KR20210033575A - 차량용 충전기 및 그 제어 방법 - Google Patents

차량용 충전기 및 그 제어 방법 Download PDF

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성원용
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Abstract

교류 전력의 역률을 보상하기 위한 역률 보상 컨버터와 차량 내 에너지 저장 장치에 요구되는 크기의 직류 전압을 생성하는 직류-직류 컨버터의 입력단을 통합하여 사이즈를 줄이고 소요되는 소자 수를 감소시키며 높은 효율을 갖는 차량용 충전기 및 그 제어 방법이 개시된다.

Description

차량용 충전기 및 그 제어 방법{CHARGER FOR VEHICLE AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 차량용 충전기 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 교류 전력의 역률을 보상하기 위한 역률 보상 컨버터와 차량 내 에너지 저장 장치에 요구되는 크기의 직류 전압을 생성하는 직류-직류 컨버터의 입력단을 통합하여 사이즈를 줄이고 소요되는 소자 수를 감소시키며 높은 효율을 갖는 차량용 충전기 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
지구 온난화와 환경 오염 등의 문제가 심각하게 대두 되면서 자동차 산업 분야에서도 환경 오염을 최대한 감소시킬 수 있는 친환경 차량에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있으며 그 시장도 점차 확대되고 있다.
친환경 차량으로서 기존의 화석 연료를 연소시켜 구동력을 발생시키는 엔진 대신 전기 에너지를 이용하여 구동력을 생성하는 전동기를 적용한 전기 차량, 하이브리드 차량 및 플러그인 하이브리드 차량이 세계적으로 출시되고 있는 상황이다. 이러한 전기 에너지를 이용한 친환경 차량들 중 전기 차량과 플러그인 하이브리드 차량은 계통(grid)에 연결된 외부 충전 설비로부터 전력을 제공받아 차량에 구비된 배터리를 충전하고, 배터리의 충전된 전력을 이용하여 차량 구동에 필요한 운동 에너지를 생산한다. 이에 따라, 친환경 차량은 외부 충전 설비로부터 계통 전력을 제공 받아 배터리를 충전하기 위한 전력으로 변환하는 차량 탑재형 충전기를 구비한다. 즉, 차량용 충전기 또는 차량 탑재형 충전기(On Board Charger: OBC)는 교류의 계통 전력을 변환하여 원하는 전압을 갖는 직류 전력을 생성하고 이를 차량 내 에너지 저장 장치인 고전압 배터리로 제공하여 고전압 배터리를 충전한다.
이러한 차량용 충전기(OBC)는 차량의 연비에 영향을 줄 수 있으므로 전력 변환에 있어 고효율화가 요구되며, 구조적으로는 차량 내부의 엔진룸 등에 탑재 되므로 효율적 공간 배치를 위해 소형화 및 고밀도화가 요구되고 있다.
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 10-2016-0013551 A KR 10-2014-0114175 A
이에 본 발명은, 스위칭 소자 및 구동 회로 등의 개수를 감소시켜 소형화 및 전력 고밀도화가 가능하며, 높은 출력 및 넓은 입출력 범위를 갖는 차량용 충전기 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
교류 전원의 일단에 일단이 연결된 인덕터;
상호 직렬 연결된 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자를 포함하며, 상기 제 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 연결단이 상기 인덕터의 타단에 연결된 제1 레그;
상기 제1 레그에 병렬 연결된 커패시터;
상기 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬 연결된 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자를 포함하며, 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 연결단이 상기 교류 전원의 타단에 연결된 제2 레그;
상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 연결단에 일단이 연결된 1차 코일과 상기 1차 코일과 전자기적으로 결합된 제2 코일을 갖는 트랜스포머;
상기 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬 연결된 제5 스위칭 소자 및 제6 스위칭 소자를 포함하며, 상기 제5 스위칭 소자 및 제6 스위칭 소자의 연결단이 상기 1차 코일의 타단에 연결된 제3 레그; 및
상기 커패시터의 전압을 조정하기 위해 상기 제1 및 제2 스위칭 소자를 제어하고, 상기 커패시터 전압의 크기를 변환하기 위해 상기 제3 내지 제4 스위칭 소자를 제어하는 컨트롤러;
를 포함하는 차량용 충전기를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 커패시터의 전압을 조정하기 위해 상기 제1 레그에 포함된 스위칭 소자들의 듀티를 결정하여 상기 제1 레그에 포함된 스위칭 소자의 온/오프를 제어하며, 상기 제1 레그에 포함된 스위칭 소자의 스위칭 주파수에 동기화된 스위칭 주파수로 상기 제2 레그에 포함된 스위칭 소자의 온/오프를 제어하며, 상기 제2 레그에 포함된 스위칭 소자와 비해 위상차를 갖도록 상기 제3 레그에 포함된 스위칭 소자의 온/오프를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 커패시터의 검출 전압과 외부에서 입력된 상기 커패시터에 대한 전압 지령을 추종하게 하기 위한 제1 기준 전압을 생성하며, 상기 제1 기준 전압은 상기 교류 전원과 동기화 된 교류 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 기준전압과 사전 설정된 주기를 갖는 삼각파 형상의 전압을 갖는 캐리어 신호를 비교하여 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 듀티를 결정하며, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자는 상보관계로 