 제어되는 것을 특징으로 한다.According to another example of the power conversion apparatus, the DC-DC converter is controlled through a PWM signal having a fixed duty ratio of 25% to 50%.

전력 변환 장치의 다른 예에 따르면, 상기 DC 링크의 전압은 상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압의 변동에 대응하여 가변되는 것을 특징으로 한다.According to another example of the power conversion device, the voltage of the DC link is variable in response to the variation of the output voltage of the DC-DC converter.

전력 변환 장치의 다른 예에 따르면, 상기 DC 링크는 필름 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another example of the power conversion device, the DC link includes a film capacitor.

본 발명의 일 측면에 따른 배터리의 충전 시스템은, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩, 및 계통으로부터 인가받은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고 역률을 보상하는 PFC 컨버터, 상기 PFC 컨버터로부터 직류 전압을 공급받는 DC 링크, 상기 DC 링크로부터 공급 받은 직류 전압을 교류 전압으로 변환하고, 다시 직류 전압으로 변환시키는 DC-DC 컨버터, 및 상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 제어하여 상기 배터리 팩으로 인가되는 출력 전압 및 출력 전류를 조정하는 제어부를 포함하는 전력 변환 장치를 포함하고, 상기 PFC 컨버터 및 DC-DC 컨버터는 3레벨 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a battery charging system including a battery pack including at least one battery cell, and a PFC converter for converting an AC voltage applied from the system to a DC voltage and compensating for a power factor, A DC-DC converter for converting a DC voltage supplied from the DC link to an AC voltage and converting the DC voltage received from the DC link to a DC voltage, and a control unit for controlling at least one of a switching frequency and a duty ratio of the PFC converter, And a control unit for adjusting an output voltage and an output current to be applied to the pack, wherein the PFC converter and the DC-DC converter include a three-level converter.

배터리의 충전 시스템의 일 예에 따르면, 상기 제어부는 상기 배터리 팩으로 인가되는 출력 전류의 크기와 미리 설정된 기준 전류를 비교하여 상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 피드백 제어한다.According to an example of a charging system of a battery, the controller compares a magnitude of an output current applied to the battery pack with a predetermined reference current to feedback-control at least one of a switching frequency and a duty ratio of the PFC converter.

배터리의 충전 시스템의 다른 예에 따르면, 상기 제어부는 상기 배터리 팩으로 인가되는 전압과 미리 설정된 기준 전압을 비교하여 상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 피드백 제어한다.According to another example of the charging system of the battery, the controller compares the voltage applied to the battery pack with a predetermined reference voltage to feedback-control at least one of the switching frequency and the duty ratio of the PFC converter.

배터리의 충전 시스템의 다른 예에 따르면, 상기 DC-DC 컨버터에 포함된 3 레벨 컨버터는 공진 LLC 컨버터인 것을 특징으로 한다.According to another example of the charging system of the battery, the three-level converter included in the DC-DC converter is a resonant LLC converter.

배터리의 충전 시스템의 다른 예에 따르면, 상기 DC-DC 컨버터는 상기 배터리 팩으로 인가되는 전압 및 전류가 변화되더라도 전압 이득이 일정하게 유지되는 것을 특징으로 한다.According to another example of the charging system of the battery, the DC-DC converter maintains the voltage gain constant even when the voltage and current applied to the battery pack are changed.

배터리의 충전 시스템의 다른 예에 따르면, 상기 DC-DC 컨버터는 고정된 스위칭 주파수인 제1 주파수로 동작하고, 상기 제1 주파수는 상기 공진 LLC 컨버터의 공진 주파수와 상응한 값을 갖는 것을 특징으로 한다.According to another example of a battery charging system, the DC-DC converter operates at a first frequency, which is a fixed switching frequency, and the first frequency has a value corresponding to the resonant frequency of the resonant LLC converter .

배터리의 충전 시스템의 다른 예에 따르면, 상기 DC-DC 컨버터는 25% 내지 50% 중 어느 한 값으로 고정된 듀티비를 갖는 PWM 신호를 통해 제어되는 것을 특징으로 한다.According to another example of a charging system of a battery, the DC-DC converter is controlled through a PWM signal having a fixed duty ratio of 25% to 50%.

배터리의 충전 시스템의 다른 예에 따르면, 상기 DC 링크의 전압은 상기 배터리로 인가되는 전압의 변화에 대응하여 가변되는 것을 특징으로 한다.According to another example of the charging system of the battery, the voltage of the DC link is variable according to the change of the voltage applied to the battery.

다양한 실시예에 따른 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 충전 시스템은 PFC 컨버터를 피드백 제어하고 DC-DC 컨버터를 고정된 듀티비 및 고정된 스위칭 주파수로 오픈 루프(Open loop)로 구동시킴으로써 DC-DC 컨버터가 부하에 관계없이 항상 최적 상태로 동작 되도록 함으로써 고효율 및 고성능을 획득할 수 있다.The power converter according to various embodiments and the charging system including the same can be used for feedback control of the PFC converter and driving the DC-DC converter in an open loop with a fixed duty ratio and a fixed switching frequency, High efficiency and high performance can be obtained by always operating in an optimal state regardless of the load.

DC 링크의 전압이 스위칭 소자의 내압 정격을 초과하는 최대값을 갖더라도, DC-DC 컨버터 및 PFC 컨버터를 3레벨 컨버터로 구성하여 DC 링크의 전압이 분배되어 스위칭 소자들 각각에 인가되도록 할 수 있고, 이로써, 스위칭 소자들을 손상없이 작동시킬 수 있다.The DC-DC converter and the PFC converter may be configured as a three-level converter so that the voltage of the DC link is divided and applied to each of the switching elements even if the voltage of the DC link has a maximum value exceeding the breakdown voltage rating of the switching element , Whereby the switching elements can be operated without damage.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 일부인 공진 LLC 트랜스를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 DC-DC 컨버터의 전압 이득에 대한 그래프를 도시한다.
도 4는 3레벨 컨버터를 포함하는 DC-DC 컨버터와 PFC 컨버터를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 5는 PFC 컨버터의 제어 타이밍도를 예시적으로 도시한다.
도 6은 DC-DC 컨버터의 제어 타이밍도를 예시적으로 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 충전 시스템의 내부 구성을 간략하게 도시한 도면이다.1 is a schematic view illustrating an internal configuration of a power conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic illustration of a resonant LLC transformer that is part of a DC-DC converter in accordance with an embodiment of the present invention.
3 shows a graph of the voltage gain of the DC-DC converter.
4 is an exemplary diagram illustrating a DC-DC converter and a PFC converter including a three-level converter.
Fig. 5 exemplarily shows a control timing diagram of the PFC converter.
Fig. 6 exemplarily shows a control timing diagram of the DC-DC converter.
FIG. 7 is a schematic view illustrating an internal configuration of a charging system for a battery according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Brief Description of the Drawings The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described in conjunction with the accompanying drawings. It is to be understood, however, that the invention is not limited to the embodiments shown herein but may be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the preferred embodiments of the present invention. do. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other aspects of the present invention will become more apparent by describing in detail preferred embodiments thereof with reference to the attached drawings. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof. The terms first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout. .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a schematic view illustrating an internal configuration of a power conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 전력 변환 장치(100)는 PFC 컨버터(110), DC-DC 컨버터(120), DC 링크(140) 및 제어부(130)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the power conversion apparatus 100 includes a PFC converter 110, a DC-DC converter 120, a DC link 140, and a control unit 130.

전력 변환 장치(100)는 공급 받은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력하는 장치이다. 전력 변환 장치(100)는 상기 직류 전압의 크기를 조절할 수 있다. 예를 들면, 전력 변환 장치(100)는 배터리 팩(20)을 충전시키는 충전기일 수 있다. 이 경우, 전력 변환 장치(100)는 상기 배터리 팩(20)을 충전하는데 필요한 전압으로 변환하여 배터리를 충전시킬 수 있다. 전력 변환 장치(100)는 적어도 하나의 컨버터를 포함할 수 있다.The power conversion apparatus 100 converts the supplied AC voltage into a DC voltage and outputs the DC voltage. The power conversion apparatus 100 can adjust the magnitude of the DC voltage. For example, the power conversion apparatus 100 may be a charger for charging the battery pack 20. [ In this case, the power conversion apparatus 100 can convert the battery pack 20 into a voltage required for charging the battery pack 20, thereby charging the battery. The power conversion apparatus 100 may include at least one converter.

