KR20090034525A - Ｄｃ-ｄｃ 컨버터 및 그 전류모드 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 DC-DC 컨버터 및 그 전류모드 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 컨버터에 사용되던 필터 인덕터를 가포화 인덕터로 대체하여 경부하 발생시 도통 손실을 감소시킬 수 있도록 한 DC-DC 컨버터 및 그 전류모드 제어 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 DC-DC 컨버터에 있어서, 상기 컨버터는 양방향 벅-부스트 컨버터로 구성되되, 소스전원(Vs)과, 벅 모드 동작 스위치(S1)과, 동기정류 스위치(S2)로 이루어진 전원회로부와; 가포화 인덕터(Ls)와, 출력 필터 커패시터(C1)로 이루어진 필터부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터를 제공한다.
하이브리드, DC-DC 컨버터, 가포화 인덕터, 도통 손실 감소, 전류모드, 제어 방법
Description
본 발명은 DC-DC 컨버터 및 그 전류모드 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 컨버터에 사용되던 필터 인덕터를 가포화 인덕터로 대체하여 경부하 발생시 도통 손실을 감소시킬 수 있도록 한 DC-DC 컨버터 및 그 전류모드 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 하이브리드 전기자동차는 엔진과 모터를 동력원으로 하여, 차량의 출발시나 가속시에 배터리의 전압에 의해 동작되는 모터의 동력 보조로 연비 향상을 도모할 수 있는 차량으로서, 동력 전달을 위한 클러치 및 변속기(CVT), 엔진 및 모터 등의 구동을 위한 인버터, DC/DC컨버터, 고전압배터리 등을 포함하며, 이러한 구성들 중, 고전압배터리는 하이브리드 차량의 모터 및 DC/DC 컨버터를 구동하는 에너지원이며, 상기 DC/DC 컨버터는 알터네이터(ALTERNATOR)가 장착되지 않음에 따라 전장 시스템에 전원을 공급하는 보조배터리에 전원을 공급하기 위해 사용 된다.
일반적으로, 상기 DC/DC컨버터는 수백 볼트(VOLT)의 직류전원을 수 볼트(VOLT)의 전원으로 감압시켜 보조 배터리를 상시 충전시키는 기능을 수행하는 바, 하이브리드 차량에서 알터네이터가 장착되지 않는 것은 주행 및 정차중에 상시 엔진이 켜져 있지 않은 경우가 많음에 따라 알터네이터로는 배터리의 충전이 불가능하기 때문에 상기와 같은 DC/DC 컨버터가 사용되는 것이다.
즉, 알터네이터의 경우 효율이 50%정도에 머물고 있어 연비 효율을 최대화시키기 어려워 80% ~ 90%에 이르는 고효율 특성을 가진 DC/DC 컨버터를 사용하여 전장 시스템에 전원을 공급하는 보조 배터리를 상시 충전하도록 하고 있다.
종래의 하이브리드 전기자동차에서 DC/DC 컨버터를 통한 보조 배터리의 충전은 차량의 시동이 시작 될 때부터 차량 시동이 꺼질 때까지 계속해서 정전압 제어 방식에 의해서 충전을 행한다.
여기서, 종래의 DC/DC 컨버터 구성 및 동작 원리를 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 종래의 DC/DC 컨버터로서, 양방향 벅-부스트 컨버터를 나타내는 회로도이고, 도 2는 양방향 벅-부스트 컨버터의 영전압 스위칭 동작원리를 설명하는 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 양방향 벅-부스트 컨버터는 소스전원(Vs)과, 벅 모드 동작 스위치(S1)와, 동기정류 스위치(S2)로 이루어진 전원회로부와; 필터 인덕터(L)와, 출력 필터 커패시터(C)로 이루어진 필터부를 포함하여 구성되어 있다.
따라서, 종래의 양방향 벅-부스트 컨버터는 스위칭 손실을 줄이기 위해 전류 불연속 모드 방식의 전류 모드 제어 방법을 채택하고 있으며, 이를 위해 도 2에 도시된 바와 같이 상기 벅 모드 동작 스위치(S1)와 동기정류 스위치(S2)에서 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching : ZVS)이 이루어진다.
