KR20230144168A - 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기는 변압기; 출력 전압에 따라 복수 개의 스위칭 레그를 통해 직류링크 전압을 생성하여 변압기의 1차측에 전달하는 제1전원부; 변압기의 1차측의 전압과 2차측의 전압의 위상차를 제어하여 출력 전압을 제어하는 제2전원부; 제1전원부를 계통 및 변압기와 선택적으로 연결하여 제1전원부로부터 출력되는 직류링크 전압을 조정하는 릴레이부; 및 출력 전압에 따라 릴레이부를 제어하여 직류링크 전압을 조정하는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기{SWITCHING LEG TRANSITION TYPE ON BOARD CHARGER}
본 발명은 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기에 관한 것이다.
자동차는 가솔린과 디젤 등 화석 연료를 이용하여 구동 에너지를 발생시키는 내연기관 자동차에서 전력변환시스템과 배터리를 이용한 전기 자동차로 변경하는 추세이다.
전기 자동차의 배터리 전압은 충전 효율 향상과 시스템 구동의 편의를 위해 지속해서 상승하고 있다. 이로 인해 다양한 배터리 전압 범위를 갖는 차량들이 증가하였다. 이에 따라 넓은 출력 전압 범위를 갖는 차량 탑재형 충전기에 대한 개발의 필요성이 제시되고 있다.
기존 차량 탑재형 충전기는 PFC(Power Factor Correction) 컨버터와 절연형 컨버터로 이루어진 두 개의 전력변환 시스템으로 구성된다. PFC 컨버터는 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고 입력 전류 제어를 통해 역률을 제어하는 역할을 수행한다. 절연형 컨버터는 배터리 충전 전압에 따른 전압제어 및 계통 전원과 전기적으로 절연의 역할을 수행한다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 10-1837603호(2018.03.06)의 '넓은 입력 전압 범위 또는 넓은 출력 전압 범위에서 동작하는 LLC 공진 컨버터'에 개시되어 있다.
종래의 차량 탑재형 충전기의 경우, PFC 컨버터는 직류링크 전압을 일정한 값으로 제어하기 때문에 절연형 DC-DC 컨버터를 이용하여 배터리 전압에 따른 전력을 공급하게 된다.
절연형 DC-DC 컨버터의 대표적인 예로 LLC 컨버터가 있다. LLC 컨버터의 출력 전압 범위를 넓히기 위해서는 사전 시스템 설계 단계에서 스위칭 주파수에 따른 전압 이득 곡선에 대한 고려가 요구된다. 이때, 넓은 출력 전압 범위를 만족시키기 위해서 스위칭 주파수의 변동 범위를 크게 확보해야 하는데, 이는 공진주파수 근처에서 최적의 동작 조건을 갖는 LLC 컨버터의 효율 하락에 주 원인이 된다.
이를 극복하기 위해, PFC 컨버터의 직류링크 전압의 변동 범위를 확장하는 방법 또한 제시되었다. 이를 이용하는 경우, LLC 컨버터의 스위칭 주파수 변동 범위를 좁히면서 출력 전압 범위를 확장하는 것이 가능하다. 그러나, 출력 전압을 높이기 위해 PFC 컨버터의 직류링크 전압을 상승시키게 되면, 스위칭 전압 상승에 의한 스위칭 손실의 증가로 PFC 측 효율을 감소시킨다. 이로 인해, 직류링크 전압의 변동 범위에도 한계가 존재한다.
이를 극복하기 위한 방안으로, 절연형 컨버터 출력단에 비절연형 DC-DC 컨버터를 이용하는 방법이 있다. 그러나, 해당 방법을 이용하는 경우, 시스템이 총 3개의 전력변환 단계를 거치게 되어 추가적인 효율 하락을 발생시키고, 자성소자와 출력 커패시터가 추가됨에 따라 전체 시스템의 부피를 상승시키게 된다. 이러한 이유들로 인해, PFC 컨버터의 승압비 상승에도 PFC에서 발생하는 손실을 최소화하면서, 출력 전압 범위를 넓힐 수 있는 방법이 요구된다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 스위칭 레그의 절환을 이용하여 PFC 컨버터의 낮은 승압비를 유지하면서 직류링크 전압 가변 범위를 확장하고, 이를 통해 절연형 DC-DC컨버터의 출력 전압 범위를 확장하는, 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기는 변압기; 출력 전압에 따라 복수 개의 스위칭 레그를 통해 직류링크 전압을 생성하여 상기 변압기의 1차측에 전달하는 제1전원부; 상기 변압기의 1차측의 전압과 2차측의 전압의 위상차를 제어하여 상기 출력 전압을 제어하는 제2전원부; 상기 제1전원부를 계통 및 상기 변압기와 선택적으로 연결하여 상기 제1전원부로부터 출력되는 직류링크 전압을 조정하는 릴레이부; 및 상기 출력 전압에 따라 상기 릴레이부를 제어하여 상기 직류링크 전압을 조정하는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제1전원부는 직렬 연결된 제1 스위치 소자와 제2 스위치 소자를 포함하고 상기 제1 스위치 소자와 상기 제2 스위치 소자 사이의 노드가 계통에 연결되는 제1 스위칭 레그; 직렬 연결된 제3 스위치 소자와 제4 스위치를 포함하고 상기 제3 스위치 소자와 상기 제4 스위치 소자 사이의 노드가 상기 릴레이부에 연결되는 제2 스위칭 레그; 직렬 연결된 제5 스위치 소자와 제6 스위치를 포함하고 상기 제5 스위치 소자와 상기 제6 스위치 소자 사이의 노드가 상기 변압기의 1차측에 연결되는 제3 스위칭 레그; 및 직렬 연결된 상단 직류링크 커패시터와 하단 직류링크 커패시터를 포함하고 상기 상단 직류링크 커패시터와 상기 하단 직류링크 커패시터 사이의 중성단이 상기 릴레이부에 연결되는 직류링크 커패시터부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 릴레이부는 공통단이 상기 상단 직류링크 커패시터와 상기 하단 직류링크 커패시터 사이의 중성단에 연결되고 제1출력단이 상기 계통에 연결되며 제2출력단이 상기 변압기의 1차측에 연결되는 제1릴레이; 및 공통단이 상기 제3 스위치 소자와 상기 제4 스위치 소자 사이의 노드에 연결되고 제1출력단이 상기 계통에 연결되며 제2출력단이 상기 변압기의 1차측에 연결되는 제2릴레이를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 프로세서는 상기 출력 전압의 범위에 따라, 상기 릴레이부를 통해 상기 제1 스위치 소자 내지 제6 스위치 소자가 풀브릿지 컨버터와 하프브릿지 컨버터 중 어느 하나로 선택적으로 동작하도록 하여 직류링크 전압을 상기 변압기의 1차측에 