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KR20200062835A - Isolated bi-directional DC-DC converter charger for electric vehicles - Google Patents

Isolated bi-directional DC-DC converter charger for electric vehicles Download PDF

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KR20200062835A
KR20200062835A KR1020180148723A KR20180148723A KR20200062835A KR 20200062835 A KR20200062835 A KR 20200062835A KR 1020180148723 A KR1020180148723 A KR 1020180148723A KR 20180148723 A KR20180148723 A KR 20180148723A KR 20200062835 A KR20200062835 A KR 20200062835A
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phase
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정다움
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Abstract

Provided is an isolated bi-directional DC-DC converter charger for an electric vehicle, capable of receiving a home supply voltage to be converted through a power converter, and controlling charging power through a phase control scheme, thereby prohibiting a rapid dynamic characteristic and an ineffective component to increase the charging efficiency in an electric vehicle having a stack-type charger. The isolated bi-directional DC-DC converter charger for the electric vehicle includes: a power factor correction (PFC) to receive a supply alternating current (AC) power to be converted into a variable direct current (DC) voltage and control a power factor of a voltage current; an isolated-type transformer to electrically isolate a primary side from a secondary side; a first-phase full-bridge inverter interposed between the primary side of the isolated-type transformer and the PFC; a secondary-phase full-bridge inverter interposed between the second side of the isolated-type transformer and the battery; and an inductor interposed between the primary side of the isolated-type transformer and the first-phase full-bridge inverter to output, as power, stored energy.

Description

전기 자동차용 절연형 양방향 직류-직류 컨버터 충전기{Isolated bi-directional DC-DC converter charger for electric vehicles}Isolated bi-directional DC-DC converter charger for electric vehicles

본 발명은 전기 자동차용 절연형 양방향 직류-직류 컨버터 충전기에 관한 것으로, 특히 탑재형 충전기를 갖는 전기 자동차에서, 가정용 상용 전압을 인가받아 전력 변환기를 통해 가변하고, 위상 제어 방식을 통해 충전전력을 제어함으로써 빠른 동적 특성과 무효 성분을 억제하여 충전 효율을 증대하도록 한 전기 자동차용 절연형 양방향 직류-직류 컨버터 충전기에 관한 것이다.The present invention relates to an insulated bi-directional DC-DC converter charger for an electric vehicle, and in particular, in an electric vehicle having a built-in charger, receives a commercial voltage from home and varies through a power converter, and controls charging power through a phase control method The present invention relates to an isolated bidirectional DC-DC converter charger for an electric vehicle, thereby increasing charging efficiency by suppressing fast dynamic characteristics and reactive components.

전기 자동차는 내연 기관 구축 없이 차량용 배터리로부터 전력을 공급받아 전동기를 통하여 차량을 구동하는 구조이다. 이처럼 전기 자동차에서 배터리는 매우 중요한 부분으로 작용하고 있으며, 배터리를 충전하기 위한 충전 장치 구비는 필수적이다. 충전기의 형태는 크게 탑재형(On-Board Charger)과 별치형(Off-Board Charger)으로 나뉜다.The electric vehicle is configured to drive a vehicle through an electric motor by receiving electric power from a vehicle battery without building an internal combustion engine. As described above, in an electric vehicle, a battery is a very important part, and it is necessary to provide a charging device for charging the battery. The types of chargers are largely divided into on-board chargers and off-board chargers.

탑재형 충전기(On-Board Charger)는 가정용 단상 전원 110 ~ 220[V]를 인가받아 개별 차량에 탑재된 충전기로부터 배터리를 충전하는 방식이다. 일반적인 제어 방법으로 PWM(Pulse Width Modulation) 제어와 Phase-Shift(위상 제어)의 두 가지 제어 방법이 있다.The on-board charger is a method of charging a battery from a charger mounted in an individual vehicle by receiving 110~220[V] of single-phase power for household use. There are two general control methods: PWM (Pulse Width Modulation) control and Phase-Shift control.

전기 자동차의 충전을 위한 전력 변환 장치에 대한 종래 기술이 하기의 <특허문헌 1> 에 개시되어 있다.A prior art for a power conversion device for charging an electric vehicle is disclosed in <Patent Document 1> below.