동작할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 캐리어 신호의 피크치의 1/2의 크기를 갖는 제2 기준 전압과 상기 캐리어 신호를 비교하여 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 듀티를 결정하며, 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자는 상보관계로 동작할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 차량용 충전기의 출력 전압이 사전 설정된 출력 전압 지령을 추종하게 하기 위한 위상차를 연산하고, 상기 제5 스위칭 소자와 상기 제6 스위칭 소자를 각각 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자에 비해 상기 위상차 만큼 지연시켜 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 커패시터의 검출 전압과 외부에서 입력된 상기 커패시터에 대한 전압 지령의 제1 오차를 구하는 제1 감산기; 상기 제1 오차를 감소시키기 위한 직류의 전압 제어값을 생성하는 제1 전압 제어기; 상기 제1 전압 제어기에 의해 연산된 직류의 전압 제어값을 상기 교류 전원과 동기화되도록 위상 성분을 승산하여 전류 지령을 생성하는 전류지령 생성기; 상기 전류 지령과 상기 인덕터의 검출 전류의 제2 오차를 구하는 제2 감산기; 상기 제2 오차를 감소시키기 위해 상기 제1 레그의 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자의 듀티를 결정하는데 사용되며 상기 교류 전원과 동기화된 교류 형태의 제1 기준 전압을 결정하는 전류 제어기; 사전 설정된 주기를 갖는 삼각파 형상의 전압인 캐리어 신호를 생성하는 삼각파 생성기; 상기 캐리어 신호의 피크치의 1/2 크기를 갖는 일정한 직류 전압인 제2 기준 전압을 생성하는 직류 전압원; 상기 제1 기준 전압과 상기 캐리어 신호의 크기를 비교하여 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 듀티를 결정하고 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 제어 신호로 출력하는 제1 비교기; 상기 제2 기준 전압과 상기 캐리어 신호의 크기를 비교하여 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 듀티를 결정하고 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 제어 신호로 출력하는 제2 비교기; 상기 차량용 충전기의 출력 전압과 사전 설정된 출력 전압 지령의 제3 오차를 구하는 제3 감산기; 상기 제3 오차를 감소시키기 위한 전류 피크 지령을 생성하는 제2 전압 제어기; 상기 트랜스포머의 1차측 전류의 피크치와 상기 전류 피크 지령을 비교한 결과를 출력하는 제3 비교기; 및 상기 제3 비교기의 출력을 기반으로 상기 제2 비교기의 출력을 지연시켜 상기 제5 스위칭 소자 및 상기 제6 스위칭 소자의 제어신호로 출력하는 D 플립플롭을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 트랜스포머의 상기 2차 코일에 연결되며, 상기 2차 코일에 유도되는 전력을 정류하여 충전 대상 장치로 출력하는 정류부를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
전술한 차량용 충전기를 제어하는 방법에 있어서,
상기 커패시터의 검출 전압과 외부에서 입력된 상기 커패시터에 대한 전압 지령을 추종하게 하기 위한 제1 기준 전압을 생성하는 단계;
일정한 크기의 직류 전압의 형태를 갖는 제2 기준 전압을 생성하는 단계;
상기 제1 기준 전압과 사전 설정된 주기를 갖는 삼각파 형상의 전압을 갖는 캐리어 신호를 비교하여 상호 상보 관계로 개방/단락되는 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 듀티를 결정하는 단계;
상기 제2 기준 전압과 상기 캐리어 신호를 비교하여 상호 상보 관계로 개방/단락되는 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 온/오프 상태를 결정하는 단계; 및
차량용 충전기의 출력 전압이 사전 설정된 출력 전압 지령을 추종하게 하기 위한 위상차를 연산하고, 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 온/오프 상태를 상기 위상차 만큼 지연시켜 상기 제5 스위칭 소자와 상기 제6 스위칭 소자의 온/오프 상태를 결정하는 단계;
를 포함하는 차량용 충전기 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 기준 전압은 상기 교류 전원과 동기화된 교류의 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 기준 전압은 상기 캐리어 신호의 피크치의 1/2의 크기를 갖는 직류 전압일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 기준 전압을 생성하는 단계는, 상기 커패시터의 검출 전압과 외부에서 입력된 상기 커패시터에 대한 전압 지령의 제1 오차를 구하는 단계; 상기 제1 오차를 감소시키기 위한 직류의 전압 제어값을 생성하는 전압 제어 단계; 상기 전압 제어 단계에서 연산된 직류의 전압 제어값에 상기 교류 전원과 동기화되도록 위상 성분을 승산하여 교류의 전류 지령을 생성하는 전류지령 생성 단계; 상기 전류 지령과 상기 인덕터의 검출 전류의 제2 오차를 구하는 단계; 및 상기 제2 오차를 감소시키기 위해 상기 교류 전원과 동기화된 교류 형태의 상기 제1 기준 전압을 결정하는 전류 제어 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제5 스위칭 소자와 상기 제6 스위칭 소자의 온/오프 상태를 결정하는 단계는, 상기 차량용 충전기의 출력 전압과 사전 설정된 출력 전압 지령의 제3 오차를 상기 제3 오차를 감소시키기 위한 전류 피크 지령과 상기 트랜스포머의 1차측 전류의 피크치를 비교한 결과를 기반으로 상기 제2 비교기의 출력을 지연시켜 상기 제5 스위칭 소자 및 상기 제6 스위칭 소자의 제어신호로 출력할 수 있다.
