KR20180098171A - 작은 출력전류 리플을 갖는 고효율 충전기 - Google Patents

작은 출력전류 리플을 갖는 고효율 충전기 Download PDF

Info

Publication number
KR20180098171A
KR20180098171A KR1020180022174A KR20180022174A KR20180098171A KR 20180098171 A KR20180098171 A KR 20180098171A KR 1020180022174 A KR1020180022174 A KR 1020180022174A KR 20180022174 A KR20180022174 A KR 20180022174A KR 20180098171 A KR20180098171 A KR 20180098171A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
winding
switch
unit
resonance
switching
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
KR1020180022174A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102030918B1 (ko
Inventor
강정원
이준영
Original Assignee
단국대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 단국대학교 산학협력단 filed Critical 단국대학교 산학협력단
Publication of KR20180098171A publication Critical patent/KR20180098171A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102030918B1 publication Critical patent/KR102030918B1/ko
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/22—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC
    • H02M3/24—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/28—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC
    • H02M3/325—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02J7/0052—
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H02M1/0058—Transistor switching losses by employing soft switching techniques, i.e. commutation of transistors when applied voltage is zero or when current flow is zero
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/083—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the ignition at the zero crossing of the voltage or the current
    • H02J2007/0059—
    • H02M2001/0058—
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

작은 출력전류 리플을 갖는 고효율 충전기가 개시된다. 이는 공진 컨버터부와 풀브리지 컨버터부를 하이브리드 방식으로 구성하여 스위칭 동작시 출력인덕터에 인가되는 전압을 감소시킴으로써 작은 인덕턴스를 갖는 인덕터를 사용하여 리플전류를 감소시킬 수 있다. 또한, 정류기의 내압도 낮은 값으로 유지할 수 있으며, 공진 컨버터부와 풀브리지 컨버터부를 단일 변압기를 사용하여 하이브리드 방식으로 구성함으로써 부하에 따른 전력분배의 문제점을 해결 할 수 있다.

