KR20160049334A

KR20160049334A - 양방향 멀티 페이즈 dc-dc 컨버터의 스위치 고장 진단을 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20160049334A
Application number: KR1020140146324A
Authority: KR
Inventors: 이상혁
Original assignee: 대성전기공업 주식회사
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2016-05-09

Abstract

별도의 고가의 전압 센서 또는 전류 센서 없이도 양방향 멀티 페이즈 DC-DC 컨버터에 원래 구비된 소자들을 이용하여 손쉽게 스위치의 고장을 진단할 수 있는 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명에 따른, 고전압 전원과 저전압 전원 사이에서 부스트 모드(boost mode)와 벅 모드(buck mode)의 양방향 전압 변환을 수행하기 위해, 상기 벅 모드를 위한 벅 스위치, 상기 부스트 모드를 위한 부스트 스위치, 상기 벅 스위치와 상기 부스트 스위치에 연결되는 인덕터 및, 상기 인덕터를 통과하는 전류를 센싱하는 전류 센서를 각각 포함하는 복수의 DC-DC 컨버터 유닛들이 병렬 접속되어 멀티 페이즈를 구성하는 DC-DC 컨버터와 연결되는 제어 장치는, 진단 대상의 벅 스위치가 존재하는 제 1 페이즈와 그 제 1 페이즈 이외 다른 하나의 제 2 페이즈를 상기 고전압 전원에 연결시키고, 상기 제 2 페이즈에 존재하는 부스트 스위치를 턴 온시키는 스위칭 제어부; 및 상기 전류 센서를 통해 단락 전류가 센싱되면 상기 진단 대상의 벅 스위치가 고장인 것으로 판단하는 고장 진단부;를 포함한다.

Description

양방향 멀티 페이즈 DC-DC 컨버터의 스위치 고장 진단을 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DIAGNOSING SWITCH TROUBLE OF BI-DIRECTIONAL MULTI-PHASES DC-DC CONVERTER}

본 발명은 DC-DC 컨버터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양방향 멀티 페이즈 DC-DC 컨버터의 스위치 고장을 진단하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 차량용 48V 시스템이 보급됨에 따라, 기존의 12V 시스템과 48V 시스템의 전기 흐름을 제어하기 위한, 양방향 DC-DC 컨버터의 필요성이 대두되었다. 상기 양방향 DC-DC는 지령 신호에 따라 스위치가 제어되어, 부스트 모드(boost mode) 또는 벅 모드(buck mode)로 동작한다. 벅 모드는 고 전압원에서 저 전압원으로 에너지를 전달하는 모드이고, 부스트 모드는 저 전압원에서 고 전압원으로 에너지를 전달하는 모드이다. 아래의 특허문헌은 양방향 DC-DC 컨버터 및 그의 제어 방법에 대해서 개시한다.

한편, 차량용 배터리 시스템이 고용량으로 개발됨에 따라, 양방향 DC-DC 컨버터는 고용량을 수용하기 위하여 멀티 페이즈(multi-phases) 구조로 개발되고 있다. 양방향 멀티 페이즈 DC-DC 컨버터는 일정한 순서를 통해 각 페이즈의 DC-DC 컨버터가 순차적으로 구동된다. DC-DC 컨버터를 멀티 페이즈 구조로 사용할 경우 낮은 리플에 따라 커패시터 크기가 감소하고 빠른 응답 특정을 나타내며, 전류 분담에 따라 고효율화를 꾀할 수 있다.

하지만 DC-DC 컨버터를 멀티 페이즈 구조로 구현하게 되면 스위치 개수가 증가하게 된다. 증가된 스위치들은 고장 발생 확률이 증가하게 되고 스위치에 따른 다양한 고장 형태가 나타날 수 있다. 따라서 일반적으로 DC-DC 컨버터를 정상 동작시키기 전에 모니터링을 통해 DC-DC 컨버터의 스위치의 정상 동작 여부를 체크해야 한다.

일반적으로 DC-DC 컨버터에서 스위치에 고장이 발생하면 해당 스위치는 단락 상태가 된다. 고장난 스위치가 단락되고 또 다른 스위치가 ON이 되면 DC-DC 컨버터는 배터리 전원과 폐루프를 형성하여 단락 전류를 발생시킨다. 그리고 전압 또한 크게 변하게 된다. 따라서 전압 센서 또는 전류 센서를 통해 이러한 단락 전류 또는 전압 변화를 감지하여 스위치 고장을 확인할 수 있다. 그러나 단락 전류에 의해 발생한 전류 및 전압은 순간적으로 크게 변하기 때문에 빠르고 정밀하게 검출이 가능한 고가의 센서가 필요한 문제점이 있다.

또한 멀티 페이즈 DC-DC 컨버터는 복수의 DC-DC 컨버터 유닛이 병렬 접속되는 구조로서 각 컨버터 모듈에 구비되는 스위치의 고장 진단을 위해서는 복잡한 알고리즘이 필요한 문제점이 있다.

