KR102453825B1 - 직류-직류 컨버터 - Google Patents

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Abstract

입력단 측에 일단이 연결되며 출력단에 타단이 연결된 인덕터; 입력단 측으로부터 상기 인덕터로의 파워링 여부를 결정하는 스위칭 회로부; 상기 인덕터의 양단 및 출력단에 연결된 스너버 회로; 및 상기 출력단으로 제공되는 전류를 검출한 출력 전류 검출값이 사전 설정된 출력 전류 지령값을 추종하도록 하기 위한 상기 인덕터에 흐르는 전류의 크기인 인덕터 전류 지령값을 도출하는 인덕터 전류 지령값을 도출하는 출력전류 제어부; 및 상기 인덕터에 흐르는 전류를 검출한 인덕터 전류 검출값이 상기 인덕터 전류 지령값을 추종하도록 하기 위한 상기 스위칭 회로부의 스위칭 듀티를 결정하는 인덕터 전류 제어부를 포함하는 직류-직류 컨버터가 개시된다.

Description

직류-직류 컨버터{DC-DC CONVERTER}
본 발명은 직류-직류 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 응답성능을 향상시킬 수 있는 스너버 회로를 구비한 위상 천이 풀 브릿지 타입 직류-직류 컨버터에 관한 것이다.
스너버(snubber) 회로는 인덕턴스 부하로 전력을 온/오프 시키면서 공급하는 경우 발생할 수 있는 과도 전압을 억제하기 위해 사용되는 회로이다. 예를 들어, 스너버 회로는 고전력 응용분야에서 널리 사용되고 있는 위상 천이 풀 브릿지(Phase Shift Full Bridge) 타입 직류-직류 컨버터에 적용되고 있다. 환경차의 내부에 구비되는 차량 탑재형 충전기(On-Board Charger: OBC)에 적용되는 위상 천이 풀 브릿지(Phase Shift Full Bridge) 타입 직류-직류 컨버터는 입출력 전압의 승/강압비가 비교적 낮기 때문에 변압기의 2차측 누설 인덕턴스가 높다. 따라서, 변압기의 누설 인덕턴스와 2차측 정류 다이오드의 기생 커패시턴스에서 발생하는 공진현상으로 부품에 서지 전압이 발생할 수 있으므로, 이러한 공진 현상으로 인한 에너지를 흡수하여 소자에 인가되는 서지 전압을 억제하기 위해 스너버 회로가 적용되고 있다.
이러한 스너버 회로 중 두 개의 다이오드와 하나의 커패시터로 구성되는 CDD 스너버는 저항을 적용한 스너버와는 달리 에너지를 열로 소멸시키지 않고 커패시터의 충방전을 이용함으로써 손실을 감소시킬 수 있어 상대적으로 높은 효율을 가질 수 있다.
그러나, CDD 스너버는 풀 브릿지 스위칭 회로부의 온/오프에 의한 전류 파워링 구간에서 응답 대역 선정 및 제어 성능 확보 등을 위한 전류의 제어에 어려움이 있다. 예를 들어, 일반적인 전류제어의 경우 컨버터의 출력 전류를 검출한 센싱신호에 대해 스위칭 주파수의 리플을 제거하기 위해 통과 대역이 낮은 저역 통과 필터를 적용하고 있다. 이 경우 응답성능을 향상시키는데 한계가 있으며 이에 따라 제어성능이 저하되고 고조파 리플이 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
US 5886884 US 2012/0249059
이에 본 발명은, 응답 성능을 향상시켜 제어 성능을 향상시키고 고조파 리플을 감소시킬 수 있는 스너버 회로를 구비한 위상 천이 풀 브릿지 타입 직류-직류 컨버터를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
입력단 측에 일단이 연결되며 출력단에 타단이 연결된 인덕터;
입력단 측으로부터 상기 인덕터로의 파워링 여부를 결정하는 스위칭 회로부;
상기 인덕터의 양단 및 출력단에 연결된 스너버 회로;
상기 출력단으로 제공되는 전류를 검출한 출력 전류 검출값이 사전 설정된 출력 전류 지령값을 추종하도록 하기 위한 상기 인덕터에 흐르는 전류의 크기인 인덕터 전류 지령값을 도출하는 인덕터 전류 지령값을 도출하는 출력전류 제어부; 및
상기 인덕터에 흐르는 전류를 검출한 인덕터 전류 검출값이 상기 인덕터 전류 지령값을 추종하도록 하기 위한 상기 스위칭 회로부의 스위칭 듀티를 결정하는 인덕터 전류 제어부;
를 포함하는 직류-직류 컨버터를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스너버 회로는, 상기 인덕터의 일단에 일단이 연결된 커패시터; 상기 커패시터의 타단에 애노드가 연결되고 상기 인덕터의 타단에 캐소드가 연결된 제1 다이오드; 및 상기 커패시터의 타단에 캐소드가 연결되고 상기 출력단에 애노드가 연결된 제2 다이오드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 출력전류 제어부는 상기 출력 전류 검출값을 필터링하는 저역 통과 필터를 포함하며, 상기 저역 통과 필터에 의해 필터링된 출력 전류 검출값이 상기 출력 전류 지령값을 추종하기 위한 상기 인덕터 전류 지령값을 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 