PFC 컨버터(power factor corrector converter, 110)는 교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환함과 동시에 전압의 역률을 보상할 수 있다. 즉, PFC 컨버터(110)는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류하는 구성과 입력 전류와 입력 전압의 위상차를 줄여 역률을 증가시킬 수 있다. 구체적으로, PFC 컨버터(110)는 역률 개선을 위한 PFC 회로부와 직류 전압 변환을 위한 DC-DC 변환부로 이루어진 구조로서, 이는 PFC 기능과 DC-DC 변환 기능을 분리하여 수행하므로 거의 1에 가까운 높은 역률을 얻을 수 있으며, 출력전압의 조절(Regulation)과 동적 특성 또한 우수한 장점을 가지고 있다.A power factor corrector (PFC) converter 110 can convert an AC input voltage to a DC voltage and compensate a power factor of the voltage. That is, the PFC converter 110 can rectify the AC voltage to DC voltage and increase the power factor by reducing the phase difference between the input current and the input voltage. Specifically, the PFC converter 110 has a PFC circuit portion for improving the power factor and a DC-DC converter portion for DC voltage conversion. Since the PFC function and the DC-DC conversion function are separately performed, And regulating and dynamical characteristics of the output voltage are also excellent.

DC-DC 컨버터(120)는 PFC 컨버터(110)가 출력하는 출력 전압을 교류 전압으로 전환하고, 전환된 교류 전압을 다시 직류 전압으로 변환할 수 있다. DC-DC 컨버터(120)는 상기 변환된 직류 전압을 전력 변환 장치(100)와 연결된 부하에 공급한다. DC-DC 컨버터(120)는 변압기를 포함하는 절연형 DC-DC 컨버터(120)로 구성될 수 있다. DC-DC 컨버터(120)는 Full bridge, Phase shift full bridge, Half bridge 중 어느 하나의 토폴로지로 구현된다.The DC-DC converter 120 converts the output voltage output from the PFC converter 110 into an AC voltage, and converts the converted AC voltage into a DC voltage again. The DC-DC converter 120 supplies the converted DC voltage to a load connected to the power inverter 100. The DC-DC converter 120 may be composed of an insulated DC-DC converter 120 including a transformer. The DC-DC converter 120 is implemented by any one of a full bridge, a phase shift full bridge, and a half bridge.

DC 링크(140)는 PFC 컨버터(110)로부터 출력되는 직류 전원을 일시적으로 저장하고, 저장된 전원을 DC-DC 컨버터(120)에 전달하는 역할을 수행한다. DC 링크(140)는 전압 레벨이 다른 PFC 컨버터(110)와 DC-DC 컨버터(120) 사이를 하나의 전압을 갖도록 할 수 있다. DC 링크(140)는 링크 커패시터를 포함한다. 상기 링크 커패시터는 PFC로부터 출력되는 직류 전원의 리플 성분을 필터링할 수 있다. 예를 들면, PFC 컨버터(110)가 계통(10)과 연결되어 60Hz의 교류 전원을 공급받는 경우, DC 링크(140)는 상기 링크 커패시터를 이용하여 계통(10)의 60Hz 성분을 필터링하여 리플 성분을 제거할 수 있다. The DC link 140 temporarily stores the DC power output from the PFC converter 110 and transmits the stored power to the DC-DC converter 120. The DC link 140 may have one voltage between the PFC converter 110 and the DC-DC converter 120 having different voltage levels. The DC link 140 includes a link capacitor. The link capacitor may filter the ripple component of the DC power output from the PFC. For example, when the PFC converter 110 is connected to the system 10 and is supplied with an AC power of 60 Hz, the DC link 140 filters the 60 Hz component of the system 10 using the link capacitor, Can be removed.

제어부(130)는 전력 변환 장치(100)의 출력 전압 및 출력 전류 중 적어도 하나를 획득하여 PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비(Duty)를 조정할 수 있는 프로세서(processor)와 같이 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 여기서, '프로세서(processor)'는, 예를 들어 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다. 이와 같이 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치의 일 예로써, 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙처리장치(central processing unit: CPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 처리 장치를 망라할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.The control unit 130 processes data such as a processor capable of acquiring at least one of an output voltage and an output current of the power conversion apparatus 100 and adjusting a switching frequency and a duty ratio of the PFC converter 110 And may include any type of device that can be used. Herein, the term " processor " may refer to a data processing apparatus embedded in hardware, for example, having a circuit physically structured to perform a function represented by a code or an instruction contained in the program. As an example of the data processing apparatus built in hardware, a microprocessor, a central processing unit (CPU), a processor core, a multiprocessor, an application-specific integrated circuit (ASIC) circuit, and a field programmable gate array (FPGA), but the scope of the present invention is not limited thereto.

제어부(130)는 PFC 컨버터(110)의 역률 제어와, 전력 변환 장치(100)의 출력을 제어할 수 있다. 제어부(130)는 전력 변환 장치(100)의 출력 전류 및 출력 전압 중 적어도 하나와 미리 설정된 기준 전류 및 기준 전압을 비교한 후에 PFC 컨버터(110)의 출력 전압 및 출력 전류를 피드백 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(130)는 DC-DC 컨버터(120)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 제어하지 않고 PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 제어한다. 제어부(130)는 전력 변환 장치(100)의 출력을 검출하고, 검출된 값이 미리 설정된 목표 값에 일치하도록 PFC 컨버터(110)에 인가되는 PWM(pulse width modulation) 신호의 주파수 및 듀티비를 조절한다.The controller 130 can control the power factor of the PFC converter 110 and the output of the power converter 100. The control unit 130 may feedback control the output voltage and the output current of the PFC converter 110 after comparing at least one of the output current and the output voltage of the power inverter 100 with a preset reference current and a reference voltage. More specifically, the control unit 130 controls the switching frequency and the duty ratio of the PFC converter 110 without controlling the switching frequency and the duty ratio of the DC-DC converter 120. The control unit 130 detects the output of the power conversion apparatus 100 and adjusts the frequency and the duty ratio of a pulse width modulation (PWM) signal applied to the PFC converter 110 so that the detected value matches a preset target value. do.

예를 들면, 전력 변환 장치(100)가 배터리 팩(20)을 충전시키는 충전기인 경우, 제어부(130)는 배터리 팩(20)을 정전류 및 정전압으로 충전시킬 수 있다. 정전류 충전의 경우, 제어부(130)는 배터리 팩(20)으로 출력되는 출력 전류가 상기 미리 설정된 기준 전류와 일치하도록 PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 제어할 수 있다. 마찬가지로, 정전압 충전인 경우, 제어부(130)는 배터리 팩(20)으로 출력되는 출력 전압이 미리 설정된 기준 전압과 일치하도록 PCF 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.For example, when the power conversion apparatus 100 is a charger that charges the battery pack 20, the control unit 130 can charge the battery pack 20 with a constant current and a constant voltage. The controller 130 may control the switching frequency and the duty ratio of the PFC converter 110 so that the output current output to the battery pack 20 matches the preset reference current. Similarly, in the case of constant voltage charging, the control unit 130 can control at least one of the switching frequency and the duty ratio of the PCF converter so that the output voltage output to the battery pack 20 matches a predetermined reference voltage.

한편, 제어부(130)는 DC 링크(140)의 전압이 소정의 전압 값을 유지하도록 제어하지 않는다. 즉, DC 링크(140)의 전압은 PFC 컨버터(110)가 출력하는 전압에 종속하여 가변되고 고주파수의 성분이 흐르는 것이 허용된다. 또한, DC-DC 컨버터(120)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 제어하여 전력 변환 장치(100)의 출력 전압 및 전류를 조절하지 않는다. 이 경우, DC-DC 컨버터(120)는 출력 전압 및 출력 전류에 따라 피드백 제어가 되지 않고 오픈 루프제어를 통해 절연된 상태에서 PFC 컨버터(110)의 전력을 배터리 측으로 전달하는 기능을 갖는다. On the other hand, the control unit 130 does not control the voltage of the DC link 140 to maintain a predetermined voltage value. That is, the voltage of the DC link 140 is varied depending on the voltage output from the PFC converter 110, and a component of high frequency is allowed to flow. In addition, the switching frequency and the duty ratio of the DC-DC converter 120 are controlled to control the output voltage and current of the power conversion apparatus 100. In this case, the DC-DC converter 120 has a function of transferring the power of the PFC converter 110 to the battery side in a state of being insulated through open-loop control without feedback control according to the output voltage and the output current.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 일부인 공진 LLC 트랜스를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3은 DC-DC 컨버터의 전압 이득에 대한 그래프를 도시한다.2 is a schematic illustration of a resonant LLC transformer that is part of a DC-DC converter in accordance with an embodiment of the present invention. 3 shows a graph of the voltage gain of the DC-DC converter.