한국공개특허 제10-2010-0115087호

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 별도의 고가의 전압 센서 또는 전류 센서 없이도 양방향 멀티 페이즈 DC-DC 컨버터에 원래 구비된 소자들을 이용하여 손쉽게 스위치의 고장을 진단할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른, 고전압 전원과 저전압 전원 사이에서 부스트 모드와 벅 모드의 양방향 전압 변환을 수행하기 위해, 벅 스위치, 부스트 스위치, 상기 벅 스위치와 상기 부스트 스위치에 연결되는 인덕터 및, 상기 인덕터를 통과하는 전류를 센싱하는 전류 센서를 각각 포함하는 복수의 DC-DC 컨버터 유닛들이 병렬 접속되어 멀티 페이즈를 구성하는 DC-DC 컨버터와 연결되는 제어 장치는, 진단 대상의 벅 스위치가 존재하는 제 1 페이즈와 그 제 1 페이즈 이외 다른 하나의 제 2 페이즈를 상기 고전압 전원에 연결시키고, 상기 제 2 페이즈에 존재하는 부스트 스위치를 턴 온시키는 스위칭 제어부; 및 상기 전류 센서를 통해 단락 전류가 센싱되면 상기 진단 대상의 벅 스위치가 고장인 것으로 판단하는 고장 진단부;를 포함한다.

상기 복수의 DC-DC 컨버터 유닛 각각은, 상기 저전압 전원과 연결되는 제 1 페이즈 스위치를 포함하고, 상기 복수의 DC-DC 컨버터 유닛과 상기 고전압 전원 사이에는 제 2 페이즈 스위치가 연결되며, 상기 스위칭 제어부는, 상기 제 1 페이즈 스위치와 상기 제 2 페이즈 스위치를 턴 온시켜 상기 제 1 페이즈와 상기 제 2 페이즈를 상기 고전압 전원에 연결시킬 수 있다.

상기 스위칭 제어부는, 상기 제 2 페이즈로서 상기 제 1 페이즈의 다음 순위의 페이즈를 선택하되, 상기 제 1 페이즈가 마지막 순위인 경우 최상위 페이즈 또는 이전 순위의 페이즈를 상기 제 2 페이즈로 선택할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른, 고전압 전원과 저전압 전원 사이에서 부스트 모드와 벅 모드의 양방향 전압 변환을 수행하기 위해, 벅 스위치, 부스트 스위치, 상기 벅 스위치와 상기 부스트 스위치에 연결되는 인덕터 및, 상기 인덕터를 통과하는 전류를 센싱하는 전류 센서를 각각 포함하는 복수의 DC-DC 컨버터 유닛들이 병렬 접속되어 멀티 페이즈를 구성하는 DC-DC 컨버터와 연결되는 제어 장치는, 진단 대상의 부스트 스위치가 존재하는 제 1 페이즈를 상기 저전압 전원에 연결시키는 스위칭 제어부; 및 상기 전류 센서를 통해 단락 전류가 센싱되면 상기 진단 대상의 벅 스위치가 고장인 것으로 판단하는 고장 진단부;를 포함한다.

상기 복수의 DC-DC 컨버터 유닛 각각은, 상기 저전압 전원과 연결되는 제 1 페이즈 스위치를 포함하고, 상기 복수의 DC-DC 컨버터 유닛과 상기 고전압 전원 사이에는 제 2 페이즈 스위치가 연결되며, 상기 스위칭 제어부는, 상기 제 1 페이즈 스위치를 턴 온시켜 상기 제 1 페이즈를 상기 저전압 전원에 연결시킬 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른, 고전압 전원과 저전압 전원 사이에서 부스트 모드와 벅 모드의 양방향 전압 변환을 수행하기 위해, 벅 스위치, 부스트 스위치, 상기 벅 스위치와 상기 부스트 스위치에 연결되는 인덕터 및, 상기 인덕터를 통과하는 전류를 센싱하는 전류 센서를 각각 포함하는 복수의 DC-DC 컨버터 유닛들이 병렬 접속되어 멀티 페이즈를 구성하는 DC-DC 컨버터와 연결되는 제어 장치에서 스위치의 고장을 진단하는 방법은, 진단 대상의 벅 스위치가 존재하는 제 1 페이즈와 그 제 1 페이즈 이외 다른 하나의 제 2 페이즈를 상기 고전압 전원에 연결시키는 단계; 상기 제 2 페이즈에 존재하는 부스트 스위치를 턴 온시키는 단계; 상기 전류 센서를 통해 단락 전류가 센싱되는지 확인하는 단계; 및 상기 단락 전류가 센싱되는 경우 상기 진단 대상의 벅 스위치가 고장인 것으로 판단하는 단계;를 포함한다.

상기 복수의 DC-DC 컨버터 유닛 각각은, 상기 저전압 전원과 연결되는 제 1 페이즈 스위치를 포함하고, 상기 복수의 DC-DC 컨버터 유닛과 상기 고전압 전원 사이에는 제 2 페이즈 스위치가 연결되며, 상기 고전압 전원에 연결시키는 단계는, 상기 제 1 페이즈 스위치와 상기 제 2 페이즈 스위치를 턴 온시켜 상기 제 1 페이즈와 상기 제 2 페이즈를 상기 고전압 전원에 연결시킬 수 있다.

상기 고전압 전원에 연결시키는 단계는, 상기 제 2 페이즈로서 상기 제 1 페이즈의 다음 순위의 페이즈를 선택하되, 상기 제 1 페이즈가 마지막 순위인 경우 최상위 페이즈 또는 이전 순위의 페이즈를 상기 제 2 페이즈로 선택할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른, 고전압 전원과 저전압 전원 사이에서 부스트 모드와 벅 모드의 양방향 전압 변환을 수행하기 위해, 벅 스위치, 부스트 스위치, 상기 벅 스위치와 상기 부스트 스위치에 연결되는 인덕터 및, 상기 인덕터를 통과하는 전류를 센싱하는 전류 센서를 각각 포함하는 복수의 DC-DC 컨버터 유닛들이 병렬 접속되어 멀티 페이즈를 구성하는 DC-DC 컨버터와 연결되는 제어 장치에서 스위치의 고장을 진단하는 방법은, 진단 대상의 부스트 스위치가 존재하는 제 1 페이즈를 상기 저전압 전원에 연결시키는 단계; 상기 전류 센서를 통해 단락 전류가 센싱되는지 확인하는 단계; 및 상기 단락 전류가 센싱되는 경우 상기 진단 대상의 부스트 스위치가 고장인 것으로 판단하는 단계;를 포함한다.

