KR20100054150A - 다상 dc-dc 컨버터 - Google Patents

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KR20100054150A
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보리스 블라우마이저
디르크 크란처
마르쿠스 콘칠리
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 서로 병렬로 배치되어 시간 지연 방식으로 타이밍된 복수의 컨버터 셀을 포함하는 다상 DC-DC 컨버터에 관한 것이다. 또한, 상기 컨버터는 각각의 2개의 컨버터 셀의 출력들 사이에 각각 1개의 자기 측정 브리지를 포함한다.

Description

다상 DC-DC 컨버터 {MULTIPHASE DC-DC CONVERTER}
본 발명은 다상 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
DE 101 10 615 A1으로부터, 파워 반도체용 구동 펄스를 발생시키기 위한, 특히 다상 컨버터들 또는 DC-DC 컨버터들에 수용되는 하프 브리지용 오프셋 구동 펄스를 발생시키기 위한 방법이 공지되어 있다. 이 방법에서는 오프셋들에 상응하는 지연 시간만큼 기준 전압이 변경되거나, 오프셋 수에 의해 분할된 주기 지속에 상응하는 지연 시간만큼 PWM 신호가 변위된다.
DE 101 19 985 A1으로부터, 자동차의 다전압 전기 공급 시스템 내로 에너지를 공급하기 위한 장치가 공지되어 있다. 이 장치는 자동차 내에 배치된 다전압 전기 공급 시스템을 포함하며, 상기 다전압 전기 공급 시스템은 적어도 각각 기준 전위와 상이한 제1 및 제2 전압 레벨을 제공한다. 상기 다전압 전기 공급 시스템에는 적어도 하나의 축전기로부터 전기가 공급된다. 또한, 상기 다전압 전기 공급 시스템은 상기 두 전압 레벨의 연결을 위한 적어도 하나의 컨버터를 포함한다. 그 밖에도 외부에서 상기 다전압 전기 공급 시스템 내로 에너지를 공급하기 위한 공급 수단이 제공된다. 전술한 컨버터는 다상 컨버터의 형태로 구현될 수 있다. 그러한 컨버터에서는 상대적으로 전력이 작은 복수의 컨버터 셀들이 병렬로 접속되며, 이 전력 소자들이 시간 지연 방식으로 타이밍된다. 이 경우, 소거 효과 때문에 필터 유닛이 절약된다. 이러한 유형의 다상 컨버터들을 사용함으로써, 기존의 단일 다상 컨버터의 위상을 갖는 제1 및 제2 컨버터를 구현할 수 있게 된다. 이를 위해, 위상들은 강압 컨버터 기능을 가진 컨버터와 승압 컨버터 기능을 가진 컨버터로 분할된다. 그러한 경우 상기 위상들은 컨버터 내부에서 스위치를 통해 입력측에서 분리된다.
미래의 자동차 에너지 공급 시스템에서는 상이한 전압 레벨들 간의 에너지 흐름을 제어할 수 있도록 하기 위해 고전력 DC-DC 컨버터가 요구될 것이다. 이처럼 자동차 분야에 도입될 경우, 비용, 설치 공간 및 중량의 제한으로 인해 인덕턴스와 커패시턴스 그리고 소자 개수가 전체적으로 최소화되어야 한다. DC-DC 컨버터로서 다상 DC-DC 컨버터를 사용함으로써 그러한 제한 조건들을 충족시킬 수 있다. 상기 다상 DC-DC 컨버터의 경우, 전달될 전력이 복수의 컨버터 셀들로 분배된다. 이러한 원리에서 컨버터 셀들의 시간 지연된 타이밍이 적용되면, 중첩된 출력 신호에서 전류 리플이 상당한 값만큼 부분적으로 증가하거나 감소한다. DC-DC 컨버터의 출력 신호의 주파수는 컨버터 셀들의 기본 클럭 주파수에 비해 지연되어 타이밍된 컨버터 셀들의 수만큼 증가한다. 더 작은 리플 및 더 높은 주파수로 인해, DC-DC 컨버터의 출력 필터가 더 작게 설계될 수 있다. 그럼으로써 비용 및 설치 공간상 유리하게 된다.
