KR20230103936A - Ac-dc 컨버터 - Google Patents

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KR20230103936A
KR20230103936A KR1020220148879A KR20220148879A KR20230103936A KR 20230103936 A KR20230103936 A KR 20230103936A KR 1020220148879 A KR1020220148879 A KR 1020220148879A KR 20220148879 A KR20220148879 A KR 20220148879A KR 20230103936 A KR20230103936 A KR 20230103936A
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최세완
레덧탕
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서울과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 고효율, 고전력밀도를 구현할 수 있는 AC-DC 컨버터에 관한 것으로, 전원의 일단과 연결되고, 서로 직렬로 연결된 두 개의 스위치를 각각 포함하는 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그, 상기 제 1 내지 n 고주파 레그와 병렬로 연결되고, 상기 전원의 타단과 연결되며, 서로 직렬로 연결된 두 개의 스위치를 포함하는 저주파 레그, 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그와 병렬로 연결되는 클램프 커패시터, 서로 직렬로 연결된 두 개의 스위치를 각각 포함하고, 부하와 연결되는 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그, 1차측이 상기 제 1 내지 n 고주파 레그 각각에 포함되는 두 개의 스위치 사이와 연결되고, 2차측이 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그 각각에 포함되는 두 개의 스위치 사이와 연결된 변압기 부하 및 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그, 상기 저주파 레그, 및 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들의 스위칭을 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 부하로 출력하는 부하출력 전압과 출력 전류 중 적어도 하나에 기초하여 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그, 상기 저주파 레그 및 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들의 스위칭 제어 모드를 변경하는 것을 특징으로 한다.

Description

AC-DC 컨버터{AC-DC Converter}
본 발명은 AC-DC 컨버터에 관한 것으로, 보다 구체적으로 종래에 비해 부피를 감소시키고 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 AC-DC 컨버터에 관한 것이다.
전기자동차 보급 활성화를 위한 충전인프라 확대의 중요성이 대두되고 있고, 주행거리 증대의 니즈에 따른 차량내 배터리 용량의 증대되고 있다. 이에 따라 충전시간 단축을 위하여 급속충전기의 용량도 기존의 50kW 넘어 100kW, 150kW 및 350kW 이상으로 대용량화하고 있다. 이러한 초고속 충전기는 일반적으로 25kW, 30kW 이상의 AC-DC컨버터인 충전모듈을 복수대 연결하여 구성한다. 이러한 충전기는 충전 대상인 전기자동차의 다양한 배터리 전압사양에 대응하기 위한 넓은 전압범위(예를 들어 150~920V)의 동작 역시 가능해야 한다.
일반적으로 계통 전압은 교류이고, 배터리 충전은 직류이기 때문에, 기존에 사용하는 충전기는 AC-DC 컨버터와 DC-DC 컨버터가 결합된 2-스테이지 방식이다. 이러한 방식의 충전기는 2-스테이지로 이루어지기 때문에, 두 단계의 전력 변환으로 효율이 낮아, 고효율, 고전력밀도의 달성이 용이하지 않다. 또한 직류 링크단의 전해커패시터의 열화로 인한 고장으로 충전기의 수명도 문제가 되고 있다.
최근 고효율, 고전력밀도 달성을 위해 전력변환 단계와 스위칭 소자가 적은 1단 컨버터회로가 소개되고 있으며, 회로의 스위칭 방법을 통해 넓은 범위의 동작에서 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching, ZVC), 높은 성능의 계통 연계 운전, 소형화를 위한 스위칭 주파수 증가 등 여러 성능을 개선하기 위한 방법이 연구되고 있는 실정이다.
