KR20210105470A - 전기 모빌리티의 충전 장치 - Google Patents

전기 모빌리티의 충전 장치 Download PDF

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KR20210105470A
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조재형
신정식
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(주)코이즈
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른, 충전 장치는, 전원 장치으로부터 입력되는 전원을 교류에서 직류로 변환하기 위한 정류부; 및 상기 정류부로부터 출력을 변환비에 따라 변환하여 배터리로 출력하기 위한 변환부를 포함하고, 상기 정류부는, 브리지 형태로 연결된 복수의 제1 스위치 소자들을 포함하고, 상기 변환부는, 브리지 형태로 연결된 복수의 제2 스위치 소자들을 포함하는 제1 정류 회로; 브리지 형태로 연결된 복수의 제3 스위치 소자들을 포함하는 제2 정류 회로; 및 상기 제1 정류 회로 및 상기 제2 정류 회로 사이에 연결되며, 권선비에 기초한 변환비에 따라 입력 전압을 변환하여 출력 전압을 출력하는 변환 회로를 포함하고, 상기 제2 스위치 소자는, 고전자 이동도 트랜지스터를 포함한다.

Description

전기 모빌리티의 충전 장치{CHARGING DEVICE OF ELECRIC MOBILITY}
본 발명의 실시예는 전기 모빌리티의 충전 장치, 특히 전기 모빌리티(예컨대, 전기 자동차, 전기 오토바이 등)의 배터리를 충전시키기 위한 온-보드 충전기에 관한 것이다.
최근, 전기 자동차, 전기 오토바이 등의 전기 에너지를 이용한 모빌리티 장치가 상용화되고 있다.
특히, 전기 모빌리티에 있어서, 다양한 상황에서 전기 모빌리티의 배터리를 충전할 수 있는 온-보드 배터리 충전기(On-Board Charger; OBC)가 핵심 부품으로 알려져 있다. 온-보드 배터리 충전기는, 차량 내부에 설치된 배터리 충전기를 의미한다.
전기 자동차는, 완속 충전 시 220V를 입력으로 받게 되는데, 전기 자동차의 배터리는 그보다 고압으로 충전을 해야 한다. 온-보드 배터리 충전기는 고전압 배터리의 충전을 위해 외부 AC 전원을 DC 전원으로 변환할 수 있다.
종래의 온-보드 배터리 충전기는 다수의 스위치 소자들을 포함하며, 스위치 소자로는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) 등이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 스위치 소자는 변환 효율이 낮고 발열이 심하게 되는 문제가 있었다.
이에, 온-보드 배터리 충전기는 발열을 관리하기 위해, 수냉식 또는 공냉식의 냉각 수단을 포함하게 된다.
일반적으로, 온-보드 배터리 충전기는, 1kW 급 미만의 경우 공냉식 냉각 수단을 채용하고, 1kW 이상 2kW 미만의 경우 1개 이상의 팬(Fan)이 구비된 강제 공냉식 냉각 수단을 채용한다. 특히, 2kW 이상의 온-보드 배터리 충전기는 수냉식 냉각 수단을 채용한다.
하지만, 종래의 냉각 수단이 공냉식인 경우, 방열 성능이 낮아 고출력 제품에 적용이 어렵고, 강제 공냉식 또는 수냉식인 경우, 팬 또는 워터 펌프의 동작에 따른 소음 및 진동이 발생하는 문제가 있었다.
또한, 냉각 수단은 방열판(Heat sink)을 구비하게 되는데, 방열판의 별도 구비로 인하여, 제품의 생산성 및 채산성이 감소되고, 제품의 크기 및 무게가 커지는 문제가 있었다.
한국등록특허 제10-1287803호 'ＬＬＣ 공진형 하프브릿지 컨버터용 동기정류기 구동회로 및 그 구동방법'(2013.07.15 공개) 한국공개특허 제10-2019-0054992호 '저전압 직류 변환기 및 배터리 충전기'(2019.05.22 공개)
본 발명의 목적은 고전자 이동도 트랜지스터를 이용하여 발열을 최소화하고, 사이즈를 감소시키며, 고전력 밀도를 실현할 수 있는 충전 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 고전자 이동도 트랜지스터의 고온 특성, 고내압성, 대전류 밀도를 이용하여 고신뢰성을 확보할 수 있는 충전 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 냉각에 따른 소음 및 진동 발생을 억제하고, 제조 비용을 감소시킬 수 있는 충전 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 차량 통신 CAN 2.0B를 이용하여 유지 보수를 용이하게 할 수 있는 충전 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 Ga-N(Gallium Nitride) HEMT(High Electron Mobility　Transistor) 스위치 소자를 포함한 저전압 직류 변환기(Low-voltage DC-DC Converter, LDC)를 이용하여 낮은 전압에서도 고효율을 유지하고, 응답특성이 개선되면서, 스위칭 손실이 적은 충전 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예에 따른, 충전 장치는, 전원 장치으로부터 입력되는 전원을 교류에서 직류로 변환하기 위한 정류부; 및 상기 정류부로부터 출력을 변환비에 따라 변환하여 배터리로 출력하기 위한 변환부를 포함하고, 상기 정류부는, 브리지 형태로 연결된 복수의 제1 스위치 소자들을 포함하고, 상기 변환부는, 브리지 형태로 연결된 복수의 제2 스위치 소자들을 포함하는 제1 정류 회로; 브리지 형태로 연결된 복수의 제3 스위치 소자들을 포함하는 제2 정류 회로; 및 상기 제1 정류 회로 및 상기 제2 정류 회로 사이에 연결되며, 권선비에 기초한 변환비에 따라 입력 전압을 변환하여 출력 전압을 출력하는 변환 회로를 포함하고, 상기 제2 스위치 소자는, 고전자 이동도 트랜지스터를 포함한다.
