KR20200133463A - Llc 공진 컨버터 및 이를 포함하는 충전 시스템 - Google Patents

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장희숭
성현욱
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현대자동차주식회사
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Abstract

LC 공진에 의해 출력이 결정되는 LLC 공진 컨버터의 특성에 기인하여 초기 기동 시 발생하는 과도 전류 발생 및 출력 전압 발산을 해소할 수 있는 LLC 공진 컨버터 및 이를 포함하는 충전 시스템이 개시된다.

Description

LLC 공진 컨버터 및 이를 포함하는 충전 시스템{LLC RESONANCE CONVERTER AND CHARGING SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 LLC 공진 컨버터 및 이를 포함하는 충전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LC 공진에 의해 출력이 결정되는 LLC 공진 컨버터의 특성에 기인하여 초기 기동 시 발생하는 과도 전류 발생 및 출력 전압 발산을 해소할 수 있는 LLC 공진 컨버터 및 이를 포함하는 충전 시스템에 관한 것이다.
전기 자동차나 플러그인 하이브리드 자동차와 같이 차량 내 구동 모터의 에너지원이 되는 배터리를 충전하는 친환경 차량은, 외부의 교류 전력을 변환하여 배터리를 충전하기 위한 직류 전력을 출력하는 차량 탑재형 충전기(On-Board Charger)를 갖는다.
통상 차량 탑재형 충전기는 외부의 교류 전력의 역률을 보상하여 직류로 출력하는 역률 보정(Power Factor Correction) 회로와 역률 보정 회로의 직류 출력을 배터리의 직류 충전 전압으로 변환하는 직류-직류 컨버터를 포함한다. 여기서 직류-직류 컨버터로서 LC 공진을 이용하는 LLC 공진 컨버터가 채용될 수 있다.
LLC 공진 컨버터는 변압기 주변 공진 탱크인 두 개의 인덕터와 하나의 커패시터에 의해 결정되는 공진 주파수에 의해 그 특성이 결정되므로 LLC 공진 컨터버라 불린다. LLC 공진 컨버터는 두 인턱터와 하나의 커패시터에 의해 발생하는 공진 전류를 이용하므로 스위칭 손실 및 다이오드 손실을 크게 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 반면, LLC 공진 컨버터는 내부에 포함된 스위칭 소자의 듀티를 제어하는 것이 아니라 스위칭 주파수를 제어하여 입출력 관계가 결정되므로 입출력 전압 이득 특성 곡선이 비선형성을 가지며 이에 따라 제어가 어렵다는 단점이 있다.
특히, LLC 공진 컨버터는 LC 공진에 의한 게인 곡선이 명확히 정해지기 때문에 입출력 범위 외 영역에서는 제어가 불가능하게 된다. 예를 들어, 초기 충전 시 LLC 공진 컨버터를 이용하는 충전기의 출력단과 충전 대상 배터리가 릴레이에 의해 연결되는 경우 과도한 전류가 흘러 충전기 출력단에 마련된 커패시터가 소손될 수 있으므로, 릴레이 부착전 부하가 없는 조건에서 LLC 공진 컨버터의 전압 및 전류 제어를 수행하여야 한다. 그러나, LLC 공진 컨버터는 출력 전압이 형성이 되어 있지 않기 때문에 최대의 스위칭 주파수로 스위칭 하게 되고, 이에 따라 LC 공진에 의해 과도한 전류를 발생시키게 되어 회로를 구성하는 소자를 소손 되게 할 수 있다. 또한, 부하가 없는 조건에서는 최저 부하를 내기 위해 스위칭 주파수는 무한대로 동작해야 하지만, 스위칭 소자를 제어하는 마이컴이 낼 수 있는 최대 주파수의 한계로 인해 출력전압이 지속적으로 증가하여 발산하게 되는 문제가 발생한다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2018-0137056 A
이에 본 발명은, LC 공진에 의해 출력이 결정되는 LLC 공진 컨버터의 특성에 기인하여 초기 기동 시 무부하 상태의 전압 및 전류 제어시 발생하는 과도 전류 발생 및 출력 전압 발산을 해소할 수 있는 LLC 공진 컨버터 및 이를 포함하는 충전 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
입력단에 연결되며 브릿지 회로를 구성하는 복수의 스위칭 소자;
상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭에 의해 형성된 전력을 제공받아 공진하는 공진 탱크;
상기 공진 탱크에 연결된 일차 코일 및 부하 측에 연결된 이차 코일을 갖는 트랜스포머;
상기 이차 코일과 출력단 사이에 연결된 정류 회로;
상기 출력단에 연결된 출력 커패시터; 및
상기 출력단의 전압을 검출한 출력전압 센싱값과 상기 출력단에 연결되는 부하가 갖는 전압과 사전 설정된 출력전압 지령값을 기반으로 상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭 여부 및 스위칭 듀티를 결정하는 컨트롤러;