도 2를 참조하면, DC-DC 컨버터(120)는 공진 LLC 트랜스(121)를 포함한다. 공진 LLC 트랜스(121)는 공진 커패시터(Cr), 공진 인덕터(Lr), 자화 인덕터(Lm), 변압기(Tr) 및 제2 정류부(123)를 포함한 것으로 정의한다.Referring to FIG. 2, the DC-DC converter 120 includes a resonant LLC transformer 121. The resonant LLC transformer 121 is defined to include a resonant capacitor Cr, a resonant inductor Lr, a magnetizing inductor Lm, a transformer Tr and a second rectifying part 123. [

공진 LLC 트랜스(121)의 구조는 LC 직렬 공진 컨버터와 유사하며, 유일한 차이점은 자화 인덕턴스 값이다. 직렬 공진 컨버터는 LC 직렬 공진 인덕턴스보다 훨씬 큰 자화 인덕턴스를 갖지만, 공진 LLC 트랜스(121)의 자화 인덕턴스는 LC 직렬공진 인덕턴스에 비해 3～8배의 크기이며, 대개 변압기의 공극을 도입하여 구현한다. 공진 LLC 트랜스(121)는 직렬공진 컨버터에 비해 많은 장점을 갖는다.The structure of the resonant LLC transformer 121 is similar to an LC series resonant converter, the only difference being the magnetizing inductance value. Although the series resonant converter has a much larger magnetizing inductance than the LC series resonant inductance, the magnetizing inductance of the resonant LLC transformer 121 is 3 to 8 times larger than the LC series resonant inductance and is usually implemented by introducing the pores of the transformer. The resonant LLC transformer 121 has many advantages over the series resonant converter.

즉, 상대적으로 스위칭 주파수를 아주 작게 조절하더라도 민감한 부하변동 등에 대해 적절한 출력 조절을 실현 할 수 있다. 또한, DC-DC 컨버터(120)의 동작 영역에서 영전압스위칭(Zero Voltage Switching :ZVS)이 가능하다. 그리고 모든 반도체 장치의 접합 커패시턴스와 변압기의 자화 인덕턴스 및 누설 인덕턴스를 포함한 모든 필수 기생 요소들이 소프트 스위칭을 얻기 위해 활용될 수 있다. 공진 LLC 트랜스(121)는 시간에 따라 느리게 변하는 파라미터 값들을 갖고 있다.That is, even if the switching frequency is relatively small, it is possible to realize an appropriate output control for sensitive load fluctuations. Also, Zero Voltage Switching (ZVS) is possible in the operating region of the DC-DC converter 120. All necessary parasitic elements, including the junction capacitance of all semiconductor devices and the magnetizing inductance and leakage inductance of the transformer, can be utilized to achieve soft switching. The resonant LLC transformer 121 has parameter values that change slowly with time.

도 3을 참조하면, 공진 LLC 트랜스(121)를 포함하는 DC-DC 컨버터(120)의 스위칭 주파수를 변화할 때 DC-DC 컨버터(120)의 전압 이득 그래프가 도시되어 있다.Referring to FIG. 3, a graph of voltage gain of the DC-DC converter 120 is shown when changing the switching frequency of the DC-DC converter 120 including the resonant LLC transformer 121.

DC-DC 컨버터(120)는 부하의 증감에 따라 전압 이득이 달라진다. 도 3에 도시된 바와 같이 DC-DC 컨버터(120)의 스위칭 주파수(Fs)와 공진 LLC 트랜스(121)의 공진 주파수(Fr)가 동일할 때에 이득은 1의 값을 갖는다.In the DC-DC converter 120, the voltage gain varies depending on the increase or decrease of the load. The gain has a value of 1 when the switching frequency Fs of the DC-DC converter 120 is equal to the resonant frequency Fr of the resonant LLC transformer 121, as shown in Fig.

제1 영역(Region 1) 및 제3 영역(Region 3)은 제로 전압 스위칭 영역이고, 제2 영역(Region 2)은 제로 전류 스위칭 영역이다. DC-DC 컨버터(120)는 부하가 변동함에 따라 전압 이득이 달라지게 되고, 스위칭 영역은 제1 영역 내지 제3 영역(Region 1 내지 Region 3)에 거쳐 나타나게 된다. 특히, 제1 영역(Region 1)에서 동작시 스위칭 주파수(Fs)의 변동 범위가 커져 공진 인덕터(Lr)에 큰 전류가 흐를 때 DC-DC 컨버터(120)에 포함된 스위치들이 턴 오프되어 스위칭 손실이 증가한다. 따라서, DC-DC 컨버터(120)의 스위칭 주파수(Fs)를 공진 주파수(Fr)와 상응한 값에 고정시켜, DC-DC 컨버터(120)를 작동시켜 스위칭 손실을 최소화할 필요가 있다. The first region (Region 1) and the third region (Region 3) are the zero voltage switching region, and the second region (Region 2) is the zero current switching region. The voltage gain of the DC-DC converter 120 changes with the variation of the load, and the switching region appears through the first to third regions (Region 1 to Region 3). In particular, when the variation range of the switching frequency Fs increases in the first region (Region 1) and a large current flows in the resonance inductor Lr, the switches included in the DC-DC converter 120 are turned off, . Therefore, it is necessary to minimize the switching loss by operating the DC-DC converter 120 by fixing the switching frequency Fs of the DC-DC converter 120 to a value corresponding to the resonance frequency Fr.

일 실시예에 따르면, DC-DC 컨버터(120)는 공진 주파수(Fr)와 동일한 스위칭 주파수(Fs)로 동작한다. 제어부(130)는 전력 변환 장치(100)의 출력 전류 및 출력 전압(또는, DC-DC 컨버터(120)의 출력 전류 및 출력 전압)을 기초로 PFC 컨버터(110)를 피드백 제어하여 전력 변환 장치(100)의 출력 전류 및 출력 전압을 조정할 수 있다. DC-DC 컨버터(120)는 스위칭 주파수(Fs)가 공진 주파수(Fr)로 고정되어 작동된다. 이 경우, DC-DC 컨버터(120)의 스위치들의 손실을 최소화할 수 있다.According to one embodiment, the DC-DC converter 120 operates at the same switching frequency Fs as the resonant frequency Fr. The control unit 130 feedback-controls the PFC converter 110 based on the output current and the output voltage of the power conversion apparatus 100 (or the output current and the output voltage of the DC-DC converter 120) The output current and the output voltage of the inverter 100 can be adjusted. The DC-DC converter 120 is operated with the switching frequency Fs fixed to the resonance frequency Fr. In this case, the loss of the switches of the DC-DC converter 120 can be minimized.

일 실시예에 따르면, 전력 변환 장치(100)는 계통(10)과 배터리 팩(20) 사이에 연결되어 배터리 팩(20)을 충전시킬 수 있다. 이 경우, 정전류로 배터리 팩(20)을 충전시키는 경우, 배터리 팩(20)의 전압이 Vb1에서 Vb2로 변동하면, DC 링크(140)의 전압은 Vb1*N1/N2에서 Vb2*N1/N2 범위에서 변동하게 된다. 이 때, N1는 전류가 인가되는 변압기의 1차측의 권선비이고, N2는 전류가 출력되는 변압기의 2차측의 권선비이다. 예를 들면, 배터리 팩(20)의 전압이 40V 내지 60V로 변하고 N1:N2가 2:1인 경우, DC 링크(140)의 전압은 배터리 팩(20)의 전압 변화에 대응하여 80V 내지 120V로 변한다.According to one embodiment, the power conversion apparatus 100 may be connected between the system 10 and the battery pack 20 to charge the battery pack 20. In this case, when the battery pack 20 is charged with a constant current, when the voltage of the battery pack 20 changes from Vb1 to Vb2, the voltage of the DC link 140 changes from Vb1 * N1 / N2 to Vb2 * N1 / . In this case, N1 is the winding ratio of the primary side of the transformer to which the current is applied, and N2 is the winding ratio of the secondary side of the transformer to which the current is outputted. For example, when the voltage of the battery pack 20 is changed from 40V to 60V and N1: N2 is 2: 1, the voltage of the DC link 140 is changed from 80V to 120V corresponding to the voltage change of the battery pack 20 It changes.