상기 차량용 충전기 및 그 제어 방법에 따르면, 충전기에 요구되는 역률 보정 회로와 위상 천이 풀 브릿지 직류-직류 컨버터의 통합을 통해 스위치 및 구동회로를 저감하여 높은 가격 경쟁력을 가지며, 간결한 구조를 통해 높은 전력 밀도 달성이 가능하다.
특히, 상기 차량용 충전기 및 그 제어 방법에 따르면, 스위치 6개를 동시에 제어하여 연속도통모드 부스트 역률 보상 회로와 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 동작을 수행하므로 출력을 향상시킬 수 있으며 입출력 전압 범위를 확장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 충전기의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 충전기의 컨트롤러를 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 충전기의 컨트롤러에 의해 이루어지는 기준 전압과 캐리어 신호의 비교 및 그에 따른 스위칭 소자의 듀티 결정 예를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 캐리어 신호의 한 주기에 해당하는 영역 'A1'과 'A2' 각각에서 스위칭 소자의 개방/단락 상태, 인덕터 전류 및 공진 전류를 도시한 도면이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 형태에 따른 차량용 충전기 및 그 제어 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 충전기의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 충전기는, 교류 전원(11)의 일단에 연결된 인덕터(13)와, 인덕터(13) 타단에 공통으로 연결된 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)를 포함하는 제1 레그(P1)와, 제1 레그(P1)에 병렬로 연결된 커패시터(15)와, 교류 전원(11)의 타단에 공통으로 연결된 제3 스위칭 소자(Q3)와 제4 스위칭 소자(Q4)를 포함하며 커패시터(15)에 병렬로 연결된 제2 레그(P2)와, 커패시터(15)의 양단 사이에 상호 직렬 연결된 제5 스위칭 소자(Q5) 및 제6 스위칭 소자(Q6)를 포함하는 제3 레그(P3)와, 제3 스위칭 소자(Q3)와 제4 스위칭 소자(Q4)의 연결단에 일단이 연결되고 제5 스위칭 소자(Q5) 및 제6 스위칭 소자(Q6)의 연결단에 타단이 연결된 1차 코일(171)을 포함하는 트랜스포머(17)와, 트랜스포머(17)의 2차 코일(172)의 출력을 정류하여 충전 대상이 되는 에너지 저장 장치(20)로 제공하도록 복수의 다이오드(D01-D04)로 구현된 정류부(19) 및 제1 레그 내지 제3 레그(P1-P3)에 포함된 스위칭 소자들(Q1 내지 Q6)의 개방/단락을 제어하는 컨트롤러(100)를 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 충전기는, 브릿지 회로를 구비하지 않은 연속도통모드(Continuous Conduction Mode: CCM) 부스트 역률 보상 회로와 위상 천이 풀 브릿지(Phase Shift Full Bridge: PSHB) 직류-직류 컨버터를 통합한 충전기 구조를 갖는다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 충전기에서, 제1 레그(P1)에 포함된 스위칭 소자들(Q1, Q2)은 커패시터(15)에 직류 전압(VPFC)를 생성하는 브릿지 회로를 구비하지 않은 연속도통모드(Continuous Conduction Mode: CCM) 부스트 역률 보상 회로의 제어를 위해 사용될 수 있다. 즉, 컨트롤러(100)는 제1 레그(P1)에 포함된 스위칭 소자들(Q1, Q2)의 단락/개방을 제어하여 커패시터(15)의 전압(VPFC)를 원하는 값으로 결정할 수 있다.
또한, 제2 레그(P2)에 포함된 스위칭 소자들(Q3, Q4)과 제3 레그(P3)에 포함된 스위칭 소자들(Q5, Q6)은 커패시터(15)에 형성된 직류 전압(VPFC)을 원하는 크기로 변환하기 위한 위상 천이 풀 브릿지 직류-직류 컨버터를 제어하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 컨트롤러(100)는 제1 레그 내지 제3 레그(P1-P3)에 포함된 스위칭 소자들(Q1-Q6)의 개방/단락을 제어하여 원하는 전력이 충전 대상인 에너지 저장 장치(21)로 제공되게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 충전기의 동작과 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 충전기 제어 방법은 컨트롤러(100)에 의해 수행될 수 있는 바, 이하에서는 컨트롤러(100)의 더욱 상세한 구성 및 컨트롤러(100)에 의해 이루어지는 제어 흐름을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 충전기의 컨트롤러를 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도이다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 충전 방법은 도 2에 도시된 컨트롤러(100) 내의 블록들에 의해 수행될 수 있다.