상기 복수의 DC-DC 컨버터 유닛 각각은, 상기 저전압 전원과 연결되는 제 1 페이즈 스위치를 포함하고, 상기 복수의 DC-DC 컨버터 유닛과 상기 고전압 전원 사이에는 제 2 페이즈 스위치가 연결되며, 상기 저전압 전원에 연결시키는 단계는, 상기 제 1 페이즈 스위치를 턴 온시켜 상기 제 1 페이즈를 상기 저전압 전원에 연결시킬 수 있다.

본 발명은 고가의 전압 센서나 고가의 전류 센서를 별도로 이용하지 않고 양방향 멀티 페이즈 DC-DC 컨버터에 원래 구비되는 소자들을 이용하여 스위치의 고장을 진단할 수 있어 경제적 이점을 제공한다.

본 발명은 양방향 멀티 페이즈 DC-DC 컨버터의 멀티 페이즈 구조를 활용하여 스위치의 고장을 진단할 수 있어 손쉽게 안정적으로 고장 스위치를 판단할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 멀티 페이즈 DC-DC 컨버터를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 제어 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 장치에서 양방향 멀티 페이즈 DC-DC 컨버터의 스위치 고장을 진단하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어 장치에서 양방향 멀티 페이즈 DC-DC 컨버터의 스위치 고장을 진단하는 방법을 설명하는 흐름도이다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 멀티 페이즈 DC-DC 컨버터를 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 양방향 멀티 페이즈 DC-DC 컨버터(100)는, 고전압 단자와 저전압 단자를 연결하며 복수의 DC-DC 컨버터 유닛들(60a, 60b, 60c, 60d)이 병렬 접속되어 멀티 페이즈(multi-phases)를 구성하는 병렬 컨버터 모듈(60), 복수의 커패시터(51, 52) 및 상기 병렬 컨버터 모듈(60)을 제어하는 제어 장치(70)를 포함한다.

저전압 전원(11)은 고전압 전원(12)보다 낮은 전압을 가지며 충방전이 가능한 전원 장치로서, 12V 배터리가 채택될 수 있다. 상기 저전압 전원(11)은 병렬 컨버터 모듈(60)과 전기적으로 연결되어 저전압 전원을 사용하는 부하 장치로 전원을 인가하거나 고전압 전원(12)을 충전시킨다.

고전압 전원(12)은 저전압 전원(11)보다 높은 전압을 가지며 충방전이 가능한 전원 장치로서, 48V 배터리가 채택될 수 있으며 울트라 커패시터가 채택될 수도 있다. 상기 고전압 전원(12)은 병렬 컨버터 모듈(60)과 전기적으로 연결되어 고전압 전원을 사용하는 부하 장치로 전원을 인가하거나 저전압 전원(11)을 충전시킨다.

커패시터(51, 52)는 고전압 전원(12), 저전압 전원(11) 각각에 연결되며, 바람직하게는 출력 평활용 커패시터가 사용된다.

병렬 컨버터 모듈(60)은 멀티 페이즈를 구성하는 복수의 DC-DC 컨버터 유닛들(60a, 60b, 60c, 60d)을 포함한다. 각 DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b, 60c, 60d)은 인덕터(61a, 61b, 61c, 61d), 전류 센서(62a, 62b, 62c, 62d), 서로 상보적으로 동작하는 한 쌍의 스위치(63a~63d, 64a~64d) 및 페이즈 스위치(65a, 65b, 65c, 65d)를 포함한다.

DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b, 60c, 60d)에 포함된 한 쌍의 스위치(63a~63d, 64a~64d)는 벅 스위치(63a~63d)와 부스트 스위치(64a~64d)로 구분되며, 벅 스위치(63a~63d)와 부스트 스위치(64a~64d)는 제어 장치(70)의 제어에 따라 턴 온(turn)되거나 턴 오프(turn off)된다.

바람직하게, 벅 스위치(63a~63d)와 부스트 스위치(64a~64d)는 제어 장치(70)에서 생성된 PWM(Pulse Width Modulation)에 근거하여 턴 온되거나 턴 오프된다. 특히, 각각의 스위치(63a~63d, 64a~64d) 중에서, 동일 페이즈 즉, 동일한 DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b, 60c, 60d)에 포함된 부스트 스위치(64a~64d)와 벅 스위치(63a~63d)는 서로 상보적으로 동작한다.

즉, 부스트 스위치(64a~64d)가 턴 온되면, 그 부스트 스위치(64a~64d)와 동일한 페이즈에 위치한 벅 스위치(63a~63d)는 턴 오프되고, 또한 벅 스위치(63a~63d)가 턴 온되면 동일 페이즈에 위치한 부스트 스위치(64a~64d)가 턴 오프된다.

한편, 저전압 전원(11)에서 고전압 전원(12)으로 전류가 이동될 때, 부스트 스위치(64a~64d)가 메인 스위치로서 작동하고, 반대로 고전압 전원(12)에서 저전압 전원(11)으로 전류가 이동될 때, 벅 스위치(63a~63d)가 메인 스위치로 작동한다. 각각의 스위치(63a~63d, 64a~64d)는 반도체 스위치로서 바람직하게는 MOSFET이며 게이트 단자가 제어 장치(70)와 연결된다.

