KR102047245B1

KR102047245B1 - 박형 dc-dc 컨버터

Info

Publication number: KR102047245B1
Application number: KR1020180019373A
Authority: KR
Inventors: 안태영
Original assignee: 청주대학교 산학협력단
Priority date: 2018-02-19
Filing date: 2018-02-19
Publication date: 2019-11-21
Also published as: KR20190099667A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 박형 DC-DC 컨버터는 입력 전압을 스위칭하는 스위치부, 1차측 권선이 형성된 다층 PCB로 구성되며, 상기 스위치부로부터 입력받은 전압에 의해 자계를 발생시키는 1차측 변압기, 2차측 권선이 형성된 다층 PCB로 구성되며, 상기 1차측 변압기에서 발생된 자계에 의해 유도된 전압을 출력하는 2차측 변압기, 상기 2차측 변압기로부터 출력된 전압을 정류하는 정류부, 상기 정류부의 출력 전압을 검출하여 근거리 무선 통신을 통해 전송하는 2차측 무선 제어부, 상기 2차측 무선 제어부로부터 전송된 출력 전압을 근거리 무선 통신을 통해 수신하고, 상기 출력 전압의 변화에 따른 제어신호를 상기 스위치부에 전송하여 상기 출력전압을 조절하는 1차측 무선 제어부를 포함하되, 상기 스위치부, 1차측 변압기 및 1차측 무선 제어부는 1차측 PCB상에 구현되고, 상기 2차측 변압기, 정류부 및 2차측 무선 제어부는 2차측 PCB상에 구현되며, 상기 1차측 PCB와 상기 2차측 PCB 사이에는 절연층이 삽입될 수 있다.

Description

박형 DC-DC 컨버터{Low-profile DC-DC Converter}

본 발명은 박형 DC-DC 컨버터에 관한 것으로, 특히 전자기 유도(Electromagnetic Induction)로 무선 전력을 전송하고, 근거리 무선통신을 이용하여 출력 전압의 피드백을 제어하는 박형 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.

전자산업의 급속한 발달과 더불어 SMPS(Switch-mode Power Supply) 전원장치를 사용하는 컴퓨터, 전자계산기, 전자교환기, 음향영상기기, 통신장비 등에서 폭넓게 이용되고 기술적 진보가 빠르게 진행되고 있다. 역률개선 회로, 전동기 구동회로, 전자식 안정기 회로 등 산업분야에서 필요 전압의 다양화와 장비의 소형화,경량화가 요구되면서 최근 활발히 논의되고 있다. 특히, 휴대형 제품에서의 소형, 경량화는 제품의 성능과 같이 상품성을 높여주는 중요한 목표가 되었다. 이러한 휴대형 전자기기에 전원을 공급해 주는 전원장치는 고유한 특징 때문에 소형, 경량화가 어려웠다. 그리고 온-보드형 전원장치 등에서 요구되고 있는 박형화(Low Profile)는 전체 시스템의 밀도를 향상시키기 때문에 중요한 연구 개발목표 중의 하나가 되고 있다. 그러나 스위칭 방식의 DC/DC 컨버터에서는 에너지를 변환시키는 과정에서, 일반적으로 마그네트 와이어 권선을 가진 큰 페라이트 코어를 사용하는데 따른 변압기의 크기로 인해 장치의 높이가 제한되고, 개발기간이 길어지며, 제품의 원가에 많은 영향을 미치게 되어 어려움을 겪는 경우가 있다.

기존의 전원모듈의 고밀도, 소형 및 경량화를 위해서는 고주파에서의 구동과 더불어, 전력변환을 위한 트랜스의 최적화 설계 및 제작 방열 등의 실제 운전 조건을 고려한 전원모듈의 설계 및 제작이 중요한 요인으로 작용한다. 종래의 고밀도 전원모듈의 경우 일반적으로 스위칭 주파수가 100~300kHz 구동되며 일반 권선형의 트랜스포머의 적용으로 인해서 소자 특성의 오차, 동작 특성의 편차, 양산 제작의 어려움뿐만 아니라 발열문제에 의한 방열문제 해소와 함께 신뢰성에 있어 문제가 되는 요인을 다수 포함하고 있는 실정이다.

또한, 스위칭 방식의 DC/DC 컨버터는 변압기를 사용하여 입력 및 출력 전압 차와 전기적 절연을 극복하므로, 특히 높은 출력 전압 또는 전기 안전 목적이 필요한 경우에는 보다 안전한 전기 절연이 필요하다. 이러한 요구 조건을 만족시키기 위해서는 변압기의 1차측과 2차측 사이의 일정한 거리를 유지해야 하지만, 절연 거리가 길어질수록 변압기의 구조가 복잡해져 스위칭 전원 변환기의 크기 최소화가 어려워진다.

따라서, 권선형의 변압기 적용으로 인해서 소자 특성의 오차, 동작 특성의 편차, 양산 제작의 어려움뿐만 아니라 발열문제에 의한 방열문제를 해소할 수 있는 DC-DC 컨버터의 기술 개발이 요구되고 있다.

