KR101890247B1 - 인버터 기능을 갖는 전력 변환 장치 - Google Patents

인버터 기능을 갖는 전력 변환 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인버터 기능을 갖는 전력 변환 장치에 관한 것으로서, 병렬 접속된 복수(N)의 컨버터 유닛을 포함하는 N-페이즈 컨버터로서, 상기 각 컨버터 유닛은 차량에 공급되는 고전압 전원 및 저전압 전원 간의 양방향 전력 변환을 위해 상보적으로 동작하는 벅 스위치와 부스트 스위치, 인덕터 및 로우 페이즈 스위치를 포함하고 상기 벅 스위치, 상기 부스트 스위치 및 상기 인덕터는 하나의 노드에서 공통 접속되는, N-페이즈 컨버터; 및 상기 각 컨버터 유닛에 포함된 벅 스위치 및 부스트 스위치가 상보적으로 동작하도록 제어하되, 제1 내지 제3 컨버터 유닛에 각각 포함된 인덕터에 흐르는 전류를 차단하여 상기 제1 내지 제3 컨버터 유닛은 상기 각 노드에서 3상 모터를 구동시키기 위한 구동 전류를 출력하고, 제4 내지 제N 컨버터 유닛에 각각 포함된 인덕터에 흐르는 전류 변화에 의해 상기 제4 내지 제N 컨버터 유닛은 정상적인 전력 변환을 수행하도록, 상기 각 컨버터 유닛에 포함된 벅 스위치, 부스트 스위치 및 로우 페이즈 스위치를 각각 제어하는 제어부;를 포함하는 구성을 마련한다.

Description

인버터 기능을 갖는 전력 변환 장치{POWER CONVERTING APPARATUS PERFORMING FUNCTION OF INVERTER}
본 발명은 인버터 기능을 갖는 전력 변환 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양방향 DC-DC 컨버터를 이용하여 직류 전력을 양방향 변환하는 컨버터 기능 및 3상 모터를 구동하는 인버터 기능을 동시에 수행하는 인버터 기능을 갖는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
차량의 전력시스템은 차량 내의 전자 부품, 안전 부품 또는 각종 액세서리를 가동하기 위한 전력을 공급하는 시스템으로서, 일반적으로 직류전압을 공급하여 차량 내의 전자 부품들을 가동한다. 종래에는 차량의 전력시스템으로 12V 전력시스템이 사용되었으나, 최근에는 에너지 용량을 증가시키고, 고출력의 전자 부품을 사용하여 전력 효율성을 향상시키기 위해 48V 전력시스템이 보급되고 있다.
다만, 48V 전력시스템을 적용하는 경우, 종래의 12V 전압으로 가동되던 차량의 모든 전자 부품을 48V 용으로 교체해야 하는 문제점이 존재하여, 12V 및 48V의 전압을 함께 공급할 수 있는 12V-48V 전력 변환 시스템이 개발되었으며, 이에 따라 소모전력이 적은 부품은 기존과 같이 12V 전압으로 가동시키고, 전동식 조향장치 또는 공조시스템과 같이 소모전력이 큰 부품은 48V 전압으로 가동시킴에 따라 전력을 효율적으로 활용할 수 있게 되었다. 12V-48V 전력 변환 시스템은 통상적으로 양방향 DC-DC 컨버터가 사용되며, 양방향 DC-DC 컨버터는 고용량을 수용하고 전력 변환의 빠른 응답성을 확보하며 전류를 분담하여 효율성을 향상시키기 위해 멀티페이즈 구조로 사용되고 있다.
한편, 전력 변환 시스템은 BSG(Belt-driven Starter Generator)를 구동시키기 위한 48V 전압을 공급할 수 있다. BSG는 인버터 및 벨트구동 시동모터로 구성된 엔진출력 보조시스템을 의미한다. BSG는, 전력 변환 시스템으로부터 48V 전압을 공급받은 인버터가 3상 교류 전력을 출력하여 벨트구동 시동모터를 회전시키고, 벨트구동 시동모터의 회전으로 벨트가 구동되어 엔진에 구동력을 제공함으로써 엔진출력을 보조한다.
