KR20210025576A - 저전압 직류 변환기 및 배터리 충전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저전압 직류 변환기 및 배터리 충전기에 관한 것으로서, 질화갈륨 고전자이동도 트랜지스터가 적용된 Gate Driver IC 및 LLC 공진형 컨버터를 포함하는 게이트 드라이버부; LLC 공진형 Driver IC를 포함하는 공진형 드라이버부; 및 2차측 동기 정류기 및 드라이버 IC를 포함하는 정류부를 포함한다.

Description

저전압 직류 변환기 및 배터리 충전기{Low-voltage DC-DC Converter AND BATTERY CHARGER}
본 발명은 전기자동차(Electric Vehicle) 또는 전기 오토바이의 밧데리 충전에 사용되는 컨버터(converter) 또는 배터리 충전기(battery charger)에 관한 것으로서, 특히, 저전압 직류 변환기(LDC, Low-voltage DC-DC Converter)에 사용된 신소재 GaN-HEMT를 이용하여 낮은 전압에서도 고효율을 유지하고, 응답특성이 개선되면서 스위칭 손실이 적은 것을 특징으로 한다.
전기 자동차가 상용화되었고 도로 주행하는 상황에서 유지 보수 상황에 대한 대응이 필요하게 되었다. 특히, 기업은 유지보수 상황 발생 시 즉각적인 대체가 용이하도록 핵심부품 중의 하나인 SMPS(Switching Mode Power Supply)를 소형화하고 최적화하는 것을 목표로 설계하고 있다. 이 때, 설계 시 단가를 고려하여 IGBT, MOSFET등의 스위칭 소자들이 많이 사용되어 왔으나 스위칭 주파수를 높이고 내압을 고려하면서 방열판(Heat sink)이 필수적이지만 전체적인 단가(MC)에 미치는 영향이 크게 된다.
이에 대해 LLC 공진형 컨버터(LLC resonant converter)는 모든 부하 조건에서 영전압 스위칭이(ZVS, Zero Voltage Switching) 가능하고 간단한 구조의 형태를 가진다는 장점으로 인해 소용량에서 대용량에 이르기까지 다양한 SMPS 설계분야에서 사용되고 있는 매력적인 토폴로지(Topology)이다. 하지만 기업이 요구하는 전원장치의 고효율, PCB의 회로의 소형화를 이루기에는 아직 한계점이 있다.
친환경 자동차에 사용되는 저전압 직류 변환기(LDC, Low-voltage DC-DC Converter)는 고전압으로부터 차량 내 전장 시스템에 전력을 공급하는 저전압 보조 배터리를 충전하는 중요 부품이다. 그러나, 낮은 전압에서 고효율을 유지하는 것이 어렵고 스위칭시 손실전압이 크며, 부하전류가 급격하게 감소하는 등 부하변동에 따른 응답특성이 불안정한 단점이 있다.
국내특허등록번호 제10-1287803호, ＬＬＣ 공진형 하프브릿지 컨버터용 동기정류기 구동회로 및 그 구동방법 국내특허등록번호 제10-1286509호, 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 LLC 공진형 컨버터에 GaN HEMT(Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor)를 적용하여 공진주파수를 다양화하면서 사이즈를 최소화할 수 있도록 한다.
본 발명은 2차측에 다이오드 대신 동기 정류형(SR, Synchronous Rectification) LLC Topology 회로를 추가하여 효율의 증대 및 온도특성의 두 가지를 모두 만족할 수 있도록 한다.
본 발명은 LLC 컨트롤러(controller)의 게이트(GATE)부분과 동기 정류단의 드라이버(SR DRIVER)를 제어하는 회로를 은닉화(hidden)하여 다양한 용량으로 변화 가능한 컨버터를 제공하도록 한다.