상기 방법을 효과적으로 활용하려면 관련 전류 리플을 감시하고 제어할 수 있도록 하기 위해 각각의 컨버터 셀에 대해 전류 센서가 사용되어야 한다. 이러한 개별 위상 제어 없이는 부품들의 허용오차로 인해 리플의 크기가 위상에 따라 상이할 수 있고, 그 결과 컨버터 셀들의 출력 신호들의 중첩 시 전술한 장점이 더 이상 유효하지 않다. 출력 신호에서의 리플은 더 커지며, 출력 신호의 주파수는 다시 개별 컨버터 셀의 스위칭 주파수와 동일한 값을 취한다. 그럼으로써 앞서 언급한 장점들이 다시 무효화된다.
그에 비해, 청구항 제1항에 기술된 특징들을 갖는 다상 DC-DC 컨버터는 그의 전류 센서의 수가 감소되는 장점을 갖는다. 그럼으로써 다상 DC-DC 컨버터의 비용이 훨씬 절감된다. 이러한 장점은 실질적으로, 비용이 많이 드는 개별 전류 센서 대신 비용이 더 저렴한 부품이 사용됨으로써 획득되며, 이때 사용되는 측정 원리는 정밀도 요건이 완화된다.
매우 간단한 구성을 갖는 한 실시예에 따르면, 각각 2개의 컨버터 셀의 출력부들 사이에 각각 1개의 측정 브리지가 제공되고, 이 측정 브리지는 반대 방향으로 동일한 권수로 감긴 2개의 권선이 설치된 코어를 포함한다.
매우 컴팩트하게 구성될 수 있는 또 다른 한 실시예에 따르면, 폐쇄 코어를 포함하는 다분기형 측정 브리지가 제공되며, 상기 폐쇄 코어 상에는 다상 DC-DC 컨버터의 모든 개별 분기가 형성된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 특성들은 도면을 토대로 한 실시예의 설명에서 제시된다.
도 1은 다상 DC-DC 컨버터의 컨버터 셀들의 기본 구조를 나타내는 회로도이다.
도 2는 자기 측정 브리지를 도시한 도면이다.
도 3은 다분기형 자기 측정 브리지를 포함하는 4상 DC-DC 컨버터의 회로도이다.
도 4는 컴팩트한 다분기형 자기 측정 브리지의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 다분기형 자기 측정 브리지 및 관련 제어 회로를 구비한 4극 DC-DC 컨버터의 구조를 도시한 도면이다.
도 1에는 다상 DC-DC 컨버터의 컨버터 셀들의 기본 구조를 나타내는 회로도가 도시되어 있다. 이 회로도로부터, 입력 단자에 인가되는 입력 전압(VIN)이 예컨대 접지로 접속된 커패시터(CIN)를 포함하는 저역 통과 필터를 통해 n개(도시된 실시예의 경우 4개)의 컨버터 셀로 구성된 병렬 회로에 인가됨을 알 수 있다. 상기 컨버터 셀들은 시간 지연 방식으로 타이밍된다. 컨버터 셀(4)에는 상(1)이, 컨버터 셀(5)에는 상(2)이, 컨버터 셀(6)에는 상(3)이, 그리고 컨버터 셀(7)에는 상(4)이 할당된다.