컨트롤러(100)는 커패시터(15)의 전압을 측정한 커패시터 검출 전압(VPFC)과 외부의 상위 제어기 등에 의해 입력되는 커패시터 전압 지령(VPFC,Ref) 사이의 오차를 구하는 감산기(101)와, 커패시터 검출 전압(VPFC)과 커패시터 전압 지령(VPFC,Ref) 사이의 오차를 최소화 하기 위해, 즉 커패시터 검출 전압(VPFC)이 커패시터 전압 지령(VPFC,Ref)을 추종하게 하기 위한 직류의 전압 제어값을 생성하는 전압 제어기(103)을 포함할 수 있다.
여기서 전압 제어기(103)는 커패시터 검출 전압(VPFC)과 커패시터 전압 지령(VPFC,Ref) 사이의 오차에 비례 상수를 곱하는 비례 제어, 커패시터 검출 전압(VPFC)과 커패시터 전압 지령(VPFC,Ref) 사이의 오차를 적분하는 적분 제어 및 커패시터 검출 전압(VPFC)과 커패시터 전압 지령(VPFC,Ref) 사이의 오차를 미분하는 미분 제어 등 당 기술분야에 공지된 제어기법을 선택적으로 사용하여 커패시터 검출 전압(VPFC)과 커패시터 전압 지령(VPFC,Ref) 사이의 오차를 최소화하기 위한 전압 제어값을 생성할 수 있다. 도 2에서는 비례 적분(PI) 제어기가 예로서 도시된다.
또한, 컨트롤러(100)는 전압 제어기(103)에 의해 생성된 직류의 전압 제어값에 교류 전원(11)에서 제공되는 전원 전류와 동기화하기 위한 위상 성분(theta)를 승산하여 교류의 전류 지령(iPFC,Ref)을 생성하는 전류지령 생성기(105)와, 제1 레그(P1)로 제공되는 전류를 측정한 인덕터 검출 전류(iLB)와 전류지령 생성기(105)에서 생성된 전류 지령(iPFC,Ref)의 오차를 구하는 감산기(107)와, 인덕터 검출 전류(iLB)와 전류지령 생성기(105)에서 생성된 전류 지령(iPFC,Ref)의 오차를 최소화 하기 위한 제1 레그(P1)의 스위칭 소자(Q1 및 Q2)의 듀티를 결정하는데 사용되는 기준 전압(Vref_P1)을 결정하는 전류 제어기(109)를 더 포함할 수 있다.
전류지령 생성기(105)는 교류 전원(11)에서 제공되는 전원 전류와 동기화를 위한 위상 성분(Theta)을 입력 받고 이를 전압 제어기(103)에 의해 연산된 직류의 전압 제어값에 승산하는 승산기로 구현될 수 있다. 위상값(Theta)은 교류 전원 크기를 1로 정규화하여 구하거나, 외부의 위상값 검출기(PLL)를 통해 검출하는 방식과 같이 당 기술분야에 알려진 통상의 위상 연산 기법 또는 위상 검출 기법을 적용하여 도출할 수 있다.
전류 제어기(109) 역시 당 기술 분야에 알려진 비례 제어, 적분 제어 및 미분 제어를 선택적으로 사용하여 인덕터 검출 전류(iLB)와 전류 지령(iPFC,Ref)의 오차를 최소화 하기 위한 스위칭 소자(Q1 및 Q2)의 듀티를 결정하는데 사용되는 기준 전압(Vref_P1)을 결정할 수 있다. 도 2에서는 전류 제어기(109)가 비례 적분(PI) 제어기로 구현된 예가 도시된다.
전류 제어기(109)에 의해 생성된 기준 전압(Vref_P1)은 교류 전압원(11)의 전원 전류에 동기화된 전류 지령(iPFC,Ref)과 인덕터(13)에 흐르는 전류(iLB)를 비교하여 생성된 것인 바, 그 역시 교류 전압원(11)의 전원 전류에 동기화된 전압의 형태로 제공될 수 있다.
더하여, 컨트롤러(100)는 전류 제어기(109)에 의해 생성된 기준 전압(Vref_P1, 이하에서는 '제1 기준 전압'이라고도 함)과 사전 설정된 주파수와 진폭을 갖는 삼각파 형태의 전압 신호인 캐리어 신호(Vcarr)를 비교하는 제1 비교기(111) 및 사전 설정된 일정한 크기의 기준 전압(Vref_P2, 이하에서는 '제2 기준 전압'이라고도 함)과 캐리어 신호(Vcarr)를 비교하는 제2 비교기(113)을 더 포함할 수 있다.
물론, 컨트롤러(100)는 캐리어 신호(Vcarr)를 생성하기 위한 삼각파 생성기(115) 및 일정한 크기를 갖는 제2 기준 전압(Vref_P2)을 생성하기 위한 직류 전압원(117)을 더 포함할 수 있다.
제1 비교기(111)의 출력은 제1 스위칭 소자(Q1)로 제공되고 반전 버퍼(119)에 의해 반전된 제1 비교기(111)의 출력은 제2 스위칭 소자(Q2)로 제공될 수 있다. 마찬가지로, 제2 비교기(113)의 출력은 제3 스위칭 소자(Q3)로 제공되고 반전 버퍼(121)에 의해 반전된 제2 비교기(113)의 출력은 제4 스위칭 소자(Q4)로 제공될 수 있다.