본 발명은 은닉화된 제어회로의 주파수를 다양하게 변화시켜 용량과 효율을 다변화시킬 수 있도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저전압 직류 변환기는 질화갈륨 고전자이동도 트랜지스터가 적용된 Gate Driver IC 및 LLC 공진형 컨버터를 포함하는 게이트 드라이버부; LLC 공진형 Driver IC를 포함하는 공진형 드라이버부; 및 2차측 동기 정류기 및 드라이버 IC를 포함하는 정류부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저전압 직류 변환기의 상기 Gate Driver IC는 400KHz 내지 1MHz 범위의 스위칭 주파수에서 동작될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저전압 직류 변환기의 상기 정류부의 드라이버 IC는 400KHz 이상의 스위칭 주파수로 동작하는 전용 Driver IC일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전기는, 1차측 회로에 대한 보호기능을 수행하는 입력부; 및 교류 전원 공급 장치인 전원에 대한 입력 전류를 유지하고 스위칭 인덕터와 출력 커패시터 사이의 공진 상호작용 방지하기 위해 커패시터에 돌입전류 경로를 제공하는 부스트 컨버터부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전기는, 출력 필터 및 역률보정(PFC) 출력을 위한 에너지 저장하는 저장부를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전기는, 출력단이 정전압 또는 정전류 가 되도록 동작하는 직류 직류 컨버터부; 출력단의 센싱저항를 이용하여 출력전압 및 출력 전압 중 적어도 하나를 제어하는 전압 전류 제어부; 및 전압 및 전류를 정류하고 노이즈를 제거하는 정류부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전기는, 상기 직류 직류 컨버터부는 포워드 컨버터 및 플라이백 대기 컨버터에 필요한 제어회로로 동작한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전기는, 상기 트랜지스터, 커패시터 및 인덕터 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전기는, 59V/120W의 높은 라인입력 플라이백 전원 및 2차 제어회로를 포함하는 입력부; 및 Fly-back battery charger supply로 구성되며 온보드(on-board) 형식으로 구성된 충전부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전기는, 상기 충전부는 연산증폭기(LM358D)를 포함하여 배터리 상태를 센싱하면서 충전하며, 출력 전류 또는 출력 전압에 대한 기준을 기반으로 출력을 제어한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전기는, 입력부; 교류 전원 공급 장치인 전원에 대한 입력 전류를 유지하고 스위칭 인덕터와 출력 커패시터 사이의 공진 상호작용을 방지하기 위해 커패시터에 돌입전류 경로를 제공하는 부스트 컨버터부; 출력단이 정전압 또는 정전류가 되도록 동작하는 직류 직류 컨버터부; 출력단의 센싱저항을 이용하여 출력 전류 및 출력 전압 중 적어도 하나를 제어하는 전압 전류 제어부; 및 전압 및 전류를 정류하고 노이즈를 제거하는 정류부;를 포함하는 배터리 충전기이다.
상기 직류 직류 컨버터부는 질화갈륨 고전자이동도 트랜지스터가 적용된 Gate Driver IC 및 LLC 공진형 컨버터를 포함하는 게이트 드라이버부; LLC 공진형 Driver IC를 포함하는 공진형 드라이버부; 및 2차측 동기 정류기 및 드라이버 IC를 포함하는 동기정류부;를 포함한다.
상기 Gate Driver IC는 400KHz 내지 1MHz 범위의 스위칭 주파수에서 동작되고, 상기 동기정류부의 드라이버 IC는 400KHz 이상의 스위칭 주파수로 동작하도록 구성되고, 상기 직류 직류 컨버터부는 포워드 컨버터 및 플라이백 대기 컨버터에 필요한 제어회로로 동작할 수 있다.
상기 입력부는 입력 EMI 필터 및 정류기를 포함하여 1차측 회로에 대한 보호기능을 수행하는 제1입력부일 수 있다.
상기 입력부는 59V/120W의 높은 라인입력 플라이백 전원 및 2차 제어회로를 포함하는 제2입력부일 수 있다.
상기 배터리 충전기는 Fly-back battery charger supply로 구성되며 온보드(on-board) 형식으로 구성되는 충전부;를 더 포함할 수 있다.
상기 온보드 형식으로 구성되는 충전부는 120 W급일 수 있다.
상기 동기정류부는 스위칭시 손실전압이 0.2V일 수 있다.
상기 충전부는 연산증폭기를 포함하여 배터리 상태를 센싱하면서 충전하며, 출력 전류 또는 출력 전압에 대한 기준을 기반으로 출력을 제어할 수 있다.
상기 동기정류부의 드라이버 IC는 은닉회로인 제어회로를 포함하고,
상기 제어회로는 변압기의 2차측 권선과 출력측 동기 정류부의 스위칭 소자의 게이트 및 소스와 연결되어 스위칭 소자의 동작을 제어하고, 주파수 변동에 의하여 출력을 300 W, 500 W, 또는 700 W로 변화시킬 수 있다.
본 발명에 따르면 전압 및 전류를 정류하고 노이즈가 제거된 저전압 직류 변환기를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면 GaN HEMT를 사용하고 2차측에 다이오드를 대신하여 SR LLC Topology 회로를 추가하여 고효율과 소형화를 얻을 수 있고, 효율의 증대 및 온도 특성의 두 가지를 만족할 수 있다.
