KR20020076162A - 직류/직류 컨버터의 제어 장치 - Google Patents

직류/직류 컨버터의 제어 장치 Download PDF

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나카하라가즈히로
우에키고이치
다카하시후미토
우스다다카유키
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후지 덴키 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은 주축전 장치의 과전압 상태 및 부족 전압 상태를 절연된 제어측에 확실하게 전달할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 스위치 소자(Q1, Q2)를 온/오프시킴으로써 주축전 장치(2)의 전력을 보조 축전 장치(1)측으로 전달하는 DC/DC 컨버터로서, 주축전 장치(2)의 전압을 전압 판별기(7)로 판별하여 과전압 상태 및 부족 전압 상태인 경우, 스위치 소자(Q1, Q2)를 구동하는 게이트 드라이브 회로(5) 내에 있는 구동 변압기의 출력측을 단락하면, 제어 회로(3)측에 흐르는 구동 변압기의 전류가 크게 되는 것을 이용하여 절연된 정보의 전달을 행하는 구성으로 하고, 포토 커플러를 이용하는 종래의 경우보다도 신뢰성을 향상시킨다.

Description

직류/직류 컨버터의 제어 장치{CONTROL APPARATUS FOR DC/DC CONVERTER}
본 발명은 전기 자동차 등에 이용하는 절연형 DC/DC 컨버터의 주회로 전압 정보를 전달하는 수단을 구비한 DC/DC 컨버터의 제어 장치에 관한 것이다.
도 8 및 도 9는 DC/DC 컨버터의 종래예를 도시한다.
이들 도 8 및 도 9에 있어서, 1은 보조 축전 장치이고, 2는 주축전 장치이며, 3은 제어 회로이고, 4는 포토 커플러이며, 5는 게이트 드라이브 회로이고, 7은 전압 판별기이며, Q1 및 Q2는 스위치 소자로서의 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)이고, D1 및 D2는 다이오드이며, 도 8은 스위치 소자(Q1, Q2)를, 도 9는 스위치 소자(Q1)를 각각 온/오프시킴으로써 주축전 장치(2)의 전력을 보조 축전 장치(1)로 전달하는 DC/CD 컨버터이다.
다시 말해서, 단지 DC/DC 컨버터만을 고려하면, 제어 회로(3)는 주축전 장치(2)측의 전위에 결합되어 있더라도 문제가 없고, 보조 축전 장치(1)측의 전위에 결합되어 있더라도 문제가 없다. 그러나, DC/DC 컨버터가 자동차에 탑재되는 경우에는, 보조 축전 장치(1)인 12 V 배터리의 (-) 전극은 자동차 몸체에 접속되어 있고, DC/DC 컨버터의 제어 회로(3)는 이 자동차 몸체의 전위를 기준으로 하여 자동차의 ECU(엔진 제어 유닛) 등의 제어 회로와 신호 교환을 행할 필요가 있다. 따라서, DC/DC 컨버터의 제어 회로(3)는 전위적으로 보조 축전 장치(1)측의 전위에 결합되어 있다. 또한, 주축전 장치(2)는 전원의 누설이나 노이즈를 차단하기 위해 보조 축전 장치(1)로부터 전위적으로 부동의 상태로 되어 있다.
상기와 같은 구성에 있어서, 주축전 장치(2)측에 배치된 스위치 소자(Q1, Q2) 및 다이오드(D1, D2) 등의 부품이 절연 파괴(breakdown)에 의해 고장나는 것을 방지하기 위해서, 주축전 장치(2)의 전압이 지나치게 높은 경우에는 DC/DC 컨버터의 제어를 정지시킬 필요가 있다. 또한, 주축전 장치(2)의 전압이 지나치게 낮은 경우에도 목표 전압을 얻을 수 없게 되므로 제어를 정지시킨다. 이 때문에, 주축전 장치(2)의 과전압 상태 및 부족 전압 상태를 절연되어 있는 제어측으로 전달할 필요가 있다.