이러한 BSG는, 벨트구동 시동모터의 구동 드라이버 역할을 하는 인버터가 필수적인 구성요소로서 역할한다. 다만, BSG를 구성하는 인버터는 그 부피가 크기 때문에 차량의 공간확보의 어려움이 존재하였고, 전력 변환 시스템의 전체적인 구조가 복잡해지며, 제작, 조립 및 설치상의 어려움이 있는 문제가 존재하였다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 BSG를 구성하는 인버터를 제거하여, 전력 변환 시스템의 전체적인 구조를 단순화하고 양방향 DC-DC 컨버터와 호환되는 인버터 개발을 위한 시간적·경제적인 소비를 제거하기 하기 위한 인버터 기능을 갖는 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 인버터 기능을 갖는 전력 변환 장치는, 병렬 접속된 복수(N)의 컨버터 유닛을 포함하는 N-페이즈 컨버터로서, 상기 각 컨버터 유닛은 차량에 공급되는 고전압 전원 및 저전압 전원 간의 양방향 전력 변환을 위해 상보적으로 동작하는 벅 스위치와 부스트 스위치, 인덕터 및 로우 페이즈 스위치를 포함하고 상기 벅 스위치, 상기 부스트 스위치 및 상기 인덕터는 하나의 노드에서 공통 접속되는, N-페이즈 컨버터; 및 상기 각 컨버터 유닛에 포함된 벅 스위치 및 부스트 스위치가 상보적으로 동작하도록 제어하되, 제1 내지 제3 컨버터 유닛에 각각 포함된 인덕터에 흐르는 전류를 차단하여 상기 제1 내지 제3 컨버터 유닛은 상기 각 노드에서 3상 모터를 구동시키기 위한 구동 전류를 출력하고, 제4 내지 제N 컨버터 유닛에 각각 포함된 인덕터에 흐르는 전류 변화에 의해 상기 제4 내지 제N 컨버터 유닛은 정상적인 전력 변환을 수행하도록, 상기 각 컨버터 유닛에 포함된 벅 스위치, 부스트 스위치 및 로우 페이즈 스위치를 각각 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 3상 모터의 홀 센서에서 출력되는 회전위치신호를 입력받아, 상기 제1 내지 제3 컨버터 유닛에 각각 포함된 벅 스위치 및 부스트 스위치 중 하나의 벅 스위치 및 하나의 부스트 스위치만 동시에 턴 온시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 제1 내지 제3 컨버터 유닛에 각각 포함된 로우 페이즈 스위치를 턴 오프시켜 상기 제1 내지 제3 컨버터 유닛에 각각 포함된 인덕터에 흐르는 전류를 차단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 BSG를 구성하는 인버터를 제거함으로써, 차량의 공간을 확보하는 동시에 차량의 경량화 및 이에 따른 연비 향상의 효과를 달성할 수 있고, 전력 변환 시스템의 전체적인 구조를 단순화 시킴으로써 시스템의 유지 및 보수의 효율성도 증가시킬 수 있으며, 인버터 개발을 위한 시간적·경제적인 소비를 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 기능을 갖는 전력 변환 장치를 설명하기 위한 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 기능을 갖는 전력 변환 장치에서 3상 모터 및 제어부의 입출력관계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 기능을 갖는 전력 변환 장치에서 N-페이즈 컨버터의 입출력관계를 설명하기 위한 예시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 인버터 기능을 갖는 전력 변환 장치의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 기능을 갖는 전력 변환 장치를 설명하기 위한 블록구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 기능을 갖는 전력 변환 장치에서 3상 모터 및 제어부의 입출력관계를 설명하기 위한 예시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 기능을 갖는 전력 변환 장치에서 N-페이즈 컨버터의 입출력관계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 1 내지 도 3를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 기능을 갖는 전력 변환 장치는 고전압 전원(HV), 저전압 전원(LV), N-페이즈 컨버터(NPC), 3상 모터(MT), 및 제어부(ECU)를 포함할 수 있고, N-페이즈 컨버터(NPC)는 복수(N) 의 컨버터 유닛(CU<1:N>)을 포함할 수 있다.
