KR101286509B1 - 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기에 관한 것으로, AC전원을 직류로 변환시키는 AC-DC 컨버터, 고정 듀티 및 고정 주파수로 동작하며 상기 AC-DC 컨버터의 출력을 고정 승압비에 따라 배터리로 전달하는 트랜스를 포함하는 직렬 공진 컨버터 및 상기 AC전원의 전압 및 전류와 배터리로 입력되는 전압 또는 전류를 피드백 받아 상기 배터리로 입력되는 전압 또는전류가 일정하도록 상기 AC-DC 컨버터를 제어하는 전압 제어부를 포함하되, 상기 직렬 공진 컨버터는 트랜스의 1차 권선에 연결된 콘덴서와 상기 트랜스의 누설 인덕터(Lr)가 협동하여 일정한 공진 주파수로 공진하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기에 따르면, 본 발명의 직렬 공진 컨버터에 따르면, 전단의 AC-DC 컨버터가 역률보상과 동시에 배터리의 전압·전류 제어를 수행하고 후단의 직렬 공진 컨버터로 고정듀티와 고정주파수로 동작시켜 절연 기능을 수행함으로써 배터리로 입력되는 전압 또는 전류의 전 범위에서 직렬 공진 컨버터의 스위칭 시 영전류 스위칭이 가능한 효과가 있으며, 후단의 직렬 공진 컨버터는 고정 주파수 및 고정 듀티로 동작하므로 직렬 공진 컨버터의 출력 전압에 대하여 별도의 전압 센서가 필요 없어 제조비용이 감소하는 효과가 있고, 트랜스의 누설 인덕턴스를 공진 인덕터로 사용함으로써 듀티 손실이 감소하는 효과가 있으며 별도의 인덕터를 사용하지 않아 제품의 부피를 감소할 수 있으며 제조원가가 절감되는 효과가 있으며, 공진 인덕턴스 값을 감소시킬 수 있어 공진소자 값 오차에 의하여 발생되는 스위칭 손실을 현저하게 감소시킬 수 있어 제품 생산 시 불량률을 크게 감소시킬 수 있는 효과가 있고, 배터리로 입력되는 전압 또는 전류의 전 범위에서 후단의 직렬 공진 컨버터에 다수의 스위치의 스위칭 시간 간에 완충시간을 설정하는 스위칭 지연법을 적용함으로써 영전류 스위칭이 가능하며 이에 따라 스위칭 발생되는 턴오프 전류를 감소시킬 수 있어 배터리 충전기의 오동작을 방지할 수 있는 효과가 있으며, 트랜스의 2차측 회로인 정류회로에 전압 더블러 구조를 채택함으로써 트랜스의 직류 옵셋 전류를 감소시킬 수 있으며, 트랜스의 턴비를 낮출 수 있어 제조원가가 절감되는 효과가 있다.

Description

직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기{Battery Charger using Series Resonant Converter}
본 발명은 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기에 관한 것으로, 특히 전 부하영역에서 직렬 공진 컨버터를 구성하는 스위치 및 다이오드의 영전류 스위칭이 가능하여 전력 효율 및 전력 밀도를 높일 수 있는 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기에 관한 것이다.
하이브리드(HEV) 및 전기 자동차(EV) 등에는 충전기가 탑재되는 데, 이러한 탑재형 충전기는 고전력밀도, 저소음, 고효율이 요구되며 입력 전압의 범위 및 배터리 동작전압 범위가 모두 넓어야 한다.
도 1은 종래기술에 의한 배터리 충전기를 도시한 도면이다. 도 1에 따른 충전기는 전단 역률보상을 위한 AC-DC 컨버터와 후단의 배터리의 전압·전류 제어를 위한 DC-DC 컨버터로 구성된다.
상기 DC-DC 컨버터로 도 2a에 도시한 PWM제어 방식의 하프브리지 PWM 컨버터와 도 2b에 도시한 주파수 제어방식의 하프브리지 직렬 공진 컨버터를 채택할 수 있다.
PWM제어 방식의 하프브리지 DC-DC 컨버터[비특허문헌 1 참조]는 모든 스위치의 영전압 스위칭이 가능하고 구현이 용이하나, 스위치의 턴 오프 전류가 크기 때문에 스위칭 주파수가 제한되고, 출력전압이 높아짐에 따라 다이오드의 역 회복 특성에 의한 전압 서지 문제가 발생하며, 트랜스의 누설 인덕턴스로 인해 듀티 손실이 발생하는 문제점이 있다.
주파수 제어방식의 하프브리지 직렬 공진 컨버터는 모든 스위치의 영전압 스위칭이 가능하고 턴오프 전류가 작고 트랜스의 누설 인덕턴스를 공진에 참여시켜 듀티 손실이 없으나, 스위칭 주파수가 일정하지 않고, 공진 소자 값에 민감한 문제점이 있다.
한편, 주파수 제어방식의 공진 컨버터로 공진형 컨버터로서 직렬공진 컨버터(SRC)[비특허문헌 2 참조]와 LLC 공진형 컨버터[비특허문헌 3 참조]가 제안되었는데, SRC는 무부하시 출력전압 조절이 어려운 문제점이 있고, LLC 는 자화인덕턴스의 정확한 값으로 제작이 어렵고 공극 추가로 인한 발열문제와 턴오프 전류가 PWM 컨버터보다 작지만 동작주파수에 따라 커지는 문제점이 있다. 또한, DC-DC 컨버터의 입력전압을 일정하게 하기 위하여 직류링크 전압을 센싱하여 피드백 받아 AC-DC 컨버터를 제어하는 방식이므로 별도의 직류링크 전압을 센싱하는 회로가 필요하여 제조단가가 상승하는 문제점이 있다.