출력단에 직접 설치되어 상기 출력단에 흐르는 전류를 센싱하여 상기 출력 전류 검출값을 생성하는 제1 전류센서; 및 상기 인덕터의 양단 중 일단에 직접 설치되어 상기 인덕터에 흐르는 전류를 센싱하여 상기 인덕터 전류 검출값을 생성하는 제2 전류센서를 더 포함하며, 상기 제1 전류센서에 의해 생성된 출력 전류 검출값은 상기 출력 전류 제어부의 저역 통과 필터로 제공되고, 상기 제2 전류센서에 의해 생성된 인덕터 전류 검출값은 상기 인덕터 전류 제어부로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 전류 센서는, 상기 스위칭 회로부의 스위칭에 의해 입력단 측으로부터 파워링이 이루어지는 시구간의 일시점 또는 입력단 측으로부터 파워링이 이루어지지 않는 시구간의 일시점에 상기 인덕터에 흐르는 전류를 센싱할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 출력단에 직접 설치되어 상기 출력단에 흐르는 전류를 센싱하여 상기 출력 전류 검출값을 생성하는 전류센서를 더 포함하며, 상기 제1 전류센서에 의해 생성된 출력 전류 검출값은, 상기 출력 전류 제어부의 저역 통과 필터 및 상기 인덕터 전류 제어부로 제공되며, 상기 인덕터 전류 제어부는, 상기 제1 전류센서에서 제공된 출력 전류 검출값 중 상기 스위칭 회로부의 스위칭에 의해 입력단 측으로부터 파워링이 이루어지지 않는 시구간의 일 시점에 해당하는 값을 상기 인덕터 전류 검출값으로 사용하여 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위칭 회로부는, 변압기 및 상기 변압기의 1차측 코일과 입력단 사이에 구비된 풀브릿지 스위치 회로부를 포함하며, 상기 변압기의 2차측 코일은 상기 인덕터의 일단에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위칭 회로부는 상기 변압기의 2차측 코일의 양단에 연결된 정류 회로부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 풀브릿지 스위치 회로부의 스위칭 듀티의 제어를 통해 입력단 측으로부터 상기 인덕터로의 파워링 여부가 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위칭 회로부는, 입력단 측과 상기 인덕터의 일단 사이를 전기적으로 단락/개방하는 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
입력단 측에 일단이 연결되며 출력단에 타단이 연결된 인덕터;
상기 입력단 측으로부터 상기 인덕터의 일단으로 파워링이 이루어지는 경우 상기 출력단으로 직접 전류를 제공하고, 상기 인덕터의 일단으로 파워링이 이루어지지 않는 경우 상기 출력단으로 직접 전류를 제공하지 않도록 구현된 스너버 회로;
상기 출력단으로 제공되는 전류를 검출한 출력 전류 검출값이 사전 설정된 출력 전류 지령값을 추종하도록 하기 위한 상기 인덕터에 흐르는 전류의 크기인 인덕터 전류 지령값을 도출하는 인덕터 전류 지령값을 도출하는 출력전류 제어부; 및
상기 인덕터에 흐르는 전류를 검출한 인덕터 전류 검출값이 상기 인덕터 전류 지령값을 추종하도록 하기 위한 상기 스위칭 회로부의 스위칭 듀티를 결정하는 인덕터 전류 제어부;
를 포함하는 직류-직류 컨버터를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 입력단 측으로부터 상기 인덕터로의 파워링 여부를 결정하는 스위칭 회로부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위칭 회로부는, 변압기 및 상기 변압기의 1차측 코일과 입력단 사이에 구비된 풀브릿지 스위치 회로부를 포함하며, 상기 변압기의 2차측 코일은 상기 인덕터의 일단에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위칭 회로부는, 상기 변압기의 2차측 코일의 양단에 연결된 정류 회로부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 풀브릿지 스위치 회로부의 스위칭 듀티의 제어를 통해 입력단 측으로부터 상기 인덕터로의 파워링 여부가 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위칭 회로부는, 입력단 측과 상기 인덕터의 일단 사이를 전기적으로 단락/개방하는 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 출력전류 제어부는 상기 출력 전류 검출값을 필터링하는 저역 통과 필터를 포함하며, 상기 저역 통과 필터에 의해 필터링된 출력 전류 검출값이 상기 출력 전류 지령값을 추종하기 위한 상기 인덕터 전류 지령값을 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 출력단에 직접 설치되어 