KR20200056275A - 2단 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

전기 자동차의 메인 배터리(HV battery)와 직렬 연결되어 상기 메인 배터리로부터 상기 2단 전력 변환 구조의 후단으로 인가되는 입력 전압을 제어하는 인버팅 벅 부스트 컨버터부 및 3 개의 LLC 공진 컨버터가 병렬 연결되어 상기 메인 배터리 및 상기 인버팅 벅 부스트 컨버터부로부터 인가되는 입력 전압을 변환하여 출력하는 LLC 공진 컨버터부를 포함하는 2단 전력 변환 장치가 개시된다.

Description

2단 전력 변환 장치{A TWO-STAGE POWER CONVERSION CONVERTER}
본 발명은 2단 전력 변환 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 자동차에 적용되어 직류-직류 전압 변환을 수행하는 2단 전력 변환 장치에 관한 것이다.
최근 자동차 사업에 있어서 전기 자동차를 위한 고출력 밀도 및 고효율의 전력 변환 시스템에 대한 수요가 증가하고 있다.
일반적으로 전기 자동차용 전력 변환 시스템은 저전압 DC-DC 컨버터 구조로 고전압 dc 버스 및 저전압 dc 버스(예컨대, 조명, 전기 제어 유닛 등) 간에 전력 변환 역할을 한다.
한편 이러한 저전압 DC-DC 컨버터는 차량에 탑재된다는 특성상 고출력 밀도 및 고효율이 요구되는데, 이에 따라 스위칭 주파수를 증가시킴으로써 그 사이즈를 감소시키는 방안이 제안된 바 있다. 그러나 스위칭 주파수를 증가시키는 것은 스위칭 손실을 야기한다는 문제점이 있다.
한편 DC-DC 전력 변환 토폴로지 중에서 LLC 공진 컨버터는 넓은 범위의 부하 변동에 대해 1차측 및 2차측 스위치의 소프트 스위칭 특성을 가져 고주파수에서도 고효율로 작동할 수 있는 컨버터이다.
또한 LLC 공진 컨버터는 변압기의 누설 인덕턴스를 공진 인덕터로 활용할 수 있기 때문에 자성체의 전체 크기를 최소화할 수 있는 특징을 갖는다.
그러나 LLC 공진 컨버터는 입력 전압이 변하는 경우, 공진 동작을 달성할 수 없다는 문제점이 있다. 따라서 LLC 공진 컨버터를 전기 자동차용 전력 변환 시스템에 적용하기 위해서는 입력 전압의 변동에 대하여 일정한 주파수 동작이 보장되어야 한다.
본 발명의 일측면은 메인 배터리와 직렬 연결되어 메인 배터리로부터의 전압을 일정하게 조절하는 인버팅 벅 부스트 컨버터부 및 인버팅 벅 부스트 컨버터부에 의해 일정하게 조절되는 전압을 인가 받아 고정 주파수로 동작하여 고효율의 전력 변환을 달성하는 LLC 공진 컨버터부를 포함하는 2단 전력 변환 장치를 제공한다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 2단 전력 변환 장치는 전기 자동차의 메인 배터리(HV battery)와 연결되어 상기 메인 배터리로부터의 입력 전력을 부하를 위한 전력으로 변환하여 출력하는 2단 전력 변환 장치에 있어서, 2단 전력 변환 구조의 전단을 구성하며, 상기 메인 배터리와 직렬 연결되어 상기 메인 배터리로부터 상기 2단 전력 변환 구조의 후단으로 인가되는 입력 전압을 제어하는 인버팅 벅 부스트 컨버터부 및 상기 2단 전력 변환 구조의 후단을 구성하며, 1차측으로부터 2차측으로 전력 변환을 수행하는 3 개의 LLC 공진 컨버터가 병렬 연결되어 1차측 및 2차측에 각각 마련되는 스위치 소자의 스위칭 동작에 따라 상기 메인 배터리 및 상기 인버팅 벅 부스트 컨버터부로부터 인가되는 입력 전압을 3 상 전압으로 변환하여 출력하는 LLC 공진 컨버터부를 포함한다.