Description

작은 출력전류 리플을 갖는 고효율 충전기{High Efficiency EV Charger with Small Ripple Current}
본 발명은 충전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 작은 출력전류 리플을 갖는 고효율 EV 충전기에 관한 것이다.
일반적인 대용량 LED 전원장치의 경우, 상용 전원을 입력으로 사용하므로 90Vrms~265Vrms의 입력전압 범위에서 사용이 가능하여야 하며, 역률 개선이 가능해야 한다. 또한, 발광 다이오드의 사양에 따라 넓은 범위의 출력전압에 대한 대응이 가능해야 한다.
이러한 요구조건을 만족하기 위해 역률개선 기능을 담당하는 PFC(Power Factor Correction) 단과 DC/DC 단의 2단 구성의 전력변환기가 일반적으로 사용된다. 이중에서 DC/DC 단은 절연을 위해 절연형 변압기를 사용하고, 효율에 많은 영향을 미친다.
도 1은 종래의 위상 천이 풀 브리지 전원장치를 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 위상 천이 풀 브리지 전원장치(100)는 입력전원(Vin), 스위칭부(110), 변압부(120), 정류부(130)를 포함한다.
입력전원(Vin)으로 동작상태로 되는 스위칭부(110)는 제1 내지 제4 스위치(M1, M2, M3, M4)를 포함하고, 제어부(미도시)의 제1 내지 제4 스위칭 신호에 따라 스위칭 동작하여 직류 전압은 펄스성 직류 전압으로 변환된다. 이후, 펄스성 직류 전압은 변압부(120)의 1차 코일(TF1) 및 2차 코일(TF2)의 권선비율에 따라 2차 교류 전압으로 변환된 후, 정류부(130)에 의해 직류 전압으로 정류된다.
이러한 종래 기술에 따른 풀 브리지 전원장치(100)는 누설인덕턴스에 흐르는 전류를 이용하여 소프트 스위칭 동작이 수행되는데, 저부하에서는 누설 인덕턴스에 흐르는 전류가 작으므로 소프트 스위칭이 어려워지고, 이에 따라 저부하 효율 저하가 발생된다. 또한, 정류부(130)의 다이오드(D1, D2, D3, D4)에 전류가 흐를 때, 전압강하가 발생하므로 변압기의 누설과 다이오드 접합 커패시턴스와의 공진으로 인해 과도한 서지 전압이 발생하여 이를 억제하기 위한 추가적인 스너버 회로가 요구된다.
또한, 일반적으로 고압의 다이오드의 경우, 큰 전압강하를 보이므로 도통 손실이 증가하고, 전압 제한을 위한 스너버 손실도 존재하므로 고효율의 DC/DC 컨버터 설계에 불리하며, 비용 상승의 일 요인이 된다.
한국특허 공개 10-2011-0029782
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 작은 리플 전류를 구현하며, 부하에 따른 전력분배의 문제점을 해결할 수 있는 풀브리지 컨버터와 공진컨버터를 이용한 하이브리드 방식의 고효율 충전기를 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 입력전원, 서로 직렬 접속된 제1스위치 및 제2스위치와, 제3스위치 및 제4스위치가 각각 상기 입력전원의 양단에 병렬로 접속되어, 스위칭 제어신호에 따라 스위칭하는 스위칭부, 상기 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 1차측 권선에 의한 에너지를 2차측 권선으로 유도하기 위한 변압부, 상기 2차측 권선에 연결된 공진 컨버터부 및 상기 2차측 권선에 연결되고, 상기 공진 컨버터부와 직렬로 연결된 풀브리지 컨버터부를 포함한다.
2차측 권선은, 상기 공진 컨버터부와 연결된 제1권선, 상기 풀브리지 컨버터부와 연결된 제2권선 및 상기 풀브리지 컨버터부와 연결되고, 상기 제2권선과 일측이 연결된 제3권선을 포함할 수 있다.
상기 공진 컨버터부와 상기 풀브리지 컨버터부는 하나의 변압기를 갖을 수 있다.
상기 공진 컨버터부는, 상기 제1권선에서 출력되는 전압을 정류하는 제1정류부, 상기 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 공진을 수행을 공진탱크부 및 상기 제1정류부에 의해 정류된 전압을 평활하여 출력하는 평활 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 풀브리지 컨버터부는, 상기 제2권선 또는 상기 제3권선에서 출력되는 전압을 정류하는 제2정류부 및 상기 제2정류부와 연결된 출력인덕터를 포함할 수 있다.
상기 공진탱크부는, 상기 스위칭부와 상기 1차측 권선에 연결된 공진 인덕터 및 상기 제1정류부와 상기 2차측 제1권선에 연결된 공진 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 제2권선 및 제3권선의 접속 노드는 상기 제1정류부 및 상기 평활 커패시터의 접속 노드와 연결될 수 있다.
상기 제1스위치 및 상기 제3스위치가 턴온됨에 따라, 상기 1차측 권선의 에너지가 상기 2차측 제1권선 및 제2권선으로 전달될 수 있다.
상기 공진 컨버터부는, 상기 2차측 제1권선의 자화인덕턴스를 이용하여 낮은 부하에서 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치의 소프트 스위칭을 수행할 수 있다.
