KR20200031437A - Ac-dc converter for charger of electrical vehicle battery - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an electric vehicle battery charging technology, and more particularly, to an AC-DC converter for charging an electric vehicle battery, which improves efficiency to allow a power factor (PF) to be close to 1. According to an embodiment of the present invention, the AC-DC converter comprises: an input unit (1) for correcting a power factor of an input power AC power to 0.9 to 1, and then rectifying the same to a DC power to output the same; an output unit (2) for receiving an output DC power of the input unit (1), performing synchronous rectification and active clamp to achieve zero voltage switching, performing DC-DC conversion with voltage required for battery charging to output the same, and having an active clamp snubber circuit; and a bias supply unit (3) for supplying power for driving the input unit (1) and the output unit (2). The output unit (2) includes a full-bridge circuit for zero voltage switching, and each leg of a bridge circuit is driven with two complementary PWM signals having 50% of a fixed duty and includes an inverter unit (80) having a first current transformer (CT1) for output and short-circuit current detection of a full-bridge.

Description

전기자동차 배터리 충전용 AC-DC 컨버터{AC-DC CONVERTER FOR CHARGER OF ELECTRICAL VEHICLE BATTERY}AC-DC converter for electric vehicle battery charging {AC-DC CONVERTER FOR CHARGER OF ELECTRICAL VEHICLE BATTERY}

본 발명은 전기자동차 배터리 충전 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 역률(Power Factor: PF)이 1에 가깝도록 효율이 향상된 전기자동차 배터리 충전용 AC-DC 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to an electric vehicle battery charging technology, and more particularly, to an AC-DC converter for electric vehicle battery charging with improved efficiency such that the power factor (PF) is close to 1.

전기 자동차(Electric Vehicle; EV)는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는 자동차를 말한다.Electric vehicle (EV) refers to a vehicle that does not use petroleum fuel and engine, but uses an electric battery and an electric motor.

전기 자동차는, 크게 전기 배터리만을 이용하는 전기 자동차와, 다른 동력원, 예를 들어 가솔린과 전기 배터리를 함께 사용하는 하이브리드 전기 자동차를 포함한다. 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜서 자동차를 구동시키는 전기 자동차는 1873년 가솔린 자동차보다 먼저 제작되었다. 그러나 배터리의 무거운 중량, 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못했다.Electric vehicles mainly include electric vehicles that use only electric batteries, and hybrid electric vehicles that use other power sources, such as gasoline and electric batteries, together. An electric vehicle that drives a vehicle by rotating a motor with electricity accumulated in a battery was built before the gasoline vehicle in 1873. However, due to problems such as the heavy weight of the battery and the time it takes to charge, it has not been put into practical use.

최근 화석연료 등 에너지 자원의 부족, 가솔린 자동차에 의한 환경오염 등의 문제에 의해 전기 자동차에 대한 연구가 활발해지고 있다.Recently, research on electric vehicles has been actively conducted due to a lack of energy resources such as fossil fuels and environmental pollution caused by gasoline vehicles.

이러한 전기 자동차의 보급 확대와 운용 활성화를 위해서는 충전 인프라 구축이 필수적이며, 전력 전달 기기인 충전 스탠드와 충전 시스템의 개발이 무엇보다도 필수적이다.In order to expand and promote the operation of electric vehicles, it is essential to build a charging infrastructure, and development of a charging stand and a charging system, which are electric power transmission devices, is essential.

전기 자동차용 배터리의 충전에 적합한 전압을 출력하기 위해 AC-DC 컨버터는 충전용 전원을 교류에서 직류로 정류한 후, 정류된 직류 전원을 배터리 충전에 적합한 전압의 전원으로 DC-DC 변환하는 전력변환 과정을 수반한다.In order to output a voltage suitable for charging the battery for an electric vehicle, the AC-DC converter rectifies the charging power from AC to DC, and then converts the rectified DC power to DC-DC with a voltage suitable for battery charging. It entails a process.

이러한 전기 자동차용 배터리 충전을 위한 AC-DC 컨버터는 전체 부하 동작 범위 및 주 입력 전압 범위에 걸쳐 높은 효율을 요구한다.These AC-DC converters for battery charging for electric vehicles require high efficiency over the entire load operating range and main input voltage range.

이에 따라, 대한민국 공개특허 제2017-0131895호는 절연형 역률보상 컨버터를 사용함으로써 회로 구성을 간단히 하면서 손실을 줄일 수 있도록 하는 전기자동차용 충전 및 전력 변환 겸용 회로를 제공하며, 대한민국 공개특허 제2018-0017987호는 역률 보정 회로를 통해 역률을 보정하여 출력하도록 구성된 전기 자동차용 배터리 충전 장치를 개시하고 있다.Accordingly, Korean Patent Publication No. 2017-0131895 provides an electric vehicle charging and power conversion combined circuit that simplifies the circuit configuration and reduces losses by using an insulated power factor correction converter. 0017987 discloses a battery charging device for an electric vehicle that is configured to correct and output a power factor through a power factor correction circuit.

하지만, 상기한 선행기술들은 전기 자동차용 배터리 충전을 위한 AC-DC 컨버터의 전체 부하 동작 범위 및 주 입력 전압 범위에 걸친 높은 효율의 요구를 충족하지 못하는 문제점을 가진다.However, the above-mentioned prior arts have a problem that they do not meet the demand for high efficiency over the entire load operating range and the main input voltage range of the AC-DC converter for battery charging for electric vehicles.

대한민국 공개특허 제2017-0131895호Republic of Korea Patent Publication No. 2017-0131895 대한민국 공개특허 제2018-0017987호Republic of Korea Patent No. 2018-0017987

상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 전기 자동차용 배터리 충전을 위한 AC-DC 컨버터는 전체 부하 동작 범위 및 주 입력 전압 범위에 걸쳐 요구되는 높은 효율을 가지는 전기 자동차 배터리 충전용 AC-DC 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.An embodiment of the present invention for solving the above-described problems of the prior art, the AC-DC converter for charging the battery for the electric vehicle is an electric vehicle battery having a high efficiency required over the entire load operation range and the main input voltage range It is an object to provide a charging AC-DC converter.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 입력전원 교류 전원의 역률을 0.9 내지 1로 보정한 후 직류 전원으로 정류하여 출력하는 입력부; 상기 입력부의 출력 직류 전원을 입력 받은 후, 제로 전압 스위칭을 달성하는 동기정류 및 액티브 클램프를 수행한 후 배터리 충전에 필요한 전압으로 DC-DC 변환하여 출력하며, 액티브 클램프 스너버 회로를 구비하는 출력부; 및 상기 입력부와 출력부의 구동을 위한 전원을 공급하는 바이어스 공급부;를 포함하고, In order to achieve the above object, the present invention is to correct the power factor of the input power AC power to 0.9 to 1, and then rectified with a DC power to output; After receiving the output DC power of the input unit, after performing synchronous rectification and active clamping to achieve zero voltage switching, DC-DC is converted to a voltage required for charging the battery, and output, and an output unit having an active clamp snubber circuit ; And a bias supply unit supplying power for driving the input unit and the output unit.

상기 출력부는 제로 전압 스위칭을 위해, 풀브리지 회로를 포함하여 구성되며, 브리지회로의 각 레그(leg)는 고정된 50% 듀티(Duty)를 갖는 2개의 상보적인 PWM 신호로 구동되도록 구성되고, 출력 및 풀 브리지의 단락전류 검출을 위하여 제 1 변류기(CT1)를 구비한 인버터부를 포함하여 구성되는 전기 자동차 배터리 충전용 AC-DC 컨버터를 제공한다.The output unit is configured to include a full-bridge circuit for zero voltage switching, and each leg of the bridge circuit is configured to be driven by two complementary PWM signals having a fixed 50% duty, and output And an inverter unit having a first current transformer (CT1) for detecting a short-circuit current of a full bridge.

또, 본 발명의 전기 자동차 배터리 충전용 AC-DC 컨버터에 따르면, 상기 입력부는, 주파수대역이 다른 2개의 필터(F1, F2)를 2단으로 하여 PFC의 입력 정류기 브리지 다이오드에 연결되도록 구성되어 전자기 간섭을 완화하는 EMC 필터부; 교류 전원 입력단에 연결되는 제 1 서미스터(PT1)와 병렬로 연결되는 제 1 릴레이(RL1A)을 구비하여, 입력단에 입력전원 투입 시 돌입 전류 제한을 위하여 제 1 서미스터(PT1)의 저항값에 의하여 내부 커패시터의 충전전류를 제한하고, VBUS 전압를 검출하여 전압이 정상임을 감지한 후 상기 제 1 릴레이(RL1A)를 구동시켜 돌입 전류의 유입을 제한하는 돌입전류 제한부; 풀브리지 다이오드와 상기 풀브리지 다이오드와 병렬로 연결되는 한 쌍의 병렬 연결 커패시터로 구성되는 제 11 커패시터(C11)를 구비하여 상기 EMC 필터부로부터 입력되는 교류전원을 직류 전원으로 정류하여 출력하는 입력정류부; 역류 보상 제어를 위해 입력 교류 전압과 전류를 검출하여 입력부 제어부로 출력하는 입력전압전류검출부; 2 개의 병렬 부스트 컨버터(BC1, BC2)와 2개의 병렬 부스터 컨버터(BC1, BC2)의 각 레그에 대한 평균 인덕터 전류를 측정하기 위해 각 스위치에 연결되는 두 개의 전류 트랜스포머(CT1, CT2)를 포함하고, 상기 각 레그의 스위치를 동일한 듀티 사이클로 구동시켜, RECT+ 포트를 통해 상기 EMC 필터부로부터 필터링된 교류 전원을 입력 받아 직류 전원으로 정류하여 출력하는 역률 보상 2상 부스터 컨버터부; 및 고전압 직류버스전압 검출은 분압저항(R24, R27, R29, R33, R34, R35)들로 검출한 후 입력부 제어부를 구성하는 MCU 보드의 VBUS+ 포트로 출력하는 직류전압 전압 검출 및 필터부;를 포함하여 구성될 수 있다.In addition, according to the AC-DC converter for charging the electric vehicle battery of the present invention, the input unit is configured to be connected to the input diode rectifier bridge diode of the PFC with two filters (F1, F2) having different frequency bands in two stages. EMC filter unit to alleviate interference; It is equipped with a first relay (RL1A) connected in parallel with a first thermistor (PT1) connected to the AC power input terminal, internally by the resistance value of the first thermistor (PT1) to limit the inrush current when input power to the input terminal An inrush current limiting unit for limiting the charging current of the capacitor, detecting the VBUS voltage, detecting that the voltage is normal, and then driving the first relay RL1A to limit inflow of the inrush current; An input rectifying unit comprising an eleventh capacitor (C11) composed of a full bridge diode and a pair of parallel connected capacitors connected in parallel with the full bridge diode to rectify and output AC power input from the EMC filter unit to DC power. ; An input voltage current detection unit which detects input AC voltage and current and outputs the input voltage to the input unit control unit for backflow compensation control; Includes two parallel boost converters (BC1, BC2) and two current transformers (CT1, CT2) connected to each switch to measure the average inductor current for each leg of the two parallel boost converters (BC1, BC2). , Power factor compensation two-phase boost converter unit that drives the switches of each leg with the same duty cycle, receives AC power filtered from the EMC filter unit through a RECT + port, and rectifies and outputs DC power; And high voltage DC bus voltage detection includes DC voltage voltage detection and filter unit that detects with voltage divider resistors (R24, R27, R29, R33, R34, R35) and outputs them to the VBUS + port of the MCU board constituting the input control unit. Can be configured.

