KR20230015172A - 최적 주파수에서 작동 가능한 llc 공진 컨버터 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

최적 주파수에서 작동 가능한 llc 공진 컨버터 제어 장치 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 LLC 공진 컨버터의 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것으로서, 입력단에 연결되며 브릿지 회로를 구성하는 복수 개의 스위칭 소자를 포함하고, 풀브리지 형태와 하프브리지 형태의 토폴로지 전환이 가능한 컨버터 및 상기 컨버터에 의해 전력을 전달받아 충전되는 배터리의 충전측정값을 검출하고, 상기 충전측정값에 기반하여 상기 컨버터의 토폴로지를 전환하는 제어부를 포함하여, 배터리의 충전측정값에 따라 컨버터의 토폴로지를 전환하여 배터리의 충전을 수행함으로써 최적화된 주파수로 LLC 공진 컨버터를 제어할 수 있고, 효율이 상승되며, 원가 절감 효과를 갖는 LLC 공진 컨버터의 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

Description

최적 주파수에서 작동 가능한 LLC 공진 컨버터 제어 장치 및 제어 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING LLC RESONANCE CONVERTER}
본 발명은 LLC 공진 컨버터 제어 장치 및 이의 제어 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 최적 주파수에서 동작 가능하도록 토폴로지 변경이 가능한 LLC 공진 컨버터 제어 장치 및 이의 제어 방법에 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. 이러한 LLC 공진 컨버터로서 FB(full bridge) LLC 컨버터 구조가 많이 사용된다.
한편, 종래 기술에 따르는 FB LLC 컨버터는 링크 커패시터의 최저/최대 전압, 고전압 배터리의 전압 범위 및 충전 전류, MCU 메모리 제약에 따른 컨버터의 최대 스위칭 주파수 등의 제약 조건에 의해, 최적의 스위칭 주파수에서 동작할 수 없는 문제점이 있다.
상기 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2008420 B1
컨버터에 의해 전환된 전압을 인가받아 충전되는 배터리의 충전된 전압량을 나타내는 충전상태값을 측정하고, 이에 기반하여 컨버터의 토폴로지를 전환하여 배터리의 충전상태값에 따라 컨버터가 최적의 주파수를 이용하여 동작할 수 있도록 함으로써 제어 정밀도가 향상되고, 효율이 상승하며, 더 넓은 동작 범위를 가질 수 있어 원가 절감 효과를 갖는 LLC 공진 컨버터의 제어 장치 및 제어 방법을 제공하는 데에 있다. 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 컨버터 제어 장치는 입력단에 연결되며 브릿지 회로를 구성하는 복수 개의 스위칭 소자를 포함하고, 풀브리지 형태와 하프브리지 형태의 토폴로지 전환이 가능한 컨버터; 및 상기 컨버터에 의해 전력을 전달받아 충전되는 배터리의 충전측정값을 검출하고, 상기 충전측정값에 기반하여 상기 컨버터의 토폴로지를 전환하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 충전측정값에 기반하여 상기 복수 개의 스위칭 소자의 온오프를 제어함으로써 상기 컨버터의 토폴로지를 전환할 수 있다.
상기 제어부는 상기 검출된 충전측정값이 기준전압 보다 낮을시에는 상기 컨버터의 토폴로지를 하프브리지 형태로 전환할 수 있다.
상기 제어부는 상기 검출된 충전측정값이 기준전압과 같거나 상기 기준전압보다 큰 경우에는 상기 컨버터의 토폴로지를 풀브리지 형태로 전환할 수 있다.
상기 복수 개의 스위칭 소자는 상기 입력단의 제1 레그에 직렬연결되는 제1 스위치 및 제3 스위치, 상기 입력단의 제2 레그에 직렬연결되는 제2 스위치 및 제4 스위치를 포함하고, 상기 컨버터는 일단이 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치 사이의 제1 레그에 연결되고, 타단이 상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 제2 레그에 연결되며, 상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭에 의해 형성된 전력을 제공받아 공진하는 공진 탱크; 및 상기 복수 개의 스위칭 소자와 상기 공진 탱크 사이에 결합하는 복수 개의 릴레이를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 충전측정값에 기반하여 상기 복수 개의 릴레이의 동작을 제어함으로써 상기 컨버터의 토폴로지를 전환할 수 있다.
상기 복수 개의 릴레이는, 일단이 상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 제2 레그에 연결되고, 상기 제어부의 제어에 따라 타단이 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치 사이의 제1 레그에 연결되는 제1 위치 또는 상기 공진 탱크의 타단에 연결되는 제2 위치에 결합 가능한 제1 릴레이; 및 일단이 상기 공진 탱크의 타단에 연결되고, 상기 제어부의 제어에 따라 타단이 상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 제2 레그에 연결되는 제3 위치 및 상기 제3 스위치 및 제4 스위치 사이에 연결되는 제4 위치에 결합 가능한 제2 릴레이를 포함할 수 있다.
상기 제어부에 의해 상기 제1 릴레이의 타단이 제2 위치에 결합되고, 상기 제2 릴레이의 타단이 제3 위치에 결합됨으로써 상기 컨버터는 풀브리지 형태의 토폴로지를 가질 수 있고, 상기 제어부에 의해 상기 제1 릴레이의 타단이 제1 위치에 결합하고, 상기 제2 릴레이의 타단이 제4 위치에 결합됨으로써 상기 컨버터는 하프브리지 형태의 토폴로지를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 컨버터의 제어 방법은 배터리의 충전측정값을 검출하는 단계; 상기 검출된 충전측정값에 기반하여 상기 배터리를 충전하기 위한 전력을 전달하는 컨버터의 토폴로지를 전환하는 단계에 의해 수행된다.