한편, 상기 LLC 공진 컨버터부는, 1차측 및 2차측에 각각 마련되는 스위치 소자가 동일한 스위칭 주파수에서 동작할 수 있다.
또한, 상기 LLC 공진 컨버터부는, 상기 3 개의 LLC 공진 컨버터에 마련되는 공진 인덕터 및 공진 커패시터에 의한 공진 주파수로 1차측 및 2차측에 각각 마련되는 스위치 소자의 스위칭 주파수가 고정될 수 있다.
또한, 상기 인버팅 벅 부스트 컨버터부는, 상기 메인 배터리로부터 상기 LLC 공진 컨버터부로 일정한 전압이 인가되도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 인버팅 벅 부스트 컨버터부는, 상기 LLC 공진 컨버터부로 인가되는 전압 및 상기 메인 배터리의 전압 간의 차동 전압으로 정격 전압이 결정되는 폐쇄 루프 전압 제어를 수행할 수 있다.
또한, 상기 인버팅 벅 부스트 컨버터부는, 두 개의 스위치 소자가 마련되며, 상측 접점 및 두 개의 스위치 소자 사이의 접점이 상기 메인 배터리의 양단에 연결되는 하프 브릿지 회로, 상기 두 개의 스위치 소자 사이의 접점 및 상기 메인 배터리의 접지단에 접속하는 전압선에 마련되는 인덕터 및 상기 하프 브릿지 회로의 하측 접점 및 상기 메인 배터리의 접지단에 접속하는 전압선에 마련되는 커패시터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 LLC 공진 컨버터는, 1차측으로부터 2차측으로의 전력 변환을 수행하는 변압기, 상기 변압기의 1차측에 연결되며 두 개의 스위치 소자가 마련되는 1차측 하프 브릿지 회로 및 상기 변압기의 2차측에 연결되는 SR(synchronous rectifier) 회로를 포함할 수 있다.
또한, 상기 LLC 공진 컨버터는, 상기 변압기의 1차측 권선과 직렬 연결되는 공진 커패시터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 SR 회로는, 상기 변압기의 2차측 코일 양단에 각각 연결되는 제1 정류 스위치 및 제2 정류 스위치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 LLC 공진 컨버터는, 두 개의 스위치 소자의 영전압 스위칭 턴오프 조건을 달성할 수 있다.
본 발명에 따르면 고정된 스위칭 주파수 조건 하에서 동작할 수 있으며, SR 회로의 제어를 위한 별도의 부가 회로를 요구하지 않으므로 고효율의 전력 변환을 달성할 수 있으며, 전체 회로 구성을 간단히 하여 비용 절감의 효과를 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치를 보여주는 회로도이다.
도 2는 도 1에 도시된 2단 전력 변환 장치를 간략히 도시한 회로도이다.
도 3은 도 1에 도시된 2단 전력 변환 장치의 구동 시 각 소자에 걸리는 전압 및 전류를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 2단 전력 변환 장치의 등가 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치의 구조를 간략히 보여주는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치에서의 전력 흐름을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치에서의 전력 전달율을 도시한 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치를 보여주는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치(1000)는 인버팅 벅 부스트(IBB: Inverting Buck-Boost) 컨버터부(100) 및 LLC 공진 컨버터부(200)를 포함할 수 있다. 여기서 LLC 공진 컨버터부(200)는 병렬 연결된 3 개의 LLC 공진 컨버터(201, 202, 203)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치(1000)는 전기 자동차의 저전압 DC-DC 컨버터(LDC: Low Voltage DC-DC Converter)로 적용될 수 있으며, 예컨대, 전기 자동차의 메인 배터리(HV battery)와 연결되어 메인 배터리(HV battery)로부터의 입력 전력을 각종 부하를 위한 전력으로 변환하여 출력할 수 있다.