또, 본 발명의 전기 자동차 배터리 충전용 AC-DC 컨버터에 따르면, 상기 입력부는, 역률 보상 2상 부스트 컨버터부에 대한 PFC제어를 위하여 위상동기루프(PLL)를 포함하여, 입력 전압 주파수, 진폭을 계산하고 입력 전류와의 동기화를 보장하고, 듀티 사이클 피드 포워드(duty cycle feed-forward) 제어기술을 도입하여, 연속 전도 모드(CCM), 불연속 전도 모드(DCM)로 작동 시에도 낮은 전체 고조파 왜곡(THD)과 역률(PF)이 전체 동작 범위에서 0. 9 내지 1이 되도록 상기 입력부의 입력전원을 제어하는 입력부 제어부;를 더 포함하여 구성될 수 있다.In addition, according to the AC-DC converter for charging an electric vehicle battery of the present invention, the input unit includes a phase-locked loop (PLL) for PFC control for a power factor-compensated two-phase boost converter unit, and input voltage frequency, amplitude Low total harmonic distortion even when operating in continuous conduction mode (CCM) and discontinuous conduction mode (DCM) by calculating and ensuring synchronization with the input current and introducing duty cycle feed-forward control technology It may be configured to further include; THD) and the input unit control unit for controlling the input power of the input unit so that the power factor (PF) is 0.9 to 1 in the entire operating range.

또한, 본 발명의 전기 자동차 배터리 충전용 AC-DC 컨버터에 따르면, 상기 출력부는 각각 제 1 내지 제 4 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4) 중 하나를 포함하는 네 개의 제 1 내지 제 4 브리지회로(BC1 ~ BC4)를 가지는 풀브리지 회로를 구비하여 ZVS 스위칭을 수행하여 상기 입력부(1)에서 출력되는 직류 전원을 교류전원으로 변환하여 출력하는 인버터부; 상기 인버터부의 구동 전원을 공급하는 제 2 게이트 드라이버부; 제 1 변압기(T1)의 누설 인덕턴스와 다이오드 접합 커패시턴스로 인한 전압 스파이크를 클램핑하기 위해 출력 정류기인 위상동기정류회로부에 클램프 네트워크로 구성되는 액티브 클램프 스너버부; 상기 액티브클램프스너버부의 구동 전원을 공급하는 제 3 게이트 드라이버부; 상기 인버터부의 출력 교류 전원을 위상 동기 전류하여 직류로 변환하여 출력하는 위상동기정류회로부; 상기 위상동기정류회로부의 구동 전원을 공급하는 제 4 게이트 드라이버부; 상기 위상동기정류회로의 출력 직류 전원의 전류를 검출한 후 출력부 제어부의 DDC_CURR(MCU A/D)로 출력하는 제 1 저저항 분류기(SH1)를 구비한 출력전류검출부; 제 1 인덕터(L1)와 제 10 내지 제 15 커패시터(C10~C15)를 포함하는 고주파회로룰 구비하여, 고주파스위칭 파형을 직류전원으로 필터링하여 출력으로 공급하는 출력 필터 및 전압 검출부; 및 상기 인버터부의 ZVS를 위해 상기 제 1 내지 제 4 스위치(Q1, Q2, Q3, Q3)의 스위칭 제어를 위한 제 1 내지 제 4 인버터 PWM 신호(PWM_Q1, PWM_Q2. PWM_Q3, PWM_Q4)와 상기 위상동기정류회로부에 구성되는 제 8 및 제 10 스위치(Q8 및 Q10) 및 제 9 및 제 11 스위치(Q9 및 Q11)의 스위칭 제어를 위한 제 1 내지 제 2 위상동기정류 PWM신호(PWM_SR1(SRA1, SRB1), PWM_SR2(SRA2, SRB2)), 상기 액티브 클램프 스너버부의 제 5 및 제 6 스위치(Q5, Q6)의 스위칭 제어를 위한 제 1 및 제 2 클램프 PWM 신호(PWM_CLAMP1, PWM_CLAMP2)를 출력하여 출력부의 DC-DC 변환을 위한 스위칭 및 ZVS를 제어하는 출력부 제어부;를 포함하여 구성된다.Further, according to the AC-DC converter for charging an electric vehicle battery of the present invention, the output section includes four first to fourth bridge circuits each including one of the first to fourth switches Q1, Q2, Q3, and Q4. An inverter unit having a full-bridge circuit having (BC1 to BC4) to perform ZVS switching to convert DC power output from the input unit 1 to AC power; A second gate driver unit supplying driving power to the inverter unit; An active clamp snubber part configured as a clamp network in a phase-locked rectifier circuit, which is an output rectifier, for clamping voltage spikes due to leakage inductance and diode junction capacitance of the first transformer T1; A third gate driver unit supplying driving power to the active clamp snubber unit; A phase-locked rectifying circuit unit converting the output AC power of the inverter unit into a DC by outputting a phase-locked current; A fourth gate driver unit supplying driving power to the phase-locked rectification circuit unit; An output current detection unit having a first low-resistance classifier (SH1) that detects the current of the output DC power of the phase-locked rectifier circuit and outputs it to DDC_CURR (MCU A / D) of the output unit control unit; An output filter and a voltage detection unit having a high-frequency circuit including a first inductor L1 and tenth to fifteenth capacitors C10 to C15 to filter high-frequency switching waveforms with DC power and supply them as output; And first to fourth inverter PWM signals (PWM_Q1, PWM_Q2.PWM_Q3, PWM_Q4) and the phase synchronous rectification for switching control of the first to fourth switches Q1, Q2, Q3, Q3 for the ZVS of the inverter unit. First to second phase-locked rectification PWM signals (PWM_SR1 (SRA1, SRB1)) for switching control of the eighth and tenth switches Q8 and Q10 and the ninth and eleventh switches Q9 and Q11 configured in the circuit unit, PWM_SR2 (SRA2, SRB2)), outputs first and second clamp PWM signals (PWM_CLAMP1, PWM_CLAMP2) for switching control of the fifth and sixth switches (Q5, Q6) of the active clamp snubber part, and outputs DC- It is configured to include; an output unit control unit for controlling switching and ZVS for DC conversion.

또, 본 발명의 전기 자동차 배터리 충전용 AC-DC 컨버터에 따르면, 상기 인버터부는, 각각 제 1 내지 제 4 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4) 중 하나를 포함하는 네 개의 제 1 내지 제 4 브리지회로(BC1 ~ BC4)를 가지는 풀브리지 회로와 상기 풀브리지 회로의 전류 검출을 위한 제 1 변류기(CT1)와 풀브리지 회로의 제 2 및 제 4 브리지회로(BC2, BC4)의 결합 노드(a)에 접속되는 제 4 인덕터(L4)와 일단은 상기 제 4 인덕터에 접속되고 타단은 상기 제 1 및 제 3 브리지회로(BC1, BC3)의 결합 노드(b)에 접속되는 제 1 변압기(T1)를 포함하여, 각 레그(leg)가 고정된 50%Duty을 갖는 2개의 상보적인 PWM신호에 의해, 제 3 및 제 4 스위치(Q3 및 Q4)는 고정된 50% 듀티사이클로 구동되고, 상부 제 1 및 제 2 스위치(Q1과 Q2)의 펄스폭 끝에서 펄스폭이 변조되도록 구동되어 ZVS를 수행하도록 구성될 수 있다.Further, according to the AC-DC converter for charging an electric vehicle battery of the present invention, the inverter unit includes four first to fourth bridges each including one of the first to fourth switches Q1, Q2, Q3, and Q4. A full-bridge circuit having circuits BC1 to BC4, a first current transformer CT1 for current detection of the full-bridge circuit, and a coupling node (a) of the second and fourth bridge circuits BC2 and BC4 of the full-bridge circuit The fourth inductor (L4) connected to the first transformer (T1) is connected to the coupling node (b) of the first and third bridge circuits (BC1, BC3) and the other end is connected to the fourth inductor Including, by means of two complementary PWM signals with each leg having a fixed 50% Duty, the third and fourth switches Q3 and Q4 are driven with a fixed 50% duty cycle, and the upper first and The pulse widths at the ends of the pulse widths of the second switches Q1 and Q2 may be driven to be modulated to be configured to perform ZVS.

상술한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 입력 전원의 역률을 1에 근사하게 조정하고, 고조파 THD를 저감하면서, 안정화된 400 Vdc의 직류 출력 전압을 제공하도록 전기 자동차 배터리 충전용 AC-DC 컨버터의 효율을 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.According to an embodiment of the present invention described above, the AC-DC converter for charging an electric vehicle battery to provide a stabilized DC output voltage of 400 Vdc while adjusting the power factor of the input power to approximate 1 and reducing harmonic THD. It provides the effect of significantly improving the efficiency.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 AC-DC 컨버터의 기능 블록 구성도.
도 2는 도 1의 구성 중 입력부 구성의 일부를 나타낸 회로도.
도 3은 도 1의 구성 중 입력부 제어부의 상세 회로도.
도 4는 도 1의 구성 중 출력부의 회로도.
도 5는 출력부의 인버터부의 출력파형을 나타내는 도면.
도 6은 출력부의 출력전류 검출부의 상세 회로도
도 7은 출력부의 구성 중 인버터부의 스위칭 소자를 구동하는 제 2 게이트 드라이버부의 회로도.
도 8은 출력부의 구성 중 액티부 클램프 스너버부의 스위칭 소자를 구동하는 제 3 게이트 드라이버부의 회로도.
도 9는 출력부의 구성 중 위상동기정류회로부의 스위칭 소자를 구동하는 제 4 게이트 드라이버부의 회로도.
도 10은 출력부의 구성 중 출력제어부의 회로도.
도 11은 입력부와 출력부의 사이의 통신을 수행하는 통신부의 회로 구성도.
도 12는 도 1의 바이어스 공급부의 회로도.
1 is a functional block diagram of an AC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
2 is a circuit diagram showing a part of the configuration of the input unit of the configuration of FIG.
FIG. 3 is a detailed circuit diagram of an input unit controller in the configuration of FIG. 1.
4 is a circuit diagram of the output unit of the configuration of FIG.
5 is a view showing the output waveform of the inverter portion of the output.
6 is a detailed circuit diagram of the output current detection unit of the output unit
7 is a circuit diagram of a second gate driver unit for driving the switching element of the inverter unit of the configuration of the output unit.
8 is a circuit diagram of a third gate driver unit for driving the switching element of the activator clamp snubber unit in the configuration of the output unit.
9 is a circuit diagram of a fourth gate driver unit for driving a switching element of a phase-locked rectifier circuit among the components of the output unit.
10 is a circuit diagram of the output control unit in the configuration of the output unit.
11 is a circuit configuration diagram of a communication unit that performs communication between the input unit and the output unit.
12 is a circuit diagram of the bias supply of FIG. 1;

하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of the present invention, when it is determined that a detailed description of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Embodiments according to the concept of the present invention may be applied to various changes and may have various forms, and thus, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the present specification or application. However, this is not intended to limit the embodiment according to the concept of the present invention to a specific disclosure form, and it should be understood that it includes all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When an element is said to be "connected" or "connected" to another component, it is understood that other components may be directly connected to or connected to the other component, but may exist in the middle. It should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that no other component exists in the middle. Other expressions describing the relationship between the components, such as "between" and "immediately between" or "adjacent to" and "directly neighboring to," should be interpreted similarly.