[비특허문헌 1] Gautam, D. 외 4인,"An automotive on-board 3.3 kW battery charger for PHEV application", Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), 2011 IEEE Date of Conference: 6-9 Sept. 2011.
[비특허문헌 2] 김종수 외 4인,"전기자동차용 3.3 kW 탑재형 배터리 충전기 설계 및 제작", 전력전자학회 논문지 제15권 제5호, 2010년 10월.
[비특허문헌 3] 유종욱 외 4인,"LLC 공진형 컨버터를 적용한 전기자동차 고압배터리 충전기 개발", 전력전자학회 2011년도 학술대회 논문집, 2011.7, 440-441
본 발명은 전단의 AC-DC 컨버터가 역률보상과 동시에 배터리의 전압 또는 전류 제어를 수행하고 후단의 컨버터로 직렬 공진 컨버터를 고정듀티와 고정주파수로 동작시킴으로서 전부하영역에서 스위치와 다이오드의 영전류 스위칭 턴온 및 턴오프가 가능한 직렬 공진 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기는, AC전원을 직류로 변환시키는 AC-DC 컨버터, 고정 듀티 및 고정 주파수로 동작하며 상기 AC-DC 컨버터의 출력을 트랜스의 권선비에 따른 고정 승압비에 따라 배터리로 출력하는 직렬 공진 컨버터 및 상기 AC전원의 전압 및 전류와 배터리로 입력되는 전압 또는 전류를 피드백 받아 상기 배터리로 입력되는 전압이 일정하도록 상기 AC-DC 컨버터를 제어하는 전압 제어부를 포함하되, 상기 직렬 공진 컨버터는 트랜스의 1차 권선에 연결된 콘덴서와 상기 트랜스의 누설 인덕터(Lr)가 협동하여 일정한 공진 주파수로 공진하며, 상기 직렬 공진 컨버터의 동작 주파수는 상기 직렬 공진 컨버터의 공진 주파수와 동일한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 직렬 공진 컨버터는, 상호 직렬 연결된 제1 공진 콘덴서(Cr1) 및 제2 공진 콘덴서(Cr2), 상호 직렬 연결된 제1 스위치(S2) 및 제2 스위치(S3), 상호 직렬 연결된 제1 다이오드(D6) 및 제2 다이오드(D7) 및 상호 직렬 연결된 제1 필터 콘덴서(Cf1) 및 제2 필터 콘덴서(Cf2)를 포함하며, 상기 트랜스의 1차측 일단은 상기 제1 공진 콘덴서(Cr1) 및 상기 제2 공진 콘덴서(Cr2) 사이에 병렬연결되고, 상기 트랜스의 1차측 타단은 상기 제1 스위치(S2) 및 상기 제2 스위치(S3) 사이에 병렬연결되며, 상기 트랜스의 2차측 일단은 상기 제1 다이오드(D6) 및 상기 제2 다이오드(D7) 사이에 병렬연결되고, 상기 트랜스의 2차측 타단은 상기 제1 필터 콘덴서(Cf1) 및 상기 제2 필터 콘덴서(Cf2) 사이에 병렬연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 스위치(S2) 및 상기 제2 스위치(S3)는 고정 주파수(fs)를 가지는 펄스를 발생시키는 펄스 발생기에 의하여 스위칭 되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 스위치(S2) 및 상기 제2 스위치(S3)는 교번하여 스위칭되며 상기 제1 스위치(S2) 및 상기 제2 스위치(S3)의 듀티(duty)는 모두 0.4 내지 0.6인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 스위치(S2)의 턴 오프(turn off)와 상기 제2 스위치(S3)의 턴 온(turn on) 사이에 완충 시간이 설정된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 완충 시간은, 상기 스위치 S2 오프 직후 잔존하는 전류에 의하여 상기 스위치 S2와 상기 스위치 S3가 동시에 온되는 효과가 나타나는 것을 방지하기 위하여 상기 스위치 S2와 상기 스위치 S3 각각의 스위칭 시간 사이에 설정한 상기 스위치 S2 및 상기 스위치 S3의 암쇼트 방지시간(tdead) 및 상기 스위치 S2의 스위칭 이후에 상기 다이오드 D6 및 상기 다이오드 D7의 기생커패시터에 전하 방전시 발생되는 서지유입 방지를 위하여 상기 다이오드 D6 및 상기 다이오드 D7의 기생커패시터에 전하 방전시간을 고려하여 설정하는 완충시간인 상기 다이오드 D6 및 상기 다이오드 D7의 기생커패시터에 따른 지연시간(tdelay)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기는, AC전원을 직류로 변환시키는 AC-DC 컨버터, 고정 듀티 및 고정 주파수로 동작하며 상기 AC-DC 컨버터의 출력을 트랜스의 권선비에 따른 고정 승압비에 따라 배터리로 출력하거나, 상기 배터리의 출력전압을 트랜스의 권선비에 따른 고정 강압비에 따라 상기 AC-DC 컨버터로 출력하는 직렬 공진 컨버터 및 상기 AC전원의 전압 및 전류와 배터리로 입력되는 전압 또는 전류를 피드백 받아 상기 배터리로 입력되는 전압이 일정하도록 상기 AC-DC 컨버터를 제어하는 전압 제어부를 포함하되, 상기 직렬 공진 컨버터는 트랜스의 1차 권선에 연결된 