한국 공개특허공보 제10-2022-0029522 A (2022.03.08.)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명에 의한 AC-DC 컨버터의 목적은 고효율, 고전력밀도 및 고수명을 구현할 수 있는 무전해 AC-DC 컨버터를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 기술적 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 AC-DC 컨버터는, 전원의 일단과 연결되고, 서로 직렬로 연결된 두 개의 스위치를 각각 포함하는 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그, 상기 제 1 내지 n 고주파 레그와 병렬로 연결되고, 상기 전원의 타단과 연결되며, 서로 직렬로 연결된 두 개의 스위치를 포함하는 저주파 레그, 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그와 병렬로 연결되는 클램프 커패시터, 서로 직렬로 연결된 두 개의 스위치를 각각 포함하고, 부하와 연결되는 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그, 1차측이 상기 제 1 내지 n 고주파 레그 각각에 포함되는 두 개의 스위치 사이와 연결되고, 2차측이 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그 각각에 포함되는 두 개의 스위치 사이와 연결된 변압기 및 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그, 상기 저주파 레그, 및 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들의 스위칭을 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 부하로 출력하는 출력 전압과 출력 전류 중 적어도 하나에 기초하여 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그, 상기 저주파 레그 및 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들의 스위칭 제어 모드를 변경하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그가 서로
Figure pat00001
의 위상차를 가지도록 제어하고, 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그가 서로
Figure pat00002
의 위상차를 가지도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그와 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함된 스위치들을 주파수 f1로 제어하고, 상기 저주파 레그에 포함되는 스위치들을 상기 f1보다 낮은 주파수인 f2로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그에 포함되는 스위치와, 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치간에 소정의 위상차를 가지도록 스위칭제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 부하로 출력하는 출력 전압이 소정 기준전압 이상이거나, 출력 전류가 소정 기준전류 이상일 때, 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그, 상기 저주파 레그 및 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들을 제 1 스위칭 모드로 제어하되, 상기 제 1 스위칭 모드에서 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그 및 상기 저주파 레그에 포함되는 스위치들의 듀티비를 0.5로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 부하로 출력하는 출력 전압이 소정 기준전압 이상이거나, 출력 전류가 소정 기준전류 이상일 때, 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그, 상기 저주파 레그 및 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들을 제 1 스위칭 모드로 제어하되, 상기 제 1 스위칭 모드에서 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들의 듀티비를 계수 k에 계통의 위상을 추종하는 정류파의 절대값을 곱한 값으로 하여, 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들을 제어하며, 상기 k는 0~0.5 범위에서 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 정류파는, 적어도 하나의 소정 차수의 고조파가 추가된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 부하로 출력하는 출력 전압이 소정 기준전압 미만이고, 출력 전류가 소정 기준전류 미만일 때, 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그, 상기 저주파 레그 및 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들을 제 2 스위칭 모드로 제어하되,상기 제 2 스위칭 모드에서 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들의 듀티비를 반주기동안에는 x로 제어하고, 나머지 반주기동안에는 1-x로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 부하로 출력하는 출력 전압이 소정 기준전압 미만이고, 출력 전류가 소정 기준전류 미만일 때, 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그, 상기 저주파 레그 및 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들을 제 2 스위칭 모드로 제어하되, 상기 제 2 스위칭 모드에서 상기 저주파 레그에 포함되는 스위치들의 