본 명세서에서 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 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "include" or "have" are intended to indicate that a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof described is present, and one or more other features or numbers. It should be understood that it does not preclude the presence or addition possibilities of, steps, actions, components, parts or combinations thereof.

이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings showing embodiments of the present invention.

먼저 본 발명의 실시예의 설명에서 사용되는 약어를 정의한다.First, an abbreviation used in the description of the embodiment of the present invention is defined.

PFC: Power Factor CorrectorPFC: Power Factor Corrector

THD: Total Harmonic DistortionTHD: Total Harmonic Distortion

MCU: Micro controller unitMCU: Micro controller unit

ZVS: Zero Voltage SwitchingZVS: Zero Voltage Switching

CCM: Continuous Conduction ModeCCM: Continuous Conduction Mode

DCM: Discontinuous Conduction ModeDCM: Discontinuous Conduction Mode

EMC: Electromagnetic CompatibilityEMC: Electromagnetic Compatibility

PWM: Pulse Width ModulationPWM: Pulse Width Modulation

CT: Current TransformerCT: Current Transformer

SMPS: Switched Mode Power SuppliesSMPS: Switched Mode Power Supplies

도 1은 본 발명의 일 실시예의 AC-DC 컨버터의 기능 블록 구성도이다.1 is a functional block diagram of an AC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

도 1과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 AC-DC 컨버터는 입력전원 역률을 1로 만들고, 고조파 THD(total harmonic distortion)을 저감시키며, 전기 자동차용 배터리 충전을 위하여 안정화된 400 Vdc 전압을 가지는 직류 전원을 출력하는 입력부(1), 상기 입력부(1)에서 출력된 직류 전원을 입력받아 제로 전압 스위칭(ZVS)을 달성하는 동기정류를 수행한 후 배터리 충전에 필요한 전압으로 DC-DC 변환하여 출력하는 출력부(2) 및 상기 입력부(1)와 출력부(2)의 구동을 위한 바이어스 전원을 공급하는 바이어스 공급부(3)를 포함하여 구성될 수 있다.As shown in FIG. 1, the AC-DC converter according to an embodiment of the present invention makes an input power factor of 1, reduces harmonic total harmonic distortion (THD), and stabilizes a 400 Vdc voltage for charging an electric vehicle battery. DC-DC conversion to a voltage required for battery charging after performing synchronous rectification to achieve zero voltage switching (ZVS) by receiving the DC power output from the input unit (1) that outputs DC power, And an output unit 2 for outputting and a bias supply unit 3 for supplying bias power for driving the input unit 1 and the output unit 2.

상기 THD의 저감에 대하여 설명하면, 기본적으로 비선형 부하인 캐퍼시터 부하 정류기에서 정현파 전류의 왜곡으로 인하여 입력 전류의 고조파 성분이 증가하게 된다. 본 개발품에서는 디지털 제어 Active PFC를 적용하여 입력 전류가 입력전압파형에 동기된 정현파 전류로 흐르도록 sinωt(도 3 참조)의 레퍼런스를 만들어 제어함으로써, 단일 역률로 제어하고 낮은 THDi를 달성 한다. When the reduction of THD is described, the harmonic component of the input current increases due to distortion of the sinusoidal current in a capacitor load rectifier, which is basically a nonlinear load. In this development product, by applying digital control Active PFC, the reference of sinωt (see Fig. 3) is made and controlled so that the input current flows as a sinusoidal current synchronized with the input voltage waveform, thereby controlling with a single power factor and achieving low THDi.

유니티 파워 팩터(unity power factor)로 제어 하기 위하여는, 회로 특성상 입력전압 최대치가 373V(220Vac * 1.2 * 1.414 ≒ 373)이므로 출력전압을 400 VDC로 하는 부스트 컨버터로 구성되며, 그 회로 구성은 L3, L4(부스트 인덕터)와 Q2,Q3,Q4,Q5(스위치) 및 D4,D5(부스트 다이오드)로 이루어진다. In order to control with the unity power factor, the maximum input voltage is 373V (220Vac * 1.2 * 1.414 ≒ 373) due to the circuit characteristics, so it consists of a boost converter with an output voltage of 400 VDC.The circuit configuration is L3, It consists of L4 (boost inductor) and Q2, Q3, Q4, Q5 (switch) and D4, D5 (boost diode).

상기 입력부(1)는 EMC 필터부(10), 입력전압전류검출부(30), 돌입전류 제한부(15), 역률 보상 2상 부스터 컨버터부(40), 직류전압 전압 검출 및 필터부(50), 제 2 게이트 드라이버부(60) 및 입력부 제어부(70)를 포함하여 구성되어, 입력전원 역률를 1로 만들고, 고조파 THD를 저감하고 직류 출력전압을 400Vdc로 안정화시켜 출력한다.The input unit 1 is an EMC filter unit 10, an input voltage current detection unit 30, an inrush current limiting unit 15, a power factor compensation two-phase boost converter unit 40, a DC voltage voltage detection and filter unit 50 , It comprises a second gate driver unit 60 and the input unit control unit 70, to make the input power factor to 1, reduce the harmonic THD and stabilize the DC output voltage to 400Vdc to output.

상기 출력부(2)는 위상 시프트 변조(phase shift modulation)로 구동되는 풀브리지 스텝 다운(full bridge step-down) 컨버터로 구성되는 DC-DC 컨버터로 구성되는 것으로서, 인버터부(80), 제 2 게이트 드라이버부(90), 액티브 클램프 스너버부(100), 제 3 게이트 드라이버부(110), 동기 정류 회로부(120), 제 4 게이트 드라이버부(130), 출력전류 검출부(140), 출력 필터 및 전압 검출부(150), 및 출력부제어부(160)를 포함하여 구성된다.The output unit 2 is composed of a DC-DC converter composed of a full bridge step-down converter driven by phase shift modulation (phase shift modulation), the inverter unit 80, the second Gate driver section 90, active clamp snubber section 100, third gate driver section 110, synchronous rectification circuit section 120, fourth gate driver section 130, output current detection section 140, output filter and It comprises a voltage detection unit 150, and an output unit control unit 160.

상술한 구성의 출력부(2)는 PFC 출력 전압을 400V에서 배터리 충전을 위한 충전전압으로 낮추고, 고주파변압기를 사용하여 전기적 절연을 제공한다. 출력부(2)에 적용되는 위상 시프트 변조(phase shift modulation)는 하드스위칭과 같이 상당한 전력 손실이 있는 고전적인 PWM변조와 달리 ZVS(Zero Voltage Switching)를 달성하고 턴 온 스위칭 손실을 최소화한다. 이러한 이유로 풀 브리지 위상 시프트 컨버터(full bridge phase shifted converter)는 고전력 및 고주파수 어플리케이션에 적합하다.The output unit 2 of the above-described configuration lowers the PFC output voltage from 400V to a charging voltage for charging the battery, and provides electrical insulation using a high-frequency transformer. Phase shift modulation applied to the output unit 2 achieves Zero Voltage Switching (ZVS) and minimizes turn-on switching loss, unlike classic PWM modulation, which has significant power loss, such as hard switching. For this reason, full bridge phase shifted converters are suitable for high power and high frequency applications.

또한 상기 출력부(2)는 위상동기정류방식과 액티브 클램프 스너버 방식을 채택하여 효율을 극대화하였으며, 위상동기정류방식과 액티브 클램프 스너버 방식의 구현을 위한 회로의 채택으로 약 2%의 전체 효율이 증가 되었다.In addition, the output section 2 maximized efficiency by adopting a phase-locked rectification method and an active clamp snubber method, and a total efficiency of about 2% due to the adoption of a circuit for the implementation of the phase-locked rectification method and the active clamp snubber method. This was increased.

다음으로, 본 발명의 실시예의 AC-DC 컨버터의 각 구성을 상세 회로를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.Next, each configuration of the AC-DC converter of the embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings showing detailed circuits.

도 2는 도 1의 구성 중 입력부(1) 구성 중 EMC 필터부(10), 돌입전류 제한부(15), 입력정류부(20), 입력전압전류검출부(30), 역률 보상 2상 부스터 컨버터부(40), 직류전압 전압 검출 및 필터부(50)룰 포함하는 회로도이다.FIG. 2 shows the EMC filter unit 10, the inrush current limiting unit 15, the input rectifying unit 20, the input voltage current detecting unit 30, and the power factor compensation two-phase booster converter unit during the configuration of the input unit 1 in FIG. 1. (40), a circuit diagram including the DC voltage detection and filter section 50.

도 2와 같이, 상기 EMC 필터부(10)는 주파수대역이 다른 2개의 필터(F1, F2)를 2단으로 하여 PFC의 입력 정류기 브리지 다이오드에 연결되도록 구성되는 것으로, 전자기 간섭을 완화하는 기능을 수행한다. 이때 적용되는 필터는 용도에 따라 클래스 A(산업용) 또는 클래스 B(가정용)를 만족할 수 있도록 설계되는 것이 바람직하다. As shown in FIG. 2, the EMC filter unit 10 is configured to be connected to the input rectifier bridge diode of the PFC using two filters (F1, F2) having different frequency bands as two stages, and has a function of mitigating electromagnetic interference. Perform. The filter applied at this time is preferably designed to satisfy Class A (for industrial use) or Class B (for home use) depending on the application.