그래서, 종래에는 주축전 장치(2)의 과전압 상태 및 부족 전압 상태를 절연신호로서 제어측으로 전달하기 위해 도시한 바와 같이 포토 커플러(4)를 사용하고 있었다.
그러나, 사용 환경 조건이 엄격한 자동차 탑재용 전원에 있어서는 포토 커플러(4)의 전달 효율은 에이징(aging) 변화에 기인하여 용이하게 저하되고, 부품의 변동에 따라서는 주축전 장치(2)의 과전압 상태 및 부족 전압 상태를 제어측으로 전달할 수 없게 되는 경우가 발생하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 과제는 주축전 장치(2)의 과전압 상태 및 부족 전압 상태를 절연 신호로서 제어측으로 확실하게 전달할 수 있도록 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예를 도시하는 구성도.
도 2는 도 1에서 이용되는 게이트 드라이브 회로의 제1 구체예를 도시하는 구성도.
도 3은 도 1에서 이용되는 전압 판별기의 구체예를 도시하는 회로도.
도 4는 도 9에 대응하여 이용되는 게이트 드라이브 회로의 구체예를 도시하는 구성도.
도 5는 도 1에서 이용되는 게이트 드라이브 회로의 제2 구체예를 도시하는 구성도.
도 6은 도 5에서 이용되는 전압 판별기의 구체예를 도시하는 회로도.
도 7은 도 1에서 이용되는 게이트 드라이브 회로의 제3 구체예를 도시하는 구성도.
도 8은 제1 종래예를 도시하는 구성도.
도 9는 제2 종래예를 도시하는 구성도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 보조 축전 장치
2 : 주축전 장치
3 : 제어 회로
4 : 포토 커플러
5, 53 : 게이트 드라이브 회로
7 : 전압 판별기
51 : 비교기
52 : 래치 회로
71 : 부족 전압 판별부
72 : 과전압 판별부
Q1∼Q4 : 스위치 소자(MOSFET)
D1∼D3 : 다이오드
Ri : 전류 검출기
이러한 과제를 해결하기 위해서, 청구항 1의 발명에서는, 제1 전원측에 배치된 제어 회로로 구동 변압기의 1차측을 구동하고, 이 때 상기 구동 변압기의 2차측에 유도되어 발생하는 전압에 의해, 상기 제어 회로로부터 절연되고 제2 전원측에 배치된 스위치 소자를 구동하는 DC/DC 컨버터의 제어 장치에 있어서,
상기 제2 전원의 전압을 감시하여 그 전압이 소정의 범위 내에 있지 않을 때에는 상기 구동 변압기의 2차측을 단락하고, 이 때 1차측에 흐르는 구동 변압기의 전류가 크게 되는 것을 검출함으로써, 상기 제어 회로에서 상기 제2 전원의 전압이 소정 범위 내에 있지 않은 것을 판별하는 것을 특징으로 한다.
상기 청구항 1의 발명에서는, 상기 구동 변압기의 2차측이 복수의 권선으로 구성되고, 그 중 하나의 권선에만 단락 회로를 설치할 수 있거나(청구항 2의발명), 또는 상기 구동 변압기의 2차측이 복수의 권선으로 구성되고, 각각의 권선에 단락 회로를 설치할 수 있거나(청구항 3의 발명), 또는 상기 구동 변압기의 2차측이 복수의 권선으로 구성되고, 그 중 하나의 권선에는 단락 회로를 설치하고, 다른 권선에는 그 권선에서 유도되어 발생하는 전압이 소정의 임계치 이하일 때는 스위치 소자에 구동 전력을 공급하지 않는 부가 회로를 설치할 수 있다(청구항 4의 발명).
