KR102387123B1 - Ac-dc 컨버터 회로 시스템, 및 ac-dc 컨버터 회로 시스템의 동작 방법 - Google Patents

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Abstract

AC-DC 컨버터 회로 시스템, 및 AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른, AC-DC 컨버터 회로 시스템은, 전기 전원으로부터 AC의 그리드를 입력받아, DC의 배터리 전원으로 전환하는 AC/DC 컨버터를 포함하고, 상기 AC/DC 컨버터는, 복수의 FET(Field Effect Transistor)를 포함하여 구성되는 1차측 변압기; 및 상기 1차측 변압기에 의해 양의 값을 갖게 되는 그리드로부터, 상기 DC의 배터리 전원을 출력하는 2차측 변압기를 포함할 수 있다.

Description

AC-DC 컨버터 회로 시스템, 및 AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법{AC-DC CONVERTER CIRCUIT SYSTEM, AND OPERATING METHOD OF AC-DC CONVERTER CIRCUIT SYSTEM}
본 발명은, 컨버터 회로와 관련하여, 브릿지 다이오드와 부스트 컨버터를 제거 함으로써, 컨버터 회로의 부피 및 제작비용을 저감하고, 효율을 향상시키는, AC-DC 컨버터 회로 시스템, 및 AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명에서는, 컨버터 회로에서, 기존 3 스테이지를 단일 스테이지로 전력변환 단계를 줄여, 회로를 간소화 하는 기술을 제공한다.
전기 자동차는 전기를 동력원으로 삼아 운행하는 자동차를 일컫는다.
전기 자동차는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하여, 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜서 자동차를 구동시킨다. 배터리로의 전기 축적에는, 연료전지, 태양전지와 같은 열이나 화학반응을 통해 발생되는 전기를 활용할 수 있다.
이러한 전기 자동차의 전기 축적에 있어, PFC(Power Factor Correction) 회로는 전원 전지로부터 충전 건 등을 통해 그리드(Grid)가 입력되고, 이를 통해 전기 자동차 내부의 배터리로 전원을 축적시키는 일련의 과정을 제어하는 회로를 지칭할 수 있다.
유선 충전 방식 이외에, 근래에는 무선 충전 방식을 통해, 전기 자동차에서의 배터리 전기 축적을 구현 함으로써, 충전의 편리성을 높이고 있다.
종래에는 주로 Two-stage 구조의 배터리 무선 충전 기술에 대한 특허 및 연구가 많이 이루어져 왔고, 그 결과물들도 많이 공개되어 있다.
하지만, Single-stage 구조에 대한 특허 및 연구 사례는 많이 없어, single-stage 구조에 적합한 컨버터 및 제어 방법에 관한 연구 사례를 찾는 데에 어려움이 있다.
무선전력전송(wireless power transfer)은 선 연결 없이 무선으로 전력을 전송시켜 충전하는 무선충전 방식을 일컫는다. 무선충전 기술은 2012년도에 최초로 휴대폰용 무선 충전기가 등장하였고, 그 이후로도 기술을 점차 고도화시켜 오고 있다. 또한 기술의 고도화로 인해, 무선충전 기술이 적용되는 응용 기술은, 함께 다양해지고 있다.
무선충전 기술이 적용되는 응용 기술은, 휴대폰 배터리 무선 충전 기술, 인덕션 히터, 전기 자동차에 이르기까지 배터리가 사용되는 거의 모든 분야에 적용되고 있다.
연도별 무선충전 기기의 시장 추세를 보면, 무선충전 관련 시장은, 해마다 그 규모를 키우는 추세이다. 따라서 국내의 많은 기업들은, 무선충전 기술 확보에 힘쓰고 있다. 또한 해외의 글로벌 기업들도 무선충전 분야 시장에서의 점유율을 확대하고 있다. 이 때문에, 무선충전 관련 선도 기술에 대한 확보가 절실한 실정이다.
지구온난화와 같은 환경오염이 전 세계적으로 대두되면서, 에너지 소비량을 감소시키기 위한 노력은, 다양한 형태로 이루어지고 있다. 특히, 스마트폰, wearable devices, 노트북, 태블릿, 전기 자동차 등의 시장이 커짐에 따라, 전기 에너지 사용량은, 급증하는 추세이다.
이러한 환경에서, 환경오염을 감소시키기 위해서는, 전력 소모량을 줄여야 한다. 전력 소모량을 줄일 수 있는 효과적인 방법은, 전력 변환 장치의 전력 효율을 향상시키는 것이다.
이에 따라 대부분의 국가에서는, 점차 높은 효율의 전력 변환 장치를 요구하고 있다.
또한, 무선충전기는 교류 입력을 직류 전력으로 변환하는 전력변환장치를 필요로 하고 있기 때문에, 점차 높은 효율의 무선충전기도 요구받고 있는 실정이다. 이에, 최근에는, 고효율 무선전력전송 장치에 대한 연구가 보다 필요하게 되었다.
도 1은 종래의 컨버터 회로를 포함하는 무선충전 회로의 일례를 도시한 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 무선충전 회로는 Bridge diode(110), PFC stage(120), DC/DC stage(130), Battery(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
Bridge diode(110)는 입력되는 Grid의 교류 전력을 DC로 정류하는 역할을 수행할 수 있다.
PFC(Power factor correction) stage(120)는 Grid로부터 3상 또는 단상의 교류 전력에 대해, 무효전력을 최소화 시키고 안정적인 직류 전력으로 변환하는 역할을 수행할 수 있다. PFC stage(120)는 PFC 컨버터에 의해 제어될 수 있다.
DC/DC stage(130)는 Grid에서 변환된 직류 전력을 배터리 전압 프로토콜에 맞추어 조절하는 역할을 할 수 있다. 또한, DC/DC stage(130) 내에는 무선충전을 위한 변압기(transformer)가 존재할 수 있다. DC/DC stage(130)의 DC/DC Tx side에서는 AC를 전달하고, DC/DC Rx side에서는 전달된 AC를 DC로 재전환한다.
Battery(140)는 DC/DC stage(130)의 후단에 위치하여, DC/DC stage(130)로부터 공급된 직류 전력을 받아 충전을 수행할 수 있다.
