KR102123375B1 - 양방향 dc-dc 컨버터의 보호 장치 및 방법 - Google Patents

양방향 dc-dc 컨버터의 보호 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 장치 및 방법은, 복수의 스위치를 구비하여 저전압 배터리와 고전압 배터리 사이에서 양방향으로 전압 변환을 수행하는 전력변환부; 및 전력변환부에 흐르는 전류값을 감지하여 기준 전류값과의 비교를 통해 과전류 발생 여부를 판단하고, 감지한 전류값이 기준 전류값 이상이면 과전류가 발생하였다고 판단하여 전력변환부의 모든 스위치를 턴 오프(Turn Off)시키는 제어부;를 포함하되, 전력변환부는, 과전류 발생 시, 전류의 흐름을 차단하기 위한 보호스위치부; 및 과전류 발생 시, 전력변환부의 모든 스위치가 턴 오프되지 않은 경우, 보호스위치부가 턴 오프되도록 하여 전력변환부의 동작을 정지시키는 보호회로부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

양방향 DC-DC 컨버터의 보호 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PROTECTION OF BI-DIRECTIONAL DC-DC CONVERTER}
본 발명은 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양방향 DC-DC 컨버터의 입출력단에 2차 보호회로를 적용하여 하드웨어적으로 스위칭 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 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 전자부품을 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. 또한 양방향 DC-DC 컨버터는 인터리브드 구조로 구성되어 전류를 각 페이즈로 분산시켜 소자에 가해지는 스트레스를 감소시킨다. 즉, 양방향 DC-DC 컨버터는 12V, 48V 배터리 사이에 장착되며 승압, 강압 동작을 통해 전력변환을 한다.
한편, 양방향 DC-DC 컨버터는 MCU(Micro Controller Unit)를 포함하여 전력변환부를 스위칭 제어하여 전력변환을 수행할 수 있으며, MCU에서 전류값을 감지하여 과전류 등의 이상동작 발생 시 스위칭 동작을 OFF로 제어하여 정지시킬 수 있다. 그러나 MCU 자체에서 오동작이 발생하게 되면 과전류를 감지할 수 없어 컨버터가 고장나는 치명적인 오류를 유발하게 되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 배경기술로는 대한민국 등록특허공보 제0774673호(2007.11.08.공고)인 "DC/DC 컨버터의 트랜스포머 방열 구조"가 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 창안된 것으로, 양방향 DC-DC 컨버터의 입출력단에 2차 보호회로를 적용하여 오류발생 시 하드웨어적으로 스위칭 동작을 턴 오프(Turn OFF)하는 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 장치는, 복수의 스위치를 구비하여 저전압 배터리와 고전압 배터리 사이에서 양방향으로 전압 변환을 수행하는 전력변환부; 및 상기 전력변환부에 흐르는 전류값을 감지하여 기준 전류값과의 비교를 통해 과전류 발생 여부를 판단하고, 감지한 상기 전류값이 기준 전류값 이상이면 과전류가 발생하였다고 판단하여 상기 전력변환부의 모든 스위치를 턴 오프(Turn Off)시키는 제어부;를 포함하되, 상기 전력변환부는, 과전류 발생 시, 전류의 흐름을 차단하기 위한 보호스위치부; 및 상기 과전류 발생 시, 상기 전력변환부의 모든 스위치가 턴 오프되지 않은 경우, 상기 보호스위치부가 턴 오프되도록 하여 상기 전력변환부의 동작을 정지시키는 보호회로부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 보호회로부는, 상기 전력변환부의 전류를 측정하는 전류측정부의 전압을 증폭시키는 신호증폭부; 상기 신호증폭부의 출력전압과 미리 설정된 기준전압을 비교하는 비교기; 상기 비교기의 비교 결과에 따라 전원IC의 인에이블(Enable) 신호가 변경되도록 하는 출력 신호를 출력하도록 구성된 래치회로부; 및 상기 전원IC의 전원을 사용하여 상기 보호스위치부를 턴 온 또는 턴 오프시키는 보호스위치부 드라이버;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 보호회로부는, 상기 비교기의 비교 결과 상기 신호증폭부의 출력전압이 기준전압 이상이면 상기 래치회로부에서 래치동작이 발생하여 상기 전원IC의 인에이블 신호가 로우(Low)가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 보호회로부는, 상기 전원IC의 인에이블 신호가 로우가 되면, 상기 전원IC의 전원이 차단되어 상기 보호스위치부 드라이버가 상기 보호스위치부를 턴 오프시키도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 