KR101485730B1 - 열전 소자를 기반으로 동작하는 dc-dc 컨버터에 구현 방법 및 장치 - Google Patents

열전 소자를 기반으로 동작하는 dc-dc 컨버터에 구현 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

열전 소자를 기반으로 동작하는 DC-DC 컨버터에 구현 방법 및 장치가 개시되어 있다. DC-DC 컨버터의 전압 공급 방법은 DC-DC 컨버터의 동작 모드가 바이패스 모드인지 부스트 모드인지 여부를 결정하는 단계, 동작 모드가 부스트 모드인 경우, 입력 신호를 기반으로 제1 열전 소자로 스위칭을 할지 여부를 결정하는 단계, 제1 열전 소자로 스위칭된 경우, 제1 열전 소자를 기반으로 DC 전압을 공급하고, 시동 시간이 안정화 시간보다 큰지 여부에 대해 판단하는 단계와 시동 시간이 안정화 시간보다 크지 않은 경우, 제1 열전 소자를 기반으로 출력부에 DC 전압을 공급하는 단계를 포함할 수 있되, 바이패스 모드는 DC 전압의 보강을 수행하지 않는 컨버팅 모드이고, 부스트 모드는 DC 전압의 보강을 수행하는 컨버팅 모드이고, 제1 열전 소자는 일 면은 흡열 작용을 수행하고 다른 면은 발열 작용을 수행할 수 있다.

Description

열전 소자를 기반으로 동작하는 DC-DC 컨버터에 구현 방법 및 장치{Method and apparatus for configuring DC-DC converter based on thermoelectric element}
본 발명은 전압 공급 방법에 관한 것으로써 보다 상세하게는 DC-DC 컨버터 구현 방법 및 장치에 관한 것이다.
직류 전압을 다른 직류 전압으로 변환하는 것이 DC-DC 컨버터의 역할이다. 변환 효율이 좋은 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터는 전자기기를 소형화하여 구현하기 위해 많이 사용될 수 있다.
DC-DC 컨버터의 회로는 몇 가지 방식이 있는데, 크게 비절연형과 절연형으로 나눌 수 있다.
비절연형 강압 방식의 DC-DC 컨버터는 스위치와 파워 트랜지스터 또는 파워 모스펫(MOSFET)을 사용하고 온/오프(ON/OFF) 시간의 비율을 바꿔 정전압을 제어할 수 있다. 만약, 스위치가 온 상태일 때 전류는 인덕터를 통해 부하 저항으로 흐를 수 있다. 반대로 스위치가 오프 상태일 때 인덕터에 축적된 에너지가 전류 다이오드를 통해 부하로 전류가 흘러 정전압 제어가 수행될 수 있다. 최근에는 스위칭 주파수가 수MHz인 제품도 시판되고 있으며 90∼94%로 고효율이다.
절연형 플라이백 컨버터는 1석식 온/오프(ON/OFF) 제어 방식에서 트랜스의 1차, 2차 권선을 역극성으로 접속한다. 스위칭 소자가 온 상태일 때 트랜스의 1차 측에 에너지를 축적하고, 스위치 소자가 오프 상태인 경우, 2차측 권선에서 방출한 에너지를 정류 다이오드와 평활 콘덴서에서 반파 정류할 수 있다. 이러한 방식의 경우 2차 측 정류는 콘덴서 인풋으로 평활 인덕터를 사용하지 않는다. 부품수가 적고 코스트도 저감할 수 있지만 콘덴서의 리플 전류가 크고 저전압 대전류에는 적합하지 않다. 초크 코일이 필요가 없는 만큼 절연 트랜스가 커지는 결점도 있다.
또 다른 DC-DC 컨버터로써 절연형 포워드 컨버터가 사용될 수 있다. 절연형 포워드 컨버터는 1석식 온/온 제어 방식에서 1차 측 스위칭 소자가 온 상태일 때 트랜스를 통해 2차 측으로 전력을 전달시킨다. 스위치가 온 상태가 되면 같은 시간의 비율로 2차 측에 에너지가 전달되며 정류 다이오드와 인덕터 그리고 평활 콘덴서에 의해 정류될 수 있다. 초크 인풋이므로 평활 콘덴서의 리플 전류는 작으며 저전압 대전류에 적합하다.