다만, 도 1과 같은 종래의 무선충전 회로는 많은 한계점을 가지고 있다.
먼저, 종래의 무선충전 회로는 많은 소자 수로 인한 높은 비용 때문에 시장성이 낮다.
종래의 무선충전 회로는 bridge diode(110), PFC stage(120)에서의 PFC 컨버터, DC/DC stage(130)에서의 DC/DC 컨버터 등에 이르기까지 여러 단계로 구성되어 있다. 각 단계에는 서로 다른 소자를 포함하고 있기 때문에, stage가 많은 종래의 무선충전 회로는, 높은 비용을 갖게 되는 한계가 있다.
또한, PFC stage(120), DC/DC stage(130)는 PFC 컨버터와 DC/DC 컨버터라는 서로 다른 제어기를 통해 제어되므로, 제어단 또한 복잡하다 라는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 실질적인 제품의 시장 경쟁력을 확보하기 위해서는 제작 단가를 낮추고, 각 전력변환 단계를 제거, 통합하는 기술 개발이 필수적이다.
또한, 종래의 무선충전 회로는 Bridge diode(110)에서의 높은 도통 손실을 가지고 있다.
Bridge diode(110)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위해 사용하는 다이오드일 수 있다. Bridge diode(110)는 다이오드를 사용해서 정류하기 때문에 구조는 간단하지만, 1V 이상의 순방향 전압 강하가 발생할 수 있다. 특히, 종래의 무선충전 회로는, 입력 전류 전체가 두 개의 Bridge diode(110)를 통과하기 때문에 이로 인한 전력 손실이 상당할 수 있다.
따라서, 전력 손실 저감을 위해, 종래의 무선충전 회로에 대해서는, Bridge diode(110)를 제거 또는 대체할 필요가 있다.
또한, 종래의 무선충전 회로는 PFC 컨버터의 도통 및 스위칭 손실 위험을 가지고 있다.
PFC 컨버터에는 일반적으로 110-220Vac의 그리드 입력을 400V 정도로 승압하는 부스트 컨버터가 사용된다. 부스트 컨버터는 입력 전류가 연속적이고 입력 필터 구성이 용이하다는 장점이 있지만, 큰 도통 손실 및 스위칭 손실이 발생하여 전력 손실을 발생시킨다.
특히, bridge diode(110)와 마찬가지로, PFC 컨버터의 출력 전력은, 출력 측의 다이오드를 통하면서 큰 도통손실로 인해 상당한 전력 손실을 발생시킨다.
따라서, 부스트 컨버터의 손실을 줄이기 위해, 종래의 무선충전 회로에 대해서는, 새로운 형태의 역률 보상 메커니즘을 도입할 필요가 있다.
종래 기술의 회로 내의 DC/DC 컨버터는 Tx Link 캐패시터의 DC 전압을 AC 형태로 변환한다. 이에 따라 DC/DC Tx side에서는 DC를 다시 AC로 변환할 수 있다. DC/DC Tx side에서의 AC 성분은 변압기를 지나 2차측으로 전달되며, 2차측의 DC/DC Rx side 에서는 AC 성분에 대한 정류를 거쳐 Battery(140)를 충전한다.
따라서, 종래의 무선충전 회로는, 전체적으로 전원의 형태를, AC를 DC로, 다시 DC를 AC로, 또한 AC를 DC로 전환하는 여러 과정을 거치게 된다.
이러한 불필요한 과정을 해소하기 위해서는, 전원의 형태를, 반복적으로 변환하는 과정을, AC에서 DC로 한 단계로 만 변환하는 전력변환 장치를 통해 전원 형태의 변환을 과정을 최소화시키는 것이 요구된다.
본 발명의 실시예는, 기존의 컨버터 회로에서, 브릿지 다이오드와 부스트 컨버터를 제거 함으로써, 회로의 부피 및 제작비용을 저감하고, 효율을 향상시키는, AC-DC 컨버터 회로 시스템, 및 AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는, 컨버터 회로에서, 기존 3 스테이지를 단일 스테이지로 전력변환 단계를 줄여, 회로를 간소화 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른, AC-DC 컨버터 회로 시스템은 전기 전원으로부터 AC의 그리드를 입력받아, DC의 배터리 전원으로 전환하는 AC/DC 컨버터를 포함하고, 상기 AC/DC 컨버터는, 복수의 FET(Field Effect Transistor)를 포함하여 구성되는 1차측 변압기; 및 상기 1차측 변압기에 의해 양의 값을 갖게 되는 그리드로부터, 상기 DC의 배터리 전원을 출력하는 2차측 변압기를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른, AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법은, AC/DC 컨버터에서, 복수의 FET를 포함하여 1차측 변압기를 구성하여, 전기 전원으로부터 AC의 그리드를 입력받는 단계; 및 상기 AC/DC 컨버터의 2차측 변압기에서, 상기 1차측 변압기에 의해 양의 값을 갖게 되는 그리드로부터, DC의 배터리 전원을 출력하는 단계를 포함하여 구성할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 기존의 컨버터 회로에서, 브릿지 다이오드와 부스트 컨버터를 제거 함으로써, 회로의 부피 및 제작비용을 저감하고, 효율을 향상시키는, AC-DC 컨버터 회로 시스템, 및 AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의해서는, 컨버터 회로에서, 기존 3 스테이지를 단일 스테이지로 전력변환 단계를 줄여, 회로를 간소화 할 수 있다.
도 1은 종래의 컨버터 회로를 포함하는 무선충전 회로의 일례를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 AC-DC 컨버터 회로 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제안 기술의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 종래의 컨버터 회로와 본 발명의 AC-DC 컨버터 회로 시스템과의 비교를 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 AC-DC 컨버터 회로 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른, AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법을 도시한 흐름도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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 실시예가 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 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 AC-DC 컨버터 회로 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른, AC-DC 컨버터 회로 시스템(200)은, AC/DC 컨버터(210)를 포함하여 구성할 수 있다. 또한, AC/DC 컨버터(210)는, 1차측의 1차측 변압기(211)와 2차측의 2차측 변압기(212)를 포함할 수 있다.
