KR20230014953A

KR20230014953A - 충전 장치

Info

Publication number: KR20230014953A
Application number: KR1020210096143A
Authority: KR
Inventors: 박준호; 우세민; 한승현; 전창한
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2021-07-22
Filing date: 2021-07-22
Publication date: 2023-01-31
Also published as: US20230027005A1; DE102022118374A1; US12355294B2; CN115694162A

Abstract

본 발명에 따른 충전 장치는, 제1 내지 제3 인덕터, 및 상기 제1 내지 제3 인덕터 각각에 연결된 제1 내지 제3 스위치 레그를 포함하는 PFC(Power Factor Correction) 회로, 상기 제1 내지 제3 인덕터와 제1 내지 제3 입력단 간의 연결을, 상기 제1 내지 제3 입력단에 연결된 전력 계통의 상에 따라 제어하는 릴레이 네트워크, 상기 제1 내지 제3 입력단에 연결되어, 상기 제1 내지 제3 입력단 중 전원이 연결된 입력단을 감지하고, 상기 릴레이 네트워크를 제어하는 릴레이 제어 회로, 및 상기 제1 내지 제3 입력단의 전압을 감지하기 위해 상기 릴레이 제어 회로에 연결된 제1 내지 제3 감지 라인과 그라운드 플랜 사이에 연결되어 있는 제1 내지 제3 필터 커패시터 및 상기 그라운드 플랜과 샤시 사이에 연결되어 있는 제4 필터 커패시터를 포함하는 릴레이 필터 회로를 포함한다.

Description

충전 장치{CHARGING DEVICE}

본 개시는 충전 장치에 관한 것이다.

AC 전원에 연결되는 전자기기는 전력 계통 품질 유지를 위해 특정 주파수 대역에서 일정 수준 이하의 EMI(Electro Magnetic Interference) 레벨을 만족해야 한다 (법규: ECE-R10). 따라서 전자기기 설계에서 AC 전원으로 방출되는 EMI를 억제하기 위한 필터 개발이 필수적이다.

전자 기기 중 전기차 주행을 위한 고전압 배터리용 충전 장치는, 상용 AC 전원을 입력 받아 배터리가 요구하는 전압으로 변환한다. 이 충전 장치는 차량 내부에 장착될 수 있으면, OBC(On Board Charger) 라고 한다. 충전 장치에 릴레이가 적용되는 경우 릴레이의 온/오프(on/off)를 제어하기 위한 릴레이 전원/신호 노이즈와 릴레이를 제어하기 위한 감지 선로의 노이즈도 기생 커패시턴스 성분에 의해 AC 전원라인으로 방출된다.

위 2가지 노이즈는 기존 필터 회로를 통과하지 않기 때문에 CM-choke, X-capacitor와 같은 필터 소자의 성능 개선으로 노이즈를 억제하는데 한계가 있다.

충전 장치에 적용된 릴레이에 의해 발생하는 노이즈를 최소화할 수 있는 충전 장치를 제공하고자 한다.

상기 릴레이 네트워크는, 상기 제1 입력단 및 상기 제1 인덕터에 연결되어 있는 일단 및 제2 입력단 및 제2 인덕터에 연결되어 있는 타단을 포함하는 제1 릴레이, 상기 제2 입력단과 상기 제2 인덕터 사이에 연결되어 있는 제2 릴레이, 상기 제3 입력단과 상기 제3 인덕터 사이에 연결되어 있는 제3 릴레이, 상기 제1 내지 제3 입력단에 대한 중성점과 상기 제3 인덕터 사이에 연결되어 있는 제4 릴레이, 및 상기 제3 인덕터에 병렬 연결되어 있는 제5 릴레이를 더 포함할 수 있다.

상기 릴레이 필터 회로는, 상기 그라운드 플랜과, 상기 릴레이 제어 회로와 상기 제1 내지 제5 릴레이 중 적어도 하나 사이에 연결되어 있는 제1 전원 라인 및 제1 제어 라인 각각 사이에 연결되어 있는 제5 필터 커패시터 및 제6 필터 커패시터를 더 포함하고, 상기 제1 전원 라인을 통해 상기 적어도 하나의 릴레이에 전원 전압이 공급되고, 상기 제1 제어 라인을 통해 상기 적어도 하나의 릴레이의 동작을 제어하는 릴레이 제어 신호가 공급될 수 있다.

상기 제1 내지 제3 입력단이 삼상 전원의 각 상에 연결될 때, 상기 릴레이 네트워크는 상기 삼상 전원의 각 상을 상기 제1 내지 제3 스위치 레그 중 대응하는 하나에 연결하고, 상기 PFC 회로는 삼상 부스트(boost) PFC로 동작하며, 상기 제1 내지 제3 입력단 중 어느 하나에 단상 전원이 연결될 때, 상기 릴레이 네트워크는 상기 단상 전원을 상기 제1 및 제2 스위치 레그에 연결하고, 상기 제3 스위치 레그를 중성점과 연결하며, 상기 PFC 회로는 싱글 인덕터 방식의 인터리브드 단상 풀-브리지(interleaved single-phase full-bridge) PFC로 동작할 수 있다.

상기 제1 내지 제3 입력단이 삼상 전원의 각 상에 연결될 때, 상기 제1 릴레이, 상기 제4 릴레이, 및 상기 제5 릴레이를 오프하고, 상기 제2 릴레이 및 상기 제3 릴레이를 온할 수 있다.

상기 제1 입력단에 단상 전원이 연결될 때, 상기 제1 릴레이, 상기 제4 릴레이, 및 상기 제5 릴레이를 온하고, 상기 제2 릴레이 및 상기 제3 릴레이를 오프할 수 있다.

상기 충전 장치는 상기 PFC 회로와 배터리 사이에 연결되어 있고, 상기 PFC 회로로부터 상기 배터리로 전력을 전달하는 전력 변환 회로를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 스위치 레그는, 상기 제1 인덕터와 상기 전력 변환 회로의 제1 입력단 사이에 연결되어 있는 제1 스위치 및 상기 제1 인덕터와 상기 전력 변환 회로의 제2 입력단 사이에 연결되어 있는 제2 스위치를 포함하고, 상기 제2 스위치 레그는, 상기 제2 인덕터와 상기 전력 변환 회로의 제1 입력단 사이에 연결되어 있는 제3 스위치 및 상기 제2 인덕터와 상기 전력 변환 회로의 제2 입력단 사이에 연결되어 있는 제4 스위치를 포함하며, 상기 제3 스위치 레그는, 상기 제3 인덕터와 상기 전력 변환 회로의 제1 입력단 사이에 연결되어 있는 제5 스위치 및 상기 제3 인덕터와 상기 전력 변환 회로의 제2 입력단 사이에 연결되어 있는 제6 스위치를 포함할 수 있다.

상기 제1 입력단에 단상 전원이 연결될 때, 상기 제1 릴레이, 상기 제4 릴레이, 및 상기 제5 릴레이를 온하고, 상기 제2 릴레이 및 상기 제3 릴레이를 오프하고, 상기 단상 전원이 양의 전압인 기간 동안, 상기 제1 스위치, 상기 제3 스위치, 및 상기 제6 스위치가 온 상태인 기간 및 상기 제2 스위치, 상기 제4 스위치, 및 상기 제6 스위치가 온 상태인 기간이 반복되고, 상기 단상 전원이 음의 전압인 기간 동안, 상기 제2 스위치, 상기 제4 스위치, 및 상기 제5 스위치가 온 상태인 기간 및 상기 제1 스위치, 상기 제3 스위치, 및 상기 제5 스위치가 온 상태인 기간이 반복될 수 있다.

상기 릴레이 네트워크는, 상기 제1 입력단과 상기 제1 인덕터 사이에 연결되는 저항에 병렬 연결되어 있는 제6 릴레이를 더 포함하고, 상기 충전 장치는, 상기 PFC 회로에 입력되는 전압의 피크 이후에 상기 제6 릴레이를 온 할 수 있다.

상기 제1 내지 제3 입력단이 삼상 부하의 각 상에 연결될 때, 상기 릴레이 네트워크는 상기 삼상 전원의 각 상을 상기 제1 내지 제3 스위치 레그 중 대응하는 하나에 연결하고, 상기 PFC 회로는 삼상 인버터로 동작하며, 상기 제1 내지 제3 입력단 중 어느 하나에 단상 부하가 연결될 때, 상기 릴레이 네트워크는 상기 단상 부하를 상기 제1 및 제2 스위치 레그에 연결하고, 상기 제3 스위치 레그를 중성점과 연결하며, 상기 PFC 회로는 단상 인버터로 동작할 수 있다.

