KR101798879B1 - 2단 차동 벅 컨버터 및 그 구동방법 - Google Patents

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차헌녕
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

입력 전압을 변환하여 제1 커패시터로 출력하는 차동 벅 컨버터 및 상기 제1 커패시터의 양단에 연결되며 고정 듀티비로 동작하는 2상 인터리브드 벅 컨버터를 포함하는 2단 차동 벅 컨버터가 개시된다.

Description

2단 차동 벅 컨버터 및 그 구동방법{TWO-STAGE DIFFERENTIAL BUCK CONVERTER AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 2단 차동 벅 컨버터 및 그 구동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 충방전 시험 장치에 적용되는 2단 차동 벅 컨버터 및 그 구동방법에 관한 것이다.
이동식 전자 장치에서부터 전기차에 이르기까지 다양한 분야에서 널리 사용되는 배터리의 제조 방법은 여러 단계로 나누어질 수 있는데, 그 중 마지막 단계는 셀 형성 단계를 포함한다.
셀 형성 단계에서는 배터리의 셀이 충방전되면서 사용 가능한 형태의 물질로 변화하고, 셀이 활성화되어 캐소드와 애노드 사이에 전극이 형성된다. 즉, 셀 형성 단계는 정전류(CC: Constant Current)/정전압(CV: Constant Voltage)방식의 충전 단계와 정전류(CC) 방식의 방전 단계를 포함하는데, 이때, 다음과 같은 세 가지 조건이 충족되어야 한다. 먼저, 충전 및 방전 단계에서 배터리의 전류 리플이 낮아야 하고, 방전 단계는 반드시 배터리 전압이 '0'이 될 때까지 이루어져야 하며, 마지막으로, 정전류(CC)/정전압(CV) 제어의 정확도가 높아야 한다.
도 1은 종래의 선형 파워 서플라이를 이용한 배터리 충방전 시스템의 일 예를 도시한 도면이다.
종래에는 셀 형성 단계에서의 배터리 충방전 시험시, 배터리의 전류 리플이 매우 낮다는 장점을 갖는 선형 파워 서플라이를 이용하였는데, 도 1을 참조하면, 두 개의 선형 파워 서플라이가 각각 충전 단계와 방전 단계에서 사용됨에 따라 그 효율이 낮고 방전 에너지는 다시 사용될 수 없다는 단점이 있다.
이러한 종래의 선형 파워 서플라이를 이용한 배터리 충방전 시스템의 단점을 보완하기 위해 복수의 양방향 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 배터리 충방전 시스템이 제안되었다.
복수의 양방향 소프트 스위칭 컨버터를 이용하는 경우, 높은 효율을 달성할 수 있으며, 방전 단계에서의 에너지 재사용이 가능하고, 1단 구성으로도 충전 및 방전이 모두 가능하며, 비교적 저렴한 가격으로 구현할 수 있을 뿐만 아니라 그 크기도 소형화할 수 있다는 장점을 갖는다.
그러나, 상술한 바와 같이 셀 형성 단계에서의 배터리 충방전시, 방전 단계는 배터리 전압이 '0'이 될때까지 이루어지는 것이 바람직하나, 복수의 양방향 소프트 스위칭 컨버터의 경우 인덕터의 ESR(Equivalent series resistance) 및 스위칭 소자들의 전압 강하에 의해 자체적으로는 영전압 방전이 불가능하다.
이에 따라, 영전압 방전이 가능한 차동 벅 컨버터를 이용한 배터리 충방전 시스템이 제안되었다. 차동 벅 컨버터는 두 개의 컨버터가 연결된 형태로, 각 컨버터의 출력 전압의 차이가 0이 되는 경우 부하에 걸리는 전압이 0이 된다. 아울러, 각 컨버터는 양방향 스위칭 컨버터로 구현되어 충방전이 모두 가능하다.
그러나, 이러한 차동 벅 컨버터는 다상(multi-phase), 높은 인덕터 값 및 높은 스위칭 주파수의 조건이 충족되는 경우에만 낮은 전류 리플이 보장됨에 따라 도 2와 같은 4상 차동 벅 컨버터가 가장 널리 사용되고 있다.
도 2는 일반적인 4상 차동 벅 컨버터의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 4상 차동 벅 컨버터는 16개의 스위치 소자와 8개의 인덕터를 포함하여 구성된다. 이러한 4상 차동 벅 컨버터에 포함되는 복수의 스위치는 높은 전압 스트레스를 가지며, 높은 스위치 주파수가 요구되는데, 이에 따라 4상 차동 벅 컨버터는 스위칭 손실이 높다는 문제점이 있다. 아울러, 높은 스위칭 주파수에 의해 정전류(CC)/정전압(CV) 제어의 정확도가 낮아진다는 문제점이 있다.