상기 컨버터의 토폴로지는 풀브리지(full bridge) 형태 또는 하프브리지(half bride) 형태를 가질 수 있다.
상기 컨버터의 토폴로지를 전환하는 단계는 상기 컨버터의 입력단에 배치된 복수 개의 스위치의 온오프를 제어하는 것에 의해 수행될 수 있다.
컨버터의 토폴로지를 전환하는 단계는 상기 검출된 충전측정값이 기준전압 보다 낮을시에는 상기 컨버터의 토폴로지를 하프브리지 형태로 전환할 수 있다.
컨버터의 토폴로지를 전환하는 단계는 상기 검출된 충전측정값이 상기 기준전압과 같거나 상기 기준전압보다 큰 경우에는 상기 컨버터의 토폴로지를 풀브리지 형태로 전환할 수 있다.
상기 컨버터는 공진주파수 보다 작은 스위칭주파수로 동작할 수 있다.
상기 컨버터는 상기 검출된 충전측정값이 상기 기준전압과 같은 경우 공진주파수와 같은 스위칭주파수로 동작하고, 상기 기준전압보다 큰 경우에는 상기 공진주파수 보다 작은 스위칭주파수로 동작할 수 있다.
상기 컨버터의 토폴로지를 전환하는 단계는 상기 컨버터의 입력단에 배치된 복수 개의 릴레이의 온오프를 제어함으로써 수행될 수 있다.
컨버터에 의해 전환된 전압을 인가받아 충전되는 배터리의 충전된 전압량을 나타내는 충전상태값을 측정하고, 이에 기반하여 컨버터의 토폴로지를 전환하여 배터리의 충전상태값에 따라 컨버터가 최적의 주파수를 이용하여 동작할 수 있도록 함으로써 제어 정밀도가 향상되고, 효율이 상승하며, 더 넓은 동작 범위를 가질 수 있어 원가가 절감되는 기술적 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진 컨버터의 제어 장치의 구성도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진 컨버터의 동작을 도시한 도면이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 릴레이가 추가된 LLC 공진 컨버터를 도시한 도면이다.
도 4a, 4b, 및 4c는 도 3에 도시된 LLC 공진 컨버터의 동작의 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진 컨버터의 제어 방법의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 LLC 공진 컨버터의 제어 방법의 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진 컨버터의 동작을 도시한 표이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
본 발명은 배터리에 충전된 전압의 양을 나타내는 충전상태값을 검출하고 이에 따라 LLC 공진 컨버터의 토폴로지를 제어하는 장치 및 제어 방법으로서, 이하에서는 이것을 간략하게 각각“컨버터 제어 장치”및 “컨버터 제어 방법”으로 호칭할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진 컨버터의 제어 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터 제어 장치는 컨버터(110) 및 제어부(120)로 구성된다.
컨버터(110)는 외부의 교류 전력의 역률을 보상하여 직류로 출력하는 역률 보정 회로(미도시)의 직류 출력을 배터리(130)의 직류 충전 전압으로 변환한다. 본 발명의 실시예에 따른 컨버터(110)는 LC 공진을 이용하는 LLC 공진 컨버터일 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터(110)를 도시한다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 컨버터(110)는 복수 개의 스위칭소자(211, 212, 213, 214)가 입력단에 연결되어 풀브릿지 회로를 구성하는 스위칭소자부(210), 복수 개의 스위칭 소자(211, 212, 213, 214)의 단락 및 개방에 의해 형성된 전력을 제공받는 공진탱크(220), 공진탱크(220)에 연결된 일차 코일 및 충전 대상이 연결된 출력 측에 연결된 이차 코일을 갖는 트랜스포머(230)와 트랜스포머(230)의 이차측 코일에 연결된 정류 회로(240)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 컨버터(110)는 컨버터 내부 소자의 동작에 의해 풀브릿지 형태 또는 하프브릿지 형태의 토폴로지 변환이 가능할 수 있다.
제어부(120)는 컨버터(110)에 의해 변환된 직류 충전 전압을 이용하여 충전되는 배터리의 충전된 전압의 양을 나타내는 충전상태값을 검출하고, 검출된 충전상태값에 기반하여 컨버터(110)를 제어하여 컨버터(110)의 토폴로지를 변환한다.
보다 구체적으로, 제어부(120)는 검출된 충전상태값이 기준전압값보다 작을 시에는 컨버터(110)의 토폴로지를 하프브리지 형태로 전환하고, 검출된 충전상태값이 기준전압값과 같거나 기준전압값보다 큰 경우에는 컨버터(110)의 토폴로지를 풀브리지 형태로 전환할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 기준전압은 고전압 배터리의 공칭전압일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어부(120)는 검출된 충전상태값에 기반하여 컨버터(110)의 복수 개의 스위칭소자(211, 212, 213, 214)의 온오프를 제어함으로써 컨버터의 토폴로지를 전환할 수 있다.
컨버터 토폴로지의 전환에 대한 이해를 돕기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 컨버터의 동작을 도시하는 도 2a 및 도 2b를 참조하여 살펴보도록 한다. 본 발명의 일 실시예에 따르는 스위칭소자부(210)는 입력단의 제1 레그에 직렬연결되는 제1스위칭소자(211) 및 제3 스위칭소자(213), 및 입력단의 제2 레그에 직렬연결되는 제2 스위칭소자(212) 및 제4 스위칭소자(214)로 구성될 수 있다.