컨버터 셀(4)은, 병렬 회로의 입력부와 연결되고 PWM 발생기(14a)의 출력부에 접속된 트랜지스터(T11), 트랜지스터(T12) 및 코일(L)을 포함한다. 코일(L)의 일측 단자는 상기 두 트랜지스터(T11과 T12) 사이의 연결점에 놓인다. 코일(L)의 타측 단자는 병렬 회로의 출력부와 연결된다. 컨버터 셀(5)은, 병렬 회로의 입력부와 연결되고 PWM 발생기(14b)의 출력부에 접속된 트랜지스터(T21), 트랜지스터(T22) 및 코일(L)을 포함한다. 코일(L)의 일측 단자는 상기 두 트랜지스터(T21과 T22) 사이의 연결점에 놓인다. 코일(L)의 타측 단자는 병렬 회로의 출력부와 연결된다. 컨버터 셀(6)은, 병렬 회로의 입력부와 연결되고 PWM 발생기(14c)의 출력부에 접속된 트랜지스터(T31), 트랜지스터(T32) 및 코일(L)을 포함한다. 코일(L)의 일측 단자는 상기 두 트랜지스터(T31과 T32) 사이의 연결점에 놓인다. 코일(L)의 타측 단자는 병렬 회로의 출력부와 연결된다. 컨버터 셀(7)은, 병렬 회로의 입력부와 연결되고 PWM 발생기(14d)의 출력부에 접속된 트랜지스터(T41), 트랜지스터(T42) 및 코일(L)을 포함한다. 코일(L)의 일측 단자는 상기 두 트랜지스터(T41과 T42) 사이의 연결점에 놓인다. 코일(L)의 타측 단자는 병렬 회로의 출력부와 연결된다.
병렬 회로의 출력부는 접지로 접속된 커패시터(COUT)를 포함하는 출력 필터를 통해 다상 DC-DC 컨버터의 출력 단자(VOUT)와 연결된다.
PWM 발생기(14a, 14b, 14c, 14d)에 의해 제공된 클럭 신호들에 의해 트랜지스터들(T11, T21, T31, T41)이 시간 지연 방식으로 타이밍됨으로써, 다상 DC-DC 컨버터의 컨버터 셀들(4, 5, 6, 7)이 상이한 시점들에서 활성화된다. 그 결과, 중첩된 출력 신호에서 전류 리플이 상당한 값만큼 부분적으로 증가하거나 감소한다.
이때, DC-DC 컨버터의 출력 신호의 주파수는 컨버터 셀들의 기본 클럭 주파수에 비해 지연 타이밍된 컨버터 셀들의 수만큼 증가한다.
다상 DC-DC 컨버터의 작동시 이러한 전류 리플의 상쇄의 이득을 보장하기 위해, 본 발명에 따라 각각 2개의 컨버터 셀의 출력부들 사이에 자기 측정 브리지가 설치됨으로써 컨버터 셀들 내부를 흐르는 전류가 상호 보상된다. 이는 하기에서 도 2 내지 도 5를 토대로 상세히 설명된다.
도 2에는 본 발명에서 사용될 수 있는 자기 측정 브리지가 도시되어 있다. 도시된 측정 브리지(19)는 반대 방향으로 동일한 권수로 감긴 2개의 권선(21, 22)이 설치된 코어(20)를 포함한다. 권선(21)을 통해 전류(I1), 예컨대 컨버터 셀(4)의 출력 전류가 흐른다. 권선(22)을 통해 전류(I2), 예컨대 컨버터 셀(5)의 출력 전류가 흐른다. 각각 관련된 자속 밀도는 Φ1 및 Φ2로 표시되어 있다. 코어(20)의 공극(23) 내에는 자속 밀도를 측정하는 홀 센서(24)가 제공된다.
상이한 직류 성분들이 제공되면, 코어 내에는 전류차의 부호에 좌우되는 방향을 갖는 일방향 자속이 발생한다. 그로 인해 발생하는 자속 밀도는 홀 센서에 의해, 상기 자속 밀도의 평가를 위해 아날로그-디지털 컨버터를 통해 제어 장치에 공급되는 전압으로 매핑된다.
상기 유형의 측정 브리지를 이용하여 두 브리지 분기 사이의 차동 신호가 검출되고, 상기 차가 0이 될 때까지 재조정이 실시된다. 상기 차의 검출을 위해 고도의 정밀성 또는 선형성이 요구되지는 않는다. 재조정에 의해 전류들이 일치하게 될 수 있도록, 상이한 전류들이 존재하는지를 검출하는 것으로 충분하다.
