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KR101197078B1 - 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로 장치 - Google Patents

능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로 장치 Download PDF

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KR101197078B1
KR101197078B1 KR1020110043400A KR20110043400A KR101197078B1 KR 101197078 B1 KR101197078 B1 KR 101197078B1 KR 1020110043400 A KR1020110043400 A KR 1020110043400A KR 20110043400 A KR20110043400 A KR 20110043400A KR 101197078 B1 KR101197078 B1 KR 101197078B1
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KR
South Korea
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switching
voltage
switching elements
secondary battery
transformer
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정대택
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주식회사 피앤이솔루션
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Abstract

본 발명은 능동 스위칭소자를 구비한 영전압 방전회로 장치에 관한 것으로, 직류전원과 접속된 제1 스위칭 수단에 4개의 스위칭소자를 서로 턴온/턴오프 교번하도록 배치하고, 변압기와 이차전지 사이에도 8개의 스위칭소자를 턴온/턴오프 제어가 가능하도록 배치하며, 상기 4개 및 8개의 스위칭소자에 병렬로 턴온용 다이오드를 설치하여 전기적인 폐회로를 구성함으로써, 상기 이차전지를 0V까지 충분히 방전시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 이차전지에 남아있는 소량의 전압 (20% 이하 ~ 0%)도 충분히 방전시킴으로써, 이차전지의 성능시험 시 정확한 성능시험을 할 수 있고, 이차전지의 내구성을 향상할 수 있는 효과가 있다.

Description

능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로 장치{Zero voltage discharge circuit with active switching elements}
본 발명은 능동 스위칭소자를 구비한 영전압 방전회로 장치에 관한 것으로 특히, 이차전지에 남아있는 소량의 전압 (20% 이하 ~ 0%)도 방전시킬 수 있는 능동 스위칭소자를 구비한 영전압 방전회로 장치에 관한 것이다.
영전압 방전(Zero Voltage Discharge)의 정의는 배터리를 방전하는 과정에 있어서, 배터리 전압이 0V에 도달할 때까지, 전류의 크기가 일정한 정전류 모드(CCM : Constant Current Mode)로 동작하는 것을 의미한다.
영전압 방전의 필요성으로서, 표 3에 나타낸 바와 같이, 충방전기는 이차전지(2차 전지)의 제품 제조시 사용되는 일반 충방전(Formation)용과, 제품 설계 및 연구를 위해 좀 더 많은 반복회수 동안 충방전을 반복하는 싸이클러(Cycler)용으로 구분되며, 싸이클러용 장비의 경우 전압 사용범위가 0 ~ 4.5V 이며 보다 낮은 전압까지 하강시켜 방전시켜야 하므로, 사용자의 요구 조건에 부합하기 위하여 영전압 방전 회로 구현이 중요하다.
충방전기에서 충방전(Formation)용과 싸이클러(Cycler)용의 특성 차이
구분 충방전(Formation)용 싸이클러(Cycler)용
구조 및 주요 기능 2차 전지 생산 설비 2차 전지 연구개발 장비
전압 사용 범위 2.7 ~ 4.2 V 0 ~ 4.5V
전류 사용 범위 50mA ~ 60A 50mA ~ 500A 이상
제어 단위 SET 단위 일괄제어 채널단위 독립 제어
구동 방식 Linear, Switching Linear, Switching
기존 회로에서 영전압 방전 구현이 안되는 이유로서는, 충방전기의 경우 부하 배선이 길어 (약 6 ~ 10m) 부하 배선에 전류가 도통할 시 전압 강하가 발생하며(약 0.7 ~ 1 V), 또한 회로 내부 반도체 소자(다이오드, MOSFET 등)의 도통에 의한 전압 강하가 발생함으로써, 상기 전압 강하 성분들로 인해 배터리 전압이 낮은 영역에서 정전류 방전이 유지되지 못하는 것이다. 이러한 이유로, 종래의 충방전회로에서는 배터리 전압이 2V 이하에서는 정전류로 방전을 유지할 수 없었다.