도 2a를 참조하여 살펴보면, 제어부(120)가 복수 개의 스위칭소자(211, 212, 213, 214) 중 스위칭소자(211, 214)가 각각 온, 오프일때, 스위칭소자(212, 213)가 각각 온, 오프가 되도록 각각의 스위칭소자(211, 212, 213, 214)를 제어함으로써 컨버터(110)가 풀브리지 형태로 동작하도록 할 수 있다.
도 2b를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에서 제어부(120)는 제2 스위칭소자(212)가 상시 개방되고, 제4 스위칭소자(214)가 상시 단락되도록 스위칭소자를 제어함으로써 컨버터(110)가 제1 스위칭소자(211) 및 제3 스위칭소자(213)의 두 개의 스위칭소자에 의해 동작하는 하프브리지 형태로 동작하도록 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제어부(120)는 제2 스위칭소자(212)가 상시 단락되고, 제4 스위칭 소자(214)가 상시 개방되도록, 또는 제1 스위칭소자(211)가 상시 개방되고 제3 스위칭소자(213)가 상시 단락되도록, 또는 제1 스위칭소자(211)가 상시 단락되고 제3 스위칭소자(213)가 상시 개방되도록 각 스위칭소자(211, 212, 213, 214)를 제어함으로써 컨버터(110)가 하프브리지 형태로 동작하도록 할 수 있다.
이렇게 컨버터(110)가 하프브리지 형태로 동작하는 경우, 스위칭 온오프 동작이 두 개의 스위칭소자(예컨대, 제1 스위칭소자(211) 및 제3 스위칭소자(213))에 대해서만 수행되고, 나머지 두 개의 스위칭 소자(예컨대, 제2 스위칭소자(212) 및 제4 스위칭소자(214))에 대해서는 상시 온 또는 오프 동작을 유지하도록 제어하므로 효율이 극대화 될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진 컨버터의 동작을 도시한 표이다. 도 7에 도시된 표에 의하면, 고전압 배터리(130)의 공칭전압을 기준전압으로 하여, 고전압 배터리(130)의 충전상태값이 기준전압보다 작으면, 제어부(120)는 컨버터(110)가 하프브릿지 형태가 되도록 스위칭소자를 제어한다.
고전압 배터리의 충전상태값, 즉 배터리에 충전된 전압이 저전압인 경우(즉, 기준전압보다 작은 경우) 컨버터(110)를 하프브리지로 동작하게 되면, 풀브리지 형태로 동작시 보다 작은 스위칭 주파수로 최적화된 동작을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어부(120)는 고전압 배터리(130)의 충전상태값이 기준전압보다 작으면 스위칭소자(211, 212, 213, 214)의 스위칭 주파수를 공진주파수 보다 작게하여 스위칭소자를 제어할 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 풀브리지 구조의 LLC 컨버터에서 고전압 배터리 360V/20A 충전을 하기 위해서는 링크 커패시터 전압 570V에서 스위칭 주파수 250kHz를 갖도록 스위칭소자를 제어해야 하지만, 하프브리지 구조의 LLC 컨버터에서는 링크전압 670V에서 스위칭 주파수가 공진주파수 172kHz보다 작은 165kHz를 갖도록 스위칭소자(211, 212, 213, 214)를 제어할 수 있다. 이와 같이, 공진주파수 보다 작은 스위칭주파수로 각 스위칭소자(211, 212, 213, 214)를 제어함으로써 ZCS(zero-current switch) 및 ZVS(zero-voltage switch)가 모두 가능한 스위칭 주파수에서 동작할 수 있어 효율이 높고, 소자 발열측면에서 유리하여 풀브리지 구조의 LLC 컨버터 보다 더 최적화되어 동작할 수 있다.
고전압 배터리의 충전상태값, 즉 배터리에 충전된 전압이 기준전압과 같거나 기준전압보다 큰 경우, 혹은 배터리의 충전된 전압이 공칭전압 부근이거나 고전압 구간인 경우 제어부(120)는 컨버터(110)가 풀브리지 형태가 되도록 스위칭소자(211, 212, 213, 214)를 제어한다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어부(120)는 배터리에 충전된 전압이 기준전압과 같거나 공칭전압 부근인 경우 스위칭소자(211, 212, 213, 214)의 스위칭 주파수를 공진 주파수와 같도록 제어하고, 배터리에 충전된 전압이 기준전압보다 크거나 고전압 구간인 경우 스위칭소자(211, 212, 213, 214)의 스위칭 주파수를 공진주파수 보다 작게하여 스위칭소자를 제어할 수 있다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 릴레이가 추가된 LLC 공진 컨버터를 도시한 도면이다.
