KR20220029301A - 단일단 교류 직류 변환기 - Google Patents

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Abstract

본 기술은 단일단 교류 직류 변환기가 개시된다. 본 발명의 구체적인 예에 따르면, 소자 수 및 필름 캐패시터로 구비된 AC-DC 단일단 듀얼 액티브 브리지(DAB: Dual Active Bridge) 회로에서 절연 변압기의 2차측의 중앙텝에 배터리를 연결함에 따라 배터리 전압을 토대로 링크전압 제어가 이루어지고 이에 넓은 입출력 범위의 동작에서도 충전 효율을 향상시킬 수 있고, 이에 구성이 간단하면서도 효과적으로 스위치 및 수동소자 개수를 감소시킬 수 있어 가격과 부피 측면에서 장점을 얻을 수 있고, 하나의 단일 충전기로 차량용 배터리 충전기 뿐 만 아니라 PV응용의 ESS에도 적용할 수 있어 넓은 범용성을 가질 수 있다.

Description

단일단 교류 직류 변환기{ SINGLE STAGE AC-DC CONVERTER}
본 발명은 단일단 교류 직류 변환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기자동차용 배터리 및 가정용 ESS가 충전이 가능한 하이브리드 충전기의 가격 및 부피를 감소시키고 충전 효율을 향상시킬 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.
최근 전기자동차의 시장이 본격적으로 활성화됨에 따라, 전기자동차 충전기의 고출력, 고효율과 고전력밀도가 주목을 받고 있다. 전기자동차용 배터리의 가격 하락과 에너지밀도의 상승으로 배터리의 용량이 증가하는 추세이다.
이에 따라 전기자동차 고전압 충전기의 용량도 초기에 Level 1 인 3.3kW가 사용되었으나 최근에는 Level 2 인 단상 6.6kW급, 3상 11kW급이 주류를 이루고 있으며, 향후 22kW이상으로 증가할 전망이다. 전기자동차 배터리 충전기의 용량이 증가함에 따라 전체 시스템의 가격 및 부피가 커지게 되고 이는 전기자동차의 연비를 낮추게 되고 전기자동차 내부의 많은 부피를 차지하게 된다. 이에 따라 전기자동차 탑재형 충전기의 고전력화가 가속됨에 따라 소형, 경량 및 효율적인 탑재형 충전기가 요구된다.
가장 일반적인 구조로는 modular 2-stage 구조로 현재 널리 사용되는 형태이나, 많은 소자수로 인한 전력밀도 및 효율의 한계가 있으며 전해용 커패시터 사용으로 인해 신뢰도가 낮다는 문제가 있다. 또 다른 non-modular 2-stage 구조는 modular 구조에 비해 적은 소자수를 가지나 단/삼상 동작 시 고용량 고전압의 전해용 커패시터를 사용해야 하며, 이는 전체 부피의 35%이상을 차지한다.
이러한 종래의 회로적 한계로 인해 최근에는 단일단 구조의 회로가 제안되었다. 이러한 단일 구조의 회로는 높은 효율 및 전력밀도를 달성하였으며 전해 캡을 사용하지 않아 신뢰성 역시 높다. 그러나 듀얼 액티브 브리지 회로의 특성상 넓은 입출력 전압범위에서 성능이 좋지 않아 추가적인 제어 및 회로가 요구된다.
그러나, 듀얼 액티브 브리지 회로의 경우 많은 소자 수로 인한 효율 감소, 전해 커패시터 사용으로 인한 신뢰성 감소하고 고용량, 고전압의 전해커패시터를 사용함으로 고전력 밀도 달성이 어려운 한계에 도달하였고, 넓은 입출력 전압범위에서 충전 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 소자 수 및 필름 캐패시터로 구비된 AC-DC 단일단 듀얼 액티브 브리지(DAB: Dual Active Bridge) 회로에서 절연 변압기의 2차측의 중앙텝에 배터리를 연결함에 따라 배터리 전압을 토대로 링크전압 제어가 이루어지고 이에 넓은 입출력 범위의 동작에서도 충전 효율을 향상시킬 수 있는 단일단 교류 직류 변환기를 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단일단 교류 직류 변환기는,
외부로부터 공급되는 교류 전원을 직류 형태로 변환하는 인버터;
상기 직류 변환부의 출력 전원을 DC 링크시켜 DC 링크 전압을 출력하는 직류 링크부;
상기 직류 링크부의 출력 전원을 직류 전압으로 변환하는 직류 변환부;
상기 직류 변환부의 직류 전압을 필터링시키는 필터부;
상기 공진부의 공진 주파수 형태의 출력신호를 통과시키는 절연용 변압부;
상기 절연용 변압부의 2차측 입력텝과 출력텝 사이에 접속되어 절연용 변압부의 승압된 직류 전압을 직류 형태로 변환한 다음 변환된 저압 직류 전압을 ESS에 충전하는 DC-DC 변환부; 및
상기 절연용 변압부의 2차측 중간텝의 출력 전압을 승압한 다음 승압된 고압 직류 전압을 전기차량용 배터리에 충전하는 벅 변환부를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게 배터리 및 ESS 통합 단일단 충전기는 상기 벅 변환부의 출력단에 접속되고 승압된 고압 직류 전압을 감압하여 고압용 배터리에 충전하는 부스트 변환부를 더 포함할 수 있다.