본 발명의 일측면은 영전압 방전 기능을 갖는 차동 벅 컨버터와 출력 전류 리플을 항상 0으로 만드는 2상 인터리브드 벅 컨버터가 캐스케이드로 연결된 2단 차동 벅 컨버터 및 그 구동방법을 제공한다.
본 발명의 일측면은 2단 차동 벅 컨버터에 관한 것으로, 입력 전압을 변환하여 제1 커패시터로 출력하는 차동 벅 컨버터 및 상기 제1 커패시터의 양단에 연결되며 고정 듀티비로 동작하는 2상 인터리브드 벅 컨버터를 포함한다.
한편, 상기 차동 벅 컨버터는, 두 개의 단상 벅 컨버터가 결합된 형태일 수 있다.
또한, 상기 차동 벅 컨버터는, 병렬로 연결된 제1 레그와 제2 레그 및 제1 레그와 제2 레그를 연결하는 제1 출력 전압선을 포함하고, 상기 제1 레그 및 상기 제2 레그에는 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련되고, 상기 제1 출력 전압선 상에는 제1 인덕터 및 제1 커패시터가 마련될 수 있다.
또한, 상기 차동 벅 컨버터는, 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치의 스위칭 동작에 따라 상기 입력 전압을 변환하여 상기 제1 커패시터로 출력할 수 있다.
또한, 상기 차동 벅 컨버터는, 0V 와 최대 전압 사이에서 원하는 출력 전압을 획득할 수 있도록 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치의 듀티비를 제어할 수 있다.
또한, 상기 차동 벅 컨버터는, 상기 제1 레그의 상측에는 상기 제1 스위치가 마련되고, 상기 제1 레그의 하측에는 상기 제2 스위치가 마련되며, 상기 제2 레그의 상측에는 상기 제3 스위치가 마련되고, 상기 제2 레그의 하측에는 상기 제4 스위치가 마련될 수 있다.
또한, 상기 차동 벅 컨버터는, 한 주기 동안 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치가 동일하게 동작하고, 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치가 동일하게 동작하며, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치와, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치가 반대로 동작할 수 있다.
또한, 상기 차동 벅 컨버터는, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치가 턴온되면, 상기 입력 전압이 상기 제1 인덕터에 저장될 수 있다.
또한, 상기 차동 벅 컨버터는, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치가 턴온되면, 상기 제1 인덕터에 저장되었던 에너지가 방출될 수 있다.
또한, 상기 2상 인터리브드 벅 컨버터는, 0.5로 고정되는 듀티비에 따라 동작할 수 있다.
또한, 상기 2상 인터리브드 벅 컨버터는, 병렬로 연결된 제3 레그와 제4 레그 및 상기 제3 레그와 상기 제4 레그를 연결하는 제2 출력 전압선을 포함하고, 상기 제3 레그 및 상기 제4 레그에는 제5 스위치 내지 제8 스위치가 마련되고, 상기 제2 출력 전압선 상에는 제2 인덕터 및 제3 인덕터가 마련될 수 있다.
또한, 상기 2상 인터리브드 벅 컨버터는, 상기 제2 인덕터 및 상기 제3 인덕터 사이와, 병렬로 연결된 상기 제3 레그 및 상기 제4 레그의 하측 접점을 연결하는 제3 출력 전압선을 더 포함하고, 상기 제3 출력 전압선 상에는 출력 커패시터가 마련될 수 있다.
또한, 상기 2상 인터리브드 벅 컨버터는, 병렬로 연결된 상기 제3 레그 및 상기 제4 레그의 상측 접점과 하측 접점은 각각 상기 제1 커패시터의 양단에 연결될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면은 2단 차동 벅 컨버터에 있어서, 입력 전압을 변환하여 출력하는 차동 벅 컨버터. 상기 차동 벅 컨버터와 캐스케이드로 연결되며, 고정 듀티비로 동작하는 2상 인터리브드 벅 컨버터 및 0V와 최대 전압 사이에서 원하는 출력 전압을 획득할 수 있도록 상기 차동 벅 컨버터의 듀티비를 제어하기 위해 마련되는 제어 회로를 포함한다.
한편, 상기 제어 회로는, 상기 차동 벅 컨버터의 출력 전류와 레퍼런스 전류를 비교하는 전류 루프 비교기 및 상기 2상 인터리브드 벅 컨버터와 연결되는 출력단의 출력 전압과 레퍼런스 전압을 비교하는 전압 루프 비교기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 2상 인터리브드 벅 컨버터는, 고정된 듀티비의 개방 루프에 의해 제어될 수 있다.