듀티비를 0.5로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 부하로 출력하는 출력 전압이 소정 기준전압 미만이고, 출력 전류가 소정 기준전류 미만일 때, 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그, 상기 저주파 레그 및 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들을 제 2 스위칭 모드로 제어하되, 상기 제 2 스위칭 모드에서 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들의 듀티비를 반주기동안에는 계수 1-(1-x)에 계통의 위상을 추종하는 정류파의 절대값을 곱한 값으로 하고, 나머지 반주기동안에는 계수 (1-x)에 계통의 위상을 추종하는 정류파의 절대값을 곱한 값으로 하여 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 정류파는, 적어도 하나의 소정 차수의 고조파가 추가된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그, 상기 저주파 레그 및 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그 각각에 포함되는 두 개의 스위치는 서로 상보적으로 동작하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전원과 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그 사이에 구비되는 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그와 상기 부하 사이에 구비되는 정류부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 다양한 실시예에 의한 AC-DC 컨버터에 의하면, 제어부가 스위칭 모드에 따라 일차측 고주파 레그에 포함된 스위치들의 듀티비들을 가변하여, 출력전압의 크기에 따라 변압기의 1차측에 인가되는 전압을 가변하기 때문에, 변압기의 1차측과 2차측간의 전압차를 최소화할 수 있어, 순환전류 및 도통 손실을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 고효율, 고전력밀도의 AC-DC 컨버터를 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한 직류링크커패시터로 사용되는 전해커패시터를 제거하고 소용량(수ㅅF) 클램프 커패시터의 사용으로 고수명을 달성 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 AC-DC 컨버터의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 AC-DC 컨버터의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 AC-DC 컨버터의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 AC-DC 컨버터의 제 1 스위칭 모드에서 제 1 스위치의 듀티비, 삼각파, 모듈레이션 신호 및 제 11 스위치의 듀티비를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 AC-DC 컨버터의 제 2 스위칭 모드에서 제 1 스위치의 듀티비, 삼각파, 모듈레이션 신호 및 제 11 스위치의 듀티비를 도시한 것이다.
상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제1 및 /또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다. 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 직접 연결되어 있다거나 또는 직접 접속되어 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 ∼사이에와 바로 ∼사이에 또는 ∼에 인접하는과 ∼에 직접 인접하는 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다. 본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 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 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 AC-DC 컨버터의 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 의한 AC-DC 컨버터는, 교류전원(10)의 전력을 부하(20)측으로 변환하여 전달하는 용도로 사용되거나, 반대로 부하(20)의 전력을 교류전원(10)측으로 변환하여 전달하는 용도로 사용될 수 있다. 여기서 부하(20)는 배터리일 수 있으나, 부하(20)의 종류를 배터리로 한정하지는 않는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 의한 AC-DC 컨버터는, 제 1 일차측 고주파 레그(110) ~ 제 4 일차측 고주파 레그(140), 저주파 레그(300), DC 링크 커패시터(Cc), 변압기(400), 제 1 이차측 고주파 레그(210) ~ 제 4 이차측 고주파 레그(240), 제어부, 필터부(600) 및 정류부(700)를 포함한다.
제 1 일차측 고주파 레그(110) ~ 제 4 일차측 고주파 레그(140)는 교류전원(10)과 연결되고, 서로 직렬로 연결된 두 개의 스위치를 각각 포함한다. 일차측 고주파 레그는 총 4개이므로, 제 1 일차측 고주파 레그(110) ~ 제 4 일차측 고주파 레그(140)는 총 8개의 스위치를 포함하고, 제 1 일차측 고주파 레그(110) ~ 제 4 일차측 고주파 레그(140) 각각에 포함되는 스위치들을 순서대로 제 1 스위치(S1) ~ 제 8 스위치(S8)라 한다.
저주파 레그(300)는 일차측 고주파 레그와 병렬로 연결되며, 서로 직렬로 연결된 두 개의 스위치를 포함한다. 저주파 레그(300)에 포함되는 두 개의 스위치는 순서대로 스위치a(Sa) 및 스위치b(Sb)라 명명한다.
DC 링크 커패시터(Cc)는 클램프 커패시터로, 제 1 일차측 고주파 레그(110) ~ 제 4 일차측 고주파 레그(140)와 병렬로 연결된다.