인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)는 캐스코드 타입의 전단 컨버터로, 메인 배터리로부터 LLC 공진 컨버터부(200)로의 입력을 제어할 수 있다. 예컨대, 본 실시예에서 메인 배터리로부터의 입력 전력의 대부분은 LLC 공진 컨버터부(200)로 바로 인가되는데, 입력 전력의 매우 일부분이 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)로 인가되어 전체 출력 전압을 조절하는 데에 사용될 수 있다.
인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)는 일반적인 인버팅 벅 부스트 컨버터 구조를 채택할 수 있다.
예를 들면, 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)는 두 개의 스위치 소자(S7, S8)가 마련되는 하프 브릿지 회로를 포함할 수 있다. 이러한 하프 브릿지 회로의 상측 접점 및 두 개의 스위치 소자(S7, S8) 사이의 접점은 메인 배터리의 양단에 연결될 수 있다. 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)는 두 개의 스위치 소자(S7, S8) 사이의 접점과 메인 배터리의 접지단에 접속하는 전압선에 마련되는 인덕터(L1), 하프 브릿지 회로의 하측 접점 및 메인 배터리의 접지단에 접속하는 전압선에 마련되는 제1 커패시터(C1) 및 하프 브릿지 회로에 병렬 연결되는 제2 커패시터(C2)를 더 포함할 수 있다.
LLC 공진 컨버터부(200)는 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)에 의해 제어되는 입력 전압(VIN)을 변환하여 출력할 수 있다.
LLC 공진 컨버터부(200)는 3 개의 일반적인 하프 브릿지 LLC 공진 컨버터(201, 202, 203)를 병렬 연결한 구조를 채택할 수 있다. 3 개의 하프 브릿지 LLC 공진 컨버터(201, 202, 203)는 각각 3 상 전압 중 하나를 출력할 수 있다. 예컨대, LLC 공진 컨버터(201, 202, 203)는 1차측으로부터 2차측으로 전력 변환을 수행하는데, 손실을 줄이면서 고출력 전류를 처리하기 위해 2차측에 병렬 연결된 SR(synchronous rectifier)회로를 채택할 수 있다. 본 실시예에서 LLC 공진 컨버터(201, 202, 203)는 1차측 및 2차측에 마련되는 스위치 소자들이 일정한 주파수에서 동작하여 전체 회로 구성을 간단하게 할 수 있다. 이와 관련하여 구체적인 설명은 후술한다.
예를 들면, LLC 공진 컨버터(201)는 두 개의 스위치 소자(S1, S2)가 마련되는 1차측 하프 브릿지 회로를 포함할 수 있다. 이러한 1차측 하프 브릿지 회로의 두 개의 스위치 소자(S1, S2) 사이의 접점에 접속되는 입력 전압선은 변압기(TR1)의 1차측에 연결될 수 있다. LLC 공진 컨버터(201)는 입력 전압선에 마련되는 제1 공진 인덕터(Lr1) 및 제1 공진 커패시터(Cr1)를 포함할 수 있다. LLC 공진 컨버터(201)는 변압기(TR1)의 2차측에 연결되는 SR 회로를 포함할 수 있다. 변압기(TR1)의 2차측은 중앙 탭을 가질 수 있다. LLC 공진 컨버터(201)는 변압기(TR1)의 2차측 코일 양단에 각각 연결되는 제1 정류 스위치(Q1) 및 제2 정류 스위치(Q2)를 포함할 수 있다. 이러한 2차측의 중앙 탭에 접속되는 출력 전압선은 출력 커패시터(Co)에 연결될 수 있다. LLC 공진 컨버터(201)는 양단이 각각 제1 정류 스위치(Q1) 및 제2 정류 스위치(Q2)와 출력 전압선에 접속되는 커패시터를 포함할 수 있다.