본 발명에 따르면 공진회로부 및 동기 정류부의 게이트 드라이버에 은닉회로를 구성하여 주파수를 자유롭게 조절할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 LLC 공진형 컨버터회로를 예시한다.
도 2a는 본 발명에 따른 역률제어기(PFC, Power Factor Controller) 회로를 예시한다.
도 2b는 본 발명에 따른 역률제어기의 게이트 드라이브 회로를 예시한다.
도 3a 및 도3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜지스터가 역방향 도통 시를 도식화한 도이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜지스터가 역방향 회복 시를 도식화한 도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전자이동도 트랜지스터 및 모스펫의 역방향 회복 시의 파형을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 스위치 속도 IF = 0A에 대한 측정 값을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 일반적인 LLC 컨버터와 질화갈륨 고전자 이동도 트랜지스터를 적용한 데모보드를 비교한 도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 일반적인 역률제어기의 파형을 나타내고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 soft-start 와 brown-out 시의 파형을 나타낸다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 Vdc파형 Volt 및 전류 파형, 라이징 폴링타임을 측정한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에서 주요 부품의 발열 특성을 확인한 결과이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 제어부 게이트에 인가된 제어 회로를 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 정류부 제어부 게이트에 인가된 제어회로를 도시한다.
도 13은 본발명의 일 실시예에 따라 전기 자동차에 적용된 저전압 직류변환 기의 회로도 및 동작 파형을 도시한다.
도 14는 본발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전기의 회로도 및 동작 파형을 도시한다.
도 15는 본발명의 일 실시예에 따라 전기 휠체어 또는 전동 스쿠터에 적용된 배터리 충전기의 회로도 및 동작 파형을 도시한다.
도 16은 본발명의 일 실시예에 따라 전기 오토바이에 적용된 배터리 충전기의 회로도 및 동작 파형을 도시한다.
본 발명의 이점들과 특징들 그리고 이들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 실시예들은 단지 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려 주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로 본 발명을 한정하려는 의도에서 사용된 것이 아니다. 예를 들어, 단수로 표현된 구성 요소는 문맥상 명백하게 단수만을 의미하지 않는다면 복수의 구성 요소를 포함하는 개념으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명의 명세서에서,'포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것일 뿐이고, 이러한 용어의 사용에 의해 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성이 배제되는 것은 아니다.
본 명세서에 기재된 실시예에 있어서 '모듈' 혹은 '부'는 적어도 하나의 기능이나 동작을 수행하는 기능적 부분을 의미하며, 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 복수의 '모듈' 혹은 복수의 '부'는 특정한 하드웨어로 구현될 필요가 있는 '모듈' 혹은 '부'를 제외하고는 적어도 하나의 모듈로 일체화되어 적어도 하나의 프로세서로 구현될 수 있다.
덧붙여, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명한다. 다만, 이하의 설명에서는 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있는 경우, 널리 알려진 기능이나 구성에 관한 구체적 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진형 컨버터회로를 예시한다. 도 1을 참조하면 LLC 공진형 컨버터는 입력 전압을 공급하는 입력 전원부(140), 공진 전압을 권선비에 따라 소정의 레벨의 전압으로 변환하여 이차측 전압을 생성하고 이차측 권선을 통해 전달하는 변압기(Tr), 상기 이차측 권선에 설치되어 변압기(Tr)를 통해 전달된 2차측 전압을 직류 전압으로 정류하는 동기 정류부(110)를 포함할 수 있다.
입력 전원부(140)는 교류입력전압(AC), EMI 필터 및 브리지 다이오드를 구비하고 입력된 교류입력전압을 필터링하고 정류할 수 있다.
입력 전원부(140)에 의해 정류된 전압은 커패시터(Cin)에 인가되고 공진 회로부(150)에 전달되어 주파수 특성이 변경되고 소정 레벨의 공진 전압으로 변환하여 변압기(Tr)의 1차측 권선에 전달된다. 공진 회로부(150)는 적어도 하나 이상의 질화갈륨 고전자이동도 트랜지스터(130)를 포함할 수 있다. 도 1에서는 트랜지스터(Q1, Q2, Q3)를 질화갈륨 고전자이동도 트랜지스터를 적용할 수 있다.
동기 정류부(110)는 적어도 하나 이상의 스위칭 소자(SR1, SR2)를 포함하고 스위칭 소자는 동기 정류기(synchronous rectifier)로 구성될 수 있다.