이에 관련하여, 발명의 명칭이 " 직류/직류 컨버터 및 이를 갖는 구동 장치 "인 한국공개특허 제10-2013-0098973호가 존재한다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 변압기의 절연 전압을 높이고, 소형화가 가능한 박형 DC-DC 컨버터를 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 박형 DC-DC 컨버터는 입력 전압을 스위칭하는 스위치부, 1차측 권선이 형성된 다층 PCB로 구성되며, 상기 스위치부로부터 입력받은 전압에 의해 자계를 발생시키는 1차측 변압기, 2차측 권선이 형성된 다층 PCB로 구성되며, 상기 1차측 변압기에서 발생된 자계에 의해 유도된 전압을 출력하는 2차측 변압기, 상기 2차측 변압기로부터 출력된 전압을 정류하는 정류부, 상기 정류부의 출력 전압을 검출하여 근거리 무선 통신을 통해 전송하는 2차측 무선 제어부, 상기 2차측 무선 제어부로부터 전송된 출력 전압을 근거리 무선 통신을 통해 수신하고, 상기 출력 전압의 변화에 따른 제어신호를 상기 스위치부에 전송하여 상기 출력전압을 조절하는 1차측 무선 제어부를 포함하되, 상기 스위치부, 1차측 변압기 및 1차측 무선 제어부는 1차측 PCB상에 구현되고, 상기 2차측 변압기, 정류부 및 2차측 무선 제어부는 2차측 PCB상에 구현되며, 상기 1차측 PCB와 상기 2차측 PCB 사이에는 절연층이 삽입될 수 있다.

바람직하게는, 상기 1차측 변압기는 상기 1차측 권선이 패턴으로 형성된 1차측 다층 PCB, 상기 1차측 다층 PCB의 가장 자리를 둘러싸는 1차측 코어를 포함하고, 상기 2차측 변압기는 상기 2차측 권선이 패턴으로 형성된 2차측 다층 PCB, 상기 2차측 다층 PCB의 가장 자리를 둘러싸는 2차측 코어를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 2차측 무선 제어부는 상기 정류부의 출력 전압을 검출하는 전압 분배모듈, 상기 전압 분배모듈에서 검출된 출력 전압을 기 설정된 기준 전압과 비교하고, 그 비교결과에 따른 차이를 PWM 신호로 출력하는 전압 변환 모듈, 상기 전압 변환 모듈에서 출력된 PWM 신호를 근거리 무선통신으로 상기 1차측 무선 제어부로 전송하는 2차측 근거리 무선통신모듈을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 1차측 무선 제어부는, 상기 2차측 근거리 무선통신모듈로부터 전송된 PWM 신호를 수신하는 1차측 근거리 무선통신모듈, 상기 1차측 근거리 무선통신모듈을 통해 수신한 PWM 신호를 증폭하는 PWM 증폭모듈, 상기 PWM 증폭모듈에서 증폭된 PWM 신호를 필터링하여 아날로그의 제어 전압으로 변환하는 PWM 신호 필터모듈, 상기 PWM 신호 필터모듈로부터 제공받은 제어 전압의 크기에 따라 주파수를 변경하고, 상기 변경된 주파수에 따른 제어신호를 생성하여 상기 스위치부를 제어하는 PFM 제어모듈을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 절연층은 상기 1차측 변압기와 2차측 변압기 사이에 위치하여, 1차측 변압기와 2차측 변압기의 절연 및 내부에서 발생되는 열을 외부로 전달할 수 있다.

바람직하게는, 상기 박형 DC-DC 컨버터는 상기 스위치부와 1차측 변압기 사이에 입력 임피던스 매칭부를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 박형 DC-DC 컨버터는 상기 2차측 변압기와 상기 정류부 사이에 출력 임피던스 매칭부를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 박형 DC-DC 컨버터는 상기 1차측 무선 제어부 또는 2차측 무선 제어부와 연결되며, 상기 박형 DC-DC 컨버터의 실시간 모니터링을 위해 외부 장치와 연결하는 외부장치 인터페이스부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 변압기를 다층 PCB로 구성함으로써, 적은 누설 인덕턴스, 우수한 열적 특성, 최소의 표피효과, 고전력밀도, 낮은 기생 리액턴스, 경량, 낮은 높이(Low profile) 등의 여러 장점을 가질 수 있다.

또한, 다층 PCB 변압기에 PCB타입의 권선을 사용함으로써, 변압기 및 인덕터의 제조 공정이 단순해지고 제조 가격과 시간이 절약되며, 주어진 도체 무게에 대해 최대 전류밀도와 효율을 얻을 수 있고, 기생적인 요소의 영향이 감소되어 출력전압에서의 고주파 ringing이 최소화할 수 있다.