본 발명에서, 상기 제1 스위치 소자는, 실리콘 트랜지스터를 포함한다.
본 발명에서, 상기 제3 스위치 소자는, 저발열 실리콘 트랜지스터를 포함한다.
본 발명에서, 상기 고전자 이동도 트랜지스터는, 질화갈륨 트랜지스터으로 구현된다.
본 발명에서, 상기 전원 장치 및 상기 정류부 사이에 연결되며, 상기 전원 장치으로부터 입력되는 상기 전원의 전자파 간섭을 필터링하기 위한 필터부를 더 포함한다.
본 발명에서, 상기 정류부 및 상기 변환부 사이에 연결되며, 상기 정류부의 출력의 역률을 개선하여 출력을 일정하게 유지하기 위한 역률 개선부를 더 포함하고, 상기 역률 개선부는, 상기 역률 개선부의 동작을 제어하기 위한 적어도 하나의 역률 스위치 소자; 및 상기 역률 개선부의 출력을 평활시키기 위한 평활 커패시터를 포함한다.
본 발명에서, 상기 역률 스위치 소자는, 상기 고전자 이동도 트랜지스터를 포함한다.
본 발명에서, 게이트-온 전압을 갖는 게이트 신호를 생성하며, 상기 제1 스위치 소자, 상기 제2 스위치 소자, 상기 제3 스위치 소자 및 상기 역률 스위치 소자의 게이트 노드로 상기 게이트 신호를 제공하기 위한 게이트 신호 생성부; 상기 게이트 신호 생성부의 동작을 제어하기 위한 제어부; 및 상기 전원 장치으로부터 입력되는 전원을 기초로, 상기 게이트 신호 생성부 및 상기 제어부로 동작 전원을 제공하기 위한 전원부를 더 포함한다.
본 발명에서, 상기 제어부는, 상기 게이트 신호의 듀티비를 제어하여 펄스 폭 변조를 수행한다.
본 발명에서, 상기 필터부, 상기 정류부, 상기 역률 개선부 및 상기 변환부 중 적어도 하나에 대한 입력 및 출력 중 어느 하나를 감지하기 위한 감지부; 및 상기 감지부의 감지 결과를 기초로, 과도 전압, 과소 전압, 과도 전류 및 과도 온도 중 적어도 하나를 판단하여 상기 전원부의 동작을 제한하기 위한 보호부를 더 포함한다.
본 발명에서, 차량내 다른 장치와 통신을 수행하기 위한 통신부를 더 포함한다.
본 발명에서, 상기 제1 스위치 소자, 상기 제2 스위치 소자, 상기 제3 스위치 소자 및 상기 역률 스위치 소자 각각은, 상기 트랜지스터 각각에 병렬로 연결된 다이오드를 더 포함한다.
본 발명에서, 전기차의 상기 배터리를 충전하기 위하여, 상기 전기차 내부에 설치된 온-보드 충전기로 구현된다.
본 발명에서, 상기 제2 스위치 소자는, 영전압 스위칭한다.
본 발명에서, 충전 장치의 출력 용량이 2kW 이상이다.
본 발명의 충전 장치는 고전자 이동도 트랜지스터를 이용하여 발열을 최소화하고, 사이즈를 감소시키며, 고전력 밀도를 실현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 충전 장치는 고전자 이동도 트랜지스터의 고온 특성, 고내압성, 대전류 밀도를 이용하여 고신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 충전 장치는 냉각에 따른 소음 및 진동 발생을 억제하고, 제조 비용을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 충전 장치는 차량 통신 CAN 2.0B를 이용하여 유지 보수를 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 충전 장치는 Ga-N(Gallium Nitride) HEMT(High Electron Mobility　Transistor) 스위치 소자를 포함한 저전압 직류 변환기(Low-voltage DC-DC Converter, LDC)를 이용하여 낮은 전압에서도 고효율을 유지하고, 응답특성이 개선되면서, 스위칭 손실이 적은 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기차 충전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정류부를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 역률 개선부를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 변환부를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1 정류 회로를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제2 정류 회로를 나타내는 도면이다.