전형적인 부스트 기반 컨버터(100) 회로로서 여기에 동기 정류 토폴로지(SR topology), 즉, 동기 정류부(110)와 질화갈륨 고전자이동도 트랜지스터(GA-N high electron mobility transistor, 130)가 적용될 수 있다. 트랜지스터(Q1, Q2, Q3)를 기존 실리콘 모스펫(Si MOSFET)으로 구성하게 되면 시스템 구현 시 스위칭 주파수에 한계가 있고 소자가 커져 회로 설계의 공간적인 제약이 있다. 또한, 커패시터(C1)에 의해 변압기(Tr)의 1차측 권선의 누설 인덕턴스와 자기 직병렬 공진 탱크를 형성한다. 이렇게 공진 탱크와 2차측 부하로부터 전압 분배 작용을 하게 된다. 입력 전압(Ac)의 주파수를 변경함으로써 공진탱크의 임피던스 변화가 불가피하게 되며 임피던스는 부하 입력 전압을 분할한다. 변압기의 2차측 권선 트랜지스터(SR1, SR2)는 출력의 성능과 효율을 향상시키기 위해 동기 정류(SR,Syncronous Rectification) 방식을 채택할 수 있다.
도 2a는 역률제어기(PFC, Power Factor Controller, 200) 회로를 예시한다. 일반적인 역률제어기를 구동하면 기생 인덕턴스(parasitic inductance) 및 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)가 관찰된다. 이러한 기생 성분은 고주파 공진 회로를 형성하여 스위칭할 때 전압과 전류에 의해 여기될 수 있다. 본 발명에 따르면 질화갈륨 고전자이동도 트랜지스터를 사용하여 전력 회로 설계 시 과도한 링잉(ringing)을 방지할 수 있다.
도 2b는 역률제어기의 게이트 드라이브 회로를 예시한다. 도 2b에서 도시하는 바와 같이 기생 인덕턴스 및 기생 커패시턴스가 발생하고 있으며 기생 인덕턴스가 너무 큰 경우 이로 인한 유도 전압은 게이트 드라이브 전압에 영향을 줄 수 있다. 이러한 영향을 최소화하기 위하여 질화갈륨 고전자이동도 트랜지스터를 적용한다.
도 3a 및 도3b는 트랜지스터가 역방향 도통 시 도식화한 도이다. 질화갈륨 고전자이동도 트랜지스터(320)의 스위치가 오프되면 역전압이 트랜지스터(320)의 스위치에 인가되어 전류가 트랜지스터(310)의 다이오드(311) 및 트랜지스터(320)에 흐르게 된다. 이렇게 역방향으로 도통 시에 트랜지스터(320)의 VSD 스위치를 통해 반전 전압 강하 시 내부 다이오드 전압 강하 VSD-SI를 통한 전압 강하가 이루어진다.
수식 1 : VSD = VSD - SI + IF * RDS(ON) - GaN
수식 1에서 나타내는 바와 같이 트랜지스터(320)로 스위치의 역전압 강하와 같은 함수로 나타내며 내부 다이오드 전압 강하보다 높다.
적용될 어플리케이션의 성능을 향상시키기 위해 역전압 강하 역방향 도통 시 저전압 실리콘을 동작시킴으로써 감소될 수 있다. 이러한 현상은 일반적인 턴오프에 완료된다. 한편 도 3b와 같이 고전자이동도 트랜지스터(320)의 임계 전압Vt이 실리콘트랜지스터(310)보다 게이트 전압을 높게(Vgs > 4V)인가함으로써 역전압의 강하를 감소할 수 있다.
도 3c는 트랜지스터가 역방향 회복(reverse turn off, reverse recovery) 시 도식화한 도이다. 고전자이동도 트랜지스터(340)는 스위치에 비교적 작은 역회복 손실을 보인다. 도 3c의 테스트 중 인덕터(350) 및 제어스위치(Q1)이 켜져 있을 때 스타트되며 전류는 제어스위치(Q1) 및 인덕터(350)에 의해 결정된다.
도 4는 고전자이동도 트랜지스터 및 모스펫의 역방향 회복 시의 파형을 도시한다. 양쪽 모두 테스트 초기 9A/400V 에서 진행하였고 기존 역 바이어스 전압보다 높고 안정성을 보였다. 또한, 복구전하(Qrr) 도 기존 모스펫보다 25배 높음을 볼 수 있다.