여기에서 LLC 공진 컨버터부(200)에 포함되는 스위치 소자, 특히 변압기(TR1, TR2, TR3)의 1차측에 마련되는 스위치 소자(S1 내지 S6)은 GaN(Gallium Nitride) 모스펫(MOSFETs) 스위치를 채택할 수 있다. GaN 모스펫 스위치는 우수한 static 특성과 낮은 스위칭 손실을 달성할 수 있기 때문이다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치(1000)는 고정된 스위칭 주파수 조건 하에서 동작할 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치(1000)는 SR 회로의 제어를 위한 별도의 부가 회로를 요구하지 않으므로 고효율의 전력 변환을 달성할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 2단 전력 변환 장치를 간략히 도시한 회로도이고, 도 3은 도 1에 도시된 2단 전력 변환 장치의 구동 시 각 소자에 걸리는 전압 및 전류를 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 2단 전력 변환 장치(1000)에서 LLC 공진 컨버터부(200)에 포함되는 3 개의 LLC 공진 컨버터(201, 202, 203) 중 하나의 LLC 공진 컨버터(201) 만을 대표로 도시하였다. LLC 공진 컨버터(201)는 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)에 의해 제어되는 메인 배터리의 전압을 입력 전압으로 하여 전력 변환을 수행할 수 있을 것이다.
도 3을 참조하면, Vgs_S는 LLC 공진 컨버터부(200)의 1차측 상부에 마련되는 스위치 소자(S1, S3, S5) 및 1차측 하부에 마련되는 스위치 소자(S2, S4, S6)의 게이트 소스를 보여준다. Vds_S는 LLC 공진 컨버터부(200)의 1차측 하부에 마련되는 스위치 소자(S2, S4, S6)의 드레인 소스 전압을 보여준다. iPri 및 iLm은 각각 공진 전류 및 자화 전류를 보여준다. Ids_Q 및 Vgs_Q는 각각 LLC 공진 컨버터부(200)의 2차측 정류 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6)들의 드레인 전류 및 구동 신호를 보여준다.
도 3에서 알 수 있듯이, LLC 공진 컨버터부(200)는 변압기(TR1, TR2, TR3)에 의해 1차측 및 2차측으로 나뉘어 변압기의 동작에 의해 1차측으로부터 2차측으로의 전력 변환을 수행하는데, 1차측 및 2차측에 마련되는 스위치 소자들이 동일한 동작 주파수(예컨대, 1MHz) 조건 하에서 동작할 수 있다. 즉, LLC 공진 컨버터부(200)는 1차측 및 2차측 간에 상 차이가 없다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치(1000)는 간단한 PWM 회로 만으로 양측 스위치의 동작을 제어할 수 있으므로, 전체 회로 구성을 간단히 하여 비용 절감의 효과를 도모할 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 2단 전력 변환 장치의 등가 회로도이다.
도 4를 참조하면, LLC 공진 컨버터부(200)의 입력 전압(Vp)은 메인 배터리 및 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)의 출력 전압의 합으로 이루어질 수 있다. 도 2에서 알 수 있듯이, 메인 배터리(HV-main battery) 및 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)는 케스코드 구조로 구성되어 LLC 공진 컨버터부(200)로 전력을 전달할 수 있다. 따라서 LLC 공진 컨버터부(200)의 입력 전압은 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서 VBat은 메인 배터리의 전압, VIbb는 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)의 출력 전압 및 D는 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)의 듀티 사이클을 의미한다.
도 4와 같은 등가 회로 모델에서 LLC 공진 컨버터부(200)의 DC 이득을 얻기 위해서 FHA(Fundamental Harmonic Analysis)를 적용하면, LLC 공진 컨버터부(200)의 2차측의 누설 인덕턴스를 고려한 전압 이득은 아래 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
수학식 2에서
Figure pat00003
은 공진 주파수,
Figure pat00004
은 정규화 된 스위칭 주파수,
Figure pat00005
,
Figure pat00006
는 인덕턴스 비,
Figure pat00007
는 큐 인자,
Figure pat00008
는 특성 임피던스,
Figure pat00009
는 공진 주파수 및 fs는 스위칭 주파수를 나타낸다. 여기서 Rac는 2차측에서 1차측으로 전달되는 등가 부하 저항으로
Figure pat00010
와 같이 계산될 수 있다.
