KR20180057272A - 차량, 차량용 직류-직류 변환기 및 차량용 직류-직류 변환기의 제어 방법 - Google Patents

차량, 차량용 직류-직류 변환기 및 차량용 직류-직류 변환기의 제어 방법 Download PDF

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이우영
김준호
하태종
차재은
양진명
여인용
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Abstract

차량은 제1 전압의 전력을 출력하는 제1 배터리; 제2 전압의 전력을 출력하는 제2 배터리; 상기 제1 배터리의 제1 전압을 상기 제2 전압으로 변환하고, 변환된 제2 전압의 전력을 상기 제2 배터리에 공급하는 직류-직류 변환기를 포함하고, 상기 직류-직류 변환기는 상기 제1 전압을 상기 제2 전압으로 변환하는 변압기; 상기 제1 배터리로부터 상기 변압기에 입력되는 제1 전류를 제어하는 제1 스위치; 상기 변압기로부터 상기 제2 배터리로 출력되는 제2 전류의 값을 측정하는 전류 센서; 및 설정된 개폐 주파수에 따라 상기 제1 스위치를 턴온 및 턴오프하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 상기 측정된 제2 전류의 값에 따라 상기 제1 스위치의 턴온을 지연할 수 있다.

Description

차량, 차량용 직류-직류 변환기 및 차량용 직류-직류 변환기의 제어 방법 {Vehicle, DC-DC Converter for Vehicle, and Controlling Method of DC-DC Converter for Vehicle}
개시된 발명은 차량, 차량용 직류-직류 변환기 및 차량용 직류-직류 변환기의 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 배터리를 포함하는 차량, 차량용 직류-직류 변환기 및 차량용 직류-직류 변환기의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량은 화석 연료, 전기 등을 동력원으로 하여 도로 또는 선로를 주행하는 이동 수단 또는 운송 수단을 의미한다.
화석 연료를 이용하는 차량은 화석 연료의 연소로 인하여 미세 먼지, 수증기, 이산화탄소, 일산화탄소, 탄화수소, 질소, 질소산화물 및/또는 황산화물 등을 배출할 수 있다. 수증기와 이산화탄소는 지구 온난화의 원인으로 알려져 있으며, 미세 먼지, 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 및/또는 황산화물 등은 사람에게 피해를 줄 수 있는 대기 오염 물질로 알려져 있다.
이러한 이유로, 최근 화석 연료를 대체하는 친환경 에너지를 이용한 차량이 개발되고 있다. 예를 들어, 화석 연료와 전기를 모두 이용하는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 전기만을 이용하는 전기자동차(Electric Vehicle, EV) 등이 개발되고 있다.
하이브리드 자동차와 전기 자동차는 차량을 이동시키는 전동기에 전력을 공급하는 고전압 배터리와 차량의 전장 부품에 전력을 공급하는 저전압 배터리가 별도로 마련된다. 또한, 하이브리드 자동차와 전기 자동차는 고전압 배터리로부터 저전압 배터리로 전력을 공급하기 위하여 고전압 배터리의 전압을 저전압 배터리의 전압으로 변환하는 변환기를 포함하는 것이 일반적이다.
개시된 발명의 일 측면은 스위칭 손실을 최소화하는 직류-직류 변환기를 포함하는 차량, 차량용 직류-직류 변환기 및 차량용 직류-직류 변환기의 제어 방법을 제공하고자 한다.
개시된 발명의 일 측면에 따른 차량은 제1 전압의 전력을 출력하는 제1 배터리; 제2 전압의 전력을 출력하는 제2 배터리; 상기 제1 배터리의 제1 전압을 상기 제2 전압으로 변환하고, 변환된 제2 전압의 전력을 상기 제2 배터리에 공급하는 직류-직류 변환기를 포함하고, 상기 직류-직류 변환기는 상기 제1 전압을 상기 제2 전압으로 변환하는 변압기; 상기 제1 배터리로부터 상기 변압기에 입력되는 제1 전류를 제어하는 제1 스위치; 상기 변압기로부터 상기 제2 배터리로 출력되는 제2 전류의 값을 측정하는 전류 센서; 및 설정된 개폐 주파수에 따라 상기 제1 스위치를 턴온 및 턴오프하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 상기 측정된 제2 전류의 값에 따라 상기 제1 스위치의 턴온을 지연할 수 있다.
상기 제어기는 상기 측정된 제2 전류의 값의 감소에 따라 상기 제1 스위치의 턴온을 지연시키는 데드 타임을 증가시킬 수 있다.
상기 제1 배터리의 제1 전압의 값을 측정하는 전압 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 제어기는 상기 측정된 제1 전압의 값의 감소에 따라 상기 데드 타임을 감소시킬 수 있다.
상기 제어기는 상기 측정된 제1 전압의 값과 측정된 상기 제2 전류의 값으로부터 상기 데드 타임을 연산할 수 있다.
상기 제어기는 복수의 제1 전압의 값과, 복수의 제2 전류의 값과, 상기 복수의 제1 전압의 값 및 상기 복수의 제2 전류의 값에 대응하는 복수의 데드 타임을 포함하는 룩업 테이블로부터 상기 측정된 제1 전압의 값과 상기 측정된 제2 전류의 값에 대응하는 데드 타임을 불러올 수 있다.
