KR20190115364A - Single and three phase combined charger - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 단상 및 삼상 겸용 충전기에 관한 것이다.The present invention relates to a single-phase and three-phase combined charger.
전기 차량용 배터리의 완속 충전기는 상용전원을 입력으로 사용하며, 7kW 이하인 경우에는 단상입력을 사용하고, 그 이상인 경우에는 3상입력을 사용한다. 그 구조는 기본적으로 역률개선(PFC: Power Factor Correction)을 위한 역률개선 컨버터와 절연과 충전제어를 위한 절연형 DC/DC 컨버터로 구성된다.The slow charger of an electric vehicle battery uses a commercial power supply as an input, and a single-phase input is used for 7 kW or less, and a three-phase input for more than that. The structure basically consists of a power factor correction converter for power factor correction (PFC) and an isolated DC / DC converter for isolation and charge control.
도 1은 종래의 단상 충전기의 구조를 나타내는 도면이고, 도 2 내지 도 4는 종래의 3상 충전기의 구조를 나타내는 도면이다.1 is a view showing the structure of a conventional single-phase charger, Figures 2 to 4 is a view showing the structure of a conventional three-phase charger.
도 2에 도시된 3상 충전기는 도 1에 도시된 단상 충전기의 구조를 각 상별로 적용하여 구현된 것이다. 그리고, 도 3에 도시된 3상 충전기는 3상 단방향 PFC 컨버터와 절연형 DC/DC 컨버터를 이용한 구조를 가진다. 그리고, 도 4에 도시된 3상 충전기는 도 3의 3상 단방향 PFC 컨버터 대신에 3상 인버터를 역률개선 컨버터로 사용한 구조를 가진다.The three-phase charger shown in FIG. 2 is implemented by applying the structure of the single-phase charger shown in FIG. 1 for each phase. And, the three-phase charger shown in Figure 3 has a structure using a three-phase unidirectional PFC converter and an isolated DC / DC converter. In addition, the three-phase charger shown in FIG. 4 has a structure using a three-phase inverter as a power factor improving converter instead of the three-phase unidirectional PFC converter of FIG. 3.
도 2의 3상 충전기는 3개의 단상 컨버터의 1차측이 모두 별도의 그라운드(GND)를 가져야 하므로, 직류 링크 커패시터(DC link capacitor)를 공유할 수 없고, 모두 개별 제어를 해야 하므로 제어구조도 복잡하다. 하지만, 도 2의 3상 충전기는 3상 입력으로서 선간전압 대신 상전압을 사용하게 되면, 스위칭 소자의 내압이 낮아져 고주파 스위칭이 가능한 MOSFET를 사용할 수 있어 효율을 유지하며 자기소자의 사이즈를 줄이는데 유리하다.In the three-phase charger of FIG. 2, since the primary sides of the three single-phase converters must each have a separate ground (GND), the DC link capacitors cannot be shared, and all of them must be individually controlled, so that the control structure is complicated. Do. However, when the three-phase charger of FIG. 2 uses a phase voltage instead of a line voltage as a three-phase input, the breakdown voltage of the switching element is lowered, so that a MOSFET capable of high frequency switching can be used to maintain efficiency and reduce the size of the magnetic element. .
도 3 및 도 4의 충전기는 도 2의 충전기 구조보다 간단하나, 상전압을 사용할 수 없고 선간전압만을 사용해야 하며, 이로 인하여 스위칭 소자의 내압이 증가한다. 그래서, 도 3 및 도 4의 충전기는 스위칭 속도가 낮은 IGBT를 사용해야 하므로, 자기소자의 부피가 커져 소형 충전기가 요구되는 전기 차량에는 적합하지 않다.The charger of FIGS. 3 and 4 is simpler than the charger structure of FIG. 2, but cannot use a phase voltage and use only a line voltage, thereby increasing the breakdown voltage of the switching element. Thus, the chargers of FIGS. 3 and 4 must use IGBTs with low switching speeds, and thus are not suitable for electric vehicles requiring a small charger due to a large volume of magnetic elements.
또한, 도 2 내지 도 4의 3상 충전기는 공통적으로 역률개선 컨버터가 하드 스위칭 방식으로 구성되므로, 높은 효율을 달성하기 어려운 문제가 있다.In addition, the three-phase charger of FIGS. 2 to 4 has a problem in that it is difficult to achieve high efficiency since the power factor improving converter is commonly configured in a hard switching scheme.
본 발명은 절연형 역률개선 컨버터를 이용한 단상 및 3상 겸용 충전기를 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a single-phase and three-phase combined charger using an isolated power factor improving converter.
본 발명의 일 측면에 따르면, 역률개선 컨버터를 이용한 단상 및 3상 겸용 충전기가 개시된다.According to an aspect of the present invention, a single-phase and three-phase charger using a power factor improving converter is disclosed.