고전압 전원(HV) 및 저전압 전원(LV)은 차량 내의 각 전자 부품에 각각 고전압 및 저전압을 공급할 수 있으며, 상호 간의 전력 변환을 위해 후술할 N-페이즈 컨버터(NPC)에 전기적으로 연결될 수 있다. 고전압 전원(HV) 및 저전압 전원(LV)은 통상적인 전력 변환 시스템에 따라 각각 48V 전원 및 12V 전원으로 구성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한 고전압 전원(HV) 및 저전압 전원(LV)은 리튬 배터리, 납축전지, 슈퍼 캐패시터 또는 울트라 캐패시터가 단독 또는 조합되어 구성될 수 있으나 상기한 대상에 한정되지 않고 차량의 전자 부품에 전원을 공급할 수 있는 모든 구성을 포함할 수 있다.
3상 모터(MT)는 그 회전에 의해 벨트가 구동되어 엔진에 구동력을 제공함으로써 엔진출력을 보조할 수 있다. 통상의 3상 모터는 인버터로부터 출력되는 3상 교류 전류를 입력받아 구동되지만, 본 발명에 따른 실시예에서는 인버터를 제거하고 후술할 N-페이즈 컨버터(NPC)로부터 출력되는 구동 전류, 즉 3상 교류 전류(IU, IV, IW)를 통해 3상 모터(MT)를 구동시킬 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
N-페이즈 컨버터(NPC)는, 도 1에 도시된 것과 같이 일단이 고전압 전원(HV)에, 타단이 저전압 전원(LV)에 전기적으로 연결되어 고전압 전원(HV)과 저전압 전원(LV) 간의 양방향 전력 변환을 수행할 수 있다. N-페이즈 컨버터(NPC)는 복수(N, 여기서 N은 4 이상인 자연수)의 컨버터 유닛(CU<1:N>)을 포함할 수 있으며 각 컨버터 유닛(CU<1:N>)은 N-페이즈 컨버터(NPC)에서 순차적으로 전력 변환을 수행하는 하나의 페이즈를 구성한다. 컨버터 유닛(CU<1:N>)은 고전압 전원(HV)과 저전압 전원(LV) 간의 양방향 전력 변환을 위해 상보적으로 동작하는 벅 스위치와 부스트 스위치, 인덕터 및 로우 페이즈 스위치를 포함할 수 있다. 컨버터 유닛(CU<1:N>)에서 인덕터에 에너지가 저장되는 모드에서는 벅 스위치는 턴 온, 부스트 스위치는 턴 오프되도록 제어부(ECU)에 의해 제어되며, 인덕터에서 에너지가 방전되는 모드에서는 벅 스위치는 턴 오프, 부스트 스위치는 턴 온되도록 제어부(ECU)에 의해 제어된다. 컨버터 유닛(CU<1:N>)은 제어부(ECU)에 의해 벅 스위치 및 부스트 스위치가 상보적으로 동작되어 인덕터에 에너지가 저장되고 방전되는 과정을 반복 수행함으로써 고전압 전원(HV)과 저전압 전원(LV) 간의 전력 변환을 수행한다. 한편, 로우 페이즈 스위치는 통상의 멀티페이즈 컨버터에 포함된 각 컨버터 유닛(CU<1:N>)에 구비되어 전력 변환 모드에 있는 해당 컨버터 유닛과 저전압 전원(LV)을 전기적으로 연결하는 역할을 수행할 수 있는데, 이에 대한 구체적인 설명은 후술한다.
컨버터 유닛(CU<1:N>)에 포함된 벅 스위치, 부스트 스위치 및 인덕터는 하나의 노드에서 공통 접속되는 구조로 구성될 수 있다. 후술할 것과 같이, 제1 내지 제3 컨버터 유닛(CU<1:3>)에 포함된 상기 각 노드에서는 3상 모터(MT)를 구동시키기 위한 구동 전류가 출력될 수 있다. 이하에서는 편의상 벅 스위치, 부스트 스위치 및 인덕터가 공통 접속되는 상기 노드를 드라이빙 노드로 정의하기로 한다.