도 도 3a 및 3b를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따른 컨버터(110)는 복수 개의 스위칭소자(211, 212, 213, 214)가 입력단에 연결되어 풀브릿지 회로를 구성하는 스위칭소자부(210), 복수 개의 스위칭 소자(211, 212, 213, 214)의 단락 및 개방에 의해 형성된 전력을 제공받는 공진탱크(220), 공진탱크(220)에 연결된 일차 코일 및 충전 대상이 연결된 출력 측에 연결된 이차 코일을 갖는 트랜스포머(230), 트랜스포머(230)의 이차측 코일에 연결된 정류 회로(240) 및 제어부(120)의 제어에 따라 복수 개의 스위칭소자(211, 212, 213, 214)와 공진탱크(220) 사이의 연결 상태를 변환하도록 복수 개의 스위칭소자(211, 212, 213, 214)와 공진탱크(220) 사이에 배치된 복수 개의 릴레이(310, 320)을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 스위칭소자부(210)는 입력단의 제1 레그에 직렬연결되는 제1스위칭소자(211) 및 제3 스위칭소자(213), 및 입력단의 제2 레그에 직렬연결되는 제2 스위칭소자(212) 및 제4 스위칭소자(214)로 구성될 수 있고, 공진탱크(220)는 일단이 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치 사이의 제1 레그에 연결되고, 타단이 상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 제2 레그에 연결되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 복수 개의 릴레이(310, 320)는 일단이 제2 스위치 및 제4 스위치 사이의 제2 레그에 연결되고, 제어부(120)의 제어에 따라 타단이 제1 스위치 및 제3 스위치 사이의 제1 레그에 연결되는 제1 위치(A) 또는 공진 탱크의 타단에 연결되는 제2 위치(B)에 결합 가능한 제1 릴레이(310) 및 일단이 상기 공진 탱크의 타단에 연결되고, 제어부의 제어에 따라 타단이 제2 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 제2 레그에 연결되는 제3 위치(C) 및 제3 스위치 및 제4 스위치 사이에 연결되는 제4 위치(D)에 결합 가능한 제2 릴레이(320)를 포함할 수 있다.
제어부(120)는 컨버터(110)에 의해 변환된 직류 충전 전압을 이용하여 충전되는 배터리의 충전된 전압의 양을 나타내는 충전상태값을 검출하고, 검출된 충전상태값에 기반하여 복수 개의 릴레이(310, 320)를 제어하여 컨버터(110)의 토폴로지를 변환한다.
보다 구체적으로, 제어부(120)는 검출된 충전상태값이 기준전압값보다 작을 시에는 컨버터(110)의 토폴로지를 하프브리지 형태로 전환하고, 검출된 충전상태값이 기준전압값과 같거나 기준전압값보다 큰 경우에는 컨버터(110)의 토폴로지를 풀브리지 형태로 전환할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 기준전압은 고전압 배터리의 공칭전압일 수 있다.
릴레이(310, 320)를 이용한 컨버터 토폴로지의 전환에 대한 이해를 돕기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 컨버터의 동작을 도시하는 도 3a 및 3b를 참조하여 살펴보도록 한다.
도 3a는 제어부(120)의 제어에 따른 릴레이의 동작에 따라 컨버터가 풀브리지 형태로 동작하는 모습을 도시한다.
도 3a를 참조하면, 제어부(120)는 제1 릴레이(310)의 타단이 제2 위치(B)에 결합하고, 제2 릴레이(320)의 타단이 제3 위치(C)에 결합하도록 릴레이(310, 320)를 제어함으로써 컨버터가 풀브리지 형태로 동작하도록 할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3a 를 참조하면, 제1 릴레이(310) 및 제2 릴레이(320)의 동작에 의해, 제2 스위칭소자(212)와 제4 스위칭소자(214) 사이의 제2 레그와 공진탱크(220)의 타단이 서로 연결되어, 일반적인 풀브리지 회로와 동일하게 작동한다.
도 3b는 제어부(120)의 제어에 따른 릴레이의 동작에 따라 컨버터가 하프브리지 형태로 동작하는 모습을 도시한다.
도 3b를 참조하면, 제어부(120)는 제1 릴레이(310)의 타단이 제1 위치(A)에 결합하고, 제2 릴레이(320)의 타단이 제4 위치(D)에 결합하도록 릴레이(310, 320)를 제어함으로써 컨버터(110)가 하프브리지 형태로 동작하도록 할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3b를 참조하면, 제1 릴레이(310) 및 제2 릴레이(320)의 동작에 의해 스위칭소자(211, 212, 213, 214)가 서로 병렬(제1 스위칭소자(211)와 제2 스위칭소자(212)가 병렬, 제3 스위칭소자(213)와 제4 스위칭소자(214)가 병렬)로 결합되고, 이에 따라 컨버터(110)가 하프브리지 형태로 동작하도록 할 수 있다. 이러한 릴레이(310, 320)의 동작에 의해 컨버터(110)가 하프브리지 형태로 동작하는 것은 다음과 같은 매우 큰 이점이 있다.
도 2b에 도시된 스위칭소자(211, 212, 213, 214)를 이용한 하프브리지 형태의 토폴로지 변환은, 두 개의 스위치를 이용하지 않기 때문에 컨버터(110)가 출력할 수 있는 전력은 풀브리지 형태에 비해 절반이다. 그러나, 도 3b와 같이 릴레이(310, 320)를 이용하여 컨버터(110)가 하프브리지 형태로 동작하는 경우에는, 각 스위칭소자(211, 212, 213, 214))가 병렬로 연결되어 동작하기 때문에, 컨버터(110)가 출력할 수 있는 전력이 풀브리지 형태와 동일하다.
릴레이(310, 320)는 스위칭소자에 비해 가격이 매우 저렴하고, 릴레이(310, 320)를 사용하여 컨버터(110)의 토폴로지를 변환하는 경우 하프브리지 동작에서의 출력전류에서 이득이 있으므로, 적은 비용으로 고성능/고효율의 하프브리지 LLC 동작이 가능하다.
도 4a, 4b, 및 4c는 도 3a 및 3b에 도시된 LLC 공진 컨버터의 동작의 예를 도시한 도면이다. 도 4a, 4b, 및 4c의 회로도 상에 도시된 화살표는 전류의 흐름을 표현한 것이다.