상기 직류-직류 변환기는 상기 변압기의 1차 코일을 리셋하는 리셋 캐패시터; 및 상기 리셋 캐패시터의 리셋 전류를 제어하는 제2 스위치를 더 포함하고, 상기 제어기는 상기 제1 스위치의 턴오프 이후 상기 제2 스위치를 턴온하고, 상기 제2 스위치를 턴오프한 이후 상기 제2 스위치를 턴온할 수 있다.
상기 제어기는 상기 제2 스위치를 턴오프한 이후 데드 타임이 경과하면 상기 제1 스위치를 턴온할 수 있다.
상기 제어기는 상기 측정된 제2 전류의 값의 감소에 따라 상기 데드 타임을 증가시킬 수 있다.
상기 제1 스위치 양단의 전압은 상기 변압기의 누설 인덕턴스와 상기 제1 스위치의 기생 캐패시턴스의 공진 현상에 의하여 변화하고, 상기 제어기는 상기 공진 현상에 의하여 상기 제1 스위치 양단의 전압이 최소값일 때 상기 제1 스위치를 턴온할 수 있다.
상기 직류-직류 변환기는 상기 변압기로부터 출력되는 전압과 전류를 정류하는 정류 회로를 더 포함할 수 있다.
개시된 발명의 다른 일 측면에 따른 차량용 직류-직류 변환기는 제1 배터리가 출력하는 제1 전압을 제2 배터리가 출력하는 제2 전압으로 변환하는 차량용 직류-직류 변환기에 있어서, 상기 제1 배터리와 연결되는 1차 코일과 상기 제2 배터리와 연결되는 2차 코일을 포함하고, 상기 제1 전압을 상기 제2 전압으로 변환하는 변압기; 상기 변압기와 직렬로 연결되는 제1 스위치; 상기 1차 코일과 병렬로 연결되는 리셋 캐패시터; 상기 리셋 캐패시터와 직렬로 연결되는 제2 스위치; 상기 제1 전압의 값을 측정하는 전압 센서; 상기 2차 코일이 출력하는 제2 전류의 값을 측정하는 전류 센서; 동작 주파수에 따라 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 교대로 턴온 및 턴오프하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 상기 측정된 제1 전압의 값과 상기 측정된 제2 전류의 값에 따라 상기 제1 스위치의 턴온을 지연할 수 있다.
상기 제어기는 상기 제2 스위치를 턴오프한 이후 데드 타임이 경과하면 상기 제1 스위치를 턴온할 수 있다.
상기 제어기는 상기 측정된 제2 전류의 값의 감소에 따라 상기 데드 타임을 증가시킬 수 있다.
상기 제어기는 상기 측정된 제1 전압의 값의 감소에 따라 상기 데드 타임을 감소시킬 수 있다.
상기 제어기는 상기 측정된 제1 전압의 값과 측정된 상기 제2 전류의 값으로부터 상기 데드 타임을 연산할 수 있다.
상기 제어기는 복수의 제1 전압의 값과, 복수의 제2 전류의 값과, 상기 복수의 제1 전압의 값 및 상기 복수의 제2 전류의 값에 대응하는 복수의 데드 타임을 포함하는 룩업 테이블로부터 상기 측정된 제1 전압의 값과 상기 측정된 제2 전류의 값에 대응하는 데드 타임을 불러올 수 있다.
상기 차량용 직류-직류 변환기는 상기 변압기로부터 출력되는 전압과 전류를 정류하는 정류 회로를 더 포함할 수 있다.
개시된 발명의 다른 일 측면에 따른 차량용 직류-직류 변환기의 제어 방법은 제1 배터리의 제1 전압을 제2 배터리의 제2 전압으로 변환하는 변압기와, 상기 변압기에 입력되는 제1 전류를 제어하는 제1 스위치와, 상기 변압기의 1차 코일을 리셋하는 리셋 캐패시터와, 상기 리셋 캐패시터의 리셋 전류를 제어하는 제2 스위치를 포함하는 차량용 직류-직류 변환기의 제어 방법에 있어서, 상기 변압기의 1차 코일이 리셋되도록 상기 제2 스위치를 턴온하는 과정; 상기 제2 스위치를 턴오프하는 과정; 상기 변압기의 2차 코일이 출력하는 제2 전류의 값을 측정하는 과정; 상기 제1 배터리의 제1 전압의 값을 측정하는 과정; 상기 제1 스위치의 턴온을 지연하는 데드 타임을 상기 측정된 제2 전류의 값과 상기 측정된 제1 전압의 값에 따라 결정하는 과정; 상기 데드 타임이 경과한 이후 상기 제1 스위치를 턴온하는 과정; 상기 제1 스위치를 턴오프하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 데드 타임은 상기 측정된 제2 전류의 값의 감소에 따라 증가할 수 있다.
상기 데드 타임은 상기 측정된 제1 전압의 값의 감소에 따라 감소할 수 있다.
상기 데드 타임을 결정하는 과정은, 프로세서에 의하여, 상기 측정된 제1 전압의 값과 측정된 상기 제2 전류의 값으로부터 상기 데드 타임을 연산하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 데드 타임을 결정하는 과정은, 복수의 제1 전압의 값과, 복수의 제2 전류의 값과, 상기 복수의 제1 전압의 값 및 상기 복수의 제2 전류의 값에 대응하는 복수의 데드 타임을 포함하는 룩업 테이블을 메모리에 저장하는 과정; 및 상기 측정된 제1 전압의 값과 상기 측정된 제2 전류의 값에 대응하는 데드 타임을 상기 메모리의 룩업 테이블로부터 불러오는 과정을 포함할 수 있다.