본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
이하 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 기재한다. 다만, 본 발명은 청구범위에 기재된 범위 안에서 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 하기에 설명하는 실시예는 표현 여부에 불구하고 예시적인 것에 불과하다.
동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 지칭한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께, 비율, 및 치수는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. "및/또는"은 연관된 구성들이 정의할 수 있는 하나 이상의 조합을 모두 포함할 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
또한, "아래에", "하측에", "위에", "상측에" 등의 용어는 도면에 도시된 구성들의 연관관계를 설명하기 위해 사용된다. 상기 용어들은 상대적인 개념으로, 도면에 표시된 방향을 기준으로 설명된다.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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.
즉, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함할 수 있다. 또한, 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전 시스템(10)을 나타내는 도면이다. 본 발명의 배터리 충전 시스템(10)은 전기 모빌리티의 배터리를 충전하기 위한 시스템일 수 있다. 이하에서, 배터리 충전 시스템(10)은 전기차의 배터리를 충전하기 위한 시스템인 것으로 설명된다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 아래 설명은 전기 오토바이, 전기 자전거 등의 다양한 종류의 전기 모빌리티를 위한 배터리 충전 시스템(10)에 적용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 배터리 충전 시스템(10)은, 전원 장치(100), 충전 장치(200) 및 배터리(300)를 포함할 수 있다.
전원 장치(100)는 전기차의 배터리를 충전하기 위한 교류 전원을 공급할 수 있다. 예컨대, 교류 전원은 220Vrms 교류 전압을 가질 수 있다.
충전 장치(200)는 전원 장치(100)로부터 교류 전원을 공급받을 수 있다. 충전 장치(200)는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고, 변환비에 따라 승압하여 출력함으로써, 배터리(300)를 충전시킬 수 있다. 충전 장치(200)는 배터리(300)와 함께 전기 모빌리티(예컨대, 전기차)의 내부에 위치할 수 있다. 실시예에 따라, 충전 장치(200)는 전기차의 배터리(300)를 충전하기 위하여, 전기차 내부에 설치된 온-보드 충전기(On-Board Charger)로 구현될 수 있다. 예컨대, 충전 장치(200)는 출력 용량이 2kW 이상일 수 있다.
배터리(300)는 충전 장치(200)로부터 출력된 직류 전원에 따라 충전될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 충전 장치(200)는 필터부(210), 정류부(220), 역률 개선부(230), 변환부(240), 게이트 신호 생성부(250), 제어부(260), 전원부(270), 감지부(281), 보호부(282), 통신부(283) 및 방열부(290)를 포함할 수 있다.
필터부(210), 전원 장치(100) 및 정류부(220) 사이에 연결될 수 있다. 필터부(210)는, 전원 장치(100)으로부터 입력되는 전원의 전자파 간섭(Electromagnetic interference; EMI)을 필터링할 수 있다.
정류부(220)는 전원 장치로부터 입력되는 전원을 교류에서 직류로 변환할 수 있다.
역률 개선부(230), 정류부(220) 및 변환부(240) 사이에 연결될 수 있다. 역률 개선부(230)는 정류부(220)의 출력의 역률을 개선하여 출력을 일정하게 유지할 수 있다.
변환부(240)는 정류부(220)로부터의 출력을 변환비에 따라 변환하여 배터리(300)로 출력할 수 있다. 실시예에 따라, 변환부(240)는 저전압 직류 변환기로 구현될 수 있다.
게이트 신호 생성부(250), 게이트-온 전압을 갖는 게이트 신호를 생성할 수 있다. 게이트 신호 생성부(250)는 게이트 신호를 정류부(220), 역률 개선부(230) 및 변환부(240)로 제공할 수 있다. 예컨대, 게이트 신호 생성부(250)는 게이트 신호를 정류부(220), 역률 개선부(230) 및 변환부(240)에 포함된 게이트 노드로 제공할 수 있다. 실시예에 따라, 게이트 신호 생성부(250)는 게이트 드라이버 IC(Integrated Circuit)로 구현될 수 있다.
제어부(260)는 충전 장치(200)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(260)는 게이트 신호 생성부(250)의 동작을 제어할 수 있다. 예컨대, 제어부(260)는, 게이트 신호의 듀티비를 제어하여 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation)를 수행할 수 있다.
전원부(270)는 전원 장치(100)로부터 입력되는 전원을 기초로, 게이트 신호 생성부(250) 및 제어부(260)로 동작 전원을 제공할 수 있다.