상기 출력단에 흐르는 전류를 센싱하여 상기 출력 전류 검출값을 생성하는 제1 전류센서; 및 상기 인덕터의 양단 중 일단에 직접 설치되어 상기 인덕터에 흐르는 전류를 센싱하여 상기 인덕터 전류 검출값을 생성하는 제2 전류센서를 더 포함하며, 상기 제1 전류센서에 의해 생성된 출력 전류 검출값은 상기 출력 전류 제어부의 저역 통과 필터로 제공되고, 상기 제2 전류센서에 의해 생성된 인덕터 전류 검출값은 상기 인덕터 전류 제어부로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 전류 센서는, 상기 스위칭 회로부의 스위칭에 의해 입력단 측에서 상기 인덕터로 파워링이 이루어지는 시구간의 일시점 또는 입력단 측에서 상기 인덕터로 파워링이 이루어지지 않는 시구간의 일시점에 상기 인덕터에 흐르는 전류를 센싱할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 출력단에 직접 설치되어 상기 출력단에 흐르는 전류를 센싱하여 상기 출력 전류 검출값을 생성하는 전류센서를 더 포함하며, 상기 제1 전류센서에 의해 생성된 출력 전류 검출값은, 상기 출력 전류 제어부의 저역 통과 필터 및 상기 인덕터 전류 제어부로 제공되며, 상기 인덕터 전류 제어부는, 상기 제1 전류센서에서 제공된 출력 전류 검출값 중 상기 스위칭 회로부의 스위칭에 의해 입력단 측에서 상기 인덕터로 파워링이 이루어지지 않는 시구간의 일 시점에 해당하는 값을 상기 인덕터 전류 검출값으로 사용하여 제어할 수 있다.
상기 직류-직류 컨버터에 따르면, 스너버 회로를 적용한 경우 직류-직류 컨버터의 출력 전류의 제어를 스너버 회로의 영향을 받지 않는 인덕터 전류 제어를 통해 수행할 수 있다. 따라서, 출력 전류를 직접 검출한 값에 존재하는 노이즈를 제거하기 위한 저역통과 필터를 적용한 경우 검출값에 대한 응답성이 느려져서 신속한 전류제어가 불가능한 문제를 해소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터 및 이를 포함하는 차량 탑재형 충전기의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터의 회로상 여러 포인트에서 흐르는 전류를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터 및 이를 포함하는 차량 탑재형 충전기의 회로도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터 및 이를 포함하는 차량 탑재형 충전기의 회로도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터 및 이를 포함하는 차량 탑재형 충전기의 회로도이다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터는 차량 탑재형 충전기에 적용될 수 있는 것으로, 입력단 측에 일단이 연결되며 출력단에 타단이 연결된 인덕터(Lo)와, 입력단 측으로부터 인덕터(Lo)로의 파워링 여부를 결정하는 스위칭 회로부(10) 및 인덕터(Lo)의 양단 및 출력단에 연결된 스너버 회로(11)를 포함하여 구성될 수 있다.
차량 탑재형 충전기는 상용 전원(VAC)을 입력 받아 차량 내 장착된 배터리를 충전한다. 배터리는 통상 차량의 운행에 사용되는 구동모터에 사용되는 전원을 저장하는 고전압 배터리일 수 있다.
도 1에 일례로서 도시된 차량 탑재형 충전기는 차량 탑재형 충전기는 상용 교류전원을 직류 전원으로 변환하는 교류-직류 컨버터(20, 30)와 교류-직류 컨버터(20, 30)로부터 출력되는 직류 전원을 배터리의 전압 가변 범위에 근거하여 변환함으로써 충전기의 출력전압을 결정하는 직류-직류 컨버터를 포함한다.
여기서, 교류-직류 컨버터는 다이오드로 이루어진 정류회로(30) 및 승압형 컨버터(20)를 포함할 수 있다.
정류 회로(30)는 상용 교류전압을 직류전압으로 변환하는 것으로, 4개의 정류 다이오드로 구성될 수 있으며, 승압형 컨버터(20)는 정류 회로(30)의 출력단에 연결되어 무효 전력(reactive power)을 저감시켜 역률을 개선시키는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 승압형 컨버터(20)로는 PFC(Power Factor Correction) 부스트 컨버터(boost converter)가 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 승압형 컨버터(20)가 PFC 부스트 컨버터로 이루어진 것을 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 형태의 컨버터로 구성될 수 있다.
도 1에 도시된 실시형태에서, 직류-직류 컨버터는 승압형 컨버터(20)로부터 입력되는 직류 전압의 레벨을 변환하여 충전 대상인 배터리(미도시)의 충전에 적절한 크기의 전압 레벨로 출력하는 회로들을 포함할 수 있다.