<특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 전류가 충전/방전되는 배터리, 변압기를The prior art disclosed in <Patent Document 1> provides a battery and a transformer in which current is charged/discharged.

내장하여 전기적으로 절연되며, 고정 듀티 및 고정 주파수로 동작하여 배터리에서 출력되는 전압을 트랜스의 권선비에 따른 고정 승압비로 출력하는 절연형 컨버터, 입력단이 절연형 컨버터와 연결되어, 절연형 컨버터로부터 공급된 직류전압을 교류전압으로 변환시키고, 출력단에 LCL 필터가 연결된 인버터; 및 LCL필터의 계통 측 인덕터에 인가되는 전압을 모니터링하여 인버터의 출력 전압을 제어함으로써 계통 측으로 입출력되는 전류를 간접적으로 제어하는 제어부를 포함한다. 이러한 구성을 통해, 양방향 충전기의 컨버터가 부하에 관계없이 출력이득이 일정하게 유지되도록 세팅되어 바이패스의 기능만 수행함에 따라 별도의 레귤레이션 없이 인버터의 제어만으로도 모드 전환이 가능하여 2-stage에서 발생할 수 있는 과도상태를 억제하게 된다.Built-in, electrically isolated, isolated converter that operates at fixed duty and fixed frequency and outputs the voltage output from the battery at a fixed step-up ratio according to the turns ratio of the transformer, and the input terminal is connected to the isolated converter and supplied from the isolated converter An inverter that converts a DC voltage into an AC voltage and an LCL filter is connected to the output terminal; And a control unit for indirectly controlling the current input and output to the grid side by monitoring the voltage applied to the grid-side inductor of the LCL filter and controlling the output voltage of the inverter. With this configuration, the converter of the bi-directional charger is set so that the output gain is kept constant regardless of the load, so that only the bypass function is performed, so that the mode can be switched only with the control of the inverter without any regulation, which can occur in 2-stage. This suppresses the transient state.

대한민국 등록특허 10-1714593(2017.03.30. 등록)(V2G, V2H 기능을 갖는 전기자동차용 양방향 충전기)Republic of Korea Patent Registration 10-1714593 (Registration on March 30, 2017) (V2G, bi-directional charger for electric vehicles with V2H function)

그러나 상기와 같은 종래기술은 고정 듀티 및 고정 주파수를 이용한 절연형 컨버터와 인버터 등으로 구성되며 PWM 제어 방식을 이용한 듀티 가변 방식이므로, 동적 특성이 낮고, 무효 성분의 억제율이 낮아 충전 효율이 떨어지는 단점이 있다.However, the prior art as described above is composed of an insulated converter and an inverter using a fixed duty and a fixed frequency, and is a duty variable method using a PWM control method, and thus has low dynamic characteristics and low charging efficiency due to low suppression rate of invalid components. have.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 탑재형 충전기를 갖는 전기 자동차에서, 가정용 상용 전압을 인가받아 전력 변환기를 통해 가변하고, 위상 제어 방식을 통해 충전기에 충전함으로써 빠른 동적 특성과 무효 성분을 억제하여 충전 효율을 증대하도록 한 전기 자동차용 절연형 양방향 직류-직류 컨버터 충전기를 제공하는 데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention has been proposed to solve various problems occurring in the prior art as described above, in an electric vehicle having a built-in charger, a household commercial voltage is applied and varied through a power converter, and a charger through a phase control method An object of the present invention is to provide an insulated bidirectional DC-DC converter charger for an electric vehicle, which increases the charging efficiency by suppressing the fast dynamic characteristics and reactive components by charging them.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전기 자동차용 절연형 양방향 직류-직류 컨버터 충전기는, 상용 교류 전원을 인가받아 가변 직류 전압으로 변환하고, 전압전류의 역률을 제어하는 PFC(Power Factor Correction); 1차측과 2차측을 전기적으로 절연하는 절연형 트랜스; 상기 절연형 트랜스의 1차측과 상기 PFC 사이에 게재된 제1 단상 풀-브릿지(Full-Bridge) 인버터; 상기 절연형 트랜스의 2차측과 배터리 사이에 게재된 제2 단상 풀-브릿지 인버터; 상기 절연형 트랜스의 1차측과 상기 제1 단상 풀-브릿지 인버터 사이에 게재되어 저장되는 에너지를 전력으로 출력하는 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the insulated bidirectional DC-DC converter charger for an electric vehicle according to the present invention receives commercial AC power, converts it into a variable DC voltage, and controls PFC (Power) to control the power factor of the voltage current. Factor Correction); An insulated transformer electrically insulating the primary and secondary sides; A first single-phase full-bridge inverter interposed between the primary side of the insulated transformer and the PFC; A second single-phase full-bridge inverter disposed between the secondary side of the insulated transformer and the battery; It characterized in that it comprises an inductor for outputting the energy stored and stored between the primary side of the insulating transformer and the first single-phase full-bridge inverter as power.