감지부(281)는 필터부(210), 정류부(220), 역률 개선부(230) 및 변환부(240) 중 적어도 하나에 대한 입력 및 출력 중 적어도 하나를 감지할 수 있다. 여기서, 입력은 입력 전류값 및 입력 전압값을 포함할 수 있고, 출력은 출력 전류값 및 출력 전압값을 포함할 수 있다. 감지부(281)는 또한, 충전 장치(200)의 동작 온도를 감지할 수 있다. 바람직한 실시예에 따라, 감지부(281)는 필터부(210)의 출력, 역률 개선부(230)의 출력 및 변환부(240)의 출력을 감지할 수 있다.
보호부(282)는 감지부(281)의 감지 결과를 기초로, 충전 장치(200)의 이상 동작 여부를 판단할 수 있다. 보호부(282)는, 충전 장치(200)가 이상 동작 중 인 것으로 판단된 경우, 전원부(270)의 동작을 제한함으로써, 충전 장치(200)를 보호할 수 있다. 예컨대, 이상 상태는, 과도 전압, 과소 전압, 과도 전류 및 과도 온도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
통신부(283)는 차량 내 다른 장치들과 통신을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 통신부(283)는 차량 내에서 호스트 컴퓨터 없이 마이크로 콘트롤러나 장치들이 서로　통신하기 위해 설계된 표준　통신　규격인 CAN 2.0B(Controller Area Network 2.0B)을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 다른, 충전 장치(200)는 사용자에게 개선된 차량 제어 인터페이스를 제공할 수 있다.
방열부(290)는 충전 장치(200)에 동작에 따라 발생한 열을 외부로 방출함으로써, 충전 장치(200)의 온도를 조절할 수 있다. 실시예에 따라, 방열부(290)는 히트 싱크(heat sink)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 방열부(290)는 평면상의 면적이 20mm*40mm인 히트 싱크를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 방열부(290)는 별도의 워터 펌프 또는 팬을 채용하지 않음으로써, 소음 및 진동 발생을 억제할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정류부(220)를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 정류부(220)는, 브리지 형태로 연결된 복수의 제1 스위치 소자들(S11 내지 S14)을 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위하여 본 명세서에서, 브리지 형태는 풀-브리지 형태인 것으로 설명되나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예에 따라, 브리지 형태는 하프-브리지 형태를 의미할 수 있다.
제1 스위치 소자들(S11 내지 S14)은 게이트 노드(G)로 입력되는 게이트 신호에 따라 동작할 수 있다. 게이트 신호는 게이트-온 전압을 가질 수 있다. 예컨대, 제1 스위치 소자들(S11 내지 S14)은 게이트 신호가 게이트 노드(G)로 입력되면 턴-온될 수 있다. 이때, 게이트 신호는, 게이트 신호 생성부(250)로부터 제공될 수 있다.
실시예에 따라, 제1 스위치 소자들(S11 내지 S14) 각각은 실리콘 트랜지스터를 포함할 수 있다. 예컨대, 실리콘 트랜지스터는 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)로 구현될 수 있다.
제1 스위치 소자(S11 내지 S14) 각각은 다이오드를 더 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 다이오드는 트랜지스터와 병렬로 연결된 별도의 소자로 구현되거나, 트랜지스터의 내부에 형성될 수 있다.
구체적으로, 정류부(220)는, 제11 스위치 소자(S11), 제12 스위치 소자(S12), 제13 스위치 소자(13) 및 제14 스위치 소자(14)를 포함할 수 있다. 이때, 제11 스위치 소자(S11)는 필터부(210)의 제1 출력 단자(O1) 및 역률 개선부(230)의 제1 입력 단자(I1) 사이에 연결될 수 있다. 제12 스위치 소자(S12)는 필터부(210)의 제2 출력 단자(O2) 및 역률 개선부(230)의 제2 입력 단자(I2) 사이에 연결될 수 있다. 제13 스위치 소자(S13)는 필터부(210)의 제2 출력 단자(O2) 및 역률 개선부(230)의 제1 입력 단자(I1) 사이에 연결될 수 있다. 제14 스위치 소자(S14)는 필터부(210)의 제1 출력 단자(O1) 및 역률 개선부(230)의 제2 입력 단자(I2) 사이에 연결될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 역률 개선부(230)를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 역률 개선부(230)는, 적어도 하나의 역률 스위치 소자(SP1 및 SP2), 역률 인덕터(LP) 및 평활 커패시터(CP)를 포함할 수 있다. 도 3에서는 제2 역률 스위치 소자(SP2)가 도시되었으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따라, 제2 역률 스위치 소자(SP2)는 다이오드 소자로 대체될 수 있다.
적어도 하나의 역률 스위치 소자(SP1 및 SP2)는 게이트 노드(G)로 입력되는 게이트 신호에 따라 동작할 수 있다. 게이트 신호는 게이트-온 전압을 가질 수 있다. 예컨대, 적어도 하나의 역률 스위치 소자(SP1 및 SP2)는 게이트 신호가 게이트 노드(G)로 입력되면 턴-온될 수 있다. 이때, 게이트 신호는, 게이트 신호 생성부(250)로부터 제공될 수 있다.