이와 같이, 이차전지의 시험(test)를 위하여 사용되어진 종래의 이차전지 충방전회로는, 이차전지의 일정 전압 이상(예 정격전압의 20%의 전압)까지만 방전시킬 수 있었고 그 이하로는 방전시키지 못하였었다. 따라서 이차전지를 충분히 시험하지 못하는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 이차전지 충방전회로는 회로구조상 대용량 충방전기에는 적합하지 않은 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은, 별도의 보조 전원을 추가하지 않은 상태에서 스위칭 동작만으로 방전을 구현하여 이차전지에 남아있는 소량의 전압 (20% 이하 ~ 0%)도 충분히 방전시킬 수 있는 능동 스위칭소자를 구비한 영전압 방전회로 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 변압기 1차측 회로가 풀브릿지(Full Bridge) 구조이므로, 대용량 충방전기에 적합한 능동 스위칭소자를 구비한 영전압 방전회로 장치를 제공하는데 있다.
한편, 본 발명의 또다른 목적은 변압기에 걸리는 전압의 극성이 한 주기 내에서 교차되므로 변압기 포화 문제가 해결되어 안전한 특성을 가진 능동 스위칭소자를 구비한 영전압 방전회로 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 능동 스위칭소자를 구비한 영전압 방전회로 장치는, 직류 전원으로부터 출력된 직류 전압을 펄스 파형으로 변환시키는 제1 스위칭 수단과, 상기 스위칭 수단으로부터 수신된 펄스 파형을 받아서, 상기 직류전압보다 작은 크기의 교류전압으로 변압하는 변압기와, 상기 변압기로부터 출력된 교류 전압을 받아서 펄스 파형으로 변환시켜 이차전지에 인가시키며, 상기 이차전지 내의 전압을 모두 방전시키도록 스위칭 파형을 형성하는 제2 스위칭 수단으로 이루어지며, 상기 제2 스위칭 수단은 상기 이차전지를 방전시키기 위한 스위칭 파형을 형성시키도록 FET(Field Effect Transistor)로 구성된 제1 내지 제8 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8)와, 상기 스위칭소자와 병렬로 접속되어 상기 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8)가 턴오프될 경우 턴온되어 상기 스위칭소자의 소오스와 드레인 사이에서 전류 흐름을 형성시키는 턴온용 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 제1 스위칭 수단은 상기 직류 전원으로부터 출력된 전압이 상기 변압기에 인가되는 방향을 절환시키도록 FET(Field Effect Transistor)로 구성된 제9 내지 제12 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)와, 상기 제9 내지 제12 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)와 병렬로 접속되어 상기 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)가 턴오프될 경우에도 제9 내지 제12 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)의 소오스와 드레인 사이에서 전류 흐름을 형성시키는 턴온용 다이오드(D21, D22, D23, D24)로 이루어질 수 있다.
상기 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8, D21, D22, D23, D24)는 상기 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, S1, S2, S3, S4)가 턴오프될 경우 상기 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, S1, S2, S3, S4)의 소오스와 드레인 사이에 형성되는 전류 방향과 일치하도록, 상기 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8, D21, D22, D23, D24)의 애노드와 캐소드가 상기 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, S1, S2, S3, S4)에 접속될 수 있다.
상기 제1 내지 제8 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8)와 제9 내지 제12 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)는 제어수단에 의해 제어신호를 출력시켜 능동적으로 턴온/턴오프의 제어가 가능한 능동 스위칭소자로 구성될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 직류전원과 접속된 제1 스위칭 수단에 4개의 스위칭소자를 서로 턴온/턴오프 교번하도록 배치하고, 변압기와 이차전지 사이에도 8개의 스위칭소자를 턴온/턴오프 제어가 가능하도록 배치하며, 상기 4개 및 8개의 스위칭소자에 병렬로 턴온용 다이오드를 설치하여 전기적인 폐회로를 구성함으로써, 상기 2차전지를 0V전위까지 충분히 방전시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 이차전지에 남아있는 소량의 전압 (20% 이하 ~ 0%)도 충분히 방전시킴으로써, 이차전지의 성능 시험시 이차전지의 전압크기에 구애받지 않고 정확한 성능시험을 할 수 있는 효과가 있다.