상기에서 제1 및 제2 단상 풀-브릿지 인버터는 위상 제어 방식으로 제어되는 것을 특징으로 한다.In the above, the first and second single-phase full-bridge inverters are characterized by being controlled by a phase control method.

상기에서 절연형 트랜스는 N: 1 권선비를 갖는 것을 특징으로 한다.In the above, the isolated transformer is characterized by having an N: 1 turns ratio.

상기에서 제1 및 제2 단상 풀-브릿지 인버터의 듀티는 0.5로 고정되며, 인덕터 양단에 인가되는 전압의 위상 차를 이용하여 전력의 흐름이 제어되는 것을 특징으로 한다.In the above, the duty of the first and second single-phase full-bridge inverters is fixed to 0.5, and the flow of power is controlled by using the phase difference of the voltage applied across the inductor.

상기에서 제1 단상 풀-브릿지 인버터의 스위칭 신호가 상기 제2 단상 풀-브릿지 스위칭 신호보다 앞서는 경우 충전 모드로 동작하고, 상기 제2 단상 풀-브릿지 인버터의 스위칭 신호가 상기 제1 단상 풀-브릿지 스위칭 신호보다 앞서는 경우 방전 모드로 동작하는 것을 특징으로 한다.In the above, when the switching signal of the first single-phase full-bridge inverter precedes the second single-phase full-bridge switching signal, it operates in a charging mode, and the switching signal of the second single-phase full-bridge inverter is the first single-phase full-bridge inverter. It is characterized in that it operates in a discharge mode when it precedes the switching signal.

본 발명에 따르면 탑재형 충전기를 갖는 전기 자동차에서, 가정용 상용 전압을 인가받아 전력 변환기를 통해 가변하고, 위상 제어 방식을 통해 충전 전력을 제어함으로써 빠른 동적 특성과 무효 성분을 억제하여 충전 효율을 증대할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, in an electric vehicle having a built-in charger, the household commercial voltage is applied and varied through a power converter, and the charging power is controlled by controlling the charging power through a phase control method to increase charging efficiency by suppressing fast dynamic characteristics and invalid components. It has the effect.

도 1은 본 발명에 따른 전기 자동차용 절연형 양방향 직류-직류 컨버터 충전기의 회로도,
도 2는 본 발명에서 듀얼 풀-브릿지 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 등가 회로도,
도 3은 구간별 스위치 신호, 인덕터 양단 전압 및 전류 파형도,
도 4는 모드별 동작 상태도이다.
1 is a circuit diagram of an insulated bidirectional DC-DC converter charger for an electric vehicle according to the present invention,
2 is an equivalent circuit diagram of a dual full-bridge isolated bi-directional DC-DC converter in the present invention,
3 is a switch signal for each section, voltage and current waveforms across the inductor,
4 is an operation state diagram for each mode.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기 자동차용 절연형 양방향 직류-직류 컨버터 충전기을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, an insulated bidirectional DC-DC converter charger for an electric vehicle according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기 자동차용 절연형 양방향 직류-직류 컨버터 충전기의 회로도로서, 상용 교류 전원을 인가받아 가변 직류 전압으로 변환하고, 전압전류의 역률을 제어하는 PFC(Power Factor Correction)(10), 1차측과 2차측을 전기적으로 절연하는 절연형 트랜스(40), 상기 절연형 트랜스(40)의 1차측과 상기 PFC(10) 사이에 게재된 제1 단상 풀-브릿지(Full-Bridge) 인버터(20), 상기 절연형 트랜스(40)의 2차측과 배터리(60) 사이에 게재된 제2 단상 풀-브릿지 인버터(50), 상기 절연형 트랜스(40)의 1차측과 상기 제1 단상 풀-브릿지 인버터(20) 사이에 게재되어 저장되는 에너지를 전력으로 출력하는 인덕터(30)를 포함한다.1 is a circuit diagram of an insulated bidirectional DC-DC converter charger for an electric vehicle according to a preferred embodiment of the present invention, receiving commercial AC power, converting it into a variable DC voltage, and controlling a power factor of a PFC (Power Factor) Correction) 10, an insulated transformer 40 electrically insulating the primary and secondary sides, and a first single-phase full-bridge placed between the primary side of the insulated transformer 40 and the PFC 10 ( Full-Bridge) Inverter 20, second single-phase full-bridge inverter 50 placed between the secondary side of the insulated transformer 40 and the battery 60, and the primary side of the insulated transformer 40 And an inductor 30 that outputs energy stored and stored between the first single-phase full-bridge inverters 20 as electric power.