제1 비교기(111)와 제2 비교기(113)는 각각 제1 기준 전압(Vref_P1)과 제2 기준 전압(Vref_P2)이 캐리어 신호보다 큰 값을 갖는 경우 하이(HIGH)를 출력하고 작은 값을 갖는 경우 로우(LOW)를 출력할 수 있으나 물론 그 반대도 가능하다.
이와 같이, 제1 레그(P1)의 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)는 커패시터(15)의 전압 및 인덕터(13)의 전류를 결정하는데 사용되며, 제2 레그(P2)의 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)는 0.5 듀티로 동작하며 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)의 스위칭 주파수와 동기화 되어 동작한다. 또한, 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)는 고정 주파수의 0.5 듀티를 가짐으로써, 커패시터(15)의 전압(VPFC)을 입력으로 하여 그 크기를 변환하는 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 리딩 레그(leading leg)의 역할을 할 수 있다. 제3 레그(P3)의 제5 스위칭 소자(Q5) 및 제6 스위칭 소자(Q6)는 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 래깅 레그(lagging leg)의 역할을 하는 것으로 사전 설정된 출력 전압 지령(VO,Ref)과 변압기(17)의 1차측 전류(iLlkg)의 크기에 기반하여 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 위상 천이의 크기를 제어한 결과에 의해 온/오프 제어될 수 있다.
이를 위해, 컨트롤러(100)는 충전기의 출력 전압(Vo)와 사전 설정된 충전 대상인 에너지 저장 장치(20)에 대한 전압 지령(VO,Ref)의 오차를 생성하는 감산기(123)와, 출력 전압(Vo)과 전압 지령(VO,Ref)의 오차를 최소화하기 위한 트랜스포머(17)의 1차측 코일(171)전류에 대한 전류 피크 지령(Ipeak,Ref)을 생성하는 전압 제어기(125)와, 트랜스포머(17)의 1차측에 흐르는 전류(iLlkg)와 전압 제어기(125)에서 출력되는 전류 피크 지령(Ipeak,Ref)을 비교하는 비교기(129)와, 비교기(129)의 출력을 반전시키는 반전 버퍼(131)와 반전 버퍼(131)의 출력을 클럭 입력단으로 제공 받고 클럭 입력단으로 제공된 신호가 상승에지가 되는 시점에 비교기(113)의 출력값을 출력하는 D 플립플롭(133)과 D 플립플롭(133)의 반전 출력단(
Figure pat00001
)의 출력을 반전시켜 제5 스위칭 소자(Q5)의 제어 신호로 제공하는 반전 버퍼(135)를 포함할 수 있다. 이 때, D 플립플롭(133)의 반전 출력단(
Figure pat00002
)의 출력은 제6 스위칭 소자(Q6)의 제어 신호로 제공될 수 있다.
여기서 전압 제어기(125)는 비례 제어, 적분 제어, 미분 제어 및 상기 제어 기법을 혼용한 제어 등 당 기술분야에 공지된 제어기법을 선택적으로 적용할 수 있다. 또한, 반전 버퍼(131, 135)의 적용 여부나 비교기(129)의 입력단 선택, D 플립플롭(133)의 입출력 단자 선택은 필요에 따라 적절하게 변경될 수 있으며, 그에 따라 일부 구성요소는 생략될 수도 있다. 트랜스포머(17)의 1차측에 흐르는 전류(iLlkg)와 전류 피크 지령(Ipeak,Ref)은 비교기(129)에 의해 비교되고 비교기(129)는 비교 결과에 따른 펄스 파형을 생성한다. D 플립플롭(133)은 비교기(129)가 출력하는 펄스 파형을 클럭 입력단으로 입력 받고 이 펄스 파형의 상승에지 또는 하강에지에서 제2 비교기(113)의 출력을 그대로 출력하거나 반전시켜 출력하게 된다. 도 2의 예에서, D 플립플롭(133)은 반전 출력단(
Figure pat00003
)으로 제2 비교기(113)의 출력을 반전 시켜 출력할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 충전기의 컨트롤러에 의해 이루어지는 기준 전압과 캐리어 신호의 비교 및 그에 따른 스위칭 소자의 듀티 결정 예를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 레그(P1, P2) 각각의 스위칭 소자를 제어하기 위한 기준 전압(Vref_P1, Vref_P2)이 캐리어 신호의 전압(Vcarr1)보다 큰 경우 컨트롤러(100)의 비교기(111, 113)에 의해 출력되는 하이 신호에 의해 각 레그(P1, P2)의 상부 스위치(Q1, Q3)가 단락 되고 반전 버퍼(119, 121)가 출력하는 로우 신호에 의해 하부 스위치(Q2, Q4)가 개방 상태가 된다. 반대로, 기준 전압(Vref_P1, Vref_P2)이 캐리어 신호의 전압보다 작은 경우 컨트롤러(100)의 비교기(111, 113)에 의해 출력되는 로우 신호에 의해 각 레그(P1, P2)의 상부 스위치(Q1, Q3)가 개방 되고 반전 버퍼(119, 121)가 출력하는 하이 신호에 의해 하부 스위치(Q2, Q4)가 단락 상태가 된다.
