KR20150127855A

KR20150127855A - 동기형 저전압 직류직류 컨버터

Info

Publication number: KR20150127855A
Application number: KR1020120080917A
Authority: KR
Inventors: 김범렬
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2015-11-18
Also published as: KR101991129B1

Abstract

본 발명은 동기형 저전압 직류직류컨버터에 관한 것으로, 상기 발명은 제1 PWM스위칭신호에 의해 스위칭되는 1차측 모스펫모듈; 제2 PWM스위칭신호에 의해 스위칭되는 2차측 모스펫모듈; 펄스트랜스에 의해 변압된 PWM신호에 의해 상기 제1 및 제2 PWM스위칭신호를 생성하기 위한 가변생성기; 및 상기 1차측 모스펫모듈의 입력단에서 측정된 출력전류의 값이 사전에 정해진 임계값 보다 작은 경우 주변압부와 펄스트랜스의 자속밀도값에 기초하여 제1 및 제2 PWM스위칭신호의 주파수를 조정하고, 조정된 가변주파수에 대응하여 상기 제1 및 제2 PWM스위칭신호를 생성하여 상기 1차측 및 상기 2차측 모스펫모듈로 제공하도록 상기 가변생성기를 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 본 발명은 부하의 높고 낮음에 따라 스위칭 주파수를 가변하여 저전압부하 영역에서의 스위칭 손실을 줄임으로써 전체적인 전력변환효율을 향상시킬 수 있다.

Description

동기형 저전압 직류직류 컨버터{SYNCHRONOUS LOW VOLTAGE DC-DC CONVERTER}

본 발명은 차량에 이용되는 저전압 직류-직류 컨버터에 관한 것으로, 구체적으로는 동기형 저전압 직류직류컨버터에 관한 것이다.

차량 등은 보통 고압의 직류전원을 저압의 직류전원으로 낮추기 위한 동기형 저전압 직류직류컨버터를 구비하고 있다. 종래 동기형 저전압 직류직류컨버터는 DA변환을 위한 1차측 MOSFET와 출력단의 정류를 위한 2차측 MOSFET를 적용한다.

그러나 종래 동기형 저전압 직류직류컨버터는 일반적으로 부하의 높고 낮음에 관계없이 사전에 정해진 고정된 주파수를 기반으로 1차측 및 2차측 MOSFET의 스위칭을 수행하기 때문에 저부하 영역에서는 불필요한 고속 스위칭에 의한 손실이 발생하는 문제가 있다.

KR 10-2012-0021140 A, 2012. 03. 08, 도면 1

본 발명의 목적은 부하의 높고 낮음에 따라 스위칭 주파수를 가변함으로써 저전압부하 영역에서의 스위칭 손실을 줄임으로써 전체적인 전력변환효율을 향상시킬 수 있는 동기형 저전압 직류직류컨버터를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 동기형 저전압 직류직류컨버터는 외부로부터 입력된 제1 PWM스위칭신호에 의해 스위칭되는 복수 개의 제1 스위칭소자들을 이용하여 외부로부터 입력된 직류 고전압을 교류 고전압으로 변환하는 1차측 모스펫모듈; 상기 1차측 모스펫모듈에 의해 변환된 교류 고전압이 주변압부에 의해 변압된 경우, 외부로부터 입력된 제2 PWM스위칭신호에 의해 스위칭되는 복수개의 제2 스위칭소자들을 이용하여 상기 주변압부에 의해 변압된 전압을 정류하여 부하에 공급하는 2차측 모스펫모듈; 외부의 제어에 대응하여 발생된 PWM신호를 변압하기 위한 펄스트랜스를 포함하고, 상기 펄스트랜스에 의해 변압된 PWM신호에 의해 상기 제1 및 제2 PWM스위칭신호를 생성하기 위한 가변생성기; 및 상기 1차측 모스펫모듈의 입력단에서 측정된 출력전류의 값이 사전에 정해진 임계값 보다 작은 경우 상기 주변압부와 상기 펄스트랜스의 자속밀도값에 기초하여 상기 제1 및 제2 PWM스위칭신호의 주파수를 조정하고, 상기 조정된 가변주파수에 대응하여 상기 제1 및 제2 PWM스위칭신호를 생성하여 상기 1차측 및 상기 2차측 모스펫모듈로 제공하도록 상기 가변생성기를 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 1차측 모스펫모듈은 제1 스위칭소자들이 4개의 MOSFET으로 이루어진 풀브리지(Full-Bridge) 회로를 포함할 수 있다. 상기 2차측 모스펫모듈에서 제2 스위칭소자들은 2개의 MOSFET소자로 이루어질 수 있다.