이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기 자동차용 절연형 양방향 직류-직류 컨버터 충전기의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The operation of the insulated bidirectional DC-DC converter charger for an electric vehicle according to the preferred embodiment of the present invention configured as described above will be described in detail as follows.

본 발명에서 제안하는 전기 자동차용 배터리의 충전 방식의 경우, 배터리(60)는 양방향 DC-DC 컨버터를 통하여 DC-link 단과 연결되며, 충/방전 상태에 따라 전력 전달 방향이 달라진다. 따라서 양방향 DC-DC 컨버터는 배터리의 전압에 따라 Duty 또는 위상 각 등의 변수를 제어하여 충전과 방전 동작 시 양방향 전력 흐름을 제어한다.In the case of the charging method of the battery for an electric vehicle proposed in the present invention, the battery 60 is connected to the DC-link stage through a bi-directional DC-DC converter, and the power transmission direction varies depending on the charge/discharge state. Therefore, the bidirectional DC-DC converter controls variables such as duty or phase angle according to the voltage of the battery to control bidirectional power flow during charging and discharging operations.

단상 Full-Bridge 인버터(20)(50)가 변압기(절연형 트랜스)(40)를 기준으로 1차 측과 2차 측에 결선 된다. 1차 측은 상용 전원을 인가받아 기존 구비된 PFC(10)로부터 전력변환을 통하여 제1 단상 Full_Bridge 인버터(20)에 인가되고, 2차 측에는 배터리(60)가 결선 된다. 그리고 변압기(40)의 1차 측에 교류 인덕터(30)가 구성되며, 인덕터(30)에 저장되는 에너지를 이용하여 전력을 전달한다.The single-phase full-bridge inverter 20, 50 is connected to the primary and secondary sides based on the transformer (isolated transformer) 40. The primary side receives commercial power and is applied to the first single-phase Full_Bridge inverter 20 through power conversion from the existing PFC 10, and the battery 60 is connected to the secondary side. And the AC inductor 30 is configured on the primary side of the transformer 40, and transmits electric power using energy stored in the inductor 30.

1차 측의 PFC(10)로부터 전환된 DC 전압은 150 ~ 310[V]로 가변되며, 2차 측 배터리(60)의 전압은 12 ~ 48[V] 범위에서 충전과 방전이 이루어진다. 이때, 변압기(40)의 권선비는 N:1이다.The DC voltage converted from the PFC 10 on the primary side varies between 150 and 310 [V], and the voltage on the secondary battery 60 is charged and discharged in the range of 12 to 48 [V]. At this time, the winding ratio of the transformer 40 is N:1.