이 경우, DC 링크(140)는 소정의 값으로 전압이 유지되는 경우보다 높은 전압까지 변동될 수 있다. DC 링크(140)에 높은 전압까지 상승하면, PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120)에 포함된 스위칭 소자에 무리를 주어 손상되게 할 수 있다. 예를 들면, DC 링크의 전압이 100V로 유지되는 경우를 예정하여 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120)의 스위칭 소자(예컨대, 스위칭 소자의 내압 정격 전압은 110V)를 선택되어 있는 경우에 배터리 팩(20)의 전압이 50V 내지 80V로 변하는 경우, DC 링크(140)에 걸리는 전압은 100V에서 160V로 변한다. 이 경우, 상기 DC 링크(140) 전압의 최대값인 160V가 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120)에 포함된 스위치 소자들 각각에 인가되고, 상기 스위칭 소자는 내압 정격 전압보다 높은 전압이 인가되어 소손될 수 있다. 즉, DC 링크(140)의 전압을 일정한 값으로 유지하는 제어를 하지 않는 경우, 상기 스위칭 소자들은 160V 이상의 높은 내압 정격을 갖는 스위칭 소자들로 구성되어야 한다.In this case, the DC link 140 can be varied to a higher voltage than when the voltage is held at a predetermined value. DC converter 140 to a high voltage, the switching elements included in the PFC converter 110 and the DC-DC converter 120 may be damaged and damaged. For example, when the switching elements of the PFC converter 110 and the DC-DC converter 120 (for example, the rated internal voltage of the switching element is 110 V) are selected when the voltage of the DC link is maintained at 100 V The voltage applied to the DC link 140 changes from 100V to 160V when the voltage of the battery pack 20 changes from 50V to 80V. In this case, a maximum value of 160 V of the voltage of the DC link 140 is applied to each of the switch elements included in the PFC converter 110 and the DC-DC converter 120, May be applied and burned out. That is, when the control for maintaining the voltage of the DC link 140 at a constant value is not performed, the switching devices should be composed of switching devices having a high withstand voltage rating of 160 V or more.

일 실시예에 따른 전력 변환 장치(100)는 DC-DC 컨버터(120) 및 PFC 컨버터(110)를 3레벨 컨버터로 구성하여, PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120)에 포함된 스위칭 소자들에 DC 링크(140)에 걸리는 전압을 분압하여 인가할 수 있고, 이에 대한 상세한 설명은 도 4를 참조하여 설명한다.The power conversion apparatus 100 according to an embodiment includes the DC-DC converter 120 and the PFC converter 110 as a three-level converter and performs switching (switching) of the PFC converter 110 and the DC- The voltage applied to the DC link 140 can be divided and applied to the elements, and a detailed description thereof will be described with reference to FIG.

도 4는 3레벨 컨버터를 포함하는 DC-DC 컨버터와 PFC 컨버터를 예시적으로 도시한 도면이다. 도 5는 PFC 컨버터의 제어 타이밍도를 예시적으로 도시하고, 도 6은 DC-DC 컨버터의 제어 타이밍도를 예시적으로 도시한다.4 is an exemplary diagram illustrating a DC-DC converter and a PFC converter including a three-level converter. Fig. 5 exemplarily shows a control timing chart of the PFC converter, and Fig. 6 exemplarily shows a control timing diagram of the DC-DC converter.

도 4를 참조하면, PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120)는 3 레벨 컨버터를 포함한다. 도 4에 도시된 연결 구조와 같이 3 레벨 컨버터로 구성된 PFC 컨버터(110)는 2개의 스위치, DC- DC 컨버터는 4개의 스위치를 포함하며, 각 스위치들은 미리 설정된 PWM 신호를 인가하여 직류 전압을 양의 값, 0 및 음의 값을 갖도록 한다. 이 경우, 3 레벨 컨버터는 종전 2 레벨 컨버터에 비해 고조 발생 및 스위칭 소자의 전압 스트레스가 절반 정도 낮아지고, 스위칭 소자 및 필터 회로에서의 손실을 상당 부분 줄일 수 있다. 한편, 3레벨 방식은 스위칭 소자의 구성에 따라 NPC(Neutral Point Clamped) 방식과 TNPC(T-type Neutral Point Clamped) 방식의 2종류가 있다.Referring to FIG. 4, the PFC converter 110 and the DC-DC converter 120 include a three-level converter. 4, a PFC converter 110 including a three-level converter includes two switches, and the DC-DC converter includes four switches. Each switch applies a predetermined PWM signal to generate a direct current , 0, and a negative value. In this case, the triple-level converter has less noise than the previous two-level converter and reduces the voltage stress of the switching element by about half, and can significantly reduce losses in the switching element and the filter circuit. On the other hand, there are two types of three-level systems, namely, NPC (Neutral Point Clamped) and TNPC (T-type Neutral Point Clamped), depending on the configuration of the switching element.

또한, 3레벨 컨버터는 넓은 출력 전압 범위를 갖는 전력 변환 장치(100)에서도 순환전류를 줄일 수 있다. 예를 들면, 전력 변환 장치(100)가 배터리 팩(20)을 충전시키는 경우, 3레벨 컨버터는 주로 낮은 배터리 전압에서 동작하는 CC모드 충전 시 도통 손실을 줄일 수 있다. In addition, the three-level converter can also reduce the circulating current in the power conversion apparatus 100 having a wide output voltage range. For example, when the power conversion apparatus 100 charges the battery pack 20, the three-level converter can reduce the conduction loss in the CC mode charging mainly operating at a low battery voltage.

전력 변환 장치(100)는 DC-DC 컨버터(120), PFC 컨버터(110) 및 제어부(130)를 포함한다. DC-DC 컨버터(120)는 스위칭을 하는 제3 스위치 내지 제6 스위치(SW3 내지 SW6), 제3 다이오드 내지 제6 다이오드(D3 내지 D6) 및 공진 LLC 트랜스(121)를 포함한다. PFC 컨버터(110)는 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2), 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2) 및 제1 정류부(111)를 포함한다.The power conversion apparatus 100 includes a DC-DC converter 120, a PFC converter 110, and a control unit 130. The DC-DC converter 120 includes third to sixth switches SW3 to SW6, third to sixth diodes D3 to D6, and a resonant LLC transformer 121 for switching. The PFC converter 110 includes a first switch SW1, a second switch SW2, a first diode D1, a second diode D2, and a first rectifier 111.

PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120)에 포함된 스위치들(SW1 내지 SW6)은 스위칭 동작에서 전압과 전류가 소자의 특성에 따라 일정한 지연과 기울기를 가지고 변화하기 때문에, 스위치를 턴 온 또는 턴 오프시키게 되면 스위치에 전압과 전류가 동시에 가해지는 구간이 발생하게 된다. 이 구간 동안에는 전압과 전류의 곱에 해당하는 스위칭 전력 손실이 발생한다.Since the voltage and current of the switches SW1 to SW6 included in the PFC converter 110 and the DC-DC converter 120 change with a constant delay and slope according to the characteristics of the device, Or turn off, a voltage and current are applied to the switch at the same time. During this interval, there is a switching power loss corresponding to the product of voltage and current.

예를 들면, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT; Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 소자는 턴 오프시에 스위치의 양단에 전압이 충분히 가해진 후에도 일정 구간 동안 꼬리 전류(tail current)가 흐르기 때문에 턴 오프시에 스위칭 손실이 발생하게 된다. 그리고, 이러한 스위칭 손실은 소자가 개폐되는 주파수에 비례해서 증가하기 때문에, 소자의 최대 스위칭 주파수를 제한하는 요소가 된다.For example, in an element such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT), since a tail current flows for a certain period even after a voltage is sufficiently applied to both ends of the switch at turn-off, Loss occurs. This switching loss increases in proportion to the frequency at which the device is opened and closed, thereby limiting the maximum switching frequency of the device.

3 레벨 컨버터는 전력용 반도체 소자의 스위칭 손실을 줄이면서도 고주파의 스위칭이 가능하도록 영전압 상태에서 스위칭을 하는 영전압 스위칭(zero voltage switching) 할 수 있다. 또한, 3 레벨 컨버터는 2 레벨 컨버터에서 스위칭 소자에 인가되는 전압의 절반의 전압이 스위칭 소자에 인가되도록 할 수 있다.The three-level converter can perform zero voltage switching that switches in zero voltage state to enable high frequency switching while reducing the switching loss of the power semiconductor device. Further, the three-level converter can cause a voltage of half the voltage applied to the switching element in the two-level converter to be applied to the switching element.

DC-DC 컨버터(120)는 제3 스위치(SW3), 제4 스위치(SW4), 제5 스위치(SW5) 및 제6 스위치(SW6), 제3 내지 제6 스위치(SW3 내지 SW6) 각각의 사이에 각각 연결된 역병렬 다이오드(D3 내지 D6) 및 스위치에 의해 출력되는 전압 레벨의 균형을 위해 제4 스위치(SW4)와 제5 스위치(SW5) 사이에 연결되는 플라잉 커패시터(flying capacitor; Css), 서로 직렬로 연결되고 플라잉 커패시터(Css)에는 병렬로 연결되는 다이오드(Dc1, Dc2)를 포함한다.The DC-DC converter 120 is connected between the third switch SW3, the fourth switch SW4, the fifth switch SW5 and the sixth switch SW6, and the third through sixth switches SW3 through SW6 Parallel diodes D3 to D6 respectively connected to the fourth switch SW4 and the fifth switch SW5 and a flying capacitor Css connected between the fourth switch SW4 and the fifth switch SW5 for balancing the voltage level output by the switch, And diodes Dc1 and Dc2 connected in series and connected in parallel to the flying capacitor Css.