개시된 발명의 일 측면에 따르면, 스위칭 손실을 최소화하는 직류-직류 변환기를 포함하는 차량, 차량용 직류-직류 변환기 및 차량용 직류-직류 변환기의 제어 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 의한 차량의 차체를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 의한 차량의 차대를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 의한 차량의 전장 부품을 도시한다.
도 4는 일 실시예에 의한 차량의 전력 시스템을 도시한다.
도 5는 일 실시예에 의한 직류-직류 변환기의 구성을 도시한다.
도 6은 일 실시예에 의한 직류-직류 변환기의 동작의 일 예를 도시한다.
도 7, 도 8, 도 9, 도 10 및 도 11은 일 실시예에 의한 직류-직류 변환기의 동작에 따른 전류의 흐름을 도시한다.
도 12 및 도 13은 일 실시예에 의한 직류-직류 변환기에 포함된 제1 스위치의 턴온을 도시한다.
도 14은 일 실시예에 의한 직류-직류 변환기의 동작의 다른 일 예를 도시한다.
도 15는 일 실시예에 의한 직류-직류 변환기가 제1 스위치의 데드 타임을 결정하기 위한 룩업 테이블을 도시한다.
도 16은 일 실시예에 의한 직류-직류 변환기에 포함된 제1 스위치의 턴온 시간의 변화를 도시한다.
도 17은 일 실시예에 의한 직류-직류 변환기의 전력 변환 효율을 도시한다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 본 명세서가 실시예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 개시된 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시예들 간에 중복되는 내용은 생략한다. 명세서에서 사용되는 '부, 모듈, 부재, 블록'이라는 용어는 소프트웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있으며, 실시예들에 따라 복수의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 하나의 구성요소로 구현되거나, 하나의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 복수의 구성요소들을 포함하는 것도 가능하다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 간접적으로 연결되어 있는 경우를 포함하고, 간접적인 연결은 무선 통신망을 통해 연결되는 것을 포함한다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 전술된 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참고하여 개시된 발명의 작용 원리 및 실시예들에 대해 설명한다.
차량(1)은 내연기관의 회전력 및/또는 전동기의 회전력을 이용하여 사람 및/또는 물건을 운송하는 기계/전기 장치이다.
내연기관을 이용하는 차량(1)은 휘발유, 경유, 가스 등의 화석 연료를 폭발적으로 연소시키고, 화석 연료의 연소 중에 발생하는 병진 운동력을 회전 운동력으로 변환하고, 변환된 회전력을 이용하여 이동할 수 있다.
전동기를 이용하는 차량(1)은 전기자동차(Electric Vehicle, EV)라 불리며, 배터리에 저장된 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 변환하고, 변환된 회전력을 이용하여 이동할 수 있다.
내연기관과 전동기를 이용하는 차량(1)도 있다. 이러한 차량(1)은 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV)이라 불리며, 내연기관을 이용하여 이동할 수 있을 뿐만 아니라 전동기를 이용하여 이동할 수도 있다. 하이브리드 자동차는 외부로부터 화석 연료만을 공급받고 내연기관과 전동기(발전기)를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 일반 하이브리드 자동차와, 외부로부터 화석 연료와 전기 에너지를 모두 공급받을 수 있는 플러그-인 하이브리드 자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 구분할 수 있다.
전기자동차와 하이브리드 자동차는 구동 전동기에 전기 에너지를 공급하기 위한 배터리와 차량(1)의 전기 장치(전장, 電裝) 부품에 전기 에너지를 공급하기 위한 배터리를 각각 포함하는 것이 일반적이다. 예를 들어, 구동 전동기에 전기 에너지를 공급하는 배터리는 출력 전압이 대략 수백 볼트(volt, V)일 수 있으며, 전장 부품에 전기 전기 에너지를 공급하는 배터리는 출력 전략이 대략 수십 볼트일 수 있다.
또한, 전기자동차는 외부 전원으로부터 구동 전동기용 배터리를 충전하고, 구동 전동기용 배터리의 전압을 변환하여 전장 부품용 배터리를 충전한다. 하이브리드 자동차 역시 내연기관을 이용하여 구동 전동기용 배터리를 충전하고, 구동 전동기용 배터리의 전압을 변환하여 전장 부품용 배터리를 충전한다.
따라서, 전기자동차와 하이브리드 자동차는 구동 전동기용 배터리가 출력하는 수백 볼트의 전압을 전장 부품용 배터리를 충전하기 위한 수십 볼트의 전압으로 변환하는 직류-직류 변환기를 포함할 수 있다.
이하에서는, 차량(1)과 차량(1)에 포함되는 직류-직류 변화기가 자세하게 설명된다.
도 1은 일 실시예에 의한 차량의 차체를 도시한다. 도 2는 일 실시예에 의한 차량의 차대를 도시한다. 도 3은 일 실시예에 의한 차량의 전장 부품을 도시한다. 또한, 도 4는 일 실시예에 의한 차량의 전력 시스템을 도시한다.
도 1, 도 2, 도 3 및 도 4을 참조하면, 차량(1)은 차량(1)의 외관을 형성하고 운전자 및/또는 수화물을 수용하는 차체(body) (10)와, 차체(10) 이외의 동력 생성 장치, 동력 전달 장치, 제동 장치, 조향 장치, 차륜 등을 포함하는 차대(chassis) (20)와 운전자를 보호하고 운전자에게 편의를 제공하는 전장 부품(30)을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 차체(20)는 운전자가 머무를 수 있는 실내 공간, 내연기관을 수용하는 내연기관 룸 및 화물을 수용하기 위한 트렁크 룸을 형성한다.