한편, 별도의 보조 전원을 추가하지 않은 상태에서 스위칭 동작만으로 영전압 방전을 구현하여 시험 장치의 구성을 간단히 할 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 능동 스위칭소자를 구비한 영전압 방전회로 장치는 변압기 1차 측 회로가 풀브릿지(Full Bridge) 구조로써 대용량 충방전기에 적합한 효과가 있다
한편, 본 발명의 능동 스위칭소자를 구비한 영전압 방전회로 장치에 의하면, 변압기에 걸리는 전압의 극성이 한 주기 내에서 교차되므로 변압기 포화 문제가 해결되어 시험 회로의 안전성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 능동 스위칭소자를 구비한 영전압 방전회로 장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 능동 스위칭소자를 구비한 영전압 방전회로 장치의 충전시의 파형도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 능동 스위칭소자를 구비한 영전압 방전회로 장치의 방전시의 파형도,
도 4는 충전 모드 중 MODE 1에서의 전류 흐름을 나타낸 도 1의 회로도,
도 5는 충전 모드 중 MODE 2와 MODE 4에서의 전류 흐름을 나타낸 도 1의 회로도,
도 6은 충전 모드 중 MODE 3에서의 전류 흐름을 나타낸 도 1의 회로도,
도 7은 방전 모드 중 MODE 1에서의 전류 흐름을 나타낸 도 1의 회로도,
도 8은 방전 모드 중 MODE 2에서의 전류 흐름을 나타낸 도 1의 회로도,
도 9는 방전 모드 중 MODE 3에서의 전류 흐름을 나타낸 도 1의 회로도,
도 10은 방전 모드 중 MODE 4에서의 전류 흐름을 나타낸 도 1의 회로도,
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라, 스위칭소자들을 스위칭하기 위한 제어수단과 스위칭신호 발생수단의 접속 상태를 나타낸 제어블록도.
이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 충방전 회로는 직류 전원(2)으로부터 출력된 직류 전압을 펄스(Pulse) 파형으로 변환(Conversion)시키는 제1 스위칭 수단(4)과, 상기 제1 스위칭 수단(4)을 통해 변환된 큰 크기의 펄스파형을 작은 크기의 펄스 파형으로 변압하는 변압기(6)와, 상기 변압기(6)로부터 출력된 전압을 받아서 충전시에는 이차전지(8)에 인가할 수 있도록 직류전압으로 변환하고 방전시에는 방전방향의 전류흐름을 형성시킴과 동시에, 상기 이차전지(8) 내의 전압을 모두 방전시키도록 스위칭 파형을 형성하는 제2 스위칭 수단(10)으로 구성되어 있다.
상기 제1 스위칭 수단(4)은 상기 직류 전원으로부터 출력된 전압이 상기 변압기(6)에 인가되는 방향을 절환시키도록 FET(전계효과 트랜지스터, Field Effect Transistor)로 구성된 제9 내지 제12 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)와, 상기 제9 내지 제12 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)와 병렬로 접속되어 상기 제9 내지 제12 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)가 턴오프될 경우에 제9 내지 제12 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)의 소오스와 드레인 사이에서 전류 흐름을 형성시키는 턴온용 다이오드(D21, D22, D23, D24)로 구성되어 있다. 상기 턴온용 다이오드(D21, D22, D23, D24)는 제9 내지 제12 스위칭소자(S1, S2, S3, S4) 각각의 내부에 설치된 내부 다이오드로서, 제9 내지 제12 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)의 턴온/턴오프에 따라 전류의 흐름을 안내하는 다이오드이다.
상기 제2 스위칭 수단은 상기 이차전지를 방전시키기 위한 스위칭 파형을 형성시키도록 FET로 이루어진 제1 내지 제8 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8)와, 상기 스위칭소자와 병렬로 접속되어 상기 제1 내지 제8 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8)가 턴오프될 경우 턴온되어 상기 제1 내지 제8 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8)의 소오스와 드레인 사이에서 전류 흐름을 형성시키는 턴온용 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8)로 구성되어 있다.
상기 턴온용 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8)는 제1 내지 제8 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8) 각각의 내부에 설치되어, 제1 내지 제8 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8)의 턴온/턴오프에 따라 전류의 흐름을 안내하는 내부 다이오드이다.
상기 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8, D21, D22, D23, D24)는 상기 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, S1, S2, S3, S4)가 턴오프될 경우 상기 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, S1, S2, S3, S4)의 소오스와 드레인 사이에 형성되는 전류 방향과 일치하는 순서로, 상기 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8, D21, D22, D23, D24)의 애노드와 캐소드가 상기 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, S1, S2, S3, S4)에 접속되어 있다.
상기 직류 전원(2)은 상기 이차전지를 용이하게 충전시키기 위한 전원으로서, 이차전지의 전압(2V ~ 5V)의 약 10배 내지 80배의 크기를 가진 20V ~ 400V의 직류 전압을 출력하도록 사용자측에서 별도로 준비한 직류전원이다.