상기 출력인덕터는 프리휠링(Freewheeling)시 상기 출력인덕터에 흐르는 전류의 하강기울기가 감소됨에 따라 낮은 인덕턴스를 갖을 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 방식의 고효율 충전기는 풀브리지 컨버터부와 공진 컨버터부를 하이브리드로 구성한 충전기로써, 스위칭 동작시 출력인덕터에 인가되는 전압을 감소시킴으로써 작은 인덕턴스를 갖는 인덕터를 사용하여 리플전류를 감소시킬 수 있다.
또한, 풀브리지 컨버터부와 공진 컨버터부를 단일 변압기를 사용하여 하이브리드로 구성함으로써 부하에 따른 전력분배의 문제점을 해결 할 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 위상 천이 풀 브리지 전원장치를 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풀 브리지 컨버터와 공진컨버터를 사용한 하이브리드 방식의 충전기를 도시한 회로도이다.
도 3은 도 2에 도시된 회로의 동작파형을 도시한 타이밍도이다.
도 4 내지 도 6은 도 2에 도시된 회로의 동작모드를 도시한 회로도들이다.
도 7은 실험예에 따른 각 부의 파형을 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험예에 따른 스위칭부의 전류, 전압 파형을 측정한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 충전기에서 배터리 전압에 따른 효율을 측정한 그래프이다.
본 발명은 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
실시예
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풀 브리지 컨버터와 공진컨버터를 사용한 하이브리드 방식의 충전기를 도시한 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 방식의 충전기(200)는 입력전원(Vin), 스위칭부(210), 변압부(220), 공진 컨버터부(230) 및 풀브리지 컨버터부(240)를 포함한다.
입력전원(Vin)은 상기 공진 컨버터부(230) 및 풀브리지 컨버터부(240)에 직류 전압을 공급한다.
스위칭부(210)는 풀브리지 타입의 제1 내지 제4스위치(M1, M2, M3, M4)를 포함하고, 서로 직렬 접속된 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2), 제3스위치(M3) 및 제4스위치(M4)는 상기 입력전원(Vin)의 양단에 각각 병렬로 접속된다. 또한, 스위칭부(210)는 회로내에 구비된 제어부(미도시)의 스위칭 제어에 따라 스위칭되도록 이루어지며, 스위칭부(210)의 제1 내지 제4스위치(M4)는 제어부의 제어 동작에 따라 각각의 스위치가 후술할 변압부(220)의 1차측 권선(TF1)과 교번적으로 폐루프를 형성하도록 형성될 수 있다.
변압부(220)는 상기 스위칭부(210)의 제1 및 제2스위치(M1, M2)의 접속노드와 상기 제3 및 제4스위치(M3, M4)의 접속노드 사이에 연결된 1차측 권선(TF1), 공진 컨버터부(230)와 풀브리지 컨버터부(240)에 접속된 2차측 권선(TF2)을 포함한다. 또한, 2차측 권선(TF2)은 공진 컨버터부(230)에 연결된 2차측 제1권선(TF2a)과 풀브리지 컨버터부(240)에 연결된 2차측 제2권선(TF2b) 및 제3권선(TF2c)을 포함할 수 있다. 여기서 2차측 제2권선(TF2b)은 제3권선(TF2c)과 일측이 연결되도록 형성될 수 있다. 이러한 변압부(220)는 1차측 권선(TF1), 2차측의 제1 내지 제3권선(TF2a,TF2b,TF2c)의 권선비율에 따라 1차측 권선(TF1)에 의한 에너지를 2차측 권선(TF2)의 제1권선(TF2a), 제2권선(TF2b) 또는 제3권선(TF2c)으로 전달한다.
또한, 본 발명의 충전기는 공진 컨버터부(230)와 풀브리지 컨버터부(240)를 하이브리드 방식으로 구성되나, 변압부(220)에서 사용되는 변압기는 단일 변압기를 사용함으로써 부하에 따른 전력분배의 문제점을 해결할 수 있다.
공진 컨버터부(230)는 상기 2차측 권선(TF2)에 연결된 제1정류부(231), 공진탱크부(232) 및 평활 커패시터(Co2)를 포함할 수 있다.
제1정류부(231)는 상기 변압부(220)의 2차측 제1권선(TF2a)에서 출력되는 전압을 정류하도록 제1다이오드 내지 제4다이오드(D1,D2,D3,D4)를 포함하는 브리지 다이오드로 이루어질 수 있다. 즉, 2차측 제1권선(TF2a)의 일단은 제1다이오드(D1) 및 제2다이오드(D2)의 접속노드에 연결되며, 타단은 제3다이오드(D3) 및 제4다이오드(D4)의 접속노드에 연결될 수 있다. 따라서, 상기 스위칭부(210)의 스위칭 동작에 따라 1차측 권선(TF1)에 의한 에너지를 2차측 제1권선(TF2a)으로 유도한다.
공진탱크부(232)는 공진 인덕터(Lr)와 공진 커패시터(Cr)를 포함할 수 있다. 공진탱크부(232)는 공진 인덕터(Lr)와 공진 커패시터(Cr)를 이용하여 공진을 수행한다. 공진 인덕터(Lr)의 일단은 상기 스위칭부(210)의 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)의 접속노드에 연결되며, 타단은 1차측 권선(TF1)의 일측에 연결될 수 있다. 또한, 공진 커패시터(Cr)는 제1다이오드(D1)와 제2다이오드(D2)의 접속노드에 연결된 2차측 제1권선(TF2a)의 일측 사이에 연결될 수 있다. 즉, 공진 인덕터(Lr)를 1차측 권선(TF1)에 연결하고, 공진 커패시터(Cr)를 2차측 권선(TF2)에 분리하여 연결함으로써, 공진 인덕터(Lr)는 1차측에서 공진으로써 기능하고 공진 커패시터(Cr)는 PWM제어로 기능하는 분리 형태를 취할 수 있다.
