KR20180023163A - 트랜스 인덕터 및 이를 이용한 전력 변환 장치 - Google Patents

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양시훈
양진영
여인용
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이우영
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Abstract

본 발명은 플러그인 하이브리드 차량 및 전기 자동차와 같은 환경차량의 시스템 효율 개선을 위한 분말 자성체 타입의 코어를 적용한 트랜스 인덕터에 관한 것으로서, 전력 변환 장치에 적용되는 기존 트랜스 인덕터의 코어 소재 대신, 전류 포화에 강한 성질(즉, 순간적으로 높은 전류 발생시에도 전류 포화가 쉽게 발생하지 않는 성질)을 갖는 소재를 적용하여 높은 전류 발생시 코어 포화로 인한 인덕턴스 감소율을 개선하여 스위치 소자에 흐르는 급격한 전류 상승을 저감함으로써, 인버터 파워모듈(IGBT)에 걸리는 피크(peak) 전류는 낮추고 인버터 효율을 향상시키며 출력 RMS 전류(출력 실효 전류)를 감소시켜 콘덴서(Capacitor) 사용량을 줄일 수 있는 트랜스 인덕터 및 이를 이용한 전력 변환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

트랜스 인덕터 및 이를 이용한 전력 변환 장치 {Trans Inductor and power converter device using the same}
본 발명은 트랜스 인덕터 및 이를 이용한 전력 변환 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플러그인 하이브리드 차량 및 전기 자동차와 같은 환경차량의 시스템 효율 개선을 위한 트랜스 인덕터 및 이를 이용한 전력 변환 장치에 관한 것이다.
세계적인 환경오염 문제의 대두에 따라 친환경차에 대한 관심이 높아진 상황에서 연비 향상과 직결되는 인버터의 효율 향상은 가장 중요한 이슈이며, 이에 따라 배터리 전압을 승압시켜 인버터 입력전압을 향상시킴으로써 인버터의 효율을 개선시키는 HDC(High-voltage DC-DC converter)가 적용된다.
일반적으로 플러그인 하이브리드 차량 및 전기 차량과 같이 전기모터를 동력원으로 사용하는 친환경차량은 전기모터의 전원으로서 배터리를 탑재하고 있으며, 배터리의 출력을 변환하여 전기모터를 구동하기 위한 인버터가 배터리와 전기모터 사이에 장착되고, 상기 배터리와 인버터 사이에는 배터리의 전압을 승압시켜 인버터 입력전압을 향상시키는 HDC(High-voltage DC-DC converter)가 장착된다.
즉, 친환경차량에는 차량 연비에 가장 중요한 요소인 인버터 효율 향상을 위해, 인버터 입력 전압을 높여 입력 전류를 줄이기 위한 HDC(High-voltage DC-DC converter)라는 배터리 승압 컨버터를 적용하게 된다.
HDC와 같은 승압 컨버터는 양방향 벅 부스트 컨버터가 사용되는데, 이때 HDC 성능에 영향을 주는 대표적인 부품이 리플 전류를 결정하게 되는 인덕터이다.
기존 벅 부스트 컨버터에 사용되는 인덕터는 일반 인덕터와 인터리브 인덕터 및 트랜스 인덕터가 있다.
일반 인덕터는 평활 콘덴서 즉, 인버터 입력 콘덴서에 흐르는 리플 전류가 증가하여 콘덴서 용량을 증가시켜 크기나 가격을 높인다.
인터리브 인덕터의 경우 콘덴서에 흐르는 리플 전류는 절반 수준으로 줄일 수 있으나 HDC 컨버터 모듈에 흐르는 리플 전류를 증가시켜 손실이 증가하게 된다.
통상적인 트랜스 인덕터(Trans Inductor)의 경우 코어의 재질을 페라이트를 적용하여 사용하는데, 자동차 시스템과 같이 순간적으로 높은 전류가 발생하는 시스템에서는 페라이트 재질의 코어를 사용할 경우 높은 전류 피크 발생으로 코어가 포화되어 자성체의 특성을 잃어 버릴 수 있다.