상기 변압기(6)는 상기 직류전원의 큰 크기의 전압을 이차전지의 작은 크기의 용량에 맞게 충전시키도록, 1차 코일과 2차 코일의 권선비율(N1:N2)이 5 : 1 내지 20 :1의 크기를 가진 변압기이다.
제1 내지 제8 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8)와 제9 내지 제12 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)는 사용자가 후술하는 제어수단에 의해 제어신호를 출력시켜 능동적으로 턴온/턴오프를 제어할 수 있는 능동 스위칭소자이다.
한편, 도 11에 도시된 바와 같이 제어수단(12)은 스위칭소자들(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, S1, S2, S3, S4)을 스위칭하기 위한 제어 신호를 출력하도록 스위칭신호 발생수단(14)에 접속되어 있다. 상기 스위칭 신호 발생 수단(14)은 도 1의 각 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, S1, S2, S3, S4)를 턴온/턴오프시키는 스위칭 신호를 출력하도록, 상기 각 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, S1, S2, S3, S4)의 게이트에 접속되어 있다.
이하 상기와 같이 구성된 본 발명의, 능동 스위칭소자를 구비한 영전압 방전회로 장치의 동작을 도 2, 도 3의 파형도와, 표 1 및 표 2의 설명 그리고, 도 4 내지 도 10의 회로도를 참조하여 설명한다.
본 발명 회로의 스위칭 동작에 따른 충전 모드 설명
구분 1차측 2차측
MODE 1 S1, S4, ON S2, S3, OFF Q1, Q2, Q7, Q8 OFF Q3, Q4, Q5, Q6 ON
MODE 2 S1, S4, OFF S2, S3, OFF Q1, Q2, Q7, Q8 OFF Q3, Q4, Q5, Q6 ON
MODE 3 S1, S4, OFF S2, S3, ON Q1, Q2, Q7, Q8 OFF Q3, Q4, Q5, Q6 ON
MODE 4 S1, S4, OFF S2, S3, OFF Q1, Q2, Q7, Q8 OFF Q3, Q4, Q5, Q6 ON
도 4에 도시된 바와 같이, 도 11의 제어 수단(12)으로부터 스위칭신호 발생수단(14)으로 도 2의 충전 모드에 대응하는 스위칭 제어신호가 출력된다. 도 2의 MODE 1의 초기시점에서, 상기 스위칭신호 발생수단(14)으로부터 상기 스위칭소자(S1, S4, Q3, Q4, Q5, Q6)의 게이트로 턴온 신호가 출력됨과 동시에, 상기 스위칭소자(S2, S3, Q1, Q2, Q7, Q8)로 턴오프 신호가 출력된다. 그러면 상기 스위칭소자(S1, S4, Q3, Q4, Q5, Q6)가 턴온됨과 동시에, 상기 스위칭소자(S2, S3, Q1, Q2, Q7, Q8)가 턴오프된다.
한 주기(TS)내에서 변압기를 리셋시키기 위해 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)의 듀티비는 50% 이내로 제한한다. 상기 듀티비의 의미는 임의 펄스의 한 주기에 대해서 상기 펄스가 ON 상태인 시간의 비율을 의미한다.
그러면 도 4에 나타난 바와 같이, 제1 스위칭 수단(4)에서는 직류전원의 +단자 --> 스위칭소자(S1) --> 변압기 1차 코일(N1)의 상측단자 --> 변압기 1차 코일(N1)의 하측단자 --> 스위칭소자(S4) --> 직류전원의 -단자로 흐르는 폐회로가 형성되면서 변압기(6)에 전류가 흐른다.
그러면 권선 비율(N1:N2)에 따라 변압기(6)의 2차 코일에 전압이 발생된다. 이 전압은 20 ~ 400V의 펄스파형의 전압이 10 ~ 20V의 펄스파형의 전압으로 낮추어진 강압 전압(하강 전압, Lowering Voltage)이다. 그러면, 상기 변압기(6)의 변압기 2차 코일(N2)의 상측단자 --> 스위칭소자(Q3) --> 다이오드(D1) --> 전류 안정화 코일(L) --> 이차전지(8)의 +단자 --> 이차전지(8)의 - 단자 --> 다이오드(D8) --> 스위칭소자(Q6) --> 변압기의 2차 코일(N2)의 하측단자로 폐회로가 구성되어 상기 이차전지(8)가 충전된다.