상기 제1 내지 제3 입력단이 삼상 부하의 각 상에 연결될 때, 상기 제1 릴레이, 상기 제4 릴레이, 및 상기 제5 릴레이를 오프하고, 상기 제2 릴레이 및 상기 제3 릴레이를 온할 수 있다.

상기 제1 입력단에 단상 부하가 연결될 때, 상기 제1 릴레이, 상기 제4 릴레이, 및 상기 제5 릴레이를 온하고, 상기 제2 릴레이 및 상기 제3 릴레이를 오프할 수 있다.

상기 릴레이 제어 회로는, 상기 제1 내지 제3 입력단 중 부하가 연결된 입력단을 감지하고, 상기 릴레이 네트워크를 제어하는 릴레이 제어 회로를 더 포함할 수 있다.

상기 충전 장치는, 상기 PFC 회로와 배터리 사이에 연결되어 있고, 상기 배터리로부터 상기 PFC 회로로 전력을 전달하는 전력 변환 회로를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 입력단에 단상 부하가 연결될 때, 상기 제1 릴레이, 상기 제1 릴레이, 및 상기 제5 릴레이를 온하고, 상기 제2 릴레이 및 상기 제3 릴레이를 오프하며, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치가 교대로 스위칭하고, 상기 제3 스위치와 상기 제4 스위치가 교대로 스위칭하며, 상기 제1 스위치의 온 기간에 상기 제4 스위치의 온 기간 전체가 중첩되고, 상기 제3 스위치의 온 기간에 상기 제2 스위치의 온 기간 전체가 중첩되며, 상기 제5 스위치는 오프 상태이고, 상기 제6 스위치는 온 상태일 수 있다.

상기 릴레이 제어 회로는, 상기 제1 내지 제3 감지 라인을 통해 상기 제1 내지 제3 입력단의 전압을 감지하고, 상기 감지한 전압을 지시하는 세 개의 감지 신호를 생성하는 감지부, 상기 세 개의 감지 신호를 수신하고, 상기 제1 내지 제3 입력단에 연결된 전력 계통의 상을 판단하고, 상기 판단된 상을 지시하는 상 감지 신호를 생성하는 제어부, 상기 상 감지 신호에 따라 상기 릴레이 네트워크에 전원 전압을 공급하는 전원 공급부, 및 상기 상 감지 신호에 따라 상기 릴레이 네트워크에 릴레이 제어 신호를 공급하는 스위칭 구동부를 포함할 수 있다.

충전 장치에 적용된 릴레이에 의해 발생하는 노이즈를 최소화할 수 있는 충전 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 충전 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 릴레이 제어 회로를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 릴레이 및 릴레이 필터 회로의 일부를 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 릴레이 필터 회로를 나타낸 도면이다.
도 5는 AC 상용 전원이 3상일때의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 AC 상용 전원이 단상일때의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 7a-7d는 일 실시예에 따른 입력 전원이 단상일 때의 PFC 회로의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 충전 장치가 역방향으로 3상 부하에 전력을 공급할 때의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 충전 장치가 역방향으로 단상 부하에 전력을 공급할 때의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 PFC 회로의 스위칭 동작을 나타낸 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 릴레이 필터 회로가 적용되지 않은 충전 장치에서의 입력단의 EMI 레벨을 나타낸 스펙트럼이다.
도 12는 일 실시예에 따른 릴레이 필터 회로가 적용된 충전 장치에서의 입력단 EMI 레벨을 나타낸 스펙트럼이다.

본 개시는 전자기기에서 방출되는 전자파 노이즈를 제거하는 EMI(Electro Magnetic Interference) 필터에 관한 것이다. 특히 필터 회로에 스위치 및 능동 소자가 포함된 경우 발생하는 추가적인 전자파 노이즈 제거를 위한 EMI 필터 구조를 제안한다.

일 실시예에 따른 충전 장치는 전력 계통과 배터리 사이에 연결되어, 전력 계통으로부터 공급되는 전력으로 배터리를 충전하거나, 배터리로부터 공급되는 전력으로 전력 계통에 연결된 부하를 충전할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및/또는 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.

도 1은 일 실시예에 따른 충전 장치를 나타낸 도면이다.

도 1에서, 전력 계통을 통해 연결된 AC 상용 전원이 Y 결선으로 도시되어 있으나, Δ 결선으로 상용 전원을 나타낼 수 있다. 이하, 다른 도면에서도 Y 결선 대신 Δ 결선이 적용될 수 있음은 자명하다.

충전 장치(1)는 릴레이 네트워크(2), 릴레이 제어 회로(3), 전력 제어 회로(4), AC 입력 필터(10), PFC 회로(20), 및 전력 변환 회로(30)를 포함한다. 충전 장치(1)는 AC 상용 전원을 변환하여 배터리(40)를 충전시키기 위한 충전 전력을 생성할 수 있다. 예를 들어, 배터리(40)의 양극 단자(+)는 출력단(OUT1)에 연결되고, 배터리(40)의 음극 단자(-)는 출력단(OUT2)에 연결될 수 있다.

AC 입력 필터(10)는 복수의 입력단(IN1-IN3)과 PFC 회로(20) 사이에 연결되어 있는 복수의 전력 라인(55-57)에 대한 전자 방해 잡음(Electro Magnetic Interference, EMI) 필터로서, 충전 장치(1)의 동작 중에 발생할 수 있는 노이즈를 제거할 수 있다. 전력 라인(55)은 입력단(IN1)과 PFC 회로(20) 사이에 연결되어 있고, 전력 라인(56)은 입력단(IN2)과 PFC 회로(20) 사이에 연결되어 있으며, 전력 라인(103)은 입력단(57)과 PFC 회로(20) 사이에 연결되어 있을 수 있다. 도 1에서는, AC 입력 필터(10)가 복수의 전력 라인(55-57)과 그라운드(G) 사이에 연결되어 있는 3 개의 커패시터, 복수의 전력 라인(55-57) 중 2 개의 전력 라인 사이에 연결되어 있는 3 개의 캐피시터, 및 초크(choke) 회로로 구성된 1단 구조로 구현되어 있다. 노이즈 레벨의 증가로 AC 입력 필터(10)의 단수가 증가할 수 있다.

릴레이 네트워크(2)는 입력단(IN1-IN3)에 연결된 전력 계통의 상에 따라 복수의 릴레이(71-76)의 온/오프를 제어하여, PFC 회로(20)와 전력 계통 간의 연결 관계를 제어할 수 있다. 예를 들어, 충전 장치(1)가 전력 계통으로부터 공급되는 전력을 변환하여 배터리를 충전하는 경우, 릴레이 네트워크(2)는 입력단(IN1-IN3)에 연결된 AC 상용 전원의 상에 따라 복수의 릴레이(71-76)의 온/오프를 제어하여, PFC 회로(20)와 AC 상용 전원과의 연결 관계를 제어할 수 있다.

릴레이 네트워크(2)는 복수의 릴레이(71-76)를 포함하고, 릴레이 제어 회로(3)는 AC 상용 전원과 연결되는 복수의 입력단(IN1-IN3)에 연결되어, AC 상용 전원의 상을 감지하고, 감지된 상에 따라 복수의 릴레이(71-76)를 제어할 수 있다. 릴레이 제어 회로(3)는 감지된 상에 따라 복수의 릴레이(71-76)의 온/오프를 제어하기 위한 복수의 릴레이 제어 신호(RS1-RS6)를 생성하여 복수의 릴레이(71-76)에 공급할 수 있다. 복수의 릴레이(71-76)는 복수의 릴레이 제어 신호(RS1-RS6)에 따라 온(닫힘) 또는 오프(개방)된다.

예를 들어, 릴레이 제어 회로(3)는 AC 상용 전원이 3상인 경우, 복수의 릴레이(72, 73)를 온 시키는 릴레이 제어 신호(RS2, RS3) 및 복수의 릴레이(71, 74, 76)를 오프 시키는 릴레이 제어 신호(RS1, RS4, RS6)를 생성하여 복수의 릴레이(71-76)에 공급할 수 있다. 이때, 릴레이 제어 회로(3)는 3상을 지시하는 상 감지 신호(SL)를 함께 생성하여 전력 제어 회로(4)에 전달할 수 있다.