우선, AC/DC 컨버터(210)는 전기 전원으로부터 AC의 그리드를 입력받아, DC의 배터리 전원으로 전환한다. 즉, AC/DC 컨버터(210)는 교류의 전기 전원을 직접 입력 받아, 배터리 충전 용도의 직류의 배터리 전원으로 변환하는 역할을 할 수 있다.
AC/DC 컨버터(210)는 AC의 그리드를 직접 입력 받음으로써, 기존 컨버터 회로에서의 브릿지 다이오드를 제거하는 환경을 조성할 수 있다. 즉, AC/DC 컨버터(210)는 AC의 그리드를 입력으로 수신하여, 그리드의 정류를 위한 브릿지 다이오드를 제거할 수 있게 한다.
AC/DC 컨버터(210)는, 1차측 변압기(211)와 2차측 변압기(212)로 구성되어, 입력된 AC의 그리드를 DC의 배터리 전원으로 전환한다.
1차측 변압기(211)는 AC/DC 컨버터(210)의 1차측으로서, 양방향 스위치를 포함하는 복수의 FET(Field Effect Transistor)를 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 1차측 변압기(211)는 교류의 양의 값을 양으로 유지하고, 교류의 음의 값을 양으로 전환시키는, 양방향 스위치를 통해, 입력된 그리드의 값이 양으로 만 표현되게 할 수 있다.
상기 1차측 변압기(211)를 구성하는 상기 복수의 FET는, 스위치 방향이 서로 반대로 연결되는 한 쌍의 양방향 스위치를 포함할 수 있다.
양방향 스위치 1쌍의 구성은 각 스위치 방향이 서로 반대로 연결될 수 있다. 여기서, 스위치 방향이 서로 반대라는 의미는, 각 스위치가 Drain-source & source-drain이든 source-drain & drain-source든 상관없음을 의미할 수 있다.
이러한 복수의 FET에 의해, AC의 그리드는 양의 파형 만을 갖는 DC 형태의 그리드로 변환될 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 양방향 스위치 각각은, 상기 그리드의 AC 파형을 고려하여, on 또는 off를 결정할 수 있다.
그리드의 파형이 양(positive)의 값을 가지면서 입력되는 경우, 일부의 양방향 스위치는 on으로 동작하고, 다른 양방향 스위치는 off로 동작할 수 있다. 반면, 그리드의 파형이 음(negative)의 값을 가지면서 입력되는 경우, 앞서 on으로 동작하였던 양방향 스위치는 off로 전환하여 동작하고, 앞서 off로 동작하였던 양방향 스위치는 on로 전환하여 동작 함으로써, 상보적으로 구동되도록 할 수 있다.
예컨대, 복수의 FET 각각이, 스위치 방향이 서로 반대로 연결되는 Q1B, Q1A 및 Q2B, Q2A의 한 쌍의 양방향 스위치를 포함할 수 있다.
후술하는 도 5d의 그리드의 positive와 negative에 따른 스위치 게이트 시그널 신호와 같이, 상기 AC의 그리드가 positive 로 입력되는 경우, 상기 Q1B, Q1A는 같은 시 비율로 on/off 동작, Q2B는 Q1B, Q1A 의 시 비율과 상보적으로 on/off 동작, Q2A는 on을 유지하는 동작을 할 수 있다.
반면, 상기 AC의 그리드가 negative로 입력되는 경우, 상기 Q2B, Q2A는 같은 시 비율로 on/off 동작, Q1A는 Q2B, Q2A 의 시 비율과 상보적으로 on/off 동작, Q1B는 on을 유지하는 동작을 할 수 있다.
일실시예에서, 상기 Q1B, Q1A 및 Q2B, Q2A 중에서, 적어도 하나의 스위치는, off 를 결정 함으로써, 불필요한 스위칭 손실을 방지할 수 있다.
구체적으로, 상기 AC의 그리드가 positive 로 입력되는 경우, 상기 Q2A는 on을 유지하는 동작을 하여 상기 Q2A 의 스위칭 손실을 방지하고, 상기 AC의 그리드가 negative 로 입력되는 경우, 상기 Q1B는 on을 유지하는 동작을 하여 상기 Q1B 의 스위칭 손실을 방지할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 복수의 FET 각각이, 스위치 방향이 서로 반대로 연결되는 Q1B, Q1A 및 Q2B, Q2A의 한 쌍의 양방향 스위치를 포함하고, 상기 AC의 그리드가 positive 로 입력되고 상기 Q1B와 상기 Q1A 가 교대로 on/off 스위칭 하는 경우, 상기 Q2A는 계속 on을 결정하고, 상기 Q2B는 상기 Q1B 또는 상기 Q1A에 따라 on 또는 off를 결정하여 동작할 수 있다.
반면, 상기 AC의 그리드가 negative로 입력되고 상기 Q2B와 상기 Q2A 가 교대로 on/off 스위칭 하는 경우, 상기 Q1B는 계속 on을 결정하고, 상기 Q1A는 상기 Q2B 또는 상기 Q2A 를 따라 on 또는 off를 결정하여 동작할 수 있다.
즉, AC 전원이 positive 일 때에는 Q1A, Q1B가 같은 듀티로 on/off 스위칭 하고, Q2A는 계속 ON되고, Q2B는 Q1A, Q1B 듀티와 상보적으로 on/off 스위칭 할 수 있다. 또한, AC 전원이 negative 일 때에는 Q2A, Q2B가 같은 듀티로 on/off 스위칭 하고, Q1B는 계속 ON되고, Q1A는 Q2A, Q2B 듀티와 상보적으로 on/off 스위칭 할 수 있다.
또한, 1차측 변압기(2110는, 상기 복수의 FET와 직렬로 연결되는 CR(공진 캡)과 LR(리키지 인덕터 또는 추가 인덕터)를 더 포함하여 구성되어, 상기 AC의 그리드를 직접 입력받는 환경을 조성할 수 있다.
이때, 1차측 변압기(211)는 스위칭 주파수로서, n kHz 이상(상기 n은 100 이상의 수)을 채택 함으로써, 상기 그리드의 AC 피크(peak) 부분에서, 가장 큰 전류를 인가받게 한다. 즉, 1차측 변압기(211)는 AC의 음양 각 피크 치에서, 가장 큰 배터리 전원을 발생시킬 수 있게, 1차측 변압기(211)의 스위칭 주파수를 비교적 고주파인 예컨대 100kHz 이상으로 결정할 수 있다.