변압기(400)는 1차측이 제 1 일차측 고주파 레그(110) ~ 제 4 일차측 고주파 레그(140)에 연결되고, 2차측이 제 1 이차측 고주파 레그(210) ~ 제 4 이차측 고주파 레그(240)에 연결된다. 보다 구체적으로, 변압기(400)는 1차측의 일단들이 일차측 고주파 레그의 숫자에 대응되도록 4개가 형성되는데, 변압기(400)의 1차측 일단들은 순서대로 각각 제 1 일차측 고주파 레그(110) ~ 제 4 일차측 고주파 레그(140)에 포함되는 두 개의 스위치 사이에 연결된다. 또한, 변압기(400)는 2차측 일단들이 이차측 고주파 레그의 숫자에 대응되도록 4개가 형성되며, 변압기(400)의 2차측 일단들은 순서대로 각각 제 1 이차측 고주파 레그(210) ~ 제 4 이차측 고주파 레그(240)에 포함되는 두 개의 스위치 사이에 연결된다.
제 1 이차측 고주파 레그(210) ~ 제 4 이차측 고주파 레그(240)는 각각 서로 직렬로 연결된 두 개의 스위치를 포함하고, 부하(20)와 연결된다.
본 발명에서 일차측 고주파 레그와 이차측 고주파 레그가 각각 4개인 것은, 본 발명의 제 1 실시예에 의한 AC-DC 컨버터가 4상 인터리브드 방식의 AC-DC 컨버터이기 때문이다. 단, 본 발명은 일차측 고주파 레그와 이차측 고주파 레그의 개수를 4개로 한정하지 않으며, 본 발명의 AC-DC 컨버터에서 일차측 고주파 레그와 이차측 고주파 레그는 각각 적어도 하나 이상이 있을 수 있다. 도 2 및 도 3은 순서대로 본 발명의 제 2 실시예에 의한 AC-DC 컨버터와 제 3 실시예에 의한 AC-DC 컨버터의 회로도로, 각각 일차측 고주파 레그와 이차측 고주파 레그가 각각 3개인 실시예와, 5개인 실시예이며, 본 발명은 도 2 및 도 3과 같은 실시예에도 적용 가능하다.
도 1에서 본 발명에 의한 AC-DC 컨버터는 단일개가 도시되어 있지만, 교류전원(10)은 3상일 수 있기 때문에, 상별로 3개가 병렬로 연결되어, 교류전원(10)과 부하(20) 사이에 배치될 수 있다.
제어부는 제 1 일차측 고주파 레그(110) ~ 제 4 일차측 고주파 레그(140), 저주파 레그(300) 및 제 1 이차측 고주파 레그(210) ~ 제 4 이차측 고주파 레그(240)에 포함되는 스위치들의 스위칭을 제어한다. 제어부는 지령 신호를 각각의 스위치들에 전달할 수 있는 전자소자로 구현될 수 있으며, 제어부와 각각의 스위치들은 지령 신호를 송수신하기 위해 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다.
필터부(600)는 교류전원(10)과 일차측 고주파 레그의 사이에 위치하여, 노이즈나 기타 신호가 교류전원(10)측이나, 본 발명에 의한 AC-DC 컨버터로 입력되는 것을 방지한다.
정류부(700)는 이차측 고주파 레그에서 출력되는 전압을 정류하는 역할을 한다. 이를 위해 정류부(700)는 정류 커패시터(Cf)와 인덕터(Lf)를 포함할 수 있다.
정류 커패시터(Cf)는 이차측 고주파 레그와 병렬로 연결되며, 인덕터(Lf)는 일단은 정류 커패시터(Cf)의 일단과 연결되고, 타단은 부하(20)의 양극에 연결된다.