컨버터 유닛(CU<1:N>)은 도 3에 도시된 것과 같이 동기형 벅 컨버터로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 양방향 벅-부스트 컨버터, 양방향 플라이백 컨버터, 또는 양방향 세픽 컨버터 등으로 구성될 수도 있다. 이에 따라 후술할 제어부(ECU)는 N-페이즈 컨버터(NPC)를 구성하는 각 페이즈의 컨버터 유닛(CU<1:N>)을 순차적으로 구동시킴으로써 전력 변환을 수행할 수 있다. 컨버터 유닛 및 멀티페이즈 컨버터의 동작은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술자에게 주지된 것이므로 구체적인 동작 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 실시예에서 N-페이즈 컨버터(NPC)는, 전술한 것과 같이 통상의 전력 변환 기능을 수행할 수 있는 동시에, 제어부(ECU)의 제어에 따라 3상 모터(MT)를 구동시키기 위한 인버터의 기능을 수행할 수 있다. 통상의 전력 변환 시스템에서 모터를 구동하기 위한 인버터는 3상 브릿지 회로로 구성되며, 구체적으로 High 신호가 입력되는 P-Channel 트랜지스터 및 이와 직렬로 연결되어 Low 신호가 입력되는 N-Channel 트랜지스터가 3쌍으로 구성된다. ECU와 같은 제어장치는 각각의 트랜지스터에 High 신호와 Low 신호를 조합 입력하여 3상 교류 전류가 출력되도록 제어함으로써 모터를 구동시킨다. 본 발명에 따른 실시예에서는 벅 스위치 및 부스트 스위치를 포함하는 컨버터 유닛 3개를 이용하여 상기 3상 브릿지 회로로 구성된 인버터와 같은 기능을 구현하는 것에 그 특징이 있다.
도 1에는 N-페이즈 컨버터(NPC)에 포함되는 세 개의 컨버터 유닛으로부터 모터 구동 전류, 즉 3상 교류 전류(IU, IV, IW)가 3상 모터(MT)로 입력되는 구성이 도시되어 있으며, 도 2 및 도 3에는 보다 구체적으로, 세 개의 컨버터 유닛의 드라이빙 노드로부터 3상 교류 전류(IU, IV, IW)가 3상 모터(MT)의 고정자 권선으로 입력되는 구성이 도시되어 있다. 즉, 본 발명에 따른 실시예에서는 N-페이즈 컨버터(NPC)에 포함된 N개의 컨버터 유닛(CU<1:N>) 중 제1 내지 제3 컨버터 유닛(CU<1:3>)을 3상 모터(MT)를 구동시키기 위한 인버터로 사용할 수 있으며, 제1 내지 제3 컨버터 유닛(CU<1:3>)의 각 드라이빙 노드에서는 120°의 위상 차이가 존재하는 3상 교류 전류(IU, IV, IW)가 출력됨으로써 3상 모터(MT)가 구동될 수 있다.
이에 따라, 제어부(ECU)는 N-페이즈 컨버터(NPC)를 통해 컨버터 기능 및 인버터 기능을 동시에 수행하기 위해, 각 컨버터 유닛(CU<1:N>)에 포함된 벅 스위치 및 부스트 스위치가 상보적으로 동작하도록 제어하되, 제1 내지 제3 컨버터 유닛(CU<1:3>)에 각각 포함된 인덕터에 흐르는 전류를 차단하여 제1 내지 제3 컨버터 유닛(CU<1:3>)은 상기 각 드라이빙 노드에서 3상 모터(MT)를 구동시키기 위한 구동 전류를 출력하고, 제4 내지 제N 컨버터 유닛(CU<4:N>)에 각각 포함된 인덕터에 흐르는 전류 변화에 의해 상기 제4 내지 제N 컨버터 유닛(CU<4:N>)은 정상적인 전력 변환을 수행하도록, 상기 각 컨버터 유닛(CU<1:N>)에 포함된 벅 스위치, 부스트 스위치 및 로우 페이즈 스위치를 각각 제어할 수 있다.