평활 커패시터(Co2)는 제1정류부(231)와 연결되고, 상기 제1정류부(231)에 의해 정류된 전압을 평활하여 출력한다.
풀브리지 컨버터부(240)는 상기 2차측 권선(TF2)에 연결된 제2정류부(241) 및 출력인덕터(Lo)를 포함할 수 있다.
제2정류부(241)는 2차측 제2권선(TF2b)에 연결된 제5다이오드(D5) 및 2차측 제3권선(TF2c)에 연결된 제6다이오드(D6)를 포함할 수 있다. 제5다이오드(D5)는 애노드(anode)가 2차측 제2권선(TF2b)의 일측에 연결되고, 캐소드(cathode)가 제6다이오드(D6)의 캐소드와 연결된다. 제6다이오드(D6)의 애노드는 2차측 제3권선(TF2c)의 일측에 연결될 수 있다. 따라서, 제2정류부(241) 는 상기 변압부(220)의 2차측 제2권선(TF2b) 및 제3권선(TF2c)에서 출력되는 전압을 정류하도록 기능할 수 있다.
출력인덕터(Lo)는 일단이 상기 제2정류부(241)와 연결되고, 타단이 배터리(Vbatt)에 연결된다. 본 발명에 따른 충전기(200)는 스위칭부(210)의 스위칭 동작시 출력인덕터(Lo)에 인가되는 전압을 감소시킴으로써, 작은 인덕턴스를 갖는 인덕터를 이용하여 리플전류를 감소시킬 수 있다. 즉, 도 1에서와 같이 종래의 풀브리지 컨버터(100)의 경우 프리휠링(Freewheeling)시 출력인덕터(Lo)에 -Vbatt의 전압이 인가되어 출력인덕터(Lo)에 인가되는 전압의 기울기가 커지기 때문에 동일한 리플을 얻기 위해서는 큰 인덕턴스를 갖는 인덕터가 필요하다. 하지만 본 발명에 따른 충전기(200)는 프리휠링시 출력인덕터(Lo)에 Vo2-Vbatt의 전압이 인가되기 때문에, 출력인덕터(Lo)에 흐르는 전류의 하강기울기가 감소됨에 따라, 작은 인덕턴스를 갖는 인덕터로도 종래의 풀브리지 컨버터와 동일한 리플전류를 얻을 수 있다.
상기와 같이, 2차측 권선(TF2)중 제1권선(TF2a)은 공진 컨버터부(230)와 연결되고, 제2권선(TF2b) 및 제3권선(TF2c)은 풀브리지 컨버터부(240)와 연결되며, 제2권선(TF2b) 및 제3권선(TF2c)의 접속 노드가 제1정류부(231) 및 평활 커패시터(Co2)의 접속 노드와 연결되는 구조를 취함으로써, 본 발명의 충전기(200)는 공진 컨버터부(230)와 풀브리지 컨버터부(240)를 단일 변압기를 이용하여 하이브리드 구조를 취할 수 있다.
동작모드
도 3은 도 2에 도시된 회로의 동작파형을 도시한 타이밍도이고, 도 4 내지 도 6은 도 2에 도시된 회로의 동작모드를 도시한 회로도들이다.
도 3내지 도 6을 참조하여 본 발명의 충전기에 따른 동작모드를 아래에 상세히 설명한다.
도 4는 모드 1에 대한 전류흐름도이다. 도 3과 도 4를 참조하면, 제3스위치(M3)가 도통되어 있는 상태에서 제2스위치(M2)가 차단되고 제1스위치(M1)가 도통된다. 제3스위치(M3)와 제1스위치(M1)가 도통됨으로써, 전류경로는 도 4에서와 같이 1차측에서는 입력전원(Vin), 제1스위치(M1), 공진 인덕터(Lr), 1차측 권선(TF1) 및 제3스위치(M3)로 전류경로가 형성되고, 공진 컨버터부(230)의 전류경로는 2차측 제1권선(TF2a)에 의해 2차측 제1권선(TF2a), 공진 커패시터(Cr), 제1다이오드(D1), 평활 커패시터(Co2) 및 제3다이오드(D3)의 전류경로가 형성된다. 또한, 풀브리지 컨버터부(240)의 전류경로는 2차측 제2권선(TF2b)에 의해 2차측 제2권선(TF2b), 제5다이오드(D5), 출력인덕터(Lo), 배터리 및 평활 커패시터(Co2)로 전류경로가 형성된다.
즉, 공진 컨버터부(230)의 제1정류부(241)에서 제1다이오드(D1)와 제3다이오드(D3)의 전류경로가 형성되기 때문에 평활 커패시터(Co2)를 충전하며, 풀브리지 컨버터부(240)의 제2정류부(241)에서는 제5다이오드(D5), 출력인덕터(Lo), 배터리 및 평활 커패시터(Co2)의 경로로 충전전류가 흐른다.
도 3에서와 같이 모드 1에서는 공진 인덕터(Lr)와 공진 커패시터(Cr)에 의한 공진 전류와 배터리 전류의 1차측 환원전류의 합이 변압부(220)의 1차측으로 흐르며, 제1스위치(M1)는 자화전류를 이용하여 소프트 스위칭이 달성되고 있음을 확인할 수 있다.
도 5는 모드 2에 대한 전류흐름도이다. 도 3과 도 5를 참조하면, 제3스위치(M3)가 도통되어 있는 상태에서 제1스위치(M1)가 차단되고, 제2스위치(M2)가 도통된다. 제2스위치(M2)와 제3스위치(M3)가 도통됨으로써, 전류경로는 도 5에서와 같이 1차측에서는 공진 인덕터(Lr), 1차측 권선(TF1), 제3스위치(M3) 및 제2스위치(M2)의 바디다이오드의 경로로 전류경로가 형성된다. 또한, 공진 컨버터부(230)와 풀브리지 컨버터부(240)는 모드 1의 경로를 그대로 유지한다. 이때, 공진 인덕터(Lr)에는 모드 1과 반대방향의 전압이 인가되기 때문에 변압기 1차측 전류는 0까지 감소하게 된다.
도 6은 모드 3에 대한 전류흐름도이다. 도 3과 도 6을 참조하면, 1차측 전류경로는 모드 2의 전류 경로를 그대로 유지하며, 공진전류는 없고, 출력인덕터(Lo) 전류의 1차측 환원전류와 자화전류만 흐르므로 일정한 전류가 흐른다.