본 발명의 실시예에 따른 단상 및 3상 겸용 충전기는, 입력 전원이 단상 또는 3상인 경우에 따라 스위칭을 수행하는 상전압 선택기, 상기 상전압 선택기와 상별로 연결된 3개의 단상 역률개선 컨버터 및 상기 3개의 단상 역률개선 컨버터의 출력단과 연결되어 충전제어를 수행하는 DC/DC 컨버터를 포함하되, 상기 상전압 선택기는 상기 스위칭을 통해 상기 입력 전원과 상기 3개의 단상 역률개선 컨버터 사이의 결선을 형성 및 변경함으로써, 상기 3개의 단상 역률개선 컨버터 중 적어도 하나에 단상 또는 3상의 입력 전원을 공급한다.In the single-phase and three-phase combined charger according to the embodiment of the present invention, a phase voltage selector for performing switching according to the case where the input power is single phase or three phase, three single-phase power factor improving converter connected to each of the phase voltage selector, and the three And a DC / DC converter connected to an output terminal of the single phase power factor improving converter to perform charge control, wherein the phase voltage selector forms and changes a connection between the input power and the three single phase power factor improving converter through the switching. Thus, the input power is supplied to at least one of the three single-phase power factor improving converters.
상기 입력 전원이 3상인 경우, 상기 상전압 선택기는 상기 스위칭을 통해 3상의 입력 전원 각각이 각 단상 역률개선 컨버터로 입력되도록 상기 결선을 구성한다.When the input power is three-phase, the phase voltage selector configures the connection such that each of the three-phase input power is input to each single-phase power factor improving converter through the switching.
상기 입력 전원이 단상인 경우, 상기 상전압 선택기는 상기 스위칭을 통해 단상의 입력 전원이 각 단상 역률개선 컨버터로 입력되도록 상기 결선을 구성한다.When the input power is single phase, the phase voltage selector configures the connection such that the single phase input power is input to each single phase power factor improving converter through the switching.
상기 입력 전원이 단상인 경우, 상기 상전압 선택기는 상기 스위칭을 통해 단상의 입력 전원이 상기 3개의 단상 역률개선 컨버터 중 2개의 단상 역률개선 컨버터로 입력되도록 상기 결선을 구성한다.When the input power is single phase, the phase voltage selector configures the connection such that the single phase input power is input to two single phase power factor improving converters among the three single phase power factor improving converters through the switching.
상기 입력 전원이 단상인 경우, 상기 상전압 선택기는 상기 스위칭을 통해 단상의 입력 전원이 상기 3개의 단상 역률개선 컨버터 중 1개의 단상 역률개선 컨버터로 입력되도록 상기 결선을 구성한다.When the input power is single phase, the phase voltage selector configures the connection such that the single phase input power is input to one single phase power factor improving converter of the three single phase power factor improving converters through the switching.
상기 상전압 선택기로부터 전달되는 입력 전원을 정류하여 상기 3개의 단상 역률개선 컨버터로 입력시키는 3개의 단상 브리지 다이오드를 더 포함한다.And three single-phase bridge diodes rectifying the input power delivered from the phase voltage selector and inputting the three single-phase power factor improving converters.
상기 3개의 단상 역률개선 컨버터는, 변압기, 상기 변압기의 1차측 일단에 연결되어 상보적으로 동작하는 제1 스위치 및 제2 스위치, 상기 변압기의 1차측 타단에 연결되어 상보적으로 동작하는 제3 스위치 및 제4 스위치, 상기 변압기의 2차측에 연결되어 출력 전압의 제어를 수행하며, Back-to-Back 구조를 가지는 제5 스위치, 상기 변압기의 2차측에 연결되어 공통으로 사용되는 직류 링크 커패시터(DC link capacitor)를 포함하되, 상기 3개의 단상 역률개선 컨버터의 출력단은 상기 변압기의 2차측에 존재한다.The three single-phase power factor improving converter may include a transformer, a first switch and a second switch connected to one end of the primary of the transformer and operating complementarily, and a third switch connected to and connected to the other ends of the transformer. And a fourth switch, connected to the secondary side of the transformer to control the output voltage, and a fifth switch having a back-to-back structure, connected to the secondary side of the transformer, and commonly used DC link capacitor (DC). link capacitors, wherein the output stages of the three single-phase power factor improving converters are on the secondary side of the transformer.
상기 제1 내지 제4 스위치는 고정 주파수로 동작하여 입력 전원을 고주파로 변환함에 따라 상기 변압기는 고주파 변압기가 사용된다.As the first to fourth switches operate at a fixed frequency to convert the input power into high frequency, a high frequency transformer is used.