도 4a는 제어부(120)에 의해 검출된 배터리(130)의 충전상태값이 미리결정된 저전압 구간에 속하고(혹은 기준전압 미만이고), 부하가 저부하일 때의 릴레이(310, 320) 및 스위칭소자(211, 212, 213, 214)의 동작 및 이에 따른 전류의 흐름을 도시한다.
배터리(130)의 충전상태값이 저전압이고, 부하가 저부하일때 제어부(120)는 제1 릴레이의 타단이 제2 위치(B)에 접촉하고, 제2 릴레이의 타단이 제4 위치(D)에 접촉하도록 제어하고, 제2 스위칭소자(212)는 상시 개방으로, 제4 스위칭소자(214)는 상시 단락이 되도록 제어함으로써, 도 2b에 도시된 하프브리지 형태와 실질적으로 동일한 하프브리지 동작을 수행하도록 할 수 있다.
도 4a와 같이 배터리(130)의 충전상태값이 저전압이고, 부하가 저부하일 때 스위칭소자(211, 212, 213, 214) 및 릴레이(310, 320)를 제어하여 컨버터(110)가 하프브리지 형태로 동작하게 함으로써, ZVS 및 ZCS 동작을 할 수 있고, 두 개의 스위치(예컨대, 제1 스위치(211) 및 제3 스위치(213))만 스위칭 동작을 하므로 스위칭 동작이 최소화 되어 효율이 극대화 될 수 있다. 또한, 릴레이가 병렬 동작하므로 기존대비 효율이 상승할 수 있다.
도 4b는 제어부(120)에 의해 검출된 배터리(130)의 충전상태값이 미리결정된 저전압 구간에 속하고(혹은 기준전압 미만이고), 부하가 고부하일 때 릴레이(310, 320)의 동작 및 이에 따른 전류의 흐름을 도시한다.
배터리(130)의 충전상태값이 저전압이고, 부하가 고부하일때 제어부(120)는 제1 릴레이(310)의 타단이 제1 위치(A)에 접촉하고, 제2 릴레이(320)의 타단이 제4 위치(D)에 접촉하도록 제어함으로써, 컨버터(110)가 도 3b에 도시된 하프브리지 형태로 동작하도록 할 수 있다.
도 4b와 같이 배터리(130)의 충전상태값이 저전압이고, 부하가 고부하일 때 릴레이(310, 320)를 이용하여 각 스위칭소자(211, 212, 213, 214)를 병렬로 연결하여 컨버터(110)가 하프브리지 형태로 동작하게 함으로써 풀브리지 형태와 동일한 출력을 출력 가능하고, ZVS 및 ZCS 동작이 가능하며, 도통손실을 최소화할 수 있다.
도 4c는 제어부(120)에 의해 검출된 배터리(130)의 충전상태값이 미리결정된 고전압 구간에 속하고(혹은 기준전압 초과이고), 부하가 고부하일 때 릴레이(310, 320)의 동작 및 이에 따른 전류의 흐름을 도시한다.
배터리(130)의 충전상태값이 고전압이고, 부하가 고부하 일때 제어부(120)는 제1 릴레이의 타단이 제2 위치(B)에 접촉하고, 제2 릴레이의 타단이 제3 위치(C)에 접촉하도록 제어함으로써, 컨버터(110)가 도 3a에 도시된 풀브리지 형태로 동작하도록 할 수 있다.
도 4b와 같이 충전상태값이 고전압이고, 부하가 고부하 일때 릴레이(310, 320)를 이용하여 컨버터가 풀브리지로 동작하도록 함으로써, ZVS 및 ZCS 동작이 가능하고 릴레이의 병렬동작으로 기존과 효율이 동등할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 컨버터 제어 방법은 차량에 탑재된 단수 또는 복수 개의 제어기에 의해 수행될 수 있다. 또는, 본 발명의 실시예에 따른 컨버터 제어 방법은 단수의 제어기, 즉 하나의 통합된 제어기에 의해 수행될 수 도 있으며, 이하의 설명에서 제어기는 복수 개의 제어기를 통칭하는 것이 될 수 있고, 또는 기능을 수행하는 하나의 통합된 제어기가 될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터 제어 방법의 흐름도이다.
도 5를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터 제어 방법은 배터리의 충전측정값을 검출하는 단계와 컨버터의 토폴로지를 전환하는 단계에 의해 수행될 수 있다.
510 단계에서, 제어기는 컨버터를 통해 전환된 전압으로 충전되는 배터리의 충전측정값을 검출한다.
본 발명의 일 실시예에서, 충전측정값이 검출되는 배터리는 모터의 전력을 공급하는 역할을 하는 주 배터리일 수 있다. 또한, 검출 대상인 배터리의 충전측정값은 배터리에 충전된 전압의 양을 의미한다. 예컨대, 배터리 개방 전압이 500V인 배터리를 충전 시, 충전이 진행됨에 따라 배터리의 충전측정값은 600V, 700V 로 증가할 수 있다.
배터리의 충전측정값을 검출하는 방법은 제한되지 않으며, 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 용이하게 채택되어 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 배터리 관리 시스템(BMS: battery management system)에서 이그니션 키 온(IG ON)이 이루어 진 후 배터리 개방 전압(OCV: open circuit voltage)를 사용하여 배터리의 충전측정값을 검출할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, BMS에서 배터리 충전 중 배터리를 충전하는 전류 대 배터리를 충전하는 전압 및 전기량(Ah: ampere hourm) 카운터로 배터리의 충전측정값을 검출할 수 있다.