전달하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 프로세서는 상기 출력 전압이 기 설정된 제1 출력 전압 범위이면, 상기 릴레이부를 통해 상기 제1 스위치 소자 내지 제4 스위치 소자가 풀브릿지 컨버터로 동작하도록 하여 직류링크 전압을 변조하고 상기 제5 스위치 소자와 상기 제6 스위치 소자가 하프브릿지 컨버터로 동작하도록 하며 상기 제3 스위칭 레그가 절연형 DC-DC 컨버터의 1차측으로 동작하도록 하여 상기 제3 스위칭 레그의 출력을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 프로세서는 상기 출력 전압이 기 설정된 제2 출력 전압 범위이면, 상기 릴레이부를 통해 상기 제1 스위치 소자와 제2 스위치 소자가 하프브릿지 컨버터로 동작하도록 하여 상기 직류링크 전압을 변조하고 상기 제3 스위치 소자 내지 상기 제6 스위치 소자가 풀브릿지 컨버터로 동작하도록 하며 상기 제2 스위칭 레그와 제3 스위칭 레그가 절연형 DC-DC 컨버터의 1차측으로 동작하도록 하여 상기 제2 스위칭 레그와 제3 스위칭 레그의 출력을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제3 스위치 소자 내지 제6 스위치 소자는 상기 출력 전압에 따라 변조 방법이 서로 상이하게 적용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제5 스위치 소자와 제6 스위치 소자는 상기 출력 전압이 기 설정된 제1 출력 전압 범위이면 위상 천이 변조 방법으로 동작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제3 스위치 소자 내지 제6 스위치 소자는 상기 출력 전압이 기 설정된 제2 출력 전압 범위이면 삼각 전류 변조 방법으로 동작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 변압기는 상기 출력 전압에 따라 상기 변압기의 1차측의 센터탭을 통해 상기 제1전원부와 선택적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 변압기는 상기 출력 전압이 기 설정된 제1 출력 전압 범위이면 1차측 코일의 일단과 센터탭을 통해 상기 제1전원부와 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 변압기는 상기 출력 전압이 기 설정된 제2 출력 전압 범위이면 1차측 코일의 양단을 통해 상기 제1전원부와 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기는 PFC 컨버터와 절연형 DC-DC 컨버터의 스위칭 레그를 릴레이를 통해 절환하여 직류링크 전압 상승 범위를 확장하고, 이를 통해 절연형 DC-DC 컨버터의 전압 전달비에 큰 변화없이 출력 전압 확장에 용이하다는 장점이 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기는 스위칭 레그를 공유하기 때문에 사용되는 스위칭 소자의 개수를 줄일 수 있고, 탭 변압기를 이용하여 회로 구조 변경에 따라 추가되는 누설 인덕턴스의 값을 동일하게 설계함으로써, 사용되는 자성소자의 개수를 줄이고 시스템 부피를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기를 나타낸 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 출력 전압 범위에 따른 동작 회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 출력 전압 범위에 따른 동작 회로를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탭 변압기 설계 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 전압 범위에 따라 DAB 컨버터의 동작 모드를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 천이 변조방법(입력 380V, 출력 250V 조건)의 극전압과 누설 인덕터 전류를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 천이 변조방법(입력 400V, 출력 400V 조건)의 극전압과 누설 인덕터 전류를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 천이 변조방법(입력 500V, 출력 250V 조건)의 극전압과 누설 인덕터 전류를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼각 전류 변조방법(입력 680V, 출력 500V 조건)의 극전압과 누설 인덕터 전류를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼각 전류 변조방법(입력 690V, 출력 600V 조건)의 극전압과 누설 인덕터 전류를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼각 전류 변조방법(입력 790V, 출력 700V 조건)의 극전압과 누설 인덕터 전류를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼각 전류 변조방법(입력 900V, 출력 800V 조건)의 극전압과 누설 인덕터 전류를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 컨버터를 적용한 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기의 회로도이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기를 나타낸 회로도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 출력 전압 범위에 따른 동작 회로를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 출력 전압 범위에 따른 동작 회로를 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탭 변압기 설계 예를 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 전압 범위에 따라 DAB 컨버터의 동작 모드를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기는 제1전원부(20), 제2전원부(30), 변압기(40), 릴레이부(50), 및 프로세서(60)를 포함한다.