상기 제5 스위치는 PWM 제어가 이루어지고, 상기 제5 스위치의 온오프(on/off) 동작에 따라 상기 변압기의 1차측 전압이 변화하여 상기 변압기의 1차측에 흐르는 전류가 불연속 모드(DCM: Discontinuous mode)로 흐르도록 제어됨으로써, 상기 출력 전압의 제어가 수행된다.The fifth switch is PWM controlled, the primary voltage of the transformer changes in accordance with the on / off operation of the fifth switch, the current flowing in the primary side of the transformer is discontinuous mode (DCM: Discontinuous mode), the control of the output voltage is performed.
본 발명의 실시예에 따른 절연형 역률개선 컨버터를 이용한 단상 및 3상 겸용 충전기는, 1차측 스위치의 스위칭 손실을 최소화하여 고압의 스위칭에서도 주파수를 높여 자기소자의 사이즈를 줄일 수 있다.The single-phase and three-phase combined charger using the insulated power factor improving converter according to the embodiment of the present invention can minimize the switching loss of the primary side switch to increase the frequency even in the switching of the high voltage to reduce the size of the magnetic device.
또한, 제어는 2차측에서만 실시되며, 역률개선을 위한 전류제어를 수행하지 않음으로써, 제어가 간단하다.In addition, the control is carried out only on the secondary side, and the control is simple by not performing current control for improving the power factor.
또한, 직류 링크 커패시터를 공유하여 그 사이즈를 줄일 수 있다.In addition, the size of the DC link capacitor can be shared.
도 1은 종래의 단상 충전기의 구조를 나타내는 도면.
도 2 내지 도 4는 종래의 3상 충전기의 구조를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단상 및 3상 겸용 충전기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 단상 및 3상 겸용 충전기의 회로를 나타낸 도면.
도 7은 A상의 단상 절연형 역률개선 컨버터의 동작 파형을 나타내는 도면.
도 8은 A상의 절연형 역률개선 컨버터의 동작 모드를 나타내는 도면.
도 9는 파형 조절기(Waveshaper)의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 10은 상전압 선택기의 동작 예시를 나타낸 도면.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 단상 및 3상 겸용 충전기의 모의실험 결과를 나타낸 도면.
도 15 및 도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단상 및 3상 겸용 충전기의 회로를 나타낸 도면.1 is a view showing the structure of a conventional single-phase charger.
2 to 4 is a view showing the structure of a conventional three-phase charger.
5 is a view schematically showing the configuration of a single-phase and three-phase combined charger according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a circuit of a single-phase and three-phase charger according to an embodiment of the present invention.
Fig. 7 is a diagram showing an operation waveform of the single-phase isolated power factor improving converter of A phase.
8 is a diagram showing an operation mode of an insulated power factor improving converter of A phase;
FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of a waveshaper; FIG.
10 shows an example of the operation of a phase voltage selector.
11 to 14 is a view showing the simulation results of the single-phase and three-phase combined charger according to an embodiment of the present invention.
15 and 16 are circuit diagrams of a single-phase and three-phase charger according to another embodiment of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural forms unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, terms such as “consisting of” or “comprising” should not be construed as necessarily including all of the various components or steps described in the specification, and some of the components or some steps It should be construed that it may not be included or may further include additional components or steps. In addition, the terms "... unit", "module", etc. described in the specification mean a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software or a combination of hardware and software. .
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다. Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단상 및 3상 겸용 충전기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 단상 및 3상 겸용 충전기의 회로를 나타낸 도면이다.5 is a view schematically showing the configuration of a single-phase and three-phase charger charger according to an embodiment of the present invention, Figure 6 is a view showing a circuit of a single-phase and three-phase charger charger according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단상 및 3상 겸용 충전기는 상전압 선택기(Phase selector)(10), 단상 브리지 다이오드(20), 단상 절연형 역률개선 컨버터(30) 및 비절연형 DC/DC 컨버터(40)를 포함한다.5, the single-phase and three-phase charger according to an embodiment of the present invention is a phase selector (10), a single-phase bridge diode (20), single-phase isolated power factor converter (30) and non-isolated DC /
본 발명의 실시예에 따른 단상 및 3상 겸용 충전기는, 역률개선 컨버터가 절연형이므로, 단상 절연형 역률개선 컨버터(30)가 상별로 구분되며, 단상 절연형 역률개선 컨버터(30)의 출력단은 변압기의 2차측에 존재하므로, 직류 링크 커패시터(DC link capacitor)를 공통으로 사용할 수 있다.In the single-phase and three-phase combined charger according to the embodiment of the present invention, since the power factor improving converter is insulated, the single phase isolated power
비절연형 DC/DC 컨버터(40)는 직류 링크 커패시터의 직류 전압을 이용하여 충전제어를 수행한다. 예를 들어, 비절연형 DC/DC 컨버터(40)는 벅(buck) 컨버터, 부스트(boost) 컨버터, 벅부스트 컨버터 등일 수 있다.The non-isolated DC /
상전압 선택기(10)는 입력 전원이 단상 또는 3상인 경우에 따라 스위칭을 수행하여 3개의 단상 절연형 역률개선 컨버터(30) 중 적어도 하나에 단상 또는 3상의 입력 전원을 공급한다.The
단상 브리지 다이오드(20)는 상전압 선택기(10)로부터 공급되는 입력 전원을 정류하여 단상 절연형 역률개선 컨버터(30)로 전달한다.The single
도 6의 회로도는 단상 및 3상 겸용의 3상3선식의 충전기의 예를 나타낸다.The circuit diagram of Fig. 6 shows an example of a three-phase three-wire charger for both single-phase and three-phase.