도 1에서 위상 천이 풀 브릿지(Phase Shift Full Bridge) 타입 직류-직류 컨버터의 토폴로지를 갖는 스위칭 회로부(10)는, 입출력단 사이의 전기적 절연을 위해 변압기(T)를 포함하며 변압기(T)의 일차측에 풀브릿지 구조의 스위칭 소자(Q1 내지 Q4)로 이루어진 풀브릿지 스위치 회로부(B1)를 가질 수 있다.
더욱 상세하게, 본 발명의 일 실시형태에 따른 스위칭 회로부(10)는, 변압기(T)와, 변압기(T)의 1차측 코일에 구비된 풀브릿지 스위치 회로부(B1)를 가지며, 변압기(T)의 2차측 코일은 인덕터(Lo)의 일단에 연결된다.
스위칭 회로부(10)의 풀브릿지 스위치 회로부(B1)은 복수의 스위칭 소자(Q1 내지 Q4)로 구성된다. 스위칭 소자는(Q1 내지 Q4)는 풀브릿지 구조로 직류-직류 컨버터(10)의 입력단과 변압기(T)의 1차측코일에 연결될 수 있다. 스위칭 소자(Q1 내지 Q4)는 변압기(T)의 1차측에서 2차측으로 전력 전달이 이루어지는 파워링 구간과 1차측에서 2차측으로 전력 전달이 이루어지지 않는 프리휠링 구간을 갖도록 온/오프 타이밍 조절되는 PWM 제어에 의해 동작된다. 즉, 스위칭 소자(Q1 내지 Q4)는 파워링 구간과 프리휠링 구간이 반복되도록 제어되며 파워링 구간의 듀티를 조정함으로써 직류 전압 변환의 크기가 결정될 수 있다.
변압기(T)는 직류-직류 컨버터(10)의 입출력단을 상호 절연하기 위해 마련되며, ZVS(Zero Voltage Switching) 효과 개선을 위해 갭(gap) 변압기로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 스위칭 회로부(10)는 변압기(T)의 2차측 코일에 연결되어 풀브릿지 정류 회로부(B2)를 더 포함할 수 있다. 정류 회로부(B2)는 복수의 다이오드(D1 내지 D4)를 포함할 수 있다. 변압기(T)의 2차측 코일 일단에 제1 다이오드(D1)의 애노드 및 제2 다이오드(D2)의 캐소드가 연결되며, 제1 다이오드(D1)의 캐소드와 변압기(T)의 2차측 코일 타단에 제3 다이오드(D3)의 캐소드와 애노드가 각각 연결되며, 제2 다이오드(D2)의 애노드와 변압기(T)의 2차측 코일 타단에 제4 다이오드(D4)의 애노드와 캐소드가 각각 연결될 수 있다.
이러한 스위칭 회로부(10)에 더하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터는, 출력단에 병렬연결된 커패시터(Co)와, 변압기(T)의 2차측 코일과 출력단 사이에 마련된 스너버 회로(11)와, 출력단으로 제공되는 전류(IOUT)를 검출한 출력 전류 검출값이 사전 설정된 출력 전류 지령값을 추종하도록 하게 하는 인덕터 전류 지령값을 도출하는 출력전류 제어부(40) 및 인덕터(Lo)에 흐르는 전류를 검출한 인덕터 전류 검출값(ILo)이 인덕터 전류 지령값을 추종하도록 하기 위한 스위칭 회로부의 스위칭 듀티를 결정하는 인덕터 전류 제어부(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
스너버 회로부(11)는 정류회로와 출력단 사이에 연결되어, 정류회로에서 출력단으로 인가될 수 있는 서지 전압을 억제하도록 마련될 수 있다. 스너버 회로부(11)는 하나의 커패시터(C1)와 2개의 다이오드(D11, D12)로 구성될 수 있다.
인덕터(Lo)와 커패시터(Co)는 출력단에 인가되는 전압을 일정하게 안정화 하기 위해 마련되는 일종의 필터 역할을 할 수 있다.
구성되는 LC 필터이다. 즉, 제2필터(39)는 배터리(Batt)로 인가되는 전압을 일정하게 유지시키는 역할을 한다.
한편, 도 1에 도시된 실시형태는, 출력단에 직접 설치되어 출력단에 흐르는 전류를 센싱하는 제1 전류센서(12) 및 인덕터(Lo)의 양단 중 일단에 직접 설치되어 인덕터(Lo)에 흐르는 전류를 센싱하는 제2 전류센서(13)를 포함할 수 있다. 제1 전류센서(12)는 출력단에 제공되는 전류의 크기를 센싱하고 그에 대응되는 출력 전류 검출값을 생성하고 제2 전류센서(13)는 인덕터에 흐르는 전류의 크기를 센싱하고 그에 대응되는 인덕터 전류 검출값을 생성할 수 있다.