이 경우 상기 스위칭소자(Q1)와 스위칭소자(Q8)가 턴오프된 상태이지만, 상기 다이오드(D1)와 다이오드(D8)에 정방향전압이 인가되어 상기 다이오드(D1)와 다이오드(D8)가 턴온됨으로써 상기 스위칭소자(Q1)와 스위칭소자(Q8)들의 소오스와 드레인 사이에 전류의 흐름이 형성될 수 있게 된다.
도 1 및 도 4에서 커패시터(C)는 상기 이차전지(8)에 충전되는 전압의 파형을 안정화시키기 위한 전압 안정화 커패시터이다.
다음에 도 2의 충전 모드 중 MODE 2의 초기 시점에서 상기 스위칭신호 발생수단(14)으로부터 상기 스위칭소자(Q3, Q4, Q5, Q6)의 게이트로 턴온 신호가 출력됨과 동시에, 상기 스위칭소자(S1, S4, S2, S3, Q1, Q2, Q7, Q8)로 턴오프 신호가 출력된다. 그러면 상기 스위칭소자(Q3, Q4, Q5, Q6)가 계속 턴온됨과 동시에, 상기 스위칭소자(S1, S4, S2, S3, Q1, Q2, Q7, Q8)가 턴오프된다.
그러면 도 5에 도시된 바와 같이, 코일(L) --> 이차전지(8)의 + 단자 --> 이차전지(8)의 - 단자 --> 다이오드(D7) --> 제5 스위칭소자(Q5) --> 제3 스위칭소자(Q3) --> 다이오드(D1) --> 코일(L)로 형성되는 폐회로가 구성된다. 동시에 코일(L) --> 이차전지(8)의 + 단자 --> 이차전지(8)의 - 단자 --> 다이오드(D8) --> 제6 스위칭소자(Q6) --> 제4 스위칭소자(Q4) --> 다이오드(D2) --> 코일(L)로 형성되는 폐회로가 구성된다. 그러면 상기 변압기(6)에 교류전압을 인가하기 위해 상기 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)들이 모두 턴오프되는 MODE 2의 기간에. 상기 코일(L)에 저장되어 있던 에너지로서의 전력이 상기 이차전지(8)에 충전된다.
다음에는 도 6에 도시된 바와 같이, 충전모드의 MODE 3에서 상기 스위칭소자(S2, S3)가 턴온되고, 스위칭소자(S1, S4)가 턴오프된다. 그러면 직류전원(2)의 +단자 --> 제10 스위칭소자(S2) --> 변압기 1차 코일(N1)의 하측단자 --> 변압기 1차 코일(N1)의 상측단자 --> 제11 스위칭소자(S3) --> 직류전원(2)의 -단자 방향으로 전류 흐름이 형성된다.
다음에 상기 변압기(6)의 2차 코일(N2)에 전압이 유기됨으로써, 변압기 2차코일(N2)의 하측단자 --> 제4 스위칭소자(Q4) --> 다이오드(D2) --> 코일(L) --> 이차전지(8)의 + 단자 --> 이차전지(8)의 - 단자 --> 다이오드(D7) --> 제5 스위칭소자(Q5) --> 변압기 2차 코일(N2)의 상측단자의 방향으로 전류가 흐른다. 그러면 상기 이차전지(8)가 계속 충전된다.
다음에는 상기 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)가 모두 오프되어 코일(L)에 축적된 에너지인 전력이 이차전지(8)에 충전되는 과정이 실행되며, 이 과정은 도2에서 충전 모드의 MODE 4이다. 이 충전 모드의 MODE 4는 충전모드의 도 5에 도시된 충전모드의 MODE 2에서의 동작과 동일하므로 반복된 설명을 생략한다.
다음에는 본 발명의 방전 동작에 대해 설명한다.