도 6을 참조하면, 각 단상 절연형 역률개선 컨버터(30)는 전단 회로(31), 변압기(32), 후단 회로(33), 변압기 제어부(34) 및 출력단(35)을 포함한다.Referring to FIG. 6, each single phase insulated power
전단 회로(31)는 변압기(32)의 1차측의 전단(전압원에 가까운 위치)에 위치하는 회로들을 의미하며, 커패시터(C) 및 스위치들(M1 및 M2)을 포함한다. 전단 회로(31)의 입력원으로는 전압이 사용된다.The
커패시터(C)는 전압원과 연결되며, 스위치 M1 및 M2에 대하여 병렬로 연결된다.The capacitor C is connected with the voltage source and connected in parallel with respect to the switches M 1 and M 2 .
스위치 M1은 노드 n1 즉, 커패시터(C)의 일단에 연결된다.The switch M 1 is connected to the node n 1, that is, one end of the capacitor C.
스위치 M2는 노드 n1을 기준으로 하여 스위치 M1과 직렬로 연결되며, 변압기(32)를 기준으로는 스위치 M1과 병렬로 연결될 수 있다.The switch M 2 may be connected in series with the switch M 1 based on the node n1, and may be connected in parallel with the switch M 1 based on the
스위치 M1과 M2는 상보적으로 동작한다. 예를 들어, 스위치 M1이 온(ON)일 때, 스위치 M2는 오프(OFF)가 되고, 스위치 M1이 오프일 때, 스위치 M2는 온이 된다.The switches M 1 and M 2 operate complementarily. For example, when the switch M 1 is ON, the switch M 2 is OFF, and when the switch M 1 is OFF, the switch M 2 is ON.
변압기(32)의 1차측의 일단은 스위치 M1과 M2 사이의 노드 n2에 연결되며, 1차측의 타단은 인덕터(Lr)에 연결된다. 즉, 인덕터(Lr)는 변압기(32)의 1차측 후단(전압원으로부터 먼 위치)에 위치한다. One end of the primary side of the
일 실시예에 따르면, 변압기(32)는 변압기 제어부(34)에 의해 제어될 수 있다. According to one embodiment, the
변압기 제어부(34)는 변압기(32)의 2차측에 연결되며, 도 1에 도시된 바와 같이 Back-to-Back(B2B) 구조를 가지는 스위치 M5로 이루어진다. 여기서, 스위치 M5는 풀 브리지 다이오드의 전단에 연결된다.The
즉, 출력 전압의 제어는 Back-to-Back 구조를 가지는 스위치 M5a, M5b, M5c를 이용한 PWM 제어를 통해 이루어진다. 스위치 M5a, M5b, M5c의 온오프(on/off) 동작에 따라 변압기의 1차측 전압이 변화하여 변압기의 1차측에 흐르는 전류가 불연속 모드(DCM: Discontinuous mode)로 흐르도록 제어되며, 동시에 원하는 출력 전압의 제어도 가능하다.That is, the output voltage is controlled through PWM control using the switches M 5a , M 5b , and M 5c having a back-to-back structure. According to the on / off operation of the switches M 5a , M 5b , and M 5c , the voltage on the primary side of the transformer changes so that the current flowing in the primary side of the transformer flows in a discontinuous mode (DCM). At the same time, the desired output voltage can be controlled.
본 발명의 실시예에 따른 단상 및 3상 겸용 충전기의 회로는 불연속 모드로 동작하므로, 입력 전원의 하모닉 제어가 별도의 제어없이 달성되고, 전압 제어를 위한 전압 제어기만 존재한다. 전류 제어기의 출력은 PWM 회로에 의하여 스위치 M5a, M5b, M5c에 공급된다.Since the circuits of the single-phase and three-phase chargers according to the embodiment of the present invention operate in the discontinuous mode, harmonic control of the input power is achieved without separate control, and only a voltage controller exists for voltage control. The output of the current controller is supplied to the switches M 5a , M 5b and M 5c by a PWM circuit.