콘덴서와 상기 트랜스의 누설 인덕터(Lr)가 협동하여 일정한 공진 주파수로 공진하며, 상기 직렬 공진 컨버터의 동작 주파수는 상기 직렬 공진 컨버터의 공진 주파수에 따라 동작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기는, 3상 AC전원을 직류로 변환시키는 AC-DC 컨버터, 고정 듀티 및 고정 주파수로 동작하며 입력전압을 트랜스의 권선비에 따른 고정 승압비에 따라 배터리로 출력하거나, 상기 배터리의 출력전압을 트랜스의 권선비에 따른 고정 강압비에 따라 출력하는 직렬 공진 컨버터, 상기 AC-DC 컨버터의 출력 전압 및 상기 AC전원의 입력 전압 및 입력 전류를 피드백 받아 상기 AC-DC 컨버터의 출력 전압이 일정하도록 상기 AC-DC 컨버터를 제어하는 전압 제어부 및 상기 AC-DC 컨버터 및 상기 직렬 공진 컨버터 사이에 구비되되, 상기 AC-DC 컨버터의 출력전압이 일정한 비율로 승압되어 상기 직렬 공진 컨버터의 입력전압으로 공급되는 부스트 컨버터 기능과 상기 직렬 공진 컨버터를 통하여 강압 후 다시 일정한 비율로 강압하여 상기 AC-DC 컨버터로 출력하는 벅 컨버터 기능을 수행하는 부스트/벅 컨버터를 포함하되, 상기 직렬 공진 컨버터는 트랜스의 1차 권선에 연결된 콘덴서와 상기 트랜스의 누설 인덕터(Lr)가 협동하여 일정한 공진 주파수로 공진하며, 상기 직렬 공진 컨버터의 동작 주파수는 상기 직렬 공진 컨버터의 공진 주파수에 따라 동작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기는, 고정 듀티 및 고정 주파수로 동작하며 입력전압을 트랜스의 권선비에 따른 고정 강압비에 따라 배터리로 출력하거나, 상기 배터리의 출력전압을 트랜스의 권선비에 따른 고정 승압비에 따라 출력하는 직렬 공진 컨버터, DC전원에 연결되고 상기 직렬 공진 컨버터 전단에 구비되며, 상기 배터리에 일정한 전압이 공급되도록 상기 DC전원의 전압을 강압하여 상기 직렬 공진 컨버터로 출력하는 벅 컨버터 기능과 상기 직렬 공진 컨버터를 이용하여 상기 배터리의 전압을 승압 후 다시 승압하여 출력하는 부스트 컨버터 기능을 수행하는 부스트/벅 컨버터를 포함하되, 상기 직렬 공진 컨버터는 트랜스의 1차 권선에 연결된 콘덴서와 상기 트랜스의 누설 인덕터(Lr)가 협동하여 일정한 공진 주파수로 공진하며, 상기 직렬 공진 컨버터의 동작 주파수는 상기 직렬 공진 컨버터의 공진 주파수에 따라 동작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기는,고정 듀티 및 고정 주파수로 동작하며 DC전원 전압을 트랜스의 권선비에 따른 고정 강압비에 따라 출력하거나, 입력전압을 트랜스의 권선비에 따른 고정 승압비에 따라 출력하는 직렬 공진 컨버터, 상기 직렬 공진 컨버터 후단에 구비되며, 배터리에 일정한 전압이 공급되도록 상기 직렬 공진 컨버터의 전압을 강압하여 상기 배터리로 출력하는 벅 컨버터 기능과 상기 배터리의 전압을 승압하여 상기 직렬 공진 컨버터로 출력하는 부스트 컨버터 기능을 수행하는 부스트/벅 컨버터;를 포함하되, 상기 직렬 공진 컨버터는 트랜스의 1차 권선에 연결된 콘덴서와 상기 트랜스의 누설 인덕터(Lr)가 협동하여 일정한 공진 주파수로 공진하며, 상기 직렬 공진 컨버터의 동작 주파수는 상기 직렬 공진 컨버터의 공진 주파수에 따라 동작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기는, 고정 듀티 및 고정 주파수로 동작하며 DC전원 전압을 트랜스의 권선비에 따른 고정 강압비에 따라 출력하거나, 입력전압을 트랜스의 권선비에 따른 고정 승압비에 따라 출력하는 직렬 공진 컨버터, 상기 직렬 공진 컨버터 후단에 구비되며, 배터리에 일정한 전압이 공급되도록 상기 직렬 공진 컨버터의 전압을 강압하여 상기 배터리로 출력하는 벅 컨버터 기능과 상기 배터리의 전압을 승압하여 상기 직렬 공진 컨버터로 출력하는 부스트 컨버터 기능을 수행하는 부스트/벅 컨버터를 포함하되, 상기 직렬 공진 컨버터는 트랜스의 1차 권선에 연결된 콘덴서와 상기 트랜스의 누설 인덕터(Lr)가 협동하여 일정한 공진 주파수로 공진하며, 상기 직렬 공진 컨버터의 동작 주파수는 상기 직렬 공진 컨버터의 공진 주파수에 따라 동작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 직렬 공진 컨버터에 따르면, 전단의 AC-DC 컨버터가 역률보상과 동시에 배터리의 전압·전류 제어를 수행하고 후단의 직렬 공진 컨버터로 고정듀티와 고정주파수로 동작시켜 절연 기능을 수행함으로써 배터리로 입력되는 전압 또는 전류의 전 범위에서 직렬 공진 컨버터의 스위칭 시 영전류 스위칭이 가능한 효과가 있다.
또한, 후단의 직렬 공진 컨버터는 고정 주파수 및 고정 듀티로 동작하므로 직렬 공진 컨버터의 입력 전압에 대하여 별도의 전압 센서가 필요 없어 제조비용이 감소하는 효과가 있다.
또한, 트랜스의 누설 인덕턴스를 공진 인덕터로 사용함으로써 듀티 손실이 감소하는 효과가 있으며 별도의 인덕터를 사용하지 않아 제품의 부피를 감소할 수 있으며 제조원가가 절감되는 효과가 있다.