도 5를 참조하면, DC-DC 컨버터(120)는 제1 주파수(1/Ts)인 스위칭 주파수(Fs) 및 제1 듀티비(D)를 갖는 PWM 신호들에 의해 제3 스위치 내지 제6 스위치(SW3 내지 SW6)가 스위칭 되고 있다. 상기 PWM 신호들은 도시된 바와 같이 제3 스위치 내지 제6 스위치(SW3 내지 SW6)를 3가지 모드, 즉 (1) 제3 스위치(SW3) 및 제5 스위치(SW5)의 턴 온, 제4 스위치(SW4) 및 제6 스위치(SW6)의 턴 오프되는 모드 (2) 제3 스위치 내지 제6 스위치(SW3 내지 SW6) 모두 턴 오프되는 모드 (3) 제3 스위치(SW3) 및 제5 스위치(SW5) 턴 오프, 제4 스위치(SW4) 및 제6 스위치(SW6)는 턴 온되는 모드로 동작된다. 이 때, 제1 주파수(1/Ts)는 공진 주파수(Fr)와 동일한 값을 갖는다.Referring to FIG. 5, the DC-DC converter 120 is controlled by the PWM signals having the switching frequency Fs and the first duty ratio D, which are the first frequency 1 / Ts, (SW3 to SW6) are being switched. As shown in the figure, the PWM signals can be switched between three modes (SW3 to SW6) in three modes: (1) the third switch SW3 and the fifth switch SW5 are turned on, the fourth switch The third switch SW3 and the fifth switch SW5 are turned off in the mode 2 in which the third to sixth switches SW3 to SW6 are turned off in the mode 2 in which the sixth switch SW4 and the sixth switch SW6 are turned off. Turn-off, the fourth switch SW4 and the sixth switch SW6 are turned on. At this time, the first frequency (1 / Ts) has the same value as the resonant frequency Fr.

이와 같이, 제3 스위치 내지 제6 스위치(SW3 내지 SW6)는 상기 PWM 신호들에 의해 3가지 모드로 동작하여, 공진 LLC 트랜스(121)로 인가된 전류에 의해 2차 측에는 변압기에 의해 일정한 비율로 증가 또는 감소된 전류가 유도된다. 유도된 전류는 도 2를 참조하여 설명한 제2 정류부(123)에 의해 정류되고, 평활용 필터(C1)를 통해 리플이 제거되어 출력된다. As described above, the third to sixth switches SW3 to SW6 operate in three modes by the PWM signals and are supplied to the secondary side by a current applied to the resonant LLC transformer 121 at a constant ratio An increased or decreased current is induced. The induced current is rectified by the second rectifying section 123 described with reference to FIG. 2, and the ripple is removed through the smoothing filter C1 and output.

일 실시예에 따르면, DC-DC 컨버터(120)는, 동작을 시작한 전력 변환 장치(100)가 안정화되면, 고정된 스위칭 주파수(Fs)와 듀티비(D)를 가질 수 있다. 앞서 상술한 바와 같이, DC-DC 컨버터(120)의 출력은 PFC 컨버터(110)의 출력에 따라 제어된다. DC-DC 컨버터(120)는 제1 주기(Ts)를 갖는 스위칭 주파수(Fs)가 공진 주파수(Fr)로 고정되어 일정한 전압 이득을 갖고, 동작을 시작한 전력 변환 장치(100)가 안정화된 후에 제1 듀티비(D)를 25% 내지 50% 사이의 어느 한 값으로 고정하여 동작시킬 수 있다. 이 경우, DC-DC 컨버터(120)는 부하의 변동에 따라 스위칭 주파수(Fs) 및 제1 듀티비(D)가 변경되지 않는다. 즉, DC-DC 컨버터(120)는 스위칭 손실을 최소화할 수 있는 제1 주파수(1/Ts)인 스위칭 주파수(Fs) 및 제1 듀티비(D)를 유지한 상태로 동작할 수 있다.According to one embodiment, the DC-DC converter 120 may have a fixed switching frequency Fs and a duty ratio D when the power conversion apparatus 100 that started operation stabilizes. As described above, the output of the DC-DC converter 120 is controlled in accordance with the output of the PFC converter 110. The DC-DC converter 120 has the switching frequency Fs having the first period Ts fixed to the resonance frequency Fr to have a constant voltage gain, and after the power conversion apparatus 100 starts operating, 1 duty ratio D can be fixed to any value between 25% and 50% and operated. In this case, the DC-DC converter 120 does not change the switching frequency Fs and the first duty ratio D according to the variation of the load. That is, the DC-DC converter 120 can operate while maintaining the switching frequency Fs and the first duty ratio D, which is the first frequency 1 / Ts that minimizes the switching loss.

도 6을 참조하면, PFC 컨버터(110)는 제어부(130)의 PWM 신호에 따라 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)들의 턴 온/ 턴 오프 동작이 제어된다. 상기 PWM 신호는 제2 주기(Ts) 및 제2 듀티비(D)를 갖는다. 제어부(130)는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 제1 상태에서는 (1) 제1 스위치(SW1)의 턴-온, 제2 스위치(SW2)의 턴-오프 모드 (2) 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)의 턴 오프 모드 (3) 제1 스위치(SW1)의 턴-오프, 제2 스위치(SW2)의 턴 온 모드의 3가지 모드를 가지고, 제2 상태에서는 (1) 제1 스위치(SW1)의 턴 온, 제2 스위치(SW2)의 턴 오프 모드 (2) 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)의 턴-온 모드 (3) 제1 스위치(SW1)의 턴 오프, 제2 스위치(SW2)의 턴 온 모드의 3가지 모드로 동작한다.Referring to FIG. 6, the PFC converter 110 controls the turn-on / turn-off operations of the first switch SW1 and the second switch SW2 according to the PWM signal of the controller 130. [ The PWM signal has a second period (Ts) and a second duty ratio (D). The control unit 130 controls the first switch SW1 and the second switch SW2 to be turned on in the first state (1) when the first switch SW1 is turned on and when the second switch SW2 is turned off Off mode of the first switch SW1 and the second switch SW2 and the turn-on mode of the second switch SW2; 2 mode, the first switch SW1 is turned on, the second switch SW2 is turned off, and the first switch SW1 and the second switch SW2 are turned on. The first switch SW1 is turned off, and the second switch SW2 is turned on.

한편, 상기 제1 상태는 상기 제2 듀티비(D)가 0% 이상 내지 50% 이하인 경우이고, 상기 제2 상태는 상기 제2 듀티비(D)가 50% 초과 내지 100% 미만인 경우이다. PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비는 부하량의 변동에 따라 가변된다.Meanwhile, the first state is a case where the second duty ratio D is 0% or more to 50% or less, and the second state is a case where the second duty ratio D is more than 50% to less than 100%. The switching frequency and the duty ratio of the PFC converter 110 vary depending on the variation of the load.

DC 링크(140)는 제1 링크 커패시터(Ck1)와 제2 링크 커패시터(Ck2)로 나눠져 있다. 제1 링크 커패시터(Ck1)와 제2 링크 커패시터(Ck2)가 연결된 노드가 중성 노드(전압이 0V)이다. 이 경우, DC 링크(140)로 인가되는 전압은 분압되어 제1 링크 커패시터(Ck1) 및 제2 링크 커패시터(Ck2) 각각에 인가된다. 이 경우, DC-DC 컨버터(120)에 포함된 스위치들(SW3 내지 SW6) 각각은 제1 링크 커패시터(Ck1) 및 제2 링크 커패시터(Ck2) 중 어느 하나에 인가된 전압이 인가된다.The DC link 140 is divided into a first link capacitor Ck1 and a second link capacitor Ck2. The node to which the first and second link capacitors Ck1 and Ck2 are connected is a neutral node (voltage is 0V). In this case, the voltage applied to the DC link 140 is divided and applied to the first and second link capacitors Ck1 and Ck2, respectively. In this case, each of the switches SW3 to SW6 included in the DC-DC converter 120 is applied with a voltage applied to either the first link capacitor Ck1 or the second link capacitor Ck2.

또한, PFC 컨버터(110)의 경우에도, 제1 스위치(SW1)는 제1 링크 커패시터(Ck1)와 병렬로 연결되고, 제2 스위치(SW2)는 제2 링크 커패시터(Ck2)와 병렬로 연결되어, 분압된 DC 링크(140)의 전압이 제2 스위치(SW2) 및 제2 스위치(SW2)에 인가된다. 예컨대, DC 링크(140)에 걸리는 전압의 절반이 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)에 인가될 수 있다.Also in the case of the PFC converter 110, the first switch SW1 is connected in parallel with the first link capacitor Ck1, and the second switch SW2 is connected in parallel with the second link capacitor Ck2 , The voltage of the divided DC link 140 is applied to the second switch SW2 and the second switch SW2. For example, half of the voltage applied to the DC link 140 may be applied to the first switch SW1 and the second switch SW2.

