KR20130047963A - 동기형 양방향 ｄｃ-ｄｃ컨버터 - Google Patents

동기형 양방향 ｄｃ-ｄｃ컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동기형 양방향 DC-DC컨버터에 관한 것으로, 상기 발명은 부스트 모드 동작시 입력된 고전압 교류전력을 정류하여 고전압배터리를 충전하는 1차측 모스펫부; 상기 부스트 모드 동작시 입력된 저전압 교류전력을 승압하고, 이 승압된 상기 고전압 교류전력을 상기 1차측 모스펫부로 출력하는 변압부; 입력된 저전압 직류전력을 외부의 PWM제어신호에 의해 변환하고, 이 변환된 상기 저전압 교류전력을 상기 변압기로 출력하는 2차측 모스펫부; 외부의 제어에 의해 상기 저전압배터리로부터 상기 2차측 모스펫부로 입력되는 상기 저전압 직류전력의 전류를 제한하는 돌입전류제한회로부; 및 상기 부스트 모드 초기 동작시 상기 1차측 모스펫부의 충전전압을 모니터링하고, 상기 모니터링된 충전전압의 값이 정상범위에 도달한 경우 상기 저전압 직류전력의 전류가 제한되지 않고 상기 2차측 모스펫부로 정상적으로 입력되도록 상기 돌입전류제한회로부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해 본 발명은 부스트 모드로 동작하는 경우, 초기 동작시 유입되는 돌입전류를 제한함으로써 고전압이 인가되는 1차측 모스펫부의 손상을 방지할 수 있다

Description

동기형 양방향 ＤＣ-ＤＣ컨버터{Synchronous bi-directional DC-DC converter}
본 발명은 동기형 양방향 DC-DC컨버터에 관한 것으로, 구체적으로는 부스트 모드 초기 동작시의 돌입전류에 의해 고전압배터리에 직류전력을 공급하는 모스펫이 손상되는 것을 방지할 수 있는 동기형 양방향 DC-DC컨버터에 관한 것이다.
종래 동기형 양방향 DC-DC컨버터는, 도 1에 도시된 바와 같이 고전압배터리에 연결되고 MOS1, MOS2, MOS3 및 MOS4를 포함한 1차측 모스펫과, 저전압배터리에 연결되고 MOS5 및 MOS6을 포함한 2차측 모스펫으로 이루어지고, 고전압배터리가 저전압배터리를 충전하는 벅(buck) 모드와 저전압배터리가 고전압배터리를 충전하는 부스트(boost) 모드를 구비한다.
이와 같은 종래 동기형 양방향 DC-DC컨버터는 기존의 단방향 DC-DC컨버터에 부스트(boost) 모드를 추가하여 고전압배터리의 순간 방전으로 인한 사고를 방지하기 위해 저전압배터리를 이용하여 차량을 비상 구동하기 위해 이용될 수 있다.
구체적으로 벅 모드에서, 종래 동기형 양방향 DC-DC컨버터는 1차측 모스펫의 MOS1 및 MOS4가 제1 PWM제어신호(A,D)에 의해 온(ON)될 때, 제2 PWM제어신호(M1)에 의해 2차측 MOS5는 온(ON), MOS6은 오프(OFF)된다. 제1 PWM제어신호(B,C)에 의해 1차측 MOS2 및 MOS3이 온(ON)될 때, 제2 PWM제어신호(M2)에 의해 2차측 MOS5는 오프(OFF), MOS6은 온(ON) 되어 동기화 동작을 수행함으로써 고전압배터리로부터 입력된 직류 고전압 전원을 직류 저전압 전원으로 변환하여 저전압배터리를 충전한다. 부하(Rout)에 제공한다.
한편 부스트 모드에서, 종래 동기형 양방향 DC-DC컨버터는 2차측 모스펫의 MOS5 및 MOS6을 PWM제어신호에 의해 구동하여 저전압배터리로부터 입력된 저전압 직류전원을 저전압 교류전원으로 변환하고, 1차측 모스펫의 MOS1 내지 MOS4를 이용하여 변압기로부터 입력된 교류전압을 단순히 다이오드 정류하여 고전압배터리를 충전한다.