모드 3 이후에는 제2스위치(M2)가 도통되어 있는 상태에서 제3스위치(M3)가 차단되고, 제4스위치(M4)가 도통되면서 다음 반주기가 시작되며, 이에 따른 동작은 모드 1 내지 모드 3과 동일하게 동작된다.
상술한 도 3의 타이밍도와 도 4 내지 도 6의 동작모드에서와 같이, 도 1과 같은 종래의 풀브리지 컨버터의 경우 프리휠링(Freewheeling)시 출력인덕터(Lo)에 -Vbatt의 전압이 인가되어 출력인덕터(Lo)에 인가되는 전압의 기울기가 커지기 때문에 동일한 리플을 얻기 위해서는 큰 인덕턴스를 갖는 인덕터가 필요하지만, 본 발명에 따른 하이브리드 방식의 충전기(200)는 프리휠링시 출력인덕터(Lo)에 Vo2-Vbatt의 전압이 인가되기 때문에, 출력인덕터(Lo)에 흐르는 전류의 하강기울기가 감소됨에 따라, 작은 인덕턴스를 갖는 인덕터로도 종래의 풀브리지 컨버터와 동일한 리플전류를 얻을 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 제5다이오드(D5) 및 제6다이오드(D6)에 인가되는 전압 파형과 같이 정류기의 내압도 매우 낮은 값으로 유지되고 있음을 확인할 수 있다.
입출력 이득 및 인덕터 전류 리플
도 3의 파형을 참조하여 입출력 이득과 인덕터 전류리플에 대해 상세히 설명한다.
본 실시예의 컨버터의 입력과 출력전압의 이득은 출력인덕터(Lo) 양단 전압의 전압시간 평형곱으로 도출할 수 있으며, 하기의 수학식 1로 표현된다.
Figure pat00001
여기서, n1은 1차측 권선(TF1)의 권선수, n2는 2차측 권선(TF2)의 권선수, Vo2는 공진 컨버터부(230)의 출력전압, D는 시비율(Duty Ratio), tx는 모드 2의 지속시간(duration)이며, Ts는 스위칭 주기를 나타낸다.
또한, tx는 하기의 수학식으로 표현된다.
Figure pat00002
a와 b는 아래와 같이 수학식 3과 4와 같이 각각 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
여기서, Vin는 입력전원, Lr은 공진 인덕터의 L값, Cr은 공진 커패시터의 C값을 나타내고, Vcro는 공진 커패시터의 첨두값으로 하기의 수학식 5로 표현된다.
Figure pat00005
수학식 5에서 공진 컨버터부(230)의 출력전압인 Vo2는 하기의 수학식 6으로 표현된다.
Figure pat00006
여기서, Q는 하기의 수학식 7과 같다.
Figure pat00007
또한, 전류 리플은 하기의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00008
따라서, 종래의 풀브리지 컨버터에 비해 같은 인덕터를 사용하더라도 작은 전류 리플이 발생함을 확인할 수 있다.
실험예
본 발명의 하이브리드 방식으로 형성된 충전기의 성능을 평가하기 위하여, 본 발명의 충전기에 따른 회로를 구성하고 실험을 실시하였다.
도 7은 실험예에 따른 각 부의 파형을 측정한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 실험 조건은 6.6kW(Vin=400V, Vbatt=413V), n1=0.1, n2=1.2로 설정하여 Vo2가 400V가 되도록 하였으며, 스위칭 주파수는 50kHz, Lo=50μ로 설정하였다. 도 7의 측정 파형에서 알 수 있듯이, 출력인덕터(Lo) 전류의 리플이 매우 작은 것을 확인할 수 있으며, 정류기의 내압도 매우 낮은 값으로 유지하고 있음을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실험예에 따른 스위칭부의 전류, 전압 파형을 측정한 그래프이다.
도 8은 제1스위치와 제2스위치의 전류 파형과 전압 파형을 각각 측정한 그래프를 나타낸다. 도 8에 도시한 바와 같이, 스위칭부(210)의 스위치 동작시 영전압-영전류 스위칭(ZV-ZCS)이 달성됨을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 충전기에서 배터리 전압에 따른 효율을 측정한 그래프이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 배터리 전압을 250V, 330V, 360V, 420V에 따라 효율을 측정한 결과, 360V/6.6kW에서 97.2%의 효율을 확인할 수 있으며, 413V/6.6kW에서 최대효율인 97.4%로 고효율을 달성함을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 방식의 충전기(200)는 공진 컨버터부(230)와 풀브리지 컨버터부(240)를 하이브리드로 구성한 충전기로써, 스위칭 동작시 출력인덕터(Lo)에 인가되는 전압을 감소시킴으로써 작은 인덕턴스를 갖는 인덕터를 사용하여 리플전류를 감소시킬 수 있으며, 정류기의 내압도 낮은 값으로 유지할 수 있다. 또한, 공진 컨버터부(230)와 풀브리지 컨버터부를 단일 변압기를 사용하여 하이브리드 방식으로 구성함으로써 부하에 따른 전력분배의 문제점을 해결 할 수 있으며, 실험 결과에서와 같이 고효율을 달성할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
210 : 스위칭부 220 : 변압부
230 : 공진 컨버터부 231 : 제1정류부
232 : 공진탱크부 240 : 풀브리지 컨버터부
241 : 제2정류부

