KR102671729B1 - Boost PFC Converter and OBC comprising it - Google Patents

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Abstract

본 발명의 부스트 PFC 컨버터를 구비한 OBC는, CM 초크를 구비하며 전기차 충전 장치로부터 입력되는 교류 전력의 노이즈를 차단하는 EMI 필터; 브리지 다이오드부를 구비하며 상기 EMI 필터가 제공하는 교류 전력을 입력받아 직류 전력으로 변환하는 PFC 컨버터; 및 상기 PFC 컨버터가 제공하는 직류 전력을 배터리를 위한 레벨로 변환하는 DAB 컨버터를 포함하되,
상기 EMI 필터의 교류 출력은 상기 브리지 다이오드부로 직접 연결되며, 상기 PFC 컨버터의 직류 출력은 상기 PFC 컨버터에 구비된 2개의 필름 커패시터와의 연결 노드에서 상기 DAB 컨버터로 직접 연결될 수 있다.The OBC equipped with the boost PFC converter of the present invention includes an EMI filter that includes a CM choke and blocks noise of alternating current power input from an electric vehicle charging device; A PFC converter having a bridge diode unit and receiving AC power provided by the EMI filter and converting it into DC power; And a DAB converter that converts the direct current power provided by the PFC converter to a level for the battery,
The AC output of the EMI filter is directly connected to the bridge diode unit, and the direct current output of the PFC converter can be directly connected to the DAB converter at a connection node with two film capacitors provided in the PFC converter.

Description

부스트 PFC 컨버터 및 이를 구비한 OBC{Boost PFC Converter and OBC comprising it} Boost PFC Converter and OBC comprising it {Boost PFC Converter and OBC comprising it}

본 발명은 OBC(On Board Charger)에 구현할 때 부피를 절감할 수 있는 부스트 PFC 컨버터에 관한 것으로, 특히, 상당한 부피를 차지하는 전해 커패시터(Electrolytic Capacitor) 및 PFC 내부 인덕터(Inductor)가 없는 3 Level 부스트 PFC 컨버터 및 이를 구비한 OBC에 관한 것이다.The present invention relates to a boost PFC converter that can save volume when implemented in an OBC (On Board Charger). In particular, a 3-level boost PFC converter without an electrolytic capacitor and PFC internal inductor that occupies a significant volume. It relates to converters and OBCs equipped with them.

현재 하이브리드, 전기 및 수소 연료전지 자동차 등 친환경차 시장이 급격히 증가하고 있다. Currently, the market for eco-friendly vehicles such as hybrid, electric, and hydrogen fuel cell vehicles is rapidly increasing.

특히, 이들 친환경차 중 전기자동차의 경우, 테슬라 및 현대자동차에서 수종의 전기자동차를 성공적으로 양산하고 있으며, 높은 전성비와 성능으로 그 판매량이 매년 급격히 증가하고 있다.In particular, in the case of electric vehicles among these eco-friendly vehicles, Tesla and Hyundai Motors are successfully mass producing several types of electric vehicles, and sales are rapidly increasing every year due to their high power efficiency and performance.

OBC(On Board Charger)는 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV), 전기 자동차(EV)와 같은 전기 충전 방식을 사용하는 차량의 충전을 위해, AC 전원을 공급받아 차량 내 모터 구동을 위한 고전압 배터리로 충전할 수 있는 충전 장치이다. OBC는 역률 제어를 위한 PFC(Power Factor Correction) 컨버터, 출력 제어를 위한 DC-DC 컨버터, 전자파 성능 만족 위한 EMI(Electromagnetic interference) 필터로 구성된다.OBC (On Board Charger) can be supplied with AC power to charge vehicles using electric charging methods such as plug-in hybrid vehicles (PHEV) and electric vehicles (EV), and can be charged with a high-voltage battery to drive the motor within the vehicle. It is a charging device. OBC consists of a PFC (Power Factor Correction) converter for power factor control, a DC-DC converter for output control, and an EMI (Electromagnetic interference) filter to satisfy electromagnetic wave performance.

일반적으로 OBC 설계시 AC전원과 DC전원을 분리하기 위해, DC-DC 컨버터를 절연형으로 설계한다. 절연형 DC-DC 컨버터를 포함하는 OBC의 경우, 절연을 위해 변압기 적용이 필요하며, 이렇게 분리된 전원에서는 누설전류 발생 경로가 차단되어 안정적인 동작이 가능하지만, 원가 상승이 불가피하고 소형화, 경량화에 불리하다.Generally, in order to separate AC power and DC power when designing OBC, the DC-DC converter is designed as an isolated type. In the case of OBC including an isolated DC-DC converter, a transformer is required for insulation, and in such a separated power supply, the leakage current generation path is blocked and stable operation is possible, but an increase in cost is inevitable and is disadvantageous for miniaturization and weight reduction. do.

도 1은 종래의 2단 전력단 구조의 OBC 구조를 도시한 회로도이다.Figure 1 is a circuit diagram showing the OBC structure of a conventional two-stage power stage structure.

그런데, 전기자동차의 경우 차량내부 공간이 협소하기 때문에 다양한 각 부품들에서의 부피저감이 중요하다. 이중 인덕터의 경우 부피가 크며, 발열이 심할 뿐만 아니라, PFC 출력단에 사용하는 전해 커패시터(40)는 많은 부피를 차지하게 된다. However, in the case of electric vehicles, the space inside the vehicle is small, so reducing the volume of various parts is important. In the case of a double inductor, not only is the volume large and generates a lot of heat, but the electrolytic capacitor 40 used in the PFC output stage occupies a large volume.