총 n개의 컨버터 셀이 존재하는 경우, 전체 시스템을 대칭 시스템화하기 위해, 즉 n개의 컨버터 셀 모두의 출력 전류들을 일치시키기 위해 n-1개의 측정 브리지가 필요하다. 그러나 첫 번째 컨버터 셀의 출력부와 n번째 컨버터 셀의 출력부 사이에 추가 측정 브리지를 부가하면, 시스템은 과잉결정(overdetermination)된다. 그러나 그러한 경우 나타나는 주기적 구조에 의해, 컨버터 셀 또는 측정 브리지의 고장 시에도 대칭성이 유지될 수 있다. 측정 브리지들의 권선은 컨버터 셀마다 각각 반대 방향으로 감기기 때문에, 컨버터 셀의 수가 짝수인 경우에만 주기적 구조가 나타난다.
도 3에는 측정 브리지들이 다분기형 측정 브리지(25)의 형태로 구현된 4상 DC-DC 컨버터의 회로도가 도시되어 있다. 여기서 다분기형 측정 브리지는 개략적으로만 도시되었다. 상기 다분기형 측정 브리지(25)의 입력부들에는 총 4개의 컨버터 셀의 출력 신호들이 공급됨을 알 수 있다. 또한, 다분기형 측정 브리지(25)는 컨버터 셀들의 출력부들과 4상 DC-DC 컨버터의 출력 필터(COUT) 사이에 배치되어 있다. 도 3에 도시된 DC-DC 컨버터의 또 다른 구조는 도 1에 도시된 DC-DC 컨버터의 구조와 일치한다.
도 4에는 컴팩트하게 구성된 상기 유형의 다분기형 측정 브리지가 도시되어 있다. 이 측정 브리지는 1개의 단일 코어(20)를 포함하며, 상기 코어 상에는 총 4개의 컨버터 셀의 출력 분기들이 형성되어 있다. 4개의 공극(23)의 허용오차는 개별 측정 회로 내에서의 증폭, 특히 컨버터 셀들의 출력 전류들의 보상 영점에 영향을 미친다. 그러므로 측정 시스템은 동일하게 분배된 정격 전류에서 보정되어야 한다.
도 5에는 다분기형 자기 측정 브리지 및 관련 제어 회로를 구비한 4극 DC-DC 컨버터의 구조가 도시되어 있다.
도시된 DC-DC 컨버터(1)는 컨버터의 입력 전압(VIN)이 인가되는 입력 단자(2)를 포함한다. 상기 입력 전압은 예컨대 42V이다. 컨버터의 역할은 상기 입력 전압을 예컨대 14V에 달하는 출력 전압으로 변환하는 것이다. 컨버터의 이러한 출력 전압(VOUT)은 출력 단자(10)에서 이용된다.
도 5에 도시된 DC-DC 컨버터는 입력 단자(2)와 연결된 입력 필터(3)를 포함하며, 상기 입력 필터는 입력 전압으로부터의 간섭을 필터링하는 저역 통과 필터이다. 입력 필터(3)의 출력부는 복수의 컨버터 셀(4, 5, 6, 7)로 이루어진 병렬 회로와 연결되며, 도시된 실시예에서 컨버터 셀의 수는 4개이다.
컨버터 셀들(4, 5, 6, 7)의 출력부들은 도 3에 도시된 다분기형 측정 브리지와 똑같이 구성된 다분기형 측정 브리지(25)에 연결된다. 상기 측정 브리지(25)로부터 유래하는 컨버터 셀들의 출력 신호는 다시 합쳐져서 전류 센서(8) 및 출력 필터(9)를 거쳐 출력 단자(10)로 전달된다. 출력 필터(9) 역시 예컨대 저역 통과 필터이다.