아래 표 1은 Cool 모스펫(IPP60R38C6)과 질화갈륨 고전자이동도 트랜지스터(TPH3002PS)의 스펙을 비교한 표이며 복구전하(Qrr)는 DC-DC컨버터의 스타트에서 스파이크를 줄이는데 도움이 된다.
parameter TPH3002PS IPP60R38C6
ID 9A(continuous) 9A(for D=0.75)
Ron 290mΩ 340mΩ
Qg 6.2nC 32nC
Eoss(400V) 3.1μJ 2.8 μJ
Qrr 29nC 3.3 μC
질화갈륨 고전자이동도 트랜지스터의 스위치는 순방향, 순방향 도통, 차단을 포함한 세가지 모드로 작동하고 역방향 도통 시 스위칭은 매우 빠르고 모스펫에 비해 우수하다.
도 5는 다른 스위치 속도 IF = 0A에 대한 측정값 그래프를 도시한다. 이는 총 복구전하의 약 86%를 구성한다. Qc를 35nC가 되도록 측정된다. 즉, 소수전한성분 전체에 대해서는 복구전하(Qrr)는 14%로 미미하게 확인되었다. 이러한 특징은 모터드라이브, 인버터, 인버터PV, 토템폴의 PFC와 같은 하드스위칭 다이오드 브릿지가 없는 어플리케이션에 적용하기에 적합하다.
도 6은 일반적인 LLC 컨버터와 질화갈륨 고전자이동도 트랜지스터를 적용한 데모보드를 비교한 도이다. 도 6에서 나타내는 바와 같이 특성을 높이기 위해 스위칭 주파수를 200kHz 로 높인 결과 LLC 부분의 사이즈가 40% 감소한 것을 볼 수 있다. 또한, 효율의 증대로 인한 방렬판을 최소화하여 무게와 비용을 절감할 수 있다.
도 7은 일반적인 역률제어기의 파형을 나타내고 도 8은 soft-start와 brown-out 시의 파형을 나타낸다. 도 9는 Vdc파형 Volt 및 전류 파형, 라이징폴링타임을 측정한 그래프이다. 이와 같이 일반적인 스위칭 주파수를 200kHz까지 상향시킴으로써 효율이 더 커짐을 확인할 수 있다.
도 10은 주요 부품의 발열 특성을 확인한 결과로, 본 발명에서 제안된 시스템을 적용하여 250W 전 부하상태에서의 각 주요 부품에 대해 정상동작 상태의 모습을 열화상 카메라로 촬영한 결과이다. 동작온도의 특성이 250W(12V/20A)에 서 온도를 측정한 결과 방열판 없이 60 내지 65℃를 나타냄을 확인했고 일반 변압기의 경우와 비교 시 본 발명의 우수성을 입증할 수 있어 시스템 구성 시 상대적으로 방열판 크기를 획기적으로 줄일 수 있음을 알 수 있다.
한편, 본 발명에서는 LLC GATE부분과 SR DRIVER에 은닉회로를 부가하여 제어할 수 있다. 도 11은 LLC 공진 컨버터의 게이트에 인가된 제어 회로를 도시한다. 도 11에서 나타내는 바와 같이 제어회로(1000)는 다이오드(SD1, SD2) 및 부하(RP13, PR12)로 구성될 수 있다. 제어회로(1000)는 LLC 컨트롤러 회로로서 도 1의 LLC 공진회로부(150), 예컨대 트랜지스터(Q1, Q2, Q3) 중 적어도 하나의 게이트에 인가되어 입력부(140)에 의해 전달된 전압의 주파수 특성을 변화하여 주파수를 자유롭게 제어할 수 있다.
도 12는 동기 정류 드라이버에 인가된 은닉회로를 예시한다. 도 12의 제어회로(1100)는 동기 정류부(110)에 포함되고, 예컨대, 도 1의 변압기(Tr)의 2차측 권선과 출력측 동기 정류부(110)의 스위칭 소자의 게이트 및 소스와 연결되어 있으며 각각의 스위칭 소자의 동작을 제어할 수 있다.
예컨대, 제어회로(1000, 1100)의 주파수를 자유롭게 변동시켜 A형-300W, B형-500W, C형-700W 로 300 내지 700 W 범위 내에서 변화시킬 수 있다. 본발명에 따르면 본 발명의 컨버터를 DC-DC컨버터에 은닉회로(HID)로 적용하여 사용함으로써 효율과 용량을 다변화시킬 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 전기 자동차에 적용된 저전압 직류변환 기의 회로도 및 동작 파형을 도시한다. 도 13a를 참조하면, 저전압 직류변환기(130)는 게이트 드라이버부(131), 공진형 드라이버부(133) 및 정류부(135)를 포함할 수 있다.