이와 같이 기존 인덕터는 순간적으로 높은 전류가 발생하는 전력 변환 장치 등에 적용시, 스위칭소자(IGBT)에 높은 피크(Peak) 전류가 발생되게 하며 큰 리플 전류로 인해 대용량의 콘덴서를 필요로 하게 되거나, 또는 코어가 포화되어 자성체의 특성을 잃는 문제가 발생한다.
첨부한 도 1은 일반 인덕터를 적용한 전력 변환 장치의 구성을 나타낸 것이고, 도 2는 인터리브 인덕터를 적용한 전력 변환 장치의 구성을 나타낸 것이고, 도 3은 페라이트 코어 타입의 트랜스 인덕터를 적용한 전력 변환 장치의 구성을 나타낸 것이다.
도 1 내지 3을 보면, 친환경차량용 전기모터의 전원으로서 사용되는 배터리의 전력 변환을 위한 구조로서, 인덕터(2,12,22)와 HDC 컨버터 모듈(3,13,23)로 구성되는 HDC와 더불어 배터리(1,11,21)와 평활 콘덴서(4,14,24) 및 인버터 파워모듈(5,15,25)의 연결상태가 도시되어 있다.
일반 인덕터(2)를 적용한 도 1의 전력 변환 장치의 경우, 인덕터를 제외한 다른 회로 구성은 도 2 및 도 3의 전력 변환 장치와 동일하며, 평활 콘덴서(4)에 흐르는 리플 전류가 인터리브 인덕터(12) 및 페라이트 코어 타입의 트랜스 인덕터(22) 대비 2배 정도 증가하므로 동일한 성능을 위해서는 콘덴서 용량을 2배로 증가시켜야 한다.
즉, 전력 변환 장치의 HDC 인덕터에 일반 인덕터 사용시, 높은 전류가 흐를 때 높은 피크 전류가 발생하여 콘덴서 용량의 증가를 필요로 하게 되고, 높은 피크 전류는 높은 노이즈로 이어져 차량 전자파 및 소자 수명 등에 악영향을 미친다.
인터리브 인덕터(12)를 적용한 도 2의 전력 변환 장치의 경우, 인버터 입력측 평활 콘덴서(14)의 용량은 낮출 수 있으나, 높은 피크 전류가 HDC 컨버터 모듈(13)에 흐르게 되어 스위칭 손실 및 노이즈를 증가시켜 차량 전자파 및 소자 수명 등에 악영향을 미친다.
트랜스 인덕터(22)를 적용한 도 3의 전력 변환 장치의 경우, 순간적으로 높은 전류 발생시 인덕터 코어가 포화되면서 인덕턴스가 급격하게 감소하여 스위치 소자에 급격한 전류 상승이 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 전력 변환 장치에 적용되는 기존 트랜스 인덕터의 코어 소재 대신, 전류 포화에 강한 성질(즉, 순간적으로 높은 전류 발생시에도 전류 포화가 쉽게 발생하지 않는 성질)을 갖는 소재를 적용하여 높은 전류 발생시 코어 포화로 인한 인덕턴스 감소율을 개선하여 스위치 소자에 흐르는 급격한 전류 상승을 저감함으로써, 인버터 파워모듈(IGBT)에 걸리는 피크(peak) 전류는 낮추고 인버터 효율을 향상시키며 출력 RMS 전류(출력 실효 전류)를 감소시켜 콘덴서(Capacitor) 사용량을 줄일 수 있는 트랜스 인덕터 및 이를 이용한 전력 변환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 트랜스 인덕터에 있어서, 분말 상태의 하이플럭스 소재를 압착하여 형성된 코어를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 트랜스 인덕터를 제공한다.
본 발명의 구현예에 의하면, 상기 코어는 그 양측에 서로 마주하여 배치된 제1코일부와 제2코일부가 각각 권선된다.