래치회로부는, D-플립플롭(FlipFlop) 회로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 제어부는, 저전압 배터리와 고전압 배터리의 상태를 파악하고, 상기 저전압 배터리와 고전압 배터리의 상태에 기초하여 고전압 배터리에서 저전압 배터리로의 강압을 위한 벅(Buck) 모드 및 저전압 배터리에서 고전압 배터리로의 승압을 위한 부스트(Boost) 모드를 수행하기 위해 상기 전력변환부의 복수의 스위치를 각각 턴 온시키거나 턴 오프시켜 각 저전압 배터리 및 고전압 배터리의 전압이 목표전압에 도달하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 방법은, 전력변환부가 복수의 스위치를 구비하여 저전압 배터리와 고전압 배터리 사이에서 양방향으로 전압 변환을 수행하는 단계; 제어부가 상기 전력변환부에 흐르는 전류값을 감지하여 기준 전류값과의 비교를 통해 과전류 발생 여부를 판단하는 단계; 상기 제어부가 감지한 상기 전류값이 기준 전류값 이상이면 과전류가 발생하였다고 판단하여 상기 전력변환부의 모든 스위치를 턴 오프시키는 단계; 및 과전류 발생 시, 상기 전력변환부의 모든 스위치가 턴 오프되지 않은 경우, 상기 전력변환부에 포함된 보호회로부가 전류의 흐름을 차단하기 위한 보호스위치부가 턴 오프되도록 하여 상기 전력변환부의 동작을 정지시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 신호증폭부가 상기 전력변환부의 전류를 측정하는 전류측정부의 전압을 증폭시키는 단계; 비교기가 상기 신호증폭부의 출력전압과 미리 설정된 기준전압을 비교하는 단계; 래치회로부가 상기 비교기의 비교 결과에 따라 전원IC의 인에이블 신호가 변경되도록 하는 출력 신호를 출력하는 단계; 및 보호스위치부 드라이버가 상기 전원IC의 전원을 사용하여 상기 보호스위치부를 턴 온 또는 턴 오프시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 보호스위치부가 턴 오프되도록 하는 단계에서, 상기 보호회로부는, 상기 비교기의 비교 결과 상기 신호증폭부의 출력전압이 기준전압 이상이면 상기 래치회로부에서 래치동작이 발생하여 상기 전원IC의 인에이블 신호가 로우(Low)가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 보호스위치부가 턴 오프되도록 하는 단계에서, 상기 보호회로부는, 상기 전원IC의 인에이블 신호가 로우가 되면, 상기 전원IC의 전원이 차단되어 상기 보호스위치부 드라이버가 상기 보호스위치부를 턴 오프시키도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 제어부가 저전압 배터리와 고전압 배터리의 상태를 파악하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 저전압 배터리와 고전압 배터리의 상태에 기초하여 고전압 배터리에서 저전압 배터리로의 강압을 위한 벅(Buck) 모드 및 저전압 배터리에서 고전압 배터리로의 승압을 위한 부스트(Boost) 모드를 수행하기 위해 상기 전력변환부의 복수의 스위치를 각각 턴 온시키거나 턴 오프시켜 각 저전압 배터리 및 고전압 배터리의 전압이 목표전압에 도달하도록 하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 장치 및 방법은 양방향 DC-DC 컨버터의 입출력단에 2차 보호회로를 적용하여 오류발생 시 하드웨어적으로 스위칭 동작을 턴 오프(Turn OFF)함으로써, 소프트웨어적으로 오동작이 발생하여 1차 보호에 실패할 경우에도 스위칭 동작을 턴 오프할 수 있도록 하여 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 장치에서 보호회로부를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 장치 및 방법을 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 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 장치를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 장치에서 보호회로부를 나타낸 도면으로서, 이를 참조하여 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 장치를 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 장치는, 저전압 배터리(예: 12V)와 고전압 배터리(예: 48V) 사이에서 양방향으로 전압 변환을 수행하는 전력변환부(200) 및 상기 전력변환부(200)를 제어하기 위한 제어부(100)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터는 인터리브드(interleaved) 구조로 구성되며 전류를 각 위상으로 분산시켜 소자에 가해지는 스트레스를 감소시킬 수 있다.