게이트 드라이버부(131)는, 질화갈륨 고전자이동도 트랜지스터가 적용된 Gate Driver IC를 포함할 수 있고, Half Bridge LLC 공진형 컨버터 또는 Full Bridge LLC 공진형 컨버터를 포함할 수 있다. Gate Driver IC는 400KHz 내지 1MHz 범위의 스위칭 주파수에서 동작하도록 설계될 수 있다.
공진형 드라이버부(133)는, LLC 공진형 Driver IC를 포함할 수 있다. 도 13b는 LLC 공진형 컨버터의 작동모드에 따른 동작 파형으로서, 턴 오프 전 영전류 변환(ZCS) 및 턴온 전 영전압 변환(ZVS)를 도시한다. 도 13b를 참조하면, 영전류 변환 시에는, MOSFET이 온 되기 전에 전류는 다른 MOSFET의 바디 다이오드를 통해 흐른다. MOSFET 스위치가 온 되면, MOSFET의 바디 다이오드의 역회복 스트레스가 매우 심각해진다. 이렇게 높은 역회복의 전류 스파이크는 공진 회로를 통해 흐를 수 없으므로 다른 MOSFET 스위치를 통해 흐르게 되고, 이 전류 스파이크는 높은 바디 다이오드 dv/dt를 생성하며 그 전류 및 전압 스파이크는 바디 다이오드의 역회복 중에 소자 고장을 일으킬 수 있다. 따라서 컨버터가 용량성 영역에서 작동하지 않도록 해야 하고, fs>fr1의 경우 공진 탱크의 입력 임피던스는 유도 부하다. 영전압 변환시에는, MOSFET은 영전압(ZVS)에서 켜진다. 턴 온 변환 손실은 밀러 효과가 없기 때문에 최소화되고 MOSFET 입력 용량은 밀러 효과에 의해 증가되지 않는다. 또한 바디 다이오드의 역회복 전류는 정현파의 일부이며 스위치 전류가 양의 값일 때 스위치 전류의 일부가 된다. 따라서 ZVS가 역회복 전류와 접합 용량의 방전으로 인해 주요 변환 손실과 스트레스를 제거할 수 있으므로 일반적으로 ZCS보다 선호될 수 있다.
한편 안전회로는 과전압(Over Voltage Protection, OVP), 저전압(Under Voltage Protection, UVP), 과전류(Over Current Protection, OVP), 과열(Over Temperature Protection, OTP)의 기능 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
정류부(135)는 2차측 동기 정류기 (Secondary Side Synchronous Rectifier), 드라이버 IC를 포함할 수 있다. 2차측 동기 정류기는 (Infineon/On Semi/Texas ins)등의 소자가 적용될 수 있다.
드라이버 IC는 400KHz 이상의 스위칭 주파수로 동작하는 전용 Driver IC 일 수 있다. 또한, 고속 스위칭을 위하여 Diode 대신 MOSFET 가 적용될 수 있다.
정류부(135)는 본 발명의 저전압 직류 변환기(130)가 낮은 전압에서 고효율을 유지하도록 한다. 또한, 스위칭시 손실전압이 0.2V 로서 다이오드가 0.6V인 것과 대비하여 효율적이다. 또한, 부하전류가 급격하게 감소해도 액티브로 제어가 가능하여 부하변동에 따른 응답특성이 매우 우수할 수 있다. 무부하 시에도 주기비로 출력접안을 유지되면서 경부하 시에는 저노이즈를 유지할 수 있는 장점이 있다.
도 14는 본발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전기의 회로도 및 동작 파형을 도시한다.
도 14a를 참조하면, 배터리 충전기(140)는 입력부(141), 부스트 컨버터부(143)를 포함할 수 있다.
입력부(141)는, 입력 EMI 필터 및 정류기는 1차측 회로에 대한 보호기능을 수행할 수 있다. 또한, 입력부(141)는 오류 발생시 교류 전원 공급장치(AC Input)를 차단할 수 있다. 필름 커패시터는 스위칭 주파수 및 고조파에서 입력 리플 전류를 줄이기 위해 입력 디커플링 충전 스토리지를 제공할 수 있다. NTC 서미스터는 라인 전압이 처음 공급될 때 돌입 전류를 제한할 수 있다.
부스트 컨버터부(143)는 교류 전원 공급 장치인 전원에 대한 입력 전류를 유지할 수 있다. 스위칭 인덕터와 출력 커패시터 사이의 공진 상호작용 방지하기 위해 커패시터(C12)에 돌입전류 경로를 제공할 수 있다.