차체(20)는 후드(hood) (21), 프런트 펜더(front fender) (22), 루프 패널(roof panel) (23), 도어(door) (24), 트렁크 리드(trunk lid) (25), 쿼터 패널(quarter panel) (26) 등을 포함할 수 있다. 또한, 운전자의 시야를 확보하기 위하여, 차체(20)의 전방에는 프런트 윈도우(front window) (27)가 설치되고, 차체(20)의 측면에 사이드 윈도우(side window) (28)가 설치되고, 차체(20)의 후방에는 리어 윈도우(rear window) (29)가 마련될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 차대(20)는 운전자 및/또는 자율 주행 시스템의 제어에 따라 차량(1)이 주행할 수 있도록 동력 생성 장치(21), 동력 전달 장치(22), 조향 장치(23), 제동 장치(24), 차륜(25) 등을 포함할 수 있다. 또한, 차대(20)는 동력 생성 장치(21), 동력 전달 장치(22), 조향 장치(23), 제동 장치(24), 차륜(25)을 고정하는 프레임(26)을 더 포함할 수 있다.
동력 생성 장치(21)는 차량(1)이 주행하기 위한 회전력을 생성하며, 내연기관(21a), 연료 공급 장치, 배기 장치, 전동기(21b), 제1 배터리(B1) 등을 포함할 수 있다.
동력 전달 장치(22)는 동력 생성 장치(21)에 의하여 생성된 회전력을 차륜(25)으로 전달하며, 클러치/변속기(22a), 변속 레버, 변속기, 차동 장치, 구동축(22b) 등을 포함할 수 있다.
조향 장치(23)는 차량(1)의 주행 방향을 제어하며, 스티어링 휠(23a), 조향 기어(23b), 조향 링크(23c) 등을 포함할 수 있다.
제동 장치(24)는 차륜(25)의 회전을 정지시키며, 브레이크 페달, 마스터 실린더, 브레이크 디스크(24a), 브레이크 패드(24b) 등을 포함할 수 있다.
차륜(25)은 동력 생성 장치(21)로부터 동력 전달 장치(22)를 통하여 회전력을 제공받으며, 차량(1)을 이동시킬 수 있다. 차륜(25)은 차량의 전방에 마련되는 전륜과, 차량의 후방에 마련되는 후륜을 포함할 수 있다.
차량(1)은 이상에서 설명된 기계 부품뿐만 차량(1)의 제어, 운전자 및 동승자의 안전과 편의를 위한 다양한 전장 부품들(30)을 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 차량(1)은 엔진 관리 시스템(Engine Management System) (31), 모터 제어 유닛(Motor Control Unit) (32), 변속기 제어 유닛(Transmission Control Unit) (33), 전자 제동 시스템(Electronic Braking System) (34), 전동 조향 장치(Electric Power Steering) (35), 내비게이션(navigation) 장치(36), 오디오 장치(audio) 장치(37), 공조 (heating/ventilation/air conditioning, HVAC) 장치(38)를 포함할 수 있다.
전장 부품들(30)은 차량용 통신 네트워크(NT)를 통하여 서로 통신할 수 있다. 예를 들어, 전장 부품들(30)은 이더넷(Ethernet), 모스트(MOST, Media Oriented Systems Transport), 플렉스레이(Flexray), 캔(CAN, Controller Area Network), 린(LIN, Local Interconnect Network) 등을 통하여 데이터를 주고 받을 수 있다.
또한, 전장 부품들(30)은 제2 배터리(B2)로부터 전력을 공급받을 수 있다.
제2 배터리(B2)는 앞서 도 2에 도시된 제1 배터리(B1)와 별도로 마련될 수 있다.
예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 배터리(B1)는 차량(1)을 구동하는 전동기(21b)에 전력을 공급할 수 있으며, 전동기(21b)에 전력을 공급하기 위하여 수백 볼트(V) (예를 들어, 200V 내지 800V)의 전압을 출력할 수 있다. 또한, 제2 배터리(B2)는 전장 부품들(30)에 전력을 공급할 수 있으며, 전장 부품들(30)에 전력을 공급하기 이하여 수십 볼트(V) (예를 들어, 12V 내지 24V)의 전압을 출력할 수 있다. 다시 말해, 서로 다른 전압을 전력을 공급받는 전동기(21b)와 전장 부품들(30)에 각각 전력을 공급하기 위하여 제1 배터리(B1)와 제2 배터리(B2)가 별도로 마련될 수 있다.
또한, 제1 배터리(B1)는 전동기(21b)로 전력을 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 제1 배터리(B1)는 전동기(21b)에 의하여 충전될 수 있다.
예를 들어, 차량(1)이 내리막 길을 내려가는 동안, 차량(1)은 중력 및/또는 관성에 의하여 주행할 수 있으며, 차륜(25)의 회전력이 동력 전달 장치(22)를 통하여 전동기(21b)에 전달될 수 있다. 전동기(21b)는 차륜(25)으로부터 전달된 회전력으로부터 전기 에너지를 생성할 수 있으며, 전동기(21b)에 의하여 생성된 전기 에너지는 제1 배터리(B1)에 저장될 수 있다.