제1전원부(20)는 계통(10)으로부터 교류전압을 입력받는다.
제1전원부(20)는 복수 개의 스위칭 레그(22,24,26)를 구비하며, 제2전원부(30)의 출력 전압(Vo)에 따라 스위칭 레그(22,24,26) 중 적어도 하나를 토대로 직류링크 전압(Vdc)을 조정하여 변압기(40)의 1차측에 전달한다. 즉, 제1전원부(20)는 계통(10)으로부터 입력된 교류전압으로 스위칭 레그(22,24,26)를 제어하여 직류링크 전압(Vdc)을 생성하고, 생성된 직류링크 전압(Vdc)을 변압기(40)의 1차측에 전달한다. 이 경우, 제1전원부(20)는 출력 전압(Vo)에 따라 직류링크 전압(Vdc)을 가변시킬 수 있다.
출력 전압(Vo)은 제2전원부(30)의 출력 전압으로서, 배터리 전압일 수 있다.
제1전원부(20)는 제1 스위칭 레그(22), 제2 스위칭 레그(24), 제3 스위칭 레그(26) 및 직류링크 커패시터부(28)를 포함한다.
제1 스위칭 레그(22)는 제1 스위치 소자(S1)와 제2 스위치 소자(S2)를 포함한다. 제1 스위치 소자(S1)와 제2 스위치 소자(S2)는 직렬 연결된다. 제1 스위치 소자(S1)와 제2 스위치 소자(S2) 사이의 노드가 계통(10)에 연결된다.
제2 스위칭 레그(24)는 제3 스위치 소자(S3)와 제4 스위치 소자(S4)를 포함한다. 제3 스위치 소자(S3)와 제4 스위치 소자(S4)는 직렬 연결된다. 제3 스위치 소자(S3)와 제4 스위치 소자(S4) 사이의 노드가 후술하는 릴레이부(50)의 제2 릴레이(Rly2)에 연결된다.
제3 스위칭 레그(26)는 제5 스위치 소자(S5)와 제6 스위치 소자(S6)를 포함한다. 제5 스위치 소자(S5)와 제6 스위치 소자(S6)는 직렬 연결된다. 제5 스위치 소자(S5)와 제6 스위치 소자(S6) 사이의 노드가 변압기(40)의 1차측에 연결된다.
제1 스위치 소자(S1) 내지 제6 스위치 소자(S6)는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 될 수 있으나, 특별히 한정되는 것은 아니다.
직류링크 커패시터부(28)는 상단 직류링크 커패시터(Ccd1)와 하단 직류링크 커패시터(Ccd2)를 포함한다. 상단 직류링크 커패시터(Ccd1)와 하단 직류링크 커패시터(Ccd2)는 직렬 연결된다. 상단 직류링크 커패시터(Ccd1)와 하단 직류링크 커패시터(Ccd2) 사이의 중성단이 릴레이부(50)에 연결된다.
릴레이부(50)는 제1전원부(20)를 스위칭하여 제1전원부(20)가 직류링크 전압(Vdc)을 생성하도록 한다.
릴레이부(50)는 제1릴레이(Rly1)와 제2릴레이(Rly2)를 포함한다.
제1릴레이(Rly1)와 제2릴레이(Rly2)는 DPDT(Double Pole Double Throw) 릴레이가 채용될 수 있다.
제1릴레이(Rly1)는 공통단이 상단 직류링크 커패시터(Ccd1)와 하단 직류링크 커패시터(Ccd2) 사이의 중성단에 연결되고 제1출력단이 계통(10)에 연결되며 제2출력단이 변압기(40)의 1차측 코일의 센터탭(42)에 연결된다.
제2릴레이(Rly2)는 공통단이 제3 스위치 소자(S3)와 제4 스위치 소자(S4) 사이의 노드에 연결되고 제1출력단이 계통(10)에 연결되며 제2출력단이 변압기(40)의 1차측 코일의 일단에 연결된다.
릴레이부(50)는 프로세서(60)의 제어신호에 따라 스위칭될 수 있다.