한편 배터리 충전기(140)는 저장부 (145)를 더 포함할 수 있다. 저장부(145, C12)는 출력 필터 및 역률보정(PFC) 출력을 위한 에너지 저장 장치로 기능할 수 있다. 한편, 출력 피드백은 도 14에서 도시된 바와 같이 출력전압(boost output) 385VDC로 설정하여 제어기 IC U1에 대한 피드백으로 출력전압에 비례하는 스케일 된 전압을 제공하는 전압분배기를 구성할 수 있다. 부스트 컨버터부(143)에서 커패시터(C7)는 고주파 노이즈를 감쇠한다.
도 14b는 역률보정기를 100V(좌) 또는 230V(우)의 크기로 동작시킬 때 파형을 도시하고, 도 14c는 AC 입력전압(좌) 및 AC 입력전유(우)를 도시한다.
도 15는 본발명의 일 실시예에 따라 전기 휠체어 또는 전동 스쿠터에 적용된 배터리 충전기의 회로도 및 동작 파형을 도시한다.
도 15a를 참조하면 배터리 충전기(150)는 직류 직류 컨버터부(151), 전압 전류 제어부(153) 및 정류부(155)를 포함한다.
직류 직류 컨버터부(151, DC-DC CONVERTER)는 출력단이 정전압 또는 정전류 가 되도록 동작할 수 있다. 포워드 컨버터 및 플라이백 대기 컨버터에 필요한 제어회로로서, 도 15a에서 도시하는 바와 같이 200KHz 스위칭 주파수를 확보하기 위한 전용 Driver IC를 포함할 수 있다. 도 15b는 역률보정기를 100V(좌) 또는 230V(우)의 크기로 동작 시킬 때 파형을 도시한다.
전압 전류 제어부(153)는 출력단의 센싱저항(미도시)를 이용하여 출력전압 및 출력 전압을 제어할 수 있다. 한편, 대기전력은 외부에서도 사용되도록 할 수 있다. 도 15c는 Main Output Start-up에 따른 CV 모드(좌) 및 CC 모드(우)에서의 동작파형을 도시한다.
정류부(155)는 전압 및 전류를 정류하고 노이즈를 제거한다. Bias 전압 권선은 정류부(155) 전단의 트랜지스터(T2)에서 적용되며 5V로 출력되어 인가될 수 있다. 인가된 전압은 커패시터(C32, C33, C36)에 의해 정류되고 필터링된다. 이후 인덕터(L5)에 의해 고주파 리플 및 잡음이 제거되고, RC 직렬단(R51, C34)은 소프트 스타트 네트워크를 구성함으로써 기동 시 출력 전압의 오버 슛을 제거할 수 있다.
도 16은 본발명의 일 실시예에 따라 전기 오토바이에 적용된 배터리 충전기의 회로도 및 동작 파형을 도시한다.
도 16a를 참조하면 배터리 충전기(160)는 전압 권선 변환부(T1)를 기준으로 입력부(161) 및 충전부(163)를 포함할 수 있다.
입력부(161)는 59V/120W의 높은 라인입력 플라이백 전원을 사용할 수 있다. 2차 제어회로는 배터리 충전기 애플에 사용하기 위한 적용될 수 있다. 또한, 입력부(161)는 200KHz 스위칭 주파수를 확보하기 위한 전용 Driver IC를 더 포함할 수 있다. 도 16b는 Output Start-up CC 모드 또는 CV 모드로 동작하는 파형을 나타낸다. 입력부(161)에서 FET 및 Driver로 구성된 원칩(one-chip)을 사용하여 공간 및 효율성을 증대시킬 수 있다. 입력부(161)는 팬없이 작동하도록 설계되어 낮은 출력 전류 한계로 스위칭할 수 있다. 한편 보호회로는 OVP, UVP, OCP 및 OTP 모드 중 적어도 하나로 동작될 수 있다.
충전부(163)는 Fly-back battery charger supply로 구성될 수 있고, 약 120W급의 온보드(on-board) 형식으로 구성될 수 있다.
또한, 충전부(163)는 연산증폭기(LM358D)를 포함하여 배터리 상태를 센싱하면서 충전할 수 있다. 여기서, 출력 전류 또는 출력 전압에 대한 기준을 제공하기 위해 출력전류를 감지하며, 0.5A 아래로 떨어지는 경우 출력 전압을 상승시키는 등 출력전압과 기준 전압을 비교하여 충전한다. 충전부(163)는 CC MODE 또는 CV MODE 로 동작시키면서 출력전압 및 출력 전류를 제어할 수 있고, 공칭트립 온도는 100℃ 또는 공칭리셋 온도는 70℃ 로 설정될 수 있다. 도 16c는 동작 역률 파형을 도시한다.