이러한 영전압 스위칭 시, 도 3의 파형도에서 나타낸 바와 같이 상기 인덕터(L)의 전류가 영 아래로 내려가는 불연속 구간이 발생하게 된다.
이에, 위와 같은 방식으로 동작하는 종래 컨버터는 출력전압을 제어하기 위해 상기 인덕터(L)의 전류를 센싱받아 출력전압을 제어하는 전류모드 전압 제어 방법이 사용되고 있다.
즉, 종래의 전류모드 전압 제어 방법은 첨부한 도 4에 나타낸 인덕터 전류 리플 값과 게이트 파형에서 보는 바와 같이, 인덕터 전류 리플 값을 제한하여 컨버터를 제어하는 방식으로서, 인덕터 전류 리플 값을 제한시킴으로써, 전 부하 영역에서 영 전압 스위칭을 위한 전류 불연속 모드로 동작이 가능하게 된다.
그러나, 종래의 컨버터의 전류모드 전압 제어 방법은 부하에 따른 순환전류 구간을 나타낸 첨부한 도 5에서 보듯이, 제한된 인덕터 전류 리플 값으로 인해 경 부하 시에는 큰 순환전류가 발생하여 스위치에서의 도통 손실이 증가하고, 이 도통 손실은 경부하 시 컨버터 전체 손실에 큰 비중을 차지하여 결국 전체 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 첫째 경부하 시, 큰 리플 전류로 인한 순환전류 발생으로 도통 손실이 증가하는 점, 둘째 큰 인덕터 리플 전류로 인한 큰 입,출력 전류 리플로 인하여 입출력 필터 커패시턴스 증가를 초래하는 점, 셋째 큰 인덕터 리플 전류로 인한 큰 입,출력 전류 리플로 인하여 EMI 노이즈 증가를 초래하는 점 등을 해결할 수 있는 고효율을 위한 새로운 전류 모드 제어 기법을 제공하고자 한 것으로서, 컨버터의 필터 인덕터를 가포화 인덕터로 대체시킨 하이브리드 차량의 DC-DC 컨버터 및 그 전류모드 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: DC-DC 컨버터에 있어서, 상기 컨버터는 양방향 벅-부스트 컨버터로 구성되되, 소스전원(Vs)과, 벅 모드 동작 스위치(S1)과, 동기정류 스위치(S2)로 이루어진 전원회로부와; 가포화 인덕터(Ls)와, 출력 필터 커패시터(C1)로 이루어진 필터부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터를 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: DC-DC 컨버터의 전류모드 제어 방법에 있어서, 소스전원(Vs)과, 벅 모드 동작 스위치(S1)과, 동기정류 스위치(S2)로 이루어진 전원회로부와; 가포화 인덕터(Ls)와, 출력 필터 커패시터(C1)로 이루어진 필터부를 포함하여 구성된 컨버터를 제공으로, 부하 변경시, 중 부하일 경우에는 상기 가포화 인덕터가 포화가 되어 큰 리플 전류를 갖고, 경 부하일 경우에는 상기 가포화 인덕터가 본래 인덕턴스 값을 갖기 때문에 작은 리플 전류를 가지면서 주파수 변화는 최대한 작게 형성하여 큰 순환전류를 줄일 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터의 전류모드 제어 방법을 제공한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
본 발명은 DC-DC 컨버터에 가포화 인덕터를 적용함으로써, 경부하 시 큰 순환전류에 의한 낮은 효율을 크게 높일 수 있다.
즉, 중부하 시, 큰 전류 리플을 가지므로 영전압 스위칭이 쉽게 이루어져 스위칭 손실을 감소시킬 수 있고, 경부하 시에는 작은 전류 리플을 가지므로 영전압 스위칭이 쉽게 이루어짐과 함께 큰 순환전류를 감소시켜 스위칭 손실 및 도통 손실 을 감소시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 6은 본 발명에 따른 가포화 인덕터가 포함된 비절연부 컨버터를 나타내는 등가회로도이고, 도 7은 인덕터 전류 제한 폭 감소시 인덕터의 전류 파형 을 보여주는 파형도이다.