또한, 상기 2상 인터리브드 벅 컨버터는, 0.5의 듀티비로 동작하도록 제어될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면은 차동 벅 컨버터와 2상 인터리브드 벅 컨버터가 캐스케이드로 연결된 2단 차동 벅 컨버터의 구동방법에 있어서, 상기 차동 벅 컨버터는 0V와 최대 전압 사이에서 원하는 출력 전압을 획득할 수 있도록 설정되는 듀티비에 따라 동작하고, 상기 2상 인터리브드 벅 컨버터는 고정 듀티비에 따라 동작한다.
한편, 상기 차동 벅 컨버터는, 병렬로 연결된 제1 레그 및 제2 레그를 포함하고, 상기 제1 레그의 상측에는 제1 스위치가 마련되고, 상기 제1 레그의 하측에는 제2 스위치가 마련되고, 상기 제2 레그의 상측에는 제3 스위치가 마련되고, 상기 제2 레그의 하측에는 제4 스위치가 마련되며, 한 주기 동안 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치가 동일하게 동작하고, 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치가 동일하게 동작하며, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치와, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치가 반대로 동작할 수 있다.
또한, 상기 2상 인터리브드 벅 컨버터는 0.5의 듀티비에 따라 동작할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면 차동 벅 컨버터에 의해 영전압 방전 기능을 가지고, 2상 인터리브드 벅 컨버터에 의해 인덕턴스의 값, 스위칭 주파수, 상(phase)의 수 및 출력 전압과는 무관하게 출력 전류 리플이 항상 0으로 유지되어 스위칭 손실을 줄이고 정전류(CC)/정전압(CV) 제어의 정확도를 높일 수 있다. 또한, 종래의 4상 차동 벅 컨버터와 비교하여 스위치 소자 및 인덕터 소자의 수를 줄일 수 있으므로, 전체적인 제조 비용을 절감하고 전체적인 사이즈를 축소시킬 수 있다.
도 1은 종래의 선형 파워 서플라이를 이용한 배터리 충방전 시스템의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 일반적인 4상 차동 벅 컨버터의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터의 개략적인 회로도이다.
도 4는 차동 벅 컨버터에서의 전력 변환 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 차동 벅 컨버터의 소자에 흐르는 전류 또는 소자에 걸리는 전압에 대한 그래프이다.
도 6은 차동 벅 컨버터의 동작모드를 설명하기 위한 회로도이다.
도 7은 2상 인터리브드 벅 컨버터의 듀티비에 따른 출력 전류 리플 값을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터의 개략적인 회로도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 벅 컨버터의 소자에 흐르는 전류 또는 소자에 걸리는 전압의 일 예를 도시한 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터의 개략적인 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터(110)는 제1 단에 마련된 차동 벅 컨버터(110)와 제2 단에 마련된 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)가 캐스케이드로 연결된 형태로, 차동 벅 컨버터(110)에 의해 출력 전압을 0V 에서 최대 전압까지 가변시킬 수 있으며, 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)에 의해 전류 리플은 항상 0이 될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터(110)의 제1 단에 마련되는 차동 벅 컨버터(110)와 제2 단에 마련되는 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 차동 벅 컨버터(110)는 두 개의 양방향 DC-DC 컨버터가 부하에 병렬로 연결된 형태로, 제1 스위치(111) 내지 제4 스위치(114), 제1 인덕터(115) 및 제1 커패시터(116)를 포함하여 구성되며, 입력 전압(Vin)을 변환하여 출력하는데, 이때, 제1 스위치(111) 내지 제4 스위치(114)의 듀티비에 따라 출력 전압(Vc)의 값이 0V 와 최대 전압 사이에서 변화할 수 있다. 여기에서, 제1 스위치(111) 내지 제4 스위치(114)는 능동스위치로서, 일예로, MOSFET 스위치로 구현될 수 있다.
구체적으로는, 차동 벅 컨버터(110)는 병렬로 연결된 제1 레그(110-1)와 제2 레그(110-2) 및 제1 레그(110-1)와 제2 레그(110-2)를 연결하는 제1 출력 전압선(117)을 포함할 수 있다. 제1 레그(110-1)의 상측(high side)에는 제1 스위치(111)가 마련되고, 제1 레그(110-1)의 하측(low side)에는 제2 스위치(112)가 마련될 수 있으며, 제2 레그(110-2)의 상측에는 제3 스위치(113)가 마련되고, 제2 레그(110-2)의 하측에는 제4 스위치(114)가 마련될 수 있다. 제1 출력 전압선(117)은 제1 스위치(111)와 제2 스위치(112) 사이의 제1 노드(a)와, 제3 스위치(113)와 제4 스위치(114) 사이의 제2 노드(b)를 연결할 수 있으며, 제1 출력 전압선(117) 상에는 제1 인덕터(115) 및 제1 커패시터(116)가 마련될 수 있다.