구체적으로, EMC(Electro Magnetic Compatibility; 전자기 적합성)은 다음 표 1에 기재된 EMC 분류에 대응될 수 있도록 설계되어야 한다. 이에 따라, 본 발명에서는 EMI 성분의 고주파에 대한 감소를 위하여, L,C를 도면 상에 L1, L2, C9, C7, C15, C5, C13, C14 로 구성 하였다.Specifically, EMC (Electro Magnetic Compatibility) should be designed to correspond to the EMC classification listed in Table 1 below. Accordingly, in the present invention, L, C is composed of L1, L2, C9, C7, C15, C5, C13, and C14 on the drawing in order to reduce the high frequency of the EMI component.

Figure pat00001
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상기 돌입전류 제한부(15)는 교류 전원 입력단에 연결되는 제 1 서미스터(PT1)와 병렬로 연결되는 제 1 릴레이(RL1A)을 구비하여, 입력전원 투입 시 돌입 전류 제한을 위하여 제 1 서미스터(PT1)의 저항값에 의하여 내부 커패시터(입력부(1) 측의 C19 및 C20, 출력부(2) 측의 C6 및 C7)의 충전전류를 제한하고, VBUS 전압를 검출하여 전압이 정상임을 감지 후 제 1 릴레이(RL1A)를 구동시키는 것에 의해 돌입 전류가 유입되는 것을 방지한다. 구체적으로, 초기 상태에서 AC 입력이 투입이 되면 전류의 흐름이 PT1->BD1->D3로 이루어지고, 대용량 캐패시터(입력부 측의 C19, C20 및 출력부 측의 C6, C7)에 충전전류가 흐르게 된다. 이때 PT1의 저항이 없으면 대용량 캐패시터의 초기 단락전류가 발생하여 입력 휴즈(F1)이 단선될 수 있으며, 입력의 과도 전압 및 전류가 발생할 수 있어, 초기 기동 시 충전 전류를 줄여주기 위하여 PT1를 사용 후 충전 전압이 일정 전압에 도달 한 후 제 1 릴레이(RL1)를 동작시켜 충전기의 동작 전류를 담당한다.The inrush current limiter 15 has a first relay RL1A connected in parallel with a first thermistor PT1 connected to an AC power input terminal, so that the first thermistor PT1 for limiting inrush current when input power is supplied ) Limits the charging current of the internal capacitors (C19 and C20 on the input (1) side, C6 and C7 on the output (2) side) by the resistance value of), detects the VBUS voltage, and detects that the voltage is normal. By driving (RL1A), inrush current is prevented from flowing. Specifically, when the AC input is input in the initial state, the current flow is made of PT1-> BD1-> D3, and the charging current flows through the large-capacity capacitors (C19, C20 on the input side and C6, C7 on the output side). do. At this time, if there is no resistance of PT1, the initial short-circuit current of the large-capacity capacitor may occur, and the input fuse (F1) may be disconnected. Transient voltage and current of the input may occur, and after using PT1 to reduce the charging current at the initial start-up. After the charging voltage reaches a certain voltage, the first relay RL1 is operated to take charge of the operating current of the charger.

상기 입력정류부(20)는 풀브리지 다이오드와 상기 풀브리지 다이오드와 병렬로 연결되는 한 쌍의 병렬 연결 커패시터로 구성되는 제 11 커패시터(C11)를 구비하여, RECT+ 포트를 통해 PFC단인 역률 보상 2상 부스트 컨버터부(40)로 맥류 전압을 보낸다.The input rectifier 20 includes an eleventh capacitor C11 composed of a full bridge diode and a pair of parallel connected capacitors connected in parallel with the full bridge diode, and a power factor correction 2-phase boost that is a PFC stage through the RECT + port. The pulse voltage is transmitted to the converter unit 40.

상기 입력 전압 전류 검출부(30)는 역류 보상 제어를 위해 입력 교류 전압과 건류를 검출하여 입력부 제어부(70)를 구성하는 MCU보드로 출력하는 것으로서, 입력 전압 검출부(31) 및 입력 전류 검출부(32)를 포함하여 구성된다.The input voltage current detection unit 30 detects input AC voltage and dry current for control of reverse current compensation and outputs them to the MCU board constituting the input unit control unit 70, the input voltage detection unit 31 and the input current detection unit 32 It is configured to include.

상기 입력 전압 검출부(31)는 입력전압의 검출은 교류전압을 바로 검출하여 제 1 증폭기(OP-Amp, OP)의 출력으로 DC 1.25 V로 레벨 시프트된 신호를 입력부 제어부(70)를 구성하는 MCU보드의 PFC_VAC 포트를 통해 보낸다, The input voltage detection unit 31 is an MCU that configures an input unit control unit 70 to detect a signal that is level-shifted to DC 1.25 V as an output of a first amplifier (OP-Amp, OP) by directly detecting an AC voltage. Send through the PFC_VAC port on the board,

상기 입력 전류 검출부(32)는 분로저항(SH1)의 전압을 증폭하여 역시 입력부 제어부(70)를 구성하는 MCU보드의 PFC_i_AVG 포트로 전송된다. 두 신호는 입력의 역률 제어를 1로 만들기 위한 중요한 제어 변수로서 사용되며 정확도를 요하는 변수이다.The input current detector 32 amplifies the voltage of the shunt resistor SH1 and is transmitted to the PFC_i_AVG port of the MCU board constituting the input controller 70. Both signals are used as important control variables to make the power factor control of the input to 1, and are variables that require accuracy.

상기 역률 보상 2상 부스트 컨터버부(40)는 RECT+ 포트를 통해 EMC 필터부(10)를 통해 필터링된 전원을 입력 받아 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 2 개의 병렬 부스트 컨버터(BC1, BC2)를 포함하도록 구성된다.The power factor compensation two-phase boost converter unit 40 includes two parallel boost converters (BC1, BC2) that receive filtered power through the EMC filter unit 10 through the RECT + port and rectify AC power into DC power. It is configured to.

상기 역률 보상 2상 부스트 컨버터부(40)는 2 개의 병렬 부스트 컨버터(BC1, BC2)와 2개의 병렬 부스터 컨버터(BC1, BC2)의 각 레그에 대한 평균 인덕터 전류를 측정하기 위해 각 스위치에 연결되는 두 개의 전류 트랜스포머(CT1, CT2)를 포함하여 구성되어, 인터리브된(180°위상 시프트) 방식으로 총 전류를 분할하고 라인 및 DC 링크 커패시터 전류의 고주파 리플을 감소시킨다. 따라서 이 토폴로지에는 입력 인덕터(L3, L4)의 크기와 출력 필터 커패시터(C21, C22)의 크기를 줄이는 이점이 있으며 컨버터 전력 밀도를 증가시킨다.The power factor correction two-phase boost converter section 40 is connected to each switch to measure the average inductor current for each leg of two parallel boost converters BC1 and BC2 and two parallel boost converters BC1 and BC2. It consists of two current transformers (CT1, CT2), dividing the total current in an interleaved (180 ° phase shift) manner and reducing the high frequency ripple of the line and DC link capacitor currents. Therefore, this topology has the advantage of reducing the size of the input inductors (L3, L4) and the size of the output filter capacitors (C21, C22) and increases the converter power density.

버스 전압 조정을 위하여 입력부 제어부(70)에 구성되는 전압 및 전류 제어루프(71, 도 3 참조)를 구비하며, 전압 및 전류 제어루르(70)는 외부전압제어루프(Outer Voltage Loop)(71)를 사용하여 제어하고 정현파에 따라 전류를 형성하는 전류 제어는 내부전류제어루프(Current Inner Loop)(72)를 포함한다. 외부전압제어루프(72)는 규정 된 버스 전압을 유지하기 위해 전류 레퍼런스를 조정한다. 내부전류제어루프(72)를 구성하는 것에 의해 과도응답에서 빠른 장점이 있으며, 리플전압 저감 효과를 나타낸다.In order to adjust the bus voltage, a voltage and current control loop (see FIG. 3) configured in the input unit control unit 70 is provided, and the voltage and current control loop 70 is an external voltage loop (71). The current control that is controlled using and forms a current according to a sinusoidal wave includes an internal current loop 72. The external voltage control loop 72 adjusts the current reference to maintain the specified bus voltage. By constructing the internal current control loop 72, there is a quick advantage in transient response and exhibits a ripple voltage reduction effect.

두 가지 다른 전류 피드백 측정을 통해 컨버터의 각 레그에 대해 독립적인 전류 루프를 수행 할 수 있다. 두 CT(CT1,CT2)대신에 제 1 분로저항을(SH1)을 통해 흐르는 총 전류를 사용하도록 펌웨어를 구성하여 고유한 전류 루프를 수행하고 두 레그의 스위치를 동일한 듀티 사이클로 구동할 수도 있다.Two different current feedback measurements allow an independent current loop for each leg of the converter. Instead of the two CTs (CT1 and CT2), the firmware can be configured to use the total current flowing through the first shunt resistor (SH1) to perform a unique current loop, and the switches of both legs can be driven with the same duty cycle.

고전압 DC 버스는 PFC인 역률 보상 2상 부스트 컨터버부(40)에 의해 400V로 조절 된다. 높은 역률과 낮은 전류를 유지하면서 AC입력으로부터의 정현파 입력전류의 총 고조파 왜곡은 THDi 가 5% 이내로 유지한다.The high-voltage DC bus is regulated to 400 V by a power factor compensation two-phase boost converter 40 that is a PFC. While maintaining high power factor and low current, THDi maintains the total harmonic distortion of sinusoidal input current from AC input within 5%.

이 회로는 넓은 범위(90Vac~ 264Vac)의 입력 라인 전압을 수용할 수 있도록 설계되었다This circuit is designed to accept a wide range (90Vac to 264Vac) of input line voltage.

상기 직류 전압 검출 및 필터부(50)는, 고전압 직류버스전압 검출은 분압저항(R24, R27, R29, R33, R34, R35)들로 검출한 후 입력부 제어부(70)를 구성하는 MCU 보드의 VBUS+ 포트로 출력한다.The DC voltage detection and filter unit 50 detects the high voltage DC bus voltage with the divided voltage resistors (R24, R27, R29, R33, R34, R35), and then VBUS + of the MCU board constituting the input unit control unit 70 Output to the port.

상기 직류 전압 검출 및 필터부(50)는 전압 검출을 위해 고전압 필터용 대용량 전해 커퍼시터(C19, C20)를 구비하여, 이러한 대용량 전해 커퍼시터(C19, C20)들은 출력부 제어부(160)를 구성하는 출력보드에도 배치되어 운용된다. 상기 대용량 전해 커퍼시터(C19, C20)는 교류 전압을 정류하여 맥류를 형성하고, 직류성분으로 변환하기 위한 필터로서 에너지를 저장하는 기능을 수행한다.The DC voltage detection and filter unit 50 is provided with large-capacity electrolytic capacitors C19 and C20 for high-voltage filters for voltage detection, and these large-capacity electrolytic capacitors C19 and C20 constitute an output unit control unit 160 The output board is also arranged and operated. The large-capacity electrolytic capacitors C19 and C20 form a pulsating current by rectifying an AC voltage, and function to store energy as a filter for converting it into a DC component.