본 발명의 제1 목적은 열전 소자를 기반으로 동작하는 DC-DC 컨버터에 구현 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은 열전 소자를 기반으로 동작하는 DC-DC 컨버터 장치를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 DC-DC 컨버터의 전압 공급 방법은 상기 DC-DC 컨버터의 동작 모드가 바이패스 모드인지 부스트 모드인지 여부를 결정하는 단계, 상기 동작 모드가 부스트 모드인 경우, 입력 신호를 기반으로 제1 열전 소자로 스위칭을 할지 여부를 결정하는 단계, 상기 제1 열전 소자로 스위칭된 경우, 상기 제1 열전 소자를 기반으로 DC 전압을 공급하고, 시동 시간이 안정화 시간보다 큰지 여부에 대해 판단하는 단계와 상기 시동 시간이 상기 안정화 시간보다 크지 않은 경우, 상기 제1 열전 소자를 기반으로 출력부에 상기 DC 전압을 공급하는 단계를 포함할 수 있되, 상기 바이패스 모드는 상기 DC 전압의 보강을 수행하지 않는 컨버팅 모드이고, 상기 부스트 모드는 상기 DC 전압의 보강을 수행하는 컨버팅 모드이고, 상기 제1 열전 소자는 일 면은 흡열 작용을 수행하고 다른 면은 발열 작용을 수행할 수 있다. 따른 DC-DC 컨버터의 전압 공급 방법은 상기 시동 시간이 상기 안정화 시간보다 큰 경우, 상기 제1 열전 소자에서 제2 열전 소자로 스위칭하는 단계를 더 포함할 수 있되, 상기 제2 열전 소자는 상기 제1 열전 소자를 통해 흡수한 열 에너지를 기반으로 전력을 생성하고 상기 전력을 기반으로 상기 DC 전압에 대한 보강을 수행하는 열전 소자일 수 있다. 따른 DC-DC 컨버터의 전압 공급 방법은 상기 입력 신호를 기반으로 제2 열전 소자로 스위칭된 경우, 상기 제2 열전 소자를 기반으로 상기 DC 전압을 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. DC-DC 컨버터의 전압 공급 방법은 상기 동작 모드가 상기 바이패스 모드인 경우, 상기 입력 신호를 기반으로 상기 제1 열전 소자로 스위칭하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 출력부는 오디오 시스템과 연결되어 상기 오디오 시스템에 상기 DC 전압을 공급하고, 상기 제1 열전 소자는 상기 출력부와 연결된 PWM(pulse width modulation) 제어부 내부의 FET(field effect transistor)를 냉각하도록 구현되고, 상기 PWM 제어부는 입력받은 전압을 상기 오디오 시스템에 필요한 상기 DC 전압으로 승압을 하도록 구현될 수 있다.
상술한 본 발명의 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 DC-DC 컨버터 장치는 상기 DC-DC 컨버터의 동작 모드가 바이패스 모드인지 부스트 모드인지 여부를 결정하는 컨버팅 모드 판단부, 상기 동작 모드가 상기 부스트 모드인 경우, 입력 신호를 기반으로 제1 열전 소자로 스위칭을 할지 여부를 결정하는 입력 신호 판단부, 입력 신호를 기반으로 상기 제1 열전 소자로의 스위칭이 결정된 경우, 상기 제1 열전 소자로 상기 스위칭을 수행하는 스위칭부, 상기 제1 열전 소자로 스위칭된 경우, 시동 시간이 안정화 시간보다 큰지 여부에 대해 판단하여 스위칭될 열전 소자를 결정하는 안정화 시간 판단부와 상기 제1 열전 소자를 기반으로 DC 전압을 공급하고, 상기 시동 시간이 상기 안정화 시간보다 크지 않은 경우, 상기 제1 열전 소자를 기반으로 상기 DC 전압을 공급하는 출력부를 포함할 수 있되, 상기 바이패스 모드는 상기 DC 전압의 보강을 수행하지 않는 컨버팅 모드이고, 상기 부스트 모드는 상기 DC 전압의 보강을 수행하는 컨버팅 모드이고, 상기 제1 열전 소자는 일 면은 흡열 작용을 수행하고 다른 면은 발열 작용을 수행할 수 있다. 상기 안정화 시간 판단부는 상기 시동 시간이 상기 안정화 시간보다 큰 경우, 상기 제1 열전 소자에서 제2 열전 소자로 스위칭하도록 구현될 수 있되, 상기 제2 열전 소자는 상기 제1 열전 소자를 통해 흡수한 열 에너지를 기반으로 전력을 생성하고 상기 전력을 기반으로 상기 DC 전압에 대한 보강을 수행하는 열전 소자일 수 있다. 