먼저, 출력 전압(Vo)이 기 설정된 제1 출력 전압 범위이면, 제1릴레이(Rly1)는 변압기(40)의 1차측 코일의 센터탭(42)측으로 스위칭되어 상단 직류링크 커패시터(Ccd1)와 하단 직류링크 커패시터(Ccd2)의 중성단과 변압기(40)의 1차측 코일의 센터탭(42)을 연결하고, 제2릴레이(Rly2)는 계통(10)측으로 스위칭되어 제3 스위치 소자(S3)와 제4 스위치 소자(S4) 사이의 노드와 계통(10)을 연결한다.
여기서, 제1 출력 전압 범위는 250V 이상 500V 미만일 수 있으나, 특별히 한정되는 것은 아니다.
출력 전압(Vo)이 기 설정된 제2 출력 전압 범위이면, 제1릴레이(Rly1)는 계통(10)측으로 스위칭되어 상단 직류링크 커패시터(Ccd1)와 하단 직류링크 커패시터(Ccd2)의 중성단과 계통(10)을 연결하고, 제2릴레이(Rly2)는 변압기(40)의 1차측 코일의 일단측으로 연결되어 제3 스위치 소자(S3)와 제4 스위치 소자(S4) 사이의 노드와 변압기(40)의 1차측 코일의 일단을 연결한다.
여기서, 제2 출력 전압 범위는 500V 초과 900V 이하일 수 있으나, 특별히 한정되는 것은 아니다.
제2전원부(30)는 변압기(40)의 2차측에 연결되며 변압기(40)의 1차측의 전압과 2차측의 전압의 위상차를 제어하여 출력 전압(Vo)을 제어한다.
제2전원부(30)는 제4 스위칭 레그(32) 및 제5 스위칭 레그(34)를 포함한다.
제4 스위칭 레그(32)는 제7 스위치 소자(Q1)와 제8 스위치 소자(Q2)를 포함한다. 제7 스위치 소자(Q1)와 제8 스위치 소자(Q2)는 직렬 연결된다. 제7 스위치 소자(Q1)와 제8 스위치 소자(Q2) 사이의 노드가 변압기(40)의 2차측의 일단과 연결된다.
제5 스위칭 레그(34)는 제9 스위치 소자(Q3)와 제10 스위치 소자(Q4)를 포함한다. 제9 스위치 소자(Q3)와 제10 스위치 소자(Q4)는 직렬 연결된다. 제9 스위치 소자(Q3)와 제10 스위치 소자(Q4) 사이의 노드가 변압기(40)의 2차측의 타단과 연결된다.
여기서, 제7 스위치 소자(Q1) 내지 제10 스위치 소자(Q4)는 변압기(40)의 1차측의 전압과 2차측의 전압의 위상차를 만들기 위한 전력전달소자로서 풀브릿지 회로를 구성할 수 있다.
제7 스위치 소자(Q1) 내지 제10 스위치 소자(Q4)는 MOSFET 또는 IGBT가 채용될 수 있으나, 특별히 한정되는 것은 아니다.
변압기(40)는 제1전원부(20)와 제2전원부(30) 사이에 설치된다.
변압기(40)의 1차측은 제1전원부(20)에 연결되고 2차측은 제2전원부(30)에 연결된다. 변압기(40)의 1차측 코일의 일단이 제5 스위치 소자(S5)와 제6 스위치 소자(S6) 사이의 노드와 연결되고, 1차측 코일의 타단이 제2릴레이(Rly2)의 제2출력단에 연결된다. 또한, 변압기(40)의 1차측의 센터탭(42)이 제1릴레이(Rly1)의 제2출력단에 연결된다.
도 4 를 참조하면, 변압기(40)는 탭 변압기로서, 1차측의 N1 권선수와 N2 권선수, 변압기 2차측의 권선수, 실제 변압기 누설 인덕턴스, 필요 누설 인덕턴스, 추가 필요 누설 인덕턴스 등이 제시되어 있다.
출력 전압(Vo)이 제1 출력 전압 범위 이내이면, 센터탭(42)에 의해 변압기(40)의 1차측이 N1 권선수로 동작한다.
출력 전압(Vo)이 제2 출력 전압 범위 이내이면, 변압기(40)의 1차측이 N2 권선수로 동작한다.
프로세서(60)는 출력 전압(Vo)에 따라 릴레이부(50)를 제어하여 직류링크 전압(Vdc)의 전압 가변 범위를 조정한다.
즉, 프로세서(60)는 상기한 제1 스위치 소자(S1) 내지 제6 스위치 소자(S6)를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어한다.
프로세서(60)는 출력 전압(Vo)의 범위에 따라 릴레이부(50)를 제어하여 직류링크 전압(Vdc)을 조정한다. 이 경우, 출력 전압(Vo)이 제1 출력 전압 범위이면, 프로세서(60)는 도 2 에 도시된 바와 같이 제1릴레이(Rly1)를 스위칭하여 상단 직류링크 커패시터(Ccd1)와 제2커패시터(Ccd2)의 중성단과 변압기(40)의 1차측 코일의 센터탭(42)을 연결하고, 제2릴레이(Rly2)를 스위칭하여 제3 스위치 소자(S3)와 제4 스위치 소자(S4) 사이의 노드를 계통(10)과 연결한다.