를 포함하는 LLC 공진 컨버터를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 출력단과 상기 부하에 각각 양단이 연결된 릴레이를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는, 상기 출력단의 전압이 상기 부하가 요구하는 정상 전압 범위인 경우 상기 릴레이를 단락 시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 릴레이를 단락시키기 이전에, 상기 스위칭 듀티를, 상기 릴레이를 단락시킨 이후 적용하도록 사전 설정된 스위칭 듀티보다 작은 값으로 조정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 릴레이를 단락시키기 이전에, 상기 출력전압 센싱값이 사전 설정된 기준값 이하인 경우, 상기 스위칭 듀티를 상기 출력단에 상기 부하가 연결된 정상 상태에서 적용되도록 설정된 스위칭 듀티보다 작은 값으로 조정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 기준값은, 상기 출력단에 연결되는 부하의 특성에 기반하여 부하의 연결 상태를 판단할 수 있는 기준이 되는 값일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 부하는 상기 출력단으로부터 전력을 제공받아 충전되는 배터리이며, 상기 기준값은 상기 배터리가 정상 상태인 경우 출력할 수 있는 최저 전압값에 대응될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 출력전압 센싱값과 상기 출력전압 지령의 차이에 기반하여 상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭 여부를 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 출력전압 센싱값이 상기 출력전압 지령에 사전 설정된 제1 마진값을 더한 값 보다 작은 경우 상기 스위칭 소자를 스위칭 시키며, 상기 출력전압 센싱값이 상기 출력전압 지령에 사전 설정된 마진값을 더한 값 이상인 경우 상기 스위칭 소자의 스위칭을 중지할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 스위칭 소자의 스위칭을 중지한 이후, 상기 출력전압 센싱값이 감소하여 상기 출력 전압 지령에 사전 설정된 제2 마진값을 뺀 값이 되는 경우 상기 스위칭 소자를 다시 스위칭 시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 마진값은, 상기 초기 기동이 종료된 이후 상기 출력단에 부하가 연결된 정상 상태의 동작에서 발생하는 출력전압의 리플 이상의 크기를 가지며 사전 설정된 상한값보다 작을 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
입력단에 연결되며 브릿지 회로를 구성하는 복수의 스위칭 소자와, 상기 복수의 스위칭 소자의 단락 및 개방에 의해 형성된 전력을 제공받아 공진하는 공진 탱크와, 상기 공진 탱크에 연결된 일차 코일 및 부하 측에 연결된 이차 코일을 갖는 트랜스포머와, 상기 이차 코일과 출력단 사이에 연결된 정류 회로 및 상기 출력단에 연결된 출력 커패시터를 갖는 LLC 공진 컨버터;
상기 출력단에 일단이 연결된 릴레이;
상기 릴레이의 타단에 연결되며 충전 대상인 배터리; 및
상기 배터리의 충전이 개시되면 상기 릴레이를 개방 상태로 제어하여 초기 충전 모드를 실행하고, 상기 초기 충전 모드에서 상기 출력단의 전압을 검출한 출력전압 센싱값과 상기 배터리의 전압과 사전 설정된 출력전압 지령값을 기반으로 상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭 여부 및 스위칭 듀티를 결정하는 컨트롤러;
를 포함하는 충전 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 초기 충전 모드에서 적용되는 스위칭 듀티를, 상기 초기 충전 모드가 종료된 이후 상기 릴레이가 단락된 정상 상태에서 적용되도록 사전 설정된 스위칭 듀티보다 작은 값으로 조정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는,상기 초기 충전 모드에서, 상기 출력전압 센싱값이 상기 기준값 이하인 경우 상기 스위칭 듀티를, 상기 초기 충전 모드가 종료된 이후 상기 릴레이가 단락된 정상 상태에서 적용되도록 설정된 스위칭 듀티보다 작은 값으로 조정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 기준값은, 상기 배터리가 정상으로 동작할 경우 출력 가능한 최저 전압값에 대응될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 출력전압 센싱값과 상기 출력전압 지령의 차이에 기반하여 상기 스위칭 소자의 스위칭 여부를 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 출력전압 센싱값이 상기 출력전압 지령에 사전 설정된 제1 마진값을 더한 값 보다 작은 경우 상기 스위칭 소자를 스위칭 시키며, 상기 출력전압 센싱값이 상기 출력전압 지령에 사전 설정된 마진값을 더한 값 이상인 경우 상기 스위칭 소자의 스위칭을 중지할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 스위칭 소자의 스위칭을 중지한 이후, 상기 출력전압 센싱값이 감소하여 상기 출력 전압 지령에 사전 설정된 제2 마진값을 뺀 값이 되는 경우 상기 스위칭 소자를 다시 스위칭 시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 마진값은, 상기 초기 기동이 종료된 이후 상기 출력단에 상기 배터리가 연결된 정상 상태의 동작에서 발생하는 출력전압의 리플 이상의 크기를 가지며 사전 설정된 상한값보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 초기 충전 모드에서 상기 출력 커패시터가 사전 설정된 충전 전압으로 충전되면 상기 릴레이를 단락시켜 상기 초기 충전 모드를 종료할 수 있다.