다른 예로, 운전자가 차량(1)을 정지시키거나 차량(1)의 주행 속도를 감속하는 경우, 전동기(21b)는 차량(1)을 감속하기 위한 회생 제동력(regenerative braking force)을 생성할 수 있으며, 회생 제동(regenerative brake)에 의하여 전기 에너지를 생성할 수 있다. 전동기(21b)에 의하여 생성된 전기 에너지는 제1 배터리(B1)에 저장될 수 있다.
이처럼, 제1 배터리(B1)는 전동기(21b)로부터 전기 에너지를 공급받을 수 있는 반면, 제2 배터리(B2)는 직류-직류 변환기(100)를 통하여 제1 배터리(B1)로부터 전기 에너지를 공급받을 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 제2 배터리(B2)의 전압은 제1 배터리(B1)와 전압이 상이하다. 따라서, 제2 배터리(B2)의 충전을 위하여 제1 배터리(B1)의 전압을 제2 배터리(B2)의 전압으로 변환할 수 있는 직류-직류 변환기(100)가 마련될 수 있다.
직류-직류 변환기(100)는 제1 배터리(B1)가 출력하는 제1 전압을 제2 배터리(B2)의 제2 전압으로 변환할 수 있다. 직류-직류 변환기(100)에 의하여 변환된 제2 전압의 전기 에너지는 제2 배터리(B2)에 저장될 수 있다.
이하에서는 직류-직류 변환기(100)의 구성 및 동작이 설명된다.
도 5는 일 실시예에 의한 직류-직류 변환기의 구성을 도시한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 직류-직류 변환기(100)는 제1 전압(V1)를 출력하는 제1 배터리(B1)와 제2 전압(V2)를 출력하는 제2 배터리(B2) 사이에 마련될 수 있으며, 직류-직류 변환기(100)는 제1 전압(V1)을 입력받고 제2 전압(V2)을 출력할 수 있다.
직류-직류 변환기(100)는 변압기(120)와, 구동 스위치 회로(130)와, 리셋 회로(140)와, 리셋 스위치 회로(150)와, 정류 회로(160)와, 필터 회로(165)와, 제1 전압 센서(170)와, 제2 전압 센서(180)와, 출력 전류 센서(190)와, 제어기(110)를 포함할 수 있다.
변압기(120)는 전자기 유도 현상을 이용하여 교류 전압의 값 및/또는 교류 전류의 값을 변화시킬 수 있다.
변압기(120)는 입력 측의 1차 코일(L1)과, 출력 측의 2차 코일(L2)과, 2차 코일(L2)의 중심에 마련된 중간탭(center-tap) (CT)과, 1차 코일(L1)로부터 2차 코일(L2)까지 자기장을 전송하는 철심을 포함할 수 있다. 1차 코일(L1)에 입력되는 교류 전압 및 교류 전류에 의하여 철심에 시간에 따라 변화하는 자기장이 생성되며, 철심의 자기장에 의하여 2차 코일(L2)에 교류 전압 및 교류 전류가 생성될 수 있다.
2차 코일(L2)은 중간탭(CT)에 의하여 제1 코일(L2-1)과 제2 코일(L2-2)로 구분될 수 있다. 중간탭(CT)은 2차 코일(L2)의 중심에 위치할 수 있으며, 제1 코일(L2-1)의 턴수와 제2 코일(L2-2)의 턴수는 동일할 수 있다. 이러한 형태의 변압기를 중간탭 변압기(center-tap transformer)라 한다. 이처럼, 중간탭(CT)을 포함하는 변압기(120)는 아래에서 설명할 정류 회로(120)와 함께 2차 코일(L2)로부터 출력되는 교류 전압과 교류 전류를 전파 정류할 수 있다. 제1 코일(L2-1)과 제2 코일(L2)에 의한 전파 정류는 아래에서 더욱 자세하게 설명된다.
2차 코일(L2)이 출력하는 출력 전압은 [수학식 1]에 의하여 산출될 수 있다.
[수학식 1]
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여기서, Vout은 2차 코일의 출력 전압을 나타내고, Vin은 1차 코일의 입력 전압을 나타내고, N2은 2차 코일의 턴수를 나타내고, N1은 1차 코일의 턴수를 나타낸다.
[수학식 1]에 의하면, 2차 코일(L2)의 출력 전압(Vout)은 1차 코일(L1)의 입력 전압(Vin)과, 1차 코일(L1)의 턴수(N1)에 대한 2차 코일(L2)의 턴수(N2)의 비율에 비례할 수 있다.
이상적인 변압기는 입력 전력(전압 및 전류)와 출력 전력이 동일한 것을 가정하지만, 실제 변압기는 철심 등의 손실로 인하여 입력 전력과 출력 전력이 상이하다. 이러한 실제 변압기의 손실을 누설 인덕턴스(leakage inductance)로 나타낼 수 있다. 또한, 보다 정확한 모델링을 위하여, 변압기(120)는 누설 인덕턴스를 나타내는 누설 인덕터(L3)를 더 포함할 수 있다.
이상적인 변압기는 1차 코일(L1)에 의하여 생성된 자기장이 모두 2차 코일(L2)로 전달되는 것을 가정하지만, 실제 변압기는 1차 코일(L1)에 의하여 생성된 자기장 중 일부는 1차 코일(L1)에 남아 있게 된다. 이처럼 1차 코일(L1)에 남아 있는 성분을 자화 인덕턴스(magnetizing inductance)로 나타낼 수 있다. 또한, 보다 정확한 모델링을 위하여, 변압기(120)는 자화 인덕턴스를 나타내는 자화 인덕터(L4)를 더 포함할 수 있다.