또한 본 발명에서는, 전력 변환 장치로서, 전력 공급을 위한 배터리; 상기 배터리의 전압을 승압시켜 출력하는 HDC 컨버터 모듈; 상기 배터리와 HDC 컨버터 모듈 사이에 장착되고, HDC 컨버터 모듈에 흐르는 피크 전류를 감소하는 트랜스 인덕터;를 포함하며, 상기 트랜스 인덕터는 하이플럭스 소재로 이루어진 코어를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치를 제공한다.
구체적으로, 상기 HDC 컨버터 모듈의 출력단에는 HDC 컨버터 모듈의 출력전압을 DC 전압으로 변환하는 평활 콘덴서가 연결 구성된다.
본 발명에 따른 트랜스 인덕터를 사용함에 의해, 인버터 입력측 평활 콘덴서에 흐르는 RMS 전류를 감소시켜 콘덴서 부품의 사이즈 및 용량 감소를 도모할 수 있고, HDC 컨버터 모듈에 적용되는 리플 전류를 줄임으로써 소자 수명을 증대할 수 있으며, 인덕터 포화를 방지하여 노이즈를 감소할 수 있다.
도 1은 종래의 일반 인덕터를 적용한 전력 변환 장치의 구성을 나타낸 도면
도 2는 종래의 인터리브 인덕터를 적용한 전력 변환 장치의 구성을 나타낸 도면
도 3은 종래의 페라이트 코어 타입의 트랜스 인덕터를 적용한 전력 변환 장치의 구성을 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 구현예에 따른 트랜스 인덕터를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 구현예에 따른 트랜스 인덕터의 코어와 코일부를 나타낸 도면
도 6은 본 발명에 따른 트랜스 인덕터를 적용한 전력 변환 장치를 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 구현예에 따른 전력 변환 장치의 입력전류에 따라 각 부품에 인가되는 전류 및 전압 그리고 스위치 소자의 동작을 나타낸 도면
도 8은 본 발명에 따른 트랜스 인덕터를 적용한 전력 변환 회로에서 발생하는 콘덴서의 RMS 전류 및 HDC 컨버터 모듈의 리플 전류 개선 효과를 보여주는 실험 결과표
도 9는 본 발명에 따른 트랜스 인덕터를 적용한 전력 변환 회로의 출력 전력에 따른 인덕터 효율을 보여주는 실험 결과 그래프
도 10은 본 발명에 따른 트랜스 인덕터의 인덕턴스 개선 효과를 보여주는 실험 결과 그래프
도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 하이플럭스 코어의 투자율 유지 능력을 보여주는 그래프
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
도 4 및 도 5를 보면, 본 발명의 구현예에 따른 트랜스 인덕터(120)는 변압기 타입의 2상 인덕터로서, 하우징(128) 내에 설치되는 코어(122)와 상기 코어(122)에 권선된 코일부(124,126)를 포함하여 구성된다.
상기 코어(122)는 전류 포화에 강한 특성을 갖는 분말 자성체를 사용하여 형성한 것으로서, 분말 타입/상태의 소재를 압착하여 사각의 링 모양으로 제작되며, 예를 들어 일측에 개구부를 갖는 사각의 링 모양으로 형성될 수 있고, 이때 구형의 단면을 가진다.
상기 코일부(124,126)는 제1코일부(124)와 제2코일부(126)로 구성되고, 제1코일부(124)와 제2코일부(126)는 코어(122)의 양측에 각각 권선되어 서로 마주하도록 배치된다. 이때 제1코일부(124)와 제2코일부(126)는 코어(122)의 개구부를 제외한 부위에 권선된다.
상기 코어(122)는 분말 자성체 중에서 특히 전류 포화에 강한 특성을 갖는 소재의 분말 자성체를 이용하여 압착 성형되며, 구체적으로 하이플럭스 소재 등으로 성형된다.