전술한 종래 DC-DC 컨버터의 문제점을 최소화시키기 위해서는 인덕터 전류 리플 크기를 줄여야 하지만, 인덕터 전류 리플 크기가 감소되면 첨부한 도 8에서 보는 것과 같이, 주파수는 전류 제한 폭과 비례하여 증가하게 되므로, 결국 경부하 시 순환전류의 양을 크게 줄일 수 없고, 또한 영전압 스위칭 구간이 감소하게 되어 스위칭 손실이 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
이에, 본 발명은 전류 리플 제한 폭을 줄이면서 주파수 변화를 최대한 작게 가져갈 수 있도록 가포화 인덕터가 포함된 DC-DC 컨버터를 제공하고자 한 것이다.
본 발명에 따른 DC-DC 컨버터는 소스전원(Vs)과, 벅 모드 동작 스위치(S1)과, 동기정류 스위치(S2)로 이루어진 전원회로부를 포함하는 양방향 벅-부스트 컨버터로 구성되며, 특히 가포화 인덕터(Ls)와, 출력 필터 커패시터(C1)로 이루어진 필터부를 포함하여 구성된다.
상기 가포화 인덕터(Saturable inductor)는 에너지를 축적하고 전달하는 역할을 하는 일반적인 인덕터와는 그 역할이 다르며, 스위치 소자와 결합해서 아주 짧은 시간 동안 공진을 일으켜 영전압 내지는 영전류 스위칭을 구현할 수 있는 것으로서, 첨부한 도 8(a)와 같은 B-H 곡선 특성을 갖기 때문에 원하는 부하전류에서 인덕터의 인덕턴스를 결정할 수 있다.
따라서, 가포화 인덕터의 B(자속밀도)-H(자계의 세기) 곡선 기울기는 인덕터 코어와 권선 특징에 의해 결정되며, 이로 인해 가포화 인덕터와 전류 제한치 관계를 나타내는 첨부한 도 8(b)의 그래프와 같이 원하는 포화 전류 지점을 결정할 수 있다.
상기 가포화 인덕터를 종래 컨버터에 적용하면, 부하 변경시 가포화 인덕터의 전류 파형은 첨부한 도 9와 같이 나타나는 바, 중 부하일 경우에는 가포화 인덕터가 포화가 되어, 작은 인덕턴스를 갖기 때문에 큰 리플 전류를 갖게 되고, 경 부하일 경우에는 가포화 인덕터가 본래 인덕턴스 값을 갖기 때문에 작은 리플 전류를 가지며 주파수는 크게 변화하지 않으므로, 결국 기존에 경부하 시 문제점이었던 큰 순환전류를 줄일 수 있게 된다.
즉, 첨부한 도 10에 도시된 바와 같이 종래의 전류모드 제어 방법에 비하여, 본 발명의 전류모드 제어 방법은 경부하 시 보다 높은 효율을 나타내게 된다.
한편, 첨부한 도 11에 도시된 바와 같이 하이브리드 차량의 강압형 DC-DC 컨버터에는 고효율을 내기 위하여 풀-브릿지(full-bridge) 강압형 DC-DC 컨버터가 주로 사용되고 있다.
도 11에 도시된 상전이 풀-브릿지 강압형 DC-DC 컨버터는 일차측의 모든 스위치(S11, S22, S33, S44)들이 스위칭손실(switching loss)을 최소화하도록 영전압스위칭(zero-voltage switching)을 하는 특징을 가지고 있으며, 이러한 상전이 풀-브릿지 강압형 DC-DC 컨버터는 상전이를 통한 제어방식이 복잡하고 제어특성상 이차측 권선에 전압이 유기되지 않는 구간이 존재하므로 일차측 스위치가 영전압스위칭을 하도록 직렬로 추가되는 인덕터는 전체 전력효율을 감소시키고 컨버터의 노이즈를 증가시키는 문제점이 있고, 또한 경부하 시 영전압 스위칭을 이루기 위해 큰 누설 인덕턴스가 필요하고, 중부하 시에는 작은 누설 인덕턴스에도 쉽게 영전압 스 위칭이 이루어지는 점이 있다.
