KR101734215B1 - 안정성이 향상된 양방향 비절연 dc-dc 컨버터 - Google Patents

안정성이 향상된 양방향 비절연 dc-dc 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 안정성이 향상된 양방향 비절연 DC-DC 컨버터에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 비절연 양방향 DC-DC 컨버터는, 스위칭 신호에 응답하여 부스트 모드 또는 벅 모드로 스위칭되는 한 쌍의 스위칭 소자인 고전압 스위치와 저전압 스위치, 상기 고전압 스위치와 상기 저전압 스위치와 연결되는 인덕터를 포함하는 DC-DC 컨버터 유닛; 상기 DC-DC 컨버터 유닛의 인덕터와 고전압 스위치 사이에 배치되어 상기 고전압 스위치와 함께 백투백(back-to-back) 스위치 기능을 수행하는 제1 보호 스위치; 및 상기 제1 보호 스위치와 상기 고전압 스위치 간의 선로 간에 형성된 노드와 상기 저전압 스위치 사이에 배치되어 상기 저전압 스위치와 함께 백투백 스위치 기능을 수행하는 제2 보호 스위치를 포함한다.

Description

안정성이 향상된 양방향 비절연 DC-DC 컨버터{BIDIRECTIONAL NON-ISOLATION DC-DC CONVERTER WITH IMPROVED IN STABILITY}
본 발명은 양방향 비절연 DC-DC 컨버터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 안정성이 향상된 양방향 비절연 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
최근 차량용 48V 시스템이 보급됨에 따라, 기존의 12V(또는 24V) 시스템과 48V 시스템의 전기 흐름을 제어하기 위한, 양방향 DC-DC 컨버터의 필요성이 대두되었다. 상기 양방향 DC-DC 컨버터는 지령 신호에 따라 스위치가 제어되어, 부스트 모드(boost mode) 또는 벅 모드(buck mode)로 동작한다. 아래의 특허문헌은 양방향 DC-DC 컨버터 및 그의 제어방법에 대해서 개시한다.
한편, 12V(또는 24V) 단과 48V 단의 단락 및 역극성으로부터 컨버터 시스템을 보호하는 DC-DC 컨버터가 개시되었다.
도 1은 보호 회로가 내장된 종래의 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)에는 제1 백투백(back-to-back) 스위치(10)가 48V 단과 연결되고, 제2 백투백 스위치(20)가 12V 또는 24V 단과 연결되어, 단락 및 역극성으로부터 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)를 보호한다.
상기 백투백 스위치(10, 20)는 두 개의 스위치가 맞붙여 배치된 것으로서, 양방향으로 입력되는 과전압 또는 과전류, 잡음 신호, 역극성으로부터 비절연 양방향 DC-DC 컨버터 및 그 외의 부속품을 보호하는 기능을 수행한다. 즉, 48V 고전압과 연결된 제1 백투백 스위치(10), 12V 또는 24V 저전압에 연결된 제2 백투백 스위치(20) 각각은 48V의 단락, 12V/24V의 단락, 전기적 과도 현상 등으로부터 내부 회로와 그 외의 부속품을 보호한다.
각각 백투백 스위치(10, 20)는 백투백 스위치 신호에 따라 턴온(turn on)되거나 턴오프(turn off)된다. 즉, 각 백투백 스위치(10, 20)는 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 구동되는 경우에, 턴온을 지시하는 스위칭 신호를 인가받아 턴온된다.
또한, 종래의 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)에는 각각의 백투백 스위치(10, 20)의 동작을 위한 별도의 전원인 게이트 전원(Vg1, Vg2)이 구비된다. 즉, 종래의 백투백 스위치(10, 20)는 기준 전위가 상위하여 서로 다른 별도의 게이트 전원(Vg1, Vg1)을 통해서, 게이트 전원을 공급받는다.
상술한 바와 같이, 보호 회로가 내장된 종래의 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)에는 한 쌍의 백투백 스위치(10, 20)가 구비된다. 즉, 고전압과 연결되는 제1백투백 스위치(10), 및 저전압과 연결되는 제2백투백 스위치(20)가 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)에 설치되어야 한다.