청구항 5의 발명에서는, 제1 전원측에 배치된 제어 회로로 복수의 구동 변압기의 1차측을 구동하고, 이 때 구동 변압기의 2차측에 유도되어 발생하는 전압에 의해, 상기 제어 회로로부터 절연되고 제2 전원측에 배치된 스위치 소자를 제어하는 DC/DC 컨버터의 제어 장치에 있어서,
상기 제2 전원의 전압을 감시하여 그 전압이 소정의 범위 내에 있지 않을 때에는 하나의 구동 변압기의 2차측을 단락하고, 단락된 구동 변압기의 1차측에 흐르는 전류가 크게 되는 것을 검출함으로써, 상기 제어 회로에서 상기 제2 전원의 전압이 소정의 범위 내에 있지 않은 것을 판별하는 것을 특징으로 한다.
청구항 6의 발명에서는, 제1 전원측에 배치된 제어 회로로 복수의 구동 변압기의 1차측을 구동하고, 이 때 상기 구동 변압기의 2차측에 유도되어 발생하는 전압에 의해, 상기 제어 회로로부터 절연되고 제2 전원측에 배치된 스위치 소자를 제어하는 DC/DC 컨버터의 제어 장치에 있어서,
상기 제2 전원의 전압을 감시하여 그 전압이 소정의 범위 내에 있지 않을 때에는 상기 복수의 구동 변압기의 2차측을 단락하고, 단락된 구동 변압기 중 어느하나의 구동 변압기의 1차측에 흐르는 전류가 크게 되는 것을 검출함으로써, 상기 제어 회로에서 제2 전원의 전압이 소정의 범위 내에 있지 않은 것을 판별하는 것을 특징으로 한다.
상기 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 하나의 발명에 있어서는, 상기 제2 전원의 전압이 소정의 범위 내에 있지 않은 것을 검출한 경우에는, 그 검출된 전압을 유지하는 유지 회로를 설치할 수 있거나(청구항 7의 발명), 또는 상기 제2 전원의 전압이 소정의 범위 내에 있지 않은 것을 검출한 경우에는, 변환 동작을 정지시킬 수 있다(청구항 8의 발명).
다시 말해서, 제2 전원(주전원)의 전압이 과전압 상태 및 부족 전압 상태인 경우, 스위치 소자(Q1, Q2)의 드라이브 회로를 구성하는 구동 변압기의 출력측을 단락하면, 제어측을 흐르는 구동 변압기의 전류가 크게 되는 것을 이용하여 절연된 정보를 제어측으로 확실하게 전달하는 것이라고 할 수 있다.
(실시예)
도 1은 본 발명의 실시예를 도시하는 구성도이다.
도 1로부터도 명백한 바와 같이, 도 8에 도시하는 종래예에 대해 포토 커플러를 생략하고, 그 대신에 도 2에 도시한 바와 같이, 종래예의 장치에 전류 검출기(Ri), 비교기(51), 래치 회로(52), 스위치 소자(Q3) 및 다이오드(D4) 등이 부가된 게이트 드라이브 회로(5)를 설치한 점이 특징이다.
또한, 주축전 장치(2)의 전압 Vm의 상태를 판별하는 전압 판별기(7)는 예를 들어 도 3에 도시한 바와 같이 부족 전압 판별부(71) 및 과전압 판별부(72)로 구성되고, 주축전 장치(2)의 전압 Vm이 적정 범위 내에 있는 경우에는 전압 판별기(7)의 출력(G4)은 "L"로 되고 스위치 소자(Q4)는 개방 상태로 되며, 과전압 상태 및 부족 전압시인 경우에는 출력(G4)은 "H"로 되고 스위치 소자(Q4)는 단락 상태로 된다.