유사하게, 레그(P3)의 스위칭 소자를 제어하기 위한 제3 기준 전압(Vref_P3)은 제2 기준 전압(Vref_P2)와 동일한 것으로 볼 수 있으며, 레그(P2)의 스위칭 소자와 비교할 때 스위칭이 위상(φ) 만큼 천이된 것으로 볼 수 있으므로, 기준 전압(Vref_P3)은 캐리어 신호(Vcarr1)를 위상(φ) 만큼 천이 시킨 캐리어 신호(Vcarr2)와 비교하여 스위칭 소자(Q5, Q6)의 온/오프가 결정될 수 있다.
여기서, 제2 기준 전압(Vref_P2) 및 제3 기준 전압(Vref_P3)은 위상 천이 풀 브릿지 회로가 0.5 듀티로 작동하는 점을 고려하여 캐리어 신호의 전압(Vcarr1, Vcarr2)의 피크치의 1/2이 될 수 있다.
전류지령 생성기(105)에 의해 교류 전원으로부터 입력되는 교류 전력원의 위상(theta)과 동기화된 지령을 이용하여 기준 전압(Vref_P1)이 생성되므로, 제1 레그(P1)에서 컨트롤러(100)는 교류 전압(vg)과 동기화 된 교류 형태의 기준 전압(Vref_P1)을 캐리어 신호의 전압(Vcarr)과 비교하여 스위치를 교류 스위칭 듀티로 구동하여 부스트 인덕터(LB) 전류를 연속 도통 모드로 제어한다.
또한, 컨트롤러(100)는 제2 레그(P2)에서는 일정한 크기의 직류 형태의 기준 전압(Vref_P2)과 캐리어 신호의 전압(Vcarr)을 비교하여 0.5 듀티로 스위칭 소자(Q3, Q4)를 구동하고, 제3 레그(P3)에서는 제3 레그(P3)의 스위칭 소자와 비교할 때 φ 만큼 천이된 위상으로 스위칭 소자(Q5, Q6)를 구동함으로써 위상 천이 풀 브릿지 컨버터로 작동하도록 제어한다.
이 때, 제2 레그(P2)의 경우 0.5 듀티로 동작하므로, 두 스위칭 소자(Q3, Q4)가 서로 연결된 노드의 평균 전압은 커패시터(15)의 전압(VPFC)의 1/2이 되며, 교류 듀티로 동작하는 제1 레그(P1)의 두 스위칭 소자(Q1, Q2)가 서로 연결된 노드의 평균 커패시터(15) 전압(VPFC)의 1/2을 중심으로 교류 입력 전압(vg)과 유사하게 변동하는 전압이 된다.
결과적으로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 충전기는 하기 식 1과 같은 커패시터(15)의 전압, 즉 역률 보상 회로 전압(VPFC)을 가지며, 최종 출력 전압(Vo)의 경우 위상 천이 풀 브릿지 컨버터 동작에 따라 하기 식 2와 같이 VPFC/2 전압과 턴비에 비례하여 출력 전압이 생성될 수 있다.
[식 1]
VPFC > 2 * vg_max
[식 2]
Vo = 2 * φ/(2*π) * VPFC * (Ns/Np) /
Figure pat00004
2 * Duty * VPFC * (Ns/Np)
상기 식 1 및 식 2에서, VPFC 는 커패시터(15)의 전압을 나타내며, vg_max는 교류 전원 전압의 피크치를 나타내며, Vo는 충전기의 출력 전압을 나타내며, Np는 트랜스포머(17)의 1차측 코일(171)의 턴수를 나타내며 Ns는 트랜스포머(17)의 2차측 코일(122)의 턴수를 나타낸다.
도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 캐리어 신호의 한 주기에 해당하는 영역 'A1'과 'A2'에서 스위칭 소자의 개방/단락 상태, 인덕터 전류 및 공진 전류를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 기준 전압(Vref_P1)의 변화에 따라 제1 레그(P1)의 스위칭 소자(Q1, Q2)의 듀티가 변화하며, 제2 레그(P2)의 스위칭 소자(Q3, Q4)와 제3 레그(P3)의 스위칭 소자(Q5, Q6)는 서로 위상차(φ)를 가지고 0.5 듀티로 동작하게 된다. 이 때, 스위칭 소자(Q1-Q4)의 단락/개방 상태에 따라 부스트 인덕터(13)에 교류 전원의 전원 전압(vg)와 커패시터 전압(VPFC)와 교류 전원 전압(vg)의 차(VPFC - vg)에 해당하는 전압이 교번으로 인가되어 전류 리플을 생성하며, 인덕터 전류(iLB)가 연속 도통 모드(CCM)로 발생하게 된다. 이와 동시에, 위상 천이 풀 브릿지 컨버터는 0.5의 듀티로 동작하는 스위칭 소자(Q3, Q4, Q5, Q6))의 단락/개방에 의해 구동되며, 두 캐리어 신호의 전압(Vcarr1, Vcarr2)의 위상차(φ)에 의해 1차측 전류(iLlkg)과 자화전류(iLm)가 생성된다. 1차측 전류(iLlkg)과 자화전류(iLm)는 전술한 식 2와 같이 출력 전압(Vo)을 생성하도록 트랜스포머(17)의 2차측으로 전력을 전달한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제1 레그(P1)의 스위칭 소자(Q1, Q2)의 전류는 다음의 식 3과 같이 부스트 인덕터(13)의 전류(iLB)가 스위칭 동작에 따라 흐르게 된다. 또한, 제2 레그(P2)의 스위칭 소자(Q3, Q4)에는 부스트 인덕터(13)의 전류(iLB)와 1차측 전류(iLlkg)의 합이 다음의 식 4와 같이 흐르게 되며, 제3 레그(P3)의 스위칭 소자(Q5, Q6)에는 1차측 전류(iLlkg)가 식 5와 같이 흐르게 된다.