도 1을 참조하여 본 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터에서의 전력변환부(200)의 회로 구성을 구체적으로 설명하면, 전력변환부(200)는 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2), 인덕터(L), 보호회로부(I), LV 보호스위치부(20) 및 HV 보호스위치부(21)를 포함할 수 있고, 또한 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 턴 온/오프시키기 위한 스위치드라이버(SW DRV)를 포함할 수 있다.
제1 스위치(SW1)는 HV 보호스위치부(21)와 그 일 단자가 연결된다. 그리고 제2 스위치(SW2)는 제1 스위치(SW1)의 타 단자 및 그라운드(ground) 사이에 연결된다. 또한 도면에는 도시되어 있지 않으나, HV 보호스위치부(21)는 BUSBAR를 거쳐서 고전압 배터리(미도시)와 연결될 수 있다. 인덕터(L)는 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)의 연결 노드와 그 일 단자가 연결된다. 그리고 인덕터(L)의 타 단자에는 전력변환부(200)에 흐르는 대전류를 측정하기 위한 전류측정부(24)가 연결되고, 전류측정부(24)는 LV 보호스위치부(20)와 그 일 단자가 연결된다. 또한, 도면에는 도시되어 있지 않으나, LV 보호스위치부(20)는 BUSBAR를 거쳐서 저전압 배터리(미도시)와 연결될 수 있다. 그리고 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2), LV 보호스위치부(20) 및 HV 보호스위치부(21)는 FET(Field Effect Transistor)로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 형태의 스위치가 채용될 수 있다.
한편, 도 1을 참조하면, 전술한 회로 구성은 양방향 DC-DC 컨버터의 용량에 따라 복수 개를 병렬로 연결하여 구성될 수 있으며, 각각의 회로 구성이 LV 보호스위치부(20) 및 HV 보호스위치부(21)에 통합적으로 연결되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 각각의 회로 구성에 LV 보호스위치부(20) 및 HV 보호스위치부(21)가 각각 구비되어 있을 수 있다.
전술한 회로 구성을 기반으로, 제어부(100)는 전원부(11), 전압감지부(12), MCU(Micro Controller Unit, 13), 통신부(14) 및 전류감지부(15)를 포함하여 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2), LV 보호스위치부(20) 및 HV 보호스위치부(21) 중 적어도 하나 이상을 턴 온시키거나 턴 오프시킬 수 있다. 이때, 제어부(100)는 MCU(13)를 통해 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2), LV 보호스위치부(20) 및 HV 보호스위치부(21)의 스위칭 제어를 하거나 PWM IC(Pulse Width Modulation Integrated Circuit)를 포함하여 PWM 제어로 스위칭 제어를 할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 제어부(100)는 MCU(13)가 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 장치를 전체적으로 제어하기 위해 필요한 구성들을 포함하는 통합 제어 수단을 의미할 수 있다.
전원부(11)는 제어부(100)에 전원을 공급하기 위한 전기 에너지원이다.
전압감지부(12)는 저전압 배터리와 고전압 배터리의 전압을 감지하여 MCU(13)에 전송하고, 이를 통해 MCU(13)는 저전압 배터리와 고전압 배터리의 상태를 파악할 수 있다.