이때, 제어부(ECU)는 3상 모터(MT)의 홀 센서에서 출력되는 회전위치신호(H1, H2, H3)를 입력받아, 제1 내지 제3 컨버터 유닛(CU<1:3>)에 각각 포함된 벅 스위치 및 부스트 스위치 중 하나의 벅 스위치 및 하나의 부스트 스위치만 동시에 턴 온시킬 수 있다. 또한 제어부(ECU)는 제1 내지 제3 컨버터 유닛(CU<1:3>)에 각각 포함된 로우 페이즈 스위치를 턴 오프시켜 제1 내지 제3 컨버터 유닛(CU<1:3>)에 각각 포함된 인덕터에 흐르는 전류를 차단할 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 후술한다.
제1 내지 제3 컨버터 유닛(CU<1:3>)은 N-페이즈 컨버터(NPC)를 구성하는 N 개의 컨버터 유닛(CU<1:N>) 중 임의의 세 개의 컨버터 유닛을 의미하고 반드시 병렬로 접속된 순서에 한정되지 않으며, 제4 내지 제N 컨버터 유닛(CU<4:N>) 또한 제1 내지 제3 컨버터 유닛(CU<1:3>)을 제외한 N-3개의 컨버터 유닛을 의미한다. 즉, 제어부(ECU)의 제어에 따라 3개의 컨버터 유닛이 인버터 기능을 수행하고 N-3개의 컨버터 유닛이 정상적인 컨버터 기능을 수행하는 범위에서, 제1 내지 제3 컨버터 유닛(CU<1:3>)과 그에 따른 제4 내지 제N 컨버터 유닛(CU<4:N>)은 접속 순서에 상관없이 구성될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여, N-페이즈 컨버터(NPC), 3상 모터(MT) 및 제어부(ECU)의 입출력관계를 고려하여 컨버터 기능과 인버터 기능이 수행되는 과정을 구체적으로 설명한다.
먼저 용어의 구분을 위해, 제1 내지 제N 벅 스위치(BKSW<1:N>)는 제1 내지 제N 컨버터 유닛(CU<1:N>)에 각각 포함된 벅 스위치로 정의하고, 제1 내지 제N 부스트 스위치(BTSW<1:N>)는 제1 내지 제N 컨버터 유닛(CU<1:N>)에 각각 포함된 부스트 스위치로 정의한다. 또한, 제1 내지 제N 벅 스위치 신호(BK<1:N>)는 각각 제1 내지 제N 벅 스위치(BKSW<1:N>)의 동작을 제어하는 신호로 정의하고, 제1 내지 제N 부스트 스위치 신호(BT<1:N>)는 각각 제1 내지 제N 부스트 스위치(BTSW<1:N>)의 동작을 제어하는 신호로 정의한다.
제어부(ECU)는 제1 내지 제3 벅 스위치 신호(BK<1:3>)를 통해 제1 내지 제3 벅 스위치(BKSW<1:3>)의 동작을 각각 제어할 수 있다. 또한 제어부(ECU)는 제1 내지 제3 부스트 스위치 신호(BT<1:3>)를 통해 제1 내지 제3 부스트 스위치(BTSW<1:3>)의 동작을 각각 제어할 수 있다. 이에 따라 제어부(ECU)는, 제1 내지 제3 벅 스위치 신호(BK<1:3>) 및 제1 내지 제3 부스트 스위치 신호(BT<1:3>)를 제1 내지 제3 컨버터 유닛(CU<1:3>)에 조합 입력함으로써 제1 내지 제3 컨버터 유닛(CU<1:3>)이 인버터로 동작하도록 제어할 수 있으며, 제1 내지 제3 컨버터 유닛(CU<1:3>)의 드라이빙 노드에서는 3상 교류 전류(IU, IV, IW)가 출력되어 3상 모터(MT)에 인가됨으로써 3상 모터(MT)가 구동될 수 있다.