인덕터(61a, 61b, 61c, 61d)는 전류가 흐를 때 에너지를 축적하며, 전류 센서(62a, 62b, 62c, 62d)는 상기 인덕터(61a, 61b, 61c, 61d)에서 발생하는 출력 전류를 센싱하여 제어 장치(70)로 전달한다. 상기 전류 센서(62a, 62b, 62c, 62d)는 양방향 전류를 측정할 수 있는 센서로, 전류 흐름 방향에 따라 플러스 전류 또는 마이너스 전류를 센싱할 수 있다. 예컨대, 전류 센서(62a, 62b, 62c, 62d)는 벅 모드에서 플러스 전류를 센싱하고, 반대로 부스트 모드에서 마이너스 전류를 센싱할 수 있다. 바람직하게, 전류 센서(62a, 62b, 62c, 62d)는 역방향 전류(즉, 마이너스 전류)가 센싱될 때에는 이 마이너스 전류를 나타내는 전류 센싱값을 제어 장치(70)로 전달한다. 전류 센서(31, 32, 62a~62d)로는 홀(hall) 센서가 채용될 수 있다.

페이즈 스위치(65a, 65b, 65c, 65d)는 제어 장치(70)의 제어에 의해서 턴 온(turn on) 또는 턴 오프되어 저전압 전원(11)과 병렬 컨버터 모듈(60)의 각 DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b, 60c, 60d)을 선택적으로 연결한다. 페이즈 스위치(65a, 65b, 65c, 65d)는 컨버터 유닛의 고장시 저전압 전원(11)과 컨버터 유닛 간의 연결을 차단하는 역할을 수행한다.

페이즈 스위치(66)는 제어 장치(70)의 제어에 의해서 턴 온(turn on) 또는 턴 오프되어 고전압 전원(12)과 병렬 컨버터 모듈(60)를 선택적으로 연결한다. 페이즈 스위치(66)는 컨버터의 고장시 고전압 전원(12)과 컨버터 간의 연결을 차단하는 역할을 수행한다.

도 1에서는 페이스 스위치(66)가 복수의 DC-DC 컨버터 유닛들(60a, 60b, 60c, 60d) 안에 있지 않고 고전압 전원(12) 측에 하나가 있는 것으로 도시하였으나, 페이즈 스위치(65a, 65b, 65c, 65d)와 마찬가지로 각 DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b, 60c, 60d)에 페이즈 스위치(66)가 개별적으로 구비될 수 있다. 각 DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b, 60c, 60d)에 페이즈 스위치(66)가 구비되면, 고전압 전원(12)과 각 DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b, 60c, 60d)을 선택적으로 연결할 수 있다. 본 실시예에서는 이하에서 고장난 스위치를 판단하는 방법의 설명 편의를 위해 하나의 페이즈 스위치(66)가 있는 것으로 설명한다.

한편, 각각의 DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b, 60c, 60d)은 제어 장치(70)의 제어 신호에 따라 구동된다. 바람직하게, DC-DC 컨버터 유닛들(60a, 60b, 60c, 60d)은 제어 신호에 따라 순차적으로 구동된다.

제어 장치(70)은 페이즈 스위치(65a~65d, 66), 전류 센서(62a~62d), 스위치(63a~63d, 64a~64d) 각각과 전기적으로 연결되어 동작을 제어한다. 제어 장치(70)은 각 페이즈를 형성하는 DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b, 60c, 60d)의 구동 여부를 결정한다. 제어 장치(70)는 DC-DC 컨버터의 동작 전에 스위치(63a~63d, 64a~64d)의 고장 여부를 확인하기 위한 제어 신호를 페이즈 스위치(65a~65d, 66), 전류 센서(62a~62d), 스위치(63a~63d, 64a~64d)로 전송하고 전류 센서(62a~62d)로부터 수신되는 전류 측정값을 이용하여 어느 스위치에서 고장이 발생하였는지 판단한다.

이하에서 스위치의 고장을 판단하는 원리를 설명한다. 이때 도 1에는 4 개의 페이즈, 즉 4 개의 DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b, 60c, 60d)이 도시되어 있으나, 이하에서는 두 개의 DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b)을 예로 들어 스위치의 고장을 판단하는 원리를 설명한다.

도 1에서 벅 스위치1(SW1)(63a)이 고장나 단락 상태가 되었을 때, 페이즈 스위치(66)를 턴 온한 후 부스트 스위치2(SW2)(64a)을 턴 온하면, 전류 폐루프가 형성된다. 이때 형성되는 전류 폐루프는 인덕터(61a)를 포함하지 않는다. 또는 벅 스위치1(SW1)(63a)이 고장나 단락 상태가 되었을 때, 페이즈 스위치(66)를 턴 온하고 페이즈 스위치(65a, 65b)를 턴 온한 후 부스트 스위치4(SW4)(64b)을 턴 온하면, 전류 폐루프가 된다. 이때 형성되는 전류 폐루프는 인덕터(61a, 61b)를 포함한다.

즉 부스트 스위치2(SW2)(64a)를 이용하여 벅 스위치1(SW1)(63a)의 고장을 진단할 때 페이즈 스위치(65a, 65b)를 턴 온하지 않아도 고전압 전원(12)을 기준으로 단락 전류가 발생하지만 해당 단락 전류는 인덕터(61a)를 경유하지 않다. 반면, 부스트 스위치4(SW4)(64b)를 이용하는 경우 페이즈 스위치(65a, 65b)를 모두 턴 온해야 고전압 전원(12)을 기준으로 단락 전류가 발생하지만 해당 단락 전류는 인덕터(61a, 61b)를 경유한다.