특히, V2L을 적용하는 경우 수명이 제한되어 있는 전해 커패시터(40)를 제거하는 방안을 마련할 필요가 있다.In particular, when applying V2L, it is necessary to prepare a method to remove the electrolytic capacitor 40, which has a limited lifespan.

대한민국 등록공보 10-1528550호Republic of Korea Registered Publication No. 10-1528550

본 발명은 OBC로 구현할 때의 부피를 절감하고, 발열 요인을 제거할 수 있는 부스트 PFC 컨버터 및 이를 구비한 OBC를 제공하고자 한다.The present invention seeks to provide a boost PFC converter that can reduce the volume when implemented as an OBC and eliminate heat generation factors, and an OBC equipped with the same.

본 발명의 일 측면에 따른 OBC는, CM 초크를 구비하며 전기차 충전 장치로부터 입력되는 교류 전력의 노이즈를 차단하는 EMI 필터; 브리지 다이오드부를 구비하며 상기 EMI 필터가 제공하는 교류 전력을 입력받아 직류 전력으로 변환하는 PFC 컨버터; 및 상기 PFC 컨버터가 제공하는 직류 전력을 배터리를 위한 레벨로 변환하는 DAB 컨버터를 포함하되, The OBC according to one aspect of the present invention includes an EMI filter that includes a CM choke and blocks noise of alternating current power input from an electric vehicle charging device; A PFC converter having a bridge diode unit and receiving AC power provided by the EMI filter and converting it into DC power; And a DAB converter that converts the direct current power provided by the PFC converter to a level for the battery,

상기 EMI 필터의 교류 출력은 상기 브리지 다이오드부로 직접 연결되며, 상기 PFC 컨버터의 직류 출력은 상기 PFC 컨버터에 구비된 2개의 필름 커패시터와의 연결 노드에서 상기 DAB 컨버터로 직접 연결될 수 있다.The AC output of the EMI filter is directly connected to the bridge diode unit, and the direct current output of the PFC converter can be directly connected to the DAB converter at a connection node with two film capacitors provided in the PFC converter.

여기서, 상기 PFC 컨버터는, 3 레벨 부스트 PFC 컨버터 회로 구조를 가질 수 있다.Here, the PFC converter may have a 3-level boost PFC converter circuit structure.

여기서, 상기 EMI 필터는, 2개의 CM 쵸크들을 구비할 수 있다.Here, the EMI filter may be provided with two CM chokes.

여기서, 상기 PFC 컨버터는, 상기 EMI 필터의 일 출력단이 애노드에 연결되는 제1 브리지 다이오드; 상기 제1 교류 입력단이 캐소드에 연결되는 제2 브리지 다이오드; 상기 제1 브리지 다이오드의 캐소드가 캐소드에 연결되고, 상기 EMI 필터의 다른 출력단이 애노드에 연결되는 제3 브리지 다이오드; 상기 제3 브리지 다이오드의 애노드가 캐소드에 연결되고, 상기 제2 브리지 다이오드의 애노드가 애노드에 연결되는 제4 브리지 다이오드; 상기 제3 브리지 다이오드의 캐소드가 일단에 연결되는 제1 스위치; 상기 제1 스위치의 타단이 일단에 연결되고, 상기 제4 브리지 다이오드의 애노드가 타단에 연결되는 제2 스위치; 상기 제1 스위치의 일단이 애노드에 연결되고, 상기 DAB 컨버터에 대한 제1 출력단이 캐소드에 연결되는 제1 직렬 다이오드; 상기 제2 스위치의 타단이 캐소드에 연결되고, 상기 DAB 컨버터에 대한 제2 출력단이 애노드에 연결되는 제2 직렬 다이오드; 상기 제1 출력단이 일단에 연결되고, 상기 제1 스위치의 타단이 타단에 연결되는 제1 필름 커패시터; 및 상기 제1 스위치의 타단이 일단에 연결되고, 상기 제2 출력단이 타단에 연결되는 제2 필름 커패시터를 포함할 수 있다.Here, the PFC converter includes: a first bridge diode where one output terminal of the EMI filter is connected to an anode; a second bridge diode where the first AC input terminal is connected to a cathode; a third bridge diode in which the cathode of the first bridge diode is connected to the cathode, and the other output terminal of the EMI filter is connected to the anode; a fourth bridge diode in which the anode of the third bridge diode is connected to the cathode and the anode of the second bridge diode is connected to the anode; a first switch to which the cathode of the third bridge diode is connected; a second switch where the other end of the first switch is connected to one end and the anode of the fourth bridge diode is connected to the other end; a first series diode where one end of the first switch is connected to an anode and a first output terminal for the DAB converter is connected to a cathode; a second series diode in which the other end of the second switch is connected to a cathode and a second output terminal for the DAB converter is connected to an anode; a first film capacitor to which the first output terminal is connected to one end and the other end of the first switch is connected to the other end; And the other end of the first switch may be connected to one end, and the second output end may include a second film capacitor connected to the other end.

여기서, 상기 PFC 컨버터의 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는, 데드 인터벌이 존재하지 않도록 상호 교차 스위칭될 수 있다.Here, the first switch and the second switch of the PFC converter may be alternately switched so that no dead interval exists.

여기서, 상기 PFC 컨버터의 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는, 전력 주파수의 12배 이상의 주파수로 상호 교차 스위칭될 수 있다.Here, the first switch and the second switch of the PFC converter may be alternately switched at a frequency of 12 times or more than the power frequency.