이러한 특징에 따르면, 소자 수 및 필름 캐패시터로 구비된 AC-DC 단일단 듀얼 액티브 브리지(DAB: Dual Active Bridge) 회로에서 절연 변압기의 2차측의 중앙텝에 배터리를 연결함에 따라 배터리 전압을 토대로 링크전압 제어가 이루어지고 이에 넓은 입출력 범위의 동작에서도 충전 효율을 향상시킬 수 있고, 이에 구성이 간단하면서도 효과적으로 스위치 및 수동소자 개수를 감소시킬 수 있어 가격과 부피 측면에서 장점을 얻을 수 있다.
또한 일 실시예의 배터리 및 ESS 통합 단일단 충전기는 하나의 단일 충전기로 차량용 배터리 충전기 뿐 만 아니라 PV응용의 ESS에도 적용할 수 있어 넓은 범용성을 가지는 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일 실시예에 적용되는 배터리 전압 기준의 부스트 회로이다.
도 2는 일 실시예가 적용되는 벅-부스트 회로도이다.
도 3은 일 실시예의 부스트 회로가 적용된 단일단 교류 직류 변환기를 보인 도이다.
도 4는 일 실시예의 벅 부스트 회로가 적용된 단일단 교류 직류 변환기를 보인 도이다.
도 5 내지 도 8은 일 실시예의 단일단 교류 직류 변환기의 다른 예시도들이다.
도 9는 도 8의 단일단 교류 직류 변환기의 제어기의 구성도이다.
도 10은 도 9의 단일단 교류 직류 변환기의 각 출력 파형도이다.
도 11은 도 8의 단일단 교류 직류 변환기의 제어기의 다른 구성도이다.
도 12는 도 11의 단일단 교류 직류 변환기의 각 출력 파형도이다.
도 13은 일 실시예의 벅 회로의 구성을 보인 예시도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.
따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 일 실시예의 단일단 교류 직류 변환기에 대해 설명한다.
도 1은 일 실시예가 적용되는 부스트 회로를 보인 도이고, 도 2는 일 실시예가 적용되는 벅 부스트 회로이며, 도 3은 도 1의 부스트 회로의 배터리 및 ESS 통합 단일단 충전기이고, 도 4는 도 2의 벅 부스트 회로의 배터리 및 ESS 통합 단일단 충전기이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 배터리 및 ESS 통합 단일단 충전기(S)는 인버터(10), 직류 링크부(20), 직류 변환부(30), 필터부(40), 절연용 변압부(50), DC-DC 변환부(60), 벅 변환부(70), 및 부스트 변환부(80)을 포함할 수 있다.
여기서, 인버터(10)는 교류 전원 Vg의 입출력단에 각각 접속되는 다수의 스위칭 소자 S1~S4로 구비되고, 스위칭 소자 S1~S4는 상보적으로 스위칭되어 외부로부터 공급되는 교류 전원을 직류 형태로 변환한다.
그리고, 직류 링크부(20)는 스위칭 소자 S1~S4의 입력단과 출력단 사이에 접속된 캐패시터 Cc로 구비되고, 직류 전원을 DC 링크시켜 DC 링크 전압 Vcc를 출력한다.
직류 전압 Vcc는 직류 변환부(30)로 전달되며, 직류 변환부(30)는 DC 링크 전압 및 외부로부터 공급되는 제어신호에 의거 스위칭되는 다수의 스위칭 소자 S5 ~S8로 구비되고, 수신된 DC 링크 전압 Vcc를 직류 전압으로 변환하고 변환된 직류 전압은 필터부(40)의 입력단과 출력단 사이에 전달된다.