2차측 변압기(212)는 AC/DC 컨버터(210)의 2차측으로서, 상기 1차측 변압기(211)에 의해 양의 값을 갖게 되는 그리드로부터, 상기 DC의 배터리 전원을 출력할 수 있다. 즉, 2차측 변압기(212)는 음의 값이 제거된 그리드에 대해, 기준 값 미만의 무효전력을 최소화 시키고 안정적인 직류 전력으로 변환하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 2차측 변압기(212)는, 상기 DC의 배터리 전원을 출력하기 위한 다이오드에, 스위치와 캐패시터를 병렬로 연결 함으로써, 데드존(dead zone)을 보상하고, 역률과 THD(Total Harmonic Distortion) 성능을 보상할 수 있다. 예컨대, 2차측 변압기(212)의 다이오드 D2(후술하는 도 4b 참조)에는 C와 FET와의 조합된 회로 구조인 스위치+캐패시터를 병렬로 연결하고, 다이오드 D3에는 스위치+캐패시터를 병렬로 연결 함으로써, 입력 전류가 입력 전압과 동상(in-phase)이 되도록 하여, 입력 전류가 없어지는 dead zone을 제거할 수 있다.
2차측 변압기(212)는, 상기 양의 값을 갖게 되는 상기 그리드의 AC 파형을 따라 상기 DC의 배터리 전원을 출력하되, 상기 AC 파형으로부터 평균 충전 전류(Average Charging Current)인 IO를 생성할 수 있다. 즉, 2차측 변압기(212)는 AC 파형을 따라 빠르게 스위칭 하는 스위칭 주파수의 배터리 전원을 생성하고, 생성된 배터리 전원에 대한 평균 전류 IO를 출력할 수 있다.
또한, 2차측 변압기는 기존의 컨버터 회로에서의 PFC stage의 기능을 대체 함으로써, AC의 역률(PF) 보상을 위한 부스트 컨버터를 선단에서 제거할 수 있게 한다.
정리하면, AC/DC 컨버터(210)는, 기 AC의 그리드를 입력으로 수신하여, 그리드의 정류를 위한 브릿지 다이오드와, AC의 역률(PF) 보상을 위한 부스트 컨버터를 선단에서 제거하여, Single stage로 구성된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 기존의 컨버터 회로에서, 브릿지 다이오드와 부스트 컨버터를 제거 함으로써, 회로의 부피 및 제작비용을 저감하고, 효율을 향상시키는, AC-DC 컨버터 회로 시스템, 및 AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의해서는, 컨버터 회로에서, 기존 3 스테이지를 단일 스테이지로 전력변환 단계를 줄여, 회로를 간소화 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제안 기술의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 AC-DC 컨버터 회로 시스템(200)은 Single stage를 포함하여 구성될 수 있다.
AC-DC 컨버터 회로 시스템(200)은 AC 교류입력을 바로 DC 전력으로 변환함으로써, AC를 DC로, DC를 AC로, 또 다시 DC로 여러 차례 변환하는 종래의 변환 과정을 개선하였다.
따라서 제안된 AC-DC 컨버터 회로 시스템(200)은, 전력변환 단계를 줄여, 부피 및 비용을 저감하였고, 브릿지 다이오드와 부스트 컨버터를 제거하여, 컨버터 회로의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
본 발명의 AC-DC 컨버터 회로 시스템(200)은 이러한 장점들을 통해서 기존 시스템 보다 적은 비용으로도 고효율 시스템을 구축할 수 있다.
이하에서는, 제안된 AC-DC 컨버터 회로 시스템(200)의 구조를 위한 새로운 전력변환 회로와 그 제어방법에 대해 서술한다.
도 4는 종래의 컨버터 회로와 본 발명의 AC-DC 컨버터 회로 시스템과의 비교를 위한 도면이다.
도 4a에서는 기존 시스템의 DC/DC 컨버터와 그 주요 파형을 보여주고 있다.
도 4b에서는 제안된 시스템의 DC/DC 컨버터와 그 주요 파형을 보여주고 있다.
도 4a에서와 같이, 기존 시스템의 DC/DC 컨버터는 두 개의 스위치를 갖고, 정해진 시비율로 스위칭을 수행할 수 있다. 기존 시스템의 DC/DC 컨버터는 입력으로 DC 전력을 받기 때문에, 1차측 변압기에서 AC 전력 생성 시 스위치가 두 개로 구성될 수 있다.
반면, 도 4b에서와 같이, 제안된 구조는 AC 입력이 인가되기 때문에 한 쌍의 양방향 스위치(Q1B, Q1A 및 Q2B, Q2A)가 적용된 DC/DC 컨버터가 사용된다.
또한, 기존의 시스템은 Link 전압이 DC 전력이기 때문에, 이를 다시 AC로 만들어 2차측 변압기로 넘겨준다. 이후, 2차측 변압기에서는, 정류를 통해 넘겨받은 AC를 DC 전력으로 변환한다.
정리하면, 기존의 시스템은, 전체 입력이 DC 전력이므로, 출력 또한 DC로 출력될 수 있다.
반면, 제안된 구조에서는 AC의 grid 전력이 바로 입력으로 인가되어, 기존의 시스템에서의 Bridge diode나 PFC 컨버터가 사용되지 않는다. Grid의 주파수는 50-60Hz이지만, 전력변환 장치의 스위칭 주파수는 100kHz 이상으로 매우 크다. 따라서 AC의 grid 입력은 제안된 컨버터에서는 마치 DC 입력인 것으로 받아들여진다.
이때, 제안된 회로가 정해진 시비율로 계속해서 동작하게 되면, 교류 전압의 값이 높은 부분에서는 큰 전류를 인가할 수 있다. 따라서 배터리로 충전되는 전류는 grid의 AC 모양을 그대로 따라가게 되고, 이에 따라 높은 역률(PF)을 가질 수 있다.
