KR20240062375A - 통합형 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

일 측면에 따른, 통합형 전력 변환 장치는, 외부의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류-직류 변환부; 제1풀 브릿지 스위치들을 이용하여 상기 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 풀 브릿지 컨버터; 제2풀 브릿지 스위치들, 제1출력 인덕터, 및 상기 제1출력 인턱터에 병렬 연결되는 제1바이패스 스위치를 포함하고, 상기 제1바이패스 스위치의 비활성화 상태에서, 상기 풀 브릿지 컨버터의 교류 전압에 기초하여 고전압 배터리를 충전하는 고전압 컨버터; 제3풀 브릿지 스위치들, 제2출력 인덕터, 및 상기 제2출력 인턱터에 병렬 연결되는 제2바이패스 스위치를 포함하고, 상기 제1바이패스 스위치의 활성화 상태 및 상기 제2바이패스 스위치의 비활성화 상태에서, 상기 고전압 배터리로부터 공급되는 전압에 기초하여 저전압 배터리를 충전하는 저전압 컨버터; 및 상기 풀 브릿지 컨버터, 상기 고전압 컨버터 및 상기 저전압 컨버터의 사이에 위치하고, 상기 풀 브릿지 컨버터에 연결되는 1차 코일과, 상기 고전압 컨버터에 연결되는 2차 코일과, 상기 저전압 컨버터에 연결되는 3차 코일을 구비하는 변압부를 포함한다.

Description

통합형 전력 변환 장치{Integrated Power Converter}
본 발명은 통합형 전력 변환 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, OBC(On-Board Charger)와 LDC(Low voltage DC-DC Converter)가 통합된 통합형 전력 변환 장치에 관한 것이다.
OBC(On-Board Charger)는, 전기 자동차(또는 플러그인 하이브리드 차량)에 포함되는 장치 중 하나로, 전기 자동차의 주행에 사용되는 고전압 배터리의 충전을 위해, 외부의 AC 전원을 DC 전원으로 변환시키는 장치이다. 일반적으로 OBC는 전원으로 사용되는 AC 그리드와 고전압 배터리 간의 절연을 위해 변압부(Transformer)를 사용한다.
LDC(Low voltage DC-DC Converter)는, 전기 자동차의 주행에 사용되는 고전압 배터리의 전압을 저전압으로 변환하여 전기 자동차의 전장 부품에 전원을 공급하는 저전압 배터리를 충전하는 장치이다. LDC는 고전압 배터리의 출력에서 약 10배 가량의 스텝 다운과, 고전압 배터리 및 저전압 배터리 간의 절연을 위해 OBC와 마찬가지로 변압부를 사용한다.
종래에는 이러한 OBC와 LDC를 각각 분리하여 사용한다. 장점이 있는 반면, 비용 및 시스템 부피가 증가하고 시스템이 최적화되기 어려운 문제점이 있다. 냉각, 하우징, 전기요소가 분리되어 있기 때문이다. 이에 OBC와 LDC를 통합하기 위한 시도가 있으나, LDC 부분은 하드 스위칭으로 설계되고, 변압부의 높은 누설 인덕턴스는 매우 높은 스파이크를 만들기 때문에, LDC가 저효율로 동작하며, 정격 전력이 제한되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, OBC와 LDC를 통합 구현하는데 있어서 변압부의 높은 누설 인덕턴스를 위상 편이 변조 및 바이패스 스위치 제어와 결합하여 OBC 및 LDC를 소프트 스위칭으로 동작시켜 효율을 향상시킨, 통합형 전력 변환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
일 측면에 따른, 통합형 전력 변환 장치는, 외부의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류-직류 변환부; 제1풀 브릿지 스위치들을 이용하여 상기 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 풀 브릿지 컨버터; 제2풀 브릿지 스위치들, 제1출력 인덕터, 및 상기 제1출력 인턱터에 병렬 연결되는 제1바이패스 스위치를 포함하고, 상기 제1바이패스 스위치의 비활성화 상태에서, 상기 풀 브릿지 컨버터의 교류 전압에 기초하여 고전압 배터리를 충전하는 고전압 컨버터; 제3풀 브릿지 스위치들, 제2출력 인덕터, 및 상기 제2출력 인턱터에 병렬 연결되는 제2바이패스 스위치를 포함하고, 상기 제1바이패스 스위치의 활성화 상태 및 상기 제2바이패스 스위치의 비활성화 상태에서, 상기 고전압 배터리로부터 공급되는 전압에 기초하여 저전압 배터리를 충전하는 저전압 컨버터; 및 상기 풀 브릿지 컨버터, 상기 고전압 컨버터 및 상기 저전압 컨버터의 사이에 위치하고, 상기 풀 브릿지 컨버터에 연결되는 1차 코일과, 상기 고전압 컨버터에 연결되는 2차 코일과, 상기 저전압 컨버터에 연결되는 3차 코일을 구비하는 변압부를 포함한다.