단상 및 3상 겸용 충전기의 회로는 불연속 모드로 동작하면 0.96이상의 고역률을 가지기 어려우므로, 파형 조절기(Waveshaper)가 입력 및 출력의 전압 정보를 이용하여 각 상의 입력 전원을 이상적인 정현파로 만든다.Single- and three-phase charger circuits are unlikely to have high power factor greater than 0.96 when operating in discontinuous mode, so the Waveshaper uses the input and output voltage information to make each phase's input power an ideal sine wave.
후단 회로(33)는 변압기(32)의 1차측 후단에 위치하며, 인덕터(Lr) 및 복수의 스위치들(M3 및 M4)을 포함할 수 있다. The
인덕터(Lr)의 일단은 변압기(32)의 1차측 타단에 연결되며, 타단은 스위치 M3와 M4 사이의 노드 n3에 연결된다.One end of the inductor L r is connected to the other end of the primary side of the
스위치 M3과 M4는 상보적으로 동작한다. 예를 들어, 스위치 M3이 온(ON)일 때, 스위치 M4는 오프(OFF)가 되고, 스위치 M3이 오프일 때, 스위치 M4는 온이 된다.Switches M 3 and M 4 operate complementarily. For example, when the switch M 3 is ON, the switch M 4 is OFF, and when the switch M 3 is OFF, the switch M 4 is ON.
예를 들어, 각 단상 절연형 역률개선 컨버터(30)의 스위치 M1a, M1b, M1c ~ M4a, M4b, M4c는 50%의 시비율을 가지고 고정 주파수로 동작하여 입력 전원을 고주파로 변환하기 때문에, 고주파 변압기가 사용될 수 있다.For example, the switches M 1a , M 1b , M 1c to M 4a , M 4b , and M 4c of each single-phase isolated power
출력단(35)은 풀 브리지 다이오드 및 출력 커패시터로 이루어질 수 있다. 여기서, 풀 브리지 다이오드는 다이오드 D1 ~ D4로 이루어지며 정류 기능을 수행할 수 있다. 물론, 풀 브리지 다이오드 대신 하프 브리지 다이오드가 사용될 수도 있다.The
출력 커패시터는 풀 브릿지 다이오드에 병렬로 연결된다.The output capacitor is connected in parallel to the full bridge diode.
한편, 도시하지는 않았지만, 변압기(32)에 인가되는 전압의 DC 바이어스 성분을 제거하기 위하여 변압기(32)와 직렬로 DC-coupling 커패시터가 추가될 수도 있다. 이 경우, 변압기(32)의 포화가 방지될 수 있다.Although not shown, a DC-coupling capacitor may be added in series with the
도 7은 A상의 단상 절연형 역률개선 컨버터의 동작 파형을 나타내는 도면이고, 도 8은 A상의 절연형 역률개선 컨버터의 동작 모드를 나타내는 도면이다.FIG. 7 is a diagram showing an operation waveform of the single-phase isolated power factor improving converter of A phase, and FIG. 8 is a diagram showing an operation mode of the isolated power factor improving converter of A phase.
본 발명의 실시예에 따른 단상 및 3상 겸용 충전기에 상별로 적용된 3개의 단상 절연형 역률개선 컨버터(30)는 동작이 유사하므로, A상의 단상 절연형 역률개선 컨버터(30)의 동작에 대해서만 설명하기로 한다.Since the three single-phase insulated power
스위치 M1a와 M3a 그리고, 스위치 M2a와 M4a는 동시에 온오프하며, 스위치 M5a는 도 7에 도시된 바와 같이, 스위치 M1a와 M3a 그리고, 스위치 M2a와 M4a가 온되는 시점에 맞추어 동시에 동작한다.The switches M 1a and M 3a and the switches M 2a and M 4a are simultaneously turned on and off, and the switch M 5a is the time point at which the switches M 1a and M 3a and the switches M 2a and M 4a are turned on as shown in FIG. 7. It works at the same time.
도 7 및 도 8에 도시된 모드 1(t0<t<t1)을 참조하면, t0 시간에 스위치 M1a, M3a 및 M5a가 온되면, 1차측 인덕터 전류 ipa가 도 8의 모드 1과 같은 경로로 흐르기 시작한다.Referring to Mode 1 (t 0 <t <t 1 ) illustrated in FIGS. 7 and 8, when the switches M 1a , M 3a, and M 5a are turned on at time t 0 , the primary inductor current i pa is shown in FIG. 8. Start to flow in the same path as
이 경우, 변압기 1차측 전압 Vpa는 0이 되어 변압기 1차측 인덕터 전류 ipa는 Vin(입력 전압)/Lr(변압기 1차측에 직렬로 연결된 인덕터의 인덕턴스)의 기울기를 가지고 선형적으로 증가하며, 다이오드 D1a ~ D4a는 오프되어 출력단으로 전류가 흐르지 않는다. 모드 1에서의 입력 전류 Iin은 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.In this case, the transformer primary side voltage V pa becomes zero so that the transformer primary side inductor current i pa increases linearly with the slope of V in (input voltage) / L r (inductance of the inductor in series connected to the transformer primary side). The diodes D 1a to D 4a are off and no current flows to the output terminal. The input current I in in mode 1 can be represented by the following equation.