구동되는 3상 모터(MT)의 홀 센서는 3상 교류 전류(IU, IV, IW)의 정류를 위한 회전위치신호(H1, H2, H3)를 제어부(ECU)로 출력할 수 있으며, 제어부(ECU)는 회전위치신호(H1, H2, H3)를 입력받아 3상 교류 전류(IU, IV, IW)의 정류를 위해 제1 내지 제3 벅 스위치 신호(BK<1:3>) 및 제1 내지 제3 부스트 스위치 신호(BT<1:3>)를 조합하여 제1 내지 제3 컨버터 유닛(CU<1:3>)으로 전달할 수 있다.
이때, 제어부(ECU)는 제1 내지 제3 벅 스위치 신호(BK<1:3>) 및 제1 내지 제3 부스트 스위치 신호(BT<1:3>)를 통해, 제1 내지 제3 벅 스위치(BKSW<1:3>) 및 제1 내지 제3 부스트 스위치(BTSW<1:3>) 중 하나의 벅 스위치 및 하나의 부스트 스위치만 동시에 턴 온시킬 수 있다. 즉, 3상 모터(MT)를 구동하기 위해서는 각각 양의 전류, 음의 전류 및 0(Not Connect)의 값을 갖는 3상 교류 전류(IU, IV, IW)가 3상 모터(MT)에 인가되어야 하므로, 하나의 벅 스위치만 턴 온시켜 양의 전류를 3상 모터(MT)로 인가하고, 하나의 부스트 스위치만 턴 온시켜 음의 전류를 3상 모터(MT)로 인가(전류가 3상 모터(MT)에서 해당 부스트 스위치 방향으로 흐르게)하며, 그 외 벅 스위치 및 부스트 스위치는 턴 오프시켜 전류가 흐르지 않도록 함으로써 3상 모터(MT)를 구동시킬 수 있는 것이다.
이러한 과정의 반복을 통해, 인버터 없이 제어부(ECU) 및 N-페이즈 컨버터(NPC)에 포함된 3개의 컨버터 유닛만으로 3상 모터(MT)를 구동시킬 수 있게 된다. 하기 표 1은 3상 2극 BLDC 모터의 회전자가 시계방향으로 회전할 때의 홀 센서 출력인 회전위치신호(H1, H2, H3), 제1 내지 제3 벅 스위치 신호(BK<1:3>)와 제1 내지 제3 부스트 스위치 신호(BT<1:3>), 및 3상 교류 전류(IU, IV, IW)의 부호를 나타낸 진리표의 일 예시이다.
H1 H2 H3 BK<1> BT<1> BK<2> BT<2> BK<3> BT<3> IU IV IW
1 0 1 0 0 1 0 0 1 NC + -
1 0 0 1 0 0 0 0 1 + NC -
1 1 0 1 0 0 1 0 0 + - NC
0 1 0 0 0 0 1 1 0 NC - +
0 1 1 0 1 0 0 1 0 - NC +
0 0 1 0 1 1 0 0 0 - + NC
표 1은 본 발명에 따른 실시예의 이해를 돕기 위해 3상 2극 BLDC 모터를 예로 든 것이므로, 모터의 극 수 또는 회전자의 회전 방향에 따라 표 1의 값들은 달라질 수 있다.
정리하면, 제어부(ECU)는 제1 내지 제3 벅 스위치 신호(BK<1:3>) 및 제1 내지 제3 부스트 스위치 신호(BT<1:3>)를 제1 내지 제3 컨버터 유닛(CU<1:3>)에 조합 입력함으로써 제1 내지 제3 컨버터 유닛(CU<1:3>)의 드라이빙 노드에서 3상 교류 전류(IU, IV, IW)가 출력되도록 제어할 수 있고, 상기 3상 교류 전류(IU, IV, IW)에 따라 구동되는 3상 모터(MT)의 홀 센서에서 출력되는 회전위치신호(H1, H2, H3)를 입력받아 3상 교류 전류(IU, IV, IW)의 정류를 위해 제1 내지 제3 벅 스위치 신호(BK<1:3>) 및 제1 내지 제3 부스트 스위치 신호(BT<1:3>)를 제1 내지 제3 컨버터 유닛(CU<1:3>)에 조합 입력하게 된다. 상기 과정이 반복됨으로써 3상 모터(MT)가 구동될 수 있다.