그러나, 종래 동기형 양방향 DC-DC컨버터는 위와 같이 부스트 모드로 동작하는 경우, 초기 동작시 돌입전류의 유입으로 인해 고전압배터리를 충전하기 위한 1차측 모스펫으로 큰 전류가 흐르게 된다. 이러한 큰 전류는 1차측 모스펫의 병렬다이오드를 통해 흐르며 이러한 정격전류 이상의 도통전류는 1차측 모스펫의 부품들을 손상시킬 수 있다.
KR 10-2009-0043462 A, 2009. 05. 06, 도면 1a
본 발명의 목적은 종래 동기형 양방향 DC-DC컨버터가 저전압배터리의 전원을 이용하여 고전압배터리를 충전하는 부스트 모드로 동작하는 경우, 초기 동작시 입력측을 통해 유입되는 돌입전류를 제한함으로써 고전압이 인가되는 1차측 모스펫의 손상을 방지할 수 있는 동기형 양방향 DC-DC컨버터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 벅(buck) 모드 또는 부스트(boost) 모드로 동작하는 동기형 양방향 DC-DC컨버터에 관한 것으로, 본 동기형 양방향 DC-DC컨버터는 고전압배터리에 연결되며, 부스트 모드 동작시 입력된 고전압 교류전력을 정류하여 상기 고전압배터리를 충전하는 1차측 모스펫부; 상기 부스트 모드 동작시 입력된 저전압 교류전력을 승압하고, 이 승압된 상기 고전압 교류전력을 상기 1차측 모스펫부로 출력하는 변압부; 입력된 저전압 직류전력을 외부의 PWM제어신호에 의해 변환하고, 이 변환된 상기 저전압 교류전력을 상기 변압기로 출력하는 2차측 모스펫부; 저전압배터리와 상기 2차측 모스펫부 사이에 배치되어, 외부의 제어에 의해 상기 저전압배터리로부터 상기 2차측 모스펫부로 입력되는 상기 저전압 직류전력의 전류를 제한하는 돌입전류제한회로부; 및 상기 부스트 모드 초기 동작시 상기 1차측 모스펫부로부터 상기 고전압배터리를 충전하는 충전전압을 모니터링하고, 상기 모니터링된 충전전압의 값이 정상범위에 도달한 경우 상기 저전압 직류전력의 전류가 제한되지 않고 상기 2차측 모스펫부로 정상적으로 입력되도록 상기 돌입전류제한회로부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 돌입전류제한회로부는 상기 저전압배터리의 일 전극과 상기 2차측 모스펫부의 소스단 사이에 연결되는 전류제한저항과, 상기 전류제한저항과 병렬로 상기 저전압배터리의 일 전극과 상기 2차측 모스펫부의 소스단 사이에 연결되는 스위칭소자를 구비하고, 상기 스위칭소자는 상기 제어부의 제어에 의해 상기 저전압 직류전력의 전류가 제한되는 경우 오프(OFF) 되고, 상기 제어부의 제어에 의해 상기 저전압 직류전력의 전류가 제한되지 않는 경우 온(ON) 될 수 있다. 여기서 상기 돌입전류제한회로부는, 상기 스위칭소자가 스위칭용 모스펫 소자인 경우 상기 스위칭용 모스펫 소자의 게이트를 구동하기 위한 스위칭구동회로 더 구비할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 벅(buck) 모드 또는 부스트(boost) 모드로 동작하는 동기형 양방향 DC-DC컨버터의 제어방법에 관한 것으로, 본 동기형 양방향 DC-DC컨버터의 제어방법은 상기 부스트 모드 동작 초기기동시, 저전압배터리로부터 2차측 모스펫부로 입력되는 저전압 직류전력의 전류가 제한되도록 상기 저전압배터리와 상기 2차측 모스펫부 사이에 배치된 돌입전류제한회로부를 제어하는 단계; 고전압배터리를 충전하는 1차측 모스펫부로부터 상기 고전압배터리를 충전하는 충전전압을 모니터링하는 단계; 및 상기 모니터링된 충전전압의 값이 정상범위에 도달한 경우 상기 저전압 직류전력의 전류가 제한되지 않고 상기 2차측 모스펫부로 정상적으로 입력되도록 상기 돌입전류제한회로부를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 돌입전류제한회로부는, 상기 스위칭소자가 스위칭용 모스펫 소자인 경우 상기 스위칭용 모스펫 소자의 게이트를 구동하기 위한 스위칭구동회로 더 구비할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 저전압배터리의 전원을 이용하여 고전압배터리를 충전하는 부스트 모드로 동작하는 경우, 돌입전류제한회로부를 이용하여 초기 동작시 입력측을 통해 유입되는 돌입전류를 제한함으로써 고전압이 인가되는 1차측 모스펫의 손상을 방지할 수 있는 동기형 양방향 DC-DC컨버터를 제공하는 것이다.