또는, 릴레이 제어 회로(3)는 AC 상용 전원이 단상인 경우, 복수의 릴레이(71, 74, 76)를 온 시키는 릴레이 제어 신호(RS1, RS4, RS6) 및 복수의 릴레이(72, 73)를 오프 시키는 릴레이 제어 신호(RS2, RS3)를 생성하여 복수의 릴레이(71-76)에 공급할 수 있다. 이때, 릴레이 제어 회로(3)는 단상을 지시하는 상 감지 신호(SL)를 함께 생성하여 전력 제어 회로(4)에 전달할 수 있다.

릴레이 제어 회로(3)는 단상 또는 3상에 관계없이 충전 동작이 시작된 시점으로부터 소정 기간이 경과한 시점에 릴레이(75)를 온 시키는 릴레이 제어 신호(RS5)를 생성하여 릴레이(75)에 공급할 수 있다.

릴레이(71)의 일단은 인덕터(25)의 일단 및 입력단(IN1)에 연결되어 있고, 릴레이(71)의 타단은 입력단(IN2)과 인덕터(26)의 일단 사이에 연결되어 있다. 릴레이(72)는 입력단(IN2)과 인덕터(26)의 일단에 연결되어 있고, 릴레이(73)는 입력단(IN3)와 인덕터(27)의 일단에 연결되어 있으며, 릴레이(74)는 중성점(N)과 인덕터(27)의 일단 사이에 연결되어 있다. 릴레이(75)는 입력단(IN1)과 인덕터(25)의 일단 사이에 연결되어 있고, 릴레이(76)는 인덕터(27)에 병렬 연결되어 있다. 복수의 릴레이(71-76)는 전자식 릴레이 또는 기계식 릴레이로 구현될 수 있다.

도 2는 일 실시예에 따른 릴레이 제어 회로를 도식적으로 나타낸 도면이다.

도 3은 일 실시예에 따른 릴레이 및 릴레이 필터 회로의 일부를 나타낸 도면이다.

도 1에서는 일 실시예에 따른 릴레이 필터 회로가 도시되어 있지 않다. 이는 도 1이 복잡하게 도시되어 발명의 이해를 방해하지 않기 위한 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 릴레이 제어 회로(3)는 감지부(310), 제어부(320), 전원 공급부(330), 및 스위칭 구동부(340)를 포함한다.

감지부(310)는 세 개의 전력 라인(55-57)에 라인(811-83), 스위치(301) 및 저항(R1-R3)을 통해 연결되어 있고, 입력단(IN1-IN3) 각각의 전압을 감지하고, 세 입력단(IN1-IN3)에서 감지된 세 개의 전압들을 지시하는 세 개의 신호(이하, 감지 신호)들을 생성하여 제어부(320)에 전달할 수 있다. 라인(82,83)은 필터(10)와 인덕터(26,27)사이에서 전력라인(56,57)에 연결되어 있을 수 있다.

제어부(320)는 감지부(310)로부터 세 개의 감지 신호들을 수신하고, 세 입력단(IN1-IN3)에 연결된 계통의 상을 판단할 수 있다. 예를 들어, 제어부(320)는 모든 전력 라인(55-57) 각각에서 소정의 기준치 이상의 전압이 감지되면, AC 상용 전원이 삼상인 것으로 판단하고, 전력 라인(55)에서만 소정의 기준치 이상의 전압이 감지되면, AC 상용 전원이 단상인 것으로 판단할 수 있다. 제어부(320)는 AC 상용 전원의 상을 지시하는 상 감지 신호(SL)를 생성하여 스위칭 구동부(340) 및 전원 공급부(330)로 전달한다.

전원 공급부(330)는 상 감지 신호(SL)에 따라 복수의 릴레이(71-76)의 스위칭 동작을 제어하는 전원 전압을 복수의 릴레이(71-76)에 공급하고, 스위칭 구동부(340)는 상 감지 신호(SL)에 따라 복수의 릴레이(71-76)의 스위칭 동작을 제어하는 릴레이 신호(RS1-RS6)를 생성하여 복수의 릴레이(71-76)에 공급할 수 있다. 전원 공급부(330)는 복수의 라인(91-96)에 연결되어 있고, 스위칭 구동부(340)는 복수의 라인(61-66)에 연결되어 있다.

AC 상용 전원이 3상인 경우, 전원 공급부(330)는 복수의 릴레이(72, 73)를 온 시키기 위한 전원 전압을 라인(92, 93)에 공급하고, 스위칭 구동부(340)는 복수의 릴레이(72, 73)를 온 시키기 위한 릴레이 제어 신호(RS2, RS3)를 라인(62, 63)에 공급할 수 있다. 전원 공급부(330)는 복수의 릴레이(71, 74, 76)를 오프 시키는 전원 전압을 라인(91, 94, 96)에 공급하고, 스위칭 구동부(340)는 복수의 릴레이(71, 74, 76)를 오프 시키는 릴레이 제어 신호(RS1, RS4, RS6)를 생성하여 복수의 라인(61, 64, 66)에 공급할 수 있다.

AC 상용 전원이 단상인 경우, 전원 공급부(330)는 복수의 릴레이(71, 74, 76)를 온 시키기 위한 전원 전압을 라인(91, 94, 96)에 공급하고, 스위칭 구동부(340)는 복수의 릴레이(71, 74, 76)를 온 시키기 위한 릴레이 제어 신호(RS1, RS4, 76)를 라인(61, 64, 66)에 공급할 수 있다. 전원 공급부(330)는 복수의 릴레이(72, 73)를 오프 시키는 전원 전압을 라인(92, 93)에 공급하고, 스위칭 구동부(340)는 복수의 릴레이(72, 73)를 오프 시키는 릴레이 제어 신호(RS2, RS3)를 생성하여 복수의 라인(62, 63)에 공급할 수 있다.

릴레이를 온 시키는 전원 전압 레벨 및 릴레이 제어 신호 레벨 간의 차이는, 릴레이를 오프 시키는 전원 전압 레벨 및 렐레이 제어 신호 레벨 간의 차이보다 클 수 있다.

감지부(310)가 입력단(IN1-IN3)의 전압을 감지하기 위해, 전력 라인(55-57)에 연결되어 있는 라인(81, 82, 83)은 저전압 선로로, 저전압 노이즈의 발생원일 수 있다. 아울러, 전원 공급부(330)와 복수의 릴레이(71-76)사이에 연결되어 있는 라인(91-96) 및 스위칭 구동부(340)와 복수의 릴레이(71-76) 사이에 연결되어 있는 라인(61-66)도 저전압 선로로, 저전압 노이즈의 발생원일 수 있다. 저전압 선로들과 전원 라인(55-57) 사이에는 기생 커패시턴스가 발생하므로, 저전압 선로들에 발생하는 저전압 노이즈가 복수의 전원 라인(55-57)에 커플링될 수 있다. 이해를 돕기 위해 도 3에 전원 라인과 저전압 선로 간이 기생커패시턴스를 점선으로 도시하였다.

도 3에 도시된 바와 같이, 릴레이(71)는 인덕터(712) 및 스위치(711)를 포함한다. 인덕터(712)의 일단은 라인(91)에 연결되어 있고, 인덕터(712)의 타단은 라인(61)에 연결되어 있고, 스위치(711)의 일단은 전력 라인(55)와 전력 라인(56) 사이에 연결되어 있을 수 있다. 릴레이(71)를 온 시키는 전원 전압과 릴레이 제어 신호(RS1)가 인덕터(712)에 공급되어 전류가 흐르면, 스위치(711)가 닫힌다. 반대로 릴레이(71)를 오프 시키는 전원 전압과 릴레이 제어 신호(RS1)가 인덕터(712)에 공급되면, 인덕터(712)에는 전류가 흐르지 않고, 스위치(711)가 열릴 수 있다. 도 3에 도시된 릴레이(71) 구조는 설명을 위한 일 예로 다양한 방식의 릴레이가 실시예에 적용될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 릴레이 필터 회로(5)는 그라운드 플랜(plane)(100), 그라운드 플랜(100)과 샤시 사이의 커패시터(GC1, GC2), 및 복수의 커패시터를 포함한다. 릴레이 필터 회로(5)는 저전압 노이즈가 기생 커패시턴스에 의해 AC 입력 필터(10)를 거치지 않고 입력단(IN1-IN3)으로 방출되는 것을 방지한다.