또한, 차동 벅 컨버터(110)의 병렬로 연결된 제1 레그(110-1)와 제2 레그(110-2)의 상측 접점인 제3 노드(c) 및 제1 레그(110-1)와 제2 레그(110-2)의 하측 접점인 제4 노드(d)는 입력 커패시터와 연결될 수 있으며, 따라서, 제1 레그(110-1) 및 제2 레그(110-2)에 마련된 제1 스위치(111) 내지 제4 스위치(114)의 스위칭 동작에 따라 입력 전압(Vin)을 입력 받아 출력 전압(Vc)으로 변환하여 출력할 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이 제1 스위치(111) 내지 제4 스위치(114)의 듀티비에 따라 출력 전압(Vc)의 값이 0V 와 최대 전압 사이에서 변화할 수 있다. 이와 관련하여 도 4 내지 도 6을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 4는 차동 벅 컨버터에서의 전력 변환 특징을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 차동 벅 컨버터의 소자에 흐르는 전류 또는 소자에 걸리는 전압에 대한 그래프이고, 도 6은 차동 벅 컨버터의 동작모드를 설명하기 위한 회로도이다.
먼저, 도 4의 (a)를 참조하면, 차동 벅 컨버터(110)는 두 개의 DC-DC 컨버터가 부하(Load)에 병렬 연결되어 제1 DC 전압(또는 입력 전압)을 입력받고, 스위칭 동작에 따라 제2 DC 전압(또는 출력 전압)으로 변환하여 출력할 수 있다. 도 4의 (a)에서 병렬 연결된 두 개의 DC-DC 컨버터를 나타내는 "Converter A" 및 "Converter B"는 각각 단상 벅 컨버터로,"Converter A"는 도 3에 도시된 제1 스위치(111), 제2 스위치(112) 및 제1 인덕터(115)로 구성되는 단상 벅 컨버터이고, "Converter B"는 도 3에 도시된 제3 스위치(113), 제4 스위치(114) 및 제1 인덕터(115)로 구성되는 단상 벅 컨버터일 수 있다.
도 4의 (b)를 참조하면, 이러한 차동 벅 컨버터(110)를 구성하는 "Converter A" 및 "Converter B"가 각각 D와 (1-D)의 듀티비에 따라 동작하는 경우, "Converter A"의 출력 전압(V1)은 DVin이고, "Converter B"의 출력 전압(V2)는 (1-D)Vin으로 산출될 수 있다. 이에 따라, 차동 벅 컨버터(110)의 전체 출력 전압, 즉 부하에 걸리는 전압(Vc)은 아래의 수학식 1과 같이 산출될 수 있다.
Figure 112016071067899-pat00001
수학식 1에서 Vc는 차동 벅 컨버터(110)의 출력 전압을 나타내고, D는 차동 벅 컨버터(110)에 포함되는 스위치 소자들의 듀티비, Vin은 입력 전압을 나타낸다.
수학식 1에 따르면, 차동 벅 컨버터(110)의 출력 전압은 차동 벅 컨버터(110)의 듀티비(D)에 따라 결정됨을 알 수 있는데, D>0.5인 경우, 차동 벅 컨버터(110)의 출력 전압은 양의 값을 갖고, D<0.5인 경우, 차동 벅 컨버터(110)의 출력 전압은 음의 값을 가지며, D=0.5인 경우, 차동 벅 컨버터(110)의 출력 전압은 0이 됨을 확인할 수 있다.
도 5를 참조하면, 차동 벅 컨버터(110)에 포함되는 제1 스위치(111) 및 제3 스위치(113)의 턴온 듀티비(D)가 D>0.5인 경우, 차동 벅 컨버터(110)에 포함되는 제1 스위치(111) 내지 제4 스위치(114)의 PWM(pulsewidth-modulation) 스위칭 시퀀스와 제1 인덕터(115)에 흐르는 전류(iL) 및 제1 커패시터(116)에 걸리는 전압(Vc)을 확인할 수 있다.
구체적으로는, 한 주기(Ts) 동안 제1 스위치(111)와 제4 스위치(114)가 동일하게 동작하고, 제2 스위치(112) 및 제3 스위치(113)가 동일하게 동작하며, 제1 스위치(111) 및 제4 스위치(114)와 제2 스위치(112) 및 제3 스위치(113)는 서로 반대로 동작함을 확인할 수 있다. 즉, DTs 구간에서는 제1 스위치(111) 및 제4 스위치(114)가 턴온 상태이고, 제2 스위치(112) 및 제3 스위치(113)는 턴오프 상태이며, (1-D)Ts 구간에서는 제1 스위치(111) 및 제4 스위치(114)가 턴오프되고, 제2 스위치(112) 및 제3 스위치(113)가 턴온됨을 확인할 수 있다.