도 1은 종래 동기형 양방향 DC-DC컨버터의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 동기형 양방향 DC-DC컨버터의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 동기형 양방향 DC-DC컨버터의 부스트 모드의 동작을 설명하기 위한 제어절차도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 동기형 양방향 DC-DC컨버터의 효과를 보여주기 위한 종래 발명과의 비교 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 동기형 양방향 DC-DC컨버터에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 동기형 양방향 DC-DC컨버터에 대한 회로도이다. 본 실시예에 따른 동기형 양방향 DC-DC컨버터(1)는 벅(buck) 모드 또는 부스트(boost) 모드로 동작하고, 1차측 모스펫부(10), 변압부(20), 2차측 모스펫부(30), 돌입전류제한회로부(40), 제어부(50)로 이루어질 수 있다.
1차측 모스펫부(10)는 고전압배터리에 연결되며, 부스트 모드 동작시 변압부(20)로부터 입력된 고전압 교류전력을 정류하여 고전압배터리를 충전한다. 1차측 모스펫부(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, MOS1, MOS2, MOS3, MOS4로 이루어지며, 모든 모스펫 소자들이 오프(OFF) 되어 변압부(20)로부터 입력된 고전압 교류전력을 정류하는 다이오드 소자로서 기능한다.
본 실시예와 달리 벅 모드로 동작하는 경우, 1차측 모스펫부(10)는 2차측 모스펫부(30)의 MOS5, MOS6과 동기하여. MOS1 및 MOS4는 'A' 및 'D'의 제1 PWM제어신호에 의해 같이 동작하고, MOS2 및 MOS3은 'B' 및 'C'의 제1 PWM제어신호에 의해 같이 동작하여, 고전압배터리의 전력을 저전압배터리의 방향으로 전달할 수 있다.
변압부(20)는 부스트 모드 동작시 2차측 모스펫부(30)로부터 입력된 저전압 교류전력을 승압하고, 이 승압된 고전압 교류전력을 1차측 모스펫부(10)로 출력한다. 본 실시예와 달리 벅 모드로 동작하는 경우, 변압부(20)는 1차측 모스펫부(10)로부터 입력된 전압을 감압하여 2차측 모스펫부(30)로 출력할 수 있다.
2차측 모스펫부(30)는 저전압배터리로부터 입력된 저전압 직류전력을 외부의 PWM제어신호에 의해 변환하고, 이 변환된 저전압 교류전력을 변압부(20)로 출력한다.
돌입전류제한회로부(40)는 저전압배터리와 2차측 모스펫부(30) 사이에 배치되어, 제어부(50)의 제어에 의해 저전압배터리로부터 2차측 모스펫부(30)로 입력되는 저전압 직류전력의 전류를 제한할 수 있다.
도 2를 참조하여 돌입전류제한회로부(40)에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 2에 도시된 바와 같이 돌입전류제한회로부(40)는 전류제한저항(R5)과 스위칭소자(SW1)로 이루어질 수 있다.
전류제한저항(R5)은 저전압배터리의 일 전극과 2차측 모스펫부(30)의 소스단 사이에 연결되어, 스위칭소자(SW1)의 오프(OFF) 시 저전압배터리의 전력을 2차측 모스펫부(30)로 전달할 수 있다.