상기 출력부는 상기 입력 신호를 기반으로 제2 열전 소자로 스위칭된 경우, 상기 제2 열전 소자를 기반으로 상기 DC 전압을 공급하도록 구현될 수 있다. 상기 스위칭부는 상기 동작 모드가 상기 바이패스 모드인 경우, 상기 입력 신호를 기반으로 상기 제1 열전 소자로 스위칭하도록 구현될 수 있다. 상기 출력부는 오디오 시스템과 연결되어 상기 오디오 시스템에 상기 DC 전압을 공급하고, 상기 제1 열전 소자는 상기 출력부와 연결된 PWM(pulse width modulation) 제어부 내부의 FET(field effect transistor)를 냉각하도록 구현되고, 상기 PWM 제어부는 입력받은 전압을 상기 오디오 시스템에 필요한 상기 DC 전압으로 승압을 하도록 구현될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자를 기반으로 동작하는 DC-DC 컨버터에 구현 방법 및 장치는 열전 소자에서 발생하는 전압을 이용하여 회로의 소자를 바꾸지 않고 기존 회로에서 열전 소자부만 추가하여 기존의 전압 안정화 시간보다 더 시간을 늘릴 수 있다. 또한, 열전 소자의 냉각 부분이 방열판 역할을 해주어 DC-DC 컨버터의 방열판이 불필요하다. 또한 반복적으로 온/오프됨으로써 불안정하게 된 DC-DC컨버터의 전압을 열전 소자에서 발생하는 전압으로 보충해 줌으로써 안정화된 전압을 출력한다.
도 1은 DC-DC 컨버터를 나타낸 개념도이다.
도 2는 DC-DC 컨버터의 전압 안정화 과정을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 바이패스 모드로 동작시 DC-DC 컨버터의 동작을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 부스트 모드로 동작시 DC-DC 컨버터의 동작을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터 장치를 나타낸 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 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.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성 요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 DC-DC 컨버터를 나타낸 개념도이다.
도 1에서 개시하는 DC-DC 컨버터는 ISG(Idle stop ＆ go) 기능이 있는 차량에 이그니션(Ignition)(또는 시동) 동작시 발생하는 배터리 전압 하강(battery voltage drop)으로 인한 오디오 시스템 음향의 빈번한 크랙(crack)을 방지하기 위해서 항상 일정한 전원 전압을 공급하는 전력 변환 장치이다.
ISG는 다른 용어로 Stop-Start 시스템이라고도 한다. ISG는 내연기관 차량이 일정시간 동안 공회전할 때 엔진을 자동으로 꺼지도록 동작하는 시스템으로 차량이 신호 대기/교통 혼잡/차고지 등 정차하고 있을 경우와 같이 엔진은 켜있으나 연비가 0km/l인 상태의 경우 에너지와 환경을 고려하여 엔진에서의 연소가 발생하지 않도록 하는 시스템이다. 이러한 ISG를 사용하는 차량이 출발과 정지를 반복하는 경우, 배터리 전압 강하가 일어나게 된다. 이러한 경우, 오디오 시스템으로 입력되는 전압이 일시적으로 감소할 수 있다. 오디오 시스템으로 입력되는 전압이 감소하는 경우, 오디오 시스템 음향에서 크랙이 발생하게 된다. 따라서 DC_DC 컨버터가 오디오 시스템으로 일정한 전압을 공급해줄 수 있도록 동작하는 것이 중요하다.
DC-DC 컨버터는 배터리 전력을 기본 동작 전원으로 하고 안성정(safety) 및 기타 기능 점검을 위한 외부 장치와 연결시 LIN(local interconnect network) 통신 프로토콜을 사용할 수 있다. DC-DC 컨버터는 예를 들어, 차량의 정상 운행시 바이패스 모드(bypass mode)로 정차 후 출발시 부스트 모드(boost mode)로 동작할 수 있다. 바이패스 모드는 배터리의 전압을 전압 강화가 없이 오디오 시스템으로 공급해주는 동작 모드이고, 부스트 모드는 배터리 전압 드롭이 발생한 경우로 드롭된 전압을 추가적으로 전력 보상하여 동작하는 모드이다.