실시예에 따라, 적어도 하나의 역률 스위치 소자(SP1 및 SP2)는 고전자 이동도 트랜지스터(high electron mobility transistor; HEMT)를 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 고전자 이동도 트랜지스터란, 전자 이동도가 실리콘 트랜지스터보다 10배 이상 빨라 고속 동작에 적합한 트랜지스터를 의미한다. 여기서, 고전자 이동도 트랜지스터는 질화갈륨(Gallium Nitride; GaN) 트랜지스터로 구현될 수 있으며, 영전압 스위칭할 수 있다.
적어도 하나의 역률 스위치 소자(SP1 및 SP2)는 다이오드를 더 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 다이오드는 트랜지스터와 병렬로 연결된 별도의 소자로 구현되거나, 트랜지스터의 내부에 형성될 수 있다.
구체적으로, 역률 개선부(230)는, 제1 역률 스위치 소자(SP1), 제2 역률 스위치 소자(SP2), 역률 인덕터(LP) 및 평활 커패시터(CP)를 포함할 수 있다. 제1 역률 스위치 소자(SP1)는 정류부(220)의 제2 출력 단자(O2) 및 기준 노드(NR) 사이에 연결될 수 있다. 제2 역률 스위치 소자(SP2)는 변환부(240)의 제1 입력 단자(I1) 및 기준 노드(NR) 사이에 연결될 수 있다. 역률 인덕터(LP)는 정류부(220)의 제1 출력 단자(O1) 및 기준 노드(NR) 사이에 연결될 수 있다. 평활 커패시터(CP)는 변환부(240)의 제1 입력 단자(I1) 및 변환부(240)의 제2 입력 단자(I2) 사이에 연결될 수 있다.
역률 인덕터(LP)는 정류부(220)의 출력의 승압을 위한 것으로서, 그 양단에 전압이 걸리면 그 전압에 비례하는 기울기로 전류가 증가할 수 있다.
즉, 제1 역률 스위치 소자(SP1)가 턴-온(turn-on)되면, 역률 인덕터(LP)에 전류가 흐르고 코일에 자기장이 서서히 유기된다. 그리고, 패러데이 법칙에 의해 자기장이 증가하는 만큼 흐르는 전류가 증가한다. 이때, 기전력 방향은 유기된 자기장을 방해하려는 방향이다.
평활 커패시터(CP)는 평활을 위한 것으로서, 제1 역률 스위치 소자(SP1)가 오프(off)될 때 에너지를 저장하고 있다가, 제1 역률 스위치 소자(SP1)가 온(on)될 때 방전되어 출력을 평활시킬 수 있다.
즉, 역률 개선부(230)는 제1 역률 스위치 소자(SP1)가 온(on)되고, 제2 역률 스위치 소자(SP2)가 오프(off)되어 있는 동안, 역률 인덕터(LP)에 전류의 충전이 이루어지고, 제1 역률 스위치 소자(SP1)가 오프(off)되고, 제2 역률 스위치 소자(SP2)가 온(on)되는 동안, 역률 인덕터(LP)에 충전된 전류가 부하 측으로 전달될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 변환부(240)를 나타내는 도면이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1 정류 회로(241)를 나타내는 도면이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제2 정류 회로(242)를 나타내는 도면이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 변환부(240)는 제1 정류 회로(241), 제2 정류 회로(242), 변환 회로(243), 공진 회로(244) 및 보상 회로(245)를 포함할 수 있다.
제1 정류 회로(241)는 브리지 형태로 연결된 복수의 제2 스위치 소자들(S21 내지 S24)을 포함할 수 있다.
제2 스위치 소자들(S21 내지 S24)은 게이트 노드(G)로 입력되는 게이트 신호에 따라 동작할 수 있다. 게이트 신호는 게이트-온 전압을 가질 수 있다. 예컨대, 제2 스위치 소자들(S21 내지 S24)은 게이트 신호가 게이트 노드(G)로 입력되면 턴-온될 수 있다. 이때, 게이트 신호는, 게이트 신호 생성부(250)로부터 제공될 수 있다.
제2 스위치 소자들(S21 내지 S24) 각각은, 고전자 이동도 트랜지스터를 포함할 수 있다. 여기서, 고전자 이동도 트랜지스터는 질화갈륨(Gallium Nitride; GaN) 트랜지스터로 구현될 수 있으며, 영전압 스위칭할 수 있다.
제2 스위치 소자들(S21 내지 S24) 각각은 다이오드를 더 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 다이오드는 트랜지스터와 병렬로 연결된 별도의 소자로 구현되거나, 트랜지스터의 내부에 형성될 수 있다.