이에 따라, 제1 스위칭 레그(22)와 제2 스위칭 레그(24)가 풀브릿지 컨버터로 구성되어 PFC(Power Factor Correction) 컨버터로 동작하게 되고, 제3 스위칭 레그(26)는 하프브릿지 컨버터로 구성되어 DC-DC 절연형 컨버터의 1차측으로 동작한다. DC-DC 절연형 컨버터는 DAB(Dual-Active-Bridge) 컨버터일 수 있다.
PFC 컨버터가 풀브릿지 컨버터로 동작하는 경우, 380V ~ 500V까지 직류링크 전압 변조가 가능하다.
반대로, DAB 컨버터의 1차측이 하프브릿지로 동작하는 경우, 전체 직류링크 전압(Vdc)의 절반인 ±190V ~ 250V를 변압기(40)에 인가하게 됨으로써, DAB 컨버터의 2차측으로부터 상대적으로 낮은 출력 전압(Vo)을 확보할 수 있게 된다.
DAB 컨버터의 1차측이 하프브릿지로 동작할 때, DAB 컨버터는 제5 스위치와 제6 스위치 소자를 통해 위상 천이 변조방법(Phase Shift Modulation;PSM)으로 동작한다. 위상 천이 변조방법의 조건에서 누설 인덕턴스는 입력 전압과 출력 전압(Vo)의 크기에 비례한다. 위상 천이 변조방법은 상대적으로 낮은 입력 전압과 출력 전압(Vo)을 통해 누설 인덕턴스 저감이 가능하다.
한편, 출력 전압(Vo)이 제2 출력 전압 범위이면, 프로세서(60)는 도 3 에 도시된 바와 같이 제1릴레이(Rly1)를 스위칭하여 상단 직류링크 커패시터(Ccd1)와 하단 직류링크 커패시터(Ccd2)의 중성단과 계통(10)을 연결하고, 제2릴레이(Rly2)를 스위칭하여 제3 스위치 소자(S3)와 제4 스위치 소자(S4) 사이의 노드를 변압기(40)의 1차측 코일의 일단과 연결한다.
PFC 컨버터가 하프브릿지 컨버터로 동작하게 되는 경우, 상단 직류링크 커패시터(Ccd1)와 하단 직류링크 커패시터(Ccd2)를 번갈아가며 승압하게 되어 680V ~ 900V까지 승압이 가능하다.
반대로, DAB 컨버터의 1차측은 풀브릿지로 동작하게 되며, 바이폴라 스위칭을 통해 변압기 1차측에 전체 직류링크 전압(Vdc)을 인가할 수 있어, 높은 출력 전압(Vo)을 확보할 수 있게 된다.
해당 조건에서 앞서 적용한 위상 천이 변조방법을 이용하는 경우, 입력 전압과 출력 전압 크기에 비례하여 요구되는 누설 인덕턴스의 값이 상승하게 된다. 따라서, 누설 인덕턴스 저감을 통해 추가되는 누설 인덕턴스를 최소화하기 위하여 삼각 전류 변조방식(Triangular Current Modulation;TSM)이 채용될 수 있다. 이를 통해 출력 전압 범위에 관계없이 동일한 누설 인덕턴스를 갖도록 설계 가능하다.
즉, 제3 스위치 소자(S3) 내지 제6 스위치 소자(S6)는 출력 전압(Vo)에 따라 변조 방법이 서로 상이하게 동작할 수 있다. 출력 전압(Vo)이 기 설정된 제1 출력 전압 범위이면, 제5 스위치 소자(S5)와 제6 스위치 소자(S6)는 위상 천이 변조 방법으로 동작한다. 출력 전압(Vo)이 기 설정된 제2 출력 전압 범위이면, 제3 스위치 소자(S3) 내지 제6 스위치 소자(S6)는 삼각 전류 변조 방법으로 동작할 수 있다.
여기서, DAB 컨버터의 전압 변환비는 스위칭 레그 절체 조건에 따라 다를 수 있다. 이를 위해 각 동작 조건에 맞는 변조 방법과 그에 따른 누설 인덕턴스가 선정되어야 한다.
DAB 컨버터를 위상 천이 변조방법으로 동작하는 경우, 입력전압과 출력전압에 비례하여 높은 인덕턴스값이 요구된다. 이는 직류링크 전압(Vdc)과 배터리 전압이 높은 조건에서 불리하다.
반면에, 삼각 전류 변조방법으로 동작하는 경우, 위상 천이 변조방법에 비해 상대적으로 낮은 누설 인덕턴스 값이 요구된다. 그러나, DAB 컨버터의 1차측이나 2차측에 2-레벨 하프브릿지 컨버터가 있는 경우, 영전압 생성이 불가능하여 영전류 스위칭 효과를 볼 수 없다.
결론적으로, 프로세서(60)는 출력 전압(Vo)이 상대적으로 낮은 제1 출력 전압 범위이내이면, 위상 천이 변조방법으로 제어하고, 출력 전압(Vo)이 상대적으로 높은 제1 출력 전압 범위 이내이면 삼각전류 변조 방법으로 제어한다.