또한, 공진 인덕턴스 값을 감소시킬 수 있어 공진소자 값 오차에 의하여 발생되는 스위칭 손실을 현저하게 감소시킬 수 있어 제품 생산 시 불량률을 크게 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 배터리로 입력되는 전압 또는 전류의 전 범위에서 후단의 직렬 공진 컨버터에 다수의 스위치의 스위칭 시간 사이에 완충시간을 설정하는 스위칭 지연법을 적용함으로써 영전류 스위칭이 가능하며 이에 따라 스위칭 발생되는 턴오프 전류를 감소시킬 수 있어 배터리 충전기의 오동작을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 트랜스의 2차측 회로인 정류회로에 전압 더블러 구조를 채택함으로써 트랜스의 직류 옵셋 전류를 감소시킬 수 있으며, 트랜스의 턴비를 낮출 수 있어 제조원가가 절감되는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 의한 배터리 충전기를 도시한 도면이다.
도 2a는 도 1의 배터리 충전기에서 DC-DC 컨버터로 하프브리지 PWM 컨버터를 적용한 회로를 도시한 도면이며, 도 2b는 도 1의 배터리 충전기에서 DC-DC 컨버터로 하프브리지 직렬 공진 컨버터를 적용한 회로를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 상세 회로를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기의 각 구간별 파형도를 도시한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기의 각 구간별 전류 흐름도를 도시한 도면이다.
도 7은 직렬 공진 컨버터의 공진탱크의 등가회로를 도시한 도면이다.
도 8은 도 7에 도시한 공진탱크의 공진 주파수와 펄스 발생기에서 발생된 스위칭 주파수와의 관계에 따라 공진탱크에서의 스위칭 파형을 도시한 도면이다.
도 9는 도 2b 회로에서 공진탱크를 구성하는 캐패시터의 오차에 의하여 발생되는 공진 주파수에 따른 전압 이득 및 위상의 오차를 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 회로에서 공진탱크를 구성하는 캐패시터의 오차에 의하여 발생되는 공진 주파수에 따른 전압 이득 및 위상의 오차를 도시한 그래프이다.
도 11은 도 4에 도시한 회로에서 트랜스 1차측에 적용 가능한 회로의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 12는 도 4에 도시한 회로에서 트랜스 2차측에 적용 가능한 회로의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기를 양방향 충전에 적용한 일실시예를 도시한 도면이다.
도 14는 도 13의 배터리 충전기에 대한 상세 회로도 중 일실시예를 도시한 도면이다.
도 15a 및 도 15b는 각각 도 13의 배터리 충전기의 충전시와 방전시의 파형을 도시한 도면이다.
도 16은 도 13의 배터리 충전기의 트랜스 1차 측에 적용 가능한 회로의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 17은 도 13의 배터리 충전기의 트랜스 2차 측에 적용 가능한 회로의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 18은 도 13의 배터리 충전기를 3상에 적용한 경우의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 19는 저전압 직류 변환용 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기로서 직렬 공진 컨버터가 직류 전원 측에 있는 경우의 일실시예를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 본 발명이 이하에 나타내는 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 본 명세서 및 도면에 있어서 부호가 같은 구성요소는 서로 동일한 것을 나타낸다.
본 발명에 따른 충전기(10)에 대하여 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다. 도 3에 따르면 본 발명에 따른 충전기(10)는 AC-DC 컨버터(100), 직렬 공진 컨버터(200), AC전원(300), 배터리(400) 및 배터리 전압 제어부(500)로 구성된다.
AC-DC 컨버터(100)는 AC전원(300)을 직류 전원으로 변환시키며, 배터리 전압 제어부(500)의 제어에 따라 배터리(400)로의 출력 전압 또는 출력 전류가 일정하도록 한다. 이 경우 배터리로 공급되는 전압이 일정 값 이상이면 출력 전압을 일정하게 하는 것이 바람직하며, 일정 값 미만이면 출력 전류를 일정하게 하는 것이 바람직하다. 직렬 공진 컨버터(200)는 고정 듀티 및 주파수로 스위칭되어 동작하며 AC-DC 컨버터(100)의 출력을 트랜지스터(Tr)의 권선비에 따른 고정 승압비에 따라 배터리(400)에 항상 일정 전압이 인가되도록 하는 절연 기능을 수행하므로 별도의 제어는 필요하지 않다.
배터리 전압 제어부(500)는 AC전원(300)의 전압/전류 및 배터리(400)로 부터 전압/전류를 직접 입력받아 배터리(400)의 전압 또는 전류를 일정하게 하고, AC전원(400)의 출력 전류의 파형을 AC전원(400)의 출력 전압의 파형과 일치하도록 AC-DC 컨버터(100)를 제어한다.
구체적으로 살펴보면, AC-DC 컨버터(100)는 다이오드 D1, D2, D3 및 D4로 구성되어 AC전원(400)의 출력파형을 반파 정류하는 정류회로(110)와 PFC(Power Factor Correction) 보상회로(120) 및 평활 콘덴서(C1)로 구성된다. PFC 보상회로(120)는 배터리 전압 제어부(500)의 제어에 따라 배터리(400)에 공급되는 전압 또는 전류를 일정하게 하고, AC전원(400)의 출력 전류의 파형을 AC전원(400)의 출력 전압의 파형과 일치하도록 하는 것으로 인덕터 Lf, 스위치 S1 및 다이오드 D5로 구성된다.
인덕터 Lf는 AC-DC 컨버터(100)의 승압을 위한 것으로서, 그 양단에 전압이 걸리면 그 전압에 비례하는 기울기로 전류가 증가한다. 즉, 스위치 S1이 온(on)되면 인덕터 Lf에 전류가 흐르고 코일에 자기장이 서서히 유기되면, 패러데이 법칙에 의해 자기장이 증가하는 만큼 전류가 증가한다. 물론, 이때, 기전력 방향은 유기된 자기장을 방해하려는 방향이다.