상기와 같은 분말 자성체 소재의 코어를 적용한 트랜스 인덕터(120)는, 기존의 페라이트 코어를 적용한 트랜스 인덕터 대비, 하이플럭스 등의 소재를 이용하여 코어(122)를 형성함으로써 전류 포화에 대한 성능이 증대되어 순간적으로 높은 전류가 발생하여 흐르는 경우에도 인덕턴스가 급감하는 것을 방지할 수 있다
또한, 본 발명의 트랜스 인덕터(120)는 하이플럭스 소재를 이용함으로써 기존 대비 코어 형태를 단순화할 수 있고, 코어 사이즈 및 중량을 축소할 수 있는 이점이 있다.
한편, 도 6에는 본 발명에 따른 분말 자성체 코어 타입의 트랜스 인덕터를 이용한 전력 변환 장치가 도시되어 있다.
도 6에 보듯이, 상기 전력 변환 장치는 친환경차량용 전기모터의 전원으로서 사용되는 배터리의 전력 변환을 위한 구조로서 트랜스 인덕터(120)와 HDC 컨버터 모듈(130)로 구성되는 HDC와 더불어 전력 공급을 위한 배터리(110)와 평활 콘덴서(140) 및 인버터 파워모듈(150)(혹은 인버터라고 함)의 연결상태가 도시되어 있으며, 트랜스 인덕터(120)와 HDC 컨버터 모듈(130) 및 평활 콘덴서(140)를 통해 인버터 파워모듈(150)의 입력 전압(Vc)을 상승시킨다.
상기 배터리(110)는 하이브리드 차량 및 전기자동차 등에 모터 전원(전력공급원)으로서 장착되는 리튬 고전압 배터리가 사용될 수 있고, 예를 들어 100V ~ 400V 의 입력 전압 범위를 가진다.
상기 트랜스 인덕터(120)는 변압기 구조를 가진 인터리브 방식의 인덕터로서, 배터리(110)와 HDC 컨버터 모듈(130) 사이에 장착되어, 누설인덕턴스와 자화인덕턴스가 동시에 작용하여 일반 단상 인덕터보다 평활 콘덴서(140)에 흐르는 리플 전류를 줄여 콘덴서 용량을 줄이도록 할 수 있으며, 기존의 인터리브 인덕터보다 HDC 컨버터 모듈(130)의 스위치 소자에 걸리는(흐르는) 피크 전류를 감소시켜 효율을 향상시킨다.
즉, 상기 트랜스 인덕터(120)는 순간적으로 높은 전류가 발생하여 흐르는 경우에도 분말 자성체 코어(즉, 하이플럭스 코어)가 포화되지 않고 자성체 특성을 유지하여 인덕턴스가 급속하게 감소하는 것을 방지함으로써 트랜스 인덕터(120)의 출력측에 연결된 HDC 컨버터 모듈(130) 및 평활 콘덴서(140) 등에 흐르는 전류가 급격하게 증가하는 것을 저감한다.
또한, 상기 트랜스 인덕터(120)는, 제1코일부(124)가 배터리(110)측에 연결되는 한쪽 단자(124a)에 도트(dot)가 형성되고, 제2코일부(126)는 HDC 컨버터 모듈(130)측에 연결되는 한쪽 단자(126b)에 도트가 형성됨으로써 평활 콘덴서(140)에 흐르는 리플 전류를 줄이는데 유리해진다.
이렇게 전류 포화에 강한 분말 자성체 소재의 코어(122)를 사용하여 트랜스 인덕터(120)를 만들 경우, 높은 전류가 순간적으로 발생시에도 인덕터 코어가 포화되지 않아 회로 내 스위치 소자의 보호, 인버터 효율, 발열 개선에 도움이 되며, 결과적으로 트랜스 인덕터(120)를 채용한 전력 변환 장치를 보호할 수 있다.