여기서, 스위칭 소자 S5 ~S8는 외부로부터 공급되는 제어신호에 의거 상호 상보적으로 스위칭되어 직류 전압을 출력한다.
필터부(40)는 LL 회로로 구비되어 LL 회로에 의해 필터된 직류 전압을 절연용 변압부(50)로 제공되며, 절연용 변압부(50)는 필터부(40)의 출력단에 1차측이 연결되어 제공받은 직류 전압을 2차측으로 전달하고 전달된 직류 전압을 DC-DC 변환부(60)로 전달된다.
이에 DC-DC 변환부(60)는 절연용 변압부(50)의 2차측 입력단과 출력단 사이에 설치된 다수의 스위칭 소자 S9~S12로 구비되고, 수신된 절연용 변압부(60)의 출력 전원을 직류 전압으로 변환하고, 이때 다수의 스위칭 소자 S9~S12는 외부로부터 공급되는 제어신호에 의거 상보적으로 스위칭 동작한다.
그리고 일 례로, DC-DC 변환부(60)의 출력 전압은 저압용 캐패시터 Ce에 의거 충전된다.
다른 례로, 도 3에 도시된 바와 같이, 저압용 캐패시터 Ce는 ESS의 충전용으로 사용될 수 있다.
한편, 벅 변환부(70)는 절연용 변압부(50)의 2차측 중간텝에 접속되어 절연용 변압부(50)의 출력 전압을 배터리의 용량에 따라 승압용 인덕터 Li로 구비되고, 인덕터 Li의 출력 전압 VBAT은 전기 차량용 배터리에 충전된다.
도 2를 참조하면, 부스트 변환부(90)는 벅 변환부(70)의 인덕터 Li의 출력단에 스위칭 소자 S13, S14가 접속되고, 스위칭 소자 S13, S14는 외부로부터 공급되는 제어신호에 의거 상보적으로 스위치 동작하고, 일 례로 승압된 인덕터 Li의 출력 전압은 감압되어 감압된 스위칭 소자 S13, S14의 출력 전압은 고압용 배터리에 충전될 수 있다.
다른 례로, 고압용 배터리는 도 4를 참조하면 전기 차량용 배터리일 수 있다.
따라서, 일 실시 예에 의거하면, 소자 수 및 필름 캐패시터로 구비된 AC-DC 단일단 듀얼 액티브 브리지(DAB: Dual Active Bridge) 회로에서 절연 변압기의 2차측의 중앙텝에 배터리를 연결함에 따라 배터리 전압을 토대로 링크전압 제어가 이루어지고 이에 넓은 입출력 범위의 동작에서도 충전 효율을 향상시킬 수 있고, 이에 구성이 간단하면서도 효과적으로 스위치 및 수동소자 개수를 감소시킬 수 있어 가격과 부피 측면에서 장점을 얻을 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 벅 컨버터(70)의 다른 예시도로서, 도 5를 참조하면, DC-DC 변환부(60)의 출력 전압은 저압용 캐패시터 Ce에 의해 충전되고 충전 전압은 각 변압기의 2차측에 접속된 인덕터 L1, L2에 의거 감압(벅)되어 배터리에 충전된다.
도 6은 도 1에 도시된 부스트 컨버터(80)의 다른 예시도로서, 도 6을 참조하면, DC-DC 변환부(60)의 출력 전압은 베터리 Vbat에 충전되고 태양광 모듈에 의거 생성된 전압 Vpv는 각 변압기의 2차측에 접속된 인덕터 L1, L2에 의거 승압(부스트)되어 배터리 Vbat에 충전한다.
도 7은 도 6에 도시된 부스트 컨버터(80)의 다른 예시도로서, 도 7을 참조하면, DC-DC 변환부(60)의 출력 전압은 배터리 Vbat에 충전되고, 태양광 모듈에 의거 생성된 전압 Vpv는 각 변압기의 중간텝에 접속된 인덕터 L1에 의거 승압(부스트)되어 배터리 Vbat에 충전된다.
도 8은 도 5에 도시된 벅 컨버터(70)의 다른 예시도로서, 도 8을 참조하면, DC-DC 변환부(60)의 출력 전압 Vcc은 부스트되어 베터리 Vbat에 충전되고, 태양광 모듈에서 생성된 제1 전압 g는 변압기의 2차측의 입력단에 접속되는 인덕터 L1과 스위칭 소자 S13, S14에 의거 감압(벅)되어 배터리 Vbat에 충전된다.