520 단계에서, 제어기는 검출된 배터리의 충전측정값에 기반하여 컨버터의 토폴로지를 변환한다. 보다 구체적으로 제어기는 검출된 배터리의 충전측정값에 기반하여 배터리에 연결되어 배터리를 충전하기 위해 전환된 전압을 공급하는 컨버터의 토폴로지를 변환한다.
본 발명의 일 실시예에서, 컨버터의 토폴로지는 풀브리지(full bridge) 형태 또는 하프브리지(half bride) 형태를 가질 수 있으며, 제어기는 상기 검출된 배터리의 충전측정값에 기반하여 컨버터가 풀브리지 형태 또는 하프브리지 형태로 동작하도록 컨버터를 제어할 수 있다.
토폴로지 전환이 가능한 컨버터의 구조 및 컨버터의 토폴로지 전환 방법은 이하에서 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따라 배터리의 충전측정값을 검출하고, 검출된 충전측정값에 따라 컨버터의 토폴로지를 전환함으로써 배터리의 충전 상태에 따라 컨버터가 최적의 주파수를 이용하여 동작할 수 있어 제어 정밀도가 향상되고, 효율이 상승하며, 더 넓은 동작 범위를 가질 수 있어 원가가 절감되는 기술적 효과가 있다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LLC 공진 컨버터의 제어 방법의 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진 컨버터의 제어 방법은 배터리 충전측정값을 검출하는 단계, 검출된 충전측정값과 기준전압을 비교하는 단계, 기준전압과의 비교결과에 따라 컨버터의 토폴로지를 변환하는 단계를 통해 수행될 수 있다.
610 단계에서, 제어기는 컨버터를 통해 전환된 전압으로 충전되는 배터리의 충전측정값을 검출한다.
본 발명의 일 실시예에서, 충전측정값이 검출되는 배터리는 모터의 전력을 공급하는 역할을 하는 주 배터리일 수 있다. 또한, 검출 대상인 배터리의 충전측정값은 배터리에 충전된 전압의 양을 의미한다.
배터리의 충전측정값을 검출하는 방법은 제한되지 않으며, 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 용이하게 채택되어 사용될 수 있다.
620 단계에서, 제어기는 610 단계에서 검출된 충전측정값과 기준전압을 비교한다. 본 발명의 일 실시예에서, 기준전압은 고전압 배터리의 공칭전압일 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시예에서, 제어기는 610 단계에서 검출된 충전측정값을 기준전압과 비교하지 않고, 충전측정값이 미리결정된 전압구간 중 어느 구간에 속하는지 비교해볼 수 있다. 예컨대, 미리결정된 전압구간은 저전압구간, 공칭전압 부근, 고전압구간으로 나눠질 수 있다.
630 단계에서, 제어기는 검출된 배터리 충전측정값이 기준전압 보다 작은 경우(혹은 저전압 구간에 속하는 경우), 컨버터가 하프브리지 형태로 동작하도록 컨버터의 토폴로지를 전환한다.
640 단계에서, 제어기는 검출된 배터리 충전측정값이 기준전압과 같은 경우(혹은 공칭전압 부근에 속하는 경우), 컨버터가 풀브리지 형태로 동작하도록 컨버터의 토폴로지를 전환한다.
650 단계에서, 제어기는 검출된 배터리 충전측정값이 기준전압 보다 큰 경우(혹은 고전압 구간에 속하는 경우), 컨버터가 풀브리지 형태로 동작하도록 컨버터의 토폴로지를 전환한다.
본 발명의 실시예에 따른 컨버터는 복수 개의 스위칭소자(211, 212, 213, 214)가 입력단에 연결되어 풀브릿지 회로를 구성하는 스위칭소자부(210), 복수 개의 스위칭 소자(211, 212, 213, 214)의 단락 및 개방에 의해 형성된 전력을 제공받는 공진탱크(220), 공진탱크(220)에 연결된 일차 코일 및 충전 대상이 연결된 출력 측에 연결된 이차 코일을 갖는 트랜스포머(230)와 트랜스포머(230)의 이차측 코일에 연결된 정류 회로(240)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 630 단계 내지 650 단계에서, 제어기의 컨버터의 토폴로지를 전환하는 단계는 상기 컨버터의 입력단에 배치된 복수 개의 스위치의 온오프를 제어하는 것에 의해 수행될 수 있다.
제어기는 컨버터의 입력단의 제1 레그에 직렬연결되는 제1스위칭소자(211) 및 제3 스위칭소자(213), 및 입력단의 제2 레그에 직렬연결되는 제2 스위칭소자(212) 및 제4 스위칭소자(214) 중 제2 스위칭소자(213)을 상시 개방하고, 제4 스위칭소자(214)를 상시 단락시킴으로써 컨버터가 하프브리지 형태로 동작하도록 할 수 있다.
한편, 제어기는 복수 개의 스위칭소자(211, 212, 213, 214) 중 스위칭소자(211, 214)가 각각 온, 오프일때, 스위칭소자(212, 213)가 각각 온, 오프가 되도록 각각의 스위칭소자(211, 212, 213, 214)를 제어함으로써 컨버터(110)가 풀브리지 형태로 동작하도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어기는 고전압 배터리(130)의 충전상태값이 기준전압보다 작으면(혹은, 저전압 구간에 속하면) 스위칭소자(211, 212, 213, 214)의 스위칭 주파수를 공진주파수 보다 작게하여 스위칭소자를 제어할 수 있다.