Claims (10)

  1. 입력전원;
    서로 직렬 접속된 제1스위치 및 제2스위치와, 제3스위치 및 제4스위치가 각각 상기 입력전원의 양단에 병렬로 접속되어, 스위칭 제어신호에 따라 스위칭하는 스위칭부;
    상기 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 1차측 권선에 의한 에너지를 2차측 권선으로 유도하기 위한 변압부;
    상기 2차측 권선에 연결된 공진 컨버터부; 및
    상기 2차측 권선에 연결되고, 상기 공진 컨버터부와 직렬로 연결된 풀브리지 컨버터부를 포함하는 작은 출력전류 리플을 갖는 고효율 충전기.
  2. 제1항에 있어서, 2차측 권선은,
    상기 공진 컨버터부와 연결된 제1권선;
    상기 풀브리지 컨버터부와 연결된 제2권선; 및
    상기 풀브리지 컨버터부와 연결되고, 상기 제2권선과 일측이 연결된 제3권선을 포함하는 작은 출력전류 리플을 갖는 고효율 충전기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공진 컨버터부와 상기 풀브리지 컨버터부는 하나의 변압기를 갖는 것인 작은 출력전류 리플을 갖는 고효율 충전기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 공진 컨버터부는,
    상기 제1권선에서 출력되는 전압을 정류하는 제1정류부;
    상기 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 공진을 수행을 공진탱크부; 및
    상기 제1정류부에 의해 정류된 전압을 평활하여 출력하는 평활 커패시터를 포함하는 작은 출력전류 리플을 갖는 고효율 충전기.
  5. 제2항에 있어서, 상기 풀브리지 컨버터부는,
    상기 제2권선 또는 상기 제3권선에서 출력되는 전압을 정류하는 제2정류부; 및
    상기 제2정류부와 연결된 출력인덕터를 포함하는 작은 출력전류 리플을 갖는 고효율 충전기.
  6. 제4항에 있어서, 상기 공진탱크부는,
    상기 스위칭부와 상기 1차측 권선에 연결된 공진 인덕터; 및
    상기 제1정류부와 상기 2차측 제1권선에 연결된 공진 커패시터를 포함하는 작은 출력전류 리플을 갖는 고효율 충전기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2권선 및 제3권선의 접속 노드는 상기 제1정류부 및 상기 평활 커패시터의 접속 노드와 연결되는 것인 작은 출력전류 리플을 갖는 고효율 충전기.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제1스위치 및 상기 제3스위치가 턴온됨에 따라, 상기 1차측 권선의 에너지가 상기 2차측 제1권선 및 제2권선으로 전달되는 것인 작은 출력전류 리플을 갖는 고효율 충전기.
  9. 제2항에 있어서, 상기 공진 컨버터부는,
    상기 2차측 제1권선의 자화인덕턴스를 이용하여 낮은 부하에서 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치의 소프트 스위칭을 수행하는 것인 작은 출력전류 리플을 갖는 고효율 충전기.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 출력인덕터는 프리휠링(Freewheeling)시 상기 출력인덕터에 흐르는 전류의 하강기울기가 감소됨에 따라 낮은 인덕턴스를 갖는 것인 작은 출력전류 리플을 갖는 고효율 충전기.
KR1020180022174A 2017-02-24 2018-02-23 작은 출력전류 리플을 갖는 고효율 충전기 Active KR102030918B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170024576 2017-02-24
KR20170024576 2017-02-24