상기 제어기에서, 상기 조정된 가변주파수는 상기 주변압부와 상기 펄스트랜스의 자속밀도값이 포화되지 않는 영역에서 정해질 수 있다. 또한 상기 조정된 가변주파수는 상기 주변압부와 상기 펄스트랜스의 자속밀도값이 포화되지 않는 영역에서 정해진 자속포화주파수에 안전마진값을 더하여 정해질 수 있다.

상기 제어기는 상기 1차측 모스펫모듈의 입력단에서 측정된 출력전류의 값이 사전에 정해진 임계값 이상이거나 상기 동기형 저전압 직류직류컨버터에 의해 이미 가변제어절차가 수행 중인 경우에는 상기 출력전류의 값을 측정하는 초기상태를 유지할 수 있다.

상기 제어기는 상기 측정된 출력전류의 값이 사전에 정해진 임계값 보다 작고 상기 동기형 저전압 직류직류컨버터에 의해 가변제어절차가 수행 중이 아닌 경우, 상기 제1 및 제2 PWM스위칭신호의 주파수를 조정하기 전에, 상기 1차측 모스펫모듈과 상기 2차측 모스펫모듈을 정지시킬 수 있다. 또한 상기 제어기는 상기 1차측 모스펫모듈과 상기 2차측 모스펫모듈을 정지시킨 후 상기 제1 및 제2 PWM스위칭신호의 주파수를 조정하기 위한 상기 제1 및 제2 PWM스위칭신호 주기의 조정연산을 수행할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 측정된 출력전류에 대응하여 1차측 모스펫모듈과 2차측 모스펫모듈의 구동을 위한 PWM스위칭신호의 주파수를 변경함으로써 저부하 영역에서의 스위칭 손실을 줄일 수 있어, 전체적인 전력변환 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동기형 저전압 직류직류컨버터의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 동기형 저전압 직류직류컨버터의 제어절차도이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 동기형 저전압 직류직류컨버터에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동기형 저전압 직류직류컨버터의 회로도이다.

도 1을 참조하면, 동기형 저전압 직류직류컨버터(1)는 1차측 모스펫모듈(20), 2차측 모스펫모듈(30), 가변생성기(40), 제어기(50)로 이루어질 수 있다.

1차측 모스펫모듈(20)은 가변생성기(40)로부터 입력된 제1 PWM스위칭신호에 의해 스위칭되는 복수 개의 제1 스위칭소자들(22)로 이루어져, 고전압 배터리(10)로부터 입력되는 직류 고전압을 교류 고전압으로 변환할 수 있다.

제1 스위칭소자들(22)은 제1 PWM스위칭신호에 의해 스위칭되는 4개의 MOSFET소자로 구성된 풀브리지(Full-Bridge) 회로를 포함할 수 있다.

2차측 모스펫모듈(30)은 1차측 모스펫모듈(20)에 의해 변환된 교류 고전압이 주변압부(32)에 의해 변압된 경우, 가변생성기(40)로부터 입력된 제2 PWM스위칭신호에 의해 스위칭되는 복수개의 제2 스위칭소자들(34)을 이용하여 주변압부(32)에 의해 변압된 전압을 정류하여 부하에 공급한다.

제2 스위칭소자들(34)은 제2 PWM스위칭신호에 의해 스위칭되는 2개의 MOSFET소자로 구성될 수 있다. 2개의 MOSFET소자에 의해 정류된 전압은 인덕턴스소자 L1(36) 및 커패시턴스소자 Cout(38)에 의해 평활되어 부하로 제공될 수 있다.

가변생성기(40)는 제어기(50)의 제어에 대응하여 발생된 PWM신호를 변압하기 위한 펄스트랜스(도시되지 않음)를 포함하고, 펄스트랜스에 의해 변압된 PWM신호에 의해 제1 및 제2 PWM스위칭신호를 생성하여 1차측 모스펫모듈(20) 및 2차측 모스펫모듈(30)로 출력한다.

제어기(50)는 1차측 모스펫모듈(20)의 입력단에서 측정된 출력전류의 값이 사전에 정해진 임계값 보다 작은 경우 주변압부(32)와 펄스트랜스(도시되지 않음)의 자속밀도값에 기초하여 제1 및 제2 PWM스위칭신호의 주파수를 조정하고, 이 조정된 가변주파수에 대응하여 제1 및 제2 PWM스위칭신호가 생성되어 1차측 모스펫모듈(20)과 2차측 모스펫모듈(30)로 제공되도록 가변생성기(40)를 제어한다.

제어기(50)는 출력전류를 센싱하고, 출력전류의 값을 임계값과 비교함으로써 저부하 제어여부를 판단하는 전력제어부(52)와 포화자속밀도값을 계산하여 가변주파수를 선정하는 주파수제어부(54)로 구분될 수 있다.