일 실시예에 따르면, DC 링크(140)의 전압은 전력 변환 장치(100)의 출력 전압의 변화에 대응하여 가변된다. DC 링크(140)의 전압은 가변되어 일정한 값을 갖도록 제어되는 경우보다 높은 전압이 인가될 수 있다. 전력 변환 장치(100)는 3레벨 컨버터를 포함하는 DC-DC 컨버터(120) 및 PFC 컨버터(110)를 포함하여, 각 스위칭 소자에 DC 링크(140)의 전압 중 일부가 인가될 수 있다. 예를 들면, DC 링크(140)에 걸리는 최대 전압이 160V인 경우, DC-DC 컨버터(120) 및 PFC 컨버터(110)에 포함된 스위칭 소자 각각에 80V의 전압이 인가될 수 있다. 이 경우, DC-DC 컨버터(120) 및 PFC 컨버터(110)에 포함된 스위칭 소자는 80V를 초과하는 내압 정격 전압을 가지는 스위칭 소자로 선택하면 된다.According to one embodiment, the voltage of the DC link 140 is varied corresponding to the change in the output voltage of the power inverter 100. [ The voltage of the DC link 140 may be higher than that when the voltage of the DC link 140 is controlled to have a variable value. The power conversion apparatus 100 includes a DC-DC converter 120 and a PFC converter 110 including a three-level converter, and a part of the voltage of the DC link 140 may be applied to each switching element. For example, when the maximum voltage applied to the DC link 140 is 160 V, a voltage of 80 V may be applied to the switching elements included in the DC-DC converter 120 and the PFC converter 110, respectively. In this case, the switching element included in the DC-DC converter 120 and the PFC converter 110 may be selected as a switching element having a withstand voltage rating voltage exceeding 80V.

이로써, 제어부(130)가 DC 링크(140)의 전압을 일정한 값으로 제어하지 않아 DC 링크(140)의 전압의 변동이 커져 DC 링크의 전압이 스위칭 소자의 내압 정격을 초과하는 최대값을 갖더라도, 전력 변환 장치(100)는 DC-DC 컨버터 및 PFC 컨버터를 3레벨 컨버터로 구성하여 DC 링크의 전압을 분배하여 스위칭 소자들 각각에 인가되도록 할 수 있고, 스위칭 소자들을 소손없이 작동시킬 수 있다.Accordingly, even if the control unit 130 does not control the voltage of the DC link 140 to a constant value and the voltage of the DC link 140 becomes large so that the voltage of the DC link has a maximum value exceeding the breakdown voltage rating of the switching device , The power conversion apparatus 100 can constitute a DC-DC converter and a PFC converter as three-level converters, distribute the voltage of the DC link, and be applied to each of the switching elements, and operate the switching elements without burning.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 충전 시스템의 내부 구성을 간략하게 도시한 도면이다.FIG. 7 is a schematic view illustrating an internal configuration of a charging system for a battery according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.

도 7을 참조하면, 배터리의 충전 시스템(200)은 전력 변환 장치(100) 및 배터리 팩(20)을 포함한다. 배터리의 충전 시스템(200)은 계통(10)과 전기적으로 연결되어 계통(10)으로부터 교류 전원을 공급받는다.Referring to FIG. 7, a charging system 200 of a battery includes a power conversion device 100 and a battery pack 20. The charging system 200 of the battery is electrically connected to the system 10 to receive AC power from the system 10.

전력 변환 장치(100)는 PFC 컨버터(110), DC-DC 컨버터(120) 및 DC 링크(140)부를 포함한다. PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120)는 3레벨 컨버터를 포함하고, DC 링크(140)는 제1 링크 커패시터(Ck1) 및 제2 링크 커패시터(Ck2)를 포함한다.The power conversion apparatus 100 includes a PFC converter 110, a DC-DC converter 120, and a DC link 140 part. The PFC converter 110 and the DC-DC converter 120 include a three-level converter, and the DC link 140 includes a first link capacitor Ck1 and a second link capacitor Ck2.

계통(10)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비한다. 계통(10)은 배터리의 충전 시스템(200)에 교류 전압을 공급할 수 있다. 계통(10)은 전압값과 주파수가 일정하게 유지되는 교류 전압을 배터리의 충전 시스템(200)에 제공할 수 있다. 예를 들면, 계통(10)은 220V의 전압값과 60Hz의 주파수를 갖는 교류 전압을 제공할 수 있는 상용 전원일 수 있다.The system 10 includes a power plant, a substation, a transmission line, and the like. The system 10 can supply AC voltage to the charging system 200 of the battery. The system 10 can provide an alternating voltage with a constant voltage value and frequency to the charging system 200 of the battery. For example, the system 10 may be a commercial power source capable of providing an alternating voltage having a voltage value of 220 V and a frequency of 60 Hz.

배터리 팩(20)은 적어도 하나의 배터리 셀(미도시)을 포함하는 배터리(미도시), 배터리 관리부(미도시), 충방전 스위치(미도시)를 포함할 수 있다.The battery pack 20 may include a battery (not shown) including at least one battery cell (not shown), a battery management unit (not shown), and a charge / discharge switch (not shown).

배터리는 전력을 저장하는 부분으로서, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함한다. 배터리에 하나의 배터리 셀이 포함되거나, 상기 배터리에는 복수의 배터리 셀들이 포함될 수 있으며, 배터리 셀들은 직렬로 연결되거나, 병렬로 연결되거나, 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결될 수 있다. 배터리에 포함되는 배터리 셀들의 개수 및 연결 방식은 요구되는 출력 전압 및 전력 저장 용량에 따라서 결정될 수 있다.A battery is a part for storing power, and includes at least one battery cell. The battery may include one battery cell, or the battery may include a plurality of battery cells, and the battery cells may be connected in series, connected in parallel, or connected in series and parallel. The number of battery cells included in the battery and the manner of connection may be determined according to the required output voltage and power storage capacity.

상기 배터리 셀은 충전이 가능한 납 축전지를 제외한 이차 전지를 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리 셀은 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery) 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery)를 포함할 수 있다.The battery cell may include a secondary battery other than a lead-acid battery that can be charged. For example, the battery cell may include a nickel-cadmium battery nickel metal hydride battery (NiMH), a lithium ion battery, and a lithium polymer battery. have.

충전 스위치 및 방전 스위치는 배터리의 대전류 경로 상에 배치되어 배터리의 충전 전류 및 방전 전류의 흐름을 단속할 수 있다. 충전 스위치 및 방전 스위치는 배터리 관리부의 제어 신호에 따라 턴 온/턴 오프될 수 있다. 충전 스위치 및 방전 스위치는 릴레이나 FET 스위치를 포함할 수 있다.The charging switch and the discharging switch are disposed on the large current path of the battery so as to intermit the flow of the charging current and the discharging current of the battery. The charging switch and the discharging switch may be turned on / off according to a control signal of the battery management unit. The charge switch and the discharge switch may include relays or FET switches.

배터리 관리부는 배터리의 전류, 전압 및 온도 등 배터리에 대한 정보를 획득하여 배터리의 상태를 분석 및 배터리의 보호 필요성을 판단할 수 있는 프로세서(processor)와 같이 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 여기서, '프로세서(processor)'는, 예를 들어 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다. 이와 같이 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치의 일 예로써, 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙처리장치(central processing unit: CPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 처리 장치를 망라할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.The battery management unit obtains information on the battery such as the current, voltage, and temperature of the battery to analyze all states of the battery and analyze all kinds of devices capable of processing data, such as a processor, . Herein, the term " processor " may refer to a data processing apparatus embedded in hardware, for example, having a circuit physically structured to perform a function represented by a code or an instruction contained in the program. As an example of the data processing apparatus built in hardware, a microprocessor, a central processing unit (CPU), a processor core, a multiprocessor, an application-specific integrated circuit (ASIC) circuit, and a field programmable gate array (FPGA), but the scope of the present invention is not limited thereto.

상기 배터리 관리부는 배터리의 전류, 전압, 온도를 감지하고, 상기 감지된 정보에 기초하여 잔여 전력량, 수명, 충전 상태(State of Charge, SOC)등을 얻을 수 있다. 예컨대, 배터리 관리부는 센서들을 이용하여 배터리 셀의 셀 전압 및 온도를 측정할 수 있다.The battery management unit senses the current, voltage, and temperature of the battery, and obtains a residual power amount, a life span, a state of charge (SOC), and the like based on the sensed information. For example, the battery management unit can measure the cell voltage and the temperature of the battery cell using sensors.