DC-DC 컨버터의 구성은 오디오 시스템에 전원 공급을 담당하는 장치로 입력 신호로는 차량의 점화 장치 신호인 IGN on, ISG 기능 시작을 알리는 시작 신호(Starter signal)이 있다. 컨버터의 내부에 배터리(100)로부터 오는 전원을 바이패스 모드와 부스트 모드로 변환할 수 있는 입력 릴레이를 포함하는 입력부(110), 전체적인 입출력 조절 및 통제를 담당하는 MCU(micro control unit) 부(120), 드롭(drop)된 입력 전원을 오디오 시스템에서 필요로 하는 전원 전압으로 승압시켜주는 PWM(pulse width modulation) 제어부(130), 승압된 전압을 부하로 공급해주는 출력부(140)로 구성될 수 있다. 이러한 각각의 구성부에 대한 설명은 이하, 본 발명의 실시예에서 상술한다.
도 2는 DC-DC 컨버터의 전압 안정화 과정을 나타낸 그래프이다.
일반적인 DC-DC 컨버터는 시동 신호를 받는 순간부터 1초 내지 5초의 시간 동안 전압 안정화를 시켜준다. 하지만 기존의 DC-DC 컨버터는 전압 안정화 시간이 8초 내지 10초 이상으로 길어질 경우 DC-DC 컨버터는 일정한 전원 전압을 공급하는 역할을 수행할 수 없다. 즉, 기존의 DC-DC 컨버터보다 긴 시간 전압 안정화를 하기 위한 방안이 필요하다.
또한, 엔진의 시동 신호가 불안정할 경우 DC-DC 컨버터의 출력 파형은 불안정하게 떨리게 된다. DC-DC 컨버터가 동작할 경우, DC-DC 컨버터의 발열로 인하여 일정 크기 이상의 방열판이 필요하다.
본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터는 DC-DC 컨버터의 기존 전압 안정화 시간을 증가시키기 위한 새로운 DC-DC 컨버팅 방법에 대해 개시한다. 또한 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터는 DC-DC 컨버터의 출력 파형이 불안정하게 될 시, 안정된 전압을 출력하게 해주는 역할을 수행하고 DC-DC 컨버터에 필요한 방열판 역할을 대신할 수 있다. 이하, 본 발명의 실시예에서 이러한 개선된 동작을 위한 DC-DC 컨버터에 대해 개시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터를 나타낸 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터는 열전 소자부를 추가적으로 구현하여 기존의 DC-DC 컨버터의 컨버팅 성능을 향상시킬 수 있다.
DC-DC 컨버터는 전원 입력부(300), MCU(310), 출력부(320), PWM 제어부(330),열전 소자부(340)로 구현될 수 있다. 도 3에서는 설명의 편의상 오디오 시스템(350)과 연결되어 DC-DC 컨버터가 일정한 전압을 유지함으로써 오디오 신호에 발생할 수 있는 크랙을 방지하는 방법에 대해 개시하나 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터는 오디오 장치뿐만 아니라 전압 드롭이 발생하기 않도록 안정된 전압을 공급해주어야 하는 다양한 전자 장치에서 사용될 수 있다.
전원 입력부(300)는 배터리에서 입력되는 전원을 입력받을 수 있다. 전원 입력부(300)에서는 제1 스위치를 기반으로 DC-DC 컨버터가 바이패스 모드로 동작할지 부스트 모드로 동작할지 여부에 대해 결정할 수 있다. 바이패스 모드는 열전 소자에 의한 전압 보강을 수행하지 않고 바이패스 형태로 제공하기 위해 사용되는 모드일 수 있다. 부스트 모드는 전압 강하가 일어난 경우, 강하된 전압을 안정된 전압으로 공급하기 위한 모드이다. 부스트 모드로 동작할 경우, 전원 입력부(300)가 MCU(310)와 연결되어 MCU(310)가 PWM 제어부(330)를 제어하도록 구현될 수 잇다.
MCU(310)는 전원 입력부(300)와 연결되어 부스트 모드로 동작시 PWM 제어부(330)와 열전 소자부(340)를 연결하여 동작시키기 위해 구현될 수 있다.
출력부(320)는 바이패스 모드 또는 부스트 모드로 동작하여 생성된 전압이 출력될 수 있다.
PWM 제어부(330)는 DC-DC 컨버터는 일반적으로 PWM(Pulse Width Modulation. 펄스 폭 변조) 제어와 부귀환 증폭기를 조합하여 구성될 수 있다. PWM 제어는 펄스 폭(Pulse Width)의 온/오프(ON/OFF) 비(듀티비)를 바꿔 대상을 제어하는 방법이다. 부스트 모드인 경우, PWM 제어에 의해 생성된 전압이 출력부(320)로 전달되어 오디오 시스템(350)으로 공급될 수 있다.