상기 LLC 공진 컨버터 및 이를 포함하는 충전 시스템에 따르면, LLC 컨버터의 초기 기동 시 무부하 상태에서 출력 전압 및 전류를 제어하는 과정에서 LC 공진에 의한 과도 전류 발생을 방지하고 스위칭 주파수 제약으로 인한 출력 전압의 발산을 해소할 수 있다.
이에 따라, 상기 LLC 공진 컨버터 및 이를 포함하는 충전 시스템에 따르면, LLC 공진 컨버터가 초기 기동 시 무부하 상태에서 LLC 공진 컨버터 출력단 커패시터를 안정적으로 충전 가능하게 할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 LLC 공진 컨버터를 갖는 충전 시스템의 회로도이다.
도 2는 통상적인 LLC 공진 컨버터의 입출력 전압 이득 곡선 및 그에 따른 동작 영역을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 LLC 공진 컨버터의 컨트롤러를 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 LLC 공진 컨버터의 컨트롤러에 의해 수행되는 스위칭 듀티 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 LLC 공진 컨버터의 컨트롤러에 의해 수행되는 펄스폭 변조 실행 여부를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시형태에 따른 LLC 공진 컨버터 및 이를 포함하는 충전 시스템을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 LLC 공진 컨버터를 갖는 충전 시스템의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 LLC 공진 컨버터를 갖는 충전 시스템은, 외부 교류 전력의 노이즈 성분을 제거하는 EMI(Electro Magnetic Interference) 필터(11)와, EMI 필터(11)에 의해 필터링된 전력을 정류하는 정류 회로(13)와, 정류 회로(13)의 출력을 평활하기 위한 평활 커패시터(Cs)와, 평활 커패시터(Cs)에 의해 평활된 전력을 입력 받고 입력된 전력의 역률을 개선하여 직류 전력으로 출력하는 역률 보정 회로(15)와, 역률 보정 회로(15)에서 출력되는 직류 전력의 전압 크기를 변환하여 배터리(19)를 충전하기 위한 충전 전압(Vo)을 출력하는 LLC 공진 컨버터(17)와 LLC 공진 컨버터(17)에서 제공되는 전압을 인가 받아 충전되는 배터리(19) 및 공LLC 공진 컨버터(17)에 내 공진 탱크(171)를 포함할 수 있다.
EMI 필터(11)는 입력되는 외부 교류 전원의 고주파 성분의 노이즈를 제거하도록 마련된 것으로 당 기술분야에 이미 잘 알려진 회로이다. 또한, 정류 회로(13)는 복수의 다이오드들로 구현된 브릿지 회로의 형태로 구현될 수 있으며, 정류 회로(13)의 양단 사이에 평활 커패시터(Cs)가 연결된다. 이 정류 회로(13)와 평활 커패시터(Cs) 역시 당 기술분야에 이미 잘 알려진 회로 구성이다.
역률 보정 회로(15)는 교류 전력의 역률을 개선하기 위해 마련된 것으로 인덕터(LBS)와 스위칭 소자(QBS) 및 다이오드(DBS)로 구성되는 부스트 컨버터의 토폴로지를 이용하여 구현될 수 있다. 이러한, 부스트 컨버터의 토폴로지를 채용한 역률 보정 회로(15)의 동작 메커니즘은 통상적으로 널리 알려져 있다.
역률 보정 회로(15)의 출력단에는 커패시터(CBS)가 연결되어 직류 링크단을 형성할 수 있다. 도 1의 예에서는 역률 보정 회로(15) 후단에 하프 브릿지 LLC 공진 컨버터(17)를 연결하기 위해 동일한 크기의 커패시턴스를 갖는 두 개의 직류 링크 커패시터(CBS)를 직렬 연결하고, 두 직류 링크 커패시터(CBS)의 연결 단자를 후단의 하프 브릿지 LLC 공진 컨버터(17)의 공진 탱크(171)과 연결되게 구성할 수 있다.
LLC 공진 컨버터(17)는 그 입력단에 연결되어 브릿지 회로를 구성하는 스위칭 소자(Q1, Q2)와, 스위칭 소자(Q1, Q2)의 단락 및 개방에 의해 형성된 전력을 제공받는 공진 탱크(171)와 공진 탱크(171)에 연결된 일차 코일 및 충전 대상이 연결된 출력 측에 연결된 이차 코일을 갖는 트랜스포머(173)와, 트랜스포머(173)의 이차측 코일에 연결된 정류 회로(175) 및 출력단에 연결된 출력 커패시터(Co)를 포함할 수 있다.