본 발명의 다른 측면에 따른 부스트 PFC 컨버터는, 외부로부터의 제1 교류 입력단이 애노드에 연결되는 제1 브리지 다이오드; 상기 제1 교류 입력단이 캐소드에 연결되는 제2 브리지 다이오드; 상기 제1 브리지 다이오드의 캐소드가 캐소드에 연결되고, 외부로부터의 제2 교류 입력단이 애노드에 연결되는 제3 브리지 다이오드; 상기 제3 브리지 다이오드의 애노드가 캐소드에 연결되고, 상기 제2 브리지 다이오드의 애노드가 애노드에 연결되는 제4 브리지 다이오드; 상기 제3 브리지 다이오드의 캐소드가 일단에 연결되는 제1 스위치; 상기 제1 스위치의 타단이 일단에 연결되고, 상기 제4 브리지 다이오드의 애노드가 타단에 연결되는 제2 스위치; 상기 제1 스위치의 일단이 애노드에 연결되고, 외부에 대한 제1 출력단이 캐소드에 연결되는 제1 직렬 다이오드; 상기 제2 스위치의 타단이 캐소드에 연결되고, 외부에 대한 제2 출력단이 애노드에 연결되는 제2 직렬 다이오드; 상기 제1 출력단이 일단에 연결되고, 상기 제1 스위치의 타단이 타단에 연결되는 제1 필름 커패시터; 및 상기 제1 스위치의 타단이 일단에 연결되고, 상기 제2 출력단이 타단에 연결되는 제2 필름 커패시터를 포함할 수 있다.A boost PFC converter according to another aspect of the present invention includes a first bridge diode in which a first alternating current input terminal from the outside is connected to an anode; a second bridge diode where the first AC input terminal is connected to a cathode; a third bridge diode in which the cathode of the first bridge diode is connected to the cathode, and a second alternating current input terminal from the outside is connected to the anode; a fourth bridge diode in which the anode of the third bridge diode is connected to the cathode and the anode of the second bridge diode is connected to the anode; a first switch to which the cathode of the third bridge diode is connected; a second switch where the other end of the first switch is connected to one end and the anode of the fourth bridge diode is connected to the other end; a first series diode in which one end of the first switch is connected to an anode and a first output terminal to the outside is connected to a cathode; a second series diode whose other end of the second switch is connected to a cathode and whose second output terminal to the outside is connected to an anode; a first film capacitor to which the first output terminal is connected to one end and the other end of the first switch is connected to the other end; And it may include a second film capacitor where the other end of the first switch is connected to one end and the second output end is connected to the other end.

여기서, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는, SiC MOSFET 스위치일 수 있다.Here, the first switch and the second switch may be SiC MOSFET switches.

상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 부스트 PFC(power factor correction) 컨버터 및/또는 이를 구비한 OBC를 실시하면, 인덕터 및 출력단 전해 커패시터를 제거하여 PFC단의 부피를 최소화하는 이점이 있다.When a boost PFC (power factor correction) converter and/or an OBC equipped with the same according to the spirit of the present invention of the above-described configuration are implemented, there is an advantage of minimizing the volume of the PFC stage by eliminating the inductor and the electrolytic capacitor at the output stage.

본 발명의 부스트 PFC 컨버터 및/또는 OBC는, OBC 설계 과정에서 중요한 OBC 모듈의 부피 저감을 지원하는 이점이 있다.The boost PFC converter and/or OBC of the present invention has the advantage of supporting reduction in the volume of the OBC module, which is important in the OBC design process.

도 1은 종래의 2단 전력단 구조의 OBC 구조를 도시한 회로도.
도 2는 본 발명의 사상에 따른 부스트 PFC 컨버터를 구비한 OBC의 일 실시예를 도시한 회로도.
도 3은 도 2에 적용된 부스트 PFC 컨버터의 일 실시예를 도시한 회로도.
도 4a는 도 2의 부스트 PFC 컨버터로의 입력 교류 전원이 양의 값인 구간에서 제1 스위치(Q1)가 켜진 경우를 나타낸 회로도.
도 4b는 도 2의 부스트 PFC 컨버터로의 입력 교류 전원이 음의 값인 구간에서 제2 스위치(Q2)가 켜진 경우를 나타낸 회로도.
도 5는 입력 교류 전원에 따른 입력 출력 전압, 입력 전류, 다이오드 전류를 나타낸 파형도들.
도 6은 입력 전원이 양의 값일 경우 스위치 제어 신호 및 다이오드 전류를 나타낸 파형도들.
도 7은 도 2의 EMI 필터를 구성하는 CM 쵸크 인덕터 전류의 형태를 도시한 파형도.Figure 1 is a circuit diagram showing the OBC structure of a conventional two-stage power stage structure.
Figure 2 is a circuit diagram showing an embodiment of an OBC equipped with a boost PFC converter according to the spirit of the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an embodiment of the boost PFC converter applied to FIG. 2.
FIG. 4A is a circuit diagram showing a case where the first switch (Q 1 ) is turned on in a section where the input AC power to the boost PFC converter of FIG. 2 is a positive value.
FIG. 4B is a circuit diagram showing a case where the second switch (Q 2 ) is turned on in a section where the input AC power to the boost PFC converter of FIG. 2 is a negative value.
Figure 5 is a waveform diagram showing input-output voltage, input current, and diode current according to input AC power.
Figure 6 is a waveform diagram showing the switch control signal and diode current when the input power is a positive value.
FIG. 7 is a waveform diagram showing the form of the CM choke inductor current constituting the EMI filter of FIG. 2.