본 실시예에 있어서, 제어부는 부하(20)의 출력 전압과 출력 전류에 따라 본 발명에 의한 AC-DC 컨버터에 포함되는 스위치들을 제 1 스위칭 모드 및 제 2 스위칭 모드 중 어느 하나로 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어부는 부하(20)로 출력되는 전압이 소정의 기준전압 이상이거나, 출력되는 전류가 소정의 기준전류 이상인 중부하 이상일 경우, 스위치들을 제 1 스위칭 모드로 제어하고, 부하(20)로 출력되는 전압이 소정의 기준전압 미만이고, 출력전류가 소정의 기준전류 미만인 경부하일 때, 스위치들을 제 2 스위칭 모드로 제어할 수 있다. 제어부가 스위치들을 제 1 스위칭 모드와 제 2 스위칭 모드로 제어한 기준이 되는 부하(20)의 출력 전압과 출력 전류의 값은 부하(20)의 안전성 및 다양한 상황을 고려하여 기설정되어, 외부로부터 입력받을 수 있다. 일예로, 50kW 급속충전기의 150V~920V의 배터리 기준으로 출력 전압이 150V~400V인 저전압과, 출력전류가 0~42A(최대 출력 전류의 0~33%)인 저전력을 모두 만족하는 구간에서는 제 2 스위칭 모드가 사용될 수 있고, 그 외의 고전력 구간에서는 제 1 스위칭 모드가 사용될 수 있다.
아래 표는 제 1 스위칭 모드에서 각 스위치들의 듀티비와 주파수를 나타낸 것이다.
[표 1]
Figure pat00003
상기한 [표 1]에서 S1~S16은 각각 제 1 스위치(S1) ~ 제 16 스위치(S16)의 도번이고, Sa, Sb는 저주파 레그에 포함되는 스위치a(Sa)와 스위치b(Sb)의 도번이다. 하나의 행에 기재된 두 개의 스위치는, 두 개의 스위치가 동일한 레그에 포함된다는 것을 의미하며, 하나의 행에 기재된 두 개의 스위치는 서로 상보적으로 동작할 수 있다. 여기서 상보적이란, 하나의 스위치가 ON되면 다른 하나의 스위치는 OFF된다는 것을 의미한다.
상기한 [표 1]에 도시된 바와 같이, 제어부는 제 1 스위치(S1) ~ 제 16 스위치(S16)의 스위칭 주파수를 f1로, 스위치a(Sa)와 스위치b(Sb)의 스위칭 주파수를 f2로 제어한다. 이때, f1은 f2보다 클 수 있으며, 일예로 f1은 150kHz, f2는 60kHz일 수 있다.
상기한 [표 1]에 도시된 바와 같이, 일차측 고주파 레그 각각과, 이차측 고주파 레그 각각의 위상차가 나는 것은, 본 발명의 제 1 실시예에 의한 AC-DC 컨버터가 4상 인터리브드 방식이기 때문이다. 보다 구체적으로, 본 발명에 의한 AC-DC 컨버터가 n상 인터리브드 방식일 경우, 일차측 고주파 레그 각각과 이차측 고주파 레그 각각은 서로 360도를 n으로 나눈 값만큼 위상차를 가지고 스위칭될 수 있다.
또한, 상기한 [표 1]에 도시된 바와 같이, 일차측 고주파 레그에 포함되는 제 1 스위치(S1) ~ 제 8 스위치(S8)의 위상과, 이차측 고주파 레그에 포함되는 제 9 스위치(S9) ~ 제 16 스위치(S16)의 위상은 Ψ만큼 차이난다. 이는 1단 AC-DC 컨버터에서 일반적으로 사용되는 방식이다. 여기서 위상차인 Ψ는 아래 수식을 통해 계산될 수 있다.
Figure pat00004
상기한 수식에서
Figure pat00005
는 2차측 듀티 신호를,
Figure pat00006
는 교류전원(10)에서 출력되는 전류,
Figure pat00007
는 스위칭 주파수,
Figure pat00008
는 변압기의 2차측에 연결된 단일의 인덕터의 값,
Figure pat00009
은 변압기의 턴비,
Figure pat00010
는 배터리의 전압이다.
상기한 스위칭 주파수 f1, f2, 제 1 스위치(S1) ~ 제 16 스위치(S16)의 위상, 그리고 저주파 레그(300)에 포함되는 스위치a(Sa)와 스위치b(Sb)의 듀티비는 제 1 스위칭 모드와 제 2 스위칭 모드에 관계없이, 동일하게 적용된다.