일 실시예에 따르면, 제어부(130)는 상기 배터리 관리부로부터 배터리의 상태에 대한 정보를 전달받을 수 있다. 제어부(130)는 배터리 관리부로부터 배터리가 완충 전압에 도달하였다는 사실을 전달받으면, PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120)의 작동을 중지하여 배터리 팩(20)의 충전을 중단시킬 수 있다. 한편, 제어부(130)와 배터리 관리부가 별개의 구성으로 도시되어 있으나, 제어부(130)가 배터리 관리부의 기능을 수행하도록 구성될 수도 있다.According to one embodiment, the control unit 130 may receive information on the state of the battery from the battery management unit. The control unit 130 stops the operation of the PFC converter 110 and the DC-DC converter 120 to stop the charging of the battery pack 20 when receiving the fact that the battery has reached the buffering voltage have. Although the control unit 130 and the battery management unit are shown as separate components, the control unit 130 may be configured to perform the function of the battery management unit.

PFC 컨버터(110)는 상기 계통(10)으로부터 제공 받은 교류 전압을 직류 전압으로 변환할 수 있다. 제어부(130)는 PFC 컨버터(110)를 제어하여 역률을 보정할 수 있고, PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 PWM 신호의 듀티비를 제어하여 PFC 컨버터(110)가 출력하는 직류 전압 및 직류 전류를 제어할 수 있다.The PFC converter 110 may convert the AC voltage supplied from the system 10 into a DC voltage. The controller 130 controls the PFC converter 110 to correct the power factor and controls the switching frequency of the PFC converter 110 and the duty ratio of the PWM signal to control the DC voltage and the DC current output from the PFC converter 110 Can be controlled.

DC 링크(140)의 전압은 배터리 팩(20)의 충전 전압의 변화에 대응하여 가변될 수 있다. 일반적으로 DC 링크(140)의 전압은 일정한 값이 되도록 제어되나, 일 실시예에 따른 배터리의 충전 시스템(200)은 DC-DC 컨버터(120)가 전압 이득이 일정한 값(예를 들면, 전압이득이 1)을 유지하도록 DC 링크(140)의 전압을 배터리 팩(20)의 전압에 대응하도록 가변시킨다.The voltage of the DC link 140 may be varied corresponding to the change in the charging voltage of the battery pack 20. [ In general, the voltage of the DC link 140 is controlled to be a constant value, but the charging system 200 of the battery according to an embodiment is configured such that the DC-DC converter 120 can control the voltage of the DC link 140 to a predetermined value (for example, The voltage of the DC link 140 is changed to correspond to the voltage of the battery pack 20 so as to maintain this 1).

DC-DC 컨버터(120)는 DC 링크(140)로부터 공급된 직류 전압을 고주파 교류 전압으로 변경하여 변압기(Tr)의 1차측에 인가하고, 변압기(Tr)의 2차 측에서 제2 정류부(123)를 통해 직류 전압으로 변환한다. DC-DC 컨버터(120)는 3레벨 컨버터를 포함하는 공진 LLC 컨버터(도 4 참조)인 3레벨 공진 LLC 컨버터를 포함한다. DC-DC 컨버터(120)의 스위칭 주파수(Fs)는 공진 LLC 컨버터의 공진 주파수(Fr)와 상응한 값으로 고정된다.The DC-DC converter 120 converts the DC voltage supplied from the DC link 140 to a high-frequency AC voltage and applies it to the primary side of the transformer Tr. The DC voltage is supplied from the secondary side of the transformer Tr to the second rectifying part 123 ) Into a DC voltage. DC-DC converter 120 includes a three-level resonant LLC converter, which is a resonant LLC converter (see FIG. 4) that includes a three-level converter. The switching frequency Fs of the DC-DC converter 120 is fixed to a value corresponding to the resonant frequency Fr of the resonant LLC converter.

일 실시예에 따르면, 제어부(130)는 PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 피드백 제어를 한다. 미리 설정된 기준 전류를 정전류로 배터리 팩(20)을 충전시키는 경우, 제어부(130)는 상기 전력 변환 장치(100)의 출력 전류가 상기 미리 설정된 기준 전류와 일치할 때까지 PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 수정한다. 즉, 제어부(130)는 전력 변환 장치(100)의 출력 전류를 검출하고, 검출된 출력 전류가 상기 미리 설정된 기준 전류와 일치되도록 PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 피드백 제어한다. 이 경우, 제어부(130)는 부하량 변동(예컨대, 배터리의 충전 전압 변동)에 따라 PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 수정으로 대응할 수 있는바, DC-DC 컨버터(120)의 스위칭 주파수(Fs) 및 듀티비(D)를 소정의 값으로 고정시킬 수 있다.According to one embodiment, the control unit 130 performs feedback control of the switching frequency and the duty ratio of the PFC converter 110. The control unit 130 controls the switching of the PFC converter 110 until the output current of the power inverter 100 matches the predetermined reference current when charging the battery pack 20 with a predetermined reference current as a constant current, Modify frequency and duty ratio. That is, the control unit 130 detects the output current of the power inverter 100 and feedback-controls the switching frequency and the duty ratio of the PFC converter 110 so that the detected output current matches the preset reference current. In this case, the control unit 130 can cope with the switching frequency and the duty ratio of the PFC converter 110 in accordance with the load variation (for example, the charging voltage variation of the battery), so that the switching frequency of the DC- (Fs) and the duty ratio (D) to a predetermined value.

또한, 미리 설정된 기준 전압을 정전압으로 배터리 팩(20)을 충전시키는 경우, 제어부(130)는 전력 변환 장치(100)의 출력 전압이 상기 미리 설정된 기준 전압과 일치할 때까지 PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 수정한다. 이 경우에도, 제어부(130)는 부하 변동에 따라 PFC 컨버터(110)의 스위칭 주파수 및 듀티비를 수정으로 대응할 수 있는바, DC-DC 컨버터(120)는 스위칭 주파수(Fs)를 공진 주파수(Fr)로 고정되고 DC-DC 컨버터(120)의 듀티비(D)를 25% 내지 50% 중 어느 한 값으로 고정된 상태로 작동할 수 있다.When the battery pack 20 is charged with the predetermined reference voltage by the constant voltage, the controller 130 controls the operation of the PFC converter 110 until the output voltage of the power inverter 100 matches the preset reference voltage. Modify the switching frequency and duty ratio. In this case, too, the control unit 130 can cope with the switching frequency and the duty ratio of the PFC converter 110 according to the load variation. The DC-DC converter 120 converts the switching frequency Fs into the resonance frequency Fr ) And the duty ratio D of the DC-DC converter 120 can be set to a fixed value from 25% to 50%.

일 실시예에 따르면, DC-DC 컨버터(120)는 제1 주기(Ts)를 갖는 스위칭 주파수(Fs)가 고정되고, 25% 내지 50%의 듀티비 중 어느 하나의 듀티비로 고정되어 작동될 수 있다. DC-DC 컨버터(120)는 충전 동작을 시작하는 전력 변환 장치(100)가 소프트 스타트되기 위해 일정시간 동안 페이져 쉬프트(phase shift)를 할 수 있다. 페이져 쉬피트가 끝난 DC-DC 컨버터(120)는 최적의 상태에서 동작할 수 있는 듀티비를 결정하고, 부하량의 변화에 관계없이 상기 결정된 듀티비로 고정되어 작동된다. 또한, 상기 스위칭 주파수(Fs)는 DC-DC 컨버터(120)의 공진 주파수(Fr)와 상응한 값이다.According to one embodiment, the DC-DC converter 120 can be operated with a fixed switching frequency Fs with a first period Ts and with a duty ratio of either 25% to 50% have. The DC-DC converter 120 may perform a phase shift for a predetermined time so that the power conversion apparatus 100 starting the charging operation is soft-started. The phasor shuffled DC-DC converter 120 determines a duty ratio that can operate in an optimal state, and is fixedly operated at the determined duty ratio regardless of a change in the load. The switching frequency Fs is a value corresponding to the resonance frequency Fr of the DC-DC converter 120.

일 실시예에 따르면, DC 링크(140)는 필름 커패시터를 포함할 수 있다. DC 링크(140)는 고정된 전압이 유지되도록 제어되지 않으므로, DC 링크(140)에 포함된 링크 커패시터(Ck1, Ck2)는 고용량의 커패시턴스가 요구되지 않는다. 따라서, 링크 커패시터(Ck1, Ck2)는 온도 상승에 따른 수명의 급격한 저하의 단점을 갖는 전해질 커패시터를 대신하여 필름 커패시터를 채택하여 이용할 수 있으며, 이를 통해 DC 링크(140)의 장수명을 달성할 수 있다.According to one embodiment, the DC link 140 may comprise a film capacitor. Since the DC link 140 is not controlled so that the fixed voltage is maintained, the link capacitors Ck1 and Ck2 included in the DC link 140 are not required to have a high capacitance. Therefore, the link capacitors Ck1 and Ck2 can be used by adopting a film capacitor instead of the electrolyte capacitor having a disadvantage of a drastic drop in lifetime due to temperature rise, thereby achieving the long life of the DC link 140 .