그라운드 플랜(100)은 면 형태의 금속으로 제작될 수 있다. 그라운드 플랜(100)의 형상은 제한되지 않으며 저전압 노이즈를 방지하기 위해 필요한 소정 면적을 가진 면 형태이면 된다. 패턴의 인덕턴스를 최소화하기 위해 그라운드 플랜(100)의 두께가 얇고 길이가 긴 형상이 되지 않도록 설계될 수 있다.

샤시는 충전 장치(1)가 실장되어 있는 외부 하우징을 의미하고, 커패시터(GC1, GC2)는 그라운드 플랜(100)과 샤시 사이에 형성되어 있다. 도 3에서는 커패시터(GC1, GC2)가 그라운드 플랜(100)과 샤시 사이에 병렬 연결된 것으로 도시되어 있으나, 그라운드 플랜(100)과 샤시 사이의 커패시턴스를 도식적으로 나타낸 것일 뿐, 그라운드 플랜(100)과 샤시 사이의 커패시턴스는 하나의 커패시터로 도시되거나 셋 이상의 커패시터가 병렬 연결된 것으로 도시될 수 있다. 커패시터(110)는 라인(81)과 그라운드 플랜(100) 사이에 연결되어 있고, 커패시터(120)는 라인(91)과 그라운드 플랜(100) 사이에 연결되어 있으며, 커패시터(130)는 라인(61)과 그라운드 플랜(100) 사이에 연결되어 있다. 커패시터(110-130) 각각은 연결된 라인에서 발생하는 노이즈를 그라운드 플랜(100)으로 제거하는 디커플링 커패시터이다. 즉, 라인(81, 91, 61)에서 발생하는 노이즈는 그라운드 플랜(100)을 통해 샤시로 흐른다.

도 3에서는 릴레이(71)에 연결된 라인(81, 91, 61)에 발생하는 노이즈를 필터링하는 구성들만 도시되어 있으나, 동일한 방식으로 다른 릴레이(72-76)에도 필터링 구성들이 적용될 수 있다. 따라서, 릴레이 필터 회로(5)는 라인(81-83) 및 복수의 릴레이(71-76)를 구동하기 위한 라인(91-96, 61-66)과 그라운드 플랜(100) 사이에 연결된 복수의 커패시터를 포함할 수 있다.

도 4는 일 실시예에 따른 릴레이 필터 회로를 나타낸 도면이다.

도 4에서는, 릴레이 필터 회로(5)의 구성을 설명하기 위한 구성만이 도시되어 있다.

복수의 커패시터(110, 111, 112)는 입력단(IN1-IN3)의 전압을 감지하기 위해 전력 라인(55-57)에 연결된 라인(81, 82, 83)과 그라운드 플랜(100) 사이에 연결되어 있다. 복수의 커패시터(120-125)는 릴레이 구동을 위해 전원 전압을 전달하는 복수의 라인(91-96)과 그라운드 플랜(100) 사이에 연결되어 있다. 복수의 커패시터(130-135)는 릴레이 온/오프를 제어하기 위해 릴레이 제어 신호(RS1-RS6)를 전달하는 복수의 라인(61-66)과 그라운드 플랜(100) 사이에 연결되어 있다. 일 실시예를 통해 저전압 라인(81-83, 91-96, 61-66)에 발생하는 노이즈는 그라운드 플랜(100)을 통해 샤시로 흐르게 되어, 입력단(IN1-IN3)을 통해 AC 상용 전원으로 노이즈가 방출되지 않는다. 복수의 커패시터(110-112, 120-125, 130-135)와 커패시터(GC1, GC2)의 용량은 충전 장치(1)의 입력 임피던스에 따라 최적의 용량으로 설계될 수 있다. 그라운드 플랜(100)은 면 형태로 구성되어 고주파 대역 임피던스를 최소화할 수 있다.

PFC 회로(20)는 3개의 스위치 레그(switch leg)(21-23), 3개의 인덕터(25-27), 및 PFC 링크 커패시터(24)를 포함한다. PFC 회로(20)는 전력 제어 회로(4)로부터 공급되는 스위치 제어 신호에 따라 동작할 수 있다. 전력 제어 회로(4)는 상 감지 신호(SL)에 따라 AC 상용 전원이 단상이 경우 또는 3상인 경우에 따라 PFC 회로(20)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.

AC 상용 전원이 삼상일 때, PFC 회로(20)는 삼상 선간 전압을 입력 받아, 3-레그 부스트(3-leg Boost) PFC로 동작한다. AC 상용 전원이 단상 입력일 때, PFC 회로(20)는 입력단(IN1)과 중성점(N) 간의 전압을 입력 받아, 싱글 인덕터 방식의 인터리브드 단상 풀-브리지(interleaved single-phase full-bridge) 구조의 PFC로 동작한다. 즉, PFC 회로(20)는 삼상의 경우 3개의 입력단(IN1, IN2, IN3) 각각 입력을 전원으로 사용하고, 단상의 경우 입력단(IN1)과 중성점(N) 간의 전압을 전원으로 사용한다. 단상의 경우, 릴레이(71)가 온 되어 3개의 제1 내지 제3 스위치 레그(21-23)가 모두 전력전달에 사용되고, 이중 스위치 레그(23)는 중성점(N)과 결선되고, 인덕터(27)는 릴레이(76)의 턴 온에 의해 비활성된다. 그러면, 입력단(IN1)과 중성점(N) 사이에 싱글 인덕터 구조로 변환되어, PFC 회로(20)는 인터리브드 단상 풀브리지(interleaved single-phase full-bridge) 구조이다. 이때, PFC 회로(20)는 유니폴라 토템폴(unipolar totem pole) 제어로 동작할 수 있다.

PFC 링크 커패시터(24)는 두 개의 커패시터(C1, C2)를 포함하고, 3개의 스위츠 레그(21-23) 각각의 동작에 따라 전달되는 전류를 충전하여 DC 전압을 생성하다.

전력 변환 회로(30)는 PFC 링크 커패시터(24)에 충전된 전압을 변환하여 부하에 적합한 DC 전압을 생성하여 공급한다. 전력 변환 회로(30)의 2개의 입력단(DCN1, DCN2)은 PFC 링크 커패시터(24)의 양단에 연결되어 있다. 도 1에 부하가 도시되지 않았으나, 부하의 일 예로 배터리가 있을 수 있으며, 배터리는 두 출력단(OUT1, OUT2) 사이에 연결되어 충전될 수 있다.

전력 변환 회로(30)는 2개의 입력단(DCN1, DCN2)과 2개의 출력단(OUT1, OUT2) 사이에 병렬 연결된 두 개의 DC-DC 컨버터를 포함한다. 두 개의 DC-DC 컨버터가 병렬 연결된 구조는 일 실시예에 따른 일 예이며, 발명이 이에 한정되지 않고, 부하의 크기에 따라 적절한 개수의 DC-DC 컨버터로 전력 변환 회로(30)가 구현될 수 있다.

DC-DC 컨버터(31)는 일측에 풀-브릿지로 연결된 4 개의 스위칭 소자(T1-T4), 타측에 풀-브릿지로 연결된 4개의 스위칭 소자(T5-T8), 일측과 타측 사이의 절연형 변압기(TR1), 및 커패시터(C3)를 포함한다.

DC-DC 컨버터(32)는 일측에 풀-브릿지로 연결된 4 개의 스위칭 소자(P1-P4), 타측에 풀-브릿지로 연결된 4개의 스위칭 소자(P5-P8), 일측과 타측 사이의 절연형 변압기(TR2), 및 커패시터(C4)를 포함한다.

전력 제어 회로(4)는 DC-DC 컨버터(31) 및 DC-DC 컨버터(32)의 전력 변환 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 전력 제어 회로(4)는 배터리(40)에 공급되는 출력 전압을 피드백 받아 DC-DC 컨버터(31) 및 DC-DC 컨버터(32)의 스위칭 주파수 또는 듀티비를 제어하는 제어 신호를 생성하여 DC-DC 컨버터(31) 및 DC-DC 컨버터(32)에 공급할 수 있다. 구체적인 제어 방법은 LLC 공진 풀-브릿지 구조의 컨버터의 제어 방법과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

도 1에서는 DC-DC 컨버터(31, 32)가 LLC 공진 풀-브릿지로 구현되어 있으나, 발명이 이에 한정되는 것은 아니고 다른 타입으로 구현될 수 있다. DC-DC 컨버터의 동작은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 자명한 사항으로 상세한 설명은 생략한다.

도 5는 AC 상용 전원이 3상일때의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 3상 전원이 3 개의 인덕터(L1, L2, L3)를 통해 3개의 입력단(IN1, IN2, IN3) 각각에 전달된다.