스위치 S1은 AC-DC 컨버터(100)를 제어하기 위한 것으로서, 배터리 전압 제어부(500)에서 인가된 펄스파에 의해 온/오프(on/off)되어 AC-DC 컨버터(100)의 출력을 조절한다.
콘덴서(C1)은 평활을 위한 것으로서, AC-DC 컨버터(100)에서의 전류는, 스위치 S1이 오프(off)될 때 콘덴서(C1)에 저장된 후 스위치 S1가 온(on)될 때 방전되어 AC-DC 컨버터(100)의 출력을 평활 시킨다.
이러한 AC-DC 컨버터(100)는 스위치 S1이 온(on)되어 있는 동안은 인덕터 Lf에 전류의 충전이 이루어지고, 스위치 S1이 오프(off)되면 충전된 전류가 부하 측으로 전달된다.
직렬 공진 컨버터(200)는 도 4를 참조하면 인버터 회로(210), 정류회로(220) 및 펄스 발생기(230)로 구성된다.
인버터 회로(210)는 서로 직렬로 접속된 제1, 제2의 1차측 공진콘덴서(Cr1, Cr2)와 서로 직렬로 접속된 제1, 제2의 스위칭 소자(S2, S3)를 도 4에 도시한 바와 같이 하프 브리지 구성으로 접속시킨 회로로 이루어질 수 있다. 인버터 회로(210)는 도 11에 도시한 바와 같이 하프 브리지 및 풀 브리지 구성이 모두 가능하나, 소자수가 적어 생산원가 절감이 가능한 하프 브리지 구성이 바람직하므로 본 발명에서는 하프 브리지 구성을 채택한 도 4의 회로를 위주로 설명한다. 그러나, 직렬 공진 컨버터(200)에 흐르는 전류량이 증가하면 각각의 스위치에 흐르는 전류를 감소시키기 위하여 풀 브리지 구성을 채택할 수도 있다.
스위칭 소자(S2, S3)에는 제1, 제2 귀환용 다이오드(S2d, S3d)가 스위칭 소자(S2, S3)의 극성과는 반대로 각각 병렬로 접속된다. 스위칭 소자(S2)의 드레인측 및 1차측 공진 콘덴서(Cr1)의 일단은 직류입력단자(2)에 접속되고, 스위칭 소자(S3)의 소스측 및 1차측 공진 콘덴서(Cr2)의 일단은 직류입력단자(3)에 접속된다. 스위칭 소자(S2, S3)로는 모스펫(MOSFET) 또는 IGBT 등의 반도체 소자를 사용한다.
또한, 스위칭 소자(S2, S3)의 게이트에는 고정 주파수(fs)를 가지는 펄스를 발생시키는 펄스 발생기(230)가 연결되어 상기 펄스 발생기(230)의 신호에 따라 상기 스위칭 소자(S2, S3)가 각각 온오프 되므로, 직렬 공진 컨버터(200)의 출력은 항상 고정 주파수 및 고정 듀티를 가진다.
귀환용 다이오드(S2d, S3d)는 외부에 병렬로 접속된 다이오드나 스위칭 소자(S2, S3)의 각각의 내부에 형성될 수 있다. 스위칭 소자(S2, S3)가 모스펫인 경우에는 모스펫이 가지는 내부 다이오드를 귀환용 다이오드(S2d, S3d)로서 이용할 수 있다. 통상의 모스펫이나 IGBT 등의 반도체 소자의 대부분은 내부 다이오드를 내장하고 있다. 이들 귀환용 다이오드(S2d, S3d)는 스위칭 소자(S2) 또는 스위칭 소자(S3)가 오프 되었을 때, 후술하는 트랜스의 여자(勵磁)전류를 직류전원(1)으로 귀환시킴으로써 스위칭 소자(S2) 또는 스위칭 소자(S3)의 턴오프 전압을 직류전원전압(E)으로 제한하는 기능도 있다.
1차측 공진 콘덴서(Cr1, Cr2)는 각각 거의 동일한 캐패시턴스 값을 가지며, 이들은 트랜스(Tr)의 누설 인덕턴스와 함께 공진탱크 회로(211)를 구성한다. 상기 공진탱크 회로(211)의 등가회로는 도 7에 도시하였다. 이 경우 공진 콘덴서(Cr1, Cr2)의 캐패시턴스 값이 각각 Cr/2이라고 하면, 1차측 공진 콘덴서(Cr1, Cr2)들은 병렬 연결되어 있으므로 Cr의 캐패시턴스 값을 갖는다. 트랜스(Tr)의 누설 인덕터를 Lr이라고 하면, 상기 공진탱크 회로(211) 공진 주파수(fr)은 하기 수 1과 같이 산출될 수 있다.
Figure 112012001808206-pat00001
한편, 트랜스(Tr)의 1차 권선(Np)의 일단은 1차측 공진 콘덴서(Cr1, Cr2)의 사이에 접속되며, 트랜스(Tr)의 1차 권선의 타단은 스위치 S2 및 S3 사이에 접속된다. 여기서 트랜스(Tr)는 1차 권선(Np)에 대한 2차 권선(Ns)의 권수(卷數)비 n을 가진다. 1차 권선(Np), 2차 권선(Ns)에 붙여진 흑점은 권선의 극성을 나타낸다. 트랜스(Tr)의 2차 권선(Ns)에는 2차 권선(Ns)의 교류전압을 정류하는 정류회로(220)가 접속된다.