본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. In describing the present invention, terms such as first and second may be used to describe various components, but the components may not be limited by the terms. Terms are intended only to distinguish one component from another. For example, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may be referred to as a first component without departing from the scope of the present invention.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.When a component is mentioned as being connected or connected to another component, it can be understood that it may be directly connected to or connected to the other component, but other components may exist in between. .

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. The terms used in this specification are merely used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions may include plural expressions, unless the context clearly indicates otherwise.

본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다. In this specification, terms such as include or have are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, including one or more other features or numbers, It can be understood that the existence or addition possibility of steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not excluded in advance.

또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.Additionally, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation.

도 2는 본 발명의 사상에 따른 부스트 PFC 컨버터를 구비한 OBC의 일 실시예를 도시한다. 도 2에서는 종래기술의 전해 커패시터(Electrolytic Capacitor) 및 PFC 입력측 인덕터(Inductor)가 제거된 형태의 3Level 부스트(Boost) PFC 컨버터가 적용되었음을 알 수 있다.Figure 2 shows one embodiment of an OBC with a boost PFC converter according to the spirit of the present invention. In Figure 2, it can be seen that a 3-level boost PFC converter was applied in which the electrolytic capacitor and PFC input side inductor of the prior art were removed.

도시한 OBC(On-Board Charger)는, CM 초크를 구비하며 전기차 충전 장치로부터 입력되는 교류 전력의 노이즈를 차단하는 EMI 필터(200); 브리지 다이오드부(D1 ~ D4)를 구비하며 상기 EMI 필터(200)가 제공하는 교류 전력을 입력받아 직류 전력으로 변환하는 PFC 컨버터(100); 및 상기 PFC 컨버터(100)가 제공하는 직류 전력을 배터리가 적합한 레벨로 변환하는 DAB 컨버터(400)를 포함하되, The illustrated OBC (On-Board Charger) includes an EMI filter 200 that has a CM choke and blocks noise of alternating current power input from the electric vehicle charging device; A PFC converter (100) which has bridge diode units (D1 to D4) and receives AC power provided by the EMI filter (200) and converts it into DC power; And a DAB converter 400 that converts the direct current power provided by the PFC converter 100 to a level suitable for the battery,

상기 EMI 필터(200)의 교류 출력은 상기 브리지 다이오드부(D1 ~ D4)로 직접 연결되며, 상기 PFC 컨버터(100)의 직류 출력은 상기 PFC 컨버터(100)에 구비된 2개의 필름 커패시터(C1, C2)와의 연결 노드에서 상기 DAB 컨버터(400)로 직접 연결되는 특징을 가지고 있다.The AC output of the EMI filter 200 is directly connected to the bridge diode units (D1 to D4), and the DC output of the PFC converter 100 is connected to two film capacitors (C1, It has the characteristic of being directly connected to the DAB converter 400 from the connection node to C2).

도 2에서 교류 입력(20)은 전기차에 대한 경우, EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment) 또는 ICCB(In Cable Control Box)일 수 있다.In FIG. 2 , the AC input 20 may be an Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE) or an In Cable Control Box (ICCB) for an electric vehicle.

도시한 상기 EMI 필터(200)는, 2개의 CM 초크들(CM1,CM2)을 구비하고, 이와 함께 다른 인덕터들(DM1 ~ DM4) 및 커패시터들(C1 ~ C6)을 구비하지만, 이에 한정하지는 않는다. 특히, 도시한 다른 인덕터들(DM1 ~ DM4)은 모두 기생 인덕턴스일 수 있다. 다만, PFC(100) 측에서 인덕터를 제거한 바, 제거한 인덕터의 역할을 상당부분 수행할 수 있도록 하나 이상의 CM 쵸크를 구비할 것이 요망된다. 현재 전기자동차 OBC를 위해 사용되는 거의 모든 EMI 필터는 CM 쵸크를 구비하므로, 실질적으로 도시한 EMI 필터(200)에 대한 제한은 존재하지 않는 것으로 볼 수 있다.The EMI filter 200 shown includes two CM chokes (CM1 and CM2), along with other inductors (DM1 to DM4) and capacitors (C1 to C6), but is not limited thereto. . In particular, the other inductors (DM1 to DM4) shown may all be parasitic inductances. However, since the inductor has been removed from the PFC (100), it is desired to provide one or more CM chokes so that it can perform much of the role of the removed inductor. Since almost all EMI filters currently used for electric vehicle OBC are equipped with a CM choke, it can be seen that there are practically no restrictions on the EMI filter 200 shown.

도시한 DAB 컨버터(400)는 공지된 다양한 종류의 DAB(Dual Active Bridge) 컨버터들 중 하나로 적용할 수 있다.The illustrated DAB converter 400 can be applied as one of various types of known DAB (Dual Active Bridge) converters.

도시한 PFC 컨버터(100)는, 3 레벨 부스트 PFC 컨버터 회로 구조를 가지는 것을 알 수 있다.It can be seen that the illustrated PFC converter 100 has a three-level boost PFC converter circuit structure.

도시한 PFC 컨버터(100)에 대해서는 후술하겠다.The illustrated PFC converter 100 will be described later.