요약하면, 제안된 회로는 1)양방향 스위치를 통해서 bridge diodes를 제거하여 도통손실을 저감할 수 있고, 2)출력 전류가 grid의 교류 전압의 모양을 따라가게 끔 제어함으로써 PFC stage를 제거할 수 있다.
따라서, 제안된 시스템 및 전력변환 회로를 통해 전체 시스템 비용을 저감하고, 효율을 개선시켜 높은 시장성을 확보할 수 있다.
<시뮬레이션 결과>
제안된 회로의 시뮬레이션은 power simulation(PSIM) 툴을 사용하여 진행되었다. 해당 시뮬레이션 툴은 전력변환회로 엔지니어가 널리 사용하고 있어, 높은 신뢰성을 갖는다.
시뮬레이션의 사양은 표 1과 같다.
Figure 112020075952914-pat00001
본 발명자는 S사의 무선 청소 로봇의 충전 사양 조건을 사용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 제어 방식은 기존 배터리 충전기에 널리 사용되는 CC-CV, MCC를 적용하였다. 따라서 제안된 시스템은 종래 충전 기술 방식에 무리 없이 적용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명자는 실제로 사용되는 제품의 누설 인덕턴스 및 자화 인덕턴스를 직접 측정하였다. 이를 통해서 본 발명자는 시뮬레이션을 진행하여, 실제 충전 상황에 가까운 환경을 구축하였다.
시뮬레이션 결과, 제안된 시스템 및 회로가 정상 동작함을 볼 수 있었고, 이에 따라 제안된 회로의 효용성은 검증되었다. 또한, 본 발명자는 추가적으로 제안하는 회로 아이디어가 PFC 기능까지도 커버할 수 있는 것을 확인하였다.
제안된 회로는 기존 DC/DC 컨버터로 사용되는 토폴로지의 스위치 구조를 바꾸어 여러 가지 토폴로지로 변형될 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 어플리케이션의 특성에 따라 다양한 토폴로지를 적용할 수 있어, 응용 가능성이 매우 크다.
종래의 기술은 Bridge diodes, PFC 컨버터, DC/DC 컨버터에 이르는 여러 stages 시스템으로 설계되는 반면, 제안된 기술은 단일 stage 시스템으로 구성될 수 있다.
또한, 종래의 기술의 컨버터는 단방향 스위치로 구성되는 반면, 제안된 컨버터는 양방향 스위치로 구성될 수 있다.
종래의 기술은 Bridge diodes, PFC 컨버터, DC/DC 컨버터에 이르는 여러 stages 시스템으로 설계되는 반면, 제안된 기술은 단일 stage 시스템으로 구성되어 시스템 구축 비용이 저감되고 높은 효율을 갖는다.
종래의 기술의 컨버터는 단방향 스위치로 구성되어 DC 직류 전력 입력만 적용될 수 있는 반면, 제안된 회로는 양방향 스위치로 구성되어 DC뿐 아니라, AC 교류 전력 입력에도 적용될 수 있어, 여러 응용에 적용되기 용이하다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 AC-DC 컨버터 회로 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
최근 전기자동차 OBC 유닛에 탑재된 AC-DC converter에서 전해 캡(링크 캐패시터)을 제거하여 OBC 수명을 연장하고자 하는 연구가 많이 진행되고 있다.
도 5a에서는 AC-DC converter에서 전해 캡(링크 캐패시터)을 제거한 회로를 예시한다.
도 5a의 AC-DC converter는, IEEE transaction on industrial electronics 저널에 개시된 AC-DC converter에서 전해 캡(링크 캐패시터)을 제거한 회로의 일례이다.
도 5a의 회로는 PFC 단과 링크 캐패시터를 제거하여 Single stage 구조를 가지게 된다.
하지만, 도 5a의 회로는 bridge diode와 입력 캐패시터(Cin)을 그대로 사용하고 있다.
또한, 도 5a의 회로는 AC의 입력 전압(Vin(ac)) 입력 됨에도, 2차 측에서 변환되는 전압을 생성하지 못하는 dead zone이 존재한다.
도 5b는 도 5a의 회로에 의해 dead zone이 발생된 위상을 보여주는 도면이다.
이러한 Dead zone에서, PFC 회로가 좋은 역률 성능을 갖기 위해서는 입력 전압 Vin(ac) 상과 입력 전류 iin의 상을 동상으로 하여, 무효전력을 최대한 제거해야 한다.
도 5b는, 입력 전압 Vin(ac) 상과 입력 전류 iin의 상이 완벽한 동상이 되지 못하여, 입력 전류가 없어 역률 성능이 저하되는 dead zone을 보여준다.
dead zone을 없애기 위해, 본 발명에서는, 도 5a의 회로에 대해, 2차측의 다이오드 7과 다이오드 8 각각에 병렬로 스위치+캐패시터(501, 502)를 추가한다.
다이오드 7과 다이오드 8 각각 병렬로 추가되는 스위치+캐패시터(501, 502)는, dead zone에서 임의적으로 전압 전류를 생성시켜, 도 5c에서와 같이 ilr전류가 vin의 한 주기 상에 꽉 차게 하여 입력 전류가 입력 전압과 동상이 되도록 할 수 있다.
도 5d에서는 본 발명의 AC-DC 컨버터 회로 시스템에, 앞서 설명된 dead zone 문제를 해결하기 위한 방법을 적용한 일례를 도시한다.
도 5d에서와 같이, 1차측 변압기에 포함되는 복수의 FET 각각은, Q1B, Q1A 및 Q2B, Q2A의 한 쌍의 양방향 스위치를 포함하고, AC의 그리드가 positive 로 입력되는 경우, Q1B, Q1A Q2B는 on을 결정하고, Q2A는 off를 결정하여 동작할 수 있다.
또한, AC의 그리드가 negative로 입력되는 경우, Q1B, Q1A, Q2B는 off를 결정하고, Q2A는 on을 결정하여 동작할 수 있다.
Q1B, Q1A 및 Q2B, Q2A 중에서, 적어도 하나의 스위치는, off 를 결정 함으로써, 불필요한 스위칭 손실을 방지할 수 있다.
상기 1차측 변압기는, 상기 복수의 FET와 직렬로 연결되는 CR(공진 캡)과 LR(리키지 인덕터 또는 추가 인덕터)를 더 포함하여 구성되어, 상기 AC의 그리드를 직접 입력받을 수 있다.