또한, 다층 PCB에 절연층(세라믹층)을 삽입함으로써, 변압기의 1차측과 2차측간의 절연 효과를 높일 수 있고, 내부에서 발생되는 열을 외부로 전달할 수 있어, 발열문제에 의한 방열문제를 해소할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박형 직류-직류 컨버터를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박형 직류-직류 컨버터의 수직 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 PCB로 구현된 변압기의 분해도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 박형 직류-직류 컨버터에서 1차측 무선 제어부와 2차측 무선 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신모듈에서 사용하는 소자의 예시를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 및 제2 제어부를 제외한 직류-직류 컨버터의 회로도이다.
도 7은 도 6에 도시된 컨버터의 전력 손실 분석을 위한 주요 소자의 도통 저항을 나타낸 회로도이다.
도 8은 WTP(Wireless Power Transmission) Converter의 출력 전력 상태에 따른 이론적 효율을 나타낸 그래프이다.
도 9는 WTP Converter의 출력 전력 상태에 따른 손실을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 저출력 및 고출력에서의 시뮬레이션 컨버터의 동작 파형을 나타낸 도면이다.

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, A, B 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.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박형 직류-직류 컨버터를 설명하기 위한 도면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박형 직류-직류 컨버터의 수직 단면도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 PCB로 구현된 변압기의 분해도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 박형 직류-직류 컨버터에서 1차측 무선 제어부와 2차측 무선 제어부를 설명하기 위한 도면, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 무선 통신모듈에서 사용하는 소자의 예시를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박형(Low-profile) 직류-직류 컨버터(100)는 스위치부(110), 변압기(120), 정류부(130), 2차측 무선제어부(160), 1차측 무선제어부(170), 절연층(180)을 포함한다. 또한, 박형 직류-직류 컨버터(100)는 스위치부(110)와 변압기(120) 사이에 입력 임피던스 정합부(140), 변압기(120)와 정류부(130) 사이에 출력 임피던스 정합부(150)를 더 포함할 수 있다.

이러한 구성의 박형 직류-직류 컨버터는 도 2에 도시된 바와 같이 PCB 상에 구현된다. 즉, 1차측 PCB에는 스위치부(110), 1차측 변압기(120a)), 입력 임피던스 매칭부(140), 1차측 무선 제어부(170)가 구현되고, 2차측 PCB에는 2차측 변압기(120b), 출력 임피던스 매칭부(150), 2차측 무선 제어부(160)가 구현되며, 1차측 PCB와 2차측 PCB 사이에는 절연층(180)이 삽입된다.

스위치부(110)는 입력 전압을 스위칭한다.

스위치부(110)는 2개의 스위치(Q₁, Q₂)를 갖는 하프 브리지(half bridge) 구조로 구성될 수 있으며, 2개의 스위치는 1차측 무선 제어부(170)의 스위칭 제어에 따라 스위칭 온 및 오프될 수 있다. 즉, 스위치부(100)의 2개의 스위치(Q₁, Q₂)는 1차측 무선 제어부(170)로부터 전송된 제어신호에 응답하여 교대로 턴온(Turn on)/턴오프(Turn)되어 변압기(120)의 1차측 권선에 인가되는 전압을 제어한다. 하프 브리지(half bridge)는 일반적으로 널리 알려진 스위치 구조이므로 동작에 관한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

변압기(120)는 1차측 PCB 상에 1차측 권선이 다층 PCB로 형성된 1차측 변압기(120a), 2차측 PCB 상에 2차측 권선이 다층 PCB로 형성된 2차측 변압기(120b)를 포함하고, 스위치부(110)로부터 1차측 권선을 통해 입력되는 전압을 전자기 유도 방식으로 2차측 권선을 통해 출력한다. 이때, 변압기(120)는 1차측 권선을 통해 입력되는 전압을 1차측 권선의 권선비에 따라 변환하여 2차측 권선을 통해 출력한다. 다층 PCB 변압기 내부는 일반적인 권선을 PCB로 대신하고, 각 한층이 권선 1턴을 의미한다.

변압기(120)는 다층 PCB로 구성함으로써, 적은 누설 인덕턴스, 우수한 열적 특성, 최소의 표피효과, 고전력밀도, 낮은 기생 리액턴스, 경량, 낮은 높이(Low profile)등의 여러 장점을 가질 수 있게 한다. 또한, 다층 PCB 변압기에 사용된 PCB타입의 권선은 주어진 도체 무게에 대해 최대 전류밀도와 효율을 얻을 수 있게 최적화된다. 또한 기생적인 요소의 영향이 감소되어 출력전압에서의 고주파 ringing이 최소화 된다.

이러한 변압기(120)는 도 2에 도시된 바와 같이 1차측 변압기(120a)와 2차측 변압기(120b)를 포함하고, 1차측 변압기(120a)는 1차측 코어(121a), 1차측 다층 PCB(122)를 포함하고, 2차측 변압기(120b)는 2차측 코어(121b), 2차측 다층 PCB(123)를 포함한다.