위에서 언급한 조정된 가변주파수는 주변압부(32)와 펄스트랜스(도시되지 않음)의 자속밀도값이 포화되지 않는 영역에서 정해질 수 있다.

즉 다음 수학식 1로부터 주변압부(32)와 펄스트랜스(도시되지 않음)의 자속밀도값이 포화되지 않는 영역에서 정해진 자속포화주파수(fsw)를 계산할 수 있다. ΔB는 자속밀도 포화값이고, Vi는 입력측 전압, Dmax는 최대 듀티값, Np는 턴수, Ae는 코어의 유효단면적, fsw는 자속포화주파수를 의미한다. ΔB는 일반적으로 변압기의 코어 재질에 따라 값이 변경된다.

가변주파수는 위에서 계산된 자속포화주파수(fsw)에 안전마진값, 대략 자속포화주파수(fsw)의 15%를 더하여 정해질 수 있다.

예를 들면, 가변주파수는 1차측 모스펫모듈(20)의 입력단에서 측정된 출력전류의 값이 30A 이상인 경우 100kHz로 정해질 수 있고, 30A 미만인 경우 100kHz 미만의 영역에서 정해질 수 있다.

이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 동기형 저전압 직류직류컨버터(1)의 동작을 설명한다.

먼저, 제어기(50)는 고정주파수에 의해 동기형 저전압 직류직류컨버터(1)의 동작이 수행되는 동안 1차측 모스펫모듈(20)의 직류입력단에서 출력된 출력전류의 값을 측정하고(S205), 이 측정된 출력전류의 값이 사전에 정해진 임계값, 예를 들면 30A 이상인 경우(S210) 본 실시예에 따른 동기형 저전압 직류직류컨버터(1)의 가변제어절차가 이미 수행된 상태인지 판단한다(S215).

S215단계의 판단결과 동기형 저전압 직류직류컨버터(1)의 가변제어절차가 이미 수행 중인 경우, 제어기(50)는 S205단계로 돌아가 1차측 모스펫모듈(20)의 직류입력단에서 출력된 출력값을 측정한다.

S215단계의 판단결과 동기형 저전압 직류직류컨버터(1)의 가변제어절차가 수행 중이 아닌 경우, 제어기(50)는 이미 고정주파수에 의해 동작 중인 1차측 모스펫모듈(20)과 2차측 모스펫모듈(30)을 정지시킨다(S220).

다음, 제어기(50)는 1차측 모스펫모듈(20)과 2차측 모스펫모듈(30)을 정지시킨 후 제1 및 제2 PWM스위칭신호의 주파수를 조정하기 위한 제1 및 제2 PWM스위칭신호 주기의 조정연산을 수행한다(S225).

다음, 제어기(50)는 주변압부(32)와 펄스트랜스(도시되지 않음)의 자속밀도값이 포화되는 영역을 판단함으로써(S230), 주변압부(32)와 펄스트랜스(도시되지 않음)의 자속밀도값이 포화되지 않는 영역에서 자속포화주파수(fsw)를 계산할 수 있다.

다음, 제어기(50)는 이와 같이 계산된 자속포화주파수(fsw)에 안전마진값을 더하여 제1 및 제2 PWM스위칭신호의 조정을 위한 가변주파수를 계산할 수 있다(S235). 안전마진값은 대략 자속포화주파수(fsw)의 15%로 정해질 수 있다.

다음, 제어기(50)는 계산된 가변주파수를 이용하여 2차측 모스펫모듈(30)의 구동을 위한 PWM신호를 인가할 수 있다(S240). 즉 제어기(50)는 S235단계에서 조정된 가변주파수에 대응하여 제2 PWM스위칭신호가 생성되어 1차측 모스펫모듈(20)로 제공되도록 가변생성기(40)를 제어한다.

다음, 제어기(50)는 계산된 가변주파수를 이용하여 2차측 모스펫모듈(30)의 구동을 위한 PWM신호를 인가할 수 있다(S240). 즉 제어기(50)는 S235단계에서 조정된 가변주파수에 대응하여 제2 PWM스위칭신호를 생성하여 2차측 모스펫모듈(30)로 제공하도록 가변생성기(40)를 제어한다.

다음, 제어기(50)는 계산된 가변주파수를 이용하여 1차측 모스펫모듈(20)의 구동을 위한 PWM신호를 인가할 수 있다(S245). 즉 제어기(50)는 S235단계에서 조정된 가변주파수에 대응하여 제1 PWM스위칭신호를 생성하여 1차측 모스펫모듈(20)로 제공하도록 가변생성기(40)를 제어한다. 가변생성기(40)로부터 제공된 제1 및 제2 PWM스위칭신호에 의해 1차측 모스펫모듈(20) 및 2차측 모스펫모듈(30)의 저부하 제어가 수행될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 동기형 저전압 직류직류컨버터(1)는 측정된 출력전류에 대응하여 1차측 모스펫모듈(20)과 2차측 모스펫모듈(30)의 구동을 위한 PWM스위칭신호의 주파수를 변경함으로써 저부하 영역에서의 스위칭 손실을 줄일 수 있어, 전체적인 전력변환 효율을 향상할 수 시킬 수 있다.