도 5 및 도 6의 (a)를 참조하면, DTs 구간에서는 제1 스위치(111) 및 제4 스위치(114)가 턴온되어 입력 전원이 제1 인덕터(115)에 저장됨을 확인할 수 있다. 도 6의 (a)에 형성된 폐회로에 KVL(Kirchhoff's Voltage Law) 법칙을 적용하면, 아래의 수학식 2 및 3과 같이 DTs 구간에서의 제1 인덕터(115)의 전류 리플 값을 산출할 수 있다.
Figure 112016071067899-pat00002
Figure 112016071067899-pat00003
수학식 3에서
Figure 112016071067899-pat00004
은 DTs 구간에서의 제1 인덕터(115)의 전류 리플을 나타내고, D은 제1 스위치(111) 및 제4 스위치(114)의 턴온 듀티비, Vin은 입력 전압, L1은 제1 인덕터(115)의 인덕턴스, Ts는 한 주기를 나타낸다.
도 5 및 도 6의 (b)를 참조하면, (1-D)Ts 구간에서는 제2 스위치(112) 및 제3 스위치(113)가 턴온되어 제1 인덕터(115)에 저장되었던 에너지가 방출됨을 확인할 수 있다. 도 6의 (b)에 형성된 폐회로에 KVL(Kirchhoff's Voltage Law) 법칙을 적용하면, 아래의 수학식 4 및 5와 같이 (1-D)Ts 구간에서의 제1 인덕터(115)의 전류 리플 값을 산출할 수 있다.
Figure 112016071067899-pat00005
Figure 112016071067899-pat00006
수학식 4에서
Figure 112016071067899-pat00007
은 (1-D)Ts 구간에서의 제1 인덕터(115)의 전류 리플을 나타내고, D은 제1 스위치(111) 및 제4 스위치(114)의 턴온 듀티비, Vin은 입력 전압, L1은 제1 인덕터(115)의 인덕턴스, Ts는 한 주기를 나타낸다.
한편, 다시 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터(110)의 제2 단에 마련되는 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)는 제1 커패시터(116)와 배터리 사이에 연결되며, 제5 스위치(121) 내지 제8 스위치(124), 제2 인덕터(125), 제3 인덕터(126) 및 출력 커패시터(127)를 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)는 출력 전류 리플이 0이 되도록 제5 스위치(121) 내지 제8 스위치(124)가 0.5의 고정 듀티비로 동작하는 것이 바람직하다. 여기에서, 제5 스위치(121) 내지 제8 스위치(124)는 능동스위치로써, 일예로, MOSFET 스위치로 구현될 수 있다.
구체적으로는, 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)는 병렬로 연결된 제3 레그(120-1)와 제4 레그(120-2) 및 제3 레그(120-1)와 제4 레그(120-2)를 연결하는 제2 출력 전압선(128)을 포함할 수 있다. 제3 레그(120-1)의 상측에는 제5 스위치(121)가 마련되고, 제3 레그(120-1)의 하측에는 제6 스위치(122)가 마련될 수 있으며, 제4 레그(120-2)의 상측에는 제7 스위치(123)가 마련되고, 제4 레그(120-2)의 하측에는 제8 스위치(124)가 마련될 수 있다. 제2 출력 전압선(128)은 제5 스위치(121)와 제6 스위치(122) 사이의 제5 노드(e)와, 제7 스위치(123)와 제8 스위치(124) 사이의 제6 노드(f)를 연결할 수 있으며, 제2 출력 전압선(128) 상에는 제2 인덕터(125) 및 제3 인덕터(126)가 마련될 수 있다. 이러한 제2 인덕터(125) 및 제3 인덕터(126) 사이의 제7 노드(g)와 병렬로 연결된 제3 레그(120-1) 및 제4 레그(120-2)의 하측 접점인 제2 노드(b)를 연결하는 제3 출력 전압선(129) 상에는 출력 커패시터(127)가 마련되고, 출력 커패시터(127)는 배터리와 병렬 연결되어 배터리로 출력 전압을 전달할 수 있다. 또한, 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)의 병렬로 연결된 제3 레그(120-1) 및 제4 레그(120-2)의 상측 접점인 제8 노드(h) 및 제3 레그(120-1)와 제4 레그(120-2)의 하측 접점인 제2 노드(b)는 각각 제1 커패시터(116)의 양단에 연결될 수 있다.