예컨대, 제어기는 풀브리지 구조의 LLC 컨버터에서 고전압 배터리 360V/20A 충전을 하기 위해서는 링크 커패시터 전압 570V에서 스위칭 주파수 250kHz를 갖도록 스위칭소자를 제어해야 하지만, 하프브리지 구조의 LLC 컨버터에서는 링크전압 670V에서 스위칭 주파수가 공진주파수 172kHz보다 작은 165kHz를 갖도록 스위칭소자(211, 212, 213, 214)를 제어할 수 있다. 이와 같이, 공진주파수 보다 작은 스위칭주파수로 각 스위칭소자(211, 212, 213, 214)를 제어함으로써 ZCS(zero-current switch) 및 ZVS(zero-voltage switch)가 모두 가능한 스위칭 주파수에서 동작할 수 있어 효율이 높고, 소자 발열측면에서 유리하여 풀브리지 구조의 LLC 컨버터 보다 더 최적화되어 동작할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어기는 배터리에 충전된 전압이 기준전압과 같거나 공칭전압 부근인 경우 스위칭소자(211, 212, 213, 214)의 스위칭 주파수를 공진 주파수와 같도록 제어하고, 배터리에 충전된 전압이 기준전압보다 크거나 고전압 구간인 경우 스위칭소자(211, 212, 213, 214)의 스위칭 주파수를 공진주파수 보다 작게하여 스위칭소자를 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 컨버터는 복수 개의 스위칭소자(211, 212, 213, 214)가 입력단에 연결되어 풀브릿지 회로를 구성하는 스위칭소자부(210), 복수 개의 스위칭 소자(211, 212, 213, 214)의 단락 및 개방에 의해 형성된 전력을 제공받는 공진탱크(220), 공진탱크(220)에 연결된 일차 코일 및 충전 대상이 연결된 출력 측에 연결된 이차 코일을 갖는 트랜스포머(230), 트랜스포머(230)의 이차측 코일에 연결된 정류 회로(240) 및 제어부(120)의 제어에 따라 복수 개의 스위칭소자(211, 212, 213, 214)와 공진탱크(220) 사이의 연결 상태를 변환하도록 복수 개의 스위칭소자(211, 212, 213, 214)와 공진탱크(220) 사이에 배치된 복수 개의 릴레이(310, 320)을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 스위칭소자부(210)는 입력단의 제1 레그에 직렬연결되는 제1스위칭소자(211) 및 제3 스위칭소자(213), 및 입력단의 제2 레그에 직렬연결되는 제2 스위칭소자(212) 및 제4 스위칭소자(214)로 구성될 수 있고, 공진탱크(220)는 일단이 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치 사이의 제1 레그에 연결되고, 타단이 상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 제2 레그에 연결되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 복수 개의 릴레이(310, 320)는 일단이 제2 스위치 및 제4 스위치 사이의 제2 레그에 연결되고, 제어부(120)의 제어에 따라 타단이 제1 스위치 및 제3 스위치 사이의 제1 레그에 연결되는 제1 위치(A) 또는 공진 탱크의 타단에 연결되는 제2 위치(B)에 결합 가능한 제1 릴레이 및 일단이 상기 공진 탱크의 타단에 연결되고, 제어부의 제어에 따라 타단이 제2 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 제2 레그에 연결되는 제3 위치(C) 및 제3 스위치 및 제4 스위치 사이에 연결되는 제4 위치(D)에 결합 가능한 제2 릴레이를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 630 단계 내지 650 단계에서, 제어기의 컨버터의 토폴로지를 전환하는 단계는 상기 컨버터의 입력단에 배치된 복수 개의 릴레이의 접속위치를 제어하는 것에 의해 수행될 수 있다.
제어기는 컨버터의 제1 릴레이(310)의 타단이 제2 위치(B)에 결합하고, 제2 릴레이(320)의 타단이 제3 위치(C)에 결합하도록 릴레이(310, 320)를 제어함으로써 컨버터가 풀브리지 형태로 동작하도록 할 수 있다.
한편, 제어기는 컨버터의 제1 릴레이(310)의 타단이 제1 위치(A)에 결합하고, 제2 릴레이(320)의 타단이 제4 위치(D)에 결합하도록 릴레이(310, 320)를 제어함으로써 컨버터(110)가 하프브리지 형태로 동작하도록 할 수 있다.