따라서, 도 1에 있어서, 전압 Vm이 적정 범위 내에 있는 경우에 게이트 전류의 공급이 종료되면, 제어측의 구동 변압기 전류는 감소하여 작은 값 Ia로 수렴하고, 전류 검출기(Ri)에 의해 Va = Ri ×Ia의 전압이 검출된다. 한편, 전압 Vm이 과전압 상태 및 부족 전압 상태가 되면, 구동 변압기의 2차측 권선(S1)이 스위치 소자(Q4)에 의해 단락되기 때문에 변압기의 구동 전류는 일시에 큰 값 Ib로 되고, Vb = Ri ×Ib의 전압이 검출된다. 따라서, 비교기(51)의 비교치 Vs를 Va < Vs < Vb로 되도록 설정함으로써, 제어측에서 주축전 장치(2)의 전압 Vm의 상태를 검출하는 것이 가능해진다.
구동 변압기의 1차측이 구동되면, 2차측 권선(S1)이 단락되어 있는 경우이더라도, 권선(S2)에는 약간의 전압이 유도되어 발생한다. 그래서, 스위치 소자(Q2)의 게이트 전압으로서 이 유도 발생 전압보다 높은 MOSFET를 선정함으로써, 권선(S2)측의 게이트 드라이브 회로에는 권선(S2)측에 유도되어 발생하는 전압이 스위치 소자(Q2)의 임계치 전압을 초과하는 경우에 스위치 소자(Q2)가 전환되도록 제어되는 것을 방지하는 특별한 부가 회로는 불필요하다. 역으로, 적당한 MOSFET를 선정할 수 없는 경우에는 적절한 부가 회로를 이용하여 대처한다.
래치 회로(52)는 예를 들어 플립플롭으로 구성되고, 비교기(51)에 의해 과전압 상태 및 부족 전압이 검출된 경우에, 그 검출된 전압을 래치해 두기 위한 기능을 갖는다. 이와 같은 전원 장치에서는 일반적으로 단시간에 온/오프를 반복하도록 스위치 소자(Q3)에는 게이트 드라이브 회로(53)로부터 신호가 공급되기 때문에, 구동 변압기의 구동 전류는 2차측이 단락되어 있더라도 과도적으로 크게 할 뿐이며 바로 감쇠된다. 이 때문에, 전압 Vm의 과전압 상태 및 부족 전압 상태를 적절한 타이밍으로 검출할 수 없게 될 가능성이 있다. 래치 회로(52)는 그 과전압 상태 및 부족 전압을 확실하게 검출하기 위해 설치되는 것이다. 그리고, 이 래치 회로(52)가 동작했을 때는 DC/DC 컨버터의 제어를 정지시킴으로써, 과전압 상태 및 부족 전압 발생후의 최초 구동시에 제어를 정지시킬 수 있다.
제어측에서 과전압 상태 및 부족 전압 상태가 지속되고 있는지의 여부를 확인하기 위해서는 래치 회로(52)의 래치 상태를 리셋하고, 제어를 운전 상태로 다시 되돌린다. 이 때, 아직 과전압 상태 및 부족 전압 상태가 계속되고 있으면, 스위치 소자(Q4)의 단락이 계속되고 있기 때문에 제어측에서는 비교치(Vs)를 초과하는 전압을 검출하고 제어가 다시 정지한다. 이 때, 스위치 소자(Q1, Q2)에는 드라이브 신호가 공급되지 않고, 스위치 소자(Q1, Q2)는 오프 상태 그대로이기 때문에, 스위치 소자(Q1, Q2)가 온 상태로부터 오프 상태로 변화된 경우에 발생하는 서지 전압에 의한 스위치 소자(Q1, Q2) 등의 고장을 생각할 필요는 없다. 또한, 전압 Vm이 적정 전압 범위로 되돌아가 있는 경우에는, 래치 회로(52)는 동작하지 않기 때문에 운전 상태로 된다.
도 4는 DC/DC 컨버터의 구성이 도 9의 경우와 동일한 게이트 드라이브 회로를 도시한다. 도 4로부터도 명백한 바와 같이, 도 2로부터 2차 권선(S2)을 생략했을 뿐이고, 그 이외의 점은 동일하기 때문에 설명은 생략한다.