1차측 코어(121a)는 1차측 다층 PCB(122)의 가장 자리를 둘러싸고, 2차측 코어(121b)는 2차측 다층 PCB(123)의 가장자리를 둘러싼다. 이러한 1차측 코어(121a) 및 2차측 코어(121b)는 예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이 E-평면(E-plane) 코어일 수 있다.

변압기(120)의 1차측 코어(121a) 및 2차측 코어(121b)는 수직으로 유지하고, 뛰어난 전기적 절연 특성을 갖는 절연층(180)에 직접 고정시킨다.

1차측 다층 PCB(122)는 1차측 권선이 패턴으로 형성되고, 스위치부(110)와 연결된다. 따라서, 1차측 다층 PCB(122)는 스위치부(110)로부터 스위칭된 전압을 입력받고, 그 입력받은 전압으로 유기되어 시간에 따라 자속을 변화시킨다.

2차측 다층 PCB(123)는 2차측 권선이 패턴으로 형성되고, 1차측 다층 PCB(122)에 평형하게 수직 방향으로 일정 거리 이격되며, 1차측 다층 PCB(122)로부터 제공되는 자속을 공유한다.

1차측 다층 PCB(122)와 2차측 다층 PCB(123)는 도 3에 도시된 바와 같이 각각 복수의 PCB로 구성되고, 각 PCB는 전도층을 형성할 수 있다.

상술한 구성을 갖는 1차측 변압기(120a)와 2차측 변압기(120b) 사이에는 절연층(180)이 위치하여 1차측 변압기(120a)와 2차측 변압기(120b) 간의 절연을 구현한다. 이때, 절연층(180)은 예컨대, 세라믹으로 구현된 세라믹층일 수 있다.

이에, 1차측 변압기(120a)와 2차측 변압기(120b)는 절연층(180)을 중심으로 상하로 분리되어 있어, 전기적 절연 특성이 증가될 수 있다. 이러한 절연층(180)은 PCB 상태로 형성되기 때문에, 직류-직류 변환기(100)는 소형화 및 경량화를 가능할 수 있다. 그리고, 1차 및 2차 변압기(120a, 120b)의 권선 및 코어는 절연층(180)에 접촉되어 내부에서 발생되는 열을 외부로 전달할 수 있다. 즉, 절연층(180)이 히트파이프 역할을 수행하는 것이다. 이를 통해서, 변압기(120) 코어(121)의 내부에서 발생되는 열을 감소시킬 수 있기 때문에, 코어(121)의 소형화가 가능할 수 있다.

이처럼 변압기(120)는 1차측 변압기(120a)와 2차측 변압기(120b) 사이에 절연층(180)을 삽입하여 완벽한 절연 및 물리적 분리를 이루어 무선 전력 전송을 이루게 된다. 그리고 1차측 변압기(120a)와 2차측 변압기(120b)의 사이에 절연층(180)을 구성하면 전원장치 구동시 발생되는 열을 효과적으로 방출하게 되어 하나의 히트 파이프 역할까지 갖게된다.

또한 절연층(180)의 두께를 조정하여 무선 전력 전송용 공진 네트워크의 인덕턴스를 조정할 수 있다. 이러한 절연층(180)의 두께는 예컨대, 최저 0.2T에서 최대 1.0T 까지 구성할 수 있다.

스위치부(110)의 제1 및 제2 스위치(Q₁, Q₂)가 제어된 주파수 및 듀티 비로 동작하여 공진 펄스 전압이 생성되고, 그 공진 펄스 전압은 1차측 권선에 입력되어 권선비와 결합 계수에 따라 일정량의 전압이 2차측 권선에 전달된다. 그러면, 변압기(120)는 1차측 권선과 2차측 권선 사이의 공진현상을 이용하여 전압(전력)을 전송한다. 즉, 변압기(120)는 자기공진 방식으로 무선전력을 전송한다.

상술한 바와 같이 변압기(120)는 1차측 변압기(120a)와 2차측 변압기(120b) 사이에 절연층(180)을 삽입함으로써, 효율을 높이고 프로토 타입 높이를 낮출 수 있다. 또한, 변압기(120)의 권선을 PCB 패턴으로 설계함으로써, 높이를 최소화할 수 있다.

변압기(120)는 납작한 PCB 형태(flat PCB type)의 층으로 구성함으로써 적은 누설 인덕턴스, 우수한 열적 특성, 최소의 표피효과, 고전력밀도, 낮은 기생 리액턴스, 경량, 낮은 높이(Low profile)등의 여러 장점을 가질 수 있다. 다층 PCB 변압기에 사용된 PCB타입의 권선은 주어진 도체 무게에 대해 최대 전류밀도와 효율을 얻을 수 있게 최적화된다. 또한 기생적인 요소의 영향이 감소되어 출력전압에서의 고주파 ringing이 최소화 된다.