상기 고전압 컨버터는, 상기 고전압 배터리의 충전시, 상기 제1풀 브릿지 스위치들의 상보적 스위칭에 의한 위상 편이 변조 및, 상기 1차 코일과 상기 2차 코일 사이의 누설 인덕턴스로 인하여, 소프트 스위칭 특성의 위상 편이 풀 브릿지 컨버터로 동작할 수 있다.
상기 저전압 컨버터는, 상기 저전압 배터리의 충전시, 상기 제2풀 브릿지 스위치들의 상보적 스위칭에 의한 위상 편이 변조 및, 상기 2차 코일과 상기 3차 코일 사이의 누설 인덕턴스로 인하여, 소프트 스위칭 특성의 위상 편이 풀 브릿지 컨버터로 동작할 수 있다.
상기 제1바이패스 스위치의 비활성화 상태, 상기 제2바이패스 스위치의 활성화 상태, 및 상기 제3 풀 브릿지 스위치들의 상보적 스위칭에 따라, 상기 저전압 배터리의 전압은 상기 3차 코일 및 상기 2차 코일을 통해 상기 고전압 컨버터로 공급되어 상기 고전압 배터리가 소정의 전압으로 승압 충전될 수 있다.
상기 고전압 배터리가 상기 소정의 전압으로 승압된 후 상기 제2바이패스 스위치가 활성화 상태로 전환되면, 상기 저전압 컨버터는 부스트 모드로 동작하고 상기 고전압 배터리는 목표 전압까지 승압 충전될 수 있다.
본 발명은, OBC와 LDC를 통합 구현하는데 있어서 종래와 달리 OBC 및 LDC를 스위치를 소프트 스위칭으로 동작시켜 효율을 향상킬 수 있다.
또한, 본 발명은, 프리차징 모드를 통해 전기 자동차의 고전압 배터리의 전압을 저전압 배터리의 전압으로 충전시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 전력 변환 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 통합형 전력 변환 장치의 OBC 모드를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1의 통합형 전력 변환 장치의 LDC 모드를 설명하는 도면이다.
도 4는 도 1의 통합형 전력 변환 장치의 프리차징 모드를 설명하는 도면이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 전력 변환 장치의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 통합형 전력 변환 장치는, OBC(On-Board Charger)-PFC(Power Factor Correction)(110), OBC-FB(Full Bridge)(120), 변압부(130), 고전압 컨버터(140), 및 저전압 컨버터(150)를 포함한다.
OBC-PFC(110)는, 교류-직류 변환부로서, AC 그리드(Grid)로부터 인가되는 교류 전압(AC)을 직류 전압(DC)으로 변환하고 저주파 리플을 보상한다. OBC-PFC(110)는, 정류 회로(111), 역률 보정 회로(112), 및 커패시터(113)를 포함한다. 정류 회로(111)는, 4개의 다이오드(D1-D4)로 구성되어, 교류 전압을 정류한다. 역률 보정 회로(112)는, 정류된 전압의 역률을 보정하여 출력하기 위해 마련된 것으로, 인덕터(L1, L2)와 스위치(S1, S2) 및 다이오드(D5, D6) 등으로 구성되는 부스트 컨버터의 토폴로지를 적용하여 구성될 수 있다. 스위치(S1, S2)는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어된다. 커패시터(113)는, 역률 보정 회로(112)에 연결되어 충전되고 OBC-FB(120)에 전압을 방전하여 공급한다.
