KR20160149454A

KR20160149454A - 인터리브 방식 다상 dc-dc 컨버터

Info

Publication number: KR20160149454A
Application number: KR1020150086432A
Authority: KR
Inventors: 황수빈
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2016-12-28

Abstract

인터리브 방식의 다상 DC-DC 컨버터가 개시된다. 본 발명에 따른 인터리브 방식 다상 DC-DC 컨버터는 직류 입력전압을 다른 레벨의 직류 출력전압으로 변환하기 위하여, 각각의 입력이 병렬로 연결되고 각각의 출력도 병렬로 연결되는 n개의 서브 회로들로 구성되는 제1 전력변횐회로; 및 직류 입력전압을 다른 레벨의 직류 출력전압으로 변환하기 위하여, 각각의 입력이 병렬로 연결되고 각각의 출력도 병렬로 연결되는 n개의 서브 회로들로 구성되되, 상기 제1 전력변환회로와 병렬로 연결되는 제2 전력변환회로를 포함한다.

Description

인터리브 방식 다상 DC-DC 컨버터{MULTI-PHASE INTERLEAVED DC-DC CONVERTER}

본 발명은 전력변환 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인터리브 방식의 다상 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.

전력 모듈들은 전형적으로 전력을 하나 이상의 부하들로 공급하기 위한 하나 이상의 전원들로부터 전력을 변환 및/또는 조절하는 자체 내장된 유닛들이다. 전력 모듈들을 통상 "인버터(inverter)"라 칭하는데, 이는 전력을 AC 부하에 공급하는데 사용하기 위하여 직류(DC)를 교류(AC)로 변환시킨다. 전력 모듈들은 통상 AC를 DC로 변환시키는 "정류기(rectifier)"라 칭한다. 전력 모듈들은 통상 DC 전압을 스텝 업 또는 다운시키는 "DC/DC 변환기(DC/DC converter)"라 칭한다. 적절하게 구성되고 동작되는 전력 모듈은 이들 기능들 중 어떤 한 가지 이상의 기능을 수행할 수 있다. 용어 "변환기"는 통상 인버터, 정류기 및/또는 DC/DC 변환기들에 관계없이 모든 전력 모듈에 적용되고 포괄적인 의미로서 본원에 사용된다.

많은 애플리케이션들이 고전력, 고전류 및/또는 고전압을 전원으로부터 부하로 전달하는데 사용된다. 예를 들어, 운반 애플리케이션들은 전기 또는 하이브리드 전기 차량을 추진하기 위한 트랙션 모터와 같은 부하를 구동시키기 위하여 고전력을 사용할 수 있다. 이와 같은 애플리케이션들은 다양한 전원들, 예를 들어, 연료 전지들(fuel cells) 또는 광 전지들(photovoltaic cells)과 같은 에너지 발생 전원들, 및/또는 배터리 전지들 및/또는 슈퍼 커패시터(super capacitor)들의 어레이들과 같은 에너지 저장 전원들 중 하나 이상을 사용할 수 있다. 종종, 이와 같은 애플리케이션들은 전력을 변환 및/또는 조절하기 위하여 전력 변환기를 사용하여, 전력이 부하에 공급되는 전압을 스텝 다운시킨다.

전력 변환기들은 전형적으로, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터들(IGBTs), 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터들(MOSFETs), 및/또는 반도체 다이오드들과 같은 전력 반도체 디바이스들을 채용한다. 이들 전력 반도체 디바이스들은 고전력 동작 동안 많은 량의 열을 분산시켜, 동작 범위 제한, 비용 증가, 크기/또는 중량 증가, 나쁜 효율, 및/또는 전력 변환기의 신뢰성 감소시킬 수 있는 열 관리 문제들을 초래한다.