벅 스위치3(SW3)(63b)이 고장나 단락 상태가 되었을 때, 페이즈 스위치(66)를 턴 온한 후 부스트 스위치4(SW4)(64b)을 턴 온하면, 전류 폐루프가 형성된다. 이때 형성되는 전류 폐루프는 인덕터(61b)를 포함하지 않는다. 또는 벅 스위치3(SW3)(63b)이 고장나 단락 상태가 되었을 때, 페이즈 스위치(66)를 턴 온하고 페이즈 스위치(65a, 65b)를 턴 온한 후 부스트 스위치2(SW2)(64a)을 턴 온하면, 전류 폐루프가 된다. 이때 형성되는 전류 폐루프는 인덕터(61a, 61b)를 포함한다.

즉 부스트 스위치4(SW4)(64b)를 이용하여 벅 스위치3(SW3)(63b)의 고장을 진단할 때 페이즈 스위치(65a, 65b)를 턴 온하지 않아도 고전압 전원(12)을 기준으로 단락 전류가 발생하지만 해당 단락 전류는 인덕터(61b)를 경유하지 않다. 반면, 부스트 스위치2(SW2)(64a)를 이용하는 경우 페이즈 스위치(65a, 65b)를 모두 턴 온해야 고전압 전원(12)을 기준으로 단락 전류가 발생하지만 해당 단락 전류는 인덕터(61a, 61b)를 경유한다.

반면, 부스트 스위치(64a, 64b)의 고장을 진단할 때는, 다른 페이즈의 스위치를 이용할 필요 없이, 해당 부스트 스위치(64a, 64b)가 존재하는 페이즈의 페이즈 스위치(65a, 65b)를 턴 온하면 저전압 전원(11)을 기준으로 단락 전류가 발생하면서 해당 단락 전류는 인덕터(61a, 61b)를 경유하게 된다.

이와 같이 벅 스위치1(SW1)(63a)부터 부스트 스위치4(SW4)(64b)에 대한 전류 루프를 정리하면 아래 [표1]과 같다.

고장 스위치	체크 스위치	페이즈 스위치 온(ON)	전류 루프	항목
SW1	SW2	PS0	HV(+)→PS0→SW1→SW2→HV(-)	1
SW1	SW4	PS0, PS1, PS2	HV(+)→PS0→SW1→L1→CS1→PS1→PS2→CS2→L2→SW4→HV(-)	2
SW2	SW1	PS0	HV(+)→PS0→SW1→SW2→HV(-)	3
SW2	PS1	PS1	LV(+)→PS1→CS1→L1→SW2→LV(-)	4
SW3	SW4	PS0	HV(+)→PS0→SW3→SW4→HV(-)	5
SW3	SW2	PS0, PS1, PS2	HV(+)→PS0→SW3→L2→CS2→PS2→PS1→CS1→L1→SW2→HV(-)	6
SW4	SW3	PS0	HV(+)→PS0→SW3→SW4→HV(-)	7
SW4	PS2	PS2	LV(+)→PS2→CS2→L2→SW4→LV(-)	8

[표1]에서 고장 스위치는 고장난 스위치를 의미하고, 체크 스위치는 고장난 스위치를 체크하기 위해 필요한 스위치를 의미하며, 페이즈 스위치 온은 고장난 스위치를 판단하기 위해 필요한 페이즈 스위치를 의미하고, 전류 루프는 체크 스위치와 페이즈 스위치를 턴 온할 경우의 전류 루프이다. 전류 루트에서 CS는 전류 센서(62a~62d)를 의미하고 CS에 덧붙여진 숫자는 페이즈를 의미한다. 즉 CS1은 페이즈1의 전류 센서이다. L은 인덕터(61a~61d)를 의미하고 L에 덧붙여진 숫자는 페이즈를 의미한다. 즉 L1은 페이즈1의 인덕터이다.

[표1]과 같이, 양방향 2-페이즈(phase) 컨버터에서 각 스위치의 고장 체크 방식은 두 가지씩 존재한다. 2-페이지 컨버터에는 4개의 스위치가 존재하므로 총 8가지의 고장 체크를 수행할 수 있다.

만약 스위치1(SW1)(63a)의 고장 여부를 판단하기 위해서는 [표1]의 항목 1과 같이 페이즈 스위치(PS0)(66)을 턴 온하고 스위치2(SW2)(64a)를 순간적으로 턴 온시키면 큰 단락 전류가 흐른다. 하지만 이렇게 발생한 단락 전류를 검출하기 위해서는 고가의 전류 센서나 단락 전류에 의해 발생한 가변 전압을 체크할 전압 센서가 필요하다. 또한 단락 전류에 의해 고전압 전원(12)에 불필요한 데미지를 입힐 가능성도 존재한다.

하지만 [표1]의 항목 2와 같이 도 1의 토폴로지에서 페이즈 스위치(PS0)(66), 페이즈 스위치(PS1)(65a) 및 페이스 스위치(PS2)(65b)를 턴 온한 후에 스위치4(SW4)(64b)를 순간적으로 턴 온시키면 아래 [수학식1]에 따른 단락 전류가 발행한다. 하기 [수학식1]에서 i(t)는 단락 전류이고, L은 인덕터 값이며 v는 전압이다.