구체적으로, 제1 정류 회로(241)는, 제21 스위치 소자(S21), 제22 스위치 소자(S22), 제23 스위치 소자(23) 및 제24 스위치 소자(24)를 포함할 수 있다. 이때, 제21 스위치 소자(S21)는 역률 개선부(230)의 제1 출력 단자(O1) 및 변환 회로(243)의 제1 입력 단자(I1) 사이에 연결될 수 있다. 제22 스위치 소자(S22)는 역률 개선부(230)의 제2 출력 단자(O2) 및 변환 회로(243)의 제2 입력 단자(I2) 사이에 연결될 수 있다. 제23 스위치 소자(S23)는 역률 개선부(230)의 제1 출력 단자(O1) 및 변환 회로(243)의 제2 입력 단자(I2) 사이에 연결될 수 있다. 제24 스위치 소자(S24)는 역률 개선부(230)의 제2 출력 단자(O2) 및 변환 회로(243)의 제1 입력 단자(I1) 사이에 연결될 수 있다.
제2 정류 회로(242)는 브리치 형태로 연결된 복수의 제3 스위치 소자들(S31 내지 S34)을 포함할 수 있다.
제3 스위치 소자들(S31 내지 S34)은 게이트 노드(G)로 입력되는 게이트 신호에 따라 동작할 수 있다. 게이트 신호는 게이트-온 전압을 가질 수 있다. 예컨대, 제3 스위치 소자들(S31 내지 S34)은 게이트 신호가 게이트 노드(G)로 입력되면 턴-온될 수 있다. 이때, 게이트 신호는, 게이트 신호 생성부(250)로부터 제공될 수 있다.
제3 스위치 소자들(S31 내지 S34) 각각은, 저발열 실리콘 트랜지스터를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 저발열 실시콘 트랜지스터는, 일반적인 실리콘 트랜지스터보다 발열 성능이 개선된 트랜지스터를 의미할 수 있다. 제3 스위치 소자들(S31 내지 S34) 각각은 다이오드를 더 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 다이오드는 트랜지스터와 병렬로 연결된 별도의 소자로 구현되거나, 트랜지스터의 내부에 형성될 수 있다.
구체적으로, 제2 정류 회로(242)는, 제31 스위치 소자(S31), 제32 스위치 소자(S32), 제33 스위치 소자(33) 및 제34 스위치 소자(34)를 포함할 수 있다. 이때, 제31 스위치 소자(S31)는 변환 회로(243)의 제1 출력 단자(O1) 및 배터리(300)의 제1 입력 단자(I1) 사이에 연결될 수 있다. 제32 스위치 소자(S32)는 변환 회로(243)의 제2 출력 단자(O2) 및 배터리(300)의 제2 입력 단자(I1) 사이에 연결될 수 있다. 제33 스위치 소자(S33)는 변환 회로(243)의 제2 출력 단자(O2) 및 배터리(300)의 제1 입력 단자(I1) 사이에 연결될 수 있다. 제34 스위치 소자(S34)는 변환 회로(243)의 제1 출력 단자(O1) 및 배터리(300)의 제2 입력 단자(I2) 사이에 연결될 수 있다.
변환 회로(243)는 제1 정류 회로(241) 및 제2 정류 회로(242) 사이에 연결될 수 있다. 변환 회로(243)는 제1 단의 제1 권선수(N1) 및 제2 단의 제2 권선수(N2)의 비율을 나타내는 권선비에 기초한 변환비에 따라 입력 전압을 변환하여 출력 전압을 출력할 수 있다.
공진 회로(244)는 제1 정류 회로(241) 및 변환 회로(243) 사이에 연결될 수 있다. 공진 회로(244)는 제1 공진 인덕터(LR1), 제2 공진 인덕터(LR2) 및 공진 캐패시터(CR)를 포함할 수 있다. 예컨대, 게이트 신호 생성부(250)는 제1 공진 인덕터(LR1), 제2 공진 인덕터(LR2) 및 공진 캐패시터(CR)에 결정되는 공진 주파수와 동일한 동작 주파수에 따라 게이트 신호를 제공할 수 있다.
보상 회로(245)는 제2 정류 회로(242) 및 배터리(300) 사이에 연결될 수 있다. 보상 회로(245)는 보상 인덕터(LC) 및 보상 커패시터(CC)를 포함할 수 있다. 보상 인덕터(LC)는 배터리(300)로의 출력 전류를 보상할 수 있고, 보상 커패시터(CC)는 배터리(300)로의 출력 전압을 보상할 수 있다.