구동 스위치 회로(130)는 변압기(120)의 1차 코일(L1)과 직렬로 연결될 수 있으며, 변압기(120)의 1차 코일(L1)에 교류 전류가 입력되도록 전류를 제어할 수 있다.
제1 배터리(B1)은 직류 전압과 직류 전류를 출력하며, 변압기(120)는 교류 전압과 교류 전류를 변환할 수 있다. 따라서, 구동 스위치 회로(130)는 변압기(120)에 교류 전류가 입력되도록 제1 배터리(B1)가 출력하는 직류 전류를 통과 또는 차단할 수 있다.
구체적으로, 구동 스위치 회로(130)는 제1 배터리(B1)로부터 변압기(120)로의 전류를 통과시키는 것과 제1 배터리(B1)로부터 변압기(120)로의 전류를 차단하는 것을 반복할 수 있다. 다시 말해, 구동 스위치 회로(130)는 매우 빠른 속도로(예를 들어, 수백 kHz) 전류의 통과와 전류의 차단을 반복할 수 있다. 구동 스위칭 회로(130)의 스위칭 동작에 의하여 변압기(120)에는 시간에 따라 변환하는 전류 즉, 교류 전류가 입력될 수 있다.
이러한, 구동 스위치 회로(130)는 입력 신호에 따라 전류를 통과시키거나 전류를 차단하는 제1 스위치(Q1)와, 제1 스위치(Q1)의 역방향 전압으로부터 제1 스위치(Q1)를 보호하는 제1 환류 다이오드(freewheeling diode) (D1)와, 제1 스위치(Q1)에 기생하는 제1 기생 캐패시터(C1)를 포함할 수 있다.
제1 스위치(Q1)는 제어기(110)의 구동 신호에 따라 개폐될 수 있다. 제1 스위치(Q1)가 폐쇄(턴온)되면 제1 배터리(B1)로부터 변압기(120)로 전류가 흐르고, 제1 스위치(Q2)가 개방(턴오프)되면 제1 배터리(B1)로부터 변압기(120)로 전류가 차단될 수 있다. 제1 스위치(Q1)의 개폐가 반복되면, 변압기(120)의 1차 코일(L1)에 교류 전류가 공급될 수 있다.
제1 스위치(Q1)는 다양한 구조와 재질을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 스위치(Q1)는 양극성 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor, BJT), 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor, IGBT) 등을 채용할 수 있다. 또한, 제1 스위치(Q1)는 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 또는 갈륨비소(GaAs) 등의 반도체 재료로 구성될 수 있다.
제1 환류 다이오드(D1)는 변압기(120)의 1차 코일(L1)의 인덕턴스로 인한 역방향 전압으로부터 제1 스위치(Q1)를 보호할 수 있다.
제1 환류 다이오드(D1)는 제1 스위치(Q1)의 물리적 구조에 의하여 생성되거나 별도로 마련될 수 있으며, 제1 스위치(Q1)의 양단(예를 들어, 이미터와 콜렉터, 소스와 드레인) 사이에 마련된다.
제1 스위치(Q1)의 물리적 구조에 의하여 제1 스위치(Q1)의 양단(예를 들어, 이미터와 콜렉터, 소스와 드레인)에는 기생 캐패시턴스(parasitic capacitance)가 발생할 수 있다. 이처럼, 제1 기생 캐패시터(C1)는 제1 스위치(Q1)의 기생 캐패시턴스를 나타낼 수 있다.
리셋 회로(140)는 변압기(120)와 병렬로 연결될 수 있으며, 변압기(120)의 자화 인덕터(L4)에 축적된 자기 에너지를 방출시킬 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 변압기(120)의 2차 코일(L2)로 전달되지 못하고 1차 코일(L1)에 남아 있는 자기장은 자화 인덕터(L4)로 표현되며, 리셋 회로(140)는 자화 인덕터(L4)에 저장된 자기 에너지(즉, 전류)를 방출시킬 수 있다.
리셋 회로(140)는 변압기(120)의 자화 인덕터(L4)에 저장된 자기 에너지를 방출하기 위한 리셋 캐패시터(C3)를 포함할 수 있다. 축적된 자기 에너지에 의하여 자화 인덕터(L4)는 전류를 생성할 수 있으며, 리셋 캐패시터(C3)는 자화 인덕터(L4)의 전류를 전기 에너지로 저장할 수 있다.
리셋 스위치 회로(150)는 리셋 캐패시터(C3)와 직렬로 연결되며, 리셋 스위치 회로(150)와 리셋 캐패시터(C3)는 변압기(120)와 병렬로 연결될 수 있다.
리셋 스위치 회로(150)는 자화 인덕터(L4)에 축적된 자기 에너지를 방출하기 위한 전류를 제어할 수 있다. 다시 말해, 리셋 스위치 회로(150)의 동작에 따라 변압기(120)의 자화 인덕터(L4)에 저장된 자기 에너지가 리셋 회로(140)로 방출되거나 자기 에너지의 방출이 차단될 수 있다.
리셋 스위치 회로(150)는 자화 인덕터(L4)에 저장된 자기 에너지를 방출을 제어하는 제2 스위치(Q2)와, 제2 환류 다이오드(D2)와, 제2 기생 캐패시터(C2)를 포함할 수 있다.