제 1 스위칭 모드에서만 적용되는 것은, 일차측 고주파 레그에 포함되는 제 1 스위치(S1) ~ 제 8 스위치(S8)의 듀티비와, 이차측 고주파 레그에 포함되는 제 9 스위치(S9) ~ 제 16 스위치(S16)의 듀티비이다. 상기한 [표 1]에서 제 9 스위치(S9) ~ 제 16 스위치(S16)의 듀티비는 0.5｜Sinaθ｜라고 기재되어 있는데, 이는 0.5｜Sinaθ｜로 파워 모듈레이션 한다는 뜻이다. 단, 본 발명에서 제 9 스위치(S9) ~ 제 16 스위치(S16)의 듀티비는 0.5｜Sinaθ｜로 한정하는 것은 아니며, 제 9 스위치(S9) ~ 제 16 스위치(S16)의 듀티비는 k｜Sinaθ｜형태로 표현될 수 있다. 이때 k는 0~0.5의 범위에서 결정될 수 있다. k값이 변화하는 이유는, 입출력 전압에 따라 변경가능하기 때문이다. 또한 상기한 듀티비의 표현은, 다른 차수의 고조파를 추가하는 식으로 형태 변경이 가능하기 때문에, 계통의 위상을 추종하는 사인형태의 정류파인 k｜Sinaθ｜로 표현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 AC-DC 컨버터의 제 1 스위칭 모드에서 제 1 스위치의 듀티비, 삼각파, 모듈레이션 신호 및 제 11 스위치의 듀티비를 도시한 것이다.
도 4에서 vg와 ig는 각각 교류전원(10)의 전압과 전류를 의미하고,
Figure pat00011
는 1차측 듀티 신호를,
Figure pat00012
는 2차측 듀티 신호를,
Figure pat00013
은 1차측 변압기 전압을,
Figure pat00014
은 2차측 변압기 전압을,
Figure pat00015
는 2차측 정류 전류를,
Figure pat00016
은 배터리 전류를 의미한다.
도 4를 참고하면, 제 11 스위치(S11)는 모듈레이션 신호인 0.5｜Sinθ｜(ds)가 삼각파(cr)보다 클 때에는 ON되고, 모듈레이션 신호인 0.5｜Sinθ｜(ds)가 삼각파(cr)보다 작을 때에는 OFF되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 제 11 스위치(S11)의 듀티비가, 0.5｜Sinθ｜로 모듈레이션된 듀티비일 수 있다.
아래 표는 제 2 스위칭 모드에서 각 스위치들의 듀티비와 주파수를 나타낸 것이다.
[표 2]
Figure pat00017
상기한 [표 2]에 도시되어 있듯, 제 2 스위칭 모드는 제 1 스위칭 모드와 비교했을 때, 제 1 스위치(S1) ~ 제 8 스위치(S8)의 듀티비가 양의 반주기동안은 x이고, 음의 반주기 동안은 1-x이며, 제 9 스위치(S9) ~ 제 16 스위치(S16)의 양의 반주기 동안의 듀티비가 1-(1-x)｜Sinaθ｜로 모듈레이션되고, 음의 반주기동안의 듀티비가 (1-x)｜Sinaθ｜로 모듈레이션 된다는 것이 다르다. 상기한 듀티비 1-(1-x)｜Sinaθ｜와 (1-x)｜Sinaθ｜또한, 정현파에 다른 차수의 고조파를 추가하는 식으로 형태 변경이 가능하기 때문에, 계통의 위상을 추종하는 사인형태의 정류파인｜Sinaθ｜로 표현될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 의한 AC-DC 컨버터의 제 2 스위칭 모드에서 제 1 스위치의 듀티비, 삼각파, 모듈레이션 신호 및 제 11 스위치의 듀티비를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 제 1 스위치(S1)는 양의 반주기동안 x의 듀티비를 가지며, 음의 반주기동안 1-x의 듀티비를 가진다. 도 5에 도시된 본 실시예에서 x는 0.75일 수 있으며, 일반적으로 제 2 스위칭 모드에서 x의 값은 0.5<x<1를 만족할 수 있다.