도 7 및 도 8에 도시된 모드 2(t1<t<t2)를 참조하면, t1 시간이 되는 순간에 스위치 M5a가 오프되면, 도 8의 모드 2와 같이 다이오드 D1a 및 D3a가 도통되어 변압기 1차측 전압 Vpa로 Vo/n가 인가된다. 여기서, Vo/n은 입력 전압보다 큰 전압으로 형성되며, n은 권선비이다. 이로 인하여, 1차측 인덕터 전류 ipa는 (Vin-Vo/n)/Lr의 기울기를 가지고 선형적으로 감소하며, 이는 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.Referring to the mode 2 (t 1 <t <t 2 ) illustrated in FIGS. 7 and 8, when the switch M 5a is turned off at the time t 1 , the diodes D 1a and D 3a as in the
도 7 및 도 8에 도시된 모드 3(t2<t<t3)을 참조하면, 입력 전류 Iin이 모드 2에서 0까지 떨어지면, 모드 3이 시작되어 컨버터 동작이 정지된다.Referring to mode 3 (t 2 <t <t 3 ) illustrated in FIGS. 7 and 8, when the input current I in drops from
나머지 반주기의 모드 4 ~ 모드 6은 모드 1 ~ 모드 3과 유사하게 동작한다.
도 9는 파형 조절기(Waveshaper)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.9 is a view for explaining the operation of the waveform (Waveshaper).
도 9에 도시된 파형은 반주기동안의 라인(Line) 전류 iac와 입력 전류 Iin_a의 첨두치를 나타내는 것으로, (a)는 파형 조절기가 존재하는 경우이고, (b)는 파형 조절기가 존재하지 않는 경우이다.The waveform shown in FIG. 9 represents the peak value of the line current i ac and the input current I in_a during the half period, (a) when the waveform controller is present, and (b) where the waveform controller is not present. If it is.
도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 파형 조절기가 없는 경우, 입력 전류 Iin_a의 첨두치가 입력 전압을 추종하나, 라인 전류 iac는 왜곡된다.As shown in FIG. 9A, in the absence of the waveform regulator, the peak value of the input current I in_a follows the input voltage, but the line current i ac is distorted.
반면에, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 파형 조절기가 있는 경우, 입력 전류 Iin_a의 첨두치를 왜곡시켜 최종적인 라인 전류를 왜곡이 없는 정현파로 형성할 수 있다. 입력 전류를 이상적인 정현파로 형성하기 위한 시비율은 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.On the other hand, as shown in (b) of FIG. 9, when there is a waveform controller, the peak value of the input current I in_a can be distorted to form the final line current as a sinusoidal wave without distortion. The rate of application for forming the input current into the ideal sinusoidal wave can be expressed by the following equation.
수학식 3을 참조하면, PWM 제어를 통해 발생하는 최종 시비율은 부하조건에 따른 항 Doa와 입력전압 및 배터리 전압을 이용한 파형조절(waveshaping)항의 곱으로 표현된다.Referring to
본 발명의 실시예에 따른 단상 절연형 역률개선 컨버터(30)는 파형 조절기가 없어도 동작이 가능하나, 추가적인 역률 개선이 요구되는 경우에 파형 조절기가 적용될 수 있다.The single-phase isolated power
도 10은 상전압 선택기의 동작 예시를 나타낸 도면이다.10 is a diagram illustrating an operation example of a phase voltage selector.