도 2에 배터리 충방전용 양방향 DC-DC 컨버터의 동작 원리를 설명하기 위한 Dual Full-Bridge 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 등가 회로가 도시되었다. 이때, 1차 측 인덕터(30) L을 기준으로 V1은 PFC(10)로부터 전환된 DC 전압이 1차 측의 단상 Full-Bridge 인버터(20)를 통과한 출력 값이고, nV2는 배터리(60) 전압과 2차 측 단상 Full-Bridge 인버터(50)의 출력인 V2 전압이 변압기(40) 권선비에 의해 환산되어 변압기(40)의 1차 측에 걸리는 전압이다. 이때 인덕터 인가전압 VL은 인덕터(30) 전류 iL의 전류 방향을 기준으로 하기의 [수학식 1]과 같이 정하였다.2 shows an equivalent circuit of a dual full-bridge isolated bidirectional DC-DC converter for explaining the principle of operation of a bidirectional DC-DC converter for charging and discharging a battery. At this time, based on the primary side inductor 30 L, V1 is the output value of the DC voltage converted from the PFC 10 passing through the single-phase full-bridge inverter 20 on the primary side, and nV2 is the battery 60 The voltage and the V2 voltage, which is the output of the secondary-side single-phase full-bridge inverter 50, are converted by the winding ratio of the transformer 40 and applied to the primary side of the transformer 40. At this time, the inductor applied voltage VL was determined as in Equation 1 below based on the current direction of the current iL of the inductor 30.

Figure pat00001
Figure pat00001

이때, 흐르는 전류 iL은 하기의 [수학식 2] 와 같다.At this time, the flowing current iL is as shown in [Equation 2] below.

Figure pat00002
Figure pat00002

일반적으로 이러한 토폴로지의 제어 방법에는 주로 PWM(Pulse Width Modulation) 제어와 phase-shift의 두 가지 제어 방법이 있다.In general, there are mainly two types of control methods of the topology: pulse width modulation (PWM) control and phase-shift control.

PWM에 의한 Duty 제어의 경우 간단하고 구현하기 쉽지만 동적 성능이 떨어진다. 그래서 본 발명에서는 위상 제어 방식인 Phase-Shift 모드로 제어하였다. 이때, Phase-Shift 제어 변수는 Duty 값이 아닌, θ(위상차)이다.In the case of duty control by PWM, it is simple and easy to implement, but the dynamic performance is poor. So, in the present invention, it was controlled by the phase-shift mode, which is a phase control method. At this time, the phase-shift control variable is not the duty value, but θ (phase difference).

모든 스위치의 Duty는 0.5로 고정시키고, 인덕터(L) 양단에 인가되는 V1과 nV2의 위상 차를 이용하여 전력의 흐름을 제어한다. 이때 1차측 스위칭 신호가 2차 측 스위칭 신호보다 앞서는 경우에는 충전 모드로 동작하고, 2차측 스위칭 신호가 1차측 스위칭 신호보다 앞서는 경우에는 방전 모드로 동작한다. The duty of all switches is fixed at 0.5, and the flow of power is controlled using the phase difference between V1 and nV2 applied across the inductor (L). At this time, when the primary side switching signal precedes the secondary side switching signal, it operates in the charging mode, and when the secondary side switching signal precedes the primary side switching signal, it operates in the discharge mode.

또한, 스위치 turn-on시 ZCS(Zero Current Switching) 동작하여 스위칭 손실을 줄일 수 있다. Phase-Shift의 동작원리는 8구간으로 나누어 설명할 수 있고 도 3에 구간별 스위치 신호, 인덕터 양단 전압 및 전류 파형을 나타내었다. 이때, D1과 D2는 각각 내부 및 외부 위상 차 비율이다. 내부 위상 차는 Full-Bridge의 암 사이의 위상 변이로 정의되며, 외부 위상 변이는 변압기 1차 및 2차측 사이의 위상 차 로 정의한다. 또한, Ths는 스위칭 주기를 나타낸다.In addition, ZCS (Zero Current Switching) operation during switch turn-on can reduce switching losses. The operation principle of Phase-Shift can be explained by dividing it into 8 sections, and the switch signal for each section and the voltage and current waveforms across the inductor are shown in FIG. 3. At this time, D 1 and D 2 are internal and external phase difference ratios, respectively. The internal phase difference is defined as the phase shift between the arms of the full bridge, and the external phase shift is defined as the phase difference between the primary and secondary sides of the transformer. In addition, T hs represents a switching period.