이와 같은 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)는 차동 벅 컨버터(110)와 캐스케이드로 연결되어 배터리로 인가되는 출력 전류의 전류 리플이 0이 되도록 동작하는데, 이와 관련하여 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.
도 7은 2상 인터리브드 벅 컨버터의 듀티비에 따른 출력 전류 리플 값을 도시한 그래프이다.
2상 인터리브드 벅 컨버터(120)의 출력 전류 리플 값은 아래의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016071067899-pat00008
수학식 6에서
Figure 112016071067899-pat00009
은 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)의 출력 전류 리플 값을 나타내고, D는 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)의 듀티비, Vc는 제1 커패시터(116)에 걸리는 전압, Ts는 한 주기, L2nd는 제2 인덕터 및 제3 인덕터(126)의 인덕턴스를 의미한다.
수학식 6으로부터 도 7과 같은 그래프가 도시되었으며, 수학식 6 및 도 7을 참조하면, 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)가 0.5의 고정 듀티비에 따라 동작하는 경우, 인덕턴스의 값, 스위칭 주파수, 상(phase)의 수 및 출력 전압과는 무관하게 출력 전류 리플 값이 항상 0이 됨을 확인할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터(110)는 캐스케이드로 연결된 차동 벅 컨버터(110) 및 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)를 포함하며, 차동 벅 컨버터(110)의 듀티비에 따라 출력 전압값을 제어하고, 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)를 0.5의 고정 듀티비에 따라 동작하도록 제어하여 출력 전류 리플 값이 항상 0이 될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터(110)는 배터리 제조의 마지막 단계에서 배터리 충방전 시험 시 적용될 수 있는데, 차동 벅 컨버터(110)의 듀티비를 제어하여 배터리를 0V까지 방전시킬 수 있으며, 이때, 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)의 듀티비는 0.5로 고정하여 출력 전류 리플은 항상 0으로 유지될 수 있다. 여기에서, 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)의 듀티비가 0.5로 고정되는 경우, 인덕턴스의 값, 스위칭 주파수, 상(phase)의 수 및 출력 전압과는 무관하게 출력 전류 리플 값이 항상 0으로 유지되며, 이에 따라, 스위칭 손실을 줄이고 정전류(CC)/정전압(CV) 제어의 정확도를 높일 수 있으므로, 배터리 제조의 마지막 단계에서 배터리 충방전 시험에 적합하다. 아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터(110)는 종래의 4상 차동 벅 컨버터와 비교하여 스위치 소자 및 인덕터 소자의 수를 줄일 수 있으므로, 전체적인 제조 비용을 절감하고 사이즈 또한 축소시킬 수 있다.
이와 같은, 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터(110)의 구동방법은, 제1 단에 마련되는 차동 벅 컨버터(110)는 0V와 최대 전압 사이에서 원하는 출력 전압을 획득할 수 있도록 설정되는 듀티비에 따라 동작할 수 있으며, 제2 단에 마련되는 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)는 고정 듀티비에 따라 동작할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터(110)가 배터리 충방전 시험에 적용되는 경우, 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터(110)의 출력단에 배터리가 연결되는 경우, 차동 벅 컨버터(110)의 듀티비를 제어함으로써 배터리를 영전압 방전시킬 수 있다. 아울러, 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)의 듀티비를 0.5로 제어함으로써 출력 전류 리플이 0으로 유지되도록 할 수 있다. 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터(110)의 구동방법에 대하여 도 8을 참조하여 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터의 개략적인 회로도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터(100')는 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터(110)와 동일한 구성에서 제1 단에 마련된 차동 벅 컨버터(110)를 제어하기 위한 제어 회로인 전류 루프 비교기(130) 및 전압 루프 비교기(140)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 따라서, 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터(110)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하여 설명하고, 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터(100')의 제1 단에 마련된 차동 벅 컨버터(110)는 출력 전압을 제어하기 위해 전류 루프 비교기(130) 및 전압 루프 비교기(140)로 이루어지는 폐쇄 루프(close loop)에 의해 제어될 수 있다. 반면, 2단 차동 벅 컨버터(100')의 제2 단에 마련된 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)는 출력 전류의 리플을 0으로 유지하기 위해 고정된 듀티비의 개방 루프(open loop)에 의해 제어될 수 있다. 즉, 수학식 6에 따르면 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)는 0.5의 듀티비를 유지하도록 제어될 수 있다.