인덕터(61a, 61b)는 전류의 급격한 변화를 억제하는 기능을 갖고 있으며 단락 전류는 인덕터(61a, 61b)에 의해 상기 [수학식1]과 같이 증가하게 된다. 여기서 발생한 단락 전류는 컨버터에 이미 구비된 저가의 전류 센서(62a, 62b)를 이용하여 검출이 가능하고 보다 안정적으로 단락 검출이 가능하다.

즉, 스위치1 내지 스위치4(SW1~SW4)(63a, 64a, 63b, 64b)의 고장 체크를 위해 총 8가지 항목이 존재하지만 [표1]의 홀수 항목의 경우 전류 루프에 인덕터가 없기에 빠르고 큰 단락 전류가 발생하는 반면, 짝수 항목은 전류 루프에 인덕터가 존재함으로써 느리게 단락 전류가 발생하여 손쉽고 안정적으로 단락 전류를 검출하여 고장 스위치를 판단할 수 있다.

종합하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 양방향 멀티 페이즈 컨버터(100)는 각 페이즈마다 하나의 벅 스위치(63a, 63b, 63c, 63d)와 하나의 부스트 스위치(64a, 64b, 64c, 64d)가 존재한다. 벅 스위치(63a, 63b, 63c, 63d)의 고장 진단을 위해서는 진단하고자 하는 벅 스위치(63a, 63b, 63c, 63d)가 존재하는 페이즈가 아닌, 다른 페이즈에 존재하는 부스트 스위치(64a, 64b, 64c, 64d)를 체크 스위치로서 턴 온하고, 해당 부스트 스위치가 존재하는 페이즈와 진단하고자 하는 벅 스위치가 존재하는 페이즈를 고전압 전원(12)에 연결한다. 즉 페이즈 스위치(65a, 65b, 65c, 65d, 66)를 턴 온한다. 한편, 부스트 스위치(64a, 64b, 64c, 64d)의 고장 진단을 위해서는 진단하고자 하는 부스트 스위치(64a, 64b, 64c, 64d)가 존재하는 페이즈를 저전압 전원(11)에 연결하고 고전압 전원(12)에는 연결하지 않는다. 즉 페이즈 스위치(65a, 65b, 65c, 65d)를 턴 온하고 페이즈 스위치(66)는 턴 오프한다.

도 2는 도 1의 제어 장치(70)의 구성을 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 제어 장치(70)는 통신부(210), 센싱부(220), 스위칭 제어부(230), 연산부(240) 및 고장 진단부(250)를 포함한다.

통신부(210)는 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해 차량의ECU(electronic control unit) 등과 같은 상위 제어기와 통신하는 기능을 수행한다. 특히, 통신부(210)는 상위 제어기로부터 지령값을 수신한다. 상기 지령값은 상위 제어기에서 요구하는 전압값일 수 있다.

센싱부(220)는 DC-DC 컨버터(100)에서 발생하는 전압과 전류를 측정하는 기능을 수행한다. 구체적으로, 센싱부(220)는 각각의 전류 센서(62a, 62b, 62c, 62d)를 통해 각각의 DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b, 60c, 60d)에서 발생하는 전류를 측정한다. 또한, 센싱부(220)는 고전압 전원(12), 저전압 전원(11) 각각에 전압 센서과 연결되어 있는 경우 그 전압 센서를 이용하여 고전압 전원(12) 및 저전압 전원(11)의 전압을 센싱할 수 있다.

스위칭 제어부(230)는 상위 제어기의 명령에 따라 스위칭 제어 신호를 DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b, 60c, 60d)으로 발생시킨다. 구체적으로, 스위칭 제어부(230)는 상위 제어기의 지령값에 해당하는 스위칭 제어 신호(예컨대, PWM 신호)를 스위치(63a~63d, 64a~64d)로 전달함으로써, 하나 이상의 DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b, 60c, 60d)을 동작시킨다. 스위칭 제어부(230)는 DC-DC 컨버터 유닛별 구동 우선순위를 저장하고 이 구동 우선순위에 근거하여 각 DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b, 60c, 60d)를 순차적으로 구동한다. 또한 스위칭 제어부(230)는 페이즈 스위치(65a~65d, 66)에 대한 제어 신호를 페이즈 스위치(65a~65d, 66)로 전달하여 온/오프를 제어한다.

스위칭 제어부(230)는 고장 진단부(250)의 명령에 따라 스위치의 고장 진단을 위한 제어 신호를 DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b, 60c, 60d)의 스위치(63a~63d, 64a~64d) 및 페이즈 스위치(65a~65d, 66)로 전달한다.

고장 진단부(250)는 특정 스위치의 고장을 판단하기 위한 명령을 스위칭 제어부(230)로 전달할 수 있고, 또는 모든 스위치의 고장 여부를 판단하기 위한 명령을 스위칭 제어부(230)로 전달할 수 있다.

스위칭 제어부(230)는, 고장 진단부(250)로부터 벅 스위치에 대한 진단 명령이 수신되면, 해당 벅 스위치가 존재하는 페이즈 및 해당 페이즈와 다른 하나의 페이즈 두 개를 고전압 전원(12)에 연결시키고, 상기 다른 페이즈에 존재하는 상기 진단 대상의 벅 스위치와 상보적 관계인 부스트 스위치를 턴 온시킨다.

예를 들어, 스위칭 제어부(230)는, DC-DC 컨버터 유닛(60a)에 존재하는 스위치1(SW1)(63a)의 고장 여부를 판단하기 위해, DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b)을 모두 고전압 전원(12)에 연결시킨다. 즉 페이즈 스위치(65a, 65b, 66)를 턴 온시킨다. 그리고 스위칭 제어부(230)는 DC-DC 컨버터 유닛(60b)의 스위치4(SW4)(64b)를 턴 온시킨다. 스위치1(SW1)(63a)는 벅 스위치이고 스위치4(SW4)(64b)는 부스트 스위치이므로 서로 상보적인 관계이다.