본 발명의 배터리 충전기는 고전자 이동도 트랜지스터를 이용하여 발열을 최소화하고, 사이즈를 감소시키며, 고전력 밀도를 실현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 배터리 충전기는 고전자 이동도 트랜지스터의 고온 특성, 고내압성, 대전류 밀도를 이용하여 고신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 배터리 충전기는 냉각에 따른 소음 및 진동 발생을 억제하고, 제조 비용을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 배터리 충전기는 차량 통신 CAN 2.0B를 이용하여 유지 보수를 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 배터리 충전기는 Ga-N(Gallium Nitride) HEMT(High Electron Mobility　Transistor) 스위치 소자를 포함한 저전압 직류 변환기(Low-voltage DC-DC Converter, LDC)를 이용하여 낮은 전압에서도 고효율을 유지하고, 응답특성이 개선되면서, 스위칭 손실이 적은 효과가 있다.
이상 본 명세서에서 설명한 기능적 동작과 본 주제에 관한 실시형태들은 본 명세서에서 개시한 구조들 및 그들의 구조적인 등가물을 포함하여 디지털 전자 회로나 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어 또는 하드웨어에서 또는 이들 중 하나 이상이 조합에서 구현 가능하다.
본 명세서에서 기술하는 주제의 실시형태는 하나 이상이 컴퓨터 프로그램 제품, 다시 말해 데이터 처리 장치에 의한 실행을 위하여 또는 그 동작을 제어하기 위하여 유형의 프로그램 매체 상에 인코딩되는 컴퓨터 프로그램 명령에 관한 하나 이상이 모듈로서 구현될 수 있다. 유형의 프로그램 매체는 전파형 신호이거나 컴퓨터로 판독 가능한 매체일 수 있다. 전파형 신호는 컴퓨터에 의한 실행을 위하여 적절한 수신기 장치로 전송하기 위한 정보를 인코딩하기 위하여 생성되는 예컨대 기계가 생성한 전기적, 광학적 또는 전자기 신호와 같은 인공적으로 생성된 신호이다. 컴퓨터로 판독 가능한 매체는 기계로 판독 가능한 저장장치, 기계로 판독 가능한 저장 기판, 메모리 장치, 기계로 판독 가능한 전파형 신호에 영향을 미치는 물질의 조합 또는 이들 중 하나 이상이 조합일 수 있다.
컴퓨터 프로그램(프로그램, 소프트웨어, 소프트웨어 어플리케이션, 스크립트 또는 코드로도 알려져 있음)은 컴파일되거나 해석된 언어나 선험적 또는 절차적 언어를 포함하는 프로그래밍 언어의 어떠한 형태로도 작성될 수 있으며, 독립형 프로그램이나 모듈, 컴포넌트, 서브루틴 또는 컴퓨터 환경에서 사용하기에 적합한 다른 유닛을 포함하여 어떠한 형태로도 전개될 수 있다.
컴퓨터 프로그램은 파일 장치의 파일에 반드시 대응하는 것은 아니다. 프로그램은 요청된 프로그램에 제공되는 단일 파일 내에, 또는 다중의 상호 작용하는 파일(예컨대, 하나 이상이 모듈, 하위 프로그램 또는 코드의 일부를 저장하는 파일) 내에, 또는 다른 프로그램이나 데이터를 보유하는 파일의 일부(예컨대, 마크업 언어 문서 내에 저장되는 하나 이상이 스크립트) 내에 저장될 수 있다.
컴퓨터 프로그램은 하나의 사이트에 위치하거나 복수의 사이트에 걸쳐서 분산되어 통신 네트워크에 의해 상호 접속된 다중 컴퓨터나 하나의 컴퓨터 상에서 실행되도록 전개될 수 있다.
부가적으로, 본 특허문헌에서 기술하는 논리 흐름과 구조적인 블록도는 개시된 구조적인 수단의 지원을 받는 대응하는 기능과 단계의 지원을 받는 대응하는 행위 및/또는 특정한 방법을 기술하는 것으로, 대응하는 소프트웨어 구조와 알고리즘과 그 등가물을 구축하는 데에도 사용 가능하다.
본 명세서에서 기술하는 프로세스와 논리 흐름은 입력 데이터 상에서 동작하고 출력을 생성함으로써 기능을 수행하기 위하여 하나 이상이 컴퓨터 프로그램을 실행하는 하나 이상이 프로그래머블 프로세서에 의하여 수행 가능하다.
컴퓨터 프로그램의 실행에 적합한 프로세서는, 예컨대 범용 및 특수 목적의 마이크로프로세서 양자 및 어떤 형태의 디지털 컴퓨터의 어떠한 하나 이상이 프로세서라도 포함한다. 일반적으로, 프로세서는 읽기 전용 메모리나 랜덤 액세스 메모리 또는 양자로부터 명령어와 데이터를 수신할 것이다.