또한, 제어부(ECU)는 제4 내지 제N 벅 스위치 신호(BK<4:N>)를 통해 제4 내지 제N 벅 스위치(BKSW<4:N>)의 동작을 각각 제어할 수 있다. 그리고, 제어부(ECU)는 제4 내지 제N 부스트 스위치 신호(BT<4:N>)를 통해 제4 내지 제N 부스트 스위치(BTSW<4:N>)의 동작을 각각 제어할 수 있다. 이에 따라 제어부(ECU)는, 제4 내지 제N 벅 스위치 신호(BK<4:N>) 및 제4 내지 제N 부스트 스위치 신호(BT<4:N>)를 제4 내지 제N 컨버터 유닛(CU<4:N>)에 조합 입력함으로써 제4 내지 제N 컨버터 유닛(CU<4:N>)이 컨버터로 동작하도록 제어할 수 있다.
한편, 전력 변환 시스템을 구성하는 양방향 멀티페이즈 컨버터는 각 페이즈를 구성하는 컨버터 유닛을 순차적으로 구동시키고 전력 소모를 저감시키기 위해, 고전압 전원(HV)에 연결되는 하이 페이즈 스위치 및 저전압 전원(LV)에 연결되는 로우 페이즈 스위치를 포함할 수 있다. 또한 각 컨버터 유닛 및 멀티페이즈 컨버터의 회로 구성에 따라 하이 페이즈 스위치 및 로우 페이즈 스위치는 각 컨버터 유닛에 포함되어 구성될 수도 있다. 하이 페이즈 스위치 및 로우 페이즈 스위치는 각 페이즈 별로 하나씩 구비될 수도 있고(즉, 컨버터 유닛 각각이 하이 페이즈 스위치 및 로우 페이즈 스위치를 포함할 수도 있고) 두 개의 페이즈 당 하나씩 구비될 수도 있으며, 하이 페이즈 스위치 및 로우 페이즈 스위치의 개수를 달리하여 구비될 수도 있다. 도 3은 두 개의 페이즈 당 하나씩 구비된 제1 내지 제N/2 하이 페이즈 스위치(PHSW<1:N/2>), 및 각 페이즈 별로 구비된 제1 내지 제N 로우 페이즈 스위치(PLSW<1:N>)를 포함하는 N-페이즈 컨버터(NPC)를 예시로서 도시한 것이다.
도 3에 도시된 것과 같이 벅 스위치에 연결될 수 있는 하이 페이즈 스위치와 관련하여, 본 실시예에서 제어부(ECU)는 제1 내지 제3 벅 스위치 신호(BK<1:3>) 및 제1 내지 제3 부스트 스위치 신호(BT<1:3>)를 통해 인버터 기능을 제어하고, 제4 내지 제N 벅 스위치 신호(BK<4:N>) 및 제4 내지 제N 부스트 스위치 신호(BT<4:N>)를 통해 컨버터 기능을 제어할 수 있으므로, 상기 인버터 기능 및 컨버터 기능을 수행하는 한도에서 제1 내지 제N/2 하이 페이즈 스위치(PHSW<1:N/2>)는 제어부(ECU)의 제1 내지 제N/2 하이 페이즈 스위치 신호(PH<1:N/2>)에 의해 선택적으로 턴 온/오프되도록 제어될 수 있다.