그런데 이러한 한 쌍의 백투백 스위치(10, 20)를 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)에 연결시키는 구조는, 비용상의 문제점을 야기할 뿐만 아니라, 전자제품을 소형화시키는 추세에 반하는 문제점이 있다. 또한, 종래의 보호 회로 구조는, 총 4개의 스위치(Q3, Q4, Q5, Q6)가 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)에 추가로 설치됨으로 인하여, 각 스위치(Q3, Q4, Q5, Q6)에서의 추가적인 손실이 발생하여, 이로 인해 컨버터 효율이 저하되는 문제점도 있다. 게다가, 종래의 백투백 스위치(10, 20)로 게이트 전원을 공급하기 위하여, 2개의 게이트 전원(Vg1, Vg2)을 추가 설치하여야 되기 때문에, 제품이 대형화되는 문제점도 있다.
한국공개특허 제10-2010-0115087호
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 제조단가가 저렴하고 소형화에 용이하며 안정성이 향상된 양방향 비절연 DC-DC 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른, 고전압 전원과 저전압 전원 사이에서 양방향 전압 변환을 수행하며 보호 스위치를 포함하는 비절연 양방향 DC-DC 컨버터는, 스위칭 신호에 응답하여 부스트 모드 또는 벅 모드로 스위칭되는 한 쌍의 스위칭 소자인 고전압 스위치와 저전압 스위치, 상기 고전압 스위치와 상기 저전압 스위치와 연결되는 인덕터를 포함하는 DC-DC 컨버터 유닛; 상기 DC-DC 컨버터 유닛의 인덕터와 고전압 스위치 사이에 배치되어 상기 고전압 스위치와 함께 백투백(back-to-back) 스위치 기능을 수행하는 제1 보호 스위치; 및 상기 제1 보호 스위치와 상기 고전압 스위치 간의 선로 간에 형성된 노드와 상기 저전압 스위치 사이에 배치되어 상기 저전압 스위치와 함께 백투백 스위치 기능을 수행하는 제2 보호 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 보호 스위치와 상기 고전압 스위치는 백투백 스위치로 동작하여 상기 고전압 전원과 상기 저전압 전원 사이에서 발생하는 비정상적인 전류를 차단할 수 있다.
또한, 상기 제2 보호 스위치와 상기 저전압 스위치는 백투백 스위치로 동작하여, 상기 고전압 전원 또는 상기 저전압 전원과 상기 저전압 스위치에서 접지된 그라운드 사이에서 발생하는 비정상적인 전류를 차단할 수 있다.
상기 스위치는, 반도체 스위치일 수 있다. 이 경우 상기 제1 보호 스위치의 소스가 상기 노드와 연결되고, 상기 제1 보호 스위치의 드레인이 상기 인덕터와 연결된다. 또한, 상기 제2 보호 스위치의 소스가 상기 노드와 연결되고, 상기 제2 보호 스위치의 드레인이 상기 저전압 스위치의 드레인과 연결된다.
본 발명에 따른 비절연 양방향 DC-DC 컨버터는, 시스템을 보호하는데 이용하는 스위치의 개수를 종래의 비절연 양방향 DC-DC 컨버터보다 감소시켜, 컨버터의 원가를 절감시키고 제품의 소형화시키는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 비절연 양방향 DC-DC 컨버터는, 시스템을 보호하는데 이용되는 스위치의 개수를 감소시킴에 따라, 스위치의 개수에 비례하여 발생하는 시스템 손실을 최소화하고 컨버터의 효율이 향상시키는 효과도 있다.
게다가, 본 발명에 따른 비절연 양방향 DC-DC 컨버터는, 하나의 게이트 전원을 이용하여 세 개의 스위치로 전원을 공급하여 게이트 전원의 개수를 줄임으로써, 제품 소형화를 더욱 용이하게 하는 이점이 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 보호 회로가 내장된 종래의 비절연 양방향 DC-DC 컨버터를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안정성이 향상된 비절연 양방향 DC-DC 컨버터를 나타내는 도면이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안정성이 향상된 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)를 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 안정성이 향상된 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)는 고전압 전원(210), 저전압 전원(220), 커패시터(240), DC-DC 컨버터 유닛(230) 및 복수의 보호 스위치(251, 252)를 포함한다.