전류 센서(8)에 의해 유도된 센서 신호는 아날로그-디지털 컨버터(17)를 거쳐 제어기(16)로 전달된다.
다분기형 측정 브리지(25)의 홀 센서들(24)에 의해 유도된 신호는 아날로그-디지털 컨버터(11)를 거쳐 PWM 보정 유닛(12)에 도달한다. PWM 보정 유닛의 역할은, 아날로그-디지털 컨버터(11)에 의해 제공된 디지털 신호를 컨버터 셀들에 할당하는 것이다.
PWM 보정 유닛(12)의 출력 신호들은 제어 장치(13)의 차동 전류 제어기들(13a, 13b, 13c, 13d)에 공급된다. 이 제어 장치의 출력부들에 제공되는 제어 신호에 의해 컨버터 셀들(4, 5, 6, 7)의 클럭 신호들(CK1, CK2, CK3, CK4)이 영향을 받는다.
차동 전류 제어기(13a)는 컨버터 셀(4)에 할당된다. 결과적으로, 차동 전류 제어기(13a)는 컨버터 셀(4)에 할당되는 제어 신호를 제공한다. 이 제어 신호는 가산기(15a)에서 다른 제어기(16), 예컨대 전류 제어기의 제어 신호와 중첩된다. 이 전류 제어기(16)의 입력측에는 전류 목표값 발생기(18)에 의해 제공된 전류 목표값(Isoll) 및 전류 센서(8)에 의해 유도되어 아날로그-디지털 컨버터(17)를 통해 안내된 전류값 신호가 공급된다. 가산기(15a)의 출력 신호는 PWM 발생기(14a)에서 PWM 신호로 변환되며, 상기 PWM 신호는 컨버터 셀(4)의 클럭 신호(CK1)이다.
차동 전류 제어기(13b)는 컨버터 셀(5)에 할당된다. 결과적으로, 차동 전류 제어기(13b)는 컨버터 셀(5)에 할당되는 제어 신호를 제공한다. 이 제어 신호는 가산기(15b)에서 다른 제어기(16)의 제어 신호와 중첩된다. 가산기(15b)의 출력 신호는 PWM 발생기(14b)에서 PWM 신호로 변환되며, 상기 PWM 신호는 컨버터 셀(5)의 클럭 신호(CK2)이다.
차동 전류 제어기(13c)는 컨버터 셀(6)에 할당된다. 결과적으로, 차동 전류 제어기(13c)는 컨버터 셀(6)에 할당되는 제어 신호를 제공한다. 이 제어 신호는 가산기(15c)에서 다른 제어기(16)의 제어 신호와 중첩된다. 가산기(15c)의 출력 신호는 PWM 발생기(14c)에서 PWM 신호로 변환되며, 상기 PWM 신호는 컨버터 셀(6)의 클럭 신호(CK3)이다.
차동 전류 제어기(13d)는 컨버터 셀(7)에 할당된다. 결과적으로, 차동 전류 제어기(13d)는 컨버터 셀(7)에 할당되는 제어 신호를 제공한다. 이 제어 신호는 가산기(15d)에서 다른 제어기(16)의 제어 신호와 중첩된다. 가산기(15d)의 출력 신호는 PWM 발생기(14d)에서 PWM 신호로 변환되며, 상기 PWM 신호는 컨버터 셀(7)의 클럭 신호(CK4)이다.
전술한 실시예들에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 다상 DC-DC 컨버터에서는 복수의 전류 센서를 사용하여 실시되는 개별 상전류 측정이 불필요하다. 컨버터 셀들의 출력부들과 출력 필터 사이에 배치된 단일 전류 센서(8)만 사용된다. 또한, 역시 컨버터 셀들의 출력부들과 출력 필터 사이에 배치된 자기 측정 브리지 장치가 제공되며, 이 자기 측정 브리지 장치는 복수의 개별 측정 브리지의 형태로 또는 다분기형 측정 브리지의 형태로 구현된다. 상기 측정 브리지 장치를 이용하여, 각각 인접한 분기들 사이의 전류차가 검출될 수 있다. 검출된 전류차는 제어 장치에 의해 보상된다.