다시 말하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터(100')의 출력 전압은 제1 단에 마련된 차동 벅 컨버터(110)에 의해 제어될 수 있으며, 이때 출력 전류 리플은 제2 단에 마련된 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)에 의해 인덕터 값, 스위칭 주파수, 상(phase)의 수 및 출력 전압에 무관하게 항상 0으로 유지될 수 있다. 이를 위해, 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)의 듀티비는 0.5로 유지되어야 하며, 이를 [수학식 1]에 적용하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터(100')의 전압 이득을 산출하면 아래의 수학식 7과 같다.
Figure 112016071067899-pat00010
수학식 7에서 D는 차동 벅 컨버터(110)의 듀티비를 의미한다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터(100')의 출력 전압은 제1 단에 마련된 차동 벅 컨버터(110)의 듀티비에 의해 결정되므로, 이를 위해, 전류 루프 비교기(130)는 제1 인덕터(115) 및 제1 커패시터(116) 사이에 마련된 전류 센서(131)로부터 차동 벅 컨버터(110)의 출력 전류를 획득하고, 출력 전류와 레퍼런스 전류를 비교할 수 있다. 또한, 전압 루프 비교기(140)는 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)의 출력단의 출력 전압을 획득하고, 출력 전압과 레퍼런스 전압을 비교할 수 있다. 이러한 전류 루프 비교기(130) 및 전압 루프 비교기(140)에서의 비교 결과에 따라 원하는 출력 전압을 획득할 수 있도록 차동 벅 컨버터(110)의 듀티비를 결정하여 차동 벅 컨버터(110)를 해당 듀티비에 따라 동작하도록 제어할 수 있다.
이하에서는, 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 차동 벅 컨버터(110)의 유리한 효과에 대하여 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 벅 컨버터의 소자에 흐르는 전류 또는 소자에 걸리는 전압의 일 예를 도시한 그래프이다.
도 9와 같은 그래프를 획득하기 위해 아래 표 1과 같은 조건을 갖는 2단 차동 벅 컨버터(110)를 구현하였다.
Figure 112016071067899-pat00011
그리고, 2단 차동 벅 컨버터(110)의 슛 스루(shoot-through) 고장을 방지하기 위해 1us의 데드 타임을 설정하였다. 이때, 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)는 상술한 바와 같이 출력 전류 리플을 0으로 유지하기 위해 0.5의 듀티비로 동작하도록 제어하는 것이 바람직하나, 데드 타임이 설정되었으므로 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)의 듀티비는 0.5보다 작은 값으로 설정하였다.
또한, 제1 인덕터(115)의 값은 최대 저장 가능한 전류 값과 허용 가능한 전류 리플 값을 반영하여 결정하였으며, 제2 인덕터(125) 및 제2 인덕터(125)의 값은 2상 인터리브드 벅 컨버터(120)의 듀티비에 따라 출력 전류 리플이 출력 전류의 0.5% 미만이 되도록 결정하였다.
도 9의 (a) 및 도 9의 (b)를 참조하면, 차동 벅 컨버터(110)의 출력 전압(Vc), 2단 차동 벅 컨버터(110)의 출력 전압(Vo), 출력 전류(iLo) 및 제1 인덕터(115) 내지 제3 인덕터(126)에 흐르는 전류 값을 확인할 수 있다. 특히, 도 9의 (c)를 참조하면, 출력 전류 리플이 100A의 출력 전류와 비교하였을 때 매우 낮음을 확인할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 2단 차동 벅 컨버터
110: 차동 벅 컨버터
120: 2상 인터리브드 벅 컨버터
130: 전류 루프 비교기
131: 전류 센서
140: 전압 루프 비교기

Claims (20)

  1. 입력 전압을 변환하여 제1 커패시터로 출력하는 차동 벅 컨버터; 및
    상기 제1 커패시터의 양단에 연결되며 고정 듀티비로 동작하는 2상 인터리브드 벅 컨버터를 포함하는 2단 차동 벅 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차동 벅 컨버터는,
    두 개의 단상 벅 컨버터가 결합된 형태인 2단 차동 벅 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 차동 벅 컨버터는,
    병렬로 연결된 제1 레그와 제2 레그 및 제1 레그와 제2 레그를 연결하는 제1 출력 전압선을 포함하고,
    상기 제1 레그 및 상기 제2 레그에는 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련되고,
    상기 제1 출력 전압선 상에는 제1 인덕터 및 제1 커패시터가 마련되는 2단 차동 벅 컨버터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 차동 벅 컨버터는,
    상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치의 스위칭 동작에 따라 상기 입력 전압을 변환하여 상기 제1 커패시터로 출력하는 2단 차동 벅 컨버터.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 차동 벅 컨버터는,
    0V 와 최대 전압 사이에서 원하는 출력 전압을 획득할 수 있도록 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치의 듀티비를 제어하는 2단 차동 벅 컨버터.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 차동 벅 컨버터는,