스위칭 제어부(230)는, 고장 진단부(250)로부터 부스트 스위치에 대한 진단 명령이 수신되면, 해당 부스트 스위치가 존재하는 페이즈를 저전압 전원(12)에 연결시킨다. 즉 페이즈 스위치(65a, 65b, 65c, 65d)를 턴 온한다.

예를 들어, 스위칭 제어부(230)는, DC-DC 컨버터 유닛(60a)에 존재하는 스위치2(SW2)(64a)의 고장 여부를 판단하기 위해, DC-DC 컨버터 유닛(60a)을 저전압 전원(11)에 연결시킨다. 즉 페이즈 스위치(65a)를 턴 온시킨다.

고장 진단부(250)는 센싱부(220)에 의해 단락 전류가 센싱되면 판단 대상의 스위치가 고장인 것으로 판단한다. 고장 진단부(250)는 스위치의 고장 진단 결과를 통신부(210)를 통해 상위 제어기로 전송할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 장치에서 양방향 멀티 페이즈 DC-DC 컨버터의 스위치 고장을 진단하는 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 제어 장치(70)는, 고장을 진단하기 위한 벅 스위치(63a, 63b, 63c, 63d)를 선택한다(S301). 그리고 제어 장치(70)는 그 선택한 벅 스위치(63a, 63b, 63c, 63d)가 존재하는 페이즈, 즉 DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b, 60c, 60d)을 확인한다(S302).

제어 장치(70)는 상기 확인된 페이즈 및 그 확인된 페이지가 아닌 다른 하나의 페이즈를 고전압 전원(12)에 연결한다(S303). 즉 페이즈 스위치(65a, 65b, 65c, 65d, 66)를 턴 온시키는 제어 신호를 해당하는 페이즈 스위치로 전달한다.

그리고 제어 장치(70)는, 상기 다른 하나의 페이즈, 즉 DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b, 60c, 60d)에서 상기 벅 스위치와 상보적 관계인 부스트 스위치를 턴 온한다(S304). 즉 제어 장치(70)는 스위치 턴 온 제어 신호를 해당하는 부스트 스위치로 전달한다.

이와 같이 부스트 스위치를 턴 온한 후, 제어 장치(70)는 전류 센서(62a 내지 62d)에서 단락 전류가 센싱되는지 확인한다(S305). 단락 전류가 발생하는 경우, 제어 장치(70)는 진단 대상의 벅 스위치가 고장난 것으로 판단한다(S306). 반면 단락 전류가 발생하지 않는 경우, 제어 장치(70)는 진단 대상의 벅 스위치가 정상인 것으로 판단한다(S307).

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어 장치에서 양방향 멀티 페이즈 DC-DC 컨버터의 스위치 고장을 진단하는 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 제어 장치(70)는, 고장을 진단하기 위한 부스트 스위치(64a, 64b, 64c, 64d)를 선택한다(S401). 그리고 제어 장치(70)는 그 선택한 부스트 스위치(64a, 64b, 64c, 64d)가 존재하는 페이즈, 즉 DC-DC 컨버터 유닛(60a, 60b, 60c, 60d)을 저전압 전원(11)에 연결한다(S402). 즉 페이즈 스위치(65a, 65b, 65c, 65d)를 턴 온시키는 제어 신호를 해당하는 페이즈 스위치로 전달한다.

그리고 제어 장치(70)는, 전류 센서(62a 내지 62d)에서 단락 전류가 센싱되는지 확인한다(S403). 단락 전류가 발생하는 경우, 제어 장치(70)는 진단 대상의 부스트 스위치가 고장난 것으로 판단한다(S404). 반면 단락 전류가 발생하지 않는 경우, 제어 장치(70)는 진단 대상의 부스트 스위치가 정상인 것으로 판단한다(S405).

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

100 : DC-DC 컨버터 11 : 저전압 전원
12 : 고전압 전원 62a~62d : 전류 센서
65a~65d, 66 : 페이즈 스위치 51, 52 : 커패시터
60 : 병렬 컨버터 모듈 60a~60d : DC-DC 컨버터 유닛
70 : 제어 장치