정류회로(220)는, 트랜스(Tr)의 2차측 전압을 트랜스(Tr)의 권선비에 따라 배터리(400)에 전달하는 것으로, 도 12에 도시한 전압 더블러, 풀브리지 및 센터탭의 구성이 모두 가능하나, 소자 수가 적어 생산원가 절감이 가능한 전압 더블러 구조가 가장 바람직하므로 본 발명에서는 전압 더블러 구조를 채택한 도 4를 중심으로 설명한다. 그러나, 배터리(400)로 출력되는 전압이 낮아진다면 센터탭 구조를 채택할 수 있고, 배터리(400)로 출력되는 전압이 커진다면 풀브리지 구조를 채택할 수 있다.
도 4에 의하면 상기 정류회로(220)는 서로 직렬 접속된 정류용 다이오드(D6)와 정류용 다이오드(D7), 서로 직렬 접속된 제1의 2차측 필터 콘덴서(Cf1)와 제2의 2차측 필터 콘덴서(Cf2)로 이루어진다. 2차측 필터 콘덴서(Cf1, Cf2), 및 2차측 다이오드(D6, D7)는 모두 배터리(400)의 양 단자 사이에 접속된다. 정류용 다이오드(D6)와 정류용 다이오드(D7) 사이는 트랜스(Tr)의 2차 권선(Ns)의 일단에 접속된다. 제1의 2차측 필터 콘덴서(Cf1)와 제2의 2차측 필터 콘덴서(Cf2) 사이는 트랜스(Tr)의 2차 권선(Ns)의 타단에 접속된다.
다음은 도 5 내지 도 6c을 참조하여 직렬 공진 컨버터(200)의 상세 동작원리에 대하여 설명한다. 도 5는 직렬 공진 컨버터(200)의 각 구간별(t0~t1, t1~t2, t2~t3) 파형도를 도시하였으며, 도 6a 내지 6c는 직렬 공진 컨버터(200)의 각 구간별(t0~t1, t1~t2, t2~t3) 전류 흐름도를 도시하였다. 도 6에서 적색 부분은 각 구간(t0~t1, t1~t2, t2~t3)에서 실제 전류가 흐르는 전류경로를 의미하며, 스위치 S2와 스위치 S3는 교번하여 스위칭 되며, 상기 스위치 S2 및 S3의 듀티는 모두 0.4 내지 0.6인 것이 바람직하다.
첫째로, t0∼t1구간으로, 스위치 S2에 게이트 전압이 인가되어 턴온되면, 트랜스(Tr)의 누설 인덕턴스(Lr)와 공진 커패스터(Cr1, Cr3)에 의해 공진이 형성된다. 이 경우 공진 주파수는 전술한 바와 같이 fr이며, 펄스 발생기(230)에서 발생된 주파수 fs와 동일한 것이 바람직하다. 즉, 도 8에 도시한 바와 같이 펄스 발생기(230)에서 발생된 주파수 fs가 공진 주파수 fr보다 작거나 크면, 상기 스위치 S2의 스위칭 순간에 높은 값을 가지는 전압 및 전류가 잔존하여 서지가 유입되나, 같으면 영전류 스위칭이 성취되어 스위치 S2의 내부 다이오드(S2d)로 흐르던 매우 작은 전류가 스위치 S2로 흐르게 되면서 영전류 스위칭(ZCS)를 성취하게 된다. 한편, 본 발명에 의한 직렬 공진 컨버터(200)에서 1차측 공진 콘덴서(Cr1, Cr2)의 캐패시터 값 오차 및 트랜스(Tr)의 누설 인덕터(Lr)의 인덕턴스 값의 오차로 인하여 발생되는 전압 이득 값의 오차 및 위상 이득 값의 오차를 최소화 할 수 있다. 즉, 도 2b에 도시하였던 하프브리지 직렬 공진 컨버터에 의하면 도 9에 도시한 바와 같이 공진 콘덴서의 캐패시터 값 오차 및 트랜스의 누설 인덕터의 인덕턴스 값 오차로 인하여 야기되는 공진 주파수의 오차로 인하여 전압이득과 위상에서 큰 오차가 발생한다. 그러나 본 발명에 의하면 도 10에 도시한 바와 같이 공진 콘덴서의 캐패시터 값 오차가 발생하여 공진 주파수에 오차가 발생하여도 전압이득과 위상에서 발생되는 오차 범위가 현저하게 감소한다. 한편, 본 구간은 상기 스위치 S2가 턴오프되면 종료된다.
둘째로, t1∼t2구간으로, 스위치 S2가 턴오프 되면서 트랜스(Tr) 2차측 다이오드의 기생 커패시터를 방전시키면서 스위치 S2의 내부 커패시터로 전류가 흐른다. 이 구간은 스위치 S2의 스위칭 시간과 스위치 S3의 스위칭 시간 사이에 완충시간을 설정한 스위칭 지연법이 적용된 구간으로 상기 구간은 스위치 S2 및 S3의 암쇼트 방지시간(tdead) 및 다이오드 D6, D7의 기생커패시터에 따른 지연시간(tdelay) 값으로 구성된다. 여기서 스위치 S2 및 S3의 암쇼트 방지시간(tdead)은 스위치 S2 오프 직후 잔존하는 전류에 의하여 S2와 S3가 동시에 온되는 효과가 나타나는 것을 방지하기 위하여 상기 스위치 S2와 스위치 S3 각각의 스위칭 시간 사이에 설정한 완충 시간이다. 이 시간은 스위치마다 다르므로 스위치의 데이터시트를 참고하여 할당하면 되고, 일 실시예로 IXFB 60N80P 스위치의 경우에는 196~206ns로 설정하는 것이 바람직하다. 다이오드 D6, D7의 기생커패시터에 따른 지연시간(tdelay)은 스위치 S2의 스위칭 이후에 다이오드 D6, D7의 기생커패시터에 전하 방전시 발생되는 서지유입 방지를 위하여 다이오드 D6, D7의 기생커패시터에 전하 방전시간을 고려하여 설정하는 완충시간을 의미한다. 스위치 S3에 게이트 전압이 인가되면 본 구간은 종료된다.