고전압 전원(210)은 저전압 전원(220)보다 높은 전압을 가지며 충방전이 가능한 전원 장치로서, 48V 배터리가 채택될 수 있으며, 울트라 커패시터가 채택될 수도 있다. 상기 고전압 전원(210)은 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)가 구동되면, DC-DC 컨버터 유닛(230)과 전기적으로 연결되어 고전압을 사용하는 부하 장치로 전원을 인가하거나 저전압 전원(220)을 충전시킨다.
저전압 전원(220)은 고전압 전원(210)보다 낮은 전압을 가지며 충방전이 가능한 전원 장치로서, 12V 배터리 또는 24V 배터리가 채택될 수 있다. 상기 저전압 전원(220)은 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)가 구동되면, 저전압을 사용하는 부하 장치로 전원을 인가하거나 고전압 전원(210)을 충전시킨다.
커패시터(240)는 저전압 전원(220)에 병렬 연결되며, 출력 평활용 커패시터가 사용될 수 있다.
DC-DC 컨버터 유닛(230)은 스위칭 신호에 따라, 부스트 모드(boost mode) 또는 벅 모드(buck mode)로 동작한다. 즉, DC-DC 컨버터 유닛(230)은 스위칭 신호에 의해서, 저전압 전원(220)의 전류를 고전압 전원(210)으로 이동시키는 부스트 모드로 동작하거나, 고전압 전원(210)의 전류를 저전압 전원(220)으로 이동시키는 벅 모드로 동작한다.
상기 DC-DC 컨버터 유닛(230)은 전류가 흐를 때 에너지를 축적하는 인덕터(233), 서로 상보적으로 동작하는 한 쌍의 스위치(231, 232)를 포함한다.
DC-DC 컨버터 유닛(230)에 포함된 한 쌍의 스위치(231, 232)(Qc, Qd)는 고전압 스위치(231)(Qc)와 저전압 스위치(232)(Qd)로 구분되며, 각 스위치(231, 232)는 스위칭 신호(S3, S4)에 따라 턴온(turn on)되거나 턴오프(turn off)된다. 각 스위치(231, 232, 251, 252)는 스위치 제어 모듈(도면에 도시되지 않음)에서 생성된 스위칭 신호인 PWM(Pulse Width Modulation)에 근거하여 턴온되거나 턴오프된다. 특히, 저전압 스위치(232)(Qd)와 고전압 스위치(231)(Qc)는 서로 상보적으로 동작한다. 즉, 저전압 스위치(232)(Qd)가 턴온되면 고전압 스위치(231)(Qc)는 턴오프되고, 또한 고전압 스위치(231)(Qc)가 턴온되면 저전압 스위치(232)(Qd)가 턴오프된다.
저전압 전원(220)에서 고전압 전원(210)으로 전류가 이동될 때, 저전압 스위치(232)(Qd)가 메인 스위치로서 작동하고, 반대로 고전압 전원(210)에서 저전압 전원(220)으로 전류가 이동될 때, 고전압 스위치(231)(Qc)가 메인 스위치로 작동한다. 바람직하게, 각각의 스위치(231, 232, 251, 252)는 반도체 스위치로서 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect) 스위치가 이용될 수 있다. 또한, 저전압 스위치(232)(Qd)는 접지될 수 있다.
상기 인덕터(233)와 상기 고전압 스위치(231)(Qc) 상의 선로에는 분기점인 제1 노드(N1)가 형성되고, 고전압 전원(210)의 음극과 저전압 전원(220)의 음극이 연결되는 선로에는 분기점인 제2 노드(N2)가 형성된다. 상기 고전압 스위치(231)(Qc)의 드레인은 고전압 전원(210)의 양극과 연결되고, 상기 고전압 스위치(231)(Qc)의 소스는 제1 노드(N1)와 연결된다. 또한, 저전압 스위치(232)(Qd)의 소스는 제2 노드(N2)와 연결되고 저전압 스위치(232)(Qd)의 드레인은 제2 보호 스위치(252)(Qb)의 드레인과 연결된다.