본 발명에 따른 측정 브리지 장치의 사용은, 각각의 상 분기 내에 개별 전류 센서가 제공되는 개별 상전류 측정을 사용하는 경우에 비해 정밀성 요건이 적고 비용이 절감되는 장점을 갖는다.
도 5에 도시된 부품들(11, 12, 13, 14a, 14b, 14c, 14d, 15a, 15b, 15c, 15d, 16 및 17)은 분산형 회로의 형태로 또는 프로세서의 형태로 구현될 수 있다.
전술한 실시예에서는 42V의 입력 전압이 DC-DC 컨버터에 의해 14V의 출력 전압으로 변환된다. 그러나 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않는다. 입력 전압 및 출력 전압은 다른 값도 취할 수 있다. 특히 입력 전압이 출력 전압보다 작을 수도 있다.

Claims (10)

  1. 서로 병렬로 배치되어 시간 지연 방식으로 타이밍된 복수의 컨버터 셀(4, 5, 6, 7)을 포함하는 다상 DC-DC 컨버터에 있어서,
    상기 다상 DC-DC 컨버터는 각각의 2개의 컨버터 셀의 출력부들 사이에 각각 1개의 자기 측정 브리지(19, 25)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 DC-DC 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 측정 브리지(19)는 반대 방향으로 동일한 권수로 감긴 2개의 권선(21, 22)이 설치된 코어(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 DC-DC 컨버터.
  3. 제2항에 있어서, 코어(20)는 공극(23)을 포함하고, 상기 공극 내에 홀 센서(24)가 배치되는 것을 특징으로 하는 다상 DC-DC 컨버터.
  4. 제1항에 있어서, 측정 브리지들은 다분기형 측정 브리지(25)의 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 다상 DC-DC 컨버터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 컨버터 셀들(4, 5, 6, 7)에 각각 1개의 PWM 신호 발생기(14a, 14b, 14c, 14d)가 할당되는 것을 특징으로 하는 다상 DC-DC 컨버터.
  6. 제5항에 있어서, 홀 센서들(24)은 아날로그-디지털 컨버터(11)를 통해 제어 장치(13)와 연결되고, 상기 제어 장치는 출력측에서 컨버터 셀들(4, 5, 6, 7)의 클럭 신호에 영향을 주는 제어 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 다상 DC-DC 컨버터.
  7. 제6항에 있어서, 제어 장치(13)는 서로 병렬로 배치된 복수의 제어기(13a, 13b, 13c, 13d)를 포함하고, 상기 제어기들 각각은 컨버터 셀들(4, 5, 6, 7) 중 하나에 할당되며, 상기 제어기의 출력부는 각각 가산기(15a, 15b, 15c, 15d)를 통해 관련 PWM 발생기(14a, 14b, 14c, 14d)와 연결되는 것을 특징으로 하는 다상 DC-DC 컨버터.
  8. 제7항에 있어서, 가산기(15a, 15b, 15c, 15d)는 각각 추가 제어기(16)의 동일한 출력부와 연결되는 것을 특징으로 하는 다상 DC-DC 컨버터.
  9. 제8항에 있어서, 상기 추가 제어기(16)는 전류 제어기 또는 전압 제어기이며, 상기 추가 제어기의 제1 입력부는 목표값 발생기(18)와 연결되는 것을 특징으로 하는 다상 DC-DC 컨버터.
  10. 제9항에 있어서, 추가 제어기(16)의 제2 입력부는 추가의 아날로그-디지털 컨버터(17)를 통해 전류 센서(8) 또는 전압 센서와 연결되고, 상기 전류 센서 또는 전압 센서는 컨버터 셀들(4, 5, 6, 7)의 출력부와 다상 DC-DC 컨버터의 출력 단자(10) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 다상 DC-DC 컨버터.
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