도 2는 통상적인 LLC 공진 컨버터의 입출력 전압 이득 곡선 및 그에 따른 동작 영역을 도시한 도면이다. 도 2에서 점선은 인덕터(Lr)과 커패시터(Cr)에 의한 공진에 따른 입출력 전압 이득을 도시한 것으로 저부하 시의 이득 곡선이며, 도 2에서 실선은 인덕터(Lr, Lm)과 커패시터(Cr)에 의한 공진에 따른 입출력 전압 이득을 도시한 것으로 고부하시의 이득 곡선이다.
도 2를 참조하면, LLC 공진 컨버터는 크게 3가지 동작 영역을 가질 수 있다.
첫번째 동작 영역은 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭 주파수(fsw)가 인덕터(Lr, Lm)과 커패시터(Cr)에 의한 공진 주파수(fsr)와 동일한 지점에 해당하는 영역이다. 이 영역은 공진 주파수(fsr)와 동일하게 스위칭 주파수(fsw)를 설정하는 구간으로 스위칭 손실이 가장 작은 영역이라고 볼 수 있다. 이 영역은 스위칭 주파수(fsw)와 공진 주파수(fsr)가 완전히 동일해야 하므로 극히 일부 존재한다.
두번째 동작 영역은, 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭 주파수(fsw)가 인덕터(Lr, Lm)과 커패시터(Cr)에 의한 공진 주파수(fsr) 보다 큰 영역이다. 이 영역은 스위칭 주파수(fsw)가 공진 주파수(fsr)보다 큰 영역으로 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching: ZVS) 손실은 줄일 수 있으나, 영전류 스위칭(Zero Current Switching) 손실이 발생하게 되는 영역이다.
세번째 동작 영역은, 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭 주파수(fsw)가 인덕터(Lr, Lm)과 커패시터(Cr)에 의한 공진 주파수(fsr) 보다 작고 인덕터(Lr)과 커패시터(Cr)에 의한 공진 주파수(fpr)보다 큰 영역이다. 이 영역은 스위칭 주파수가 공진 주파수(fsr)보다 작은 영역으로 스위칭 손실 작다은 영역으로 효율이 향상될 수 있다.
이와 같이, LLC 공진 컨버터(17)는 브릿지 회로의 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭 주파수를 조정함에 따라 동작 영역이 결정되고 이득이 결정됨에 따라 출력 전압(Vo)의 크기가 결정될 수 있다. 특히, 이러한 통상적인 LLC 공진 컨버터(17)의 스위칭 주파수 조정은 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭 듀티를 고정해 두고(예를 들어, 50% 스위칭 듀티) 스위칭 주파수를 제어함으로써 달성되는 것이다.
그러나, 이러한 LLC 공진 컨버터의 통상적인 제어 방식은 초기 기동시 무부하 제어를 진행하는 경우 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 최대 동작시켜 LC 공진에 의한 과도한 전류를 발생시키고 출력전압이 지속적으로 증가하여 발산하게 되는 문제를 발생시킨다.
이에, 본 발명은 LLC 공진 컨버터의 초기 기동 시 무부하 조건에서 LC 공진에 의한 과도한 전류가 발생하는 문제와 출력 전압이 발산하게 되는 문제를 해소할 수 있는 제어 기법을 제공한다.
다시 도 1을 참조하면, 컨트롤러(100)는 전술한 것과 같은 통상의 LLC 공진 컨버터의 문제를 해소하기 위한 제어를 수행하기 위한 요소로서, 제어에 필요한 알고리즘 처리 및 연산을 수행하는 프로세서와 프로세서에 의한 알고리즘 처리 및 연산에 필요한 정보를 저장하는 메모리를 포함하는 마이컴의 형태로 구현될 수 있다.