본 실시예에서 LLC 공진 컨버터부(200)의 스위칭 주파수는 공진 인덕터(Lr) 및 공진 커패시터(Cr)의 공진 주파수로 고정될 수 있다. 따라서 수학식 2의 전압 이득은 fn=1에서 M(fn)=1+Llk2/Lm으로 나타낼 수 있다. 이로부터 LLC 공진 컨버터부(200)의 전압 이득은 부하와 무관하게 공진 주파수에서 일정함을 확인할 수 있다.
여기서 LLC 공진 컨버터부(200)가 낮은 스위칭 주파수로 동작하는 경우, 자화 인덕턴스(Lm)가 2차측의 누설 인덕턴스(Llk)보다 매우 큰 값을 갖기 때문에, LLC 공진 컨버터부(200)의 전압 이득은 거의 1로 산출될 것이다. 그러나 LLC 공진 컨버터부(200)가 고주파의 스위칭 주파수, 예컨대, 1-MHz로 동작하는 경우, 2차측의 누설 인덕턴스(Llk)의 값을 무시할 수 없으므로 LLC 공진 컨버터부(200)의 전압 이득이 특정 값으로 산출될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치(1000)의 전압 이득은 수학식 1 및 2로부터 아래 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00011
수학식 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치(1000)의 전압 이득은 LLC 공진 컨버터부(200)의 자화 인덕턴스(Lm)가 2차측의 누설 인덕턴스(Llk)에 영향을 받으며, 또한, 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)의 듀티 사이클(D)에 의해 제어됨을 확인할 수 있다. 여기서 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)는 폐쇄 루프 전압 제어를 수행한다. 이와 관련하여 구체적인 설명은 후술한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치의 구조를 간략히 보여주는 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치에서의 전력 흐름을 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)는 메인 배터리(HV Battery)와 직렬 연결되어 LLC 공진 컨버터부(200)로 일정한 출력 전압(Vout)이 인가되도록 할 수 있다. 여기서 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)는 메인 배터리(HV Battery)의 전압(Vbat) 및 LLC 공진 컨버터부(200)로 인가되는 출력 전압(Vout) 간의 차동 전압(VIbb)만을 제공할 수 있다.
즉 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)의 정격 전압(voltage rating)은 메인 배터리(HV Battery)의 전압(Vbat) 및 출력 전압(Vout) 간의 차동 전압으로 결정될 수 있으며, 그 값은 매우 감소할 것이다.
도 6을 참조하면, 이러한 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)는 LLC 공진 컨버터부(200)로 인가되는 출력 전압(Vout)이 일정하도록 동작할 필요가 있다. 출력 전압(Vout)은 메인 배터리(HV Battery)의 전압(Vbat) 및 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)의 출력 전압(VIbb)의 합으로 결정되기 때문이다.
본 실시예에서 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)는 폐쇄 루프 전압 제어가 적용될 수 있다. 다시 말하면 LLC 공진 컨버터부(200)로 인가되는 출력 전압(Vout)는 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)의 폐쇄 루프 전압 제어에 의해 조절될 수 있다. 이처럼 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치(1000)는 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)로부터 차동 전압 처리를 달성할 수 있으므로, 전력 변환과 관련한 전력 손실을 최소화하여 전체 효율을 개선할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치(1000)의 전력 변환 효율은 아래 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00012
수학식 4에서 VBat 및 VIbb는 각각 메인 배터리 및 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)의 출력 전압을 의미하고, IO는 메인 배터리 및 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)의 캐스코드 구조의 출력 전류를 의미하고, Ef_ibb는 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)의 전력 변환 효율을 의미한다.