OBC-FB(120)는, 풀 브릿지 컨버터로서, OBC-PFC(110)로부터 출력되는 직류 전압을 풀 브릿지 구성을 갖는 스위치들(S21, S22, S23, S24)을 제어하여 교류로 변환하여 변압부(130)의 1차 코일(N1)에 인가한다. 스위치들(S21, S22, S23, S24)은 PWM 제어에 의해 상보적으로 스위칭하여 OBC-FB(120)에 위상 편이 변조를 적용할 수 있다. 구체적으로, 스위치들(S21, S24), 스위치들(S21, S23), 스위치들(S22, S23), 스위치들(S22, S24)의 순서로 온되어 스위칭될 때, 스위치들(S21, S23)이 오프되고 스위치들(S22, S23)의 온시, 전류 및 전압의 위상 편이(Phase Shift)가 발생한다.
변압부(130)는, OBC-FB(120)와, 고전압 컨버터(140) 및 저전압 컨버터(150) 사이에 배치된다. 변압부(130)는, 1차 내지 3차 코일(N1, N2, N3)을 구비하고, 동작 모드에 따라, 1차 코일(N1)에 인가되는 전압에 의해 2차 코일(N2)에 전압이 유도되거나, 2차 코일(N1)에 인가되는 고전압 컨버터(140)의 전압에 의해 3차 코일(N3)에 전압이 유도되고, 또는, 3차 코일(N3)에 인가되는 저전압 컨버터(150)의 전압에 의해 2차 코일(N2)에 전압이 유도된다. 이때, 1차 내지 3차 코일(N1, N2, N3)의 권선비는 승압율, 강압율에 따라 임의 조정될 수 있다. 1차 코일(N1)과 2차 코일(N2) 사이, 그리고 2차 코일(N2)과 3차 코일(N3) 사이에는 높은 누설 인덕턴스를 갖는다. 이 누설 인덕턴스는 영 전압 스위칭을 위한 특수 권선 구조로 독립적으로 조정이 가능하다. 그리고 3차 코일(N3) 부분은 센터 탭 변압기로 구성된다. 센터 탭 변압기는 입력 전압을 차동 방식으로 절반의 출력으로 변환시켜 주는 기능을 한다.
고전압 컨버터(140)는, 변압부(130)의 1차 코일(N1)의 전압에 의해 2차 코일(N2)에 유도되는 전압을 풀 브릿지 구성의 스위치들(141)을 통해 직류로 변환하고, 출력 인덕터(143)를 통해 고전압 배터리(160)를 충전한다. 바람직하게, 고전압 컨버터(140)는, 출력 인덕터(143)에 병렬로 바이패스 스위치(142)가 연결되고, 바이패스 스위치(142)가 비활성화될 경우, 1차 코일(N1)과 2차 코일(N2) 사이의 높은 누설 인덕턴스로 인하여 소프트 스위칭 특성을 지니는 위상 편이 풀 브릿지 컨버터(PSFB, Phase Shift Full Bridge)로 동작할 수 있다. 고전압 컨버터(140)의 스위치들(141, 142)은 PWM 제어에 의해 동작한다.
저전압 컨버터(150)는, 변압부(130)의 2차 코일(N2)에 인가되는 고전압 컨버터(140)의 전압에 의해 3차 코일(N3)에 유도되는 전압을 풀 브릿지 구성의 스위치들(151)을 통해 직류로 변환하고, 출력 인덕터(153)를 통해 저전압 배터리(170)를 충전한다. 즉, 고전압 배터리(160)를 통해 저전압 배터리(170)를 충전한다. 바람직하게, 저전압 컨버터(150)는, 출력 인덕터(153)에 병렬로 바이패스 스위치(152)가 연결되고, 그 바이패스 스위치(152)가 비활성화되고, 또한 고전압 컨버터(140)의 바이패스 스위치(142)가 활성화될 경우, 2차 코일(N2)과 3차 코일(N4) 사이의 높은 누설 인덕턴스로 인하여 소프트 스위칭 특성을 지니는 위상 편이 풀 브릿지 컨버터(PSFB, Phase Shift Full Bridge)로 동작한다. 저전압 컨버터(150)의 스위치들(151, 152)은 PWM 제어에 의해 동작한다.