Mode 1(t0 - t1):Mode 1(t 0 -t 1 ):

도 4(a)는 Mode 1의 동작 상태를 나타낸다.Figure 4 (a) shows the operating state of Mode 1.

t0 시간에서 S2가 turn off되고, S1은 turn on되며, D1이 도통되기 시작한다. 이때, 2차측 전류는 M2과 M3를 통해 흐르고 인덕터 양단 전압은 nV2이다. 이 모드는 Q4가 turn on되면 끝난다. At time t 0 , S 2 is turned off, S 1 is turned on, and D 1 starts to conduct. At this time, the secondary current flows through M 2 and M 3 and the voltage across the inductor is nV 2 . This mode ends when Q 4 is turned on.

이 모드 동안, L을 통과하는 전류는 다음과 같이 표현된다.During this mode, the current through L is expressed as follows.

Figure pat00003
Figure pat00003

Figure pat00004
Figure pat00004

Mode 2(t1 - t2):Mode 2(t 1 -t 2 ):

도 4(b)는 Mode 2의 동작 상태를 나타낸다.Figure 4 (b) shows the operating state of Mode 2.

t1 시간에서 1차측 전압 V1이 NV2로 같으므로, S7이 OFF되고 S8이 ON된다. 그러나 NV2가 V1보다 높으면, S8이 OFF되고, S7의 하드 스위칭이 OFF된다. 반대로 NV2가 V1보다 낮으면, S7이 OFF되고, S8의 하드 스위칭이 ON된다. 이 모드 동안 인덕터 양단 전압은 0이다. 이 모드는 스위치 S4가 ON되면 끝이 난다. 이 모드 동안, L을 통과하는 전류는 다음과 같이 표현된다.At time t1, since the primary voltage V1 is equal to NV2, S7 is turned OFF and S8 is turned ON. However, when NV2 is higher than V1, S8 is turned OFF and hard switching of S7 is turned OFF. Conversely, when NV2 is lower than V1, S7 is turned OFF, and hard switching of S8 is turned ON. During this mode, the voltage across the inductor is zero. This mode ends when switch S4 is ON. During this mode, the current through L is expressed as follows.

Figure pat00005
Figure pat00005

Mode 3(t2 - t3):Mode 3(t 2 -t 3 ):

도 4(c)는 Mode 3의 동작 상태를 나타낸다.Figure 4 (c) shows the operating state of Mode 3.

t2 시간에서 1차측 전압 V1이 NV2로 같으면, S4가 ON된다. 그러나 NV2가 V1보다 높으면, S3이 OFF되고, S4의 하드 스위칭이 ON된다. 반대로 NV2가 V1보다 낮으면, S4이 ON되고, S3의 하드 스위칭이 OFF된다. 이 모드에서 인덕터 전류는 S1, S4, S6 및 D8을 통하여 흐른다. 이 모드는 S6의 스위치가 OFF되면 끝이 난다. 이 모드 동안, L을 통과하는 전류는 다음과 같이 표현된다.If the primary voltage V1 is equal to NV2 at t 2 hours, S4 is turned on. However, if NV2 is higher than V1, S3 is turned OFF and hard switching of S4 is turned ON. Conversely, when NV2 is lower than V1, S4 is turned on and hard switching of S3 is turned off. In this mode, the inductor current flows through S1, S4, S6 and D8. This mode ends when the S6 is switched off. During this mode, the current through L is expressed as follows.

Figure pat00006
Figure pat00006

Figure pat00007
Figure pat00007

Mode 4(t3 - t4):Mode 4(t 3 -t 4 ):

도 4(d)는 Mode 4의 동작 상태를 나타낸다.Figure 4 (d) shows the operating state of Mode 4.

t3 시간에서 Q1이 ON되고, Q2가 OFF된다. 이때 양의 전류로 M1과 M4를 통해 흐른다. 1차 측의 전류는 S1과 S4를 통하여 흐른다. 이 모드에서 인덕터 양단의 전압은 V1-NV2이다. 이 모드 동안, L을 통과하는 전류는 다음과 같이 표현된다.At time 3 t, Q1 turns on and Q2 turns off. At this time, a positive current flows through M1 and M4. The current on the primary side flows through S1 and S4. In this mode, the voltage across the inductor is V1-NV2. During this mode, the current through L is expressed as follows.