1: 동기형 저전압 직류직류컨버터
10: 고전압 배터리
20: 1차측 모스펫모듈
22: 제1 스위칭소자들
30: 2차측 모스펫모듈
32: 주변압기
34: 제2 스위칭소자들
36: 리액턴스소자
38: 컨덕턴스소자
40: 가변생성기
50: 제어기
52: 전력제어부
54: 주파수제어부

Claims

외부로부터 입력된 제1 PWM스위칭신호에 의해 스위칭되는 복수 개의 제1 스위칭소자들을 이용하여 외부로부터 입력된 직류 고전압을 교류 고전압으로 변환하는 1차측 모스펫모듈;
상기 1차측 모스펫모듈에 의해 변환된 교류 고전압이 주변압부에 의해 변압된 경우, 외부로부터 입력된 제2 PWM스위칭신호에 의해 스위칭되는 복수개의 제2 스위칭소자들을 이용하여 상기 주변압부에 의해 변압된 전압을 정류하여 부하에 공급하는 2차측 모스펫모듈;
외부의 제어에 대응하여 발생된 PWM신호를 변압하기 위한 펄스트랜스를 포함하고, 상기 펄스트랜스에 의해 변압된 PWM신호에 의해 상기 제1 및 제2 PWM스위칭신호를 생성하기 위한 가변생성기; 및
상기 1차측 모스펫모듈의 입력단에서 측정된 출력전류의 값이 사전에 정해진 임계값 보다 작은 경우 상기 주변압부와 상기 펄스트랜스의 자속밀도값에 기초하여 상기 제1 및 제2 PWM스위칭신호의 주파수를 조정하고, 상기 조정된 가변주파수에 대응하여 상기 제1 및 제2 PWM스위칭신호를 생성하여 상기 1차측 및 상기 2차측 모스펫모듈로 제공하도록 상기 가변생성기를 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 동기형 저전압 직류직류컨버터.
제1항에 있어서,
상기 1차측 모스펫모듈은 제1 스위칭소자들이 4개의 MOSFET으로 이루어진 풀브리지(Full-Bridge) 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 동기형 저전압 직류직류컨버터.
제1항에 있어서,
상기 2차측 모스펫모듈에서 제2 스위칭소자들은 2개의 MOSFET소자로 이루어진 것을 특징으로 하는 동기형 저전압 직류직류컨버터.
제1항에 있어서,
상기 제어기에서, 상기 조정된 가변주파수는 상기 주변압부와 상기 펄스트랜스의 자속밀도값이 포화되지 않는 영역에서 정해지는 것을 특징으로 하는 동기형 저전압 직류직류컨버터.
제4항에 있어서,
상기 제어기에서, 상기 조정된 가변주파수는 상기 주변압부와 상기 펄스트랜스의 자속밀도값이 포화되지 않는 영역에서 정해진 자속포화주파수에 안전마진값을 더하여 정해지는 것을 특징으로 하는 동기형 저전압 직류직류컨버터.
제1항에 있어서,
상기 제어기는 상기 1차측 모스펫모듈의 입력단에서 측정된 출력전류의 값이 사전에 정해진 임계값 이상이거나 상기 동기형 저전압 직류직류컨버터에 의해 이미 가변제어절차가 수행 중인 경우에는 상기 출력전류의 값을 측정하는 초기상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 동기형 저전압 직류직류컨버터.
제6항에 있어서,
상기 제어기는 상기 측정된 출력전류의 값이 사전에 정해진 임계값 보다 작고 상기 동기형 저전압 직류직류컨버터에 의해 가변제어절차가 수행 중이 아닌 경우, 상기 제1 및 제2 PWM스위칭신호의 주파수를 조정하기 전에, 상기 1차측 모스펫모듈과 상기 2차측 모스펫모듈을 정지시키는 것을 특징으로 하는 동기형 저전압 직류직류컨버터.
제7항에 있어서,
상기 제어기는 상기 1차측 모스펫모듈과 상기 2차측 모스펫모듈을 정지시킨 후 상기 제1 및 제2 PWM스위칭신호의 주파수를 조정하기 위한 상기 제1 및 제2 PWM스위칭신호 주기의 조정연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 동기형 저전압 직류직류컨버터.