본 명세서에 개시된 실시예들에 있어서, 도시된 구성 요소들의 배치는 발명이 구현되는 환경 또는 요구 사항에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 일부 구성 요소가 생략되거나 몇몇 구성 요소들이 통합되어 하나로 실시될 수 있다. 또한 일부 구성 요소들의 배치 순서 및 연결이 변경될 수 있다.
본 발명 및 그 다양한 기능적 구성 요소들은 특정 실시예들로 설명되었으나, 본 발명은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있으며, 시스템, 서브시스템, 구성 요소들 또는 이들의 서브 구성 요소들로 활용될 수 있음을 이해하여야 한다. 소프트웨어로 구현되는 경우, 본 발명의 요소들은 필요한 작업들을 수행하기 위한 명령어들/코드 세그먼트들이 될 수 있다. 프로그램 또는 코드 세그먼트들은 프로세서 판독가능 매체와 같은 머신 판독가능 매체, 컴퓨터 프로그램 제품 내에 저장될 수 있다. 머신 판독가능 매체 또는 프로세서 판독가능 매체는 머신(예컨대, 프로세서, 컴퓨터 등)에 의해 판독되고 실행 가능한 형태로 정보를 저장 또는 전송할 수 있는 임의의 매체를 포함할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예들에 한정되지 아니하며, 상술한 실시예들은 첨부하는 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양하게 변형 실시될 수 있음은 물론이고, 이러한 변형 실시예들이 본 발명의 기술적 사상이나 범위와 별개로 이해되어져서는 아니 될 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 오직 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
130 : 저전압 직류 변환기
140, 150, 160 : 배터리 충전기

Claims (6)

  1. 입력부;
    교류 전원 공급 장치인 전원에 대한 입력 전류를 유지하고 스위칭 인덕터와 출력 커패시터 사이의 공진 상호작용을 방지하기 위해 커패시터에 돌입전류 경로를 제공하는 부스트 컨버터부;
    출력단이 정전압 또는 정전류가 되도록 동작하는 직류 직류 컨버터부;
    출력단의 센싱저항을 이용하여 출력 전류 및 출력 전압 중 적어도 하나를 제어하는 전압 전류 제어부; 및
    전압 및 전류를 정류하고 노이즈를 제거하는 정류부;를 포함하는 배터리 충전기이고,
    상기 직류 직류 컨버터부는
    질화갈륨 고전자이동도 트랜지스터가 적용된 Gate Driver IC 및 LLC 공진형 컨버터를 포함하는 게이트 드라이버부;
    LLC 공진형 Driver IC를 포함하는 공진형 드라이버부; 및
    2차측 동기 정류기 및 드라이버 IC를 포함하는 동기정류부;를 포함하고,
    상기 Gate Driver IC는 400KHz 내지 1MHz 범위의 스위칭 주파수에서 동작되고, 상기 동기정류부의 드라이버 IC는 400KHz 이상의 스위칭 주파수로 동작하도록 구성되고,
    상기 직류 직류 컨버터부는 포워드 컨버터 및 플라이백 대기 컨버터에 필요한 제어회로로 동작하는, 배터리 충전기.
  2. 제1항에 있어서,
    플라이백 베터리 차져 서플라이(Fly-back battery charger supply)로 구성되며 온보드(on-board) 형식으로 구성되는 충전부;를 더 포함하고,
    상기 충전부는 연산증폭기를 포함하여 배터리 상태를 센싱하면서 충전하며, 출력 전류 또는 출력 전압에 대한 기준을 기반으로 출력을 제어하는, 배터리 충전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 온보드 형식으로 구성되는 충전부는 120 W급인, 배터리 충전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 동기정류부는 스위칭시 손실전압이 0.2V 인, 배터리 충전기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 입력부는 59V/120W의 높은 라인입력 플라이백 전원 및 2차 제어회로를 포함하는, 배터리 충전기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 동기정류부의 드라이버 IC는 은닉회로인 제어회로를 포함하고,
    상기 제어회로는 변압기의 2차측 권선과 출력측 동기 정류부의 스위칭 소자의 게이트 및 소스와 연결되어 스위칭 소자의 동작을 제어하고, 주파수 변동에 의하여 출력을 300 W, 500 W, 또는 700 W로 변화시키는, 배터리 충전기.
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