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180098171A true KR20180098171A (ko) 2018-09-03
KR102030918B1 KR102030918B1 (ko) 2019-10-10

Family

ID=63600895

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180022174A Active KR102030918B1 (ko) 2017-02-24 2018-02-23 작은 출력전류 리플을 갖는 고효율 충전기

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102030918B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230036115A (ko) * 2020-07-15 2023-03-14 프로드라이브 테크놀로지즈 이노베이션 서비시즈 비.브이. 플라즈마 보조 처리 장치들을 위한 전압 파형 생성기
CN117240089A (zh) * 2023-09-12 2023-12-15 南京航空航天大学 双向四管Buck-Boost变换器的控制电路和控制方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04331420A (ja) * 1991-05-01 1992-11-19 Bridgestone Corp 電源回路
KR20110029782A (ko) 2009-09-16 2011-03-23 전남대학교산학협력단 풀-브릿지 방식의 절연형 ｄｃ/ｄｃ컨버터
KR20160085224A (ko) * 2015-01-06 2016-07-15 단국대학교 산학협력단 하이브리드 방식 led 전원장치
KR20160093515A (ko) * 2015-01-28 2016-08-08 단국대학교 산학협력단 하이브리드 방식 led 전원장치
KR20160147575A (ko) * 2015-06-15 2016-12-23 계명대학교 산학협력단 전기자동차의 배터리 충전을 위한 전력변환기

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04331420A (ja) * 1991-05-01 1992-11-19 Bridgestone Corp 電源回路
KR20110029782A (ko) 2009-09-16 2011-03-23 전남대학교산학협력단 풀-브릿지 방식의 절연형 ｄｃ/ｄｃ컨버터
KR20160085224A (ko) * 2015-01-06 2016-07-15 단국대학교 산학협력단 하이브리드 방식 led 전원장치
KR20160093515A (ko) * 2015-01-28 2016-08-08 단국대학교 산학협력단 하이브리드 방식 led 전원장치
KR20160147575A (ko) * 2015-06-15 2016-12-23 계명대학교 산학협력단 전기자동차의 배터리 충전을 위한 전력변환기

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230036115A (ko) * 2020-07-15 2023-03-14 프로드라이브 테크놀로지즈 이노베이션 서비시즈 비.브이. 플라즈마 보조 처리 장치들을 위한 전압 파형 생성기
CN117240089A (zh) * 2023-09-12 2023-12-15 南京航空航天大学 双向四管Buck-Boost变换器的控制电路和控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR102030918B1 (ko) 2019-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cho et al. A half-bridge LLC resonant converter adopting boost PWM control scheme for hold-up state operation
US10637363B2 (en) Converters with hold-up operation
US9660536B2 (en) Switching power supply device performs power transmission by using resonance phenomenon
CN102948057B (zh) 支持隔离级中的软切换的两级共振转换器
CN108352787A (zh) 反激变换器
CN111656661B (zh) 恒频dc / dc功率转换器
KR20180004675A (ko) 보조 lc 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터 및 그 구동 방법
US20160049858A1 (en) Lc resonant converter using phase shift switching method
US20110069513A1 (en) Current-Sharing Power Supply Apparatus With Bridge Rectifier Circuit
Chu et al. Analysis and design of a current-fed zero-voltage-switching and zero-current-switching CL-resonant push–pull dc–dc converter
Lee et al. Reduction of input voltage/current ripples of boost half-bridge DC-DC converter for photovoltaic micro-inverter
US11764693B2 (en) Dual-capacitor resonant circuit for use with quasi-resonant zero-current-switching DC-DC converters
KR102030918B1 (ko) 작은 출력전류 리플을 갖는 고효율 충전기
US20110058392A1 (en) Current-sharing power supply apparatus
KR20170104434A (ko) 공진형 dc-dc 컨버터
KR101813778B1 (ko) 하이브리드 방식 led 전원장치
Wang et al. A new LLC converter family with synchronous rectifier to increase voltage gain for hold-up application
Huang et al. Analysis and design of a single-stage buck-type AC-DC adaptor
Hwu et al. Ultrahigh step-down converter with active clamp
Bagawade et al. Novel high-gain hybrid current-driven DC-DC converter topology
Abbasi et al. A constant frequency step-up resonant converter with a re-structural feature and a PWM-controlled voltage multiplier
KR101721321B1 (ko) 하이브리드 방식 led 전원장치
CN113938024A (zh) 一种用于电动汽车充电器的pwm控制串联谐振变换器及方法
JP4415363B2 (ja) スイッチング電源
Lin et al. Zero voltage switching double-ended converter