수학식 4를 참조하면, 이론적으로 2단 전력 변환 장치(1000)의 전력 변환 효율(Ef)은 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)의 전력 변환 효율(Ef_ibb)보다 큰 값을 가질 것이다. 또한 전압 변환율(VIbb/VBat)이 작아질수록 전력 변환 효율(Ef)은 높아질 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치에서의 전력 전달율을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치(1000)에서 메인 배터리에 의한 전력 전달율 및 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)에 의한 전력 전달율은 아래 수학식 5 및 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00013
Figure pat00014
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치(1000)는 메인 배터리(HV Battery)로부터 LLC 공진 컨버터부(200)로 바로 전달되는 전력의 비율이 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)를 통해 LLC 공진 컨버터부(200)로 전달되는 전력의 비율보다 현저히 높으며, 메인 배터리(HV Battery)의 용량이 커질수록 그 차이가 커짐을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 다른 2단 전력 변환 장치(1000)는 대부분의 전력이 LLC 공진 컨버터부(200)로 바로 인가되고, 아주 작은 부분만이 출력 전압 제어를 위해 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)를 통해 인가될 수 있다.
한편 도 1을 참조하면, LLC 공진 컨버터부(200)는 상술한 것처럼 직렬 연결된 3 개의 LLC 공진 컨버터(201, 202, 203)를 포함할 수 있다. 직렬 연결된 3 개의 LLC 공진 컨버터(201, 202, 203)는 각 위상에서 동일한 전력을 공유함으로써 전류 스트레스를 감소시킬 수 있다.
그러나 LLC 공진 컨버터부(200)에서의 공진 전류는 동작 주파수의 변동에 매우 민감하다. 공진 성분의 불일치는 전류 불균형을 야기할 수 있기 때문이다. 이와 관련하여 공통 인덕터 또는 공통 커패시터를 이용한 수동 임피던스 매칭 기술에 따르면, 별도의 제어 기술, 센싱 회로 및 주파수 변조 없이 부하 전류가 자동으로 공유될 수 있다.
직렬 연결된 3 개의 LLC 공진 컨버터(201, 202, 203)의 각 상에서의 공진 전류는 모두 다를 수 있으며 아래 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00015
수학식 7에서 Ipri1, Ipri2 및 Ipri3은 각각 각 상(α, β, θ)의 크기 및 Ipri01, Ipri02 및 Ipri03에 따른 3 개의 LLC 공진 컨버터(201, 202, 203)의 각 1차측에 흐르는 전류를 의미한다.
본 실시예에서는 이러한 3 개의 LLC 공진 컨버터(201, 202, 203)의 서로 다른 1차측 전류를 처리하기 위해, 각 변압기(TR1, TR2, TR3)의 1차측 권선과 직렬 연결되는 공진 커패시터(Cr1, Cr2, Cr3)를 포함할 수 있다.
공진 커패시터(Cr1, Cr2, Cr3)는 각각 아래 수학식 8을 만족하는 가상의 저항(Rs1, Rs2, Rs3)으로 적용될 수 있다.
Figure pat00016
가상의 저항(Rs1, Rs2, Rs3)은 양의 값 또는 음의 값을 가질 수 있어 각 위상에서의 공진 전류의 불균형을 보상할 수 있다. 이에 따라 LLC 공진 컨버터부(200)의 출력 전류는 자동으로 조절될 수 있다.
한편 가상의 저항(Rs1, Rs2, Rs3) 설계에 있어서 공진 탱크의 추가 전력 손실을 방지하기 위해 부하 또는 공진 주파수의 변동과 무관하게 전압 이득이 거의 유사하도록 설계하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 LLC 공진 컨버터부(200)의 스위칭 주파수는 공진 주파수로 고정될 수 있다. 이를 위해 LLC 공진 컨버터부(200)는 공진 커패시터(Cr1, Cr2, Cr3)를 포함하여 낮은 누설 인덕턴스를 갖는 변압기(TR1, TR2, TR3)를 설계함으로써 출력 전류를 조절할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치(1000)의 설계 방법에 대해 설명한다.