Figure pat00008
Figure pat00008

Figure pat00009
Figure pat00009

Mode 5(t4 - t5):Mode 5(t 4 -t 5 ):

도 4(e)는 Mode 5의 동작 상태를 나타낸다.4(e) shows the operation state of Mode 5.

t4 시간에서 S2는 ON되고, S1은 OFF된다. 이때 인덕터 전류 IL은 D2와 S4를 통해 흐른다. 이 모드는 스위치 S7이 ON되면 끝이 난다. 이 모드 동안, L을 통과하는 전류는 다음과 같이 표현된다.At time t4, S2 turns ON and S1 turns OFF. At this time, the inductor current IL flows through D2 and S4. This mode ends when switch S7 is ON. During this mode, the current through L is expressed as follows.

Figure pat00010
Figure pat00010

Figure pat00011
Figure pat00011

Mode 6(t5 - t6):Mode 6(t 5 -t 6 ):

도 4(f)는 Mode 6의 동작 상태를 나타낸다.4(f) shows the operation state of Mode 6.

t5 시간에서 V1과 NV2가 같다면 S7은 ON된다. 그러나 NV2가 V1보다 높으면 S7은 ON되고, S8의 하드 스위칭은 OFF된다. 반대로 NV2가 V1보다 낮으면 S8이 OFF되고, S7의 하드 스위칭이 ON된다. 이 모드에서 인덕터에 걸리는 전압은 O이다. 이 모드 동안, L을 통과하는 전류는 다음과 같이 표현된다.If V1 and NV2 are the same at t 5 hours, S7 is turned on. However, if NV2 is higher than V1, S7 is turned on and hard switching of S8 is turned off. Conversely, when NV2 is lower than V1, S8 is turned OFF and hard switching of S7 is turned ON. In this mode, the voltage across the inductor is O. During this mode, the current through L is expressed as follows.

Figure pat00012
Figure pat00012

Mode 7(t6 - t7):Mode 7 (t 6 -t 7 ):

도 4(g)는 Mode 7의 동작 상태를 나타낸다.Figure 4 (g) shows the operating state of Mode 7.

t6 시간에서 S4는 OFF이다. 이때 V1과 NV2가 같다면, S3은 ON 된다. 그러나 NV2가 V1보다 높으면 S4가 OFF되고, S3의 하드 스위칭은 ON된다. 반대로 NV2가 V1보다 낮다면, S3이 ON되고, S4의 하드 스위칭은 OFF 된다. 이 모드에서 인덕터의 전압은 V1이다. 이 모드 동안, L을 통과하는 전류는 다음과 같이 표현된다.At time t6, S4 is OFF. At this time, if V1 and NV2 are the same, S3 is ON. However, if NV2 is higher than V1, S4 is turned OFF, and hard switching of S3 is turned ON. Conversely, if NV2 is lower than V1, S3 is turned on and hard switching of S4 is turned off. In this mode, the voltage of the inductor is V1. During this mode, the current through L is expressed as follows.

Figure pat00013
Figure pat00013

Figure pat00014
Figure pat00014

Mode 8(t7 - t8):Mode 8(t 7 -t 8 ):

도 4(h)는 Mode 8의 동작 상태를 나타낸다.4(h) shows the operation state of Mode 8.

t7 시간에서 S5는 OFF 이고, S6은 ON 이다. 인덕터 전류 IL은 M2와 M3에 의하여 흐른다. 이 모드 동안, L을 통과하는 전류는 다음과 같이 표현된다. At time t7, S5 is OFF and S6 is ON. The inductor current IL flows by M2 and M3. During this mode, the current through L is expressed as follows.

Figure pat00015
Figure pat00015

Figure pat00016
Figure pat00016

인덕터 전류 IL의 초기 전류 값은 다음과 같이 구할 수 있다.The initial current value of the inductor current IL can be obtained as follows.

Figure pat00017
Figure pat00017

이러한 본 발명은 상용 전원 110[V] 또는 220[V]를 인가받아 phase-shift control를 통하여 12v, 24v 및 48v 전압으로 가변할 수 있는 Converter를 제공한다. 이때 적절한 위상 차이를 통하여 역률을 개선함으로써 무효 전력을 최소화할 수 있고, 이를 통해 전력 공급에 있어 효율 극대화를 이룰 수 있다. The present invention provides a converter that can be changed to 12v, 24v and 48v voltage through phase-shift control by receiving commercial power 110[V] or 220[V]. At this time, by improving the power factor through an appropriate phase difference, reactive power can be minimized, thereby maximizing efficiency in power supply.