전압 변조 방법에 따른 누설 인덕턴스 설계 방법으로서, 전압 변조 방법이 위상 천이 변조방법이면, 프로세서(60)는 최대 입력 전압과 출력 전압 조건을 맞추어 변압비를 선정하고, 무효전력을 최소화하기 위해 입력 전압이 최소인 조건에서 DAB 컨버터 1차 측 전압과 2차 측 전압의 위상각 차이가 설정 위상각, 예컨대 35도를 넘지 않도록 제한한다. 또한, 프로세서(60)는 제1 스위 소자(S1) 내지 제6 스위치 소자(S6)의 손실 특성을 고려해 동작 스위칭 주파수를 선정하여, 총 누설 인덕턴스를 산출하고, 변압기(40)에 의한 누설 인덕턴스를 고려하여 추가 인덕턴스를 계산한다.
위상 천이 변조방법에 따른 누설 인덕턴스는 아래의 수학식 1과 같다.
Llk는 추가되는 누설 인덕턴스이고, Llk _n1은 변압기 자체의 1차측 누설 인덕턴스이며, Vpri는 DAB 컨버터 1차측의 제2 스위치 레그와 제3 스위치 레그가 출력하는 전압(변압기 1차측에 인가하는 전압으로 직류링크 전압(Vdc)의 절반값을 가짐)이며, Vsec는 DAB 컨버터 2차측 스위칭 레그(Q1 내지 Q4)가 출력하는 전압(변압기 2차측에 인가하는 전압으로 출력 전압(Vo)과 같이 동일)이며, Po는 출력 전력이며, fsw는 스위칭 주파수이며, φ는 DAB 컨버터의 1차측 스위칭 PWM 신호와 2차측 스위칭 PWM 신호의 위상차이며, n1은 변압기의 1차측 권선수(코일의 일단에서 센터탭까지의 권선수)/변압기의 2차측 권선수이다.
다음으로, 전압 변조 방법에 따른 누설 인덕턴스 설계 방법으로서, 전압 변조 방법이 삼각 전류 변조방법이면, 프로세서(60)는 최대 입력 전압과 출력 전압(Vo) 조건에 맞추어 변압비의 최대값을 제한하고, 변압기(40)에 의한 누설 인덕턴스의 변압비를 고려하여, 추가 인덕턴스가 동일하도록 변압비를 선정한다. 또한, 프로세서(60)는 변압비에 의해 결정된 추가 누설 인덕턴스의 오차를 절연형 DC-DC 컨버터의 1차측 듀티를 조절하여 보상한다.
삼각 전류 변조방법에 따른 누설 인덕턴스는 아래의 수학식 2와 같다.
여기서, 여기서, Llk는 추가되는 누설 인덕턴스이고, Llk _n1은 변압기 자체의 1차측 누설 인덕턴스이며, Vpri는 DAB 컨버터 1차측의 제2 스위치 레그와 제3 스위치 레그가 출력하는 전압(변압기 1차측에 인가하는 전압으로 직류링크 전압(Vdc)와 동일)이며, Vsec는 DAB 컨버터 2차측 스위칭 레그(Q1 내지 Q4)가 출력하는 전압(변압기 2차측에 인가하는 전압으로 출력 전압(Vo)와 동일)이며, Po는 출력 전력이며, fsw는 스위칭 주파수이며, D1은 DAB 컨버터의 1차측 스위칭 PWM 신호의 듀티이며, n1은 변압기의 1차측 권선수(코일의 일단에서 센터탭까지의 권선수)/변압기의 2차측 권선수이며, n2는 변압기의 1차측 권선수(코일의 일단에서 타단까지의 권선수)/ 변압기의 2차측 권선수이다.
도 5 에는 출력 전압의 범위에 따라 DAB 컨버터의 동작모드가 도시된다.
출력 전압(Vo) 500V를 기준으로 제2 스위칭 레그(24)가 절환되며, DAB 컨버터의 변조기법이 변경된다.
삼각 전류 변조방법의 동작 조건 영역 1은 직류링크 가변을 통해 출력전압을 변조하는 영역이다.
동작 조건 영역 2는 최소 직류링크 전압조건에서 듀티 가변을 통해 변조하는 영역이다.
동작 조건 영역 1에서 배터리 출력전압에 따라 직류링크 가변 시, 누설 인덕터 전류 첨두치를 낮추기 위해 전압 이외의 조건들을 고정시켜야 한다. 출력 전압(Vo)에 따른 직류링크 전압은 아래의 수학식 3과 같다.
여기서, Vdc_ref는 직류링크 전압이고, Llk는 누설 인덕턴스이며, Vo는 출력 전압이며, P는 출력 전력이며, fsw는 스위칭 주파수이며, D1은 DAB 컨버터의 1차측 스위칭 PWM 신호의 듀티이며, n은 변압기의 1차측 권선수(코일의 일단에서 타단까지의 권선수)/변압기의 2차측 권선수이다.
수학식 3을 통해 계산된 직류링크 전압은 PFC 컨버터의 직류링크 전압 지령으로 사용된다.
위상 천이 변조방법의 동작 조건에서, 동작 조건 영역 3은 직류링크 가변을 통해 출력 전압(Vo)을 변조하는 영역이다.