도시한 구조의 OBC는, 부피가 크며, 발열이 심한 기존의 PFC단 인덕터를 제거하였으며, EMI 필터(200)단의 CM 초크의 DM을 인덕터로 이용하였다. 또한, PFC 컨버터(100)의 출력단에서도 부피가 큰 기존의 전해 커패시터를 제거하고, 부피가 작은 필름 커패시터로 대체하여, OBC 전체 부피를 최소화하였다. 이에 따라, 전기 차량 내부 공간이 협소한 문제를 인덕터 및 전해 커패시터를 제거하여 해결할 수 있다. 기존 전해 커패시터 대비 용량이 작은 필름 커패시터로 대체로 발생되는 PFC 컨버터(100)의 출력 안정화 성능의 부족 부분은 DAB 컨버터(400)로 보완하였다.In the OBC of the structure shown, the existing PFC stage inductor, which is bulky and generates a lot of heat, was eliminated, and the DM of the CM choke of the EMI filter (200) stage was used as an inductor. In addition, the existing bulky electrolytic capacitor was removed from the output terminal of the PFC converter 100 and replaced with a small film capacitor, thereby minimizing the overall volume of the OBC. Accordingly, the problem of limited space inside an electric vehicle can be solved by removing the inductor and electrolytic capacitor. The lack of output stabilization performance of the PFC converter (100), which is generally caused by a film capacitor with a smaller capacity than a conventional electrolytic capacitor, was compensated for by the DAB converter (400).

즉, 차량 내부의 협소한 공간 때문에 부피저감이 중요한데, 본 발명의 사상에 따라 OBC 설계에서 중요한 OBC 모듈의 부피 저감이 가능하다. 구체적으로 부피 저감 효과를 예시하면, 수동소자 부피 대략 80% 저감이 되며, 시스템 부피 대략 40% 저감이 가능하다. 이는 패키지가 줄어들기 때문에 가격 경쟁력을 향상시키는 이점을 가져온다. 또한, 전압 스트레스가 적어 스위칭 손실이 저감되는 형태이며, 인덕터와 전해 커패시터를 제거하여 효율도 향상시킬 수 있다.In other words, volume reduction is important due to the narrow space inside the vehicle, and according to the spirit of the present invention, it is possible to reduce the volume of the OBC module, which is important in OBC design. To specifically illustrate the volume reduction effect, the volume of passive elements can be reduced by approximately 80%, and the system volume can be reduced by approximately 40%. This has the advantage of improving price competitiveness because the package is reduced. In addition, switching loss is reduced due to low voltage stress, and efficiency can be improved by eliminating the inductor and electrolytic capacitor.

다음, 보다 구체적으로 도 2에 도시한 PFC 컨버터(100)를 살펴보겠다.Next, we will look at the PFC converter 100 shown in FIG. 2 in more detail.

도 3은 도 2에 적용된 부스트 PFC 컨버터(100)의 일 실시예를 도시한 회로도이다.FIG. 3 is a circuit diagram showing an embodiment of the boost PFC converter 100 applied to FIG. 2.

도시한 부스트 PFC 컨버터(100)는, 외부로부터의 제1 교류 입력단이 애노드에 연결되는 제1 브리지 다이오드(121); 상기 제1 교류 입력단이 캐소드에 연결되는 제2 브리지 다이오드(122); 상기 제1 브리지 다이오드(121)의 캐소드가 캐소드에 연결되고, 외부로부터의 제2 교류 입력단이 애노드에 연결되는 제3 브리지 다이오드(123); 상기 제3 브리지 다이오드(123)의 애노드가 캐소드에 연결되고, 상기 제2 브리지 다이오드(122)의 애노드가 애노드에 연결되는 제4 브리지 다이오드(124); 상기 제3 브리지 다이오드(123)의 캐소드가 일단에 연결되는 제1 스위치(141); 상기 제1 스위치(141)의 타단이 일단에 연결되고, 상기 제4 브리지 다이오드(124)의 애노드가 타단에 연결되는 제2 스위치(142); 상기 제1 스위치(141)의 일단이 애노드에 연결되고, 외부에 대한 제1 출력단이 캐소드에 연결되는 제1 직렬 다이오드(161); 상기 제2 스위치(142)의 타단이 캐소드에 연결되고, 외부에 대한 제2 출력단이 애노드에 연결되는 제2 직렬 다이오드(162); 상기 제1 출력단이 일단에 연결되고, 상기 제1 스위치(141)의 타단이 타단에 연결되는 제1 필름 커패시터(181); 및 상기 제1 스위치(141)의 타단이 일단에 연결되고, 상기 제2 출력단이 타단에 연결되는 제2 필름 커패시터(182)를 포함하는 3 레벨 부스트 PFC 컨버터의 형태를 가진다.The illustrated boost PFC converter 100 includes a first bridge diode 121 in which a first alternating current input terminal from the outside is connected to an anode; a second bridge diode (122) whose first AC input terminal is connected to a cathode; a third bridge diode 123 in which the cathode of the first bridge diode 121 is connected to the cathode, and the second alternating current input terminal from the outside is connected to the anode; a fourth bridge diode 124 in which the anode of the third bridge diode 123 is connected to the cathode and the anode of the second bridge diode 122 is connected to the anode; a first switch 141 to which the cathode of the third bridge diode 123 is connected; a second switch 142 where the other end of the first switch 141 is connected to one end and the anode of the fourth bridge diode 124 is connected to the other end; a first series diode 161, where one end of the first switch 141 is connected to an anode and a first output terminal to the outside is connected to a cathode; A second series diode 162 whose other end of the second switch 142 is connected to a cathode and a second output terminal to the outside is connected to an anode; a first film capacitor (181) to which the first output terminal is connected to one end and the other end of the first switch (141) to the other end; and a second film capacitor 182 where the other end of the first switch 141 is connected to one end and the second output end is connected to the other end.

도시한 바와 같이, 상기 제1 스위치(141) 및 상기 제2 스위치(142)는 SiC MOSFET스위치일 수 있다.As shown, the first switch 141 and the second switch 142 may be SiC MOSFET switches.