Figure pat00017
본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력 변환 장치(1000)가 표 1과 같은 조건 하에서 동작하는 경우, 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)는 다음과 같은 조건을 만족하여야 한다.
표 1과 같이 메인 배터리가 260V 내지 400V 사이에서 변하는 경우, 수학식 6에 따르면 메인 배터리의 전력 분배 인자는 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)의 전력 분배 인자보다 높을 것이다. 따라서 인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)의 전력 전달율은 아래 수학식 9와 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00018
인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)의 출력 전압 스테이지는 메인 배터리(HV Battery)의 전압에 따라 결정될 수 있으며, 이는 수학식 6으로부터 아래 수학식 10과 같이 산출될 수 있다.
Figure pat00019
인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)는 10% 부하 조건 하에서 CCM 모드로 동작하도록 설계될 수 있는데, 인덕터(L1)의 최대 인덕턴스 값은 10%의 부하 조건에서 인덕턴스 전류가 0이 되지 않는 것을 보장할 수 있도록 아래 수학식 11과 같이 산출될 수 있다.
Figure pat00020
인버팅 벅 부스트 컨버터부(100)의 주요 구성 요소들의 파라미터는 아래 표 2과 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00021
한편 통상적으로 LLC 공진 컨버터는 입력 전압의 범위가 넓은 경우, 매우 낮은 자화 인덕턴스를 가져 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다. 먼저 자화 전류는 공진 전류의 상당 부분을 차지하므로, 공진 전류가 증가함에 따라 무효 전력이 증가할 수 있으며, 이에 따라 LLC 공진 컨버터의 1차측 스위치들은 고 전류 조건 하에서 턴오프 되어 결과적으로는 스위칭 손실이 발생하게 된다. 또한, 낮은 자화 인덕턴스는 LLC 공진 컨버터가 연결된 각 상의 출력 전압 간의 변동을 야기할 수 있다. 이와 같은 경우, LLC 공진 컨버터의 전체 효율이 낮아지게 한다.
본 실시예에 따른 LLC 공진 컨버터부(200)는 각 상에 연결되는 LLC 공진 컨버터(201, 202, 203) 간의 출력 제어가 불필요하므로, 높은 자화 전류를 필요로 하지 않는다. 다만 LLC 공진 컨버터부(200)는 자화 인덕턴스(Lm)가 1차측에 마련되는 스위치 소자들의 데드 타임 동안 영전압 스위칭 조건(ZVS)을 달성할 수 있게 하는 인덕턴스를 보장하도록 구성할 수 있다.
Figure pat00022
수학식 12에서 Ts는 스위칭 주기, tdead는 데드 타임, Cpri_oss 및 Csec_oss는 각각 1차측 및 2차측 스위치의 출력 커패시턴스를 의미하며, Cwind는 변압기의 권선 용량, N은 병렬 연결된 SR의 수, n은 변압기 턴비를 의미한다.