동작 조건 영역 4는 최소 직류링크 전압 조건에서 스위칭 주파수 가변을 통해 변조하는 영역이다.
입력 직류링크 전압과 출력 전압(Vo)이 낮아질수록 1차측과 2차측 사이 전압의 위상차가 커지도록 제어된다. 그러나 무효전력의 크기를 제한하기 위해 입출력 전압(Vo)의 위상차가 제한되게 되고, 다른 조건들이 동일할 때, 출력 전압 강하에 따라 공급 가능한 전력량이 감소하게 된다. 이러한 문제를 회피하기 위해, 직류링크 전압이 고정된 순간부터 출력 전압(Vo)이 낮아지는 조건에서는 출력 전압(Vo)에 비례하여 스위칭 주파수를 낮추어 제어한다. 이를 통해 낮은 출력 전압(Vo)에서도 정격 출력이 가능하게 된다.
본 실시예에 따른 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기의 유효성을 검증하기 위해 Plecs 툴을 이용하여 3.3kW 출력조건에서 모의실험을 진행하였다.
시스템 제정수는 표1과 같다.
PFC 컨버터 DAB 컨버터
Lf 200μH Llk 9/10.4μH
Cdc 1.2mF Co 20mF
Fsw 80kHz Fsw 60~80kHz
Vg 220Vrms Vo 250~800V
Vdc 380~500V / 680~900V
위상 천이 변조방법과 삼각 전류 변조방법의 경계조건에서 두 가지 방식 모두 진행하였다.
도 6 내지 도 8은 전압이 250~500V 일 때, PSM 동작에서 DAB 컨버터의 극전압과 누설 인덕터 전류를 나타낸 것으로서, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 천이 변조방법(입력 380V, 출력 250V 조건)의 극전압과 누설 인덕터 전류를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 천이 변조방법(입력 400V, 출력 400V 조건)의 극전압과 누설 인덕터 전류를 나타낸 도면이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 천이 변조방법(입력 500V, 출력 250V 조건)의 극전압과 누설 인덕터 전류를 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 직류링크 전압과 출력 전압(Vo)이 500V에서 380V로 강하될 때, 스위칭 주파수는 80kHz로 고정되어 있고, 입력전압과 출력전압의 비를 유지하여 누설 인덕터 전류가 구형파 형태를 유지하는 것을 확인할 수 있다. 직류링크 전압이 380V, 출력 전압(Vo)이 250V인 조건에서 스위칭 주파수는 60kHz로 감소하여 33kW의 정격 조건에서 동작함을 확인할 수 있다.
도 9 내지 도 12는 출력 전압(Vo)이 500~800V일 때, 삼각 전류 변조 방법에서, DAB 컨버터의 극전압과 누설 인덕터 전류를 나타낸 것으로서, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼각 전류 변조방법(입력 680V, 출력 500V 조건)의 극전압과 누설 인덕터 전류를 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼각 전류 변조방법(입력 690V, 출력 600V 조건)의 극전압과 누설 인덕터 전류를 나타낸 도면이며, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼각 전류 변조방법(입력 790V, 출력 700V 조건)의 극전압과 누설 인덕터 전류를 나타낸 도면이며, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼각 전류 변조방법(입력 900V, 출력 800V 조건)의 극전압과 누설 인덕터 전류를 나타낸 도면이다.
도 9 내지 도 12를 참조하면, 직류링크 전압이 900V에서 680V로 배터리 전압이 800V에서 595V로 강하될 때, 스위칭 주파수와 듀티가 유지되고 있으며, 누설 인덕터 전류의 첨두치가 최소화됨을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 레그 절환 방법은 LLC 컨버터에서도 동일하게 적용 가능하며, 입/출력 전압에 따라 변압비가 결정된다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 컨버터를 적용한 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기의 회로도이다.