이러한 문제점을 감안하여, 풀-브릿지 강압형 DC-DC 컨버터에 본 발명의 가포화 인덕터를 적용하게 되면, 누설 인덕터 대신 가포화 인덕터를 적용하여 전부하 영역에서 쉽게 영전압 스위칭이 이루어질 수 있다.
도 1은 종래의 양방향 벅-부스트 컨버터를 나타내는 등가회로도,
도 2는 종래의 양방향 벅-부스트 컨버터의 영전압 스위칭 동작 원리를 나타내는 등가회로도,
도 3은 종래의 양방향 벅-부스트 컨버터의 전류 파형도,
도 4는 종래의 양방향 벅-부스트 컨버터의 전류모드 제한 방식을 설명하는 인덕터 전류 리플값 및 게이트 파형도,
도 5는 종래의 종래의 양방향 벅-부스트 컨버터의 경부하시 및 중부하시 인덕터 전류 파형도,
도 6은 본 발명에 따른 양방향 벅-부스트 컨버터를 나타내는 등가회로도,
도 7은 본 발명에 따른 양방향 벅-부스트 컨버터의 인덕터 전류 파형도,
도 8은 본 발명에 적용된 가포화 인덕터의 B-H 곡선 및 전류 제한치 관계 그래프,
도 9는 본 발명에 적용된 가포화 인덕터의 부하 변경시 전류 파형도,
도 10은 본 발명과 종래의 전류모드 제어 방법에 따른 효율 비교 결과를 나타내는 그래프,
도 11은 본 발명에 따른 가포화 인덕터가 적용될 수 있는 풀-브릿지(full-bridge) 강압형 DC-DC 컨버터를 나타내는 회로도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
Vs : 소스전원
S1 : 벅 모드 동작 스위치
S2 : 동기정류 스위치
Ls : 가포화 인덕터
C1 : 출력 필터 커패시터
Claims (2)
- DC-DC 컨버터에 있어서,상기 컨버터는 양방향 벅-부스트 컨버터로 구성되되,소스전원(Vs)과, 벅 모드 동작 스위치(S1)과, 동기정류 스위치(S2)로 이루어진 전원회로부와;가포화 인덕터(Ls)와, 출력 필터 커패시터(C1)로 이루어진 필터부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
- DC-DC 컨버터의 전류모드 제어 방법에 있어서,소스전원(Vs)과, 벅 모드 동작 스위치(S1)과, 동기정류 스위치(S2)로 이루어진 전원회로부와; 가포화 인덕터(Ls)와, 출력 필터 커패시터(C1)로 이루어진 필터부를 포함하여 구성된 컨버터를 제공으로,부하 변경시, 중 부하일 경우에는 상기 가포화 인덕터가 포화가 되어 큰 리플 전류를 갖고,경 부하일 경우에는 상기 가포화 인덕터가 본래 인덕턴스 값을 갖기 때문에 작은 리플 전류를 가지면서 주파수 변화는 최대한 작게 형성하여, 큰 순환전류를 줄일 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터의 전류모드 제어 방법.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100981737B1 (ko) * | 2009-07-21 | 2010-09-15 | 김성하 | 충/방전회로가 구비된 무선마우스 장치 |
| WO2014170409A1 (en) * | 2013-04-18 | 2014-10-23 | Zentrum Mikroelektronik Dresden Ag | Buck converter with a stabilized switching frequency |
| EP2555400A4 (en) * | 2010-03-29 | 2018-01-03 | Daikin Industries, Ltd. | Switching power source circuit |
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2007
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