출력 전류 제어부(40)는 제1 전류센서(12)에서 생성된 출력 전류 검출값이 사전 설정된 출력 전류 지령값을 추종하도록 하기 위한 인덕터 전류의 크기를 도출한다. 출력전류 제어부(40)는 출력 전류 검출값에 포함된 리플 등의 고주파 노이즈 성분을 통과 대역이 낮은 저역 통과 필터(41)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 이 저역 통과 필터(41)를 채용하는 경우 응답성능이 떨어지는 문제가 발생할 수 있어, 본 발명은 후술하는 인덕터 전류 제어부(50)를 적용한다.
인덕터 전류 제어부(50)는 출력 전류 제어부(40)에서 출력 전류 검출값이 사전 설정된 출력 전류 지령값을 추종할 수 있도록 도출된 인덕터 전류의 크기를 인덕터 전류 지령값으로 사용하여, 제2 전류센서(13)에서 출력된 인덕터 전류 검출값이 인덕터 전류 지령값을 추종하도록 스위칭 회로부(10)의 스위칭 듀티(DFB)를 결정할 수 있다. 도 1에 도시된 실시형태에서, 스위칭 회로부(10)의 스위칭 듀티(DFB)는 출력단으로 제공되는 전류를 제어할 수 있도록 변압기(T) 2차측 코일에 파워링이 이루어지는 구간, 즉, 2차측 코일로부터 인덕터(Lo)로 파워링이 이루어지는 구간의 길이, 즉 파워링 듀티를 결정하기 위한 것이다. 즉, 도 1에 도시된 실시형태에서, 인덕터 전류 제어부(50)에 의해 결정되는 스위칭 듀티는 스위칭 회로부(10) 내의 풀브릿지 스위치 회로부(B1)에 구비된 복수의 스위칭 소자(Q1-Q4)의 스위칭 듀티일 수 있으며, 풀브릿지 스위치 회로부(B1)에 구비된 복수의 스위칭 소자(Q1-Q4)의 스위칭 듀티를 제어하여 2차측 코일에서 인덕터(Lo)로 제공되는 파워링 구간 및 파워링이 되지 않는 구간을 결정할 수 있다.
도 1에서 출력전류 제어부(40)와 인덕터 전류 제어부(50)는 통상적인 PI 제어기의 형태로 구현되는 것으로 도시되고 있으나, 이는 일례에 불과하며 PI 제어 이외 PID 제어 등 다른 다양한 제어 방식을 수행하는 제어기의 형태로 구현되는 것이 가능할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터의 회로상 여러 포인트에서 흐르는 전류를 도시한 도면이다.
도 2에서, 'I1'은 인덕터 전류를 도시한 것이고, 'I2'는 스너버 회로부(11)에서 출력단으로 제공되는 전류(도 1의 ICCD로 표시된 전류로서 이하, 스너버 전류라 함)를 도시한 것이며, 'I3'는 출력단에 제공되는 전류를 도시한 것이고, 'I4'는 출력단에 제공되는 전류를 저역 통과 필터링한 신호를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 인덕터 전류(I1)는 스위칭 회로부(10) 내의 풀브릿지 스위치 회로부(B1)의 스위칭 소자(Q1 내지 Q4)의 제어에 의해 변압기(T)의 2차측 코일로 파워링이 이루어지는 구간에서는 상승하고, 반대로 변압기(T)의 2차측 코일로 파워링이 이루어지지 않는 구간에서는 하강하는 값을 나타낸다.
또한, 스너버 전류(I2)는 스위칭 소자(Q1 내지 Q4)의 제어에 의해 변압기(T)의 2차측 코일로 파워링이 이루어지는 구간에서는 커패시터(C1)의 방전에 의해 발생하고, 변압기(T)의 2차측 코일로 파워링이 이루어지지 않는 구간에서는 커패시터(C1)의 충전에 의해 발생하지 않는 특징을 갖는다.
또한, 출력 전류(I3)는 인덕터 전류(I1)와 스너버 전류(I2)를 합산한 형태를 나타내고, 이 출력 전류(I3)을 저역통과 필터링하는 경우 출력 전류(I3)가 일정 수준 평탄화 된 것과 같은 형태의 파형을 갖는 신호(I4)가 나타나게 된다.
도 2에 도시된 것과 같이, 인덕터 전류는 스위칭 회로부의 제어에 변압기(T)의 2차측 코일로 파워링이 이루어지는 구간에서는 상승하고, 반대로 변압기(T)의 2차측 코일로 파워링이 이루어지지 않는 구간에서는 하강하는 값을 나타낸다. 따라서, 인덕터 전류는 상승구간의 중심 또는 하강구간의 중심에서 전류센싱이 이루어지면 인덕터 전류의 중간값, 즉 인덕터 전류를 대표하는 값을 검출할 수 있다.