도시하지 않았으나, 실시예에 따라, 2차측 변압기의 다이오드 D2에는 스위치+캐패시터를 병렬로 연결하고, 유사하게 다이오드 D3에는 스위치+캐패시터를 병렬로 연결할 수 있다. 상기 스위치+캐패시터는 C와 FET와의 조합된 회로 구조를 갖는다.
다이오드 D2와 다이오드 D3 각각 병렬로 추가되는 스위치+캐패시터는, dead zone에서 임의적으로 전압 전류를 생성시켜, 도 5c에서와 같이 ilr전류가 vin의 한 주기 상에 꽉 차게 하여 입력 전류가 입력 전압과 동상이 되도록 할 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 AC-DC 컨버터 회로 시스템은 기존에 사용되었던, 정류 다이오드, 입력 캐패시터, 링크 캐패시터를 모두 제거할 수 있고, 소자수, 원가, 무게, 부피 등을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 AC-DC 컨버터 회로 시스템에 의해서는, 전기자동차 OBC에 적용할 경우, 최근 연구 트랜드와 같이 링크 캐패시터(전해 캡)를 제거할 수 있어 전기자동차 전장품의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 AC-DC 컨버터 회로 시스템에서는, 1차측 변압기의 스위치 4개를 제어하기 위한 게이트 신호를 출력할 수 있다.
예컨대, 도 5d의 1차측 변압기의 스위치 4개를 제어하기 위한 게이트 신호로서, 입력 전원(AC)의 상이 positive 일 때는, Q1B, Q1A를 on시키고, Q2B를 on, Q2A를 off 시키는 게이트 신호를 출력할 수 있다.
반면, 입력 전원(AC)의 상이 negative 일 때는, Q1B, Q1A를 off시키고, Q2B를 off, Q2A를 on 시키는 게이트 신호를 출력하여, positive 일 때와 상보적으로 구동할 수 있게 한다.
실시예에 따라, 본 발명의 AC-DC 컨버터 회로 시스템은 임의 한 개의 FET를 계속해서 off 상태로 유지 함으로써, 불필요한 스위칭 손실을 방지할 수 있다.
이하, 도 6에서는 본 발명의 실시예들에 따른 AC-DC 컨버터 회로 시스템(200)의 설계를 위한 작업 흐름을 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른, AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법을 도시한 흐름도이다.
우선, AC-DC 컨버터 회로 시스템(200)의 일구성인 AC/DC 컨버터에서, 전기 전원으로부터 AC의 그리드를 입력받아, DC의 배터리 전원으로 전환한다(610). 단계(610)는 교류의 전기 전원을 직접 입력 받아, 배터리 충전 용도의 직류의 배터리 전원으로 변환하는 과정일 수 있다.
AC/DC 컨버터는 AC의 그리드를 직접 입력 받음으로써, 기존 컨버터 회로에서의 브릿지 다이오드를 제거하는 환경을 조성할 수 있다. 즉, AC/DC 컨버터는 AC의 그리드를 입력으로 수신하여, 그리드의 정류를 위한 브릿지 다이오드를 제거할 수 있게 한다.
AC/DC 컨버터는, 1차측 변압기와 2차측 변압기로 구성되어, 입력된 AC의 그리드를 DC의 배터리 전원으로 전환한다.
1차측 변압기는 AC/DC 컨버터의 1차측으로서, 양방향 스위치를 포함하는 복수의 FET를 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 1차측 변압기는 교류의 양의 값을 양으로 유지하고, 교류의 음의 값을 양으로 전환시키는, 양방향 스위치를 통해, 입력된 그리드의 값이 양으로 만 표현되게 할 수 있다.
1차측 변압기를 구성하는 상기 복수의 FET는, 스위치 방향이 서로 반대로 연결되는 한 쌍의 양방향 스위치를 포함할 수 있다.
양방향 스위치 1쌍의 구성은 각 스위치 방향이 서로 반대로 연결될 수 있다. 여기서, 스위치 방향이 서로 반대라는 의미는, 각 스위치가 Drain-source & source-drain이든 source-drain & drain-source든 상관없음을 의미할 수 있다.
이러한 복수의 FET에 의해, AC의 그리드는 양의 파형 만을 갖는 DC 형태의 그리드로 변환될 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 양방향 스위치 각각은, 상기 그리드의 AC 파형을 고려하여, on 또는 off를 결정할 수 있다.
그리드의 파형이 양(positive)의 값을 가지면서 입력되는 경우, 일부의 양방향 스위치는 on으로 동작하고, 다른 양방향 스위치는 off로 동작할 수 있다. 반면, 그리드의 파형이 음(negative)의 값을 가지면서 입력되는 경우, 앞서 on으로 동작하였던 양방향 스위치는 off로 전환하여 동작하고, 앞서 off로 동작하였던 양방향 스위치는 on로 전환하여 동작 함으로써, 상보적으로 구동되도록 할 수 있다.
예컨대, 복수의 FET 각각이, 스위치 방향이 서로 반대로 연결되는 Q1B, Q1A 및 Q2B, Q2A의 한 쌍의 양방향 스위치를 포함할 수 있다.
도 5d의 그리드의 positive와 negative에 따른 스위치 게이트 시그널 신호와 같이, 상기 AC의 그리드가 positive 로 입력되는 경우, 상기 Q1B, Q1A는 같은 시 비율로 on/off 동작, Q2B는 Q1B, Q1A 의 시 비율과 상보적으로 on/off 동작, Q2A는 on을 유지하는 동작을 할 수 있다.
반면, 상기 AC의 그리드가 negative로 입력되는 경우, 상기 Q2B, Q2A는 같은 시 비율로 on/off 동작, Q1A는 Q2B, Q2A 의 시 비율과 상보적으로 on/off 동작, Q1B는 on을 유지하는 동작을 할 수 있다.
구체적으로, 상기 AC의 그리드가 positive 로 입력되는 경우, 상기 Q2A는 on을 유지하는 동작을 하여 상기 Q2A 의 스위칭 손실을 방지하고, 상기 AC의 그리드가 negative 로 입력되는 경우, 상기 Q1B는 on을 유지하는 동작을 하여 상기 Q1B 의 스위칭 손실을 방지할 수 있다.