도 10을 참조하면, 상전압 선택기(10)는 모두 4개의 스위치를 구비하며, 4개의 스위치를 이용하여 단상 또는 3상의 입력 전원과 3개의 단상 절연형 역률개선 컨버터(30) 사이의 결선을 형성 및 변경할 수 있다. 예를 들어, 4개의 스위치는 릴레이(Relay) 또는 반도체 스위치일 수 있다.Referring to FIG. 10, the
도 10에 도시된 바와 같이, 상전압 선택기(10)는 상전압 조건에 따라 모두 4가지 경우로 스위칭 동작을 수행할 수 있다.As shown in FIG. 10, the
즉, 스위치 1 및 3(Rly1, Rly3)이 온되면, 3상의 입력 전원을 사용하는 결선이 구성되어, 3상의 입력 전원 각각이 각 단상 절연형 역률개선 컨버터(30)로 입력될 수 있다.That is, when the
그리고, 스위치 2 및 4(Rly2, Rly4)이 온되면, 단상의 입력 전원 Vab를 3개의 단상 절연형 역률개선 컨버터(30)에서 모두 사용하는 결선이 구성되어, 단상의 입력 전원 Vab가 각 단상 절연형 역률개선 컨버터(30)로 입력될 수 있다.Then, when the
그리고, 스위치 4 또는 스위치 2가 온되면, 단상의 입력 전원 Vab를 3개의 단상 절연형 역률개선 컨버터(30) 중 2개에서 사용하는 결선이 구성되어, 단상의 입력 전원 Vab가 2개의 단상 절연형 역률개선 컨버터(30)로 입력될 수 있다.And, if the
그리고, 4개의 스위치가 모두 오프되면, 단상의 입력 전원 Vab를 3개의 단상 절연형 역률개선 컨버터(30) 중 1개에서만 사용하는 결선이 구성되어, 단상의 입력 전원 Vab가 1개의 단상 절연형 역률개선 컨버터(30)로 입력될 수 있다.Then, when the four switches are all off, and the connection to the single-phase input power source V ab using 3 eseoman one of the single-phase insulated power factor improving converter (30) configuration, the single-phase input power source V ab is a single-phase isolated The power
도 11 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 단상 및 3상 겸용 충전기의 모의실험 결과를 나타낸 도면이다.11 to 14 are diagrams showing the simulation results of the single-phase and three-phase combined charger according to an embodiment of the present invention.
모의실험을 위하여, 변압기 1차측에 직렬로 연결된 인덕터의 인덕턴스 Lr = 40 uH, 변압기 권선비는 1.2:1로 설정되었으며, 비절연형 DC/DC 컨버터(40)에는 벅 컨버터가 사용되었다.For the simulation, the inductance L r = 40 uH of the inductor in series connected to the transformer primary side and the transformer turns ratio were set to 1.2: 1, and a buck converter was used for the non-isolated DC /
도 11 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 입력 전류는 이상적인 정현파 형태를 보이고 있으며, 단상 및 3상의 입력 전압에서도 잘 동작함이 확인된다.As shown in Figs. 11 to 14, the input current shows an ideal sine wave shape, and it is confirmed that it works well even with input voltages of single phase and three phases.
도 15 및 도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단상 및 3상 겸용 충전기의 회로를 나타낸 도면이다.15 and 16 are circuit diagrams of a single-phase and three-phase charger according to another embodiment of the present invention.
도 15 및 도 16을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 단상 및 3상 겸용 충전기는 중섬점을 이용하는 3상 4선식이다.15 and 16, the single-phase and three-phase combined charger according to another embodiment of the present invention is a three-phase four-wire type using a mid-islet point.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The embodiments of the present invention described above are disclosed for purposes of illustration, and those skilled in the art having ordinary knowledge of the present invention may make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention. Should be considered to be within the scope of the following claims.
10: 상전압 선택기(Phase selector)
20: 단상 브리지 다이오드
30: 단상 절연형 역률개선 컨버터
40: 비절연형 DC/DC 컨버터10: Phase selector
20: single phase bridge diode
30: single-phase isolated power factor converter
40: non-isolated DC / DC converter
Claims (9)
상기 상전압 선택기와 상별로 연결된 3개의 단상 역률개선 컨버터; 및
상기 3개의 단상 역률개선 컨버터의 출력단과 연결되어 충전제어를 수행하는 DC/DC 컨버터를 포함하되,
상기 상전압 선택기는 상기 스위칭을 통해 상기 입력 전원과 상기 3개의 단상 역률개선 컨버터 사이의 결선을 형성 및 변경함으로써, 상기 3개의 단상 역률개선 컨버터 중 적어도 하나에 단상 또는 3상의 입력 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 단상 및 3상 겸용 충전기.
A phase voltage selector for performing switching in the case where the input power source is single phase or three phase;
Three single-phase power factor improving converters connected to the phase voltage selector and each phase; And
A DC / DC converter connected to the output stages of the three single-phase power factor improving converter to perform charge control;
The phase voltage selector is configured to supply single-phase or three-phase input power to at least one of the three single-phase power factor improving converters by forming and changing a connection between the input power and the three single-phase power factor improving converters through the switching. Single and three-phase chargers featuring.
상기 입력 전원이 3상인 경우, 상기 상전압 선택기는 상기 스위칭을 통해 3상의 입력 전원 각각이 각 단상 역률개선 컨버터로 입력되도록 상기 결선을 구성하는 것을 특징으로 하는 단상 및 3상 겸용 충전기.
The method of claim 1,
And the phase voltage selector configures the connection such that each of the three phase input powers is input to each single phase power factor improving converter through the switching.
상기 입력 전원이 단상인 경우, 상기 상전압 선택기는 상기 스위칭을 통해 단상의 입력 전원이 각 단상 역률개선 컨버터로 입력되도록 상기 결선을 구성하는 것을 특징으로 하는 단상 및 3상 겸용 충전기.