상기 제 1 게이트 드라이버부(60)는 입력부 제어부(70)의 3.3 V의 PWM 소신호를 MOSFET으로 구현된 역류 보상 2상 부스트 컨버터부(40)의 제 2, 제 3, 제 4 및 제 5 입력부 스위치(Qi2, Qi3, Qi4 및 Qi5)들의 구동 신호로 증폭하여 출력하며, 이를 위해 12 V로 구동된다.The first gate driver unit 60 is a second, third, fourth and fifth input unit of the reverse-flow compensation two-phase boost converter unit 40 implemented with a MOSFET of the 3.3 V PWM small signal of the input unit control unit 70 It is amplified and output by the driving signals of the switches Qi2, Qi3, Qi4 and Qi5, and is driven to 12 V for this.

도 3은 도 1의 구성 중 입력부 제어부(70)의 상세 회로도이다.3 is a detailed circuit diagram of the input unit control unit 70 in the configuration of FIG. 1.

상기 입력부 제어부(70)는 입력부 MCU회로를 포함하며, 입력부 MCU 회로는 역률 보상 2상 부스트 컨버터부(40)에 대한 PFC제어를 위하여 위상동기루프(PLL)를 구성하였다. 상기 위상 동기 루프(PLL)는 입력 전압 주파수, 진폭을 계산하고 입력 전류와의 동기화를 보장하기 위해 구현하였으며, 또한 듀티 사이클 피드 포워드(duty cycle feed-forward) 제어기술을 도입하여, 연속 전도 모드(CCM), 불연속 전도 모드(DCM)로 작동 시에도 낮은 전체 고조파 왜곡(THD)과 역률(PF)이 전체 동작 범위에서 1에 가깝도록 입력부(1)의 입력전원을 제어한다. 입력부 MCU는 2차 측 출력 보드와 통신기능을 가지고 있으며 입력 보드의 상태정보를 2차 측 출력부 MCU와 공유하여 운전하게 된다.The input unit control unit 70 includes an input unit MCU circuit, and the input unit MCU circuit comprises a phase-locked loop (PLL) for PFC control of the power factor compensation two-phase boost converter unit 40. The phase-locked loop (PLL) was implemented to calculate the input voltage frequency, amplitude, and ensure synchronization with the input current, and also introduced a duty cycle feed-forward control technology to achieve continuous conduction mode ( CCM), even when operating in discontinuous conduction mode (DCM), controls the input power of the input unit 1 so that the low total harmonic distortion (THD) and power factor (PF) are close to 1 over the entire operating range. The input unit MCU has a communication function with the secondary-side output board and operates by sharing the status information of the input board with the secondary-side output unit MCU.

도 4는 도 1의 구성 중 출력부(2)의 인버터부(80), 액티브 클램프 스너버부(100), 위위상동기정류회로부(120), 출력전류검출부(140) 및 출력 필터 및 전압 검출부(150)의 회로 구성도이다.FIG. 4 shows the inverter section 80, the active clamp snubber section 100, the phase-phase synchronous rectification circuit section 120, the output current detection section 140 and the output filter and voltage detection section of the output section 2 of the configuration of FIG. 150).

상기 인버터부(80)는 각각 제 1 내지 제 4 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4) 중 하나를 포함하는 네 개의 제 1 내지 제 4 브리지회로(BC1 ~ BC4)를 가지는 풀브리지 회로와 출력 및 풀 브리지의 단락전류 검출을 위한 제 1 변류기(CT1)와 풀브리지 회로의 제 2 및 제 4 브리지회로(BC2, BC4)의 결합 노드(a)에 접속되는 제 4 인덕터(L4)와 일단은 상기 제 4 인덕터(l4)에 접속되고 타단은 상기 제 1 및 제 3 브리지회로(BC1, BC3)의 결합 노드(b)에 접속되는 제 1 변압기(T1)을 포함하여 각 레그(leg)가 고정된 50% 듀티(Duty)을 갖는 2개의 상보적인 PWM신호로 구동되도록 구성된다.The inverter unit 80 has a full bridge circuit and outputs having four first to fourth bridge circuits BC1 to BC4 each including one of the first to fourth switches Q1, Q2, Q3, and Q4, and The fourth inductor L4 connected to the coupling node a of the first current transformer CT1 for detecting the short-circuit current of the full bridge and the second and fourth bridge circuits BC2 and BC4 of the full-bridge circuit, and one end of the above Each leg is fixed including a first transformer T1 connected to a fourth inductor 14 and the other end connected to a coupling node b of the first and third bridge circuits BC1 and BC3. It is configured to be driven by two complementary PWM signals with 50% duty.

상술한 풀 브리지로 구성되는 상기 인버터부(800)는 제로 전압 스위칭(ZVS)을 구현하게 되며, 이를 위해 종래기술의 하드 스위칭 토폴로지와 유사하게 동작하지만, 대각선 브리지 스위치(BC1 및 BC4, BC2 및 BC3)를 동시에 구동하는 대신 하단 제 3 및 제 4 스위치(Q3 및 Q4)는 고정된 50% 듀티사이클로 구동되고, 상부 제 1 및 제 2 스위치(Q1과 Q2)의 펄스폭 끝에서 펄스폭이 변조되는 것에 의해 ZVS를 수행하여 입력부 출력 고전압 직류 전원을 교류전원으로 변환하여 출력한다.The inverter unit 800 composed of the above-described full bridge implements zero voltage switching (ZVS), and for this purpose, operates similarly to the hard switching topology of the prior art, but has diagonal bridge switches BC1 and BC4, BC2 and BC3. ) Instead of driving simultaneously, the lower third and fourth switches Q3 and Q4 are driven with a fixed 50% duty cycle, and the pulse width is modulated at the pulse width ends of the upper first and second switches Q1 and Q2. By doing this, ZVS is performed to convert the output high-voltage DC power supply to the AC power supply.

MOSFET으로 구성되는 도 4의 제 1 내지 제 4 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4)에는 내부 병렬 다이오드 및 기생 커패시턴스가 모델링 된다. 그리고 외부 공진 인덕터(LR)에는 제 4 인덕터(l4)와 T1 변압기 누설인덕턴스(LR)가 포함된다.Internal parallel diodes and parasitic capacitances are modeled on the first to fourth switches Q1, Q2, Q3, and Q4 of FIG. 4, which are composed of MOSFETs. In addition, the external resonant inductor LR includes a fourth inductor 14 and a T1 transformer leakage inductance LR.

도 5는 상술한 구성을 가지는 출력부(2)의 인버터부(80)의 제로 전압 스위칭(ZVS) 풀 브리지의 출력파형을 나타내는 도면이다.FIG. 5 is a diagram showing the output waveform of the zero voltage switching (ZVS) full bridge of the inverter unit 80 of the output unit 2 having the above-described configuration.

도 5와 같이, 초기 구동 시에는 제 1 및 제 4 스위치(Q1, Q4)가 온되고, 제 2 및 제 3 스위치(Q2, Q3)가 오프되도록 설정된다. 이러한 구성에 의해 제 1 스위치(Q1)가 오프될 때까지 제 1 전력 전달 기간을 형성하며, 이 기간에 흐르는 1차 전류는 제 1 변압기(T1) 1차-L4-제 4 스위치(Q4)를 통해 흐른다. 상기 제 1 전력 전달 기간은 제 1 스위치(Q1)이 PWM 신호에 의해 턴 오프될 때 종료된다. 이 경우 1차 측에 흐르는 전류는 순간적으로 차단될 수 없으므로 대체 경로를 찾아 제 3 스위치(Q3)와 제 1 스위치(Q1)의 기생 스위치 커패시턴스를 통해 흐르고 노드 b를 0V로 방전한 다음 제 3 스위치(Q)의 바디다이오드인 제 3 다이오드(D3)를 순방향 바이어스시킨다.As shown in FIG. 5, during the initial driving, the first and fourth switches Q1 and Q4 are turned on, and the second and third switches Q2 and Q3 are turned off. By this configuration, the first power transmission period is formed until the first switch Q1 is turned off, and the primary current flowing in this period is the first transformer T1 primary-L4-fourth switch Q4. Flows through. The first power transmission period ends when the first switch Q1 is turned off by the PWM signal. In this case, the current flowing through the primary side cannot be instantaneously cut off, so an alternative path is sought to flow through the parasitic switch capacitance of the third switch (Q3) and the first switch (Q1), discharge the node b to 0 V, and then switch to the third switch. The third diode D3, which is the body diode of (Q), is forward biased.

1차 공진 인덕터(LR)는 제 3 다이오드(D3), 제 1 변압기(T1) 1차측-LR-제 4 스위치(Q4)의 경로를 순환하는 전류를 유지한다. 제 1 스위치(Q1)가 온되는 경우 출력으로 에너지가 전달된다. 제로 전압 스위칭(ZVS) 전환은 제 3 스위치(Q3) 및 제 4 스위치(Q4) 토글 후 제 2 스위치(Q2)가 켜지기 전의 공진 지연 기간 동안 발생한다. 필요한 공진 지연은 제 1 공진 인덕터(L4)(?)와 기생 커패시터의 용량에 의해 형성된 회로의 LR×C(LR은 L4 + T1 변압기 누설 인턱턴스, C는 Q2 및 Q4 내부의 기생 커패시터) 공진 주파수 주기의 1/4이다.The primary resonant inductor LR maintains a current circulating through the path of the third diode D3, the primary transformer T1 primary-LR-fourth switch Q4. When the first switch Q1 is turned on, energy is transmitted to the output. Zero voltage switching (ZVS) switching occurs during a resonance delay period before the second switch Q2 is turned on after the third switch Q3 and the fourth switch Q4 are toggled. The required resonance delay is the LR × C of the circuit formed by the capacity of the first resonant inductor (L4) (?) And the parasitic capacitor (LR is L4 + T1 transformer leakage inductance, C is the parasitic capacitor inside Q2 and Q4). It is 1/4 of the cycle.