스위칭소자(SW1)는 전류제한저항(R5)과 병렬로 저전압배터리의 일 전극과 2차측 모스펫부(30)의 소스단 사이에 연결되고, 제어부(50)의 제어에 의해 저전압 직류전력의 전류가 제한되는 경우 오프(OFF) 되고, 제어부(50)의 제어에 의해 저전압 직류전력의 전류가 제한되지 않는 경우 온(ON) 된다.
이와 같이, 스위칭소자(SW1)가 오프(OFF) 되는 경우 저전압배터리의 저전압 직류전력은 전류제한저항(R5)을 통해 2차측 모스펫부(30)로 전달되고, 스위칭소자(SW1)가 온(ON) 되는 경우 저전압배터리의 저전압 직류전력은 스위칭소자(SW1)를 통해 2차측 모스펫부(30)로 전달된다.
또한, 돌입전류제한회로부(40)는 스위칭소자(SW1)가 스위칭용 모스펫 소자 또는 SCR(Silicon Controlled Rectifier) 소자로 마련된 경우 스위칭용 모스펫 소자 또는 SCR 소자의 게이트를 구동하기 위한 스위칭구동회로(42) 더 구비할 수 있다.
제어부(50)는 부스트 모드 초기 동작시 1차측 모스펫부(10)로부터 고전압배터리를 충전하는 충전전압을 모니터링하고, 이 모니터링된 충전전압의 값이 정상범위에 도달한 경우 저전압 직류전력의 전류가 제한되지 않고 2차측 모스펫부(30)로 정상적으로 입력되도록 돌입전류제한회로부(40)를 제어할 수 있다.
즉, 제어부(50)는 모니터링된 충전전압의 값이 정상범위 예를 들면, 200V 이상인 경우, 전류제한저항(R5)을 통해 흐르는 저전압 직류전력이 스위칭소자(SW1)를 통해 흐르도록 스위칭소자(SW1)를 온(ON) 시킨다.
이하 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 동기형 양방향 DC-DC컨버터(1)의 동작을 설명한다.
본 실시예에 따른 동기형 양방향 DC-DC컨버터(1)이 부스트 모드로 초기 동작되는 경우, 저전압배터리로부터 공급되는 저전압 직류전력은 전류제한저항(R5)을 통해 2차측 모스펫부(30)로 전달된다(S310). 이것은 스위칭소자(SW1)가 제어부(50)의 제어에 의해 오프(OFF) 된 상태이다.
다음, 제어부(50)는 고전압배터리를 충전하는 1차측 모스펫부(10)로부터 고전압배터리를 충전하는 충전전압을 모니터링하여, 충전전압 값이 200V 이상인 정상범위에 도달하는 지 판단한다(S320). S320단계의 판단결과 충전전압값이 정상범위에 도달되지 못한 경우 제어부(50)는 S310단계로 돌아간다.
한편, S320단계의 판단결과 충전전압 값이 정상범위에 도달된 것으로 판단된 경우, 제어부(50)는 스위칭소자(SW1)가 온(ON) 되도록 제어한다(S330). 이에 의해, 저전압배터리로부터 공급되는 저전압 직류전력은 스위칭소자(SW1)를 통해 2차측 모스펫부(30)로 전달된다.
도 4의 왼쪽에 도시된 그래프는 부스트 모드에서의 종래 동기형 양방향 DC-DC컨버터의 1차측 모스펫부의 'MOS1'의 전류를 나타낸 것으로, 초기 동작시 저전압배터리 측으로부터 돌입전류가 유입된 경우 대략 400A전류가 흐르는 것을 알 수 있다.
이에 반해, 도 4의 오른쪽에 도시된 그래프는 본 실시예에 따른 동기형 양방향 DC-DC컨버터(1)의 부스트 모드에서의 1차측 모스펫부(10)의 'MOS1'의 전류를 나타낸 것으로, 초기 동작시 저전압배터리 측으로부터 돌입전류가 유입된 경우 대략 10A전류가 흐르는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 동기형 양방향 DC-DC컨버터(1)은 부스트 모드로 동작하는 경우, 초기 동작시 유입되는 돌입전류를 제한함으로써 고전압이 인가되는 1차측 모스펫부(10)의 손상을 방지할 수 있다.