특히 단상(Single-Phase) 펄스 폭 변조(pulse width modulation, PWM) 컨버터가 연료전지, 능동필터와 같은 재생 에너지 변화 시스템에 널리 활용되고 있는데, 단상 대전류 도통 방식의 경우, 발열 냉각을 위한 냉각 시스템을 수냉식으로 적용해야 하는 제약이 있으며, 수냉식의 냉각 시스템을 적용할 경우, 추가적인 유로부 확보 등의 공냉식 대비 제품 원가가 상승하는 문제가 있다.

또한, 단상 대전류 도통 방식의 경우, 전력 반도체 디바이스들에 고장 발생 시, 이를 대체할 수 있는 상(Phase)이 없으며, 이에 따라 컨버터를 구동할 수 없는 문제가 있다. 또한, 단상 대전류 도통 방식의 경우, 출력 전압의 리플이 크게 발생하고, 리플을 저감시키기 위해서는 대용량 커패시터가 요구되는 문제가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 다상 전력변환 방식을 채택하여 보다 큰 전력전송 능력을 가지며, 각 상의 컨버터의 인터리브 동작으로 인하여 출력전압의 리플을 저감시킬 수 있는 인터리브 방식 다상 DC-DC 컨버터를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 인터리브 방식 다상 DC-DC 컨버터는 직류 입력전압을 다른 레벨의 직류 출력전압으로 변환하기 위하여, 각각의 입력이 병렬로 연결되고 각각의 출력도 병렬로 연결되는 n개의 서브 회로들로 구성되는 제1 전력변횐회로; 및 직류 입력전압을 다른 레벨의 직류 출력전압으로 변환하기 위하여, 각각의 입력이 병렬로 연결되고 각각의 출력도 병렬로 연결되는 n개의 서브 회로들로 구성되되, 상기 제1 전력변환회로와 병렬로 연결되는 제2 전력변환회로를 포함한다.

상기 제1 및 제2 전력변환회로 각각은 서로 다른 n개의 상(phase)을 갖는 n개의 서브 회로들로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 및 제2 전력변환회로 각각은 인터리브(Interleave) 방식으로 동작하는 n개의 서브 회로들로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 전력변환회로와 상기 제2 전력변환회로의 입/출력 단은 버스바(bus bar)로 병렬 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 및 제2 전력변환회로를 구성하는 서브 회로 각각은 직류 입력전압을 PWM 스위칭하는 m개의 전력변환소자와, 각각의 전력변환소자에 역방향으로 연결된 다이오드와, 상기 m개의 전력변환소자의 중성점에 연결된 클램핑 다이오드를 포함하는 스위칭부; 및 상기 스위칭부의 후단에 직렬 연결되고, 상기 스위칭부에서 PWM 전력변환된 고주파 전력을 정류하여 직류전압을 출력하는 평활화부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 평활화부는 상기 스위칭부 후단에 직렬 연결되는 인덕터와, 상기 인덕터에 병렬 연결되는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상 상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 다상 전력변환 방식을 채택하여 보다 큰 전력전송 능력을 가지며, 각 상의 컨버터의 인터리브 동작으로 인하여 출력전압의 리플을 저감시킬 수 있다.

또한, 다상 전력변환 방식을 채택하기 때문에 전력변환에 의해 발생하는 열을 분산시킴으로써, 공냉식 냉각 시스템을 적용할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브 방식 다상 DC-DC 컨버터의 개략적인 구성을 도시한 블록도.
도 2는 도 1의 다상 DC-DC 컨버터의 상세 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 PCB에 패터닝되어 설계된 DC-DC 컨버터를 도시한 예시도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가급적 동일한 부호를 부여하고 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브 방식 다상 DC-DC 컨버터의 개략적인 구성을 도시한 블록도이고, 도 2는 도 1의 다상 DC-DC 컨버터의 상세 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 인터리브 방식 다상 DC-DC 컨버터(1000)는 직류 입력전압을 다른 레벨의 직류 출력전압으로 변환하기 위하여, 각각의 입력이 병렬로 연결되고 각각의 출력도 병렬로 연결되는 n개의 서브 회로들(a-1, a-2, a-3,…,a-n)로 구성되는 제1 전력변환회로(100)와, 직류 입력전압을 다른 레벨의 직류 출력전압으로 변환하기 위하여, 각각의 입력이 병렬로 연결되고 각각의 출력도 병렬로 연결되는 n개의 서브 회로들(b-1, b-2, b-3,…,b-n)로 구성되되, 상기 제1 전력변환회로(100)와 병렬로 연결되는 제2 전력변환회로(200)를 포함하여 이루어진다.