통신부(13)는 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2), LV 보호스위치부(20) 및 HV 보호스위치부(21)와 그 외 제어를 위한 소자들에 MCU(13)의 제어 신호를 전송한다. 통신부(13)는 CAN(Controller Area Network) 방식, 1 wire 방식, 또는 2 wire 방식을 통해 제어 신호를 전송할 수 있으나, 이는 전술한 통신부의 통신 방식은 예시적인 사항일 뿐, 한정되지는 않는다.
전류감지부(15)는 전력변환부(200)에 흐르는 전류를 감지하여 MCU(13)에 전송한다. 이를 통해 MCU(13)는 과전류 발생 등의 오류를 파악할 수 있다. 이때, 전류감지부(15) 및 후술하는 전류측정부(24)는 동일하게 구성될 수도 있다.
즉, MCU(13)는 전압감지부(12)를 통해 저전압 배터리와 고전압 배터리의 상태를 파악하고, 상기 저전압 배터리와 고전압 배터리의 상태에 기초하여 양방향 전력변환을 수행할 수 있다. 보다 구체적으로, MCU(13)는 고전압 배터리에서 저전압 배터리로의 강압을 위해서 벅(Buck) 모드를 수행할 수 있고, 저전압 배터리에서 고전압 배터리로의 승압을 위해서 부스트(Boost) 모드를 수행할 수 있다. 이때, MCU(13)는 전력변환부(200)의 복수의 스위치를 각각 턴 온시키거나 턴 오프시켜 각 저전압 배터리 및 고전압 배터리의 전압이 목표전압에 도달하도록 할 수 있다. 한편, 저전압 배터리와 고전압 배터리 사이에서 벅-부스트 모드를 수행하여 전력 변환하는 기술은 공지된 기술이므로 자세한 방법은 생략하도록 한다. 또한, 본 실시예에서는 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 장치에 대해 개시하고 있으므로, 벅-부스트 모드를 수행하기 위한 회로 구성은 개략적으로 표시되었다.
MCU(13)는 전류감지부(15)를 통해 전력변환부(200)에 흐르는 전류를 감지할 수 있고, 감지된 전류값과 과전류 감지를 위해 미리 설정한 기준 전류값과의 비교를 통해 과전류 발생 여부를 판단할 수 있다. 이때, MCU(13)는 감지한 전류값이 기준 전류값 이상이면 과전류가 발생하였다고 판단할 수 있고, 과전류가 발생하였다고 판단한 경우에는 전력변환부(200)의 모든 스위치를 턴 오프(Turn Off)시켜 컨버터 동작을 정지시킬 수 있다.
하지만 MCU(13) 자체에서 오동작이 발생하는 경우에는, 과전류 발생에도 모든 스위치를 턴 오프시키지 않아 컨버터 동작이 정지되지 않는다. 이에 따라 컨버터가 고장나는 치명적이 오류가 발생할 수 있다. 또한, 본 실시예와 같이 12V-48V 양방향 컨버터의 경우 용량에 따라 전류범위가 크기 때문에 과전류에 대한 감지가 더욱 중요하다.
따라서, 본 실시예에서는 MCU(13) 자체의 오동작에도 하드웨어적으로 2차 보호를 수행할 수 있도록 보호회로부(I)를 구비하였다.
즉, 전력변환부(200)는 과전류 발생 시, 전류의 흐름을 차단하기 위한 LV 보호스위치부(20) 및 HV 보호스위치부(21)를 포함하고, 상기 과전류 발생 시, 전력변환부의 모든 스위치가 턴 오프되지 않은 경우, 즉 MCU(13)의 오동작으로 스위칭 제어가 되지 않은 경우, LV 보호스위치부(20) 및 HV 보호스위치부(21)가 턴 오프되도록 하여 전력변환부(20)의 동작을 정지시키는 보호회로부(I)를 포함한다.