[식 3]
iQ1 = iLB (스위칭 소자(Q1)가 온 상태일 때)
iQ2 = iLB (스위칭 소자(Q2)가 온 상태일 때)
[식 4]
iQ3 = iLB + iLlkg (스위칭 소자(Q3) 가 온 상태일 때)
iQ4 = iLB + iLlkg (스위칭 소자(Q4)가 온 상태일 때)
[식 5]
iQ5 = iLlkg (스위칭 소자(Q5)가 온 상태일 때)
iQ4 = iLlkg (스위칭 소자(Q6)가 온 상태일 때)
상기 식 3 내지 식 5에서 iQ1 내지 iQ6는 각각 스위칭 소자(Q1 내지 Q6)에 흐르는 전류를 나타낸다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태는 충전기에 요구되는 역률 보정 회로와 위상 천이 풀 브릿지 직류-직류 컨버터의 통합을 통해 스위치 및 구동회로를 저감하여 높은 가격 경쟁력을 가지며, 간결한 구조를 통해 높은 전력 밀도 달성이 가능하다. 특히, 본 발명의 여러 실시형태는 스위치 6개를 동시에 제어하여 연속도통모드 부스트 역률 보상 회로와 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 동작을 수행하므로 출력을 향상시킬 수 있으며 입출력 전압 범위를 확장시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
11: 교류 전원 13: 부스트 인덕터
15: 커패시터 17: 트랜스포머
171: 1차 코일 172: 2차 코일
19: 정류부 20: 에너지 저장 장치(배터리)
100: 컨트롤러 101: 감산기
103: 전압 제어기 105: 전류지령 생성기
107: 감산기 109: 전류 제어기
111, 113: 비교기 115: 삼각파 생성기
117: 직류 전압원 119, 121: 반전 버퍼
123: 감산기 125: 전압 제어기
129: 비교기 131: 반전 버퍼
133: D 플립플롭 135: 반전 버퍼

Claims (13)

  1. 교류 전원의 일단에 일단이 연결된 인덕터;
    상호 직렬 연결된 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자를 포함하며, 상기 제 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 연결단이 상기 인덕터의 타단에 연결된 제1 레그;
    상기 제1 레그에 병렬 연결된 커패시터;
    상기 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬 연결된 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자를 포함하며, 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 연결단이 상기 교류 전원의 타단에 연결된 제2 레그;
    상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 연결단에 일단이 연결된 1차 코일과 상기 1차 코일과 전자기적으로 결합된 제2 코일을 갖는 트랜스포머;
    상기 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬 연결된 제5 스위칭 소자 및 제6 스위칭 소자를 포함하며, 상기 제5 스위칭 소자 및 제6 스위칭 소자의 연결단이 상기 1차 코일의 타단에 연결된 제3 레그; 및
    상기 커패시터의 전압을 조정하기 위해 상기 제1 및 제2 스위칭 소자를 제어하고, 상기 커패시터 전압의 크기를 변환하기 위해 상기 제3 내지 제4 스위칭 소자를 제어하는 컨트롤러;
    를 포함하는 차량용 충전기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 커패시터의 전압을 조정하기 위해 상기 제1 레그에 포함된 스위칭 소자들의 듀티를 결정하여 상기 제1 레그에 포함된 스위칭 소자의 온/오프를 제어하며, 상기 제1 레그에 포함된 스위칭 소자의 스위칭 주파수에 동기화된 스위칭 주파수로 상기 제2 레그에 포함된 스위칭 소자의 온/오프를 제어하며, 상기 제2 레그에 포함된 스위칭 소자와 비해 위상차를 갖도록 상기 제3 레그에 포함된 스위칭 소자의 온/오프를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전기.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 커패시터의 검출 전압과 외부에서 입력된 상기 커패시터에 대한 전압 지령을 추종하게 하기 위한 제1 기준 전압을 생성하며, 상기 제1 기준 전압은 상기 교류 전원과 동기화 된 교류 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 차량용 충전기.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제1 기준전압과 사전 설정된 주기를 갖는 삼각파 형상의 전압을 갖는 캐리어 신호를 비교하여 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 듀티를 결정하며, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자는 상보관계로 동작하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전기.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 캐리어 신호의 피크치의 1/2의 크기를 갖는 제2 기준 전압과 상기 캐리어 신호를 비교하여 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 듀티를 결정하며, 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자는 상보관계로 동작하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전기.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    차량용 충전기의 출력 전압이 사전 설정된 출력 전압 지령을 추종하게 하기 위한 위상차를 연산하고, 상기 제5 스위칭 소자와 상기 제6 스위칭 소자를 각각 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자에 비해 상기 위상차 만큼 지연시켜 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전기.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 커패시터의 검출 전압과 외부에서 입력된 상기 커패시터에 대한 전압 지령의 제1 오차를 구하는 제1 감산기;