열전 소자부(340)는 MCU(310)와 제2 스위치로 연결된 제1 열전 소자(340-1)와 제2 열전 소자(340-2)를 포함할 수 있다. 서로 다른 두 개의 소자 양단에 직류 전압을 가하면 전류의 방향에 따라 한쪽 변에서는 흡열하고 반대 면에서는 발열을 일으키는 현상을 펠티어(peltier) 효과라 한다. 열전 소자는 이러한 펠티어 효과를 이용할 수 있다. 또한 열전 소자는 제베크 효과를 이용할 수 있다. 제베크(seebeck) 효과는 온도 차에 의해 폐회로 상에서 전위치가 발생되는 효과를 말한다. 이러한 제베크 효과를 이용하는 소자 역시 열전 소자라고 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 열전 소자(340-1)는 펠티어 효과를 기반으로 동작하고 제2 열전 소자(340-2)는 제베크 효과를 기반으로 동작하여 기존의 DC-DC 컨버터의 동작을 향상시킬 수 있다.
전원 입력부(300)의 제1 스위치가 바이패스 모드인 경우, 제1 열전 소자(340-1)에 전류가 공급될 수 있다. 이러한 경우, 펠티어 효과에 의해 제1 열전 소자(340-1)의 일 면은 발열을 하고 다른 면은 냉각이 수행될 수 있다. 이때 냉각하는 접점을 이용하여 PWM 제어부(330)의 FET(field effect transistor)를 냉각하여 FET가 발열함으로 인해 받게 되는 열을 줄여줄 수 있다.
제1 스위치에서 부스트 모드가 되면 DC-DC 컨버터의 차량에 이그니션(Ignition) 동작시 발생하는 배터리 전압 드롭으로 인한 오디오 시스템(350)의 음향 크랙을 방지하기 위한 기능이 수행될 수 있다. MUC(310)와 열전 소자(340)를 연결하는 제2 스위치는 펠티어 효과를 기반으로 한 제1 열전 소자(340-1)에 연결되어 지속적으로 FET의 열을 식혀줌으로써 기존의 DC-DC 컨버터에 따로 구현되었던 방열판이 따로 필요가 없게 된다.
차량의 이그니션 동작이 기존 전압 안정화 시간이 지나면 제2 스위치는 제2 열전 소자(340-2)에 연결되며, 제1 열전 소자(340-1)의 발열하는 접점을 이용하여 제2 열전 소자(340-2)는 전류를 생산하는 제베크 효과를 이용하여 출력부(320)에 보내는 기존 전압 안정화 시간을 더 늘려줄 수 있다. 즉, 제2 열전 소자(340-2)에 의하여 기존의 DC-DC 컨버터에서 전압 안정화에 걸리던 시간이 증가할 수 있게 되어 보다 긴 시간 동안 전압 안정화를 수행할 수 있다. 이러한 제2 열전 소자(340-2)의 동작은 시동 시간이 안정화 시간보다 큰 경우에 선택적으로 수행되어 시동 시간이 길어져서 전압 안정화가 되지 않는 경우에 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 바이패스 모드로 동작시 DC-DC 컨버터의 동작을 나타낸 순서도이다.
도 4에서는 DC-DC 컨버터가 바이패스 모드로 동작시 제1 열전 소자의 동작에 대해 개시한다.
도 4를 참조하면, DC-DC 컨버터의 동작을 바이패스 모드로 결정한다(단계 S400).
바이패스 모드는 전압 보강이 필요가 없는 경우, 동작하는 모드일 수 있다. 차량이 안정적으로 동작하는 경우와 같이 전압 강하가 일어나지 않는 구간에서는 바이패스 모드를 선택하여 DC-DC 컨버터를 동작시킬 수 있다.
제1 열전 소자를 동작시킨다(단계 S410).
제1 열전 소자는 입력 신호가 일정하게 들어온다고 판단되는 경우 동작할 수 있다. 제1 열전 소자가 동작하는 경우, FET 발열을 냉각할 수 있다. 전술한 바와 같이 제1 열전 소자는 펠티어 효과에 의해서 서로 다른 두 개의 소자 양단에 직류 전압을 가하면 전류의 방향에 따라 열전 소자의 한쪽 면에서는 흡열하고 열전 소자의 다른 면에서는 발열을 일으킬 수 있다. 제1 열전 소자를 사용함으로써 기존에 냉각을 위해 사용되었던 발열판을 DC-DC 컨버터에서 사용하지 않을 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 부스트 모드로 동작시 DC-DC 컨버터의 동작을 나타낸 순서도이다.