다만, 도 3에 도시된 것과 같이 인덕터 및 저전압 전원(LV)에 연결될 수 있는 로우 페이즈 스위치와 관련하여, 제1 내지 제3 컨버터 유닛의 각 드라이빙 노드에서는 3상 모터(MT)를 구동시키기 위한 정상적인 교류 전류가 출력되어야 하므로 인덕터에 흐르는 전류를 차단할 필요가 있다. 따라서 제어부(ECU)는 제1 내지 제3 로우 페이즈 스위치 신호(PL<1:3>)를 통해 제1 내지 제3 컨버터 유닛(CU<1:3>)에 포함된 제1 내지 제3 로우 페이즈 스위치(PLSW<1:N>)를 턴 오프시킴으로써 드라이빙 노드에서 인덕터 방향으로 흐르는 전류를 차단할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 3상 모터를 구동하기 위한 인버터를 제거함으로써, 차량의 공간을 확보하는 동시에 차량의 경량화 및 이에 따른 연비 향상의 효과를 달성할 수 있고, 전력 변환 시스템의 전체적인 구조를 단순화 시킴으로써 시스템의 유지 및 보수의 효율성도 증가시킬 수 있으며, 인버터 개발을 위한 시간적·경제적인 소비를 제거할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
HV: 고전압 전원
LV: 저전압 전원
MT: 3상 모터
NPC: N-페이즈 컨버터
CU<1:N>: 제1 내지 제N 컨버터 유닛
BKSW<1:N>: 제1 내지 제N 벅 스위치
BTSW<1:N>: 제1 내지 제N 부스트 스위치
L<1:N>: 제1 내지 제N 인덕터
PHSW<1:N/2>: 제1 내지 제N/2 하이 페이즈 스위치
PLSW<1:N>: 제1 내지 제N 로우 페이즈 스위치
ECU: 제어부
IU, IV, IW: 3상 교류 전류
H1, H2, H3: 회전위치신호
BK<1:N>: 제1 내지 제N 벅 스위치 신호
BT<1:N>: 제1 내지 제N 부스트 스위치 신호
PH<1:N/2>: 제1 내지 제N/2 하이 페이즈 스위치 신호
PL<1:N>: 제1 내지 제N 로우 페이즈 스위치 신호

Claims (1)

  1. 병렬 접속된 복수(N, 여기서 N은 4 이상인 자연수)의 컨버터 유닛을 포함하는 N-페이즈 컨버터로서, 상기 각 컨버터 유닛은 차량의 전자 부품에 공급되는 고전압 직류 전원 및 저전압 직류 전원 간의 양방향 전력 변환을 위해 상보적으로 동작하는 벅 스위치와 부스트 스위치, 인덕터 및 로우 페이즈 스위치를 포함하고 상기 벅 스위치, 상기 부스트 스위치 및 상기 인덕터는 하나의 노드에서 공통 접속되는, N-페이즈 컨버터; 및
    상기 각 컨버터 유닛에 포함된 벅 스위치 및 부스트 스위치가 상보적으로 동작하도록 제어하되, 제1 내지 제3 컨버터 유닛에 각각 포함된 인덕터에 흐르는 전류를 차단하여 상기 제1 내지 제3 컨버터 유닛은 상기 각 노드에서 3상 모터를 구동시키기 위한 구동 전류를 출력하고, 제4 내지 제N 컨버터 유닛에 각각 포함된 인덕터에 흐르는 전류 변화에 의해 상기 제4 내지 제N 컨버터 유닛은 정상적인 DC-DC 전력 변환을 수행하도록, 상기 각 컨버터 유닛에 포함된 벅 스위치, 부스트 스위치 및 로우 페이즈 스위치를 각각 제어하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 3상 모터의 홀 센서에서 출력되는 회전위치신호를 입력받아, 상기 제1 내지 제3 컨버터 유닛에 각각 포함된 벅 스위치 및 부스트 스위치 중 하나의 벅 스위치 및 하나의 부스트 스위치만 동시에 턴 온시키고,
    상기 제어부는, 상기 제1 내지 제3 컨버터 유닛에 각각 포함된 로우 페이즈 스위치를 턴 오프시켜 상기 제1 내지 제3 컨버터 유닛에 각각 포함된 인덕터에 흐르는 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 인버터 기능을 갖는 전력 변환 장치.
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