우선, 컨트롤러(100)는 LLC 공진 컨버터(17) 내의 스위칭 소자(Q1, Q2)의 온/오프 상태 제어를 수행할 수 있다. 나아가, 컨트롤러(100)는 LLC 공진 컨버터(17)를 포함하는 충전기에 마련된 역률 보정 회로(15) 내 스위칭 소자(QBS) 및 LLC 공진 컨버터(17)와 배터리(19)의 전기적 연결 상태를 결정하는 릴레이(RLY)를 제어할 수 있다. 본 발명은 LLC 공진 컨버터의 초기 기동시 이루어지는 무부하 상태의 제어에서 발생하는 문제를 해소하기 위한 것인 바, 주로 컨트롤러(100)가 수행하는 LLC 공진 컨버터(17)의 제어에 대해 중점적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 LLC 공진 컨버터의 컨트롤러를 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도이다. 또한, 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 LLC 공진 컨버터의 컨트롤러에 의해 수행되는 스위칭 듀티 제어 방법을 도시한 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 LLC 공진 컨버터의 컨트롤러에 의해 수행되는 펄스폭 변조 실행 여부를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 LLC 공진 컨버터의 컨트롤러(100)는, LCC 공진 컨버터 내 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭 주파수를 결정하는 전압 제어기(110) 및 전류 제어기(130)와, LCC 공진 컨버터 내 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭 듀티를 결정하는 듀티 결정부(150)와, 전류 제어기(130)에서 결정된 스위칭 주파수 및 듀티 결정부(150)에서 결정된 스위칭 듀티를 갖는 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 신호를 생성하는 PWM 신호 생성부(151)를 포함하여 구성될 수 있다.
더하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 LLC 공진 컨버터의 컨트롤러(100)는 LCC 공진 컨버터 내 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭 실행 여부를 판단하는 PWM 실행 판단부(170) 및 PWM 실행 판단부(170)의 판단 결과에 따라 PWM 신호 생성부(150)에서 생성된 PWM 신호를 스위칭 소자(Q1, Q2)로 전달/차단하는 PWM 실행 결정부(171)을 포함하여 구성될 수 있다.
전압 제어기(110)와 전류 제어기(130)는 통상적인 컨버터, 인버터 등 스위칭 소자를 적용하여 전력을 변환하는 회로 장치의 제어에 사용되는 요소이다. 더욱 상세하게 전압 제어기(110)는 센서 등을 이용하여 LCC 공진 컨버터의 출력 전압을 검출한 출력전압 센싱값과 LCC 공진 컨버터가 출력하고자 하는 전압에 대응되는 출력전압 지령값을 입력 받고, 비례적분(PI) 또는 비례적분미분(PID) 제어기 등과 같은 통상의 제어기를 이용하여 출력전압 센싱값과 출력전압 지령값의 오차를 최소화하기 위한 특정 출력값을 생성할 수 있다. 도 3의 예에서 전압 제어기(110)는 출력전압 센싱값과 출력전압 지령값의 오차를 최소화하기 위한 출력전류 지령값을 생성할 수 있다. 전류 제어기(130)는 전압 제어기(110)에서 제공되는 출력전류 지령값과 센서 등을 통해 LLC 공진 컨버터의 출력단에서 검출한 출력전류 센싱값을 입력 받고, 비례적분(PI) 또는 비례적분미분(PID) 제어기 등과 같은 통상의 제어기를 이용하여 출력전류 센싱값과 출력전류 지령값의 오차를 최소화하기 위한 LLC 공진 컨버터 내 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭 주파수를 결정할 수 있다.
이러한, 전압 제어기(110) 및 전류 제어기(130)는 LLC 공진 컨버터의 출력 전압을 원하는 값(출력전압 지령값)이 되도록 스위칭 소자(Q1, Q2)를 제어하기 위한 당 기술 분야의 통상 기술에 해당하므로 추가적인 더 상세한 설명은 생략하기로 한다.
듀티 결정부(150)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 센서 등을 통해 검출된(S11) LLC 공진 컨버터의 출력전압을 검출한 출력전압 센싱값과 사전 설정된 기준값을 비교하고(S12) 출력전압 센싱값이 기준값 보다 큰 경우 통상과 같이 제1 스위칭 듀티(예를 들어, 50%)로 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭 주파수를 결정하고(S13), 출력전압 센싱값이 기준값 이하인 경우 제1 스위칭 듀티보다 작은 값을 갖는 제2 스위칭 듀티(예를 들어, 15%)로 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭 주파수를 결정한다(S14).
본 발명의 일 실시형태에서, 듀티 결정부(150)는, LLC 공진 컨버터의 출력전압이 형성 되어 있지 않은 상태에서 LC공진에 의해 과도한 전류가 발생하는 것을 방지하지 위해 출력전압 센싱값이 특정 기준값 보다 작은 경우, 즉 출력전압이 형성되지 않은 상태이거나 출력전압에 낮은 경우 LLC 공진 컨버터 내 스위칭 소자(Q1, Q2)의 듀티를 사전 설정된 기본 듀티보다 작은 값으로 변경한다. 이를 통해, 본 발명의 일 실시형태는, LLC 공진 컨버터 내 공진탱크에 의한 LC 공진 전류가 최대에 도달하지 못하고 낮은 전류만 전달되게 하여 과도한 전류에 의한 내부 소자의 소손을 방지할 수 있게 된다.