또한, 양방향 PFC를 이용한다면, 양방향으로 전력 운용이 가능하여 정전과 같은 사고 발생 시 자동차 배터리로부터 원활한 전력 공급이 가능할 것이다.In addition, if bi-directional PFC is used, electric power can be operated in both directions, so that in the event of an accident such as a power failure, smooth power supply from the vehicle battery will be possible.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.The invention made by the present inventors has been described in detail according to the above-described embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments and can be changed in various ways without departing from the gist thereof. It is obvious to those who have it.

10: PFC
20: 제1 단상 풀-브릿지 인버터
30: 인덕터
40: 절연형 트랜스
50: 제2 단상 풀-브릿지 인버터
60: 배터리
10: PFC
20: first single-phase full-bridge inverter
30: inductor
40: isolated transformer
50: second single-phase full-bridge inverter
60: battery

Claims (5)

상용 교류 전원을 인가받아 가변 직류 전압으로 변환하고, 전압전류의 역률을 제어하는 PFC(Power Factor Correction);
1차측과 2차측을 전기적으로 절연하는 절연형 트랜스;
상기 절연형 트랜스의 1차측과 상기 PFC 사이에 게재된 제1 단상 풀-브릿지 (Full-Bridge) 인버터;
상기 절연형 트랜스의 2차측과 배터리 사이에 게재된 제2 단상 풀-브릿지 인버터; 및
상기 절연형 트랜스의 1차측과 상기 제1 단상 풀-브릿지 인버터 사이에 게재되어 저장되는 에너지를 전력으로 출력하는 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 절연형 양방향 직류-직류 컨버터 충전기.
Power Factor Correction (PFC) that receives commercial AC power, converts it into a variable DC voltage, and controls the power factor of the voltage current;
An insulated transformer electrically insulating the primary and secondary sides;
A first single-phase full-bridge inverter interposed between the primary side of the insulated transformer and the PFC;
A second single-phase full-bridge inverter disposed between the secondary side of the insulated transformer and the battery; And
And an inductor outputting energy stored and stored between the primary side of the insulated transformer and the first single-phase full-bridge inverter as electric power.
청구항 1에서, 상기 제1 및 제2 단상 풀-브릿지 인버터는 위상 제어 방식으로 제어되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 절연형 양방향 직류-직류 컨버터 충전기.
The method according to claim 1, The first and second single-phase full-bridge inverter is an isolated bi-directional DC-DC converter charger for electric vehicles, characterized in that controlled by a phase control method.
청구항 1에서, 상기 절연형 트랜스는 N: 1 권선비를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 절연형 양방향 직류-직류 컨버터 충전기.
The method according to claim 1, wherein the isolated transformer is N: 1 insulated bidirectional DC-DC converter charger for an electric vehicle, characterized in that it has a turns ratio.
청구항 1에서, 상기 제1 및 제2 단상 풀-브릿지 인버터의 듀티는 0.5로 고정되며, 인덕터 양단에 인가되는 전압의 위상 차를 이용하여 전력의 흐름이 제어되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 절연형 양방향 직류-직류 컨버터 충전기.
In claim 1, The duty of the first and second single-phase full-bridge inverter is fixed to 0.5, the electric vehicle is characterized in that the flow of power is controlled by using the phase difference of the voltage applied across the inductor Bi-directional DC-DC converter charger.
청구항 1에서, 상기 제1 단상 풀-브릿지 인버터의 스위칭 신호가 상기 제2 단상 풀-브릿지 스위칭 신호보다 앞서는 경우 충전 모드로 동작하고, 상기 제2 단상 풀-브릿지 인버터의 스위칭 신호가 상기 제1 단상 풀-브릿지 스위칭 신호보다 앞서는 경우 방전 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 절연형 양방향 직류-직류 컨버터 충전기.The method according to claim 1, If the switching signal of the first single-phase full-bridge inverter is ahead of the second single-phase full-bridge switching signal, and operates in a charging mode, the switching signal of the second single-phase full-bridge inverter is the first single-phase Isolated bi-directional DC-DC converter charger for electric vehicles, characterized in that it operates in discharge mode when it precedes the full-bridge switching signal.
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