상기 제1 전력변환회로(100)와 상기 제2 전력변환회로(200)의 입력단(10) 및 출력단(20)은 버스바(bus bar)로 병렬 연결되어, 입력단(10) 및 출력단(20) 각각에 대용량의 전류가 흐를 수 있게 한다. 상기 제1 전력변환회로(100)와 상기 제2 전력변환회로(200)의 입력단(10)에는 하나의 직류입력전원(Vs)이 연결되며, 상기 입력전원(Vs)의 양극(+ 극)으로부터 직류전류는 분기되어 상기 제1 전력변환회로(100)와 상기 제2 전력변환회로(200) 각각으로 흐르게 된다. 상기 제1 전력변환회로(100)와 상기 제2 전력변환회로(200) 각각은 n개의 서브 회로들이 병렬로 연결되어 있으므로, 입력전원(Vs)에서 분기되어 흘러 들어 온 전류는 각 서브 회로들로 일정 비율만큼 분기되고, 상기 제1 전력변환회로(100)와 상기 제2 전력변환회로(200)의 출력단(20)에서 합류된다.

상기 제1 전력변환회로(100)와 상기 제2 전력변환회로(200)는 서로 다른 상(phase)을 갖는 n개의 서브 회로들로 구성된다. 도 2는 상기 제1 전력변환회로(100)와 상기 제2 전력변환회로(200)가 각각 6개의 서브 회로들로 구성되는 경우를 예시적으로 도시한다.

상기 제1 전력변환회로(100)의 경우를 예를 들어 설명하면, 상기 제1 전력변환회로(100)는 제1상(PWM1)을 갖는 제1 서브회로(a-1)와, 제2상(PWM2)을 갖는 제2 서브회로(a-2)와, 제3상(PWM3)을 갖는 제3 서브회로(a-3)와, 제4상(PWM4)을 갖는 제4 서브회로(a-4)와, 제5상(PWM5)을 갖는 제5 서브회로(a-5)와, 제6상(PWM6)을 갖는 제6 서브회로(a-6)로 구성되며, 상기 제1 서브회로(a-1) 내지 상기 제6 서브회로(a-6)는 입력단과 출력단을 공유하여 병렬로 연결된다. 서로 다른 상을 갖는 제1 내지 제6 서브회로(a-1, a-2, a-3, a-4, a-5, a-6)는 인터리브 방식으로 입력전원을 PWM 구동으로 전력변환하며, 이에 따라 입력전류의 리플전류 실효 주파수를 n배 증가시키는 효과를 준다. 이와 같은 인터리브 동작에 의하여 작은 크기의 필터소자를 적용하더라도 입력 리플전류 값의 크기가 줄어드는 효과를 얻을 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 6상 인터리브 방식의 2 병렬 구조를 갖는 총 12상 컨버터로 구성되기 때문에 단상 대비 각 상 컨버터에 흐르는 전류가 1/12로 감소함으로써, 각 상 컨버터에서 발생하는 열을 효과적을 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(1000)는 PCB에 패터닝하는 방식으로 설계가 가능하며, 도 3에는 PCB에 패터닝되어 설계된 DC-DC 컨버터가 예시적으로 도시된다.

또한, 12상 컨버터로 구성되어 발열 분산하기 때문에, 별도의 유로가 필요하지 않는 자연 공냉식 냉각 시스템을 적용할 수 있게 된다.