이와 같이, 인덕터 전류의 상승 구간 또는 하강 구간의 중심 시점에서 제2 전류센서(13)에 의해 전류 센싱이 이루어지게 하면 저역통과 필터가 필요 없다.
반면, 출력단에 제공되는 출력 전류는 인덕터 전류에 스너버 전류가 합산된 것으로, 스너버 전류는 요구 전압에 따라 그 형태가 변화하므로 정확한 출력 전류를 센싱하기 위해서는 대역이 낮은 필터를 반드시 적용하여야 한다.
본 발명의 일 실시형태는, 출력 전류 제어부(40)에서 저역통과 필터링된 출력 전류 검출값이 사전 설정된 출력 전류 지령값을 추종할 수 있도록 제어하기 위한 인덕터 전류의 크기를 인덕터 전류 지령값으로 사용하고, 인덕터 전류 제어부(50)가 제2 전류센서(13)에서 출력된 인덕터 전류 검출값이 이 인덕터 전류 지령값을 추종하도록 스위칭 회로부의 스위칭 듀티(DFB)를 결정할 수 있다. 따라서, 저역통과 필터를 적용하지 않은 인덕터 전류 검출값을 기반으로 출력 전류를 제어할 수 있게 됨으로써 출력 전류 제어의 응답성을 현저하게 향상시킬 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터 및 이를 포함하는 차량 탑재형 충전기의 회로도이다.
도 3에 도시된 실시형태는 도 1에 도시된 실시형태와 비교할 때 제2 전류센서가 생략된 점을 제외하면 실질적으로 동일하다.
도 3의 실시형태는 도 2에 도시된 것과 같은 직류-직류 컨버터의 출력단에 제공되는 전류의 형태를 고려한 것이다. 즉, 직류-직류 컨버터의 출력단에 제공되는 전류(I3)는 인덕터 전류(I1)와 스너버 전류(I2)의 합이고 스너버 전류(I2)는 변압기(T)의 2차측으로 파워링이 이루어지지 않는 경우, 즉 인덕터(Lo)로 파워링이 이루어지는 경우에 존재하지 않으므로, 직류-직류 컨버터의 출력단에 제공되는 전류 중 변압기(T)의 2차측으로 파워링이 이루어지지 않는 시구간의 전류는 인덕터 전류(I1)가 그대로 반영된다.
따라서, 도 3에 도시된 실시형태는, 도 1에 도시된 제2 전류센서를 생략하고 제1 전류센서(12)에서 제공되는 출력단 전류를 출력전류 제어부(40)와 인덕터 전류 제어부(50)에 제공하되, 인덕터 전류 제어부(50)는 제1 전류센서(12)에서 제공된 출력 전류 검출값 중 스위칭 회로부의 스위칭에 의해 변압기(T)의 2차측으로 파워링이 되지 않는 시구간의 일 시점(예를 들어 중심 시점)에 해당하는 값을 인덕터 전류 검출값으로 사용하여 인덕터 전류 제어를 수행할 수 있다. 도 2의 'I3'에 나타나는 포인트가 인덕터 전류 제어부(50)에 적용되는 인덕터 전류 검출값 사용 시점을 도시한 것이다.
이와 같이, 도 3에 도시된 실시형태는 제2 전류센서를 생략할 수 있으므로 도 1의 실시형태에 비해 제조 단가를 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
도 4 및 도 5는 도 4 및 도 5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터 및 이를 포함하는 차량 탑재형 충전기의 회로도이다.
도 4 및 도 5의 실시형태는, 각각 도 1 및 도 3의 실시형태에서, 위상 천이 풀 브릿지(Phase Shift Full Bridge) 타입 직류-직류 컨버터의 토폴로지로 구현된 스위칭 회로부(10)를 단순히 하나의 스위칭 소자(10')로 대체한 구조를 갖는다.
도 1 및 도 3의 실시형태는 위상 천이 풀 브릿지(Phase Shift Full Bridge) 타입 직류-직류 컨버터 토폴로지로 스위칭 소자(10)가 구현됨으로써 입출력단의 절연이 가능하고 변압기의 권선비에 따라 승압/강압의 크기를 조절할 수 있으며, 변압기의 1차측에 구비된 풀브릿지 스위치 회로부의 듀티를 제어함으로써 인덕터(Lo)로의 파워링이 이루어지는 구간과 파워링이 이루어지지 않는 구간의 결정이 가능하다.
이에 반해, 도 4 및 도 5는 승압형 컨버터(20)와 출력단측을 단순히 스위칭 소자(10')를 통해 연결한 구조를 갖는다. 이러한 구조에서는, 승압의 크기는 스위칭 소자(10') 전단의 승압형 컨버터(20)에 의해 결정될 수 있으며, 인덕터 전류 제어부(50)는 스위칭 소자(10')의 온/오프 듀티를 제어하여 인덕터(Lo)로 파워링이 이루어지는 구간 및 파워링이 이루어지지 않는 구간을 결정할 수 있다.