PCB 변압기(120)는 권선을 사용하지 않기 때문에 변압기 및 인덕터의 제조 공정이 단순해지며 제조 가격과 시간이 절약된다. 또한, 높은 스위칭 주파수에서 모든 종류의 전원장치 토플러지에 사용되게 설계된다. 오랜 동작 시간동안 높은 신뢰성과 일정동작을 보장하며 높은 전력밀도를 얻을 수 있고 소형화, 경량화할 수 있다.

정류부(130)는 변압기(120)의 2차측 권선으로부터의 변압된 전압을 정류한다. 즉, 정류부(130)는 변압기(120)의 2차측 권선에 접속되며, 1차측 권선의 권선비에 따른 유도전압을 인가받아 직류 전압을 출력할 수 있다.

이러한, 정류부(130)는 4개의 다이오드(D₁, D₂, D₃, D₄)와 커패시터(Capacitor)를 이용하여 변압기(120)로부터 제공받은 에너지를 이용하여 직류 전압을 생성한다. 즉, 정류부(130)는 변압기(120)의 2차 권선로부터 제공받은 전압을 다이오드를 이용하여 정류한다. 이후, 정류부(130)는 커패시터를 통해 정류된 전압을 평활하여 직류 전압을 생성한다. 여기서, 다이오드는 순방향 전류 능력과 역방향 전압에 견딜수 있어야 하며, 커패시터는 고주파 잡음 제거를 수행한다.

즉, 정류부(130)는 변압기(120)로부터 전송된 고주파 펄스를 정류하여 DC 전압으로 변환하는 구성으로, 예컨대, 전파 정류회로로 구성이 가능하다.

상술한 바와 같이, 변압기(120)의 1차측 권선에 인가된 전원은 자계(magnetic field)를 발생시키고, 이 자계는 변압기(120)의 2차측 권선에 기전력을 유도한다. 변압기(120) 2차측 권선에 유도된 기전력은 다이오드와 캐패시터로 구성된 정류부(130)에 의해 직류로 변환되어 출력된다.

이때, 변압기(120)는 1차측과 2차측이 전기적으로 절연되어 있기 때문에 필요에 따라서 1차측과 2차측을 분리시킬 수 있다. 이 경우 1차측과 2차측의 전력 전달은 1차 측에서 발생한 자속이 매개가 되며, 분리된 변압기(120)가 가까울수록 전력 전달 효율과 결합율이 높아지는 특징이 있다. 이러한 변압기(120)는 무접촉 충전기 등, 전기적 접촉을 사용하지 않으면서 효율적으로 에너지를 전달시켜야하는 곳에 사용될 수 있다.

입력 임피던스 매칭부(140)는 공진 소자로 구성되고, 변압기(120)의 전류 파형을 안정화된 정현파가 되도록 한다.

출력 임피던스 매칭부(150)는 변압기 2차측 권선의 출력 파형이 안정화된 정현파가 되도록 한다.

한편, 본 발명은 전력변환과정에서 발생되는 전력 손실로 인한 발열을 해결하기 위한 방법으로 무선전력전송용 변압기 사이에 세라믹 또는 절연과 방열을 해결하는 절연층(180)이 구비된다. 변압기(120)의 1차측과 2차측은 매우 가까운 위치에 있지만, 그 사이에 구비된 절연층(180)으로 인해 전기신호를 전달하기 위한 방법이 기술적으로 용이하지 않다. 이에, 본 발명은 블루투스, 와이파이 등과 같은 근거리 전용의 무선 통신용 소자를 이용하여 출력 전압의 피드백 제어를 위한 신호를 전송한다. 이 경우 신호전달 거리가 가깝기 때문에 별도의 무선 송수신을 위한 안테나 설치가 필요 없고, 외부의 무선 간섭 영향도 적다.

즉, 본 발명에 따른 박형 직류-직류 컨버터(100)는 출력 전압의 피드백 제어를 위해 근거리 무선 통신을 통해 신호를 송수신하는 2차측 무선 제어부(160)와 1차측 무선 제어부(170)를 포함한다.

2차측 무선 제어부(160)는 2차측 근거리 무선 통신모듈(163)이 구비되며, 정류부(130)의 출력 전압을 검출하여 2차측 근거리 무선 통신모듈(162)을 통해 1차측 무선 제어부(170)로 전송한다.

이러한 2차측 무선 제어부(160)는 전압 분배모듈(161), 전압변환모듈(162), 2차측 근거리 무선통신모듈(163)을 포함한다.

전압 분배모듈(161)은 정류부(130)의 출력전압을 측정하여 전압변환모듈(162)로 전송한다. 즉, 전압 분배모듈(161)은 도 4에 도시된 바와 같이 출력단자와 접지단자 사이에 직렬접속된 저항(R1) 및 저항(R2)을 구비하고, 두개의 저항(R1, R2)을 이용해서 정류부(130)에서 출력되는 전압에서 기설정된 비율의 전압을 분배해서 전압변환모듈(162)로 전송한다. 이때, 전압 분배모듈(161)에서 출력된 전압은 아날로그 전압값일 수 있다. 도 4에는 전압 분배모듈(161)을 두개의 저항(R1, R2)으로 구성하였으나, 저항 조건은 다양하게 구성할 수 있다.