하나의 게이트 전원(Vg)을 통해서, 고전압 스위치(231)(Qc), 제1 보호 스위치(251)(Qa), 제2 보호 스위치(252)(Qb)의 게이트에 전원이 공급된다. 부연하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 비절연 DC-DC 컨버터(200)에 포함된 고전압 스위치(231)(Qc), 제1 보호 스위치(251)(Qa) 및 제2 보호 스위치(252)(Qb)의 기준 전위가 동일함에 따라, 하나의 게이트 전원(Vg)을 통해서 고전압 스위치(231)(Qc), 제1 보호 스위치(251)(Qa) 및 제2 보호 스위치(252)(Qb)에 게이트 전원 공급이 가능하다. 한편, 저전압 스위치(232)(Qd)에는 별도의 게이트 전원(도면에 도시되지 않음)을 통해 게이트 전원이 공급될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)는 제1 보호 스위치(251)(Qa)가 인덕터(233)와 제1 노드(N1) 사이에 배치되어 백투백(back-to-back) 스위치의 기능을 수행하고, 제2 보호 스위치(252)(Qb)가 저전압 스위치(232)(Qd)와 제1 노드(N1) 사이에 배치되어 백투백 스위치의 기능을 수행한다.
구체적으로, 제1 보호 스위치(251)(Qa)의 드레인이 인덕터(233)와 직렬 연결되며, 제1 보호 스위치(251)(Qa)의 소스가 제1 노드(N1)와 연결되고, 이러한 연결 구조에 따라 고전압 전원(210)과 저전압 전원(220) 사이에서 고전압 스위치(231)(Qc)와 제1 보호 스위치(251)(Qa)가 백투백 스위치의 기능을 수행하여, 상기 고전압 전원(210)과 저전압 전원(220) 사이에서 단락으로 인해 발생하는 비정상적인 전류 흐름을 차단하고, 오결선으로 인해서 발생할 수 있는 역극성 전류를 차단한다.
또한, 제2 보호 스위치(252)(Qb)의 드레인이 저전압 스위치(232)(Qd)의 드레인과 연결되며, 제2 보호 스위치(252)(Qb)의 소스가 제1 노드(N1)와 연결되고, 이러한 연결 구조에 따라 상기 제2 보호 스위치(252)(Qb)와 저전압 스위치(232)(Qd)가 전원(210, 220)과 그라운드(GND) 사이에서 백투백 스위치의 기능을 수행한다. 즉, 상기 제2 보호 스위치(252)(Qb)와 저전압 스위치(232)(Qd)가 고전압 전원(210) 또는 저전압 전원(220)과 그라운드(GND) 사이에 단락(short)으로 인해 발생하는 비정상적인 전류 흐름을 차단하고, 오결선으로 인해서 발생하는 역극성 전류의 흐름을 차단하여, 단락 및 역극성으로부터 시스템을 보호한다.
한편, 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)가 구동되면, 제1 보호 스위치(251)(Qa) 및 제2 보호 스위치(252)(Qb)를 턴온시키는 스위칭 신호가 스위칭 제어 모듈(도면에 도시되지 않음)에서 계속적으로 발생될 수 있다. 또한, 고전압 스위치(231)(Qc), 저전압 스위치(232)(Qd) 중 어느 하나를 턴온시키는 스위칭 신호가 스위칭 제어 모듈에서 발생될 수도 있다. 즉, 스위치 제어 모듈은 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)가 구동되면, 제1 보호 스위치(251)(Qa)와 제2 보호 스위치(252)(Qb) 모두를 턴온시키는 스위칭 신호를 발생시킨 상태에서, 동작 모드(즉, 부스트 모드 또는 벅 모드)에 근거하여 고전압 스위치(231)(Qc), 저전압 스위치(232)(Qd) 중 어느 하나를 턴온시키는 신호를 발생시킬 수 있다.