도 5에서는 MCU와 열전 소자 사이를 연결하는 제2 스위치의 동작에 대해 개시한다. 구체적으로 부스트 모드로 동작을 수행하는 경우, MCU 부에서 제2 스위치를 기반으로 제1 열전 소자 또는 제2 열전 소자를 연결하여 DC-DC 컨버터의 성능을 개선하는 동작에 대해 개시한다. DC-DC 컨버터가 바이패스 모드인 경우 전술한 바와 같이 제1 열전 소자를 기반으로 FET를 냉각할 수 있다.
도 5를 참조하면, MCU는 입력 신호를 기반으로 제2 스위치의 스위칭을 결정한다(단계 S500).
MCU는 입력 신호(예를 들어, signal IGN on, start signal 등)을 기반으로 제1 열전 소자를 기반으로 DC-DC 컨버팅 동작을 수행할지, 제2 열전 소자를 기반으로 DC-DC 컨버팅 동작을 수행할지 여부에 대해 결정할 수 있다.
MCU에서는 입력 신호를 카운트하여 입력 신호가 일정하게 들어오는지 여부에 대해 판단할 수 있다. 입력 신호를 카운트 하는 동작을 기반으로 현재 공급되는 전압이 전압 하강이 일어났는지 여부에 대해 판단할 수 있다.
예를 들어, 카운트를 수행한 입력 신호가 일정하다면, 제1 열전 소자에 연결되어 FET를 냉각하기 위한 역할을 수행할 수 있다. 반대로 카운트를 수행한 입력 신호가 일정하지 않다면, 제2 열전 소자에 연결되어 강하된 전압을 보강할 수 있다.
제1 열전 소자를 동작시킨다(단계 S510).
제1 열전 소자는 입력 신호가 일정하게 들어온다고 판단되는 경우 동작할 수 있다. 제1 열전 소자가 동작하는 경우, FET 발열을 냉각할 수 있다. 전술한 바와 같이 제1 열전 소자는 펠티어 효과에 의해서 서로 다른 두 개의 소자 양단에 직류 전압을 가하면 전류의 방향에 따라 한쪽 변에서는 흡열하고 반대 면에서는 발열을 일으킬 수 있다. 즉, MCU에 의해 제1 열전 소자가 동작하는 경우, FET 발열을 냉각할 수 있다. 제1 열전 소자의 일면은 FET의 발열을 냉각하기 위해 사용되나, 제1 열전 소자의 다른 면은 발열 작용을 일으켜 제2 열전 소자가 전력을 생성하도록 할 수 있다.
제2 열전 소자를 동작시킨다(단계 S520).
제2 열전 소자는 입력 신호가 일정하게 들어오지 않는 다고 판단되는 경우 동작할 수 있다. 제2 열전 소자가 동작되는 경우, 제2 열전 소자에 연결되어 불안정한 전압을 보강할 수 있다. 제2 열전 소자는 제베크 효과를 기반으로 동작할 수 있다. 제2 열전 소자는 기존에 제1 열전 소자의 발열면에 의해 발생된 열 에너지를 이용하여 전력를 생성할 수 있고, 생성된 전력은 불안정한 DC 전압을 조정하기 위해 사용될 수 있다.
제1 열전 소자가 동작하는 경우, 지속적으로 시동 시간이 안정화 시간보다 큰지 여부에 대해 판단할 수 있다(단계 S530).
부스트 모드는 차량이 시동과 같은 동작을 수행시 전압 강하가 일어나지 않게 하기 위해 동작하는 모드일 수 있다. 제1 열전 소자에서 냉각을 수행시 시동 구간이 안정화 시간보다 큰지 여부에 대해 추가적으로 판단할 수 있다. 이러한 판단 과정을 통해 기존에 시동 구간이 안정화 시간 보다 큰 경우 발생하는 전압 강하 구간에서도 전압 강화가 일어나지 않도록 할 수 있다.
만약 시동 시간이 안정화 시간보다 큰 경우, 제2 열전 소자로 스위칭한다(단계 S520).
만약, 시동 시간이 안정화 시간보다 큰 경우, 제2 열전 소자로 스위칭을 수행하여 PWM 제어부에 제2 열전 소자가 전력을 공급하여 전압 안정화를 수행하도록 할 수 있다.이러한 방법을 사용하여 DC-DC 컨버터와 연결된 오디오 시스템에 안정적으로 전력을 공급함으로써 음향에서 발생할 수 있는 크랙을 방지할 수 있다.