제2 스위치(Q2)는 축적된 자기 에너지에 의한 자화 인덕터(L4)의 전류 방출을 허용하거나, 차단할 수 있다. 제2 스위치(Q2)가 폐쇄(턴온)되면 자화 인덕터(L4)와 리셋 캐패시터(C3) 사이의 전류가 허용되고, 제2 스위치(Q2)가 개방(턴오프)되면 자화 인덕터(L4)와 리셋 캐패시터(C3) 사이의 전류가 차단될 수 있다.
제2 스위치(Q2)는 다양한 구조와 재질을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 스위치(Q2)는 양극성 접합 트랜지스터, 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터, 절연 게이트 양극성 트랜지스터 등을 채용할 수 있다. 또한, 제2 스위치(Q2)는 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 또는 갈륨비소(GaAs) 등의 반도체 재료로 구성될 수 있다.
정류 회로(160)는 변압기(120)로부터 출력되는 교류 전류를 직류 전류로 변환할 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 변압기(120)는 교류 전압의 값 및/또는 교류 전류의 값을 변화시킬 수 있으며, 교류 전압과 교류 전류를 입력받고, 크기가 변화된 교류 전압과 교류 전류를 출력할 수 있다.
정류 회로(160)는 변압기(120)이 출력하는 교류 전압과 교류 전류를 직류 전압과 직류 전류로 변환할 수 있다.
정류 회로(160)는 변압기(120)의 2차 코일(L2) 중에 제1 코일(L2-1)의 출력 전류를 정류하는 제1 정류 다이오드(D3)와, 제2 코일(L2-2)의 출력 전류를 정류하는 제2 정류 다이오드(D4)를 포함할 수 있다.
변압기(120)의 2차 코일(L2)이 출력하는 전류는 1차 코일(L1)에 입력되는 전류의 방향에 따라 변화할 수 있으며, 제1 정류 다이오드(D3)와 제2 정류 다이오드(D4)는 제1 코일(L2-1) 및 제2 코일(L2-2)이 출력하는 정방향 전류(I3)와 역방향 전류(I4)가 제2 배터리(B2)로 흐르도록 정류할 수 있다. 예를 들어, 1차 코일(L1)의 전류에 의하여 제1 코일(L2-1)과 제2 코일(L2-2)에 정방향 전류(I3)가 생성되면, 제1 정류 다이오드(D3)는 제1 코일(L2-1)의 정방향 전류(I3)를 허용하고 제2 정류 다이오드(D4)는 제2 코일(L2-2)의 정방향 전류(I3)를 차단할 수 있다. 또한, 제1 코일(L2-1)과 제2 코일(L2-2)에 역방향 전류(I4)가 생성되면, 제1 정류 다이오드(D3)는 제1 코일(L2-1)의 역방향 전류(I4)를 차단하고 제2 정류 다이오드(D4)는 제2 코일(L2-2)의 역방향 전류(I4)를 허용할 수 있다.
그 결과, 제1 정류 다이오드(D3)와 제2 정류 다이오드(D4)는 변압기(120)의 2차 코일(L2)이 출력하는 교류 전류를 정류하여, 제2 배터리(B2)로 직류 전류를 출력할 수 있다.
필터 회로(165)는 정류 회로(160)에 의하여 정류된 전압의 리플을 제거할 수 있다. 필터 회로(165)는 출력 인덕터(Lo)와 출력 캐패시터(Co)를 포함할 수 있다. 출력 인덕터(Lo)는 정류 회로(160)로부터 출력되는 직류 전류의 리플을 걸러내고, 출력 캐패시터(Co)는 정류 회로(160)로부터 출력되는 직류 전압의 리플을 걸러낼 수 있다.
제1 전압 센서(170)는 제1 배터리(B1)의 제1 전압(V1) 즉, 직류-직류 변환기(100)에 입력되는 전압을 측정할 수 있다. 또한, 제1 전압 센서(170)는 제1 전압(V1)의 값에 대응하는 전기적 신호를 제어기(110)로 출력할 수 있다.
제1 전압 센서(170)는 제1 배터리(B1)의 제1 전압(V1)을 분배하는 전압 분배기를 포함할 수 있으며, 전압 분배기에 의하여 분배된 전압 신호를 제어기(110)로 출력할 수 있다.
제1 배터리(B1)는 전동기(21b)에 전기 에너지를 공급할 수 있으며, 저장된 전기 에너지의 양에 따라 출력 전압이 변동될 수 있다. 또한, 전동기(21b)는 차량(1)을 구동하므로 많은 전기 에너지를 소비할 수 있다. 따라서, 제1 배터리(B1)에 저장된 전기 에너지의 변동이 심하며, 제1 배터리(B1)의 제1 전압(V1)의 변동도 심하다. 예를 들어, 제1 배터리(B1)의 제1 전압(V1)은 200V 내지 800V의 범위에서 변동할 수 있다.
이처럼, 직류-직류 변환기(100)가 제1 배터리(B1)의 제1 전압(V1)의 변동과 무관하게 일정한 제2 배터리(B2)에 일정한 크기의 전압을 출력할 수 있도록, 제1 전압 센서(170)는 제1 배터리(B1)의 제1 전압(V1)을 측정하고, 제1 전압(V1)의 크기를 제어기(110)로 출력할 수 있다.
제2 전압 센서(180)는 제2 배터리(B2)의 제2 전압(V2) 즉, 직류-직류 변환기(100)가 출력하는 전압을 측정할 수 있다. 또한, 제2 전압 센서(180)는 제2 전압(V2)의 값에 대응하는 전기적 신호를 제어기(110)로 출력할 수 있다.