도 5는 게이트 드라이브 회로의 다른 예를 도시한다.
도 5의 게이트 드라이브 회로는 도 2의 구동 변압기의 권선(S2)측에 스위치 소자(Q5)를 구비한 점이 상이하다. 스위치 소자(Q5)를 구비한 게이트 드라이브 회로는 과전압 상태 및 부족 전압시에 권선(S1)이 단락되어 있더라도, 권선(S2)에 스위치 소자(Q2)를 구동시킬 수 있는 전압이 유도되어 발생하는 경우를 상정한 부가 회로이고, 이와 같은 구성에서는 도 6에 도시한 바와 같은 전압 판별기(7)의 출력(G5)에 의해, 과전압 상태 및 부족 전압시에는 권선(S2)도 단락된다.
비록 도 1에는 단 하나의 전압 판별기(7)가 도시되어 있지만, 도 5에 도시된 스위치 소자(Q4)는 도 3에 도시된 전압 판별기(7)로부터 출력된 제어 신호(G4)에 의해 제어되는 반면, 도 5에 도시된 스위치 소자(Q5)는 도 6에 도시된 전압 판별기(7)로부터 출력된 제어 신호(G5)에 의해 제어된다.
도 7은 게이트 드라이브 회로의 다른 예를 도시한다.
이 다른 예에 있어서도, 권선(S2)에 전압이 유도되어 발생하는 것을 상정하여 스위치 소자(Q5)를 부가한 게이트 드라이브 회로이다.
일반적으로, 권선(S2)에 유도되어 발생하는 전압은 스위치 소자(Q4)가 단락되어 있는 경우보다도 개방되어 있는 경우가 크다. 이 유도 발생 전압의 크기 차이를 이용하여 권선(S2)의 유도 발생 전압이 큰 경우에는 스위치 소자(Q5)를 단락 상태로 하고, 작은 경우에는 스위치 소자(Q5)를 개방 상태로 한다. 또한, 다른 예에서는 스위치 소자(Q5)의 게이트 신호를 도 6에 도시된 전압 판별기(7)에 상관없이 권선(S2) 신호로부터 용이하게 생성할 수 있기 때문에 도 5보다도 소형으로 구성할 수 있다.
스위치 소자(Q5)는 권선(S2)에서 유도되어 발생하고 권선(S1)의 개폐 상태에 따라 변경가능한 전압이 하이(high)인 경우에 자동으로 턴온된다. 따라서, 도 7은 도 5와 비교해서 하나의 다이오드 및 도 6에 도시된 전압 판별기(7)가 생략되어 있어, 상당한 사이즈 감소를 기대할 수 있다.
본 발명은 도 1에 도시하는 하프 브리지형(half-bridge-type) DC/DC 컨버터나 도 9의 하나의 스위치 소자만을 구비한(소위, 1석 포워드형) DC/DC 컨버터뿐만아니라, 풀 브리지형(full-bridge-type) DC/DC 컨버터나 인버터 장치의 절연 전압 상태의 판별에도 적용할 수 있다. 이 때, 하프 브리지형에서는 하나의 구동 변압기로 마무리하여도 문제가 없지만, 풀 브리지형이나 인버터 장치에서는 스위치 소자에 따라 복수개의 구동 변압기를 설치하여야 된다. 따라서, 상기 제2 전원 전압의 과전압 상태 및 부족 전압 상태의 검출하는 경우, 본 발명에 따르면 복수의 구동 변압기의 2차측을 단락하거나 또는 복수의 구동 변압기 중 하나의 구동 변압기의 2차측을 단락함으로써, 주축전 장치(2)의 과전압 상태 및 부족 전압이 주축전 장치(2)측으로부터 절연된 제어측으로 전달되는 것이 가능하다.