또한, 저전압 컨버터(150)는, 출력 인덕터(153)에 병렬로 연결된 바이패스 스위치(152)가 활성화되고, 고전압 컨버터(140)의 바이패스 스위치(142)가 비활성화되면, 저전압 배터리(170)의 전압을 변압부(130)의 3차 코일(N3) 및 2차 코일(N2)을 통해 고전압 컨버터(140)로 공급하여, 고전압 배터리(160)의 전압이 0에서 소정의 전압으로 증가되도록 한다. 이때, 저전압 컨버터(150)는 벅 모드로 동작하지만, 변압부(130)의 3차 코일(N3) 및 2차 코일(N2)의 권선수의 비를 통해, 저전압이 소정의 고전압으로 승압된다. 이후, 저전압 컨버터(150)의 바이패스 스위치(152)가 비활성화되면, 저전압 컨버터(150)는 부스트 모드로 동작하고, 고전압 배터리(160)의 전압은 목표 전압에 도달할 때까지 승압된다.
도 1을 참조하여 설명한 통합형 전력 변환 장치는, OBC 모드, LDC 모드, 프리차징(Pre-charging) 모드로 동작한다. 이하에서, 도 2 내지 도 4를 참조하여 각 동작 모드를 설명한다.
도 2는 도 1의 통합형 전력 변환 장치의 OBC 모드를 설명하는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, OBC 모드는, 외부의 교류 전압(Grid)을 이용하여 고전압 배터리(160)를 충전하는 모드이다. OBC 모드에서, 저전압 컨버터(150)는 동작하지 않으며, 고전압 컨버터(140)는 출력 인덕터(143)에 병렬로 연결된 바이패스 스위치(142)가 비활성화된다. 외부의 교류 전압(Grid)이 OBC-PFC(110)에 인가된 상태에서, OBC-FB(120)의 풀 브릿지 구성을 갖는 스위치들(S21, S22, S23, S24)을 상보적으로 스위칭 제어하면 OBC-FB(120)에서 위상 편이 변조가 적용되고, 1차 코일(N1)과 2차 코일(N2) 사이의 높은 누설 인덕턴스로 인하여, 고전압 컨버터(140)는 소프트 스위칭 특성을 지니는 위상 편이 풀 브릿지 컨버터(PSFB Converter)로 동작하고, 고전압 배터리(160)가 충전된다.
도 3은 도 1의 통합형 전력 변환 장치의 LDC 모드를 설명하는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, LDC 모드는, 고전압 배터리(160)의 전압을 저전압으로 변환하여 저전압 배터리(170)를 충전하는 모드이다. LDC 모드에서, 저전압 컨버터(150)는 PWM 제어를 통해 바이패스 스위치(152)가 비활성화되고 풀 브릿지 구성의 스위치들(151)은 상보적으로 스위칭되어 출력 인덕터(153)와 함께 벅 모드(buck mode)로 동작한다. 그리고, 고전압 컨버터(140)는, 바이패스 스위치(142)가 활성화되고, 따라서 고전압 컨버터(140)의 출력 인덕터(143)는 동작하지 않는다. 고전압 컨버터(140)의 풀 브릿지 구성의 스위치들(141)을 상보적으로 스위칭 제어하면 고전압 컨버터(140)에 위상 편이 변조가 적용되고, 2차 코일(N2)과 3차 코일(N3) 사이의 높은 누설 인덕턴스로 인하여, 저전압 컨버터(150)는 소프트 스위칭 특성을 지니는 위상 편이 풀 브릿지 컨버터(PSFB Converter)로 동작하고, 저전압 배터리(170)가 충전된다.