도 13을 참조하면, LLC 컨버터 1차 측이 하프브릿지로 동작하는 경우, 직류링크 커패시터가 공진 커패시터로 동작하여, 직류링크에 병렬로 공진 커패시터부(29)가 더 설치될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기는 PFC 컨버터와 절연형 DC-DC 컨버터의 스위칭 레그를 릴레이를 통해 절환하여 직류링크 전압 상승 범위를 확장하고, 이를 통해 절연형 DC-DC 컨버터의 전압 전달비에 큰 변화없이 출력 전압 확장에 용이하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기는 스위칭 레그를 공유하기 때문에 사용되는 스위칭 소자의 개수를 줄일 수 있고, 탭 변압기(40)를 이용하여 회로 구조 변경에 따라 추가되는 누설 인덕턴스의 값을 동일하게 설계함으로써, 사용되는 자성소자의 개수를 줄이고 시스템 부피를 최소화할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
10: 계통 20: 제1전원부
22: 제1 스위칭 레그 24: 제2 스위칭 레그
26: 제3 스위칭 레그 28: 직류링크 커패시터부
30: 제2전원부 32: 제4 스위칭 레그
34: 제5 스위칭 레그 40: 변압기
50: 릴레이부 60: 프로세서

Claims (12)

  1. 변압기;
    출력 전압에 따라 복수 개의 스위칭 레그를 통해 직류링크 전압을 생성하여 상기 변압기의 1차측에 전달하는 제1전원부;
    상기 변압기의 1차측의 전압과 2차측의 전압의 위상차를 제어하여 상기 출력 전압을 제어하는 제2전원부;
    상기 제1전원부를 계통 및 상기 변압기와 선택적으로 연결하여 상기 제1전원부로부터 출력되는 직류링크 전압을 조정하는 릴레이부; 및
    상기 출력 전압에 따라 상기 릴레이부를 제어하여 상기 직류링크 전압을 조정하는 프로세서를 포함하는 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1전원부는
    직렬 연결된 제1 스위치 소자와 제2 스위치 소자를 포함하고 상기 제1 스위치 소자와 상기 제2 스위치 소자 사이의 노드가 계통에 연결되는 제1 스위칭 레그;
    직렬 연결된 제3 스위치 소자와 제4 스위치를 포함하고 상기 제3 스위치 소자와 상기 제4 스위치 소자 사이의 노드가 상기 릴레이부에 연결되는 제2 스위칭 레그;
    직렬 연결된 제5 스위치 소자와 제6 스위치를 포함하고 상기 제5 스위치 소자와 상기 제6 스위치 소자 사이의 노드가 상기 변압기의 1차측에 연결되는 제3 스위칭 레그; 및
    직렬 연결된 상단 직류링크 커패시터와 하단 직류링크 커패시터를 포함하고 상기 상단 직류링크 커패시터와 상기 하단 직류링크 커패시터 사이의 중성단이 상기 릴레이부에 연결되는 직류링크 커패시터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 릴레이부는
    공통단이 상기 상단 직류링크 커패시터와 상기 하단 직류링크 커패시터 사이의 중성단에 연결되고 제1출력단이 상기 계통에 연결되며 제2출력단이 상기 변압기의 1차측에 연결되는 제1릴레이; 및
    공통단이 상기 제3 스위치 소자와 상기 제4 스위치 소자 사이의 노드에 연결되고 제1출력단이 상기 계통에 연결되며 제2출력단이 상기 변압기의 1차측에 연결되는 제2릴레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 프로세서는
    상기 출력 전압의 범위에 따라, 상기 릴레이부를 통해 상기 제1 스위치 소자 내지 제6 스위치 소자가 풀브릿지 컨버터와 하프브릿지 컨버터 중 어느 하나로 선택적으로 동작하도록 하여 직류링크 전압을 상기 변압기의 1차측에 전달하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기.
  5. 제2항에 있어서, 상기 프로세서는
    상기 출력 전압이 기 설정된 제1 출력 전압 범위이면, 상기 릴레이부를 통해 상기 제1 스위치 소자 내지 제4 스위치 소자가 풀브릿지 컨버터로 동작하도록 하여 직류링크 전압을 변조하고 상기 제5 스위치 소자와 상기 제6 스위치 소자가 하프브릿지 컨버터로 동작하도록 하며 상기 제3 스위칭 레그가 절연형 DC-DC 컨버터의 1차측으로 동작하도록 하여 상기 제3 스위칭 레그의 출력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기.
  6. 제2항에 있어서, 상기 프로세서는
    상기 출력 전압이 기 설정된 제2 출력 전압 범위이면, 상기 릴레이부를 통해 상기 제1 스위치 소자와 제2 스위치 소자가 하프브릿지 컨버터로 동작하도록 하여 상기 직류링크 전압을 변조하고 상기 제3 스위치 소자 내지 상기 제6 스위치 소자가 풀브릿지 컨버터로 동작하도록 하며 상기 제2 스위칭 레그와 제3 스위칭 레그가 절연형 DC-DC 컨버터의 1차측으로 동작하도록 하여 상기 제2 스위칭 레그와 제3 스위칭 레그의 출력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기.
  7. 제2항에 있어서, 상기 제3 스위치 소자 내지 제6 스위치 소자는 상기 출력 전압에 따라 변조 방법이 서로 상이하게 적용되는 것을 특징으로 하는 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제5 스위치 소자와 제6 스위치 소자는 상기 출력 전압이 기 설정된 제1 출력 전압 범위이면 위상 천이 변조 방법으로 동작하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제3 스위치 소자 내지 제6 스위치 소자는 상기 출력 전압이 기 설정된 제2 출력 전압 범위이면 삼각 전류 변조 방법으로 동작하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 변압기는 상기 출력 전압에 따라 상기 변압기의 1차측의 센터탭을 통해 상기 제1전원부와 선택적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 변압기는 상기 출력 전압이 기 설정된 제1 출력 전압 범위이면 1차측 코일의 일단과 센터탭을 통해 상기 제1전원부와 연결되는 것을 특징으로 하는 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기.
  12. 제10항에 있어서, 상기 변압기는 상기 출력 전압이 기 설정된 제2 출력 전압 범위이면 1차측 코일의 양단을 통해 상기 제1전원부와 연결되는 것을 특징으로 하는 스위칭 레그 절환형 차량 탑재형 충전기.
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