상기 제1 브리지 다이오드 내지 제4 브리지 다이오드(124)는 브리지 다이오드부를 형성하며, 상기 브리지 다이오드부는, 상기 외부로부터의 제1 교류 입력단으로서, 도 2의 경우 EMI 필터(200)의 일 출력단이 연결될 수 있으며, 상기 외부로부터의 제2 교류 입력단으로서, 도 2의 경우 EMI 필터(200)의 다른 출력단이 연결될 수 있다. 즉, 상기 EMI 필터(200)의 교류 출력은 상기 브리지 다이오드부(D1 ~ D4)로 직접 연결되며, 기존 기술의 인덕터는 제거되었다.The first to fourth bridge diodes 124 form a bridge diode portion, and the bridge diode portion is a first alternating current input terminal from the outside, and in the case of FIG. 2, one output terminal of the EMI filter 200 can be connected. In the case of FIG. 2, as the second AC input terminal from the outside, another output terminal of the EMI filter 200 may be connected. That is, the AC output of the EMI filter 200 is directly connected to the bridge diode units (D1 to D4), and the inductor of the existing technology has been removed.

도 2에 도시한 OBC의 구성 내에서, 상기 PFC 컨버터(100)의 상기 제1 스위치(142) 및 상기 제2 스위치(142)는, 데드 인터벌이 존재하지 않도록 상호 교차 스위칭되도록 제어될 수 있다.Within the configuration of the OBC shown in FIG. 2, the first switch 142 and the second switch 142 of the PFC converter 100 can be controlled to cross-switch each other so that no dead interval exists.

추가적으로, 상기 제1 스위치(141) 및 상기 제2 스위치(142)는, 전력 주파수의 12배 이상의 주파수로 상호 교차 스위칭될 수 있는데, 이에 대해서는 후술하겠다.Additionally, the first switch 141 and the second switch 142 may be alternately switched at a frequency of 12 times or more than the power frequency, which will be described later.

다음, 본 발명의 사상에 따른 부스트 PFC 컨버터 및 이를 구비한 OBC의 동작 및 원리에 대하여 살펴보겠다. 즉, 본 발명의 사상에 따라 부피 절감 및 발열 요인 제거를 위해 전해 커패시터(Electrolytic Capacitor) 및 코일/인덕터(Inductor)가 없는 3 레벨 부스트 PFC 컨버터에서의 리플 제거 방안을 설명한다.Next, we will look at the operation and principles of the boost PFC converter and OBC equipped with the same according to the spirit of the present invention. That is, in accordance with the spirit of the present invention, a ripple removal method in a 3-level boost PFC converter without an electrolytic capacitor and coil/inductor will be described in order to reduce volume and eliminate heat generation factors.

도 4a는 도 2의 부스트 PFC 컨버터로의 입력 교류 전원이 양의 값인 구간에서 제1 스위치(Q1)가 켜진 경우를 나타낸 것이며, 도 4b는 도 2의 부스트 PFC 컨버터로의 입력 교류 전원이 음의 값인 구간에서 제2 스위치(Q2)가 켜진 경우를 나타낸 것이다.FIG. 4A shows a case where the first switch (Q 1 ) is turned on in a section where the input AC power to the boost PFC converter of FIG. 2 is a positive value, and FIG. 4B shows the case where the input AC power to the boost PFC converter of FIG. 2 is a negative value. This shows the case where the second switch (Q 2 ) is turned on in the section where the value is .

도 5는 입력 교류 전원에 따른 입력 출력 전압, 입력 전류, 다이오드 전류를 나타낸 파형도들이다.Figure 5 is a waveform diagram showing input-output voltage, input current, and diode current according to the input AC power.

도 4a와 같이 입력이 양의 값일 경우 제1 및 제4 브리지 다이오드(D1,D4)를 통해 정류되고, 도 4b와 같이 입력이 음의 값일 경우 제2 및 제3 브리지 다이오드(D2,D3)를 통해 정류된다.If the input is a positive value as shown in Figure 4a, it is rectified through the first and fourth bridge diodes (D 1 , D 4 ), and if the input is a negative value as shown in Figure 4b, it is rectified through the second and third bridge diodes (D 2 , It is rectified through D 3 ).

제1 스위치(Q1)가 on일 경우, 제1 스위치(Q1)와 제2 직렬 다이오드(D6)를 통해 전류가 흐르게 된다. 이때, 출력측 제1 필름 커패시터(C7)는 방전을 하며, 제2 필름 커패시터(C8)는 충전을 한다.When the first switch (Q 1 ) is on, current flows through the first switch (Q 1 ) and the second series diode (D 6 ). At this time, the first film capacitor (C 7 ) on the output side is discharged, and the second film capacitor (C 8 ) is charged.

제1 스위치(Q1)가 off되면, 제2 스위치(Q2)가 켜지게 되며, 제1 직렬 다이오드(D5)를 통해 전류가 흐르게 된다. 이때, 출력측 제1 필름 커패시터(C7)는 충전을 하며, 제2 필름 커패시터(C8)는 방전을 하게 된다.When the first switch (Q 1 ) is turned off, the second switch (Q 2 ) is turned on, and current flows through the first series diode (D 5 ). At this time, the first film capacitor (C 7 ) on the output side is charged, and the second film capacitor (C 8 ) is discharged.

출력측 제1 필름 커패시터(C7) 및 제2 필름 커패시터(C8)는 커패시턴스가 작기 때문에 DAB 컨버터로 정류된 파형이 그대로 넘어가게 된다.Since the first film capacitor (C 7 ) and the second film capacitor (C 8 ) on the output side have small capacitances, the waveform rectified by the DAB converter is passed on as is.