도 5를 참고하면, 제 11 스위치(S11)는 양의 반주기동안 모듈레이션 신호인 1-(1-x)｜Sinθ｜(ds)가 삼각파(cr)보다 클 때에는 ON되고, 음의 반주기동안 모듈레이션 신호인 (1-x)｜Sinθ｜(ds)가 삼각파(cr)보다 작을 때에는 OFF되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 제 11 스위치(S11)의 듀티비가 1-(1-x)｜Sinθ｜와 (1-x)｜Sinθ｜로 모듈레이션된 듀티비일 수 있다.
종래기술의 경우, 부하로 출력되는 전압과 전류에 관계없이 한 가지 스위칭 방식으로만 동작하기 때문에, 경부하에서 낮은 효율과 저전압 동작이 불가능했는데, 본 발명은 부하로 출력되는 전압과 전류에 따라 중부하 조건에서는 제 1 스위칭 모드로 동작하고, 경부하 조건에서는 제 2 스위칭 모드로 동작하여, 순환전류를 최소화할 수 있으며 이를 통해, 경부하 영역에서 도통 손실이 감소해 효율이 증가하며 동작범위 또한 증가할 수 있는 효과가 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 종래의 1차측 고주파 스위치의 듀티비는 0.5로 일정하고, 2차측 고주파 스위치의 듀티비는 듀티 사인파였는데, 이러한 방식은 변압기를 기준으로 1차측과 2차측간의 전압차가 커지면, 1차측 및 2차측 순환전류가 증가해 도통손실이 증가했다. 이에 반해, 본 발명에 의한 AC-DC 컨버터는 일차측 고주파 레그에 포함된 스위치의 듀티비들이 가변하여, 출력전압의 크기에 따라 변압기의 1차측에 인가되는 전압을 가변하기 때문에, 변압기의 1차측과 2차측간의 전압차를 최소화할 수 있어, 순환전류 및 도통 손실을 감소시킬 수 있다.
또한 출력전류는 소프트 스위칭이 극 경부하에서는 하드스위칭 하므로, 같은 출력전력에 대해서도 일차측 스위칭의 온 듀티를 감소시켜, 전압을 작게 하면서 전류를 증가시키므로, 소프트 스위칭 영역으로 진입할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10 : 교류전원
20 : 부하
110 ~ 140 : 제 1 일차측 고주파 레그 ~ 제 4 일차측 고주파 레그
210 ~ 240 : 제 1 이차측 고주파 레그 ~ 제 4 이차측 고주파 레그
300 : 저주파 레그
400 : 변압기
600 : 필터부
700 : 정류부
Cf : 정류 커패시터
Cc : DC 링크 커패시터
Lf : 인덕터
Sa : 스위치a
Sb : 스위치b
S1 ~ S16 : 제 1 스위치 ~ 제 16 스위치

Claims (11)

  1. 전원의 일단과 연결되고, 서로 직렬로 연결된 두 개의 스위치를 각각 포함하는 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그;
    상기 제 1 내지 n 고주파 레그와 병렬로 연결되고, 상기 전원의 타단과 연결되며, 서로 직렬로 연결된 두 개의 스위치를 포함하는 저주파 레그;
    상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그와 병렬로 연결되는 클램프 커패시터;
    서로 직렬로 연결된 두 개의 스위치를 각각 포함하고, 부하와 연결되는 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그;
    1차측이 상기 제 1 내지 n 고주파 레그 각각에 포함되는 두 개의 스위치 사이와 연결되고, 2차측이 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그 각각에 포함되는 두 개의 스위치 사이와 연결된 변압기; 및
    상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그, 상기 저주파 레그, 및 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들의 스위칭을 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 부하로 출력하는 부하출력 전압과 출력 전류 중 적어도 하나에 기초하여 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그, 상기 저주파 레그 및 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들의 스위칭 제어 모드를 변경하는 것을 특징으로 하는 AC-DC 컨버터.(n은 1 이상의 자연수)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그가 서로
    Figure pat00018
    의 위상차를 가지도록 제어하고, 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그가 서로
    Figure pat00019
    의 위상차를 가지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 AC-DC 컨버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그와 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함된 스위치들을 주파수 f1로 제어하고,