도 4는 도 1의 통합형 전력 변환 장치의 프리차징 모드를 설명하는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 프리차징 모드는, 저전압 배터리(170)의 전압을 고전압으로 변환하여 고전압 배터리(160)를 충전하는 모드이다. 프리차징 모드에서, 저전압 컨버터(150)는 PWM 제어를 통해 바이패스 스위치(152)가 활성화되고 풀 브릿지 구성의 스위치들(151)은 상보적으로 스위칭된다. 바이패스 스위치(152)가 활성화되므로, 출력 인덕터(153)는 동작하지 않는다. 그리고, 고전압 컨버터(140)는, 바이패스 스위치(142)가 비활성화된다. 저전압 컨버터(150)의 풀 브릿지 구성의 스위치들(151)을 상보적으로 스위칭 제어하면, 저전압 배터리(170)의 전압은 변압부(130)의 3차 코일(N3) 및 2차 코일(N2)을 통해 고전압 컨버터(140)로 공급되고, 고전압 배터리(160)의 전압이 0에서 소정의 전압으로 증가된다. 이때, 저전압 컨버터(150)는 벅 모드로 동작하지만, 변압부(130)의 3차 코일(N3) 및 2차 코일(N2)의 권선수의 비를 통해, 저전압이 소정의 고전압으로 승압된다. 이후, 저전압 컨버터(150)의 바이패스 스위치(152)가 비활성화되면, 저전압 컨버터(150)는 부스트 모드(boost mode)로 동작하고, 고전압 배터리(160)의 전압은 목표 전압에 도달할 때까지 승압된다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
110 : OBC-PFC
120 : OBC-FB
130 : 변압부
140 : 고전압 컨버터
150 : 저전압 컨버터
160 : 고전압 배터리
170 : 저전압 배터리
142, 152 : 바이패스 스위치
111 : 정류 회로
112 : 역률 보정 회로
113 : 커패시터

Claims (5)

  1. 통합형 전력 변환 장치에 있어서,
    외부의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류-직류 변환부;
    제1풀 브릿지 스위치들을 이용하여 상기 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 풀 브릿지 컨버터;
    제2풀 브릿지 스위치들, 제1출력 인덕터, 및 상기 제1출력 인턱터에 병렬 연결되는 제1바이패스 스위치를 포함하고, 상기 제1바이패스 스위치의 비활성화 상태에서, 상기 풀 브릿지 컨버터의 교류 전압에 기초하여 고전압 배터리를 충전하는 고전압 컨버터;
    제3풀 브릿지 스위치들, 제2출력 인덕터, 및 상기 제2출력 인턱터에 병렬 연결되는 제2바이패스 스위치를 포함하고, 상기 제1바이패스 스위치의 활성화 상태 및 상기 제2바이패스 스위치의 비활성화 상태에서, 상기 고전압 배터리로부터 공급되는 전압에 기초하여 저전압 배터리를 충전하는 저전압 컨버터;
    상기 풀 브릿지 컨버터, 상기 고전압 컨버터 및 상기 저전압 컨버터의 사이에 위치하고, 상기 풀 브릿지 컨버터에 연결되는 1차 코일과, 상기 고전압 컨버터에 연결되는 2차 코일과, 상기 저전압 컨버터에 연결되는 3차 코일을 구비하는 변압부를 포함하는 통합형 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고전압 컨버터는,
    상기 고전압 배터리의 충전시, 상기 제1풀 브릿지 스위치들의 상보적 스위칭에 의한 위상 편이 변조 및, 상기 1차 코일과 상기 2차 코일 사이의 누설 인덕턴스로 인하여, 소프트 스위칭 특성의 위상 편이 풀 브릿지 컨버터로 동작하는 것을 특징으로 하는 통합형 전력 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저전압 컨버터는,
    상기 저전압 배터리의 충전시, 상기 제2풀 브릿지 스위치들의 상보적 스위칭에 의한 위상 편이 변조 및, 상기 2차 코일과 상기 3차 코일 사이의 누설 인덕턴스로 인하여, 소프트 스위칭 특성의 위상 편이 풀 브릿지 컨버터로 동작하는 것을 특징으로 하는 통합형 전력 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1바이패스 스위치의 비활성화 상태, 상기 제2바이패스 스위치의 활성화 상태, 및 상기 제3 풀 브릿지 스위치들의 상보적 스위칭에 따라, 상기 저전압 배터리의 전압은 상기 3차 코일 및 상기 2차 코일을 통해 상기 고전압 컨버터로 공급되어 상기 고전압 배터리가 소정의 전압으로 승압 충전되는 것을 특징으로 하는 통합형 전력 변환 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고전압 배터리가 상기 소정의 전압으로 승압된 후 상기 제2바이패스 스위치가 활성화 상태로 전환되면, 상기 저전압 컨버터는 부스트 모드로 동작하고 상기 고전압 배터리는 목표 전압까지 승압 충전되는 것을 특징으로 하는 통합형 전력 변환 장치.
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