릴레이 제어 회로(3)는 AC 상용 전원이 3상인 것을 감지하고, 릴레이(72, 73)를 온 하고, 릴레이(71, 74, 76)를 오프시키며, PFC 회로(20)에 입력되는 전압의 피크 이후 릴레이(75)를 온 한다. 릴레이(75)는 입력단의 고전압에 의해 돌입 전류가 흐를 때 PFC 링크 커패시터(24) 등의 소자를 보호하기 위한 릴레이다. PFC 회로(20)의 전압 입력이 피크에 도달할 때까지 릴레이(75)는 오프 상태이고 저항(11)을 통해 입력단(IN1)으로부터의 입력이 PFC 회로(20)에 공급된다. 피크 도달 후, 릴레이(75)가 온 되어 저항(11)을 통하지 않고, 릴레이(75)를 통해 입력단(IN1)으로부터 입력이 PFC 회로(20)에 공급된다. 릴레이(75)는 단상 또는 삼상에 관계없이 PFC 회로(20)의 전압 입력이 피크에 도달할 때까지 오프 상태이고, 피크 이후 온 된다.

AC 상용 전원이 3상일 때, 각 입력단(IN1, IN2, IN3)이 각 인덕터(25, 26, 27)에 연결되고, PFC 회로(20)는 3-레그 부스트(3-leg boost) PFC로 동작한다. 각 인덕터(25, 26, 27)에 흐르는 전류가 제1 내지 제3 스위치 레그(21, 22, 23) 각각의 스위칭 동작에 따라 PFC 링크 커패시터(25)로 전달된다. 예를 들어, 입력단(IN1)은 인덕터(25)에 연결되고, 인덕터(25) 및 제1 스위치 레그(21)는 부스트 PFC로 동작한다. 입력단(IN1)의 전압에 의해 인덕터(25)에 전류가 흐르고, 스위치(Q1)의 온 기간 동안 인덕터(25)에 흐르는 전류가 PFC 링크 커패시터(24)를 충전하고, 스위치(Q1)의 오프 및 스위치(Q2)의 온 기간 동안 인덕터(L1) 및 스위치(Q2)를 통해 전류가 흐른다.

도 6은 AC 상용 전원이 단상일때의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 단상 전원이 인덕터(L1)를 통해 입력단(IN1)에 전달된다.

릴레이 제어 회로(3)는 AC 상용 전원이 단상인 것을 감지하고, 릴레이(71, 74, 76)를 온 하고, 릴레이(72, 73)를 오프시키며, PFC 회로(20)에 입력되는 전압의 피크 이후 릴레이(75)를 온 한다.

릴레이(71)가 온 되어, 입력단(IN1)은 제1 스위치 레그(21) 및 제2 스위치 레그(22)에 연결되고, 인덕터(L1)에 흐르는 전류는 제1 및 제2 스위치 레그(21, 22)에 분기되며, 제1 및 제2 스위치 레그(21, 22)는 인터리브 방식으로 동작한다.

릴레이(74)가 온 되어, 중성점(N)과 제3 스위치 레그(23)가 연결되고, 릴레이(76)가 온 되어, PFC 회로(20)가 단상 싱글 인덕터 구조로 인터리브드 풀 브릿지 PFC 동작을 수행한다. 즉, 릴레이(71)가 온 되어 제1 내지 제3 스위치 레그(21-23)가 전력 전달을 수행한다. 제3 스위치 레그(23)는 중성점(N)과 연결되고, 릴레이(76)의 온에 의해 인덕터(27)는 비활성화된다.

도 7a-7d는 일 실시예에 따른 입력 전원이 단상일 때의 PFC 회로의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.

도 7a 및 도 7b는 정현파인 단상 전원이 양의 전압일 때 제1 내지 제3 스위치 레그(21-23)의 동작에 따른 전류 경로를 나타낸 도면이다. 도 7c 및 도 7d는 정현파인 단상 전원이 음의 전압일 때 제1 내지 제3 스위치 레그(21-23)의 동작에 따른 전류 경로를 나타낸 도면이다. 도 7a 및 도 7c는 PFC 회로(20)의 전력 공급 동작을 나타낸 도면이고, 도 7b 및 도 7d는 PFC 회로(20)의 전력 회복 동작을 나타낸 도면이다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 스위치(Q1, Q2, Q6)가 온 상태인 기간 동안, 단상 전원의 전압에 의해 인덕터(25, 26), 스위치(Q1, Q2), 커패시터(C1, C2), 및 스위치(Q6)를 통해 전류가 흐른다. 이 기간 동안 커패시터(C1, C2)에 전력이 공급된다.

이어서, 도 7b에 도시된 바와 같이, 스위치(Q4, Q5, Q6)가 온 상태인 기간 동안, 단상 전원의 전압에 의해 인덕터(25, 26) 및 스위치(Q4, Q5, Q6)를 통해 전류가 흐른다. 이 기간 동안 인덕터(25, 26)에 에너지가 저장되는 전력 회복 동작이 수행된다.

도 7c에 도시된 바와 같이, 스위치(Q3, Q4, Q5)가 온 상태인 기간 동안, 단상 전원의 전압에 의해 스위치(Q3), 커패시터(C1, C2), 스위치(Q4, Q5), 및 인덕터(25, 26)를 통해 전류가 흐른다. 이 기간 동안 커패시터(C1, C2)에 전력이 공급된다.

이어서, 도 7d에 도시된 바와 같이, 스위치(Q1, Q2, Q3)가 온 상태인 기간 동안, 단상 전원의 전압에 의해 인덕터(25, 26) 및 스위치(Q1, Q2, Q3)를 통해 전류가 흐른다. 이 기간 동안 인덕터(25, 26)에 에너지가 저장되는 전력 회복 동작이 수행된다.

전기 자동차(Electrical Vehicle)의 일회 충전 주행 가능 거리가 증가하고 있어, 배터리 용량의 증대가 요구되고 있다. 이에 따라 OBC(On Board Charger)는 대용량 충전이 요구되고 있어, 충전 전력의 증대가 필요하다.

종래 충전기는 PFC 회로와 DC/DC 컨버터 2단 구조로, 단상 입력 전원 조건에서만 동작이 가능하다. 삼상 전원입력 조건에서 충전을 구현하기 위해서는, 삼상 전원의 각 상에 대해 연결된 충전기가 3-병렬로 연결되어야 한다. 그러면, 회로 복잡성이 증가하고, 재료비와 체적/중량의 증대를 초래한다. 부스트 컨버터로 구현된 PFC 회로만 포함하는 충전기는 회로 구조는 간결하나, 배터리 요구전압이 입력전압보다 낮은 경우 정상 충전이 불가능하다. 벅-부스트 타입의 충전기는 배터리가 요구하는 출력전압의 전구간에 대해서 충전 동작이 가능하나, 제어가 복잡하고 출력 전압 대비 AC 교류 입력 전압이 낮은 구간이 존재하여 역률(PF) 특성이 불리하며, 부스트 컨버터가 배터리에 직접적으로 연결되어 높은 출력전류 리플이 배터리에 인가되고, 배터리 발열 및 수명에 악영향을 끼치게 된다.

본 발명은 다양한 AC 전원 조건, 즉 국가별 다양한 전원 상황에 따라 최적화된 충전 시스템으로 PFC 회로를 변환하는 릴레이 네트워크를 포함하는 충전 장치에 관한 것이다. 본 발명은 넓은 범위의 입력 전원 및 넓은 범위의 배터리 충전 전압 범위에 맞춰 높은 충전 효율로 충전 동작이 가능하고, 기존 대비 간단한 회로 구조를 가지는 충전 장치를 제공할 수 있다.

OBC가 3상 입력에 맞춰 설계된 종래 기술의 경우, 단상 입력에 대해서는 충분한 충전 전력을 생성 및 공급하기 어려웠다. 예를 들어, 단상 입력에 대해서 종래 OBC는 3.6kW의 충전 전력만을 공급할 수 있었다. 그러나, 일 실시예에 따른 충전 장치(1)는 3상 3-레그 인버터 타입의 PFC 회로(20)를 이용하여 전력 변환 회로(30)에 공급되는 링크 전압을 조절할 수 있다. 따라서 충전 장치(1)는 단상 입력에 대해서도 충분한 충전 전력(예를 들어, 7.2kW)을 배터리(40)에 공급할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따른 충전 장치(1)는 링크 전압을 조절할 수 있으므로, 변압기(TR1, TR2)의 일측 권선수와 타측 권선수 간의 비율인 권선수 비가 1:1에 가깝게 설계될 수 있다. 이를 통해, 충전 장치(1)는 배터리(40)를 충전하는 전력 공급 방향(이하, 순방향)과 반대 방향(이하, 역방향)으로 배터리(40)로부터 충전 장치(1)의 입력단을 통해 연결된 전력 계통으로 전력을 공급할 수 있다. 전력 계통에 연결된 부하는 3상 부하 또는 단상 부하일 수 있다.