1: 동기형 양방향 DC-DC컨버터
10: 1차측 모스펫부
20: 변압부
30: 2차측 모스펫부
40: 돌입전류제한회로부
42: 스위칭구동회로
50: 제어부

Claims (5)

  1. 벅(buck) 모드 또는 부스트(boost) 모드로 동작하는 동기형 양방향 DC-DC컨버터에 있어서,
    고전압배터리에 연결되며, 부스트 모드 동작시 입력된 고전압 교류전력을 정류하여 상기 고전압배터리를 충전하는 1차측 모스펫부;
    상기 부스트 모드 동작시 입력된 저전압 교류전력을 승압하고, 이 승압된 상기 고전압 교류전력을 상기 1차측 모스펫부로 출력하는 변압부;
    입력된 저전압 직류전력을 외부의 PWM제어신호에 의해 변환하고, 이 변환된 상기 저전압 교류전력을 상기 변압기로 출력하는 2차측 모스펫부;
    저전압배터리와 상기 2차측 모스펫부 사이에 배치되어, 외부의 제어에 의해 상기 저전압배터리로부터 상기 2차측 모스펫부로 입력되는 상기 저전압 직류전력의 전류를 제한하는 돌입전류제한회로부; 및
    상기 부스트 모드 초기 동작시 상기 1차측 모스펫부로부터 상기 고전압배터리를 충전하는 충전전압을 모니터링하고, 상기 모니터링된 충전전압의 값이 정상범위에 도달한 경우 상기 저전압 직류전력의 전류가 제한되지 않고 상기 2차측 모스펫부로 정상적으로 입력되도록 상기 돌입전류제한회로부를 제어하는 제어부;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 동기형 양방향 DC-DC컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌입전류제한회로부는 상기 저전압배터리의 일 전극과 상기 2차측 모스펫부의 소스단 사이에 연결되는 전류제한저항과, 상기 전류제한저항과 병렬로 상기 저전압배터리의 일 전극과 상기 2차측 모스펫부의 소스단 사이에 연결되는 스위칭소자를 구비하고, 상기 스위칭소자는 상기 제어부의 제어에 의해 상기 저전압 직류전력의 전류가 제한되는 경우 오프(OFF) 되고, 상기 제어부의 제어에 의해 상기 저전압 직류전력의 전류가 제한되지 않는 경우 온(ON) 되는 것을 특징으로 하는 동기형 양방향 DC-DC컨버터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 돌입전류제한회로부는, 상기 스위칭소자가 스위칭용 모스펫 소자인 경우 상기 스위칭용 모스펫 소자의 게이트를 구동하기 위한 스위칭구동회로 더 구비하는 것을 특징으로 하는 동기형 양방향 DC-DC컨버터.
  4. 벅(buck) 모드 또는 부스트(boost) 모드로 동작하는 동기형 양방향 DC-DC컨버터의 제어방법에 있어서,
    상기 부스트 모드 동작 초기기동시, 저전압배터리로부터 2차측 모스펫부로 입력되는 저전압 직류전력의 전류가 제한되도록 상기 저전압배터리와 상기 2차측 모스펫부 사이에 배치된 돌입전류제한회로부를 제어하는 단계;
    고전압배터리를 충전하는 1차측 모스펫부로부터 상기 고전압배터리를 충전하는 충전전압을 모니터링하는 단계; 및
    상기 모니터링된 충전전압의 값이 정상범위에 도달한 경우 상기 저전압 직류전력의 전류가 제한되지 않고 상기 2차측 모스펫부로 정상적으로 입력되도록 상기 돌입전류제한회로부를 제어하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 동기형 양방향 DC-DC컨버터의 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 돌입전류제한회로부는, 상기 스위칭소자가 스위칭용 모스펫 소자인 경우 상기 스위칭용 모스펫 소자의 게이트를 구동하기 위한 스위칭구동회로 더 구비하는 것을 특징으로 하는 동기형 양방향 DC-DC컨버터의 제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106816915A (zh) * 2015-11-30 2017-06-09 现代自动车株式会社 用于为车辆高压电池充电的控制方法和系统
CN118100619A (zh) * 2024-04-23 2024-05-28 深圳市华浩德电子有限公司 一种高压输入的buck拓扑输出过压保护电路

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