파워링 구간의 결정을 위한 제어 대상에서 차이가 있을 뿐, 도 4 및 도 5에 도시된 실시형태 역시 도 1 내지 도 3을 통해 설명된 직류-직류 컨버터의 제어 기법이 동일하게 적용될 수 있다는 점은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 쉽게 이해될 수 있다. 따라서, 도 4 및 도 5에 도시된 실시형태에 대한 추가적인 설명은 도 1 내지 도 3을 통해 설명된 내용과 중복되는 것이므로 생략하기로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터는, 스너버 회로의 영향을 받지 않는 인덕터의 전류 제어를 통해 직류-직류 컨버터의 출력 전류를 제어할 수 있다. 즉, 출력 전류를 직접 검출한 값에 존재하는 노이즈를 제거하기 위한 저역통과 필터를 적용하고 저역통과 필터링된 검출값을 기반으로 직접 직류-직류 컨버터의 출력 전류를 제어하는 종래 기술에서 발생하는 저역통과 필터링에 의한 검출값의 응답성 저하의 문제를 해소할 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10, 10': 스위칭 회로부 11: 스너버 회로부
12: 제1 전류센서 13: 제2 전류센서
20: 승압형 컨버터 30: 정류회로
T: 변압기 B1: 풀브릿지 스위치 회로부
Q1-Q4: 풀브릿지 스위치 회로부를 구성하는 스위칭 소자
B2: 정류 회로부 Lo: 인덕터
C1: 스너버 회로부를 구성하는 커패시터
D11, D12: 스터버 회로부를 구성하는 다이오드

Claims (20)

  1. 입력단 측에 일단이 연결되며 출력단에 타단이 연결된 인덕터;
    입력단 측으로부터 상기 인덕터로의 파워링 여부를 결정하는 스위칭 회로부;
    상기 인덕터의 양단 및 출력단에 연결된 스너버 회로;
    상기 출력단으로 제공되는 전류를 검출한 출력 전류 검출값이 사전 설정된 출력 전류 지령값을 추종하도록 하기 위한 상기 인덕터에 흐르는 전류의 크기인 인덕터 전류 지령값을 도출하는 인덕터 전류 지령값을 도출하는 출력전류 제어부; 및
    상기 인덕터에 흐르는 전류를 검출한 인덕터 전류 검출값이 상기 인덕터 전류 지령값을 추종하도록 하기 위한 상기 스위칭 회로부의 스위칭 듀티를 결정하는 인덕터 전류 제어부;
    를 포함하는 직류-직류 컨버터.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 스너버 회로는,
    상기 인덕터의 일단에 일단이 연결된 커패시터;
    상기 커패시터의 타단에 애노드가 연결되고 상기 인덕터의 타단에 캐소드가 연결된 제1 다이오드; 및
    상기 커패시터의 타단에 캐소드가 연결되고 상기 출력단에 애노드가 연결된 제2 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 출력전류 제어부는 상기 출력 전류 검출값을 필터링하는 저역 통과 필터를 포함하며, 상기 저역 통과 필터에 의해 필터링된 출력 전류 검출값이 상기 출력 전류 지령값을 추종하기 위한 상기 인덕터 전류 지령값을 생성하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 출력단에 직접 설치되어 상기 출력단에 흐르는 전류를 센싱하여 상기 출력 전류 검출값을 생성하는 제1 전류센서; 및
    상기 인덕터의 양단 중 일단에 직접 설치되어 상기 인덕터에 흐르는 전류를 센싱하여 상기 인덕터 전류 검출값을 생성하는 제2 전류센서를 더 포함하며,
    상기 제1 전류센서에 의해 생성된 출력 전류 검출값은 상기 출력 전류 제어부의 저역 통과 필터로 제공되고, 상기 제2 전류센서에 의해 생성된 인덕터 전류 검출값은 상기 인덕터 전류 제어부로 제공되는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 제2 전류 센서는,
    상기 스위칭 회로부의 스위칭에 의해 입력단 측으로부터 파워링이 이루어지는 시구간의 일시점 또는 입력단 측으로부터 파워링이 이루어지지 않는 시구간의 일시점에 상기 인덕터에 흐르는 전류를 센싱하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 출력단에 직접 설치되어 상기 출력단에 흐르는 전류를 센싱하여 상기 출력 전류 검출값을 생성하는 제1 전류센서를 더 포함하며,
    상기 제1 전류센서에 의해 생성된 출력 전류 검출값은, 상기 출력 전류 제어부의 저역 통과 필터 및 상기 인덕터 전류 제어부로 제공되며,
    상기 인덕터 전류 제어부는, 상기 제1 전류센서에서 제공된 출력 전류 검출값 중 상기 스위칭 회로부의 스위칭에 의해 입력단 측으로부터 파워링이 이루어지지 않는 시구간의 일 시점에 해당하는 값을 상기 인덕터 전류 검출값으로 사용하여 제어하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 스위칭 회로부는,
    변압기 및 상기 변압기의 1차측 코일과 입력단 사이에 구비된 풀브릿지 스위치 회로부를 포함하며,