상기 액티브 클램프 스너버부(100)는 제 1 변압기(T1)의 누설 인덕턴스와 다이오드 접합 커패시턴스로 인한 전압 스파이크를 클램핑하기 위해 출력 정류기인 위상동기정류회로부(120)에 클램프 네트워크로 구성된다. 종래기술의 경우 RCD로 구성된 패시브 스너버를 사용하여 열손실이 많이 발생하는 구조이나. 본 발명의 AC-DC 컨버터의 경우에는 능동 스너버 네트워크(D5, D6, Q5, Q6, C3, C4 L1, L2, D10, D11)의 일 구성으로 구성하였다, 스위치의 오프 구간에 제 3 커패시터(C3)와 제 4 커패시터(C4)에 축적된 에너지를 제 5 및 제 6 스위치(Q5, Q6) -> 제 1 및 제 2 인덕터(L1, L2) -> 제 10 및 제 11 다이오드 쌍(10, D11)를 통하여 출력으로 회생하도록 구성된다.The active clamp snubber part 100 is configured as a clamp network in the phase rectifier rectifier circuit 120, which is an output rectifier, for clamping voltage spikes due to leakage inductance and diode junction capacitance of the first transformer T1. In the case of the prior art, a structure in which a large amount of heat loss is generated by using a passive snubber composed of RCD. In the case of the AC-DC converter of the present invention, one configuration of an active snubber network (D5, D6, Q5, Q6, C3, C4 L1, L2, D10, D11) was formed. C3) and the energy accumulated in the fourth capacitor C4 is the fifth and sixth switches Q5 and Q6-> first and second inductors L1 and L2-> ten and eleven diode pairs 10, D11).

상기 위상동기정류회로부(120)는 각각 제 8 내지 제 11 스위치(Q8, Q9, Q10, Q11)와 상기 제 8 내지 제 11 스위치(Q8, Q9, Q10, Q11)와 각각 병렬로 연결되는 제 5 내지 제 8 양방향 제너다이오드(RV5, RV6, RV 7 RV8)를 포함하여 구성된다.The phase-locked rectifier circuit 120 is a fifth connected to each of the eighth to eleventh switches (Q8, Q9, Q10, Q11) and the eighth to eleventh switches (Q8, Q9, Q10, Q11), respectively. It comprises a to eighth bidirectional zener diodes (RV5, RV6, RV 7 RV8).

구체적으로, 상기 위상동기정류회로부(120)는 동일한 제 1 위상동기정류 PWM신호(PWM_SR1(SRA1, SRB1))에 의해 스위칭되는 제 8 스위치(Q9) 및 제 10 스위치(Q11)를 각각 구비하는 제 1 및 제 3 정류스위칭회로(SRC1 및 SRC3), 제 2 위상동기정류 PWM신호(PWM_SR2(SRA2, SRB2))에 의해 스위칭되는 제 9 스위치(Q9) 및 제 11 스위치(Q11)를 각각 구비하는 제 2 및 제 4 정류스위칭회로(SRC2, SRC4), 제 1 및 제 2 정류스위칭회로(SRC1 및 SRC2)와 공진되는 제 1 공진회로(RCR1) 및 제 3 및 제 4 정류스위칭회로(SRC3, SRC4)와 공진되는 제 2 공진회로(RCR2)를 포함하여 구성된다.Specifically, the phase-locked rectification circuit unit 120 is provided with an eighth switch (Q9) and a tenth switch (Q11), each of which is switched by the same first phase-locked rectification PWM signal (PWM_SR1 (SRA1, SRB1)) The first and third rectifying switching circuits (SRC1 and SRC3), the second phase-locked rectifying PWM signal (PWM_SR2 (SRA2, SRB2)) is switched by a ninth switch (Q9) and an eleventh switch (Q11) each provided Second and fourth rectifying switching circuits (SRC2, SRC4), first and second rectifying switching circuits (SRC1 and SRC2) resonant with the first resonant circuit (RCR1) and third and fourth rectifying switching circuits (SRC3, SRC4) And a second resonant circuit RRC2 that resonates with.

상기 위상동기정류회로부(120)는 에너지변환 효율을 높이기 위하여 동기정류회로를 채택하였으며 일반적인 정류 회로는 다이오드를 사용한다. 다이오드의 순방향 전압 강하가 0.65~1.2 V로 에너지 전달 기간을 듀티 0.8로 본다면 출력 다이오드의 손실이 전체 효율에 상당한 비중을 차지하게 된다. 그러나 본 발명의 AC-DC 컨버터의 출력부(2)에서는 출력정류부에 동기정류회로를 채택하여 제 8 스위치 내지 제 11 스위치((MOSFET Q8~Q11)의 낮은 임피던스 RDS(on) 경로에 의해 효율을 크게 높이도록 구성된다.The phase-locked rectification circuit unit 120 adopts a synchronous rectification circuit to increase energy conversion efficiency, and a general rectification circuit uses a diode. If the forward voltage drop of the diode is 0.65 to 1.2 V and the energy transfer period is considered to be a duty of 0.8, the loss of the output diode is a significant part of the overall efficiency. However, in the output section 2 of the AC-DC converter of the present invention, a synchronous rectification circuit is adopted in the output rectification section to improve efficiency by the low impedance RDS (on) path of the eighth to eleventh switches (MOSFETs Q8 to Q11). It is configured to greatly increase.

도 6은 출력부(2)의 출력전류 검출부(140)의 상세 회로도이다.6 is a detailed circuit diagram of the output current detection unit 140 of the output unit 2.

상기 출력전류검출부(140)는 도 5 및 도 6과 같이, 출력 전류 검출을 위해 출력 전류를 검출하여 증폭한 후 제어를 위하여 제 1 증폭기(U1: Op-amp)를 구비하여, 상기 제 1 증폭기(U1: Op-amp)의 출력을 상기 출력부 제어부(2)를 구성하는 MCU 보드의 DDC_CURR(MCU A/D)로 출력하는 제 1 저저항 분류기(SH1)를 포함하여 구성된다.'5 and 6, the output current detection unit 140 is provided with a first amplifier (U1: Op-amp) for control after detecting and amplifying the output current for output current detection, and the first amplifier It comprises a first low-resistance classifier (SH1) that outputs the output of (U1: Op-amp) to DDC_CURR (MCU A / D) of the MCU board constituting the output unit controller 2 '.

다시 도 4를 참조하여 설명하면, 상기 출력 필터 및 전압 검출부(150)는 제 1 인덕터(L1)와 제 10 내지 제 15 커패시터(C10~C15)를 포함하는 고주파회로룰 구비하여, 고주파스위칭 파형을 완벽한 직류전원으로 필터링하여 출력으로 공급하도록 구성된다.Referring again to FIG. 4, the output filter and the voltage detector 150 are provided with a high-frequency circuit including a first inductor L1 and ten to fifteenth capacitors C10 to C15 to generate a high-frequency switching waveform. It is configured to filter with perfect DC power and supply it to the output.

출력전압검출은 2회로가 있으며 출력 릴레이인 제 2 릴레이(RL1B) 전단(R17, R26, R28, C17)과 후단(R18, R27, R29, C18)으로 구성되어 제 2 릴레이(RL1B)의 전단의 전압은 출력부 제어부(2)를 구성하는 MCU의 DDC_VSEN 포트로 출력하고, 제 2 릴레이(RL1B)의 후단의 전압은 출력부 제어부(2)의 MCU의 VOUT_SEN 포트로 출력한다. 전기 자동차 배터리의 충전을 위해 연결 시 제 2 릴레이(RL1B)의 전단의 전압인 입력 단자측 전압은 AC-DC 컨버터 측의 전압이 배터리의 전압과 비등한 상태에서 제 2 릴레이(RL1B)를 동작시킬 수 있도록 사용되며, 이에 의해 출력 커패시터(C10 내지 C15)를 과전류로부터 보호한다.The output voltage detection has two circuits and is composed of the front end (R17, R26, R28, C17) and the rear end (R18, R27, R29, C18) of the second relay (RL1B), which is the output relay, of the front end of the second relay (RL1B). The voltage is output to the DDC_VSEN port of the MCU constituting the output section control section 2, and the voltage of the second stage of the second relay RL1B is output to the VOUT_SEN port of the MCU of the output section control section 2. When connecting for charging of the electric vehicle battery, the input terminal side voltage, which is the voltage before the second relay RL1B, can operate the second relay RL1B when the voltage of the AC-DC converter side is equal to the voltage of the battery. The output capacitors C10 to C15 are thereby protected from overcurrent.

도 7은 출력부(2)의 구성 중 인버터부(80)의 스위칭 소자를 구동하는 제 2 게이트 드라이버부(90)의 회로도이고, 도 8은 출력부(2)의 구성 중 액티부 클램프 스너버부(100)의 스위칭 소자를 구동하는 제 3 게이트 드라이버부(110)의 회로도이며, 도 9는 출력부(2)의 구성 중 위상동기정류회로부(120)의 스위칭 소자를 구동하는 제 4 게이트 드라이버부(130)의 회로도이다.FIG. 7 is a circuit diagram of the second gate driver unit 90 for driving the switching element of the inverter unit 80 in the configuration of the output unit 2, and FIG. 8 is an actiator clamp snubber unit in the configuration of the output unit 2 It is a circuit diagram of the third gate driver unit 110 for driving the switching element of (100), Figure 9 is a fourth gate driver unit for driving the switching element of the phase-locking rectifier circuit 120 of the configuration of the output unit 2 It is a circuit diagram of 130.

상술한 제 2, 제 3 및 제 4 게이트 드라이버부(90)는 출력부 제어부(2)의 MCU의 출력 PWM 소신호(3.3 V)를 출력부 스위치(Q1 내지 Q11) 구동을 위한 구동 전력을 공급하기 위해 12 V 전원을 사용하도록 구성된다. 또한, 도 7의 인버터(80)에 구성된 스위치(,Q1 내지 Q4)들을 구동하는 제 2 게이트 드라이버 회로(90)S는 인버터부(80)와의 절연을 위해 제 2 변압기(T2) 및 제 3 변압기(T3)를 구비하며, 액티브 클램프 스너버부(100)에 구성되는 스위치(Q5, Q6)들을 구동하는 제 4 게이트 드라이버부(130)는 액티브 클램프 스너버부(100)와의 절연을 위해 제 4 및 제 5 변압기(T4, T5)를 구비한다. The above-described second, third and fourth gate driver unit 90 supplies driving power for driving the output PWM small signal (3.3 V) of the MCU of the output unit control unit 2 to the output unit switches Q1 to Q11. It is configured to use a 12 V power supply. In addition, the second gate driver circuit 90 for driving the switches (, Q1 to Q4) configured in the inverter 80 of FIG. 7 is a second transformer (T2) and a third transformer for isolation from the inverter unit 80 A fourth gate driver unit 130 having (T3) and driving switches Q5 and Q6 configured in the active clamp snubber unit 100 is provided with a fourth and a fourth for insulation with the active clamp snubber unit 100. 5 Transformers (T4, T5) are provided.

도 10은 출력부(2)의 구성 중 출력부 제어부(160)의 회로도이다.10 is a circuit diagram of the output unit control unit 160 in the configuration of the output unit 2.