전압 변환 모듈(162)는 전압 분배 모듈(161)에서 출력된 아날로그 출력 전압을 기 설정된 기준 전압과 비교하고, 그 비교결과에 따른 차이를 PWM 신호로 출력한다. 여기서, 전압 변환 모듈(162)는 예컨대, LMZ21700 소자로 구현될 수 있다.

2차측 근거리 무선통신모듈(163)은 전압 변환 모듈(162)에서 출력된 PWM 신호를 근거리 무선통신으로 1차측 무선 제어부(170)로 전송한다. 이때, 2차측 근거리 무선통신모듈(163)은 예컨대, 블루투스, 와이파이, ESP32 등으로 구현될 수 있다.

1차측 무선 제어부(170)는 1차측 근거리 무선통신모듈(171)이 구비되며, 2차측 무선 제어부(160)로부터 전송된 PWM 신호를 1차측 근거리 무선 통신모듈(171)을 통해 수신하고, 출력 전압의 변화에 따른 제어신호를 스위치부(110)에 전송하여 출력전압을 조절한다.

이러한 1차측 무선 제어부(170)는 1차측 근거리 무선 통신모듈(171), PWM(Pulse Width Modulator) 증폭모듈(172), PWM 신호 필터모듈(173), PFM(Pulse Frequency Modulation) 제어모듈(174), 스위치 절연 구동모듈(175)을 포함한다.

1차측 근거리 무선통신모듈(171)은 2차측 근거리 무선통신모듈(163)을 통해 전송된 PWM 신호를 수신하여 PWM 증폭모듈(172)로 전송한다. 이때, 1차측 근거리 무선통신모듈(171)은 예컨대, 블루투스, 와이파이, ESP32 등으로 구현될 수 있다.

PWM 증폭모듈(172)은 1차측 근거리 통신모듈(171)을 통해 수신한 PWM 신호를 증폭한다. 이때, PWM 증폭모듈(172)은 예컨대, 트랜지스터 등으로 구현될 수 있다.

PWM 신호 필터모듈(173)은 PWM 증폭모듈(172)에서 증폭된 PWM 신호를 필터링하여 아날로그 신호로 변환한다. 여기서, 아날로그 신호는 제어전압일 수 있고, PWM 신호 필터모듈(173)은 예컨대, LPF로 구현될 수 있다.

PFM 제어모듈(174)은 PWM 신호 필터모듈(173)로부터 제공받은 제어 전압의 크기에 따라 주파수를 변경하고, 변경한 주파수에 따른 제어신호를 생성한다. 즉, PFM 제어모듈(174)은 스위치부(110)의 스위칭 주파수를 변동시켜서 출력 전압을 제어하기 위해 PFM 방식을 사용한다. 따라서, PFM 제어모듈(174)은 PWM 신호 필터모듈(173)로부터 제공받은 제어 전압에 따라 출력전압이 기준전압으로 유지될 수 있도록 스위치 절연 구동부(175)로 하여금 스위치부(110)를 제어하도록 한다. 즉, PFM 제어모듈(174)은 출력전압이 기준전압보다 낮은 경우 스위치부(110)를 동작시키고, 출력전압이 기준전압보다 높은 경우 스위치부(110)를 동작시키지 않음으로써, 출력전압을 기준전압으로 유지시킨다. 이때, 스위치부(110)가 동작하는 구간이 버스트(Burst) 구간이 되고, 스위치부(110)가 동작하지 않는 구간이 아이들(Idle) 구간이 된다. 따라서, PFM 모드는 크게 버스트 구간과 아이들 구간으로 나누어지게 된다.

이러한 PFM 제어모듈(174)은 예컨대, NCP1395 소자로 구현될 수 있다.

스위치 절연 구동부(175)는 PFM 제어모듈(174)에서 생성된 제어신호를 스위치부(110)의 제어 단자로 출력한다. 그러면, 스위치부(110)는 제어신호에 따라 온/오프 동작을 수행하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 박형 직류-직류 컨버터는 박형 직류-직류 컨버터의 실시간 모니터링이 가능하도록 외부 장치와 연결 가능한 외부장치 인터페이스부(190)를 더 포함할 수 있다. 예컨대, 1차측 또는 2차측 근거리 무선통신모듈(163, 171)을 도 5와 같은 ESP32 소자로 구현된 경우, ESP32의 내부 기능 중에서 외부와 유선 통신이 가능한 I2C, CAN, 이더넷 등의 통신 기능을 갖추고 있으므로, 전원장치의 유지보수에 필요한 실시간 모니터링이 가능하다. ESP32 소자는 한 개의 소자에서 블루투스, 와이파이 등의 근거리 무선통신이 가능하고, 듀얼 마이크로 프로세서가 내장되어 소형화가 가능하며, 가격이 저렴하여 동작 온도 범위도 넓어서 신뢰성이 높다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차측 및 2차측 무선 제어부를 제외한 직류-직류 컨버터의 회로도, 도 7은 도 6에 도시된 컨버터의 전력 손실 분석을 위한 주요 소자의 도통 저항을 나타낸 회로도, 도 8은 박형 직류-직류 컨버터의 출력 전력 상태에 따른 손실을 나타낸 그래프, 도 9는 박형 직류-직류 컨버터의 출력 전력 상태에 따른 이론적 효율을 나타낸 그래프이다.