보호회로부(I)는 전류측정부(24), 신호증폭부(25), 비교기(26), 래치회로부(27), 전원IC(28) 및 보호스위치부 드라이버(29)를 포함할 수 있다. 이때, 본 실시예에서는 보호스위치부 드라이버(29)가 보호회로부(I)에 포함되는 것으로 설명하고 있으나, LV 보호스위치부(20) 및 HV 보호스위치부(21)에 각각 포함될 수도 있다.
전류측정부(24)는 전력변환부(200)에 흐르는 대전류를 측정하는 것으로, 션트저항(Shunt Resistor)으로 구성될 수 있다.
신호증폭부(25)는 입력단이 전류측정부(24)와 연결되고, 출력단이 비교기(26)와 연결되어 전류측정부(24)로부터 입력된 전압을 증폭시켜 비교기(26)에 출력할 수 있다.
비교기(26)는 신호증폭부(25)의 출력전압과 미리 설정된 기준전압을 비교할 수 있다. 즉, 비교기(26)는 기준 전압 생성기(미도시)의 출력인 기준전압을 플러스 단자 입력으로 사용할 수 있고, 신호증폭부(25)의 출력전압을 마이너스 단자 입력으로 사용할 수 있다. 비교기(26)는 기준전압과 신호증폭부(25)의 출력전압을 비교하여 비교 결과에 대한 신호를 래치회로부(27)에 출력할 수 있다.
이때, 비교기(26)는 기준전압이 신호증폭부(25)의 출력전압보다 높은 경우, 하이(Hi) 신호를 출력할 수 있고, 기준전압이 신호증폭부(25)의 출력전압보다 낮은 경우에는 로우(Low) 신호를 출력할 수 있다.
래치회로부(27)는 비교기(26)의 비교 결과에 따라 전원IC(28)의 인에이블(Enable) 신호가 변경되도록 하는 출력 신호를 출력하도록 구성될 수 있다.
이때, 비교기(26)와 래치회로부(27) 사이에는 NOT게이트(Inverter)가 구비될 수 있다. 즉, 비교기(26)에서 출력되는 신호와 반대되는 값이 출력된다.
따라서, 비교기(26)에서의 비교결과, 기준전압이 신호증폭부(25)의 출력전압보다 높은 경우, 래치회로부(27)에는 로우 신호가 입력되고, 기준전압이 신호증폭부(25)의 출력전압보다 낮은 경우, 래치회로부(27)에는 하이 신호가 입력될 수 있다.
한편, 래치회로부(27)는 D-플립플롭(FlipFlop) 회로를 포함하여 구성될 수 있다. D-플립플롭 회로는 클럭 신호(CLK)에 따라 동작하며, D단에 입력되는 제어 신호에 대해서는 도면에 도시되지 않았으나 클럭 신호와 동기화된 D단에 입력되는 제어 신호를 출력할 수 있다.
따라서, 래치회로부(27)는 하이 신호가 입력되는 경우, 스위칭 소자가 턴 온되도록 하여 전원IC(28)의 인에이블 신호는 로우가 되도록 할 수 있고, 로우 신호가 입력되는 경우, 스위칭 소자가 턴 오프되도록 하여 전원IC(28)의 인에이블 신호는 하이가 되도록 할 수 있다.
전원IC(28)은 배터리로부터 전원을 입력받아 출력하는 것으로, 인에이블 신호가 로우일 때, 전원이 차단될 수 있다.
보호스위치부 드라이버(29)는 전원IC(28)의 전원을 사용하여 LV 보호스위치부(20) 및 HV 보호스위치부(21)를 턴 온 또는 턴 오프시킨다. 즉, 보호스위치부 드라이버(29)는 전원IC(28)의 전원이 차단된 경우, LV 보호스위치부(20) 및 HV 보호스위치부(21)를 턴 오프시켜 전력변환부(200)의 동작이 정지되도록 할 수 있다.