여기서, 듀티 결정부(150)에 입력되어 출력전압 센싱값과 비교되는 기준값은 LCC 공진 컨버터의 초기 기동 시 무부하 상태를 판단할 수 있는 기준이 되는 값으로 설정될 수 있다. 즉, 기준값은, 초기 기동 상태가 종료된 이후 LLC 공진 컨버터의 출력단에 연결되는 부하의 특성에 기반하여 무부하 상태를 판단할 수 있는 기준이 되는 값일 수 있다.
예를 들어, LLC 공진 컨버터를 포함하는 충전 시스템에서 LLC 공진 컨버터의 출력은 충전 대상이 되는 배터리(19)에 연결되는 점을 고려할 때, LLC 공진 컨버터의 출력전압 검출값이 배터리(19)의 사양에서 규정된 배터리(19)가 정상적으로 동작할 때 출력 가능한 최저 전압값보다 작은 경우 LLC 공진 컨버터가 무부하 상태인 것으로 추정할 수 있다. 즉, 듀티 결정부(150)에서 사용되는 기준값은 정상 상태의 배터리가 출력할 수 있는 최소 전압값이 될 수 있다.
또한, 제1 스위칭 듀티는 LLC 공진 컨버터의 출력이 부하에 정상적으로 연결된 상태에서 내부 스위칭 소자(Q1, Q2)로 제공되는 PWM 신호의 듀티이다. 예를 들어, 제1 스위칭 듀티는 사전에 대략 50%로 결정될 수 있다. 제2 스위칭 듀티는 제1 스위칭 듀티보다 작은 값으로 LLC 공진 컨버터 내의 공진 탱크(171)의 LC 공진량에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 제2 스위칭 듀티는 LLC 공진 컨버터의 출력 전압이 0V인 조건에서 LC 공진 최고값을 LLC 공진 컨버터의 사양 상 사전 설정된 정격 전류보다 작은 값으로 만들 수 있는 값으로 결정될 수 있다.
PWM 신호 생성부(151)은 전류 제어기(130)에 의해 결정된 스위칭 주파수 및 듀티 결정부(150)에 의해 결정된 스위칭 듀티를 갖는 PWM 신호를 생성한다. 이 PWM 신호는 LLC 공진 컨버터 내의 스위칭 소자(Q1, Q2)의 게이트로 제공되어 스위칭 소자(Q1, Q2)의 온/오프를 조정하게 되므로 게이트 신호라고도 할 수 있다.
PWM 실행 판단부(170)는 출력전압 센싱값과 사전 설정된 제2 기준값을 입력받고 LCC 공진 컨버터 내 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭 실행 여부를 판단할 수 있다. 도 5를 참조하면, PWM 실행 판단부(170)는, 센서 등을 통해 검출된(S21) LLC 공진 컨버터의 출력전압을 검출한 출력전압 센싱값과 사전 설정된 기준값(출력전압 지령+제1 마진값)을 비교하고, 출력전압 센싱값이 기준값 보다 작은 경우 LLC 공진 컨버터 내 스위칭 소자(Q1, Q2)의 PWM 구동을 지속하도록 판단한다. 반대로, PWM 실행 판단부(170)는 출력전압 센싱값이 기준값(출력전압 지령+제1 마진값) 보다 크거나 같은 경우 LLC 공진 컨버터 내 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭을 중단하도록 판단한다.
PWM 실행 판단부(170)에서 초기 기동시 출력전압 센싱값과 비교하는 기준값은 출력전압 지령값에 소정의 제1 마진값(α)을 더한 값이 될 수 있다. 제1 마진값(α)은 LLC 공진 컨버터의 초기 기동 이후 LLC 공진 컨버터의 출력단에 부하가 접속된 정상 상태의 동작에서 발생하는 출력전압의 리플의 크기에 기반하여 결정될 수 있다. 정상 상태에서 출력단의 전압은 출력전압에 리플이 더해진 값이 될 수 있으므로 출력전압에 리플에 해당하는 값을 더한 값 정도까지는 정상으로 판단하여야 하기 때문이다. 더욱 구체적으로, 제1 마진값(α)은 LLC 공진 컨버터의 초기 기동 이후 LLC 공진 컨버터의 출력단에 부하가 접속된 정상 상태의 동작에서 발생하는 출력전압의 리플의 크기 이상이고 컨버터나 부하를 구성하는 부품들에 악영향을 미치지 않는 사전 설정된 상한값 이하로 결정될 수 있다.
PWM 실행 판단부(170)는 초기 기동시 출력전압 센싱값이 출력전압 지령값에 소정의 제1 마진값(α)을 합산한 값 보다 이상이 되어 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭을 중단시킨 이후, 출력전압 센싱값이 감소하여 출력전압 지령값에 소정의 제2 마진값(β)을 뺀 값이 되는 경우 다시 스위칭 소자(Q1, ㅃ2)의 스위칭을 재개할 수 있다.