    상기 변압기의 2차측 코일은 상기 인덕터의 일단에 연결된 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 스위칭 회로부는,
    상기 변압기의 2차측 코일의 양단에 연결된 정류 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 풀브릿지 스위치 회로부의 스위칭 듀티의 제어를 통해 입력단 측으로부터 상기 인덕터로의 파워링 여부가 결정되는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 스위칭 회로부는,
    입력단 측과 상기 인덕터의 일단 사이를 전기적으로 단락/개방하는 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  11. 입력단 측에 일단이 연결되며 출력단에 타단이 연결된 인덕터;
    입력단 측으로부터 상기 인덕터로의 파워링 여부를 결정하는 스위칭 회로부;
    상기 입력단 측으로부터 상기 인덕터의 일단으로 파워링이 이루어지는 경우 상기 출력단으로 직접 전류를 제공하고, 상기 인덕터의 일단으로 파워링이 이루어지지 않는 경우 상기 출력단으로 직접 전류를 제공하지 않도록 구현된 스너버 회로;
    상기 출력단으로 제공되는 전류를 검출한 출력 전류 검출값이 사전 설정된 출력 전류 지령값을 추종하도록 하기 위한 상기 인덕터에 흐르는 전류의 크기인 인덕터 전류 지령값을 도출하는 인덕터 전류 지령값을 도출하는 출력전류 제어부; 및
    상기 인덕터에 흐르는 전류를 검출한 인덕터 전류 검출값이 상기 인덕터 전류 지령값을 추종하도록 하기 위한 상기 스위칭 회로부의 스위칭 듀티를 결정하는 인덕터 전류 제어부;
    를 포함하는 직류-직류 컨버터.
  12. 삭제
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 스위칭 회로부는, 변압기 및 상기 변압기의 1차측 코일과 입력단 사이에 구비된 풀브릿지 스위치 회로부를 포함하며, 상기 변압기의 2차측 코일은 상기 인덕터의 일단에 연결된 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 스위칭 회로부는, 상기 변압기의 2차측 코일의 양단에 연결된 정류 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 풀브릿지 스위치 회로부의 스위칭 듀티의 제어를 통해 입력단 측으로부터 상기 인덕터로의 파워링 여부가 결정되는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  16. 청구항 11에 있어서, 상기 스위칭 회로부는,
    입력단 측과 상기 인덕터의 일단 사이를 전기적으로 단락/개방하는 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 출력전류 제어부는 상기 출력 전류 검출값을 필터링하는 저역 통과 필터를 포함하며, 상기 저역 통과 필터에 의해 필터링된 출력 전류 검출값이 상기 출력 전류 지령값을 추종하기 위한 상기 인덕터 전류 지령값을 생성하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 출력단에 직접 설치되어 상기 출력단에 흐르는 전류를 센싱하여 상기 출력 전류 검출값을 생성하는 제1 전류센서; 및
    상기 인덕터의 양단 중 일단에 직접 설치되어 상기 인덕터에 흐르는 전류를 센싱하여 상기 인덕터 전류 검출값을 생성하는 제2 전류센서를 더 포함하며,
    상기 제1 전류센서에 의해 생성된 출력 전류 검출값은 상기 출력 전류 제어부의 저역 통과 필터로 제공되고, 상기 제2 전류센서에 의해 생성된 인덕터 전류 검출값은 상기 인덕터 전류 제어부로 제공되는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 제2 전류 센서는,
    상기 스위칭 회로부의 스위칭에 의해 입력단 측에서 상기 인덕터로 파워링이 이루어지는 시구간의 일시점 또는 입력단 측에서 상기 인덕터로 파워링이 이루어지지 않는 시구간의 일시점에 상기 인덕터에 흐르는 전류를 센싱하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  20. 청구항 11에 있어서,
    상기 출력단에 직접 설치되어 상기 출력단에 흐르는 전류를 센싱하여 상기 출력 전류 검출값을 생성하는 제1 전류센서를 더 포함하며,
    상기 제1 전류센서에 의해 생성된 출력 전류 검출값은, 상기 출력 전류 제어부의 저역 통과 필터 및 상기 인덕터 전류 제어부로 제공되며,
    상기 인덕터 전류 제어부는, 상기 제1 전류센서에서 제공된 출력 전류 검출값 중 상기 스위칭 회로부의 스위칭에 의해 입력단 측에서 상기 인덕터로 파워링이 이루어지지 않는 시구간의 일 시점에 해당하는 값을 상기 인덕터 전류 검출값으로 사용하여 제어하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
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