LLC 공진 컨버터부(200)는 공진 인덕터(Lr)의 인덕턴스 값을 설정할 수 있는데, 공진 인덕터(Lr)의 인덕턴스 값은 누설 인덕턴스로 사용될 수 있다. 상술한 것처럼 LLC 공진 컨버터부(200)는 누설 인덕턴스가 적은 변압기를 필요로 하므로, 공진 커패시터(Cr)의 커패시턴스는 아래 수학식 13과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00023
공진 커패시터(Cr)가 수학식 13과 같은 조건을 만족하는 경우, 공진 주파수는 1MHz로 결정될 수 있으며, 이는 스위칭 주파수로 고정될 수 있다. 아울러 본 실시예에서 자화 인덕턴스(Lm)는 영전압 스위칭 조건을 만족시키도록 결정될 수 있다. 따라서 LLC 공진 컨버터부(200)는 각 상에 연결되는 출력 전압 간의 차가 공진 성분의 불일치 및 부하 변동과 무관하게 일정하게 유지될 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1000: 2단 전력 변환 장치
100: 인버팅 벅 부스트 컨버터부
200: LLC 공진 컨버터부
201, 202, 203: LLC 공진 컨버터

Claims (10)

  1. 전기 자동차의 메인 배터리(HV battery)와 연결되어 상기 메인 배터리로부터의 입력 전력을 부하를 위한 전력으로 변환하여 출력하는 2단 전력 변환 장치에 있어서,
    2단 전력 변환 구조의 전단을 구성하며, 상기 메인 배터리와 직렬 연결되어 상기 메인 배터리로부터 상기 2단 전력 변환 구조의 후단으로 인가되는 입력 전압을 제어하는 인버팅 벅 부스트 컨버터부; 및
    상기 2단 전력 변환 구조의 후단을 구성하며, 1차측으로부터 2차측으로 전력 변환을 수행하는 3 개의 LLC 공진 컨버터가 병렬 연결되어 1차측 및 2차측에 각각 마련되는 스위치 소자의 스위칭 동작에 따라 상기 메인 배터리 및 상기 인버팅 벅 부스트 컨버터부로부터 인가되는 입력 전압을 3 상 전압으로 변환하여 출력하는 LLC 공진 컨버터부를 포함하는 2단 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 LLC 공진 컨버터부는,
    1차측 및 2차측에 각각 마련되는 스위치 소자가 동일한 스위칭 주파수에서 동작하는 2단 전력 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 LLC 공진 컨버터부는,
    상기 3 개의 LLC 공진 컨버터에 마련되는 공진 인덕터 및 공진 커패시터에 의한 공진 주파수로 1차측 및 2차측에 각각 마련되는 스위치 소자의 스위칭 주파수가 고정되는 2단 전력 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인버팅 벅 부스트 컨버터부는,
    상기 메인 배터리로부터 상기 LLC 공진 컨버터부로 일정한 전압이 인가되도록 제어하는 2단 전력 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 인버팅 벅 부스트 컨버터부는,
    상기 LLC 공진 컨버터부로 인가되는 전압 및 상기 메인 배터리의 전압 간의 차동 전압으로 정격 전압이 결정되는 폐쇄 루프 전압 제어를 수행하는 2단 전력 변환 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 인버팅 벅 부스트 컨버터부는,
    두 개의 스위치 소자가 마련되며, 상측 접점 및 두 개의 스위치 소자 사이의 접점이 상기 메인 배터리의 양단에 연결되는 하프 브릿지 회로;
    상기 두 개의 스위치 소자 사이의 접점 및 상기 메인 배터리의 접지단에 접속하는 전압선에 마련되는 인덕터; 및
    상기 하프 브릿지 회로의 하측 접점 및 상기 메인 배터리의 접지단에 접속하는 전압선에 마련되는 커패시터를 포함하는 2단 전력 변환 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 LLC 공진 컨버터는,
    1차측으로부터 2차측으로의 전력 변환을 수행하는 변압기;
    상기 변압기의 1차측에 연결되며 두 개의 스위치 소자가 마련되는 1차측 하프 브릿지 회로; 및
    상기 변압기의 2차측에 연결되는 SR(synchronous rectifier) 회로를 포함하는 2단 전력 변환 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 LLC 공진 컨버터는,
    상기 변압기의 1차측 권선과 직렬 연결되는 공진 커패시터를 포함하는 2단 전력 변환 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 SR 회로는,
    상기 변압기의 2차측 코일 양단에 각각 연결되는 제1 정류 스위치 및 제2 정류 스위치를 포함하는 2단 전력 변환 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 LLC 공진 컨버터는,
    두 개의 스위치 소자의 영전압 스위칭 턴오프 조건을 달성하는 2단 전력 변환 장치.
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