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

St.27 status event code: A-0-1-A10-A12-nap-PA0109

A201 Request for examination
PA0201 Request for examination

St.27 status event code: A-1-2-D10-D11-exm-PA0201

PG1501 Laying open of application

St.27 status event code: A-1-1-Q10-Q12-nap-PG1501

D13-X000 Search requested

St.27 status event code: A-1-2-D10-D13-srh-X000

D14-X000 Search report completed

St.27 status event code: A-1-2-D10-D14-srh-X000

E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

St.27 status event code: A-1-2-D10-D21-exm-PE0902

AMND Amendment
E13-X000 Pre-grant limitation requested

St.27 status event code: A-2-3-E10-E13-lim-X000

P11-X000 Amendment of application requested

St.27 status event code: A-2-2-P10-P11-nap-X000

P13-X000 Application amended

St.27 status event code: A-2-2-P10-P13-nap-X000

E601 Decision to refuse application
PE0601 Decision on rejection of patent

St.27 status event code: N-2-6-B10-B15-exm-PE0601

AMND Amendment
E13-X000 Pre-grant limitation requested

St.27 status event code: A-2-3-E10-E13-lim-X000

P11-X000 Amendment of application requested

St.27 status event code: A-2-2-P10-P11-nap-X000

P13-X000 Application amended

St.27 status event code: A-2-2-P10-P13-nap-X000

PX0901 Re-examination

St.27 status event code: A-2-3-E10-E12-rex-PX0901

PX0701 Decision of registration after re-examination

St.27 status event code: A-3-4-F10-F13-rex-PX0701

X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

St.27 status event code: A-2-4-F10-F11-exm-PR0701

PR1002 Payment of registration fee

St.27 status event code: A-2-2-U10-U11-oth-PR1002

Fee payment year number: 1

PG1601 Publication of registration

St.27 status event code: A-4-4-Q10-Q13-nap-PG1601

P22-X000 Classification modified

St.27 status event code: A-4-4-P10-P22-nap-X000

R18-X000 Changes to party contact information recorded

St.27 status event code: A-5-5-R10-R18-oth-X000

P22-X000 Classification modified

St.27 status event code: A-4-4-P10-P22-nap-X000

PR1001 Payment of annual fee

St.27 status event code: A-4-4-U10-U11-oth-PR1001

Fee payment year number: 4

P14-X000 Amendment of ip right document requested

St.27 status event code: A-5-5-P10-P14-nap-X000

PN2301 Change of applicant

St.27 status event code: A-5-5-R10-R11-asn-PN2301

PN2301 Change of applicant

St.27 status event code: A-5-5-R10-R14-asn-PN2301

P16-X000 Ip right document amended

St.27 status event code: A-5-5-P10-P16-nap-X000

Q16-X000 A copy of ip right certificate issued

St.27 status event code: A-4-4-Q10-Q16-nap-X000

P14-X000 Amendment of ip right document requested

St.27 status event code: A-5-5-P10-P14-nap-X000

PR1001 Payment of annual fee

St.27 status event code: A-4-4-U10-U11-oth-PR1001

Fee payment year number: 5

R18-X000 Changes to party contact information recorded

St.27 status event code: A-5-5-R10-R18-oth-X000

PR1001 Payment of annual fee

St.27 status event code: A-4-4-U10-U11-oth-PR1001

Fee payment year number: 6

R18-X000 Changes to party contact information recorded

St.27 status event code: A-5-5-R10-R18-oth-X000

R18 Changes to party contact information recorded

Free format text: ST27 STATUS EVENT CODE: A-5-5-R10-R18-OTH-X000 (AS PROVIDED BY THE NATIONAL OFFICE)

R18-X000 Changes to party contact information recorded

St.27 status event code: A-5-5-R10-R18-oth-X000