도 6은 입력 전원이 양의 값일 경우 스위치 제어 신호 및 다이오드 전류를 나타낸 파형도들이다.Figure 6 is a waveform diagram showing the switch control signal and diode current when the input power is a positive value.

도 6에서 제1/제2 스위치(Q1과 Q2)의 경우 상보적으로 동작하며, 0.5 시비율을 가진다. 즉, 데드 인터벌이 존재하지 않도록 상호 교차 스위칭되도록 제어된다.In FIG. 6, the first/second switches (Q 1 and Q 2 ) operate complementary and have a power ratio of 0.5. That is, they are controlled to alternately switch so that no dead interval exists.

제1 스위치(Q1)가 on이면 제2 직렬 다이오드(D6)를 통해 전류가 흐르며, 제2 스위치(Q2)가 on이면 제1 직렬 다이오드(D5)를 통해 전류가 흐르게 된다.When the first switch (Q 1 ) is on, current flows through the second series diode (D 6 ), and when the second switch (Q 2 ) is on, current flows through the first series diode (D 5 ).

제1 스위치(Q1)에 흐르는 전류와 제2 직렬 다이오드(D6)에 흐르는 전류의 크기는 같으며, 제2 스위치(Q2)에 흐르는 전류와 제1 직렬 다이오드(D5)에 흐르는 전류의 크기는 같다.The magnitude of the current flowing in the first switch (Q 1 ) and the current flowing in the second series diode (D 6 ) is the same, and the current flowing in the second switch (Q 2 ) and the current flowing in the first series diode (D 5 ) are the same. The size of is the same.

이에 따른 Volt second balance는 하기 수학식 1과 같다.Volt second balance according to this is given in Equation 1 below.

도 6을 살펴보면, 상기 제1 스위치(Q1) 및 상기 제2 스위치(Q2)는, 최소 전력 주파수의 12배 이상의 주파수로 상호 교차 스위칭됨을 알 수 있다.Looking at FIG. 6 , it can be seen that the first switch (Q 1 ) and the second switch (Q 2 ) are alternately switched at a frequency of 12 times or more than the minimum power frequency.

도 7은 도 2의 EMI 필터(200)를 구성하는 CM 초크 인덕터 전류의 형태를 도시한 파형도이다.FIG. 7 is a waveform diagram showing the form of the CM choke inductor current constituting the EMI filter 200 of FIG. 2.

도시한 파형도에서, 하기 수학식 2와 같이, 도 2의 PFC 컨버터(100)의 입력으로 작용하는 인덕터 전류 리플의 경우 EMI 필터(200)를 구성하는 CM 쵸크의 DM 인덕턴스로 구할 수 있다.In the waveform diagram shown, the inductor current ripple acting as an input to the PFC converter 100 of FIG. 2 can be obtained as the DM inductance of the CM choke constituting the EMI filter 200, as shown in Equation 2 below.

위의 결과를 통해, 도 2의 PFC 컨버터(100)로 입력되는 인덕터 전류 리플이 제거되는 것을 알 수 있다.Through the above results, it can be seen that the inductor current ripple input to the PFC converter 100 of FIG. 2 is removed.

본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Those skilled in the art to which the present invention pertains should understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing its technical idea or essential features, and that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. Just do it. The scope of the present invention is indicated by the claims described later rather than the detailed description, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention. .

20 : EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment) or ICCB(In Cable Control Box)
100 : PFC 컨버터
200 : EMI 필터
400 : DAB 컨버터20: EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment) or ICCB (In Cable Control Box)
100: PFC converter
200: EMI filter
400: DAB converter

Claims (8)