그에 더하여 태양광 모듈에서 생성된 제2 전압 h는 변압기의 2차측의 출력단에 접속되는 인덕터 L2과 스위칭 소자 S15, S16에 의거 감압(벅)되어 배터리 Vbat에 충전된다.
도 9 및 도 10은 도 8에 도시된 단일단 교류 직류 변환기의 제어부의 구성을 보인 도면으로서, 도 9 및 도 10을 참조하면, DC-DC 변환부(60)의 출력 전압 Vcc를 DC 형태로 변환한 다음 충전한다.
도 11 및 도 12는 도 8에 도시된 단일단 교류 직류 변환기의 제어부의 다른 구성을 보인 도면으로서, 도 11 및 도 12을 참조하면, DC-DC 변환부(60)의 출력 전압 Vcc를 AC 형태로 변환한 다음 AC를 DC 형태로 변환한 후 배터리에 충전한다.
도 13은 도 5에 도시된 벅 컨버터(70)의 다른 예시도로서, 도 9를 참조하면, C-DC 변환부(60)의 출력 전압은 부스트되어 베터리 Vbat에 충전되고, 태양광 모듈에서 생성된 제1 전압 g는 변압기의 2차측의 중간텝에 접속되는 인덕터 L1과 스위칭 소자 S13, S14에 의거 감압(벅)되어 배터리 Vbat에 충전된다.
그에 더하여 태양광 모듈에서 생성된 제2 전압 h는 변압기의 2차측의 중간텝에 접속되는 인덕터 L2과 스위칭 소자 S15, S16에 의거 감압(벅)되어 배터리 Vbat에 충전된다.
따라서, 일 실시예의 배터리 및 ESS 통합 단일단 충전기는 하나의 충전기로 차량용 배터리 충전기 뿐 만 아니라 PV응용의 ESS에도 적용할 수 있어 단일 충전기로 배터리와 ESS의 하이브리드 충전기로 작동하여 넓은 범용성을 가진다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
소자 수 및 필름 캐패시터로 구비된 AC-DC 단일단 듀얼 액티브 브리지(DAB: Dual Active Bridge) 회로에서 절연 변압기의 2차측의 중앙텝에 배터리를 연결함에 따라 배터리 전압을 토대로 링크전압 제어가 이루어지고 이에 넓은 입출력 범위의 동작에서도 충전 효율을 향상시킬 수 있고, 이에 구성이 간단하면서도 효과적으로 스위치 및 수동소자 개수를 감소시킬 수 있어 가격과 부피 측면에서 장점을 얻을 수 있고, 하나의 단일 충전기로 차량용 배터리 충전기 뿐 만 아니라 PV응용의 ESS에도 적용할 수 있어 넓은 범용성을 가지는 단일단 교류 직류 변환기에 대한 운용의 정확성 및 신뢰도 측면, 더 나아가 성능 효율 면에 매우 큰 진보를 가져올 수 있으며, 배터리 및 ESS 충전이 가느한 단일 충전기의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.

Claims (2)

  1. 외부로부터 공급되는 교류 전원을 직류 형태로 변환하는 인버터;
    상기 직류 변환부의 출력 전원을 DC 링크시켜 DC 링크 전압을 출력하는 직류 링크부;
    상기 직류 링크부의 출력 전원을 직류 전압으로 변환하는 직류 변환부;
    상기 직류 변환부의 직류 전압을 필터링시키는 필터부;
    상기 공진부의 공진 주파수 형태의 출력신호를 통과시키는 절연용 변압부;
    상기 절연용 변압부의 2차측 입력텝과 출력텝 사이에 접속되어 절연용 변압부의 승압된 직류 전압을 직류 형태로 변환한 다음 변환된 저압 직류 전압을 ESS에 충전하는 DC-DC 변환부; 및
    상기 절연용 변압부의 2차측 중간텝의 출력 전압을 승압한 다음 승압된 고압 직류 전압을 전기차량용 배터리에 충전하는 벅 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일단 교류 직류 변환기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단일단 교류 직류 변환기는
    상기 벅 변환부의 출력단에 접속되고 승압된 고압 직류 전압을 감압하여 고압용 배터리에 충전하는 부스트 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일단 교류 직류 변환기.
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