일실시예에서, 상기 Q1B, Q1A 및 Q2B, Q2A 중에서, 적어도 하나의 스위치는, off 를 결정 함으로써, 불필요한 스위칭 손실을 방지할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 복수의 FET 각각이, 스위치 방향이 서로 반대로 연결되는 Q1B, Q1A 및 Q2B, Q2A의 한 쌍의 양방향 스위치를 포함하고, 상기 AC의 그리드가 positive 로 입력되고 상기 Q1B와 상기 Q1A 가 교대로 on/off 스위칭 하는 경우, 상기 Q2A는 계속 on을 결정하고, 상기 Q2B는 상기 Q1B 또는 상기 Q1A에 따라 on 또는 off를 결정하여 동작할 수 있다.
반면, 상기 AC의 그리드가 negative로 입력되고 상기 Q2B와 상기 Q2A 가 교대로 on/off 스위칭 하는 경우, 상기 Q1B는 계속 on을 결정하고, 상기 Q1A는 상기 Q2B 또는 상기 Q2A 를 따라 on 또는 off를 결정하여 동작할 수 있다.
즉, AC 전원이 positive 일 때에는 Q1A, Q1B가 같은 듀티로 on/off 스위칭 하고, Q2A는 계속 ON되고, Q2B는 Q1A, Q1B 듀티와 상보적으로 on/off 스위칭 할 수 있다. 또한, AC 전원이 negative 일 때에는 Q2A, Q2B가 같은 듀티로 on/off 스위칭 하고, Q1B는 계속 ON되고, Q1A는 Q2A, Q2B 듀티와 상보적으로 on/off 스위칭 할 수 있다.
또한, 1차측 변압기(2110는, 상기 복수의 FET와 직렬로 연결되는 CR(공진 캡)과 LR(리키지 인덕터 또는 추가 인덕터)를 더 포함하여 구성되어, 상기 AC의 그리드를 직접 입력받는 환경을 조성할 수 있다.
이때, 1차측 변압기는 스위칭 주파수로서, n kHz 이상(상기 n은 100 이상의 수)을 채택 함으로써, 상기 그리드의 AC 피크 부분에서, 가장 큰 전류를 인가받게 한다. 즉, 1차측 변압기는 AC의 음양 각 피크 치에서, 가장 큰 배터리 전원을 발생시킬 수 있게, 1차측 변압기의 스위칭 주파수를 비교적 고주파인 예컨대 100kHz 이상으로 결정할 수 있다.
2차측 변압기는 AC/DC 컨버터의 2차측으로서, 상기 1차측 변압기에 의해 양의 값을 갖게 되는 그리드로부터, 상기 DC의 배터리 전원을 출력할 수 있다. 즉, 2차측 변압기는 음의 값이 제거된 그리드에 대해, 기준 값 미만의 무효전력을 최소화 시키고 안정적인 직류 전력으로 변환하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 2차측 변압기는, 상기 DC의 배터리 전원을 출력하기 위한 다이오드에, 스위치와 캐패시터를 병렬로 연결 함으로써, 데드존을 보상하고, 역률과 THD 성능을 보상할 수 있다. 예컨대, 2차측 변압기의 다이오드 D2, D3 각각에는 C와 FET와의 조합된 회로 구조인 스위치+캐패시터를 병렬로 연결 함으로써, 입력 전류가 입력 전압과 동상이 되도록 하여, 입력 전류가 없어지는 dead zone을 제거할 수 있다.
2차측 변압기는, 상기 양의 값을 갖게 되는 상기 그리드의 AC 파형을 따라 상기 DC의 배터리 전원을 출력하되, 상기 AC 파형으로부터 평균 충전 전류인 IO를 생성할 수 있다. 즉, 2차측 변압기는 AC 파형을 따라 빠르게 스위칭 하는 스위칭 주파수의 배터리 전원을 생성하고, 생성된 배터리 전원에 대한 평균 전류 IO를 출력할 수 있다.
또한, 2차측 변압기는 기존의 컨버터 회로에서의 PFC stage의 기능을 대체 함으로써, AC의 역률(PF) 보상을 위한 부스트 컨버터를 선단에서 제거할 수 있게 한다.
정리하면, AC/DC 컨버터는, 기 AC의 그리드를 입력으로 수신하여, 그리드의 정류를 위한 브릿지 다이오드와, AC의 역률(PF) 보상을 위한 부스트 컨버터를 선단에서 제거하여, Single stage로 구성된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 기존의 컨버터 회로에서, 브릿지 다이오드와 부스트 컨버터를 제거 함으로써, 회로의 부피 및 제작비용을 저감하고, 효율을 향상시키는, AC-DC 컨버터 회로 시스템, 및 AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의해서는, 컨버터 회로에서, 기존 3 스테이지를 단일 스테이지로 전력변환 단계를 줄여, 회로를 간소화 할 수 있다.