CM 초크를 구비하며 전기차 충전 장치로부터 입력되는 교류 전력의 노이즈를 차단하는 EMI 필터;
브리지 다이오드부를 구비하며 상기 EMI 필터가 제공하는 교류 전력을 입력받아 직류 전력으로 변환하는 PFC 컨버터; 및
상기 PFC 컨버터가 제공하는 직류 전력을 배터리를 위한 레벨로 변환하는 DAB 컨버터를 포함하되,
상기 EMI 필터의 교류 출력은 상기 브리지 다이오드부로 직접 연결되며,
상기 PFC 컨버터의 직류 출력은 상기 PFC 컨버터에 구비된 2개의 필름 커패시터와의 연결 노드에서 상기 DAB 컨버터로 직접 연결되며,
상기 PFC 컨버터는,
상기 EMI 필터의 일 출력단이 애노드에 연결되는 제1 브리지 다이오드;
상기 일 출력단이 캐소드에 연결되는 제2 브리지 다이오드;
상기 제1 브리지 다이오드의 캐소드가 캐소드에 연결되고, 상기 EMI 필터의 다른 출력단이 애노드에 연결되는 제3 브리지 다이오드;
상기 제3 브리지 다이오드의 애노드가 캐소드에 연결되고, 상기 제2 브리지 다이오드의 애노드가 애노드에 연결되는 제4 브리지 다이오드;
상기 제3 브리지 다이오드의 캐소드가 일단에 연결되는 제1 스위치;
상기 제1 스위치의 타단이 일단에 연결되고, 상기 제4 브리지 다이오드의 애노드가 타단에 연결되는 제2 스위치;
상기 제1 스위치의 일단이 애노드에 연결되고, 상기 DAB 컨버터에 대한 제1 출력단이 캐소드에 연결되는 제1 직렬 다이오드;
상기 제2 스위치의 타단이 캐소드에 연결되고, 상기 DAB 컨버터에 대한 제2 출력단이 애노드에 연결되는 제2 직렬 다이오드;
상기 제1 출력단이 일단에 연결되고, 상기 제1 스위치의 타단이 타단에 연결되는 제1 필름 커패시터; 및
상기 제1 스위치의 타단이 일단에 연결되고, 상기 제2 출력단이 타단에 연결되는 제2 필름 커패시터를 포함하는 OBC.
An EMI filter equipped with a CM choke and blocking noise from AC power input from an electric vehicle charging device;
A PFC converter having a bridge diode unit and receiving AC power provided by the EMI filter and converting it into DC power; and
It includes a DAB converter that converts the direct current power provided by the PFC converter to a level for the battery,
The AC output of the EMI filter is directly connected to the bridge diode unit,
The direct current output of the PFC converter is directly connected to the DAB converter at the connection node of the two film capacitors provided in the PFC converter,
The PFC converter is,
a first bridge diode where one output terminal of the EMI filter is connected to an anode;
a second bridge diode whose output terminal is connected to a cathode;
a third bridge diode in which the cathode of the first bridge diode is connected to the cathode, and the other output terminal of the EMI filter is connected to the anode;
a fourth bridge diode in which the anode of the third bridge diode is connected to the cathode and the anode of the second bridge diode is connected to the anode;
a first switch to which the cathode of the third bridge diode is connected;
a second switch where the other end of the first switch is connected to one end and the anode of the fourth bridge diode is connected to the other end;
a first series diode where one end of the first switch is connected to an anode and a first output terminal for the DAB converter is connected to a cathode;
a second series diode in which the other end of the second switch is connected to a cathode and a second output terminal for the DAB converter is connected to an anode;
a first film capacitor to which the first output terminal is connected to one end and the other end of the first switch is connected to the other end; and
An OBC including a second film capacitor where the other end of the first switch is connected to one end and the second output end is connected to the other end.
 제1항에 있어서,
상기 PFC 컨버터는,
3 레벨 부스트 PFC 컨버터 회로 구조를 가지는 OBC.
According to paragraph 1,
The PFC converter is,
OBC with 3-level boost PFC converter circuit structure.
 제1항에 있어서,
상기 EMI 필터는,
2개의 CM 초크들을 구비하는 OBC.
According to paragraph 1,
The EMI filter is,
OBC with 2 CM chokes.
 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는,
데드 인터벌이 존재하지 않도록 상호 교차 스위칭되는 OBC.
According to paragraph 1,
The first switch and the second switch are,
OBCs are cross-switched to ensure that there are no dead intervals.
 제1항에 있어서,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는,
전력 주파수의 12배 이상의 주파수로 상호 교차 스위칭되는 OBC.
According to paragraph 1,
The first switch and the second switch are,
OBCs cross-switching with each other at a frequency greater than 12 times the power frequency.
 외부로부터의 제1 교류 입력단이 애노드에 연결되는 제1 브리지 다이오드;
상기 제1 교류 입력단이 캐소드에 연결되는 제2 브리지 다이오드;
상기 제1 브리지 다이오드의 캐소드가 캐소드에 연결되고, 외부로부터의 제2 교류 입력단이 애노드에 연결되는 제3 브리지 다이오드;
상기 제3 브리지 다이오드의 애노드가 캐소드에 연결되고, 상기 제2 브리지 다이오드의 애노드가 애노드에 연결되는 제4 브리지 다이오드;
상기 제3 브리지 다이오드의 캐소드가 일단에 연결되는 제1 스위치;
상기 제1 스위치의 타단이 일단에 연결되고, 상기 제4 브리지 다이오드의 애노드가 타단에 연결되는 제2 스위치;
상기 제1 스위치의 일단이 애노드에 연결되고, 외부에 대한 제1 출력단이 캐소드에 연결되는 제1 직렬 다이오드;
상기 제2 스위치의 타단이 캐소드에 연결되고, 외부에 대한 제2 출력단이 애노드에 연결되는 제2 직렬 다이오드;
상기 제1 출력단이 일단에 연결되고, 상기 제1 스위치의 타단이 타단에 연결되는 제1 필름 커패시터; 및
상기 제1 스위치의 타단이 일단에 연결되고, 상기 제2 출력단이 타단에 연결되는 제2 필름 커패시터
를 포함하는 부스트 PFC 컨버터.
a first bridge diode whose first alternating current input terminal from the outside is connected to the anode;
a second bridge diode where the first AC input terminal is connected to a cathode;
a third bridge diode in which the cathode of the first bridge diode is connected to the cathode, and a second alternating current input terminal from the outside is connected to the anode;
a fourth bridge diode in which the anode of the third bridge diode is connected to the cathode and the anode of the second bridge diode is connected to the anode;
a first switch to which the cathode of the third bridge diode is connected;
a second switch where the other end of the first switch is connected to one end and the anode of the fourth bridge diode is connected to the other end;
a first series diode in which one end of the first switch is connected to an anode and a first output terminal to the outside is connected to a cathode;
a second series diode whose other end of the second switch is connected to a cathode and whose second output terminal to the outside is connected to an anode;
a first film capacitor to which the first output terminal is connected to one end and the other end of the first switch is connected to the other end; and
A second film capacitor wherein the other end of the first switch is connected to one end, and the second output end is connected to the other end.
Boost PFC converter including.
 제7항에 있어서,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는,
SiC MOSFET 스위치인 부스트 PFC 컨버터.
In clause 7,
The first switch and the second switch are,
Boost PFC converter with SiC MOSFET switch.
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