무선전력전송을 위한 Low-profile DC-DC Converter를 설계함에 있어서 반도체 부품의 최적 설계 및 전원장치의 전력손실 파악이 중요하다. 이에 도 6과 같은 DC-DC Converter의 각각의 소자의 on저항과 소자에 흐르는 RMS 전류를 이용하여 DC-DC 컨버터에서 손실되는 전력 P_L을 도출할 수 있다. 도 6에 도시된 DC-DC Converter의 회로는 일반적인 구성이므로, 그 상세한 설명은 생략하고, DC-DC 컨버터에서 손실되는 전력에 대해 설명하기로 한다.

스위치부의 제1 스위치(S1)에 흐르는 RMS 전류(I_S1 _rms)는 아래 수학식 1과 같고, 제2 스위치(S2)에 흐르는 RMS 전류(I_S2 _rms)는 아래 수학식 2와 같다. 스위치에 흐르는 전류는 출력전류(Io), 트랜스포머의 Turns ratio, L_M 공진 주파수(f_R)에 따라 결정된다.

[수학식 1]

[수학식 2]

변압기의 1차측 공진 인덕터(L_R)에 흐르는 RMS 전류(I_LR _rms)는 아래 수학식 3을 이용하여 산출할 수 있고, 자기 인덕터(L_M)에 흐르는 RMS 전류(I_LM _rms)는 아래 수학식 4를 이용하여 산출할 수 있다.

[수학식 3]

[수학식 4]

따라서 변압기의 1차측에 흐르는 전류 실효값(I_{P rms})은 아래 기재된 수학식 5를 이용하여 산출할 수 있다.

[수학식 5]

그리고 2차측의 각 정류 다이오드에 흐르는 실효 전류값(I_{D1 rms})는 아래 수학식 6을 이용하여 산출할 수 있고, 컨버터에서 사용한 정류 다이오드의 전력 손실은 다이오드에 흐르는 실효 전류값과 다이오드의 순방향 전압(V_F)에 의해 결정된다.

[수학식 6]

이렇게 WTP(Wireless Power Transmission)를 위한 Low-profile DC-DC Converter에 흐르는 RMS 전류를 수학식으로써 정리하여 각 소자에서 발생하는 전도 손실을 구할 수 있는데, 그 수식은

의 기본 전력 수식에 대입하여 알 수 있다.

도 7은 WPT Converter 회로 구성소자들의 주요 저항 값을 나타낸다. 각 주요 소자에 흐르는 실효 전류값은 수학식 1 내지 수학식 6을 이용하여 산출할 수 있으므로, Low-profile DC-DC Converter의 전력손실에 대한 이론적 값을 도출할 수 있다.

본 발명의 실시예에서 이용한 입출력 특성 및 주요 소자의 사양은 표 1과 같다.

[표 1]

표 1에서의 실제 WPT Converter의 스펙 및 사양을 수학식 1 내지 수학식 6에 대입하여 모듈에 흐르는 실효 전류를 구할 수 있고, 컨버터의 on 저항값을 이용하여 그 도출된 값을 아래 수학식 7 내지 9에 대입하여 WTP Converter의 효율 및 전력손실을 구할 수 있다. 그리고 Low-profile DC-DC Converter의 출력 전력 상태에 따른 이론적 효율 및 손실 그래프를 그릴 수 있으며 그 특성은 도 8 및 도 9와 같다.

[수학식 7]

여기서, P_IN은 입력 전력, P_O은 출력 전력, P_L은 손실 전력일 수 있다.

[수학식 8]

[수학식 9]

상술한 수학식을 이용하여 WPT Converter의 전력 손실을 분석한 결과 출력 전력 500W일 때 최대 효율 약 93%의 값이 나오며 이때 전력 손실은 35W가 발생하게 된다. 이러한 수치를 기준으로 WPT Converter의 방열 분석과 소자 선정에 반영하여 Low-profile DC-DC Converter의 최적 설계를 이룰 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 저출력 및 고출력에서의 시뮬레이션 컨버터의 동작 파형을 나타낸 도면이다.