즉, 신호증폭부(25)에서 전류측정부(24)로부터 입력된 전압을 증폭시켜 비교기(26)에 출력하면, 비교기(26)는 신호증폭부(25)의 출력전압과 기준전압을 비교하는데, 과전류가 발생한 경우에는 기준전압이 신호증폭부(25)의 출력전압보다 낮다. 따라서, 비교기(26)에서 로우 신호가 출력되고, NOT게이트를 통과하여 하이 신호가 래치회로부(27)에 입력된다. 이때, 래치회로부(27)는 하이 신호가 클럭단으로 입력되어 하이 신호가 출력되고, 스위칭 소자가 턴 온되어 대부분의 전류가 그라운드로 흐르게 되어 전원IC(28)의 인에이블 신호가 로우가 된다. 즉, 전원IC(28)의 전원이 차단되어 전력변환부(200)의 동작이 정지되고, 과전류에 의한 고장을 방지하여 컨버터를 보호할 수 있다.
따라서, 보호회로부(I)는 비교기(26)의 비교 결과 신호증폭부(25)의 출력전압이 기준전압 이상이면 래치회로부(27)에서 래치동작이 발생하여 전원IC(28)의 인에이블 신호가 로우(Low)가 되도록 한다. 또한, 보호회로부(I)는 전원IC(28)의 인에이블 신호가 로우가 되면, 상기 전원IC(28)의 전원이 차단되어 보호스위치부 드라이버(29)가 LV 보호스위치부(20) 및 HV 보호스위치부(21)를 턴 오프시키도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 이를 참조하여 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 방법은, 먼저 제어부(100)가 배터리 상태를 체크한다(S10).
즉, 제어부(100)는 전압감지부(12)로부터 저전압 배터리와 고전압 배터리의 전압 감지값을 입력받아 저전압 배터리와 고전압 배터리의 상태를 파악할 수 있다.
다음으로, 제어부(100)는 보호스위치부(20, 21)를 턴 온시킨다(S20).
이때, 보호스위치부(20, 21)는 저전압 배터리측의 LV 보호스위치부(20) 및 고전압 배터리측의 HV 보호스위치부(21)를 포함할 수 있다.
그리고 제어부(100)는 S10단계에서 파악한 배터리 상태에 기초하여 전력변환부(200)의 복수의 스위치를 턴 온 또는 턴 오프시켜 전력변환부(200)를 구동한다(S30).
즉, 제어부(100)는 고전압 배터리 및 저전압 배터리의 상태를 파악하여 고전압 배터리에서 저전압 배터리로의 강압을 위해서 벅(Buck) 모드를 수행할 수 있고, 저전압 배터리에서 고전압 배터리로의 승압을 위해서 부스트(Boost) 모드를 수행할 수 있는데, 이때 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2) 중 적어도 하나를 턴 온시킬 수 있다.
이때, 제어부(100)는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2) 중 적어도 하나가 턴 온되지 않은 경우에는, 고전압 배터리와 저전압 배터리의 전력 변환이 필요없다고 판단하여 종료할 수 있다.
S20단계에서, 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2) 중 적어도 하나가 턴 온된 경우, 제어부(100)는 과전류 등의 오류 발생 여부를 판단한다(S40).
제어부(100)는 전류감지부(15)로부터 전류감지값을 입력받아 과전류 발생을 판단할 수 있다.
S40단계에서, 오류가 발생하지 않은 경우, 제어부(100)는 벅 모드 또는 부스트 모드 수행 결과, 고전압 배터리 또는 저전압 배터리의 전압이 목표전압에 도달하였는지 판단한다(S50).
S50단계에서 목표전압에 도달하지 않은 경우에는, 목표전압에 도달할 때까지 S40단계로 회귀하여 오류 발생여부를 파악하고, 벅 모드 또는 부스트 모드의 전력변환을 계속해서 수행할 수 있다.
한편, S40단계에서, 오류가 발생한 경우, 전력변환부(200)의 모든 스위치가 턴 오프되어 구동 정지되었는지의 여부에 따라 보호회로부(I)의 동작이 달라진다(S60).
즉, S60단계에서 전력변환부(200)의 구동이 정지된 경우에는 종료될 수 있다.