보호 스위치(251, 252)를 포함하는 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)는 제1 보호 스위치(251)(Qa)와 고전압 스위치(252)(Qc)를 통해, 고전압 전원(210)과 저전압 전원(220) 사이에서 발생할 수 있는 의도치 않은 비정상적인 전류(예컨대, 역극성 전류, 과도 전류 등)를 차단할 수 있다. 또한, 고전압 전원(210) 또는 저전압 전원(220)과 그라운드(GND) 사이에서 발생하는 의도치 않은 전류 흐름은, 제2 보호 스위치(252)(Qb)와 저전압 스위치(232)(Qd)를 통해서 차단된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 보호 스위치가 포함된 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)는, 종래의 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)보다 스위치 개수가 감소되어, 원가 절감과 소형화가 용이한 효과가 있다, 또한, 본 발명의 실시예에 따른 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)는, 종래의 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)와 비교하여 스위치 개수를 감소시켜, 이에 따라 각 스위치의 개수에 비례하여 발생하는 시스템 손실을 최소화함으로써, 컨버터의 효율이 향상시킨다. 게다가, 본 발명의 실시예에 따른 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)는, 하나의 게이트 전원(Vg)을 이용하여 세 개의 스위치(231, 251, 252)로 전원을 공급하여 게이트 전원의 개수를 줄임으로써, 제품 소형화에 매우 적합하다.
한편, 상술한 실시예에서, 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)는 단일의 DC-DC 컨버터 유닛(230)을 포함하는 것으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 복수의 DC-DC 컨버터 유닛(230)을 포함하는 멀티페이즈형 비절연 양방향 DC-DC 컨버터에 적용될 수 있음을 분명히 해 둔다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
200 : 비절연 양방향 DC-DC 컨버터 210 : 고전압 전원
220 : 저전압 전원 230 : DC-DC 컨버터 유닛
231 : 고전압 스위치 232 : 저전압 스위치
233 : 인덕터 240 : 커패시터
251 : 제1보호 스위치 252 : 제2보호 스위치

Claims (4)

  1. 고전압 전원과 저전압 전원 사이에서 양방향 전압 변환을 수행하며, 보호 스위치를 포함하는 비절연 양방향 DC-DC 컨버터에 있어서,
    스위칭 신호에 응답하여 부스트 모드 또는 벅 모드로 스위칭되는 한 쌍의 스위칭 소자인 고전압 스위치와 저전압 스위치, 상기 고전압 스위치와 상기 저전압 스위치와 연결되는 인덕터를 포함하는 DC-DC 컨버터 유닛;
    상기 DC-DC 컨버터 유닛의 인덕터와 고전압 스위치 사이에 배치되어 상기 고전압 스위치와 함께 백투백(back-to-back) 스위치 기능을 수행하는 제1 보호 스위치; 및
    상기 제1 보호 스위치와 상기 고전압 스위치 간의 선로 간에 형성된 노드와 상기 저전압 스위치 사이에 배치되어 상기 저전압 스위치와 함께 백투백 스위치 기능을 수행하는 제2 보호 스위치;를 포함하는 양방향 비절연 DC-DC 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 보호 스위치와 상기 고전압 스위치는 백투백 스위치로 동작하여 상기 고전압 전원과 상기 저전압 전원 사이에서 발생하는 비정상적인 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 양방향 비절연 DC-DC 컨버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 보호 스위치와 상기 저전압 스위치는 백투백 스위치로 동작하여, 상기 고전압 전원 또는 상기 저전압 전원과 상기 저전압 스위치에서 접지된 그라운드 사이에서 발생하는 비정상적인 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 양방향 비절연 DC-DC 컨버터.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 보호 스위치, 상기 제2 보호 스위치, 상기 저전압 스위치 및 상기 고전압 스위치는, 반도체 스위치이고,
    상기 제1 보호 스위치의 소스가 상기 노드와 연결되고, 상기 제1 보호 스위치의 드레인이 상기 인덕터와 연결되며,
    상기 제2 보호 스위치의 소스가 상기 노드와 연결되고, 상기 제2 보호 스위치의 드레인이 상기 저전압 스위치의 드레인과 연결되며,
    하나의 게이트 전원을 통해서, 상기 고전압 스위치의 게이트, 상기 제1 보호 스위치의 게이트 및 상기 제2 보호 스위치의 게이트에 전원이 공급되는 것을 특징으로 하는 양방향 비절연 DC-DC 컨버터.
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