여기서, 제1 마진값 (α)과 제2 마진값(β)은 실험적인 방식에 의해 적절하게 선택되는 양의 값을 가질 수 있다.
PWM 실행 결정부(171)는 PWM 실행 판단부(170)의 판단 결과에 따라 PWM 신호 생성부(151)에서 생성된 PWM 신호를 스위칭 소자(Q1, Q2)로 전달하거나 차단하여 스위칭 소자(Q1, Q2)를 스위칭 시키거나 스위칭을 중단하게 한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에서, 컨트롤러(100)는 LLC 공진 컨버터의 초기 기동 시 스위칭 소자로 제공할 수 있는 최대 스위칭 주파수의 한계로 인해 출력전압이 지속적으로 증가하여 일정 기준값(출력전압 지령+ α)보다 커지는 경우 LLC 공진 컨버터 내 스위칭 소자(Q1, Q2)로 제공되는 PWM 신호를 차단함으로써 출력 전압이 발산하는 문제를 해결할 수 있다.
전술한 것과 같이, 본 발명의 여러 실시형태는, LLC 공진 컨버터의 초기 기동 시 무부하 상태의 전압/전류를 수행하는 과정에서 LLC 공진 컨버터로 제공되는 PWM 신호의 듀티를 감소시켜 과도한 전류가 발생하는 것을 차단하고 LLC 공진 컨버터의 출력 전압이 일정 수준 이상 증가하면 PWM 신호를 차단하여 발산을 방지함으로써, 무부하 조건의 초기 기동 시 LLC 공진 컨버터의 출력단 커패시터의 충전을 가능하게 할 수 있다.
도 1과 같이, LLC 공진 컨버터가 충전 시스템에 적용되는 경우, 충전 시스템의 동작이 개시되면, 컨트롤러(100)는 릴레이(RLY)를 개방 상태로 두고, 도 3 내지 도 5를 통해 설명된 것과 같이 LLC 공진 컨버터(17) 내의 스위칭 소자(Q1, Q2)를 제어하기 위한 PWM 신호의 듀티를 조정하고 PWM 신호 전달 여부를 결정함으로써, 릴레이(RLY)를 단락 시키기 이전 무부하 상태에서 LLC 공진 컨버터(17)의 출력 커패시터(Co)를 안정적으로 충전할 수 있다. 출력 커패시터(Co)의 충전이 종료되어 LLC 공진 커버터(17)의 출력 전압이 부하(배터리)에서 요구되는 사전 설정된 전압이 LLC 공진 컨버터(17)의 출력단에 형성되면, 컨트롤러(100)는 릴레이(RLY)를 단락시켜 배터리(19)로 충전 전력이 안정적으로 공급되게 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
11: EMI 필터 13: 정류 회로
15: 역률 보정 회로 17: LLC 공진 컨버터
171: 공진 탱크 173: 트랜스포머
175: 정류 회로 19: 배터리
Q1, Q2: 스위칭 소자 Co: 출력 커패시터
RLY: 릴레이 100: 컨트롤러
110: 전압 제어기 130: 전류 제어기
150: 듀티 결정부 151: PWM 신호 생성부
170: PWM 실행 판단부 171: PWM 실행 결정부

Claims (19)

  1. 입력단에 연결되며 브릿지 회로를 구성하는 복수의 스위칭 소자;
    상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭에 의해 형성된 전력을 제공받아 공진하는 공진 탱크;
    상기 공진 탱크에 연결된 일차 코일 및 부하 측에 연결된 이차 코일을 갖는 트랜스포머;
    상기 이차 코일과 출력단 사이에 연결된 정류 회로;
    상기 출력단에 연결된 출력 커패시터; 및
    상기 출력단의 전압을 검출한 출력전압 센싱값과 상기 출력단에 연결되는 부하가 갖는 전압과 사전 설정된 출력전압 지령값을 기반으로 상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭 여부 및 스위칭 듀티를 결정하는 컨트롤러;
    를 포함하는 LLC 공진 컨버터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 출력단과 상기 부하에 각각 양단이 연결된 릴레이를 더 포함하며,
    상기 컨트롤러는, 상기 출력단의 전압이 상기 부하가 요구하는 정상 전압 범위인 경우 상기 릴레이를 단락 시키는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 릴레이를 단락시키기 이전에, 상기 스위칭 듀티를, 상기 릴레이를 단락시킨 이후 적용하도록 사전 설정된 스위칭 듀티보다 작은 값으로 조정하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 출력전압 센싱값이 사전 설정된 기준값 이하인 경우, 상기 스위칭 듀티를 상기 출력단에 상기 부하가 연결된 정상 상태에서 적용되도록 설정된 스위칭 듀티보다 작은 값으로 조정하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 기준값은, 상기 출력단에 연결되는 부하의 특성에 기반하여 부하의 연결 상태를 판단할 수 있는 기준이 되는 값인 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 부하는 상기 출력단으로부터 전력을 제공받아 충전되는 배터리이며, 상기 기준값은 상기 배터리가 정상 상태인 경우 출력할 수 있는 최저 전압값에 대응되는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 