그러나 과전류 발생에도 모든 스위치가 턴 오프되지 않은 경우(전력변환부(200)의 구동이 정지되지 않은 경우)에는, 보호회로부(I)를 통해 하드웨어적으로 과전류를 감지하고(S70), LV 보호스위치부(20) 및 HV 보호스위치부(21)가 턴 오프되도록 하여 2차 보호를 수행한다(S80).
즉, 제어부(100) 자체에서 오동작이 발생하는 경우에는, 과전류 발생에도 모든 스위치를 턴 오프시키지 않아 컨버터 동작이 정지되지 않는다. 이에 따라 본 실시예에서는 보호회로부(I)를 구비하여 제어부(100) 자체의 오동작에도 하드웨어적으로 2차 보호를 수행할 수 있도록 한다.
여기서, 보호회로부(I)는 전류측정부(24), 신호증폭부(25), 비교기(26), 래치회로부(27), 전원IC(28) 및 보호스위치부 드라이버(29)를 포함할 수 있다.
신호증폭부(25)는 전류측정부(24)로부터 입력된 전압을 증폭시켜 비교기(26)에 출력할 수 있고, 비교기(26)는 신호증폭부(25)의 출력전압과 미리 설정된 기준전압을 비교할 수 있다. 그리고 비교기(26)는 기준전압과 신호증폭부(25)의 출력전압을 비교하여 비교 결과에 대한 신호를 래치회로부(27)에 출력할 수 있다.
이때, 비교기(26)는 기준전압이 신호증폭부(25)의 출력전압보다 높은 경우, 하이(Hi) 신호를 출력할 수 있고, 기준전압이 신호증폭부(25)의 출력전압보다 낮은 경우에는 로우(Low) 신호를 출력할 수 있는데, 과전류가 발생한 경우 기준전압이 신호증폭부(25)의 출력전압보다 낮아 로우 신호가 출력된다.
래치회로부(27)는 비교기(26)의 비교 결과에 따라 전원IC(28)의 인에이블(Enable) 신호가 변경되도록 하는 출력 신호를 출력하도록 구성된다. 즉, 비교기(26)에서 로우 신호가 출력되고 NOT게이트를 통과하여 하이 신호가 래치회로부(27)에 입력되면, 스위칭 소자가 턴 온되어 전원IC(28)의 인에이블 신호가 로우가 된다. 즉, 전원IC(28)의 전원이 차단되어 전력변환부(200)의 동작이 정지되고, 과전류에 의한 고장을 방지하여 컨버터를 보호할 수 있다.
따라서, 보호회로부(I)는 비교기(26)의 비교 결과 신호증폭부(25)의 출력전압이 기준전압 이상이면 래치회로부(27)에서 래치동작이 발생하여 전원IC(28)의 인에이블 신호가 로우(Low)가 되도록 한다. 또한, 보호회로부(I)는 전원IC(28)의 인에이블 신호가 로우가 되면, 상기 전원IC(28)의 전원이 차단되어 보호스위치부 드라이버(29)가 LV 보호스위치부(20) 및 HV 보호스위치부(21)를 턴 오프시키도록 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 장치 및 방법은 양방향 DC-DC 컨버터의 입출력단에 2차 보호회로를 적용하여 오류발생 시 하드웨어적으로 스위칭 동작을 턴 오프(Turn OFF)함으로써, 소프트웨어적으로 오동작이 발생하여 1차 보호에 실패할 경우에도 스위칭 동작을 턴 오프할 수 있도록 하여 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100 : 제어부 11 : 전원부
12 : 전압감지부 13 : MCU
14 : 통신부 15 : 전류감지부
200 : 전력변환부 20 : LV 보호스위치부
21 : HV 보호스위치부 24 : 전류측정부
25 : 신호증폭부 26 : 비교기
27 : 래치회로부 28 : 전원IC
29 : 보호스위치부 드라이버 I : 보호회로부
SW1 : 제1 스위치 SW2 : 제2 스위치
SW DRV : 제1 스위치 및 제2 스위치 드라이버