이하에서는, 도 2를 참조하여, 상기 제1 전력변환회로(100)와 상기 제2 전력변환회로(200)를 구성하는 각각의 서브회로들의 세부 구성에 대해 살펴보도록 한다. 도 2에는 각각의 서브회로들이 동일한 구성을 가지는 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예일뿐인 것이고, 본 발명의 권리범위가 본 명세서에 예시적으로 기재된 사항에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2를 참조하면, 제1 서브회로(a-1)는 직류 입력전압을 PWM 스위칭하는 복수 개의 전력변환소자와, 각각의 전력변환소자에 역방향으로 연결된 다이오드와, 상기 전력변환소자의 중성점에 연결된 클램핑 다이오드를 포함하는 스위칭부(1)와, 상기 스위칭부(1)의 후단에 직렬 연결되고, 상기 스위칭부(1)에서 PWM 전력변환된 고주파 전력을 평활화하여 직류전압을 출력하는 평활화부(2)를 포함하여 이루어진다. 도 2에는 상기 전력변환소자는 2개, 상기 다이오드는 1개, 상기 클램핑 다이오드는 1개로 이루어지는 것으로 도시되어 있지만, 이는 하나의 예시일 뿐이며, 본 발명의 권리범위가 도 2에 도시된 바에 의해 한정되는 것은 아니다.

상기 평활화부(2)는 상기 스위칭부(1) 후단에 직렬 연결되는 인덕터와, 상기 인덕터에 병렬 연결되는 커패시터를 포함하여 이루어진다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1000 : 다상 DC-DC 컨버터
100, 200 : 제1 및 제2 전력변환회로
10, 20 : 입력단 및 출력단
a-1, a-2, a-3, a-4, a-5, a-6 : 제1 전력변환회로의 서브회로
b-1, b-2, b-3, b-4, b-5, b-6 : 제2 전력변환회로의 서브회로

Claims

직류 입력전압을 다른 레벨의 직류 출력전압으로 변환하기 위하여, 각각의 입력이 병렬로 연결되고 각각의 출력도 병렬로 연결되는 n개의 서브 회로들로 구성되는 제1 전력변횐회로; 및
직류 입력전압을 다른 레벨의 직류 출력전압으로 변환하기 위하여, 각각의 입력이 병렬로 연결되고 각각의 출력도 병렬로 연결되는 n개의 서브 회로들로 구성되되, 상기 제1 전력변환회로와 병렬로 연결되는 제2 전력변환회로
를 포함하는 인터리브 방식 다상 DC-DC 컨버터.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전력변환회로 각각은,
서로 다른 n개의 상(phase)을 갖는 n개의 서브 회로들로 구성되는 것인 인터리브 방식 다상 DC-DC 컨버터.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전력변환회로 각각은,
인터리브(Interleave) 방식으로 동작하는 n개의 서브 회로들로 구성되는 것인 인터리브 방식 다상 DC-DC 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 제1 전력변환회로와 상기 제2 전력변환회로의 입/출력 단은 버스바(bus bar)로 병렬 연결되는 것인 인터리브 방식 다상 DC-DC 컨버터.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전력변환회로를 구성하는 서브 회로 각각은,
직류 입력전압을 PWM 스위칭하는 m개의 전력변환소자와, 각각의 전력변환소자에 역방향으로 연결된 다이오드와, 상기 m개의 전력변환소자의 중성점에 연결된 클램핑 다이오드를 포함하는 스위칭부; 및
상기 스위칭부의 후단에 직렬 연결되고, 상기 스위칭부에서 PWM 전력변환된 고주파 전력을 평활화하여 직류전압을 출력하는 평활화부를 포함하는 것인 인터리브 방식 다상 DC-DC 컨버터.
제5항에 있어서, 상기 평활화부는,
상기 스위칭부 후단에 직렬 연결되는 인덕터와, 상기 인덕터에 병렬 연결되는 커패시터를 포함하는 것인 인터리브 방식 다상 DC-DC 컨버터.