    상기 제1 레그의 상측에는 상기 제1 스위치가 마련되고, 상기 제1 레그의 하측에는 상기 제2 스위치가 마련되며,
    상기 제2 레그의 상측에는 상기 제3 스위치가 마련되고, 상기 제2 레그의 하측에는 상기 제4 스위치가 마련되는 2단 차동 벅 컨버터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 차동 벅 컨버터는,
    한 주기 동안 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치가 동일하게 동작하고,
    상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치가 동일하게 동작하며,
    상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치와, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치가 반대로 동작하는 2단 차동 벅 컨버터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 차동 벅 컨버터는,
    상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치가 턴온되면, 상기 입력 전압이 상기 제1 인덕터에 저장되는 2단 차동 벅 컨버터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 차동 벅 컨버터는,
    상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치가 턴온되면, 상기 제1 인덕터에 저장되었던 에너지가 방출되는 2단 차동 벅 컨버터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 2상 인터리브드 벅 컨버터는,
    0.5로 고정되는 듀티비에 따라 동작하는 2단 차동 벅 컨버터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 2상 인터리브드 벅 컨버터는,
    병렬로 연결된 제3 레그와 제4 레그 및 상기 제3 레그와 상기 제4 레그를 연결하는 제2 출력 전압선을 포함하고,
    상기 제3 레그 및 상기 제4 레그에는 제5 스위치 내지 제8 스위치가 마련되고,
    상기 제2 출력 전압선 상에는 제2 인덕터 및 제3 인덕터가 마련되는 2단 차동 벅 컨버터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 2상 인터리브드 벅 컨버터는,
    상기 제2 인덕터 및 상기 제3 인덕터 사이와, 병렬로 연결된 상기 제3 레그 및 상기 제4 레그의 하측 접점을 연결하는 제3 출력 전압선을 더 포함하고,
    상기 제3 출력 전압선 상에는 출력 커패시터가 마련되는 2단 차동 벅 컨버터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 2상 인터리브드 벅 컨버터는,
    병렬로 연결된 상기 제3 레그 및 상기 제4 레그의 상측 접점과 하측 접점은 각각 상기 제1 커패시터의 양단에 연결되는 2단 차동 벅 컨버터.
  14. 입력 전압을 변환하여 출력하는 차동 벅 컨버터;
    상기 차동 벅 컨버터와 캐스케이드로 연결되며, 고정 듀티비로 동작하는 2상 인터리브드 벅 컨버터; 및
    0V와 최대 전압 사이에서 원하는 출력 전압을 획득할 수 있도록 상기 차동 벅 컨버터의 듀티비를 제어하기 위해 마련되는 제어 회로를 포함하는 2단 차동 벅 컨버터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    상기 차동 벅 컨버터의 출력 전류와 레퍼런스 전류를 비교하는 전류 루프 비교기; 및
    상기 2상 인터리브드 벅 컨버터와 연결되는 출력단의 출력 전압과 레퍼런스 전압을 비교하는 전압 루프 비교기를 포함하는 2단 차동 벅 컨버터.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 2상 인터리브드 벅 컨버터는,
    고정된 듀티비의 개방 루프에 의해 제어되는 2단 차동 벅 컨버터.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 2상 인터리브드 벅 컨버터는,
    0.5의 듀티비로 동작하도록 제어되는 2단 차동 벅 컨버터.
  18. 차동 벅 컨버터와 2상 인터리브드 벅 컨버터가 캐스케이드로 연결된 2단 차동 벅 컨버터의 구동방법에 있어서,
    상기 차동 벅 컨버터는 0V와 최대 전압 사이에서 원하는 출력 전압을 획득할 수 있도록 설정되는 듀티비에 따라 동작하고,
    상기 2상 인터리브드 벅 컨버터는 고정 듀티비에 따라 동작하는 2단 차동 벅 컨버터의 구동방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 차동 벅 컨버터는,
    병렬로 연결된 제1 레그 및 제2 레그를 포함하고,
    상기 제1 레그의 상측에는 제1 스위치가 마련되고, 상기 제1 레그의 하측에는 제2 스위치가 마련되고, 상기 제2 레그의 상측에는 제3 스위치가 마련되고, 상기 제2 레그의 하측에는 제4 스위치가 마련되며,
    한 주기 동안 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치가 동일하게 동작하고,
    상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치가 동일하게 동작하며,
    상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치와, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치가 반대로 동작하는 2단 차동 벅 컨버터의 구동방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 2상 인터리브드 벅 컨버터는 0.5의 듀티비에 따라 동작하는 2단 차동 벅 컨버터의 구동방법.

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