이러한 방법을 사용함으로써 제2 열전 소자에서 발생하는 전압을 이용하여 회로의 소자를 바꾸지 않고 기존 회로에서 열전 소자부만 추가하여 기존의 전압 안정화 시간보다 더 시간을 늘릴 수 있다. 또한 제1 열전 소자의 냉각 부분이 방열판 역할을 해주어 기존 DC-DC 컨버터의 방열판을 불필요하게 할 뿐만 아니라 시동이 반복적으로 온/오프될 경우, 불안정하게 되는 DC-DC 컨버터의 전압을 제2 열전 소자에서 발생하는 전력을 보강함으로써 안정화된 전압을 출력할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터 장치를 나타낸 개념도이다.
도 6에서는 DC-DC 컨버터 장치에서 열전 소자 스위칭 장치를 나타낸 개념도이다.
도 6에서 개시하는 열전 소자 스위칭 장치는 MCU일 수도 있고, 기타 다른 구성부와 연동되어 구성된 장치일 수도 있다. 열전 소자 스위칭 장치는 입력 신호 판단부(600), 안정화 시간 판단부(610), 스위칭부(620), 프로세서(630)를 포함할 수 있다. 도 6에서는 컨버팅 모드 판단부와 같이 DC-DC 컨버터의 동작 모드가 바이패스 모드인지 부스트 모드인지 여부를 결정하는 컨버팅 모드 판단부의 결정에 의해 부스트 모드로 결정된 경우 열전 소자 스위칭 동작을 수행하는 열전 소자 스위칭 장치의 동작에 대해 개시한다.
입력 신호 판단부(600)는 입력 신호(예를 들어, signal IGN on, start signal 등)을 기반으로 제1 열전 소자를 기반으로 DC-DC 컨버팅 동작을 수행할지, 제2 열전 소자를 기반으로 DC-DC 컨버팅 동작을 수행할지 여부에 대해 결정할 수 있다.
예를 들어, 입력 신호 판단부(600)에서는 입력 신호를 카운트하여 입력 신호가 일정하게 들어오는지 여부에 대해 판단할 수 있다. 입력 신호를 카운트하는 동작을 기반으로 현재 공급되는 전압이 전압 하강이 일어났는지 여부에 대해 판단할 수 있다.
입력 신호 판단부(600)의 판단 결과는 스위칭부(620)로 전달되어 스위치가 제1 열전 소자 또는 제2 열전 소자로 연결될 수 있다.
안정화 시간 판단부(610)는 스위칭부(620)가 제1 열전 소자로 스위칭이 되어 있는 경우, 시동 시간과 안정화 시간을 비교하여 제2 열전 소자로 스위칭을 변경할지 여부에 대해 결정할 수 있다. 만약, 시동 시간이 안정화 시간보다 큰 경우, 제2 열전 소자로 스위칭을 수행하여 PWM 제어부에 제2 열전 소자가 전력을 공급하여 전압 안정화를 수행하도록 할 수 있다.이러한 방법을 사용하여 DC-DC 컨버터와 연결된 오디오 시스템에 안정적으로 전력을 공급함으로써 크랙을 방지할 수 있다. 반대로 시동 시간이 안정화 시간보다 작거나 같은 경우, 제1 열전 소자로의 스위칭을 유지할 수 있다.
스위칭부(620)는 입력 신호 판단부(600)와 안정화 시간 판단부(610)의 판단 결과를 기반으로 제1 열전 소자와 제2 열전 소자 사이에서 스위칭을 수행하기 위해 구현될 수 있다.