실시예에 따른 AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
200 : AC-DC 컨버터 회로 시스템
210 : AC/DC 컨버터
211 : 1차측 변압기
212 : 2차측 변압기

Claims (19)

  1. 그리드 전기 전원으로부터, 교류(AC) 파형의 전압을 입력받아 DC의 배터리 전원으로 전환하는 AC/DC 컨버터를 포함하는 AC-DC 컨버터 회로 시스템에 있어서,
    상기 AC/DC 컨버터는,
    변압기의 1차측 회로(transformer primary), 및 상기 1차측 회로(transformer primary)로부터 전달되는 전압을 양(positive)의 전압으로만 유지되는 상기 DC의 배터리 전원으로 출력하는 상기 변압기의 2차측 회로(transformer secondary)를 포함하고,
    상기 변압기의 1차측 회로(transformer primary)는,
    복수의 FET(Field Effect Transistor)를 포함하여 구성되고,
    상기 복수의 FET 각각은, Q1B, Q1A 및 Q2B, Q2A의 양방향 스위치를 포함하고,
    상기 교류(AC) 전압이 양(positive)와 음(negative)인 상태에 따라 스위치의 게이트 시그널 신호는,
    상기 교류(AC) 전압이 양(positive)인 경우, 상기 Q1B, Q1A는 같은 시 비율로 on/off 동작, 상기 Q2B는 Q1B, Q1A 의 시 비율과 상보적으로 on/off 동작, 상기 Q2A는 on을 유지하는 동작을 하며,
    상기 교류(AC) 전압이 음(negative)인 경우, 상기 Q2B, Q2A는 같은 시 비율로 on/off 동작, 상기 Q1A는 Q2B, Q2A 의 시 비율과 상보적으로 on/off 동작, 상기 Q1B는 on을 유지하는 동작을 하는,
    AC-DC 컨버터 회로 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 교류(AC) 전압이 양(positive)인 경우, 상기 Q2A는 on을 유지하는 동작을 하여 상기 Q2A 의 스위칭 손실을 방지하고,
    상기 교류(AC) 전압이 음(negative)인 경우, 상기 Q1B는 on을 유지하는 동작을 하여 상기 Q1B 의 스위칭 손실을 방지하는
    AC-DC 컨버터 회로 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 변압기의 1차측 회로(transformer primary)는,
    상기 복수의 FET와 직렬로 연결되는 CR(공진 캡)과 LR(리키지 인덕터 또는 추가 인덕터)를 더 포함하여 구성되어, 상기 그리드를 직접 입력받는
    AC-DC 컨버터 회로 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 변압기의 1차측 회로(transformer primary)는,
    스위칭 주파수로서, n kHz 이상(상기 n은 100 이상의 수)을 채택 함으로써, 상기 AC 파형의 피크(peak) 부분에서, 가장 큰 전류를 인가받는
    AC-DC 컨버터 회로 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 변압기의 1차측 회로(transformer primary)는,
    상기 DC의 배터리 전원을 출력하기 위한 다이오드에, 스위치와 캐패시터를 병렬로 연결 함으로써, 데드존(dead zone)을 보상하고, 역률과 THD(Total Harmonic Distortion) 성능을 보상하는
    AC-DC 컨버터 회로 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 변압기의 1차측 회로(transformer primary)는,
    상기 AC 파형을 따라 상기 DC의 배터리 전원을 출력하되, 상기 AC 파형으로부터 평균 충전 전류(Average Charging Current)인 IO를 생성하는
    AC-DC 컨버터 회로 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 AC/DC 컨버터는,
    상기 그리드를 입력으로 수신하여, 그리드의 정류를 위한 브릿지 다이오드와, AC의 역률(PF) 보상을 위한 부스트 컨버터를 선단에서 제거하여, 단일단(Single stage)으로 구성되는
    AC-DC 컨버터 회로 시스템.
  10. 변압기의 1차측 회로(transformer primary), 및 변압기의 2차측 회로(transformer secondary)를 포함하는 AC/DC 컨버터에서, 그리드 전기 전원으로부터, 교류(AC) 파형의 전압을 입력받아 DC의 배터리 전원으로 전환하는 단계로서,
    상기 변압기의 2차측 회로(transformer secondary)에서, 상기 1차측 회로(transformer primary)로부터 전달되는 전압을 양(positive)의 전압으로만 유지되는 상기 DC의 배터리 전원으로 출력하는 단계
    를 포함하고,
    상기 변압기의 1차측 회로(transformer primary)는,
    복수의 FET(Field Effect Transistor)를 포함하여 구성되고,
    상기 복수의 FET 각각은, Q1B, Q1A 및 Q2B, Q2A의 양방향 스위치를 포함하고,
    상기 교류(AC) 전압이 양(positive)와 음(negative)인 상태에 따라 스위치의 게이트 시그널 신호는,
    상기 교류(AC) 전압이 양(positive)인 경우, 상기 Q1B, Q1A는 같은 시 비율로 on/off 동작, 상기 Q2B는 Q1B, Q1A 의 시 비율과 상보적으로 on/off 동작, 상기 Q2A는 on을 유지하는 동작을 하며,
    상기 교류(AC) 전압이 음(negative)인 경우, 상기 Q2B, Q2A는 같은 시 비율로 on/off 동작, 상기 Q1A는 Q2B, Q2A 의 시 비율과 상보적으로 on/off 동작, 상기 Q1B는 on을 유지하는 동작을 하는,
    AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 교류(AC) 전압이 양(positive)인 경우, 상기 Q2A는 on을 유지하는 동작을 하여 상기 Q2A 의 스위칭 손실을 방지하고,
    상기 교류(AC) 전압이 음(negative)인 경우, 상기 Q1B는 on을 유지하는 동작을 하여 상기 Q1B 의 스위칭 손실을 방지하는
    AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 변압기의 1차측 회로(transformer primary)에서, 상기 복수의 FET와 직렬로 연결되는 CR(공진 캡)과 LR(리키지 인덕터 또는 추가 인덕터)를 더 포함하여 구성하여, 상기 그리드를 직접 입력받는 단계
    를 더 포함하는 AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 변압기의 1차측 회로(transformer primary)에서, 스위칭 주파수로서, n kHz 이상(상기 n은 100 이상의 수)을 채택 함으로써, 상기 AC 파형의 피크 부분에서, 가장 큰 전류를 인가받는 단계
    를 더 포함하는 AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 변압기의 1차측 회로(transformer primary)에서, 상기 DC의 배터리 전원을 출력하기 위한 다이오드에, 스위치와 캐패시터를 병렬로 연결 함으로써, 데드존을 보상하고, 역률과 THD 성능을 보상하는 단계
    를 더 포함하는 AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 변압기의 1차측 회로(transformer primary)에서, 상기 AC 파형을 따라 상기 DC의 배터리 전원을 출력하되, 상기 AC 파형으로부터 평균 충전 전류인 IO를 생성하는 단계
    를 더 포함하는 AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 AC/DC 컨버터는,
    상기 그리드를 입력으로 수신하여, 그리드의 정류를 위한 브릿지 다이오드와, AC의 역률 보상을 위한 부스트 컨버터를 선단에서 제거하여, 단일단(Single stage)으로 구성되는
    AC-DC 컨버터 회로 시스템의 동작 방법.
  19. 제10항, 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
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