The method of claim 1,
And the phase voltage selector is configured to connect the single phase input power to each single phase power factor improving converter through the switching, when the input power is single phase.
상기 입력 전원이 단상인 경우, 상기 상전압 선택기는 상기 스위칭을 통해 단상의 입력 전원이 상기 3개의 단상 역률개선 컨버터 중 2개의 단상 역률개선 컨버터로 입력되도록 상기 결선을 구성하는 것을 특징으로 하는 단상 및 3상 겸용 충전기.
The method of claim 1,
And the phase voltage selector configures the connection such that the single phase input power is input to two single phase power factor improving converters among the three single phase power factor improving converters through the switching when the input power source is single phase. 3-phase charger.
상기 입력 전원이 단상인 경우, 상기 상전압 선택기는 상기 스위칭을 통해 단상의 입력 전원이 상기 3개의 단상 역률개선 컨버터 중 1개의 단상 역률개선 컨버터로 입력되도록 상기 결선을 구성하는 것을 특징으로 하는 단상 및 3상 겸용 충전기.
The method of claim 1,
And the phase voltage selector configures the connection such that the single phase input power is input to one single phase power factor improving converter of the three single phase power factor improving converters through the switching. 3-phase charger.
상기 상전압 선택기로부터 전달되는 입력 전원을 정류하여 상기 3개의 단상 역률개선 컨버터로 입력시키는 3개의 단상 브리지 다이오드를 더 포함하는 단상 및 3상 겸용 충전기.
The method of claim 1,
And a three single-phase bridge diode for rectifying the input power delivered from the phase voltage selector and inputting the three single-phase power factor improving converters.
상기 3개의 단상 역률개선 컨버터는,
변압기;
상기 변압기의 1차측 일단에 연결되어 상보적으로 동작하는 제1 스위치 및 제2 스위치;
상기 변압기의 1차측 타단에 연결되어 상보적으로 동작하는 제3 스위치 및 제4 스위치;
상기 변압기의 2차측에 연결되어 출력 전압의 제어를 수행하며, Back-to-Back 구조를 가지는 제5 스위치;
상기 변압기의 2차측에 연결되어 공통으로 사용되는 직류 링크 커패시터(DC link capacitor)를 포함하되,
상기 3개의 단상 역률개선 컨버터의 출력단은 상기 변압기의 2차측에 존재하는 것을 특징으로 하는 단상 및 3상 겸용 충전기.
The method of claim 1,
The three single-phase power factor improving converter,
Transformers;
A first switch and a second switch connected to one end of a primary side of the transformer and operating complementarily;
A third switch and a fourth switch connected to the other end of the transformer and reciprocally operated;
A fifth switch connected to the secondary side of the transformer to control the output voltage and having a back-to-back structure;
It includes a DC link capacitor (DC link capacitor) commonly used to be connected to the secondary side of the transformer,
Single-phase and three-phase charger, characterized in that the output stage of the three single-phase power factor improving converter is present on the secondary side of the transformer.
상기 제1 내지 제4 스위치는 고정 주파수로 동작하여 입력 전원을 고주파로 변환함에 따라 상기 변압기는 고주파 변압기가 사용되는 것을 특징으로 하는 단상 및 3상 겸용 충전기.
The method of claim 7, wherein
The first to fourth switches operate at a fixed frequency to convert the input power into high frequency, so that the transformer is a single-phase and three-phase charger, characterized in that a high frequency transformer is used.
상기 제5 스위치는 PWM 제어가 이루어지고,
상기 제5 스위치의 온오프(on/off) 동작에 따라 상기 변압기의 1차측 전압이 변화하여 상기 변압기의 1차측에 흐르는 전류가 불연속 모드(DCM: Discontinuous mode)로 흐르도록 제어됨으로써, 상기 출력 전압의 제어가 수행되는 것을 특징으로 하는 단상 및 3상 겸용 충전기.
The method of claim 7, wherein
The fifth switch is PWM controlled,
The output voltage is controlled by changing the primary voltage of the transformer according to the on / off operation of the fifth switch so that a current flowing in the primary side of the transformer flows in a discontinuous mode (DCM). Single-phase and three-phase combined charger characterized in that the control of the.
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---|---|---|---|
KR1020180038331A KR20190115364A (en) | 2018-04-02 | 2018-04-02 | Single and three phase combined charger |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020180038331A KR20190115364A (en) | 2018-04-02 | 2018-04-02 | Single and three phase combined charger |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2022181906A1 (en) * | 2021-02-26 | 2022-09-01 | 서울과학기술대학교 산학협력단 | Three-phase and single-phase two-way charger |
KR20220122915A (en) * | 2021-02-26 | 2022-09-05 | 서울과학기술대학교 산학협력단 | Three phase and single phase compatible charger |
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2018
- 2018-04-02 KR KR1020180038331A patent/KR20190115364A/en not_active IP Right Cessation
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