이하, 도 8 내지 도 10을 참조하여 충전 장치(1)가 배터리(40)로부터 부하에 전력을 공급하는 동작을 설명한다.

도 8은 일 실시예에 따른 충전 장치가 역방향으로 3상 부하에 전력을 공급할 때의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 8에서는 역방향으로 3상 부하에 전력을 공급하는 동작을 설명하기 위한 구성만이 도시되어 있다. 복수의 릴레이(71-76) 각각의 연결 상태만이 도시되어 있으며, 복수의 라인(61-66, 91-96) 및 릴레이 필터 회로는 도시되어 있지 않다. 그러나, 도 8의 실시예에 대해서도, 복수의 라인(61-66, 91-96, 81, 82, 83)에서 발생하는 노이즈를 필터링 하기 위한 릴레이 필터 회로가 적용될 수 있다.

3상 부하(50)의 각 상은 도 8에서 세 개의 인덕터(51-53)로 도시되어 있다. 인덕터(51)는 입력단(IN1)과 중성점(N) 사이에 연결되어 있고, 인덕터(52)는 입력단(IN2)과 중성점(N) 사이에 연결되어 있으며, 인덕터(53)는 입력단(IN3)과 중성점(N) 사이에 연결되어 있다. 도 8에서는 3상 부하(50)가 세 개의 인덕터(51-53)으로 도시되어 있으나 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 3상 부하(50)의 각 부하는 저항, 인덕터, 및 커패시터 중 하나로 구현되거나, 적어도 2개의 조합으로 구현될 수 있다.

도 1과 비교해 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 표시하였고, 중복되는 설명은 이하에서 생략된다.

릴레이 제어회로(3)는 복수의 입력단(IN1-IN3)에 연결된 부하를 감지하여 3상 부하인지 단상 부하인지 판단할 수 있다. 복수의 입력단(IN1-IN3)에 연결된 부하가 3상 부하인 경우, 릴레이 제어 회로(3)는 복수의 릴레이(72, 73)를 온 시키는 릴레이 제어 신호(RS2, RS3) 및 복수의 릴레이(71, 74, 76)를 오프 시키는 릴레이 제어 신호(RS1, RS4, RS6)를 생성하여 복수의 릴레이(71, 74, 76)에 공급할 수 있다. 이때, 릴레이 제어 회로(3)는 3상을 지시하는 상 감지 신호(SL)를 함께 생성하여 전력 제어 회로(4)에 전달할 수 있다. 릴레이 제어회로(3)는 역방향 충전 동작이 시작된 시점부터 소정 기간이 경과한 시점에 릴레이(75)를 온 시킨다.

두 출력단(OUT1, OUT2)에 배터리(40)의 양극 단자(+)와 음극 단자(-)가 연결되고, 배터리(40)로부터 두 출력단(OUT1, OUT2)을 통해 전력 변환 회로(30)로 전력이 공급된다. 먼저, 전력 변환 회로(30)를 통해 배터리(40)로부터 PFC 회로(20)로 전력이 공급되는 동작을 설명한다. DC-DC 컨버터(31) 및 DC-DC 컨버터(32) 중 하나만 전력 공급 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, DC-DC 컨버터(31)가 배터리(40)로부터 PFC 회로(20)로 전력을 공급하는 동작을 설명한다. 이럴 경우, DC-DC 컨버터(32)의 스위치(P5-P8)은 다이오드로 대체될 수 있다.

배터리(40)의 양극 단자(+)과 음극 단자(-) 간의 전압이 DC-DC 컨버터(31)의 입력 전압으로 공급된다. 역방향으로 DC-DC 컨버터(31)가 입력 전압을 변환하여 PFC 회로(20)로 공급할 때, 일측에 위치하는 모든 스위치(T1-T4)는 오프 상태이다. 타측에 위치하는 스위치(T5-T8)의 스위칭 동작에 따라 일측에 위치하는 스위치들의 바디 다이오드를 통해 전류 경로가 형성된다.

예를 들어, 스위치(T5, T8)의 온 기간 및 스위치(T6, T7)의 오프 기간 동안, 변압기(TR1)의 타측에 흐르는 공진 전류가 스위치(T5, T8)를 통해 흐르고, 변압기(TR1)의 일측으로 전력이 전달된다. 이때, 스위치(T1) 및 스위치(T4)의 바디 다이오드를 통해 전류가 흘러 PFC 회로(20)에 전력이 공급된다. 이어서, 모든 스위치(T5-T8)가 오프 상태인 데드 타임이 존재한다. 데드 타임 이후, 스위치(T6, T7)의 온 기간 및 스위치(T5, T8)의 오프 기간 동안, 변압기(TR1)의 타측에 흐르는 공진 전류가 스위치(T6, T7)를 통해 흐르고, 변압기(TR1)의 일측으로 전력이 전달된다. 이때, 스위치(T2) 및 스위치(T3)의 바디 다이오드를 통해 전류가 흘러 PFC 회로(20)에 전력이 공급된다. 이어서, 모든 스위치(T5-T8)가 오프 상태인 데드 타임이 존재한다. 이와 같은 동작이 반복되어 전력 변환 회로(30)의 타측에 연결된 배터리(40)로부터 전력 변환 회로(30)의 일측에 연결된 PFC 회로(20)로 전력이 공급된다.

PFC 링크 커패시터(24)는 DC-DC 컨버터(31)로부터 공급된 에너지를 충전하고, PFC 회로(20)로 입력되는 전압을 평활시킬 수 있다. PFC 회로(20)는 제1 내지 제3 스위치 레그(21-23)의 스위칭 동작에 따라 AC 전력을 3상 부하(50)에 공급할 수 있다. 예를 들어, 전력 제어 회로(4)는 상 감지 신호(SL)에 따라 PFC 회로(20)가 3상 인버터로 동작하도록 제어한다. 즉, 제1 내지 제3 스위치 레그(21-23)는 120도의 위상차를 가지면서 스위칭 동작하고, 제1 내지 제3 스위치 레그(21-23) 각각에서의 두 스위치(예를 들어, Q1와 Q4)의 스위칭 동작은 위상 차 180도의 상보 스위칭(complementary switching)이다. 3상 인버터의 동작은 공지된 기술로 상세한 설명은 생략한다.

도 9는 일 실시예에 따른 충전 장치가 역방향으로 단상 부하에 전력을 공급할 때의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 9에서는 역방향으로 단상 부하에 전력을 공급하는 동작을 설명하기 위한 구성만이 도시되어 있다. 복수의 릴레이(71-76) 각각의 연결 상태만이 도시되어 있으며, 복수의 라인(61-66, 91-96) 및 릴레이 필터 회로는 도시되어 있지 않다. 그러나, 도 9의 실시예에 대해서도, 복수의 라인(61-66, 91-96, 81-83)에서 발생하는 노이즈를 필터링 하기 위한 릴레이 필터 회로가 적용될 수 있다.

단상 부하(60)는 저항, 인덕터, 및 커패시터 중 하나로 구현되거나, 적어도 2개의 조합으로 구현될 수 있다. 도 1과 비교해 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 표시하였고, 중복되는 설명은 이하에서 생략된다.

릴레이 제어회로(3)는 복수의 입력단(IN1-IN3)에 연결된 부하를 감지하여 3상 부하인지 단상 부하인지 판단할 수 있다. 복수의 입력단(IN1-IN3)에 연결된 부하가 단상 부하인 경우, 릴레이 제어 회로(3)는 복수의 릴레이(71, 74, 76)를 온 시키는 릴레이 제어 신호(RS1, RS4, RS6) 및 복수의 릴레이(72, 73)를 오프 시키는 릴레이 제어 신호(RS2, RS3)를 생성하여 복수의 릴레이(71-76)에 공급할 수 있다. 이때, 릴레이 제어 회로(3)는 단상을 지시하는 상 감지 신호(SL)를 함께 생성하여 전력 제어 회로(4)에 전달할 수 있다. 릴레이 제어회로(3)는 역방향 충전 동작이 시작된 시점부터 소정 기간이 경과한 시점에 릴레이(75)를 온 시킨다.