Claims (1)

  1. 복수의 스위치를 구비하여 저전압 배터리와 고전압 배터리 사이에서 양방향으로 전압 변환을 수행하는 전력변환부; 및
    상기 전력변환부에 흐르는 전류값을 감지하여 기준 전류값과의 비교를 통해 과전류 발생 여부를 판단하고, 감지한 상기 전류값이 기준 전류값 이상이면 과전류가 발생하였다고 판단하여 상기 전력변환부의 모든 스위치를 턴 오프(Turn Off)시키는 제어부;를 포함하되,
    상기 전력변환부는,
    과전류 발생 시, 전류의 흐름을 차단하기 위한 보호스위치부; 및
    상기 과전류 발생 시, 상기 전력변환부의 상기 보호스위치부를 포함한 모든 스위치가 턴 오프되지 않은 경우, 상기 보호스위치부가 턴 오프되도록 하여 상기 전력변환부의 동작을 정지시키는 보호회로부;를 포함하며,
    상기 보호회로부는,
    상기 전력변환부의 전류를 측정하는 전류측정부의 전압을 증폭시키는 신호증폭부;
    상기 신호증폭부의 출력전압과 미리 설정된 기준전압을 비교하는 비교기;
    상기 비교기의 비교 결과에 따라 전원IC의 인에이블(Enable) 신호가 변경되도록 하는 출력 신호를 출력하도록 구성된 래치회로부; 및
    상기 전원IC의 전원을 사용하여 상기 보호스위치부를 턴 온 또는 턴 오프시키는 보호스위치부 드라이버;를 포함하고,
    상기 전력변환부의 회로 구성은 양방향 DC-DC 컨버터의 용량에 따라 복수 개를 병렬로 연결하여 구성되는 인터리브드(interleaved) 구조이고,
    상기 보호회로부는,
    상기 비교기의 비교 결과 상기 신호증폭부의 출력전압이 기준전압 이상이면 상기 래치회로부에서 래치동작이 발생하여 상기 전원IC의 인에이블 신호가 로우(Low)가 되도록 하고,
    상기 보호회로부는,
    상기 전원IC의 인에이블 신호가 로우가 되면, 상기 전원IC의 전원이 차단되어 상기 보호스위치부 드라이버가 상기 보호스위치부를 턴 오프시키도록 하고,
    상기 제어부는,
    저전압 배터리와 고전압 배터리의 상태를 파악하고, 상기 저전압 배터리와 고전압 배터리의 상태에 기초하여 고전압 배터리에서 저전압 배터리로의 강압을 위한 벅(Buck) 모드 및 저전압 배터리에서 고전압 배터리로의 승압을 위한 부스트(Boost) 모드를 수행하기 위해 상기 전력변환부의 복수의 스위치를 각각 턴 온시키거나 턴 오프시켜 각 저전압 배터리 및 고전압 배터리의 전압이 목표전압에 도달하도록 하고,
    상기 전력변환부는 제1 스위치, 제2 스위치 및 인덕터를 더 포함하고, 상기 보호스위치부는 제1 보호스위치부 및 제2 보호스위치부를 포함하고,
    상기 제1 스위치는 상기 제1 보호스위치부와 그 일 단자가 연결되고, 상기 제2 스위치는 상기 제1 스위치의 타 단자 및 그라운드(ground) 사이에 연결되고, 상기 제1 보호스위치부는 부스바(BUSBAR)를 거쳐서 고전압 배터리와 연결되고,
    상기 인덕터는 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치의 연결 노드와 그 일 단자가 연결되고, 상기 인덕터의 타 단자에는 상기 전력변환부에 흐르는 전류를 측정하기 위한 상기 전류측정부가 연결되고, 상기 전류측정부는 상기 제2 보호스위치부와 그 일 단자가 연결되고, 상기 제2 보호스위치부는 부스바를 거쳐서 저전압 배터리와 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터의 보호 장치.
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