컴퓨터의 핵심적인 요소는 명령어와 데이터를 저장하기 위한 하나 이상이 메모리 장치 및 명령을 수행하기 위한 프로세서이다. 또한, 컴퓨터는 일반적으로 예컨대 자기, 자기 광학 디스크나 광학 디스크와 같은 데이터를 저장하기 위한 하나 이상이 대량 저장 장치로부터 데이터를 수신하거나 그것으로 데이터를 전송하거나 또는 그러한 동작 둘 다를 수행하기 위하여 동작가능 하도록 결합되거나 이를 포함할 것이다. 그러나, 컴퓨터는 그러한 장치를 가질 필요가 없다.
본 기술한 설명은 본 발명의 최상의 모드를 제시하고 있으며, 본 발명을 설명하기 위하여, 그리고 당업자가 본 발명을 제작 및 이용할 수 있도록 하기 위한 예를 제공하고 있다. 이렇게 작성된 명세서는 그 제시된 구체적인 용어에 본 발명을 제한하는 것이 아니다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
10: 배터리 충전 시스템 100: 전원 장치
200: 충전 장치 210: 필터부
220: 정류부 230: 역률 개선부
240: 변환부 250: 게이트 신호 생성부
260: 제어부 270: 전원부
281: 감지부 282: 보호부
283: 통신부 290: 방열부
300: 배터리

Claims (15)

  1. 전원 장치으로부터 입력되는 전원을 교류에서 직류로 변환하기 위한 정류부; 및
    상기 정류부로부터 출력을 변환비에 따라 변환하여 배터리로 출력하기 위한 변환부를 포함하고,
    상기 정류부는, 브리지 형태로 연결된 복수의 제1 스위치 소자들을 포함하고,
    상기 변환부는,
    브리지 형태로 연결된 복수의 제2 스위치 소자들을 포함하는 제1 정류 회로;
    브리지 형태로 연결된 복수의 제3 스위치 소자들을 포함하는 제2 정류 회로; 및
    상기 제1 정류 회로 및 상기 제2 정류 회로 사이에 연결되며, 권선비에 기초한 변환비에 따라 입력 전압을 변환하여 출력 전압을 출력하는 변환 회로를 포함하고,
    상기 제2 스위치 소자는, 고전자 이동도 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    충전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치 소자는, 실리콘 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    충전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제3 스위치 소자는, 저발열 실리콘 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    충전 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고전자 이동도 트랜지스터는, 질화갈륨 트랜지스터인 것을 특징으로 하는,
    충전 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전원 장치 및 상기 정류부 사이에 연결되며, 상기 전원 장치으로부터 입력되는 상기 전원의 전자파 간섭을 필터링하기 위한 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    충전 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 정류부 및 상기 변환부 사이에 연결되며, 상기 정류부의 출력의 역률을 개선하여 출력을 일정하게 유지하기 위한 역률 개선부를 더 포함하고,
    상기 역률 개선부는,
    상기 역률 개선부의 동작을 제어하기 위한 적어도 하나의 역률 스위치 소자; 및
    상기 역률 개선부의 출력을 평활시키기 위한 평활 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    충전 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 역률 스위치 소자는, 상기 고전자 이동도 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    충전 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    게이트-온 전압을 갖는 게이트 신호를 생성하며, 상기 제1 스위치 소자, 상기 제2 스위치 소자, 상기 제3 스위치 소자 및 상기 역률 스위치 소자의 게이트 노드로 상기 게이트 신호를 제공하기 위한 게이트 신호 생성부;
    상기 게이트 신호 생성부의 동작을 제어하기 위한 제어부; 및
    상기 전원 장치으로부터 입력되는 전원을 기초로, 상기 게이트 신호 생성부 및 상기 제어부로 동작 전원을 제공하기 위한 전원부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    충전 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 게이트 신호의 듀티비를 제어하여 펄스 폭 변조를 수행하는 것을 특징으로 하는,
    충전 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 필터부, 상기 정류부, 상기 역률 개선부 및 상기 변환부 중 적어도 하나에 대한 입력 및 출력 중 어느 하나를 감지하기 위한 감지부; 및
    상기 감지부의 감지 결과를 기초로, 과도 전압, 과소 전압, 과도 전류 및 과도 온도 중 적어도 하나를 판단하여 상기 전원부의 동작을 제한하기 위한 보호부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    충전 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    차량내 다른 장치와 통신을 수행하기 위한 통신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    충전 장치.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 제1 스위치 소자, 상기 제2 스위치 소자, 상기 제3 스위치 소자 및 상기 역률 스위치 소자 각각은,
    상기 트랜지스터 각각에 병렬로 연결된 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    충전 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    전기차의 상기 배터리를 충전하기 위하여, 상기 전기차 내부에 설치된 온-보드 충전기로 구현되는 것을 특징으로 하는,
    충전 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스위치 소자는, 영전압 스위칭하는 것을 특징으로 하는,
    충전 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    출력 용량이 2kW 이상인 것을 특징으로 하는,
    충전 장치.
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