이로써, DC-DC 컨버터(120)는 별도의 제어기 없이 고정 주파수(Fs) 및 고정 듀티비(D)의 PWM 신호에 의해 오픈 루프(Open loop)로 구동시킴으로써 저가격화를 꾀할 수 있고, 부하량에 관계없이 항상 최적 상태로 동작 되도록 함으로써 고효율 및 고성능을 획득할 수 있다.Thus, the DC-DC converter 120 can be operated at an open loop by a PWM signal having a fixed frequency Fs and a fixed duty ratio D without requiring a separate controller, thereby achieving a reduction in cost, So that high efficiency and high performance can be obtained.

또한, DC 링크(140)의 전압을 가변 시킴에 따라 DC 링크(140)에 인가되는 전압의 최대값이 크게 상승하더라도, DC-DC 컨버터(120) 및 PFC 컨버터(110)를 3레벨 컨버터로 구성하여 스위칭 소자에 인가되는 전압을 낮출 수 있는바, 스위칭 소자들의 내압 정격을 올리지 않아도 스위칭 소자의 손상 없이 배터리의 충전 시스템(200)을 작동시킬 수 있다.Although the DC-DC converter 120 and the PFC converter 110 are configured as a three-level converter, even if the maximum value of the voltage applied to the DC link 140 increases greatly by varying the voltage of the DC link 140, The voltage applied to the switching element can be lowered, so that the charging system 200 of the battery can be operated without damaging the switching element without raising the internal pressure rating of the switching elements.

본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.It is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and all ranges equivalent to or equivalent to the claims of the present invention are included in the scope of the present invention I will say.

10: 계통
20: 배터리 팩
100: 전력 변환 장치
110: PFC 컨버터
111: 제1 정류부
120: DC-DC 컨버
121: 공진 LLC 트랜스
123: 제2 정류부
130: 제어부
140: DC 링크
200: 충전 시스템10: System
20: Battery pack
100: power converter
110: PFC converter
111: first rectification part
120: DC-DC Converting
121: resonance LLC transformer
123: second rectifying part
130:
140: DC link
200: Charging system

Claims (15)

교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력하고, 역률을 보상하는 PFC 컨버터;
상기 PFC 컨버터로부터 상기 직류 전압을 공급받는 DC 링크;
상기 DC 링크로부터 공급 받은 직류 전압을 교류 전압으로 변환하고, 다시 직류 전압으로 변환시키는 DC-DC 컨버터; 및
상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 제어하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압 및 출력 전류를 조정하는 제어부;를 포함하고,
상기 PFC 컨버터 및 DC-DC 컨버터는 3레벨 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.A PFC converter for converting an AC input voltage into a DC voltage and outputting the AC input voltage and compensating a power factor;
A DC link receiving the DC voltage from the PFC converter;
A DC-DC converter for converting a DC voltage supplied from the DC link to an AC voltage and converting the DC voltage into a DC voltage again; And
And a control unit controlling at least one of a switching frequency and a duty ratio of the PFC converter to adjust an output voltage and an output current of the DC-DC converter,
Wherein the PFC converter and the DC-DC converter include a three-level converter. 제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압 및 출력 전류의 크기를 검출하여 상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비를 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.The method according to claim 1,
Wherein the controller detects a magnitude of an output voltage and an output current of the DC-DC converter to feedback-control a switching frequency and a duty ratio of the PFC converter. 제2항에 있어서,
상기 DC-DC 컨버터에 포함된 3 레벨 컨버터는 공진 LLC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.3. The method of claim 2,
Wherein the three-level converter included in the DC-DC converter includes a resonant LLC converter. 제3항에 있어서,
상기 DC-DC 컨버터는 고정된 스위칭 주파수인 제1 주파수로 동작하고,
상기 제1 주파수는 상기 공진 LLC 컨버터의 공진 주파수와 상응한 값을 갖는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.The method of claim 3,
Wherein the DC-DC converter operates at a first frequency that is a fixed switching frequency,
Wherein the first frequency has a value corresponding to a resonant frequency of the resonant LLC converter. 제4항에 있어서,
상기 DC-DC 컨버터는 25% 내지 50% 중 어느 한 값으로 고정된 듀티비를 갖는 PWM(pulse width modulation) 신호를 통해 제어되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.5. The method of claim 4,
Wherein the DC-DC converter is controlled through a PWM (Pulse Width Modulation) signal having a fixed duty ratio of 25% to 50%. 제1항에 있어서,
상기 DC 링크의 전압은 상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압의 변동에 대응하여 가변되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.The method according to claim 1,
Wherein the voltage of the DC link is varied corresponding to the variation of the output voltage of the DC-DC converter. 제1항에 있어서,
상기 DC 링크는 필름 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.The method according to claim 1,
Wherein the DC link comprises a film capacitor. 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩; 및
계통으로부터 인가받은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고 역률을 보상하는 PFC 컨버터, 상기 PFC 컨버터로부터 직류 전압을 공급받는 DC 링크, 상기 DC 링크로부터 공급 받은 직류 전압을 교류 전압으로 변환하고, 다시 직류 전압으로 변환시키는 DC-DC 컨버터, 및 상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 제어하여 상기 배터리 팩으로 인가되는 출력 전압 및 출력 전류를 조정하는 제어부를 포함하는 전력 변환 장치;를 포함하고,
상기 PFC 컨버터 및 DC-DC 컨버터는 3레벨 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.A battery pack comprising at least one battery cell; And
A PFC converter for converting an AC voltage applied from the system into a DC voltage and compensating a power factor, a DC link for receiving a DC voltage from the PFC converter, a DC voltage supplied from the DC link to an AC voltage, And a controller for controlling at least one of a switching frequency and a duty ratio of the PFC converter to adjust an output voltage and an output current to be applied to the battery pack,
Wherein the PFC converter and the DC-DC converter include a three-level converter. 제8항에 있어서,
상기 제어부는 상기 배터리 팩으로 인가되는 출력 전류의 크기와 미리 설정된 기준 전류를 비교하여 상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 피드백 제어하는 배터리 충전 시스템.9. The method of claim 8,
Wherein the control unit feedback-controls at least one of a switching frequency and a duty ratio of the PFC converter by comparing a magnitude of an output current applied to the battery pack with a preset reference current. 제8항에 있어서,
상기 제어부는 상기 배터리 팩으로 인가되는 전압과 미리 설정된 기준 전압을 비교하여 상기 PFC 컨버터의 스위칭 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 피드백 제어하는 배터리의 충전 시스템.9. The method of claim 8,
Wherein the control unit feedback-controls at least one of a switching frequency and a duty ratio of the PFC converter by comparing a voltage applied to the battery pack with a preset reference voltage. 제8항에 있어서,
상기 DC-DC 컨버터에 포함된 3 레벨 컨버터는 공진 LLC 컨버터인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.9. The method of claim 8,
Wherein the three-level converter included in the DC-DC converter is a resonant LLC converter. 제11항에 있어서,
상기 DC-DC 컨버터는 상기 배터리 팩으로 인가되는 전압 및 전류가 변화되더라도 전압 이득이 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.12. The method of claim 11,
Wherein the DC-DC converter maintains a constant voltage gain even if a voltage and a current applied to the battery pack are changed. 제12항에 있어서,
상기 DC-DC 컨버터는 고정된 스위칭 주파수인 제1 주파수로 동작하고,
상기 제1 주파수는 상기 공진 LLC 컨버터의 공진 주파수와 상응한 값을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.13. The method of claim 12,
Wherein the DC-DC converter operates at a first frequency that is a fixed switching frequency,
Wherein the first frequency has a value corresponding to a resonant frequency of the resonant LLC converter. 제13항에 있어서,
상기 DC-DC 컨버터는 25% 내지 50% 중 어느 한 값으로 고정된 듀티비를 갖는 PWM(pulse width modulation) 신호를 통해 제어되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.14. The method of claim 13,
Wherein the DC-DC converter is controlled through a PWM (Pulse Width Modulation) signal having a fixed duty ratio of 25% to 50%. 제8항에 있어서,
상기 DC 링크의 전압은 상기 배터리로 인가되는 전압의 변화에 대응하여 가변되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.9. The method of claim 8,
Wherein the voltage of the DC link is varied corresponding to a change of a voltage applied to the battery.
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