출력전압 센싱값과 상기 출력전압 지령의 차이에 기반하여 상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 출력전압 센싱값이 상기 출력전압 지령에 사전 설정된 제1 마진값을 더한 값 보다 작은 경우 상기 스위칭 소자를 스위칭 시키며, 상기 출력전압 센싱값이 상기 출력전압 지령에 사전 설정된 마진값을 더한 값 이상인 경우 상기 스위칭 소자의 스위칭을 중지하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 스위칭 소자의 스위칭을 중지한 이후, 상기 출력전압 센싱값이 감소하여 상기 출력 전압 지령에 사전 설정된 제2 마진값을 뺀 값이 되는 경우 상기 스위칭 소자를 다시 스위칭 시키는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 마진값은, 상기 초기 기동이 종료된 이후 상기 출력단에 부하가 연결된 정상 상태의 동작에서 발생하는 출력전압의 리플 이상의 크기를 가지며 사전 설정된 상한값보다 작은 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
  11. 입력단에 연결되며 브릿지 회로를 구성하는 복수의 스위칭 소자와, 상기 복수의 스위칭 소자의 단락 및 개방에 의해 형성된 전력을 제공받아 공진하는 공진 탱크와, 상기 공진 탱크에 연결된 일차 코일 및 부하 측에 연결된 이차 코일을 갖는 트랜스포머와, 상기 이차 코일과 출력단 사이에 연결된 정류 회로 및 상기 출력단에 연결된 출력 커패시터를 갖는 LLC 공진 컨버터;
    상기 출력단에 일단이 연결된 릴레이;
    상기 릴레이의 타단에 연결되며 충전 대상인 배터리; 및
    상기 배터리의 충전이 개시되면 상기 릴레이를 개방 상태로 제어하여 초기 충전 모드를 실행하고, 상기 초기 충전 모드에서 상기 출력단의 전압을 검출한 출력전압 센싱값과 상기 배터리의 전압과 사전 설정된 출력전압 지령값을 기반으로 상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭 여부 및 스위칭 듀티를 결정하는 컨트롤러;
    를 포함하는 충전 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 초기 충전 모드에서 적용되는 스위칭 듀티를, 상기 초기 충전 모드가 종료된 이후 상기 릴레이가 단락된 정상 상태에서 적용되도록 사전 설정된 스위칭 듀티보다 작은 값으로 조정하는 것을 특징으로 하는 충전 시스템.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 출력전압 센싱값이 상기 기준값 이하인 경우 상기 스위칭 듀티를, 상기 초기 충전 모드가 종료된 이후 상기 릴레이가 단락된 정상 상태에서 적용되도록 설정된 스위칭 듀티보다 작은 값으로 조정하는 것을 특징으로 하는 충전 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 기준값은, 상기 배터리가 정상으로 동작할 경우 출력 가능한 최저 전압값에 대응되는 것을 특징으로 하는 충전 시스템.
  15. 청구항 11에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 출력전압 센싱값과 상기 출력전압 지령의 차이에 기반하여 상기 스위칭 소자의 스위칭 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 충전 시스템.
  16. 청구항 11에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 출력전압 센싱값이 상기 출력전압 지령에 사전 설정된 제1 마진값을 더한 값 보다 작은 경우 상기 스위칭 소자를 스위칭 시키며, 상기 출력전압 센싱값이 상기 출력전압 지령에 사전 설정된 마진값을 더한 값 이상인 경우 상기 스위칭 소자의 스위칭을 중지하는 것을 특징으로 하는 충전 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 스위칭 소자의 스위칭을 중지한 이후, 상기 출력전압 센싱값이 감소하여 상기 출력 전압 지령에 사전 설정된 제2 마진값을 뺀 값이 되는 경우 상기 스위칭 소자를 다시 스위칭 시키는 것을 특징으로 하는 충전 시스템.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 제1 마진값은,
    상기 초기 기동이 종료된 이후 상기 출력단에 상기 배터리가 연결된 정상 상태의 동작에서 발생하는 출력전압의 리플 이상의 크기를 가지며 사전 설정된 상한값보다 작은 것을 특징으로 하는 충전 시스템.
  19. 청구항 11에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 초기 충전 모드에서 상기 출력 커패시터가 사전 설정된 충전 전압으로 충전되면 상기 릴레이를 단락시켜 상기 초기 충전 모드를 종료하는 것을 특징으로 하는 충전 시스템.
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