Claims

고전압 전원과 저전압 전원 사이에서 부스트 모드와 벅 모드의 양방향 전압 변환을 수행하기 위해, 벅 스위치, 부스트 스위치, 상기 벅 스위치와 상기 부스트 스위치에 연결되는 인덕터 및, 상기 인덕터를 통과하는 전류를 센싱하는 전류 센서를 각각 포함하는 복수의 DC-DC 컨버터 유닛들이 병렬 접속되어 멀티 페이즈를 구성하는 DC-DC 컨버터와 연결되는 제어 장치에 있어서,
진단 대상의 벅 스위치가 존재하는 제 1 페이즈와 그 제 1 페이즈 이외 다른 하나의 제 2 페이즈를 상기 고전압 전원에 연결시키고, 상기 제 2 페이즈에 존재하는 부스트 스위치를 턴 온시키는 스위칭 제어부; 및
상기 전류 센서를 통해 단락 전류가 센싱되면 상기 진단 대상의 벅 스위치가 고장인 것으로 판단하는 고장 진단부;를 포함하는 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 DC-DC 컨버터 유닛 각각은, 상기 저전압 전원과 연결되는 제 1 페이즈 스위치를 포함하고,
상기 복수의 DC-DC 컨버터 유닛과 상기 고전압 전원 사이에는 제 2 페이즈 스위치가 연결되며,
상기 스위칭 제어부는,
상기 제 1 페이즈 스위치와 상기 제 2 페이즈 스위치를 턴 온시켜 상기 제 1 페이즈와 상기 제 2 페이즈를 상기 고전압 전원에 연결시키는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 스위칭 제어부는,
상기 제 2 페이즈로서 상기 제 1 페이즈의 다음 순위의 페이즈를 선택하되, 상기 제 1 페이즈가 마지막 순위인 경우 최상위 페이즈 또는 이전 순위의 페이즈를 상기 제 2 페이즈로 선택하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
고전압 전원과 저전압 전원 사이에서 부스트 모드와 벅 모드의 양방향 전압 변환을 수행하기 위해, 벅 스위치, 부스트 스위치, 상기 벅 스위치와 상기 부스트 스위치에 연결되는 인덕터 및, 상기 인덕터를 통과하는 전류를 센싱하는 전류 센서를 각각 포함하는 복수의 DC-DC 컨버터 유닛들이 병렬 접속되어 멀티 페이즈를 구성하는 DC-DC 컨버터와 연결되는 제어 장치에 있어서,
진단 대상의 부스트 스위치가 존재하는 제 1 페이즈를 상기 저전압 전원에 연결시키는 스위칭 제어부; 및
상기 전류 센서를 통해 단락 전류가 센싱되면 상기 진단 대상의 벅 스위치가 고장인 것으로 판단하는 고장 진단부;를 포함하는 제어 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 복수의 DC-DC 컨버터 유닛 각각은, 상기 저전압 전원과 연결되는 제 1 페이즈 스위치를 포함하고,
상기 복수의 DC-DC 컨버터 유닛과 상기 고전압 전원 사이에는 제 2 페이즈 스위치가 연결되며,
상기 스위칭 제어부는,
상기 제 1 페이즈 스위치를 턴 온시켜 상기 제 1 페이즈를 상기 저전압 전원에 연결시키는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
고전압 전원과 저전압 전원 사이에서 부스트 모드와 벅 모드의 양방향 전압 변환을 수행하기 위해, 벅 스위치, 부스트 스위치, 상기 벅 스위치와 상기 부스트 스위치에 연결되는 인덕터 및, 상기 인덕터를 통과하는 전류를 센싱하는 전류 센서를 각각 포함하는 복수의 DC-DC 컨버터 유닛들이 병렬 접속되어 멀티 페이즈를 구성하는 DC-DC 컨버터와 연결되는 제어 장치에서 스위치의 고장을 진단하는 방법에 있어서,
진단 대상의 벅 스위치가 존재하는 제 1 페이즈와 그 제 1 페이즈 이외 다른 하나의 제 2 페이즈를 상기 고전압 전원에 연결시키는 단계;
상기 제 2 페이즈에 존재하는 부스트 스위치를 턴 온시키는 단계;
상기 전류 센서를 통해 단락 전류가 센싱되는지 확인하는 단계; 및
상기 단락 전류가 센싱되는 경우 상기 진단 대상의 벅 스위치가 고장인 것으로 판단하는 단계;를 포함하는 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 복수의 DC-DC 컨버터 유닛 각각은, 상기 저전압 전원과 연결되는 제 1 페이즈 스위치를 포함하고,
상기 복수의 DC-DC 컨버터 유닛과 상기 고전압 전원 사이에는 제 2 페이즈 스위치가 연결되며,
상기 고전압 전원에 연결시키는 단계는,
상기 제 1 페이즈 스위치와 상기 제 2 페이즈 스위치를 턴 온시켜 상기 제 1 페이즈와 상기 제 2 페이즈를 상기 고전압 전원에 연결시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 고전압 전원에 연결시키는 단계는,
상기 제 2 페이즈로서 상기 제 1 페이즈의 다음 순위의 페이즈를 선택하되, 상기 제 1 페이즈가 마지막 순위인 경우 최상위 페이즈 또는 이전 순위의 페이즈를 상기 제 2 페이즈로 선택하는 것을 특징으로 하는 방법.
고전압 전원과 저전압 전원 사이에서 부스트 모드와 벅 모드의 양방향 전압 변환을 수행하기 위해, 벅 스위치, 부스트 스위치, 상기 벅 스위치와 상기 부스트 스위치에 연결되는 인덕터 및, 상기 인덕터를 통과하는 전류를 센싱하는 전류 센서를 각각 포함하는 복수의 DC-DC 컨버터 유닛들이 병렬 접속되어 멀티 페이즈를 구성하는 DC-DC 컨버터와 연결되는 제어 장치에서 스위치의 고장을 진단하는 방법에 있어서,
진단 대상의 부스트 스위치가 존재하는 제 1 페이즈를 상기 저전압 전원에 연결시키는 단계;
상기 전류 센서를 통해 단락 전류가 센싱되는지 확인하는 단계; 및
상기 단락 전류가 센싱되는 경우 상기 진단 대상의 부스트 스위치가 고장인 것으로 판단하는 단계;를 포함하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 복수의 DC-DC 컨버터 유닛 각각은, 상기 저전압 전원과 연결되는 제 1 페이즈 스위치를 포함하고,
상기 복수의 DC-DC 컨버터 유닛과 상기 고전압 전원 사이에는 제 2 페이즈 스위치가 연결되며,
상기 저전압 전원에 연결시키는 단계는,
상기 제 1 페이즈 스위치를 턴 온시켜 상기 제 1 페이즈를 상기 저전압 전원에 연결시키는 것을 특징으로 하는 방법.