세째로, t2∼t3구간으로, 스위치 S3에 게이트 전압이 인가되면 트랜스(Tr)의 누설 인덕턴스와 공진 커패스터에 의해 공진이 형성된다. 이 구간에서도 상기 t0~t1 구간과 마찬가지로 공진 주파수 fr과 스위칭 주파수 fs가 동일한 것이 바람직하다. 스위치 S3가 턴오프 되면, 본 구간은 종료된다.
다음은 본 발명에 따른 직렬 공진 컨버터가 양방향 충전에 적용된 실시예를 설명한다. 도 13은 본 발명에 따른 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기를 양방향 충전에 적용한 실시예를 도시한 도면이며, 도 14는 도 13의 배터리 충전기에 대한 상세 회로도 중 일 실시예를 도시한 도면이고, 도 15a 및 도 15b는 각각 도 13의 배터리 충전기의 충전시와 방전시의 파형을 도시한 도면이다.
본 실시예에서는 도 4의 회로와 비교하였을 때, AC-DC 컨버터(100A)로서 양방향 스위칭이 가능한 PWM컨버터를 사용하고, 직렬 공진 컨버터(200A)에서 변압기 2차 측인 정류회로(220A)에서 다이오드가 스위치(도 14의 스위치 S7 및 S8)로 대체된 실시예를 도시하였다. 그러나, 도시한 실시예에만 권리가 한정되는 것은 아니며, 당업자가 설계 가능한 범위 내에서 변경 실시하는 것도 가능하다.
도 13의 회로에서 AC-DC 컨버터(100A) 및 배터리 전압 제어부(500A)는 도 4에 도시된 AC-DC 컨버터(100)와 배터리 전압 제어부(500)와 동일한 원리로 작동되며, 도 13의 회로에도 도 4의 회로에서 대하여 전술한 스위칭 지연법이 적용된다. 즉, 충전 시에는 스위치 S5 및 S6에 스위칭 지연법이 적용되며, 방전시에는 스위치 S7 및 S8에 스위칭 지연법이 적용된다. 이들에 대한 파형은 도 15a 및 도 15b에 각각 도시하였으며, 방전시 파형은 충전시 파형의 역으로 나타난다.
도 13의 회로에서 트랜스의 1차 측인 인버터 회로(210A)에 적용가능한 회로인 하프 브리지 및 풀브리지의 실시예는 도 16에 도시하였으며, 도 4에 도시한 실시예와 동일하게 인버터 회로(210A)에 흐르는 전류가 큰 경우에는 풀브리지의 실시예를 채택하는 것이 바람직하며, 작은 경우에는 하프브리지의 실시예를 채택하는 것이 바람직하다. 그리고, 도 13의 회로에서 트랜스의 2차 측인 정류회로(220A) 적용가능한 회로인 전압더블러, 풀브리지 및 센터탭에 대한 실시예는 도 17에 도시하였으며, 이 또한 전술한 바와 같이 통상적인 사용목적이며 생산원가 절감이 필요한 경우이면 전압더블러의 실시예를 채택할 수 있으며, 배터리에 인가되는 전압이 낮은 경우에는 센터탭의 실시예를 채택할 수 있으며, 배터리에 인가되는 전압이 높은 경우에는 풀브리지의 실시예를 채택할 수 있다.
다음은 도 13의 양방향 배터리 충전기를 3상에 적용하는 경우의 실시예에 대하여 설명한다.
도 18은 도 13의 배터리 충전기를 3상에 적용한 실시예를 도시한 도면이다. 3상 적용 시 구동원리는 도 13에 도시한 바와 같이 단상 양방향 배터리 충전기의 경우와 동일하나, AC-DC 컨버터(100B) 및 직렬 공진 컨버터(200A)가 3상에 대응되는 회로인 점이 도 13의 회로와 다르다.
다음은 저전압 직류 변환용 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기의 실시예에 대하여 설명한다.