그리고, 상기 HDC 컨버터 모듈(130)은 각 스위치 소자(Q1,Q2,Q3,Q4)의 동작을 통해 배터리(110)의 전압을 승압시켜 출력하여 인버터 입력 전압을 높여 인버터(150)에 흐르는 평균 전류를 낮춰 인버터 효율을 향상시킨다.
상기 평활 콘덴서(140)는 HDC 컨버터 모듈(130)의 출력단에 병렬로 연결되어, 불연속 전류 및 전압을 연속으로 평활하여 HDC 컨버터 모듈(130)의 출력 전압 즉, 인버터 입력 전압을 DC 전압으로 변환시킨다.
상기 인버터 파워모듈(150)은 스위치 소자의 동작을 통해 인버터 출력단에 연결되는 차량 모터(미도시)를 구동 가능하게 한다.
이러한 구성의 전력 변환 장치는 도 7과 같은 전류 및 전압을 형성하게 된다.
첨부한 도 7에는, 상기 전력 변환 장치의 배터리(110)에서 입력전류(Iin)가 출력될 때, 트랜스 인덕터(120)를 통과하여 HDC 컨버터 모듈(130)에 입력되는 전류(Iin1,Iin2) 및 평활 콘덴서(140)에 인가되는 전류(Ic) 그리고 상기 HDC 컨버터 모듈(130)의 스위치 소자(Q1,Q2,Q3,Q4)의 온/오프 동작 및 평활 콘덴서(140)의 출력전압(Vc) 즉, 인버터 입력전압(Vc)이 도시되어 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기의 실시예는 본 발명을 예증하기 위한 것일 뿐, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예1
하이플럭스 분말을 압착하여 사각 링 형상으로 제작된 하이플럭스 코어의 양측에 와이어를 각각 권선하여 2개의 코일부를 형성한 변압기 타입의 2상 인덕터를 준비한 다음, 상기 인덕터를 200V의 리튬 배터리와 HDC 컨버터 모듈 사이에 연결하고 HDC 컨버터 모듈의 출력단에 콘덴서를 연결하여, 도 6에서 인버터 파워모듈이 생략된 구성의 회로를 설계하였다.
비교예1
단상 인덕터를 준비한 다음, 상기 단상 인덕터를 200V의 리튬 배터리와 HDC 컨버터 모듈 사이에 연결하고 HDC 컨버터 모듈의 출력단에 콘덴서를 연결하여, 도 1에서 인버터 파워모듈이 생략된 구성의 회로를 설계하였다. 상기 콘덴서는 실시예1에서 사용한 콘덴서와 동일 용량의 것을 사용하였고, 상기 단상 인덕터는 실시예1의 인덕터와 동일 사이즈의 것을 사용하였다.
비교예2
2개의 단상 인덕터를 연결한 형태의 인터리브 인덕터를 준비한 다음, 상기 인터리브 인덕터를 200V의 리튬 배터리와 HDC 컨버터 모듈 사이에 연결하고 HDC 컨버터 모듈의 출력단에 콘덴서를 연결하여, 도 2에서 인버터 파워모듈이 생략된 구성의 회로를 설계하였다. 상기 콘덴서는 실시예1에서 사용한 콘덴서와 동일 용량의 것을 사용하였고, 상기 인터리브 인덕터는 실시예1의 인덕터와 동일 사이즈의 것을 사용하였다.
비교예3
페라이트 코어의 양측에 와이어를 각각 권선하여 2개의 코일부를 형성한 변압기 타입의 2상 인덕터를 준비한 다음, 상기 인덕터를 200V의 리튬 배터리와 HDC 컨버터 모듈 사이에 연결하고 HDC 컨버터 모듈의 출력단에 콘덴서를 연결하여, 도 3에서 인버터 파워모듈이 생략된 구성의 회로를 설계하였다. 상기 콘덴서는 실시예1에서 사용한 콘덴서와 동일 용량의 것을 사용하였고, 상기 인덕터는 실시예1의 인덕터와 동일 사이즈의 것을 사용하였다.