이와 같이 릴레이의 동작을 통해, 배터리의 충전측정값에 따라 컨버터의 토폴로지를 전환하는 것은, 릴레이(310, 320)는 스위칭소자에 비해 가격이 매우 저렴하고, 릴레이(310, 320)를 사용하여 컨버터(110)의 토폴로지를 변환하는 경우 하프브리지 동작에서의 출력전류에서 이득이 있는 점을 고려하면, 적은 비용으로 고성능/고효율의 하프브리지 LLC 동작이 가능한 장점이 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 컨버터 제어 장치
110: 컨버터
120: 제어부
130: 배터리
210: 스위칭부
211, 212, 213, 214: 제1 스위칭소자, 제2 스위칭소자, 제3 스위칭소자, 제4 스위칭소자
230: 공진탱크
310, 320: 제1 릴레이, 제2 릴레이

Claims (15)

  1. 입력단에 연결되며 브릿지 회로를 구성하는 복수 개의 스위칭 소자를 포함하고, 풀브리지 형태와 하프브리지 형태의 토폴로지 전환이 가능한 컨버터; 및
    상기 컨버터에 의해 전력을 전달받아 충전되는 배터리의 충전측정값을 검출하고, 상기 충전측정값에 기반하여 상기 컨버터의 토폴로지를 전환하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터의 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 충전측정값에 기반하여 상기 복수 개의 스위칭 소자의 온오프를 제어함으로써 상기 컨버터의 토폴로지를 전환하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터의 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 검출된 충전측정값이 미리결정된 저전압 구간에 속할 시에는 상기 컨버터의 토폴로지를 하프브리지 형태로 전환하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터의 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 검출된 충전측정값이 미리결정된 공칭전압 또는 고전압 구간에 속할 시에는 상기 컨버터의 토폴로지를 풀브리지 형태로 전환하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터의 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 스위칭 소자는 상기 입력단의 제1 레그에 직렬연결되는 제1 스위치 및 제3 스위치, 상기 입력단의 제2 레그에 직렬연결되는 제2 스위치 및 제4 스위치를 포함하고,
    상기 컨버터는 일단이 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치 사이의 제1 레그에 연결되고, 타단이 상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 제2 레그에 연결되며, 상기 복수 개의 스위칭 소자의 스위칭에 의해 형성된 전력을 제공받아 공진하는 공진 탱크; 및
    상기 복수 개의 스위칭 소자와 상기 공진 탱크 사이에 결합하는 복수 개의 릴레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터의 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 충전측정값에 기반하여 상기 복수 개의 릴레이의 동작을 제어함으로써 상기 컨버터의 토폴로지를 전환하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터의 제어 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수 개의 릴레이는,
    일단이 상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 제2 레그에 연결되고, 상기 제어부의 제어에 따라 타단이 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치 사이의 제1 레그에 연결되는 제1 위치 또는 상기 공진 탱크의 타단에 연결되는 제2 위치에 결합 가능한 제1 릴레이; 및
    일단이 상기 공진 탱크의 타단에 연결되고, 상기 제어부의 제어에 따라 타단이 상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 제2 레그에 연결되는 제3 위치 및 상기 제3 스위치 및 제4 스위치 사이에 연결되는 제4 위치에 결합 가능한 제2 릴레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터의 제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 릴레이의 타단이 제2 위치에 결합되고, 상기 제2 릴레이의 타단이 제3 위치에 결합되도록 상기 복수 개의 릴레이를 제어함으로써 상기 컨버터가 풀브리지 형태의 토폴로지를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터의 제어 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 릴레이의 타단이 제1 위치에 결합하고, 상기 제2 릴레이의 타단이 제4 위치에 결합되도록 상기 복수 개의 릴레이를 제어함으로써 상기 컨버터가 하프브리지 형태의 토폴로지를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터의 제어 장치.
  10. 배터리의 충전측정값을 검출하는 단계;
    상기 검출된 충전측정값에 기반하여 상기 배터리를 충전하기 위한 전력을 전달하는 컨버터의 토폴로지를 전환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터의 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 컨버터의 토폴로지는 풀브리지(full bridge) 형태 또는 하프브리지(half bride) 형태를 가질 수 있는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터의 제어 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 컨버터의 토폴로지를 전환하는 단계는 상기 컨버터의 입력단에 배치된 복수 개의 스위치의 온오프를 제어하는 것에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터의 제어 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    컨버터의 토폴로지를 전환하는 단계는 상기 검출된 충전측정값이 미리결정된 저전압 구간에 속할 시에는 상기 컨버터의 토폴로지를 하프브리지 형태로 전환하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터의 제어 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    컨버터의 토폴로지를 전환하는 단계는 상기 검출된 충전측정값이 미리결정된 공칭전압 부근 또는 고전압 구간에 속할 경우에는 상기 컨버터의 토폴로지를 풀브리지 형태로 전환하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터의 제어 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 컨버터의 토폴로지를 전환하는 단계는 상기 컨버터의 입력단에 배치된 복수 개의 릴레이의 온오프를 제어함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터의 제어 방법.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20240039413A1 (en) * 2022-07-27 2024-02-01 BorgWarner Luxembourg Automotive Systems S.A. Systems and methods for bridge mode transition and dynamic soft start for dc-dc converter and battery charger

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102008420B1 (ko) 2017-06-15 2019-08-13 현대자동차(주) Llc 컨버터 제어 장치

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101907119B1 (ko) * 2016-07-04 2018-10-11 숭실대학교산학협력단 하이브리드 풀브릿지 llc 컨버터 및 그 구동방법
KR102530939B1 (ko) * 2018-04-09 2023-05-11 현대자동차주식회사 차량용 전력변환 시스템
CN109067229B (zh) * 2018-08-24 2023-01-20 深圳市永联科技股份有限公司 Llc谐振变换电路及其工作模式的确定方法及装置
WO2021023398A1 (en) * 2019-08-02 2021-02-11 Eaton Intelligent Power Limited Resonant power converter for wide range voltage switching
US20230040992A1 (en) * 2019-12-24 2023-02-09 Wolfspeed, Inc. Circuits and methods for controlling bidirectional cllc converters
US11557983B2 (en) * 2020-01-15 2023-01-17 Solaredge Technologies Ltd. Coupled inductors inverter topology
CN115224944A (zh) * 2022-05-16 2022-10-21 北京理工大学 一种具备平滑切换功能的变拓扑谐振变换器控制方法
US20240039413A1 (en) * 2022-07-27 2024-02-01 BorgWarner Luxembourg Automotive Systems S.A. Systems and methods for bridge mode transition and dynamic soft start for dc-dc converter and battery charger

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102008420B1 (ko) 2017-06-15 2019-08-13 현대자동차(주) Llc 컨버터 제어 장치

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