프로세서(630)는 입력 신호 판단부(600), 안정화 시간 판단부(610), 스위칭부(620)의 동작을 제어하기 위해 구현될 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. DC-DC 컨버터의 전압 공급 방법에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터의 동작 모드가 바이패스 모드인지 부스트 모드인지 여부를 결정하는 단계
    상기 동작 모드가 부스트 모드인 경우, 입력 신호를 기반으로 제1 열전 소자로 스위칭을 할지 여부를 결정하는 단계;
    상기 제1 열전 소자로 스위칭된 경우, 상기 제1 열전 소자를 기반으로 DC 전압을 공급하고, 시동 시간이 안정화 시간보다 큰지 여부에 대해 판단하는 단계; 및
    상기 시동 시간이 상기 안정화 시간보다 크지 않은 경우, 상기 제1 열전 소자를 기반으로 출력부에 상기 DC 전압을 공급하는 단계를 포함하되,
    상기 바이패스 모드는 상기 DC 전압의 보강을 수행하지 않는 컨버팅 모드이고,
    상기 부스트 모드는 상기 DC 전압의 보강을 수행하는 컨버팅 모드이고,
    상기 제1 열전 소자는 일 면은 흡열 작용을 수행하고 다른 면은 발열 작용을 수행하는 DC-DC 컨버터의 전압 공급 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시동 시간이 상기 안정화 시간보다 큰 경우, 상기 제1 열전 소자에서 제2 열전 소자로 스위칭하는 단계를 더 포함하되,
    상기 제2 열전 소자는 상기 제1 열전 소자를 통해 흡수한 열 에너지를 기반으로 전력을 생성하고 상기 전력을 기반으로 상기 DC 전압에 대한 보강을 수행하는 열전 소자인 DC-DC 컨버터의 전압 공급 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 입력 신호를 기반으로 제2 열전 소자로 스위칭된 경우, 상기 제2 열전 소자를 기반으로 상기 DC 전압을 공급하는 단계를 더 포함하는 DC-DC 컨버터의 전압 공급 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 동작 모드가 상기 바이패스 모드인 경우, 상기 입력 신호를 기반으로 상기 제1 열전 소자로 스위칭하는 단계를 더 포함하는 DC-DC 컨버터의 전압 공급 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 출력부는 오디오 시스템과 연결되어 상기 오디오 시스템에 상기 DC 전압을 공급하고,
    상기 제1 열전 소자는 상기 출력부와 연결된 PWM(pulse width modulation) 제어부 내부의 FET(field effect transistor)를 냉각하도록 구현되고,
    상기 PWM 제어부는 입력받은 전압을 상기 오디오 시스템에 필요한 상기 DC 전압으로 승압을 하도록 구현되는 DC-DC 컨버터의 전압 공급 방법.
  6. DC-DC 컨버터 장치에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터의 동작 모드가 바이패스 모드인지 부스트 모드인지 여부를 결정하는 컨버팅 모드 판단부;
    상기 동작 모드가 상기 부스트 모드인 경우, 입력 신호를 기반으로 제1 열전 소자로 스위칭을 할지 여부를 결정하는 입력 신호 판단부;
    입력 신호를 기반으로 상기 제1 열전 소자로의 스위칭이 결정된 경우, 상기 제1 열전 소자로 상기 스위칭을 수행하는 스위칭부;
    상기 제1 열전 소자로 스위칭된 경우, 시동 시간이 안정화 시간보다 큰지 여부에 대해 판단하여 스위칭될 열전 소자를 결정하는 안정화 시간 판단부; 및
    상기 제1 열전 소자를 기반으로 DC 전압을 공급하고, 상기 시동 시간이 상기 안정화 시간보다 크지 않은 경우, 상기 제1 열전 소자를 기반으로 상기 DC 전압을 공급하는 출력부를 포함하되,
    상기 바이패스 모드는 상기 DC 전압의 보강을 수행하지 않는 컨버팅 모드이고,
    상기 부스트 모드는 상기 DC 전압의 보강을 수행하는 컨버팅 모드이고,
    상기 제1 열전 소자는 일 면은 흡열 작용을 수행하고 다른 면은 발열 작용을 수행하는 DC-DC 컨버터 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 안정화 시간 판단부는 상기 시동 시간이 상기 안정화 시간보다 큰 경우, 상기 제1 열전 소자에서 제2 열전 소자로 스위칭하도록 구현되되,
    상기 제2 열전 소자는 상기 제1 열전 소자를 통해 흡수한 열 에너지를 기반으로 전력을 생성하고 상기 전력을 기반으로 상기 DC 전압에 대한 보강을 수행하는 열전 소자인 DC-DC 컨버터 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 출력부는,
    상기 입력 신호를 기반으로 제2 열전 소자로 스위칭된 경우, 상기 제2 열전 소자를 기반으로 상기 DC 전압을 공급하도록 구현되는 DC-DC 컨버터 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 스위칭부는,
    상기 동작 모드가 상기 바이패스 모드인 경우, 상기 입력 신호를 기반으로 상기 제1 열전 소자로 스위칭하도록 구현되는 DC-DC 컨버터 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 출력부는 오디오 시스템과 연결되어 상기 오디오 시스템에 상기 DC 전압을 공급하고,
    상기 제1 열전 소자는 상기 출력부와 연결된 PWM(pulse width modulation) 제어부 내부의 FET(field effect transistor)를 냉각하도록 구현되고,
    상기 PWM 제어부는 입력받은 전압을 상기 오디오 시스템에 필요한 상기 DC 전압으로 승압을 하도록 구현되는 DC-DC 컨버터의 장치.
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