실험예1
상기 실시예1과 비교예1 및 비교예2의 회로에서 각각 콘덴서의 RMS 전류와 HDC 컨버터 모듈의 리플 전류를 측정하여 그 측정 결과를 도 8에 나타내었고, 각 회로의 출력 전력에 따른 인덕터 효율을 도 9에 나타내었다.
실험예2
회로 내 스위치 소자의 온/오프 동작을 동일한 조건으로 제어하고, 그때 실시예1의 트랜스 인덕터와 비교예3의 트랜스 인덕터에 인가되는 전압과 전류를 측정하여서 상기 각 인덕터의 인덕턴스를 산출하였고, 그 산출 결과를 도 10에 나타내었다.
도 8에 보듯이, 비교예1과 비교예2의 회로에서 측정한 콘덴서의 RMS 전류 대비 실시예1의 회로에서 측정한 콘덴서의 RMS 전류가 작은 값을 가짐을 확인할 수 있었고, 이에 따라 실시예1의 회로에서 콘덴서 사이즈 및 용량을 축소 가능함을 알 수 있다. 그리고, 비교예 1 및 2의 회로에서 측정한 HDC 컨버터 모듈의 리플 전류 대비 실시예1의 회로에서 측정한 HDC 컨버터 모듈의 리플 전류가 작은 값을 가짐을 확인할 수 있었고, 이에 따라 실시예1의 회로에서 스위치 소자의 효율 증대 및 발열 감소가 가능함을 알 수 있다.
도 9에 보듯이, 실시예1의 출력 전력에 대한 인덕터 효율이 비교예 1 및 2의 인덕터 효율 대비 높게 나타나며, 특히 차량 연비 모드시 주요 사용 영역에 해당하는 점선으로 표시된 저출력 구간에서는 효율 차이가 크게 발생함을 확인할 수 있었다.
그리고, 도 10에 보듯이, 비교예3의 트랜스 인덕터는 입력전류가 상승함에 따라 인덕턴스가 급격하게 감소하는 반면, 실시예1의 트랜스 인덕터는 입력전류가 상승함에 따라 인덕턴스가 완만하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 하이플럭스 코어의 투자율 유지 능력을 보여주는 실험 결과 그래프이다.
도 11에 보듯 하이플럭스 코어의 DC 전류(정확하게는, DC 자계 세기)에 따른 투자율이 다른 소재의 코어 대비 상대적으로 더 우수함을 알 수 있었고, 또한 도 12에 보듯 하이플럭스 코어의 온도 변화에 따른 투자율 역시 다른 소재의 코어 대비 상대적으로 더 우수함을 알 수 있었다.
이상으로 본 발명에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
110 : 배터리
120 : 트랜스 인덕터
122 : 코어
124 : 제1코일부
126 : 제2코일부
128 : 하우징
130 : HDC 컨버터 모듈
140 : 평활 콘덴서
150 : 인버터(인버터 파워모듈)

Claims (4)

  1. 트랜스 인덕터에 있어서,
    분말 상태의 하이플럭스 소재를 압착하여 형성된 코어를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 트랜스 인덕터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어는 그 양측에 서로 마주하여 배치된 제1코일부와 제2코일부가 각각 권선된 것을 특징으로 하는 트랜스 인덕터.
  3. 전력 변환 장치로서,
    전력 공급을 위한 배터리;
    상기 배터리의 전압을 승압시켜 출력하는 HDC 컨버터 모듈;
    상기 배터리와 HDC 컨버터 모듈 사이에 장착되고, HDC 컨버터 모듈에 흐르는 피크 전류를 감소하는 트랜스 인덕터;
    를 포함하며, 상기 트랜스 인덕터는 하이플럭스 소재로 이루어진 코어를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 HDC 컨버터 모듈의 출력단에는 HDC 컨버터 모듈의 출력전압을 DC 전압으로 변환하는 평활 콘덴서가 연결된 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
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