도 19에 도시한 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기는, 고정 듀티 및 고정 주파수로 동작하며 DC전원 전압을 트랜스의 권선비에 따른 고정 강압비에 따라 출력하거나, 입력전압을 트랜스의 권선비에 따른 고정 승압비에 따라 출력하는 직렬 공진 컨버터(200C), 상기 직렬 공진 컨버터(200C) 후단에 구비되며, 배터리(400)에 일정한 전압 또는 전류가 공급되도록 상기 직렬 공진 컨버터(200C)의 전압을 강압하여 상기 배터리(400)로 출력하는 벅 컨버터 기능과 상기 배터리(400)의 전압을 승압하여 상기 직렬 공진 컨버터(200C)로 출력하는 부스트 컨버터 기능을 수행하는 부스트/벅 컨버터(600C)를 포함하되, 상기 직렬 공진 컨버터(200E)는 트랜스의 1차 권선에 연결된 콘덴서와 상기 트랜스의 누설 인덕터(Lr)가 협동하여 일정한 공진 주파수로 공진하며, 상기 직렬 공진 컨버터의 동작 주파수는 상기 직렬 공진 컨버터의 공진 주파수에 따라 동작하는 것을 특징으로 한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
100: AC-DC 컨버터 200, 200A, 200B, 200C: 직류 링크 콘덴서
300, 300A, 300B, 300C: 직렬 공진 컨버터 400: AC전원
500: 배터리

Claims (8)

  1. 삭제
  2. AC전원을 직류로 변환시키는 AC-DC 컨버터;
    고정 듀티 및 고정 주파수로 동작하며 상기 AC-DC 컨버터의 출력을 트랜스의 권선비에 따른 고정 승압비에 따라 배터리로 출력하는 직렬 공진 컨버터; 및
    상기 AC전원의 전압 및 전류와 배터리로 입력되는 전압 또는 전류를 피드백 받아 상기 배터리로 입력되는 전압이 일정하도록 상기 AC-DC 컨버터를 제어하는 전압 제어부;를 포함하되,
    상기 직렬 공진 컨버터는 트랜스의 1차 권선에 연결된 콘덴서와 상기 트랜스의 누설 인덕터(Lr)가 협동하여 일정한 공진 주파수로 공진하며,
    상기 직렬 공진 컨버터의 동작 주파수는 상기 직렬 공진 컨버터의 공진 주파수와 동일하고,
    상기 직렬 공진 컨버터는,
    상호 직렬 연결된 제1 공진 콘덴서(Cr1) 및 제2 공진 콘덴서(Cr2);
    상호 직렬 연결된 제1 스위치(S2) 및 제2 스위치(S3);
    상호 직렬 연결된 제1 다이오드(D6) 및 제2 다이오드(D7);
    상호 직렬 연결된 제1 필터 콘덴서(Cf1) 및 제2 필터 콘덴서(Cf2);를 포함하며,
    상기 트랜스의 1차측 일단은 상기 제1 공진 콘덴서(Cr1) 및 상기 제2 공진 콘덴서(Cr2) 사이에 병렬연결되고,
    상기 트랜스의 1차측 타단은 상기 제1 스위치(S2) 및 상기 제2 스위치(S3) 사이에 병렬연결되며,
    상기 트랜스의 2차측 일단은 상기 제1 다이오드(D6) 및 상기 제2 다이오드(D7) 사이에 병렬연결되고,
    상기 트랜스의 2차측 타단은 상기 제1 필터 콘덴서(Cf1) 및 상기 제2 필터 콘덴서(Cf2) 사이에 병렬연결되는 것을 특징으로 하는 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 스위치(S2) 및 상기 제2 스위치(S3)는 고정 주파수(fs)를 가지는 펄스를 발생시키는 펄스 발생기에 의하여 스위칭 되는 것을 특징으로 하는 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 스위치(S2) 및 상기 제2 스위치(S3)는 교번하여 스위칭되며 상기 제1 스위치(S2) 및 상기 제2 스위치(S3)의 듀티(duty)는 모두 0.4 내지 0.6인 것을 특징으로 하는 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 스위치(S2)의 턴 오프(turn off)와 상기 제2 스위치(S3)의 턴 온(turn on) 사이에 완충 시간이 설정된 것을 특징으로 하는 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 완충 시간은,
    상기 스위치 S2 오프 직후 잔존하는 전류에 의하여 상기 스위치 S2와 상기 스위치 S3가 동시에 온되는 효과가 나타나는 것을 방지하기 위하여 상기 스위치 S2와 상기 스위치 S3 각각의 스위칭 시간 사이에 설정한 상기 스위치 S2 및 상기 스위치 S3의 암쇼트 방지시간(tdead); 및
    상기 스위치 S2의 스위칭 이후에 상기 다이오드 D6 및 상기 다이오드 D7의 기생커패시터에 전하 방전시 발생되는 서지유입 방지를 위하여 상기 다이오드 D6 및 상기 다이오드 D7의 기생커패시터에 전하 방전시간을 고려하여 설정하는 완충시간인 상기 다이오드 D6 및 상기 다이오드 D7의 기생커패시터에 따른 지연시간(tdelay);을 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기.
  7. AC전원을 직류로 변환시키는 AC-DC 컨버터;
    고정 듀티 및 고정 주파수로 동작하며 상기 AC-DC 컨버터의 출력을 트랜스의 권선비에 따른 고정 승압비에 따라 배터리로 출력하거나, 상기 배터리의 출력전압을 트랜스의 권선비에 따른 고정 강압비에 따라 상기 AC-DC 컨버터로 출력하는 직렬 공진 컨버터; 및
    상기 AC전원의 전압 및 전류와 배터리로 입력되는 전압 또는 전류를 피드백 받아 상기 배터리로 입력되는 전압이 일정하도록 상기 AC-DC 컨버터를 제어하는 전압 제어부;를 포함하되,
    상기 직렬 공진 컨버터는 트랜스의 1차 권선에 연결된 콘덴서와 상기 트랜스의 누설 인덕터(Lr)가 협동하여 일정한 공진 주파수로 공진하며,
    상기 직렬 공진 컨버터의 동작 주파수는 상기 직렬 공진 컨버터의 공진 주파수에 따라 동작하는 것을 특징으로 하는 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기.
  8. 고정 듀티 및 고정 주파수로 동작하며 DC전원 전압을 트랜스의 권선비에 따른 고정 강압비에 따라 출력하거나, 입력전압을 트랜스의 권선비에 따른 고정 승압비에 따라 출력하는 직렬 공진 컨버터;
    상기 직렬 공진 컨버터 후단에 구비되며, 배터리에 일정한 전압이 공급되도록 상기 직렬 공진 컨버터의 전압을 강압하여 상기 배터리로 출력하는 벅 컨버터 기능과 상기 배터리의 전압을 승압하여 상기 직렬 공진 컨버터로 출력하는 부스트 컨버터 기능을 수행하는 부스트/벅 컨버터;를 포함하되,
    상기 직렬 공진 컨버터는 트랜스의 1차 권선에 연결된 콘덴서와 상기 트랜스의 누설 인덕터(Lr)가 협동하여 일정한 공진 주파수로 공진하며,
    상기 직렬 공진 컨버터의 동작 주파수는 상기 직렬 공진 컨버터의 공진 주파수에 따라 동작하는 것을 특징으로 하는 직렬 공진 컨버터를 이용한 배터리 충전기.
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