본 발명에 따르면, 절연된 정보를 종래부터 탑재되어 있는 구동 변압기에 약간의 반도체 부품을 추가하여 전달하도록 구성하였기 때문에, 포토 커플러와 동등하거나 또는 저렴하게 구성할 수 있을 뿐 아니라, 에이징 변화에 기인하는 열화가 포토 커플러와 비교해서 적기 때문에 장치의 신뢰성이 향상되는 등의 이점을 얻을 수 있다.

Claims (8)

  1. 제1 전원측에 배치된 제어 회로로 구동 변압기의 1차측을 구동하고, 이 때 상기 구동 변압기의 2차측에 유도되어 발생하는 전압에 의해, 상기 제어 회로로부터 절연되고 제2 전원측에 배치된 스위치 소자를 구동하는 DC/DC 컨버터의 제어 장치에 있어서,
    상기 제2 전원의 전압을 감시하여 그 전압이 소정의 범위 내에 있지 않을 때에는 상기 구동 변압기의 2차측을 단락하고, 이 때 1차측에 흐르는 구동 변압기의 전류가 크게 되는 것을 검출함으로써, 상기 제어 회로에서 상기 제2 전원의 전압이 소정의 범위 내에 있지 않은 것을 판별하는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구동 변압기의 2차측이 복수의 권선으로 구성되고, 그 중 하나의 권선에만 단락 회로를 설치하는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터의 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 구동 변압기의 2차측이 복수의 권선으로 구성되고, 각각의 권선에 단락 회로를 설치하는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터의 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 구동 변압기의 2차측이 복수의 권선으로 구성되고, 그중 하나의 권선에는 단락 회로를 설치하고, 다른 권선에는 그 권선에서 유도되어 발생하는 전압이 소정의 임계치 이하일 때는 상기 스위치 소자에 구동 전력을 공급하지 않는 부가 회로를 설치하는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터의 제어 장치.
  5. 제1 전원측에 배치된 제어 회로로 복수의 구동 변압기의 1차측을 구동하고, 이 때 상기 구동 변압기의 2차측에 유도되어 발생하는 전압에 의해, 상기 제어 회로로부터 절연되고 제2 전원측에 배치된 스위치 소자를 제어하는 DC/DC 컨버터의 제어 장치에 있어서,
    상기 제2 전원의 전압을 감시하여 그 전압이 소정의 범위 내에 있지 않을 때에는 하나의 구동 변압기의 2차측을 단락하고, 단락된 구동 변압기의 1차측에 흐르는 전류가 크게 되는 것을 검출함으로써, 상기 제어 회로에서 상기 제2 전원의 전압이 소정의 범위 내에 있지 않은 것을 판별하는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터의 제어 장치.
  6. 제1 전원측에 배치된 제어 회로로 복수의 구동 변압기의 1차측을 구동하고, 이 때 상기 구동 변압기의 2차측에 유도되어 발생하는 전압에 의해, 상기 제어 회로로부터 절연되고 제2 전원측에 배치된 스위치 소자를 제어하는 DC/DC 컨버터의 제어 장치에 있어서,
    상기 제2 전원의 전압을 감시하여 그 전압이 소정의 범위 내에 있지 않을 때에는 상기 복수의 구동 변압기의 2차측을 단락하고, 단락된 구동 변압기 중 어느하나의 구동 변압기의 1차측에 흐르는 전류가 크게 되는 것을 검출함으로써, 상기 제어 회로에서 제2 전원의 전압이 소정의 범위 내에 있지 않은 것을 판별하는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터의 제어 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 전원의 전압이 소정의 범위 내에 있지 않은 것을 검출한 경우에는, 그 검출된 전압을 유지하는 유지 회로를 설치한 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터의 제어 장치.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 전원의 전압이 소정의 범위 내에 있지 않은 것을 검출한 경우에는, 변환 동작을 정지시키는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터의 제어 장치.
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