    상기 제1 오차를 감소시키기 위한 직류의 전압 제어값을 생성하는 제1 전압 제어기;
    상기 제1 전압 제어기에 의해 연산된 직류의 전압 제어값을 상기 교류 전원과 동기화되도록 위상 성분을 승산하여 전류 지령을 생성하는 전류지령 생성기;
    상기 전류 지령과 상기 인덕터의 검출 전류의 제2 오차를 구하는 제2 감산기;
    상기 제2 오차를 감소시키기 위해 상기 제1 레그의 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자의 듀티를 결정하는데 사용되며 상기 교류 전원과 동기화된 교류 형태의 제1 기준 전압을 결정하는 전류 제어기;
    사전 설정된 주기를 갖는 삼각파 형상의 전압인 캐리어 신호를 생성하는 삼각파 생성기;
    상기 캐리어 신호의 피크치의 1/2 크기를 갖는 일정한 직류 전압인 제2 기준 전압을 생성하는 직류 전압원;
    상기 제1 기준 전압과 상기 캐리어 신호의 크기를 비교하여 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 듀티를 결정하고 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 제어 신호로 출력하는 제1 비교기;
    상기 제2 기준 전압과 상기 캐리어 신호의 크기를 비교하여 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 듀티를 결정하고 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 제어 신호로 출력하는 제2 비교기;
    상기 차량용 충전기의 출력 전압과 사전 설정된 출력 전압 지령의 제3 오차를 구하는 제3 감산기;
    상기 제3 오차를 감소시키기 위한 전류 피크 지령을 생성하는 제2 전압 제어기;
    상기 트랜스포머의 1차측 전류의 피크치와 상기 전류 피크 지령을 비교한 결과를 출력하는 제3 비교기; 및
    상기 제3 비교기의 출력을 기반으로 상기 제2 비교기의 출력을 지연시켜 상기 제5 스위칭 소자 및 상기 제6 스위칭 소자의 제어신호로 출력하는 D 플립플롭을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전기.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 트랜스포머의 상기 2차 코일에 연결되며, 상기 2차 코일에 유도되는 전력을 정류하여 충전 대상 장치로 출력하는 정류부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전기.
  9. 청구항 1의 차량용 충전기를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 커패시터의 검출 전압과 외부에서 입력된 상기 커패시터에 대한 전압 지령을 추종하게 하기 위한 제1 기준 전압을 생성하는 단계;
    일정한 크기의 직류 전압의 형태를 갖는 제2 기준 전압을 생성하는 단계;
    상기 제1 기준 전압과 사전 설정된 주기를 갖는 삼각파 형상의 전압을 갖는 캐리어 신호를 비교하여 상호 상보 관계로 개방/단락되는 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 듀티를 결정하는 단계;
    상기 제2 기준 전압과 상기 캐리어 신호를 비교하여 상호 상보 관계로 개방/단락되는 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 온/오프 상태를 결정하는 단계; 및
    차량용 충전기의 출력 전압이 사전 설정된 출력 전압 지령을 추종하게 하기 위한 위상차를 연산하고, 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 온/오프 상태를 상기 위상차 만큼 지연시켜 상기 제5 스위칭 소자와 상기 제6 스위칭 소자의 온/오프 상태를 결정하는 단계;
    를 포함하는 차량용 충전기 제어 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 기준 전압은 상기 교류 전원과 동기화된 교류의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 차량용 충전기 제어 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 기준 전압은 상기 캐리어 신호의 피크치의 1/2의 크기를 갖는 직류 전압인 것을 특징으로 하는 차량용 충전기 제어 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 기준 전압을 생성하는 단계는,
    상기 커패시터의 검출 전압과 외부에서 입력된 상기 커패시터에 대한 전압 지령의 제1 오차를 구하는 단계;
    상기 제1 오차를 감소시키기 위한 직류의 전압 제어값을 생성하는 전압 제어 단계;
    상기 전압 제어 단계에서 연산된 직류의 전압 제어값에 상기 교류 전원과 동기화되도록 위상 성분을 승산하여 교류의 전류 지령을 생성하는 전류지령 생성 단계;
    상기 전류 지령과 상기 인덕터의 검출 전류의 제2 오차를 구하는 단계; 및
    상기 제2 오차를 감소시키기 위해 상기 교류 전원과 동기화된 교류 형태의 상기 제1 기준 전압을 결정하는 전류 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전기 제어 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 제5 스위칭 소자와 상기 제6 스위칭 소자의 온/오프 상태를 결정하는 단계는,
    상기 차량용 충전기의 출력 전압과 사전 설정된 출력 전압 지령의 제3 오차를 상기 제3 오차를 감소시키기 위한 전류 피크 지령과 상기 트랜스포머의 1차측 전류의 피크치를 비교한 결과를 기반으로 상기 제2 비교기의 출력을 지연시켜 상기 제5 스위칭 소자 및 상기 제6 스위칭 소자의 제어신호로 출력하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전기 제어 방법.
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