전력 변환 회로(30)를 통해 PFC 회로(20)에 전력이 공급되는 방법은, 앞서 3상 부하가 연결된 실시 예와 동일하므로 생략한다. 이하, 도 10을 참조하여 단상 부하(60)가 연결된 실시 예에서의 PFC 회로(20)의 동작을 설명한다. 도 10에 도시된 바와 같이, PFC 회로(20)는 단상 인버터로 동작한다.

도 10은 일 실시예에 따른 PFC 회로의 스위칭 동작을 나타낸 도면이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 제1 스위치 레그(21)의 스위치(Q1, Q4) 중 온 상태인 스위치가 “TON1” 파형도에 도시되어 있고, 제2 스위치 레그(22)의 스위치(Q2, Q5) 중 온 상태인 스위치가 “TON2” 파형도에 도시되어 있으며, 제3 스위치 레그(23)의 스위치(Q3, Q6) 중 온 상태인 스위치가 “TON3” 파형도에 도시되어 있다. 단상 부하 조건에서 제3 스위치 레그(23)에서 스위치(Q3)는 오프 상태이고 스위치(Q6)는 온 상태이다.

제1 스위치 레그(21)에서 스위치(Q1)가 온 상태이고, 스위치(Q4)가 오프 상태인 기간(TP1) 동안, PFC 링크 커패시터(24)에 충전된 입력 전압에 의해 인덕터(25)에 전류가 흐른다. 인덕터(25)의 전류는 부하(60), 릴레이(76) 및 스위치(Q6)를 통해 흐르고, 부하(60)에 전력이 공급된다. 이어서, 제1 스위치 레그(21)에서 스위치(Q1)가 오프 상태이고 스위치(Q4)가 온 상태인 기간(TP2) 동안, 인덕터(25)의 전류는 릴레이(76), 스위치(Q6) 및 스위치(Q4)를 통해 흐른다. 기간(TP1)과 기간(TP2) 사이에는 두 스위치(Q1, Q4)가 모두 오프 상태인 데드 타임이 존재한다.

제2 스위치 레그(22)에서 스위치(Q2)가 온 상태이고, 스위치(Q5)가 오프 상태인 기간(TP3) 동안, PFC 링크 커패시터(24)에 충전된 입력 전압에 의해 인덕터(26)에 전류가 흐른다. 인덕터(26)의 전류는 부하(60), 릴레이(76) 및 스위치(Q6)를 통해 흐르고, 부하(60)에 전력이 공급된다. 이어서, 제2 스위치 레그(22)에서 스위치(Q4)가 오프 상태이고 스위치(Q5)가 온 상태인 기간(TP4) 동안, 인덕터(25)의 전류는 릴레이(76), 스위치(Q6) 및 스위치(Q5)를 통해 흐른다. 기간(TP3)과 기간(TP4) 사이에는 두 스위치(Q2, Q5)가 모두 오프 상태인 데드 타임이 존재한다.

이와 같은 일 실시예에 따른 충전 장치(1)는 배터리(40)로부터 부하로 전력을 공급할 수 있다. 일 실시예에 따른 충전 장치(1)는 전기 자동차에 적용될 수 있고, 배터리(40)는 전기 자동차를 운영하기 위해 필요한 전력을 공급한다.

일 실시예에 따른 충전 장치를 통해서 배터리의 정격 전압에 관계없이 충전이 가능하다. 또한, 충전 장치는 배터리로부터 부하(Vehicle to Load, V2L) 또는 배터리로부터 계통(Vehicle to Grid, V2G)으로 전력을 공급할 수 있다. 또한, 충전 장치의 주파수 가변 범위가 LLC 컨버터의 동작 주파수 범위에 비해 좁아서 변압기가 소형화될 수 있다. 일 실시예에 따른 PFC 회로에서, 승압비에 무관하게 PFC 회로의 스위치에 걸리는 전류 스트레스가 일정하다. 따라서 일 실시예에 따른 충전 장치는 고승압비 구현이 가능하다.

특히, V2G 구현에 있어서, 링크 전압 가변 방식이 충전 장치에 적용되어, 계통에 공급할 수 있는 출력 전압 범위가 매우 넓다. 또한, 역방향 전력 공급과 순방향 전력 공급에서 권선 비가 거의 같으므로 LLC 컨버터의 공진 게인이 변하지 않는다. 역방향 전력 공급에 있어서 부하측에 별도의 컨버터를 구비하지 않아도 380V 이상의 전력 공급이 가능하다.

아울러, 일 실시예에 따른 릴레이 필터 회로는 저전압 노이즈를 감소시킬 수 있다.

도 11은 일 실시예에 따른 릴레이 필터 회로가 적용되지 않은 충전 장치에서의 입력단의 EMI 레벨을 나타낸 스펙트럼이다.

도 12는 일 실시예에 따른 릴레이 필터 회로가 적용된 충전 장치에서의 입력단 EMI 레벨을 나타낸 스펙트럼이다.

도 11 및 도 12에서 적색 라인은 ECE-R10 전자파 법규에서 정의되는 EMI 레벨 규제치를 지시하고 있다. AC 전원 계통과 연결되는 전자 기기는 ECE-R10 전자파 법규를 만족해야 판매될 수 있다. 구체적으로, 도 11 및 도 12의 적색 라인은 EMI 레벨에 대한 평균 규제치를 지시하고 있다.

도 11에 도시된 EMI 레벨과 비교해보면, 도 12에 도시된 15~30MHz 고주파대역의 EMI 레벨이 화살표로 표시된 부분에서 최대 30dB까지 감소한 것을 확인 할 수 있다. 즉, 일 실시예는 AC 상용 전원 또는 부하를 감지하기 위해 필요한 라인 및 릴레이를 구동하기 위한 라인들과, 전원 라인 사이의 기생 커패시턴스 성분에 의해 발생하는 고주파 대역의 노이즈를 감소시키는 것을 알 수 있다. 따라서, 입력단을 통해 AC 상용 전원 또는 부하로 노이즈가 방출되는 것을 억제할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