도 10과 같이, 출력부 제어부(160)를 구성하는 출력부 MCU회로는 총8개의 100 khz PWM 신호를 생성하여 ZVS(4개: PWM_Q1, PWM_Q2. PWM_Q3, PWM_Q4)와 동기정류(2개: PWM_SR1, PWM_SR2),액티브 클램프(2개: PWM_CLAMP1, PWM_CLAMP2)를 인버터부(80), 위상동기정류회로부(120), 액티브클램프스너버부(100)로 출력하도록 구성된다.10, the output unit MCU circuit constituting the output unit control unit 160 generates a total of 8 100 khz PWM signals to generate ZVS (4: PWM_Q1, PWM_Q2.PWM_Q3, PWM_Q4) and synchronous rectification (2: PWM_SR1 , PWM_SR2), and active clamps (two: PWM_CLAMP1, PWM_CLAMP2) are configured to output to the inverter unit 80, the phase-locked rectification circuit unit 120, and the active clamp snubber unit 100.

구체적으로, 상기 출력부 제어부(160)는 상기 인버터부(10)의 ZVS를 위해 상기 제 1 내지 제 4 스위치(Q1, Q2, Q3, Q3)의 스위칭 제어를 위한 제 1 내지 제 4 PWM 신호(4개: PWM_Q1, PWM_Q2. PWM_Q3, PWM_Q4)와 상기 위사동기정류회로에 구성되는 제 8 및 제 9 스위치(Q8 및 Q9) 및 제 10 및 제 11 스위치(Q10 및 Q11)의 스위칭 제어를 제 1 내지 네 2 위상동기정류 PWM신호(PWM_SR1, PWM_SR2), 상기 액티브 클램프 스너버부(100)의 제 5 및 제 6 스위치(Q5, Q6)의 스위칭 제어를 위한 제 1 및 제 2 클램프 PWM 신호(PWM_CLAMP1, PWM_CLAMP2)를 출력하여 출력부(2)의 DC-DC 변환을 위한 스위칭 및 ZVS을 제어하도록 구성된다.Specifically, the output unit control unit 160 is the first to fourth PWM signals for switching control of the first to fourth switches (Q1, Q2, Q3, Q3) for the ZVS of the inverter unit 10 Four: PWM_Q1, PWM_Q2.PWM_Q3, PWM_Q4) and switching control of the eighth and ninth switches (Q8 and Q9) and the tenth and eleventh switches (Q10 and Q11) configured in the above-described pseudosynchronous rectifier circuits. Four 2-phase synchronous rectified PWM signals (PWM_SR1, PWM_SR2), first and second clamp PWM signals (PWM_CLAMP1, PWM_CLAMP2) for switching control of the fifth and sixth switches (Q5, Q6) of the active clamp snubber part (100) ) Is configured to control switching and ZVS for DC-DC conversion of the output unit 2 by outputting.

상술한 구성의 출력부 제어부(160)에 의해 상기 인버터부(80)의 풀 브리지 토폴로지는 ZVS를 달성하는 위상 시프트 변조(phase shift modulation)로 제어되며, 동일한 레그의 2개의 스위치는 50%의 고정 듀티사이클 및 적절한 데드 타임을 갖는 2개의 상보적인 신호로 만들어지고, 위상 시프트되는 2개의 신호는 제어 루프 50kHz에서 실행된다. The full-bridge topology of the inverter unit 80 is controlled by phase shift modulation to achieve ZVS by the output unit controller 160 having the above-described configuration, and two switches of the same leg are fixed at 50%. It is made of two complementary signals with a duty cycle and proper dead time, and the two signals that are phase shifted are executed in the control loop 50 kHz.

전압 제어 알고리즘은 전통적인 PI레귤레이터로 구현된 간단한 전압 루프를 기반으로 제어된다.The voltage control algorithm is controlled based on a simple voltage loop implemented with a traditional PI regulator.

상태 표시를 위하여 4개의 LED램프가 준비되어 충전상태(3가지)와 고장 상태(5가지)를 지시 한다.Four LED lamps are prepared to indicate the status, indicating the charging status (three) and the failure status (5).

도 11은 입력부(1)와 출력부(2)의 사이의 통신을 수행하는 통신부의 회로 구성도이다.11 is a circuit configuration diagram of a communication unit that performs communication between the input unit 1 and the output unit 2.

도 11의 회로 구성을 가지는 통신부는 외부통신용으로 CAN 포트(Port)가 장착되었으며 CAN통신포트는 PC1, PC2를 통하여 전기적으로 외부시스템과 절연 되고, 입력부(10)에 구성되는 입력부 MCU 보드와의 통신도 PC3, PC4를 통하여 전기적으로 절연된 통신을 제공한다. CAN통신은 1Mbps의 속도를 보증 한다.The communication unit having the circuit configuration of FIG. 11 is equipped with a CAN port for external communication, and the CAN communication port is electrically isolated from an external system through PC1 and PC2, and communicates with an input unit MCU board configured in the input unit 10 Also provides electrically isolated communication through PC3 and PC4. CAN communication guarantees the speed of 1Mbps.

도 12는 도 1의 바이어스 공급부(3)의 회로도이다.12 is a circuit diagram of the bias supply 3 in FIG. 1.

바이어스 공급부(3)는 전원 공급을 위한 바이어스 회로를 구비하며, 바이어스 회로는 본 발명의 실시예의 AC-DC 컨버터 내의 모든 보조전원을 생성하며, 입력부(1)에 +12V/0.5A, 3.3V/1A를, 출력부(2)에 12V/0.5A, 3.3V/1A, 24V/0.5A를 안정적으로 공급을 하며, 24V/0.5A는 냉각 팬 구동을 위하여 제공하도록 구성된다.The bias supply unit 3 includes a bias circuit for supplying power, and the bias circuit generates all auxiliary power in the AC-DC converter of the embodiment of the present invention, and + 12V / 0.5A, 3.3V / to the input unit 1 1A, 12V / 0.5A, 3.3V / 1A, and 24V / 0.5A are stably supplied to the output unit 2, and 24V / 0.5A is configured to provide for driving a cooling fan.

바이어스 회로는 SMPS전용칩(U4)을 구비하여, 입력부(1)의 출력 전원 400Vdc를 입력으로 하여 절연변압기인 제 1 변압기(T1)를 구동하여 원하는 2차측전압을 만들어 공급 한다.The bias circuit is provided with a chip (U4) dedicated to SMPS, and outputs 400 Vdc of the input unit (1) as an input to drive the first transformer (T1), which is an insulation transformer, to produce and supply a desired secondary side voltage.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.It should be noted that, although the technical spirit of the present invention described above has been specifically described in a preferred embodiment, the above embodiment is for the purpose of explanation and not of limitation. In addition, those skilled in the art of the present invention will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical spirit of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the technical spirit of the appended claims.

Q1 ~ Q11: 제 1 내지 제 11 스위치
BC1 ~ BC4: 제 1 내지 제 4 브리지회로
PWM_Q1 ~ PWM_Q4: 제 1 내지 제 4 인버터 PWM 신호
PWM_SR1(SRA1, SRB1): 제 1 위상동기정류 PWM신호
PWM_SR2(SRA2, SRB2): 제 2 위상동기정류 PWM신호
PWM_CLAMP1: 제 1 클램프 PWM 신호
PWM_CLAMP2: 제 2 클램프 PWM 신호
Q1 to Q11: first to eleventh switches
BC1 to BC4: 1st to 4th bridge circuits
PWM_Q1 ~ PWM_Q4: 1st to 4th inverter PWM signals
PWM_SR1 (SRA1, SRB1): 1st phase synchronous rectified PWM signal
PWM_SR2 (SRA2, SRB2): Second phase synchronous rectified PWM signal
PWM_CLAMP1: 1st clamp PWM signal
PWM_CLAMP2: second clamp PWM signal

Claims (5)