본 발명 회로 장치의 스위칭 동작에 따른 방전 모드 설명
구분 1차측 2차측
MODE 1 S1, S4, ON S2, S3, OFF Q1, Q8 OFF Q2, Q7 ON Q3, Q4, Q5, Q6 OFF
MODE 2 S1, S4, OFF S2, S3, OFF Q1, Q8 ON Q2, Q7 OFF Q3, Q4, Q5, Q6 OFF
MODE 3 S1, S4, OFF S2, S3, ON Q1, Q8 ON Q2, Q7 OFF Q3, Q4, Q5, Q6 OFF
MODE 4 S1, S4, OFF S2, S3, OFF Q1, Q4 OFF Q2, Q7 ON Q3, Q4, Q5, Q6 OFF
도 3의 파형도 및 도 7의 회로도에 나타난 바와 같이, 방전 모드의 MODE 1에서, 제1 스위칭 수단(4)의 제9 스위칭소자(S1)와 제12 스위칭소자(S4)가 턴온되며, 제10 스위칭소자(S2)와 제11 스위칭소자(S3)가 턴오프된다. 그러면 변압기(6)의 1차코일(N1)의 상측 단자로부터 하측 단자로 전류가 흐르며, 이 전류의 흐름으로 인해 변압기(6)의 2차 코일(N2)에 전압이 유기된다. 2차 코일(N2)에 유기된 전압은 보조전원과 같은 역할을 하여 이차전지(8)의 전압이 낮은 영역에서도 이차전지(8)의 방전 전류가 유지될 수 있도록 하는 역할을 한다.
이어서 도 7에 나타낸 바와 같이, 변압기 2차 코일(N2)의 상측단자 --> 다이오드(D5) --> 제7 스위칭소자(Q7) --> 이차전지(8)의 - 단자 --> 이차전지(8)의 + 단자 --> 코일(L) --> 제2 스위칭소자(Q2) --> 다이오드(D4) --> 변압기 2차 코일(N2)의 하측단자 방향으로 전류가 흐름으로써 상기 이차전지(8)가 방전됨과 동시에 코일(L)에 에너지가 저장된다.
다음에 방전 모드의 MODE 2에서는 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 스위칭 수단(4)의 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)가 모두 턴오프된다. 동시에 제2 스위칭 수단(10)의 스위칭소자(Q1, Q8)이 턴온되고, 나머지 스위칭소자들(Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7)이 턴오프된다. 그러면 상기 이차전지(8)의 + 단자 --> 코일(L) --> 제1 스위칭소자(Q1) --> 다이오드(D3) --> 변압기 2차 코일(N2)의 상측단자 --> 변압기 2차 코일(N2)의 하측단자 --> 다이오드(D6) --> 제8 스위칭소자(Q8) --> 이차전지(8)의 - 단자 방향으로 전류가 흐르고, 이 전류에 의해 역으로, 변압기 1차 코일(N1)에 전류 흐름이 발생된다. 그러면 상기 변압기 1차 코일(N1)의 상측단자 --> 다이오드(D21) --> 직류전원(2)의 + 단자 --> 직류전원(2)의 - 단자 --> 다이오드(D24) --> 상기 변압기 1차 코일(N1)의 하측단자 방향으로 전류가 흐름으로써, 상기 이차전지(8)의 전압이 방전되며, 이 방전된 전압의 에너지가 직류전원(8)에 유입된다.
다음에 방전 모드의 MODE 3에서는, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 스위칭 수단(4)의 스위칭소자(S2, S3)가 턴온되고, 다른 스위칭소자(S1, S4)는 턴오프 상태가 유지된다. 동시에 제2 스위칭 수단(10)의 스위칭소자(Q1, Q8)가 계속해서 턴온 상태를 유지하며, 나머지 스위칭소자들(Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7)이 계속 턴오프 상태를 유지한다. 그러면 상기 제1 스위칭 수단(4)에서는 직류전원(2)의 + 단자 --> 제10 스위칭소자(S2) --> 상기 변압기 1차 코일(N1)의 하측단자 --> 상기 변압기 1차 코일(N1)의 상측단자 --> 제11 스위칭소자(S3) --> 직류전원(2)의 - 단자 방향으로 전류가 흐른다.
동시에 제 2 스위칭 수단(10)에서는 상기 변압기의 2차 코일(N2)의 하측단자 --> 다이오드(D6) --> 제8 스위칭소자(Q8) --> 이차전지(6)의 - 단자 --> 이차전지(6)의 + 단자 --> 코일(L) --> 제1 스위칭소자(Q1) --> 다이오드(D3) --> 상기 변압기 2차 코일(N2)의 상측단자 방향으로 전류가 흐름으로써 방전동작이 유지됨과 동시에 코일(L)에 에너지가 저장된다.
다음에 방전 모드의 MODE 4에서는, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 스위칭 수단(4)의 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)가 모두 턴오프된다. 동시에 제2 스위칭 수단(10)의 스위칭소자(Q2, Q7)가 턴온되고, 다른 스위칭소자들(Q1, Q3, Q4, Q5, Q6, Q8)이 모두 턴오프된다.