1: 충전 장치
2: 릴레이 네트워크
3: 릴레이 제어 회로
10: AC 입력 필터
20: PFC 회로
30: 전력 변환 회로

Claims

제1 내지 제3 인덕터, 및 상기 제1 내지 제3 인덕터 각각에 연결된 제1 내지 제3 스위치 레그를 포함하는 PFC(Power Factor Correction) 회로;
상기 제1 내지 제3 인덕터와 제1 내지 제3 입력단 간의 연결을, 상기 제1 내지 제3 입력단에 연결된 전력 계통의 상에 따라 제어하는 릴레이 네트워크;
상기 제1 내지 제3 입력단에 연결되어, 상기 제1 내지 제3 입력단 중 전원이 연결된 입력단을 감지하고, 상기 릴레이 네트워크를 제어하는 릴레이 제어 회로; 및
상기 제1 내지 제3 입력단의 전압을 감지하기 위해 상기 릴레이 제어 회로에 연결된 제1 내지 제3 감지 라인과 그라운드 플랜 사이에 연결되어 있는 제1 내지 제3 필터 커패시터 및 상기 그라운드 플랜과 샤시 사이에 연결되어 있는 제4 필터 커패시터를 포함하는 릴레이 필터 회로를 포함하는, 충전 장치.
제1항에 있어서,
상기 릴레이 네트워크는,
상기 제1 입력단 및 상기 제1 인덕터에 연결되어 있는 일단 및 제2 입력단 및 제2 인덕터에 연결되어 있는 타단을 포함하는 제1 릴레이;
상기 제2 입력단과 상기 제2 인덕터 사이에 연결되어 있는 제2 릴레이;
상기 제3 입력단과 상기 제3 인덕터 사이에 연결되어 있는 제3 릴레이;
상기 제1 내지 제3 입력단에 대한 중성점과 상기 제3 인덕터 사이에 연결되어 있는 제4 릴레이; 및
상기 제3 인덕터에 병렬 연결되어 있는 제5 릴레이를 더 포함하는, 충전 장치.
제2항에 있어서,
상기 릴레이 필터 회로는,
상기 그라운드 플랜과, 상기 릴레이 제어 회로와 상기 제1 내지 제5 릴레이 중 적어도 하나 사이에 연결되어 있는 제1 전원 라인 및 제1 제어 라인 각각 사이에 연결되어 있는 제5 필터 커패시터 및 제6 필터 커패시터를 더 포함하고,
상기 제1 전원 라인을 통해 상기 적어도 하나의 릴레이에 전원 전압이 공급되고, 상기 제1 제어 라인을 통해 상기 적어도 하나의 릴레이의 동작을 제어하는 릴레이 제어 신호가 공급되는, 충전 장치.
제2항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 입력단이 삼상 전원의 각 상에 연결될 때, 상기 릴레이 네트워크는 상기 삼상 전원의 각 상을 상기 제1 내지 제3 스위치 레그 중 대응하는 하나에 연결하고, 상기 PFC 회로는 삼상 부스트(boost) PFC로 동작하며,
상기 제1 내지 제3 입력단 중 어느 하나에 단상 전원이 연결될 때, 상기 릴레이 네트워크는 상기 단상 전원을 상기 제1 및 제2 스위치 레그에 연결하고, 상기 제3 스위치 레그를 중성점과 연결하며, 상기 PFC 회로는 싱글 인덕터 방식의 인터리브드 단상 풀-브리지(interleaved single-phase full-bridge) PFC로 동작하는, 충전 장치.
제4항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 입력단이 삼상 전원의 각 상에 연결될 때,
상기 제1 릴레이, 상기 제4 릴레이, 및 상기 제5 릴레이를 오프하고, 상기 제2 릴레이 및 상기 제3 릴레이를 온하는, 충전 장치.
제4항에 있어서,
상기 제1 입력단에 단상 전원이 연결될 때,
상기 제1 릴레이, 상기 제4 릴레이, 및 상기 제5 릴레이를 온하고, 상기 제2 릴레이 및 상기 제3 릴레이를 오프하는, 충전 장치.
제2항에 있어서,
상기 PFC 회로와 배터리 사이에 연결되어 있고, 상기 PFC 회로로부터 상기 배터리로 전력을 전달하는 전력 변환 회로를 더 포함하는, 충전 장치.
제7항에 있어서,
상기 제1 스위치 레그는, 상기 제1 인덕터와 상기 전력 변환 회로의 제1 입력단 사이에 연결되어 있는 제1 스위치 및 상기 제1 인덕터와 상기 전력 변환 회로의 제2 입력단 사이에 연결되어 있는 제2 스위치를 포함하고,
상기 제2 스위치 레그는, 상기 제2 인덕터와 상기 전력 변환 회로의 제1 입력단 사이에 연결되어 있는 제3 스위치 및 상기 제2 인덕터와 상기 전력 변환 회로의 제2 입력단 사이에 연결되어 있는 제4 스위치를 포함하며,
상기 제3 스위치 레그는, 상기 제3 인덕터와 상기 전력 변환 회로의 제1 입력단 사이에 연결되어 있는 제5 스위치 및 상기 제3 인덕터와 상기 전력 변환 회로의 제2 입력단 사이에 연결되어 있는 제6 스위치를 포함하는, 충전 장치.
제8항에 있어서,
상기 제1 입력단에 단상 전원이 연결될 때,
상기 제1 릴레이, 상기 제4 릴레이, 및 상기 제5 릴레이를 온하고, 상기 제2 릴레이 및 상기 제3 릴레이를 오프하고,
상기 단상 전원이 양의 전압인 기간 동안, 상기 제1 스위치, 상기 제3 스위치, 및 상기 제6 스위치가 온 상태인 기간 및 상기 제2 스위치, 상기 제4 스위치, 및 상기 제6 스위치가 온 상태인 기간이 반복되고,
상기 단상 전원이 음의 전압인 기간 동안, 상기 제2 스위치, 상기 제4 스위치, 및 상기 제5 스위치가 온 상태인 기간 및 상기 제1 스위치, 상기 제3 스위치, 및 상기 제5 스위치가 온 상태인 기간이 반복되는, 충전 장치.
제2항에 있어서,
상기 릴레이 네트워크는,
상기 제1 입력단과 상기 제1 인덕터 사이에 연결되는 저항에 병렬 연결되어 있는 제6 릴레이를 더 포함하고,
상기 충전 장치는,
상기 PFC 회로에 입력되는 전압의 피크 이후에 상기 제6 릴레이를 온 하는, 충전 장치.
제2항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 입력단이 삼상 부하의 각 상에 연결될 때, 상기 릴레이 네트워크는 상기 삼상 전원의 각 상을 상기 제1 내지 제3 스위치 레그 중 대응하는 하나에 연결하고, 상기 PFC 회로는 삼상 인버터로 동작하며,
상기 제1 내지 제3 입력단 중 어느 하나에 단상 부하가 연결될 때, 상기 릴레이 네트워크는 상기 단상 부하를 상기 제1 및 제2 스위치 레그에 연결하고, 상기 제3 스위치 레그를 중성점과 연결하며, 상기 PFC 회로는 단상 인버터로 동작하는, 충전 장치.
제11항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 입력단이 삼상 부하의 각 상에 연결될 때,
상기 제1 릴레이, 상기 제4 릴레이, 및 상기 제5 릴레이를 오프하고, 상기 제2 릴레이 및 상기 제3 릴레이를 온하는, 충전 장치.
제11항에 있어서,
상기 제1 입력단에 단상 부하가 연결될 때,
상기 제1 릴레이, 상기 제4 릴레이, 및 상기 제5 릴레이를 온하고, 상기 제2 릴레이 및 상기 제3 릴레이를 오프하는, 충전 장치.
제11항에 있어서,
상기 릴레이 제어 회로는,
상기 제1 내지 제3 입력단 중 부하가 연결된 입력단을 감지하고, 상기 릴레이 네트워크를 제어하는 릴레이 제어 회로를 더 포함하는, 충전 장치.
제11항에 있어서,
상기 PFC 회로와 배터리 사이에 연결되어 있고, 상기 배터리로부터 상기 PFC 회로로 전력을 전달하는 전력 변환 회로를 더 포함하는, 충전 장치.
제15항에 있어서,
상기 제1 스위치 레그는, 상기 제1 인덕터와 상기 전력 변환 회로의 제1 입력단 사이에 연결되어 있는 제1 스위치 및 상기 제1 인덕터와 상기 전력 변환 회로의 제2 입력단 사이에 연결되어 있는 제2 스위치를 포함하고,
상기 제2 스위치 레그는, 상기 제2 인덕터와 상기 전력 변환 회로의 제1 입력단 사이에 연결되어 있는 제3 스위치 및 상기 제2 인덕터와 상기 전력 변환 회로의 제2 입력단 사이에 연결되어 있는 제4 스위치를 포함하며,
상기 제3 스위치 레그는, 상기 제3 인덕터와 상기 전력 변환 회로의 제1 입력단 사이에 연결되어 있는 제5 스위치 및 상기 제3 인덕터와 상기 전력 변환 회로의 제2 입력단 사이에 연결되어 있는 제6 스위치를 포함하는, 충전 장치.
제16항에 있어서,
상기 제1 입력단에 단상 부하가 연결될 때,
상기 제1 릴레이, 상기 제1 릴레이, 및 상기 제5 릴레이를 온하고, 상기 제2 릴레이 및 상기 제3 릴레이를 오프하며,
상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치가 교대로 스위칭하고, 상기 제3 스위치와 상기 제4 스위치가 교대로 스위칭하며, 상기 제1 스위치의 온 기간에 상기 제4 스위치의 온 기간 전체가 중첩되고, 상기 제3 스위치의 온 기간에 상기 제2 스위치의 온 기간 전체가 중첩되며,
상기 제5 스위치는 오프 상태이고, 상기 제6 스위치는 온 상태인, 충전 장치.
제1항에 있어서,
상기 릴레이 제어 회로는,
상기 제1 내지 제3 감지 라인을 통해 상기 제1 내지 제3 입력단의 전압을 감지하고, 상기 감지한 전압을 지시하는 세 개의 감지 신호를 생성하는 감지부;
상기 세 개의 감지 신호를 수신하고, 상기 제1 내지 제3 입력단에 연결된 전력 계통의 상을 판단하고, 상기 판단된 상을 지시하는 상 감지 신호를 생성하는 제어부;
상기 상 감지 신호에 따라 상기 릴레이 네트워크에 전원 전압을 공급하는 전원 공급부; 및
상기 상 감지 신호에 따라 상기 릴레이 네트워크에 릴레이 제어 신호를 공급하는 스위칭 구동부를 포함하는, 충전 장치.