입력전원 교류 전원의 역률을 0.9 내지 1로 보정한 후 직류 전원으로 정류하여 출력하는 입력부(1);
상기 입력부(1)의 출력 직류 전원을 입력 받은 후, 제로 전압 스위칭을 달성하는 동기정류 및 액티브 클램프를 수행한 후 배터리 충전에 필요한 전압으로 DC-DC 변환하여 출력하며, 액티브 클램프 스너버 회로를 구비하는 출력부(2); 및
상기 입력부(1)와 출력부(2)의 구동을 위한 전원을 공급하는 바이어스 공급부(3)를 포함하고,
상기 출력부(2)는 제로 전압 스위칭을 위해, 풀브리지 회로를 포함하여 구성되며, 브리지회로의 각레그(leg)는 고정된 50% 듀티(Duty)를 갖는 2개의 상보적인 PWM 신호로 구동되도록 구성되고, 출력 및 풀 브리지의 단락전류 검출을 위하여 제 1 변류기(CT1)를 구비한 인버터부(80)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 배터리 충전용 AC-DC 컨버터.
Input power input unit (1) for correcting the power factor of the AC power to 0.9 to 1 and then rectifying and outputting the DC power;
After receiving the output DC power of the input unit (1), after performing synchronous rectification and active clamping to achieve zero voltage switching, DC-DC is converted to a voltage required for charging the battery and output, and an active clamp snubber circuit is provided. An output section 2 to be said; And
And a bias supply unit 3 for supplying power for driving the input unit 1 and the output unit 2,
The output unit 2 is configured to include a full-bridge circuit for zero voltage switching, and each leg of the bridge circuit is driven by two complementary PWM signals having a fixed 50% duty. An AC-DC converter for charging an electric vehicle battery, comprising an inverter unit 80 having a first current transformer CT1 for detecting a short-circuit current of an output and a full bridge.
제 1 항에 있어서,
상기 입력부(1)는,
주파수대역이 다른 2개의 필터(F1, F2)를 2단으로 하여 PFC의 입력 정류기 브리지 다이오드에 연결되도록 구성되어 전자기 간섭을 완화하는 EMC 필터부(10);
교류 전원 입력단에 연결되는 제 1 서미스터(PT1)와 병렬로 연결되는 제 1 릴레이(RL1A)을 구비하여, 입력전원 투입 시 돌입 전류 제한을 위하여 제 1 서미스터(PT1)의 저항값에 의하여 내부 커패시터(C19 및 C20, C6 및 C7)의 충전전류를 제한하고, VBUS 전압를 검출하여 전압이 정상임을 감지한 후 상기 제 1 릴레이(RL1A)를 구동시켜 돌입 전류의 유입을 제한하는 돌입전류 제한부(15);
풀브리지 다이오드와 상기 풀브리지 다이오드와 병렬로 연결되는 한 쌍의 병렬 연결 커패시터로 구성되는 제 11 커패시터(C11)를 구비하여 상기 EMC 필터부(10)로부터 입력되는 교류전원을 직류 전원으로 정류하여 출력하는 입력정류부(20);
역류 보상 제어를 위해 입력 교류 전압과 건류를 검출하여 입력부 제어부(70)로 출력하는 입력전압전류검출부(30);
2 개의 병렬 부스트 컨버터(BC1, BC2)와 2개의 병렬 부스터 컨버터(BC1, BC2)의 각 레그에 대한 평균 인덕터 전류를 측정하기 위해 각 스위치에 연결되는 두 개의 전류 트랜스포머(CT1, CT2)를 포함하고, 상기 각 레그의 스위치를 동일한 듀티 사이클로 구동시켜, RECT+ 포트를 통해 상기 EMC 필터부(10)로부터 필터링된 교류 전원을 입력 받아 직류 전원으로 정류하여 출력하는 역률 보상 2상 부스터 컨버터부(40); 및
고전압 직류버스전압 검출은 분압저항(R24, R27, R29, R33, R34, R35)들로 검출한 후 입력부 제어부(70)를 구성하는 MCU 보드의 VBUS+ 포트로 출력하는 직류전압 전압 검출 및 필터부(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 배터리 충전용 AC-DC 컨버터.
According to claim 1,
The input unit 1,
An EMC filter unit 10 configured to connect two filters (F1, F2) having different frequency bands to two stages and to be connected to an input rectifier bridge diode of the PFC to mitigate electromagnetic interference;
It has a first relay (RL1A) connected in parallel with a first thermistor (PT1) connected to the AC power input terminal, the internal capacitor by the resistance value of the first thermistor (PT1) to limit the inrush current when the input power input C19 and C20, C6 and C7) to limit the charging current, detect the VBUS voltage, detect that the voltage is normal, and then drive the first relay (RL1A) to limit the inrush current limiting part (15) ;
It is provided with an eleventh capacitor (C11) composed of a full-bridge diode and a pair of parallel-connected capacitors connected in parallel with the full-bridge diode, and rectifies the AC power input from the EMC filter unit 10 to DC power and outputs it. An input rectifying unit 20;
An input voltage current detection unit 30 which detects input AC voltage and dry current and outputs the input voltage to the input unit control unit 70 for reverse flow compensation control;
Includes two parallel boost converters (BC1, BC2) and two current transformers (CT1, CT2) connected to each switch to measure the average inductor current for each leg of the two parallel boost converters (BC1, BC2). , Power factor compensation two-phase boost converter unit 40 that drives the switches of each leg with the same duty cycle, receives AC power filtered from the EMC filter unit 10 through the RECT + port, and rectifies and outputs the DC power; And
High voltage DC bus voltage detection detects with voltage divider resistors (R24, R27, R29, R33, R34, R35) and then DC voltage voltage detection and filter unit outputting to the VBUS + port of the MCU board constituting the input unit controller 70 ( 50) AC-DC converter for charging an electric vehicle battery comprising a.
제 2 항에 있어서,
상기 입력부(1)는,
역률 보상 2상 부스트 컨버터부(40)에 대한 PFC제어를 위하여 위상동기루프(PLL)를 포함하여, 입력 전압 주파수, 진폭을 계산하고 입력 전류와의 동기화를 보장하고, 듀티 사이클 피드 포워드(duty cycle feed-forward) 제어기술을 도입하여, 연속 전도 모드(CCM), 불연속 전도 모드(DCM)로 작동 시에도 낮은 전체 고조파 왜곡(THD)과 역률(PF)이 전체 동작 범위에서 0. 9 내지 1이 되도록 상기 입력부(1)의 입력전원을 제어하는 입력부 제어부(70);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 배터리 충전용 AC-DC 컨버터.
According to claim 2,
The input unit 1,
In order to control the PFC for the power factor compensation two-phase boost converter unit 40, including a phase-locked loop (PLL), calculate the input voltage frequency, amplitude, and ensure synchronization with the input current, duty cycle feed forward (duty cycle) With the introduction of feed-forward control technology, the low total harmonic distortion (THD) and power factor (PF), even when operating in continuous conduction mode (CCM) and discontinuous conduction mode (DCM), range from 0.9 to 1 over the entire operating range. AC-DC converter for charging an electric vehicle battery further comprising; an input unit control unit (70) for controlling the input power of the input unit (1).
제 1 항에 있어서,
상기 출력부(2)는
각각 제 1 내지 제 4 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4) 중 하나를 포함하는 네 개의 제 1 내지 제 4 브리지회로(BC1 ~ BC4)를 가지는 풀브리지 회로를 구비하여 ZVS 스위칭을 수행하여 상기 입력부(1)에서 출력되는 직류 전원을 교류전원으로 변환하여 출력하는 인버터부(80);
상기 인버터부(80)의 구동 전원을 공급하는 제 2 게이트 드라이버부(90);
제 1 변압기(T1)의 누설 인덕턴스와 다이오드 접합 커패시턴스로 인한 전압 스파이크를 클램핑하기 위해 출력 정류기인 위상동기정류회로부(120)에 클램프 네트워크로 구성되는 액티브 클램프 스너버부(100);
상기 액티브클램프스너버부(100)의 구동 전원을 공급하는 제 3 게이트 드라이버부(110);
상기 인버터부(80)의 출력 교류 전원을 위상 동기 전류하여 직류로 변환하여 출력하는 위상동기정류회로부(120);
상기 위상동기정류회로부(120)의 구동 전원을 공급하는 제 4 게이트 드라이버부(130);
상기 위상동기정류회로(120)의 출력 직류 전원의 전류를 검출한 후 출력부 제어부(2)의 DDC_CURR(MCU A/D)로 출력하는 제 1 저저항 분류기(SH1)를 구비한 출력전류검출부(140);
제 1 인덕터(L1)와 제 10 내지 제 15 커패시터(C10~C15)를 포함하는 고주파회로룰 구비하여, 고주파스위칭 파형을 직류전원으로 필터링하여 출력으로 공급하는 출력 필터 및 전압 검출부(150); 및
상기 인버터부(10)의 ZVS를 위해 상기 제 1 내지 제 4 스위치(Q1, Q2, Q3, Q3)의 스위칭 제어를 위한 제 1 내지 제 4 인버터 PWM 신호(PWM_Q1, PWM_Q2. PWM_Q3, PWM_Q4)와 상기 위상동기정류회로부에 구성되는 제 8 및 제 10 스위치(Q8 및 Q10) 및 제 9 및 제 11 스위치(Q9 및 Q11)의 스위칭 제어를 위한 제 1 내지 제 2 위상동기정류 PWM신호(PWM_SR1(SRA1, SRB1), PWM_SR2(SRA2, SRB2)), 상기 액티브 클램프 스너버부(100)의 제 5 및 제 6 스위치(Q5, Q6)의 스위칭 제어를 위한 제 1 및 제 2 클램프 PWM 신호(PWM_CLAMP1, PWM_CLAMP2)를 출력하여 출력부(2)의 DC-DC 변환을 위한 스위칭 및 ZVS를 제어하는 출력부 제어부(160);를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 배터리 충전용 AC-DC 컨버터.
According to claim 1,
The output unit 2 is
A full-bridge circuit having four first to fourth bridge circuits (BC1 to BC4) each including one of the first to fourth switches Q1, Q2, Q3, and Q4 is provided to perform ZVS switching to perform the input. An inverter unit 80 for converting and outputting DC power output from (1) into AC power;
A second gate driver unit 90 for supplying driving power to the inverter unit 80;
An active clamp snubber part 100 consisting of a clamp network in the phase rectifier rectifier circuit 120, which is an output rectifier, for clamping voltage spikes due to leakage inductance and diode junction capacitance of the first transformer T1;
A third gate driver unit 110 supplying driving power to the active clamp snubber unit 100;
A phase-locked rectifying circuit unit 120 which converts the output AC power of the inverter unit 80 into phase-current and outputs it as a phase-locked current;
A fourth gate driver unit 130 supplying driving power to the phase-locked rectification circuit unit 120;
Output current detection unit having a first low-resistance classifier (SH1) for detecting the current of the output DC power of the phase-locking rectifier circuit 120 and outputting it to DDC_CURR (MCU A / D) of the output unit controller 2 140);
An output filter and a voltage detection unit 150 having a high-frequency circuit including a first inductor L1 and tenth to fifteenth capacitors C10 to C15, filtering the high-frequency switching waveform with DC power and supplying it as an output; And
The first to fourth inverter PWM signals (PWM_Q1, PWM_Q2.PWM_Q3, PWM_Q4) for switching control of the first to fourth switches (Q1, Q2, Q3, Q3) for ZVS of the inverter unit 10 and the First to second phase-locked rectification PWM signals (PWM_SR1 (SRA1, SRA1) for switching control of the eighth and tenth switches Q8 and Q10 and the ninth and eleventh switches Q9 and Q11 configured in the phase-locked rectification circuit unit SRB1), PWM_SR2 (SRA2, SRB2)), first and second clamp PWM signals (PWM_CLAMP1, PWM_CLAMP2) for switching control of the fifth and sixth switches Q5, Q6 of the active clamp snubber part 100 AC-DC converter for charging an electric vehicle battery, comprising: an output unit control unit 160 for controlling switching and ZVS for DC-DC conversion of the output unit 2 by outputting.
제 4 항에 있어서,
상기 인버터부(80)는,
각각 제 1 내지 제 4 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4) 중 하나를 포함하는 네 개의 제 1 내지 제 4 브리지회로(BC1 ~ BC4)를 가지는 풀브리지 회로와 상기 풀브리지 회로의 전류 검출을 위한 제 1 변류기(CT1)와 풀브리지 회로의 제 2 및 제 4 브리지회로(BC2, BC4)의 결합 노드(a)에 접속되는 제 4 인덕터(L4)와 일단은 상기 제 4 인덕터(l4)에 접속되고 타단은 상기 제 1 및 제 3 브리지회로(BC1, BC3)의 결합 노드(b)에 접속되는 제 1 변압기(T1)을 포함하여, 각레그(leg)가 고정된 50%Duty을 갖는 2개의 상보적인 PWM신호에 의해, 제 3 및 제 4 스위치(Q3 및 Q4)는 고정된 50% 듀티사이클로 구동되고, 상부 제 1 및 제 2 스위치(Q1과 Q2)의 펄스폭 끝에서 펄스폭이 변조되도록 구동되어 ZVS를 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 배터리 충전용 AC-DC 컨버터.
The method of claim 4,
The inverter unit 80,
Full bridge circuit having four first to fourth bridge circuits (BC1 to BC4) each including one of the first to fourth switches (Q1, Q2, Q3, Q4) and for detecting current in the full bridge circuit The fourth inductor L4 connected to the coupling node a of the first current transformer CT1 and the second and fourth bridge circuits BC2 and BC4 of the full bridge circuit and one end connected to the fourth inductor 14 And the other end includes a first transformer T1 connected to the coupling node b of the first and third bridge circuits BC1 and BC3, and each leg has two fixed 50% Duties. By the complementary PWM signal, the third and fourth switches Q3 and Q4 are driven with a fixed 50% duty cycle, and the pulse width is modulated at the pulse width ends of the upper first and second switches Q1 and Q2. AC-DC converter for electric vehicle battery charging, characterized in that to be driven to perform ZVS.
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