그러면 이차전지(8)의 +단자 --> 코일(L) --> 스위칭소자(Q2) --> 다이오드(D4) --> 상기 변압기 2차 코일(N2)의 하측단자 --> 상기 변압기의 2차 코일(N2)의 상측단자 --> 다이오드(D5) --> 스위칭소자(Q7) --> 이차전지(8)의 -단자 방향으로 전류가 흐르고, 이 전류에 의해 역으로, 변압기 1차 코일(N1)에 전압이 발생된다. 이 전압은 승압전압으로서, 2 ~ 5V의 교류 전압이 20 ~ 600V의 교류 전압으로 높여진 승압 전압(Raising Voltage)이다.
이어서, 상기 변압기 1차 코일(N1)의 하측단자 --> 다이오드(D22) --> 직류전원(2)의 + 단자 --> 직류전원(2)의 -단자 -->다이오드(D23) --> 변압기 1차 코일(N1)의 상측단자 방향으로 전류가 흐름으로써, 상기 이차전지의 전압이 0V 전위인 0전압까지 방전되며, 이 방전된 에너지가 상기 직류전원(2)에 유입된다.
이와 같이 본 발명에 따른 영전압 방전회로에 의하면, 직류전원과 접속된 제1 스위칭 수단에 4개의 스위칭소자를 서로 턴온/턴오프 교번하도록 배치하고, 변압기와 이차전지 사이에도 8개의 스위칭소자를 턴온/턴오프 제어가 가능하도록 배치하며, 상기 4개 및 8개의 스위칭소자에 병렬로 턴온용 다이오드를 설치하여 전기적인 폐회로를 구성함으로써, 상기 2차전지를 0V전위까지 충분히 방전시킬 수 있는 효과가 있다.
2 : 직류 전원 4 : 제1 스위칭 수단
6 : 변압기 8 : 이차전지
10 : 제2 스위칭 수단 12 : 제어 수단
14 : 스위칭 신호 발생 수단
L : 코일 C : 커패시터
Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, S1, S2, S3, S4 : 스위칭소자
D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8, D21, D22, D23, D24 : 다이오드

Claims (4)

  1. 직류 전원으로부터 출력된 직류 전압을 펄스 파형으로 변환시키는 제1 스위칭 수단과,
    상기 스위칭 수단으로부터 수신된 펄스 파형을 받아서, 상기 직류전압보다 작은 크기의 교류전압으로 변압하는 변압기와,
    상기 변압기로부터 출력된 교류 전압을 받아서 펄스 파형으로 변환시켜 이차전지에 인가시키며, 상기 이차전지 내의 전압을 모두 방전시키도록 스위칭 파형을 형성하는 제2 스위칭 수단으로 이루어지며,
    상기 제2 스위칭 수단은 상기 이차전지를 방전시키기 위한 스위칭 파형을 형성시키도록 FET(Field Effect Transistor)로 구성된 제1 내지 제8 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8)와, 상기 스위칭소자와 병렬로 접속되어 상기 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8)가 턴오프될 경우 턴온되어 상기 스위칭소자의 소오스와 드레인 사이에서 전류 흐름을 형성시키는 턴온용 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8)로 이루어진 것을 특징으로 하는 능동 스위칭소자를 구비한 영전압 방전회로 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 수단은 상기 직류 전원으로부터 출력된 전압이 상기 변압기에 인가되는 방향을 절환시키도록 FET(Field Effect Transistor)로 구성된 제9 내지 제12 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)와, 상기 제9 내지 제12 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)와 병렬로 접속되어 상기 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)가 턴오프될 경우에도 제9 내지 제12 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)의 소오스와 드레인 사이에서 전류 흐름을 형성시키는 턴온용 다이오드(D21, D22, D23, D24)로 이루어진 것을 특징으로 하는 능동 스위칭소자를 구비한 영전압 방전회로 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8, D21, D22, D23, D24)는 상기 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, S1, S2, S3, S4)가 턴오프될 경우 상기 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, S1, S2, S3, S4)의 소오스와 드레인 사이에 형성되는 전류 방향과 일치하는 순서로, 상기 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8, D21, D22, D23, D24)의 애노드와 캐소드가 상기 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, S1, S2, S3, S4)에 접속된 것을 특징으로 하는 능동 스위칭소자를 구비한 영전압 방전회로 장치.
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