도 10을 참조하면, 스위치 제어 전압의 파형(V_GS1, V_GS2), 변압기의 1 차측의 공진 전류(i_LR _,i_LM _),변압기의 2 차측의 전압(V_T)을 표시 하였다. (a)는 입력 전압이 약 400V이고 스위칭 주파수가 1MHz인 조건에서 동작 파형이다. 공진 전류 파형은 낮은 출력 전류에 의해 유도된 자화 인덕턴스 때문에 삼각형 모양임을 알 수 있다. (b)는 중간 출력과 400V의 입력 전압 조건에서 측정된 파형이다. (c)는 최대 출력과 400V의 입력 전압 조건에서 측정된 파형이다. 변압기의 1 차측과 2 차측의 전류 파형은 1MHz의 스위칭 주파수와 공진하기 때문에 사인파 형태임을 알 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 박형(Low-profile) 직류-직류 컨버터
110 : 스위치부
120 : 변압기
130 : 정류부
140 : 입력 임피던스 정합부
150 : 출력 임피던스 정합부
160 : 2차측 무선 제어부
170 : 1차측 무선 제어부
180 : 절연층
190 : 외부장치 인터페이스부

Claims

입력 전압을 스위칭하는 스위치부;
1차측 권선이 형성된 다층 PCB(printed circuit board)로 구성되며, 상기 스위치부로부터 입력받은 전압에 의해 자계를 발생시키는 1차측 변압기;
2차측 권선이 형성된 다층 PCB로 구성되며, 상기 1차측 변압기에서 발생된 자계에 의해 유도된 전압을 출력하는 2차측 변압기;
4개의 다이오드와 커패시터 소자로 구성되어 상기 2차측 변압기로부터 출력된 전압을 정류하는 정류부;
상기 정류부의 출력 전압을 검출하여 근거리 무선 통신을 통해 전송하는 2차측 무선 제어부; 및
상기 2차측 무선 제어부로부터 전송된 출력 전압을 근거리 무선 통신을 통해 수신하고, 상기 출력 전압의 변화에 따른 제어신호를 상기 스위치부에 전송하여 상기 출력전압을 조절하는 1차측 무선 제어부를 포함하되,
상기 스위치부, 1차측 변압기 및 1차측 무선 제어부는 1차측 PCB상에 구현되고, 상기 2차측 변압기, 정류부 및 2차측 무선 제어부는 2차측 PCB상에 구현되며, 상기 1차측 PCB와 상기 2차측 PCB 사이에는 세라믹층이 삽입된 것을 특징으로 하는 박형 DC-DC 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 1차측 변압기는,
상기 1차측 권선이 패턴으로 형성된 1차측 다층 PCB; 및
상기 1차측 다층 PCB의 가장 자리를 둘러싸는 1차측 코어를 포함하고,
상기 2차측 변압기는,
상기 2차측 권선이 패턴으로 형성된 2차측 다층 PCB; 및
상기 2차측 다층 PCB의 가장 자리를 둘러싸는 2차측 코어를 포함하는 것을 특징으로 하는 박형 DC-DC 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 2차측 무선 제어부는,
상기 정류부의 출력 전압을 검출하는 전압 분배모듈;
상기 전압 분배모듈에서 검출된 출력 전압을 기 설정된 기준 전압과 비교하고, 그 비교결과에 따른 차이를 PWM(Pulse Width Modulator) 신호로 출력하는 전압 변환 모듈; 및
상기 전압 변환 모듈에서 출력된 PWM 신호를 근거리 무선통신으로 상기 1차측 무선 제어부로 전송하는 2차측 근거리 무선통신모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 박형 DC-DC 컨버터.
제3항에 있어서,
상기 1차측 무선 제어부는,
상기 2차측 근거리 무선통신모듈로부터 전송된 PWM 신호를 수신하는 1차측 근거리 무선통신모듈;
상기 1차측 근거리 무선통신모듈을 통해 수신한 PWM 신호를 증폭하는 PWM 증폭모듈;
상기 PWM 증폭모듈에서 증폭된 PWM 신호를 필터링하여 아날로그의 제어 전압으로 변환하는 PWM 신호 필터모듈; 및
상기 PWM 신호 필터모듈로부터 제공받은 제어 전압의 크기에 따라 주파수를 변경하고, 상기 변경된 주파수에 따른 제어신호를 생성하여 상기 스위치부를 제어하는 PFM(Pulse Frequency Modulation) 제어모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 박형 DC-DC 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 절연층은
상기 1차측 변압기와 2차측 변압기 사이에 위치하여, 1차측 변압기와 2차측 변압기의 절연 및 내부에서 발생되는 열을 외부로 전달하는 것을 특징으로 하는 박형 DC-DC 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 스위치부와 1차측 변압기 사이에 입력 임피던스 매칭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박형 DC-DC 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 2차측 변압기와 상기 정류부 사이에 출력 임피던스 매칭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박형 DC-DC 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 1차측 무선 제어부 또는 2차측 무선 제어부와 연결되며, 상기 박형 DC-DC 컨버터의 실시간 모니터링을 위해 외부 장치와 연결하는 외부장치 인터페이스부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박형 DC-DC 컨버터.