    상기 저주파 레그에 포함되는 스위치들을 상기 f1보다 낮은 주파수인 f2로 제어하는 것을 특징으로 하는 AC-DC 컨버터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그에 포함되는 스위치와, 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치간에 소정의 위상차를 가지도록 스위칭제어하는 것을 특징으로 하는 AC-DC 컨버터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 부하로 출력하는 출력 전압이 소정 기준전압 이상이거나, 출력 전류가 소정 기준전류 이상일 때, 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그, 상기 저주파 레그 및 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들을 제 1 스위칭 모드로 제어하되,
    상기 제 1 스위칭 모드에서 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그 및 상기 저주파 레그에 포함되는 스위치들의 듀티비를 0.5로 제어하는 것을 특징으로 하는 AC-DC 컨버터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 부하로 출력하는 출력 전압이 소정 기준전압 이상이거나, 출력 전류가 소정 기준전류 이상일 때, 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그, 상기 저주파 레그 및 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들을 제 1 스위칭 모드로 제어하되,
    상기 제 1 스위칭 모드에서 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들의 듀티비를 계수 k에 계통의 위상을 추종하는 정류파의 절대값을 곱한 값으로 하여, 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들을 제어하며, 상기 k는 0~0.5 범위에서 결정되는 것을 특징으로 하는 AC-DC 컨버터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 정류파는, 적어도 하나의 소정 차수의 고조파가 추가된 것을 특징으로 하는 AC-DC 컨버터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 부하로 출력하는 출력 전압이 소정 기준전압 미만이고, 출력 전류가 소정 기준전류 미만일 때, 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그, 상기 저주파 레그 및 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들을 제 2 스위칭 모드로 제어하되,상기 제 2 스위칭 모드에서 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들의 듀티비를 반주기동안에는 x로 제어하고, 나머지 반주기동안에는 1-x로 제어하는 것을 특징으로 하는 AC-DC 컨버터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 부하로 출력하는 출력 전압이 소정 기준전압 미만이고, 출력 전류가 소정 기준전류 미만일 때, 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그, 상기 저주파 레그 및 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들을 제 2 스위칭 모드로 제어하되,
    상기 제 2 스위칭 모드에서 상기 저주파 레그에 포함되는 스위치들의 듀티비를 0.5로 제어하는 것을 특징으로 하는 AC-DC 컨버터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 부하로 출력하는 출력 전압이 소정 기준전압 미만이고, 출력 전류가 소정 기준전류 미만일 때, 상기 제 1 내지 n 일차측 고주파 레그, 상기 저주파 레그 및 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들을 제 2 스위칭 모드로 제어하되,
    상기 제 2 스위칭 모드에서 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들의 듀티비를 반주기동안에는 계수 1-(1-x)에 계통의 위상을 추종하는 정류파의 절대값을 곱한 값으로 하고, 나머지 반주기동안에는 계수 (1-x)에 계통의 위상을 추종하는 정류파의 절대값을 곱한 값으로 하여 상기 제 1 내지 n 이차측 고주파 레그에 포함되는 스위치들을 제어하는 것을 특징으로 하는 AC-DC 컨버터.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 정류파는, 적어도 하나의 소정 차수의 고조파가 추가된 것을 특징으로 하는 AC-DC 컨버터.
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