제2 전압 센서(180)는 제2 배터리(B2)의 제2 전압(V2)을 분배하는 전압 분배기를 포함할 수 있으며, 전압 분배기에 의하여 분배된 전압 신호를 제어기(110)로 출력할 수 있다.
제2 배터리(B2)는 전장 부품들(30)에 전기 에너지를 공급할 수 있으며, 저장된 전기 에너지의 양에 따라 출력 전압이 변동될 수 있다. 그러나, 전장 부품들(30)이 안정적으로 동작하고 전장 부품들(30)의 파손을 방지하기 위하여, 제2 배터리(B2)의 제2 전압(V2)은 일정한 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
따라서, 직류-직류 변환기(100)는 제2 배터리(B2)의 제2 전압(V2)이 하한 전압보다 낮아지면 제1 배터리(B1)로부터 제2 배터리(B2)로의 전기 에너지 공급을 허용하고, 제2 배터리(B2)의 제2 전압(V2)이 상한 전압보다 높아지면 제2 배터리(B2)로의 전기 에너지 공급을 차단할 수 있다.
이처럼, 직류-직류 변환기(100)가 제2 배터리(B2)의 전압을 일정하기 유지시키도록 제2 전압 센서(180)는 제2 배터리(B2)의 제2 전압(V2)을 측정하고, 제2 전압(V2)의 크기를 제어기(110)로 출력할 수 있다.
출력 전류 센서(190)는 직류-직류 변환기(100)가 제2 배터리(B2)로 출력하는 제2 전류(I2)를 측정할 수 있다. 또한, 출력 전류 센서(190)는 제2 전류(I2)의 값에 대응하는 전기적 신호를 제어기(110)로 출력할 수 있다.
출력 전류 센서(190)는 제2 전류(I2)를 측정하기 위한 다양한 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 출력 전류 센서(190)는 전류가 제2 배터리(B2)로 흐르는 전선의 주변에 생성되는 자기장의 세기를 측정하기 위한 홀 센서를 포함할 수 있으며, 홀 센서는 측정된 자기장의 세기에 대응하는 전기적 신호를 출력할 수 있다. 또한, 제어기(110)는 홀 센서의 출력을 기초로 제2 전류(I2)의 값을 산출할 수 있으며, 제2 전류(I2)의 값에 따라 구동 스위치 회로(130)의 동작을 제어할 수 있다.
이처럼, 출력 전류 센서(190)는 직류-직류 변환기(100)가 출력하는 제2 전류(I2)의 크기를 측정하고, 제어기(110)로 출력할 수 있다.
제어기(110)는 직류-직류 변환기(100)의 동작을 제어할 수 있으며, 메모리(111)와 프로세서(112)를 포함할 수 있다.
메모리(111)는 직류-직류 변환기(100)의 동작을 제어하기 위한 제어 프로그램과 제어 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 메모리(111)는 제1 전압(V1)의 값, 제2 전압(V2)의 값 및 제2 전류(I2)의 값을 일시적으로 기억할 수 있다.
또한, 메모리(111)는 프로세서(112)의 메모리 제어 신호에 따라 제어 프로그램 및/또는 제어 데이터를 프로세서(112)에 제공하거나, 제1 전압(V1)의 값, 제2 전압(V2)의 값 및 제2 전류(I2)의 값을 프로세서(112)에 제공할 수 있다.
메모리(111)는 데이터를 일시적으로 기억할 수 있는 S램(Static Random Access Memory, S-RAM), D램(Dynamic Random Access Memory) 등의 휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 또한, 메모리(111)는 제어 프로그램 및/또는 제어 데이터를 장기간 저장할 수 있는 롬(Read Only Memory), 이피롬(Erasable Programmable Read Only Memory: EPROM), 이이피롬(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory: EEPROM), 플래시 메모리(flash memory) 등의 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다.
프로세서(112)는 각종 논리 회로와 연산 회로를 포함할 수 있으며, 메모리(112)로부터 제공된 프로그램에 따라 데이터를 처리하고 처리 결과에 따라 제어 신호를 생성할 수 있다.
예를 들어, 프로세서(112)는 제1 전압(V1)의 값과 제2 전압(V2)의 값으로부터 구동 스위치 회로(130)에 포함된 제1 스위치(Q1)의 온 타임 듀티비를 산출할 수 있다. 또한, 프로세서(112)는 제1 전압(V1)의 값과 제2 전류(I2)의 값으로부터 제1 스위치(Q1)의 턴온을 지연하는 데드 타임(dead time)을 산출할 수 있다. 또한, 프로세서(112)는 제1 스위치(Q1)의 온 타임 듀티비와 제1 스위치(Q1)의 데드 타임에 따라 제1 스위치(Q1)를 폐쇄(턴온) 또는 개방(턴오프)하기 위한 구동 제어 신호와 제2 스위치(Q2)를 개방(턴오프) 또는 폐쇄(턴온)하기 위한 리셋 제어 신호를 생성할 수 있다.
메모리(111)와 프로세서(112)는 각각 별도의 집적 회로(integrated circuit, ic)로 구현되거나, 메모리(111)와 프로세서(112)가 일체로 하나의 집적 회로로 구현될 수 있다.
이처럼, 제어기(110)는 제1 전압(V1)의 값, 제2 전압(V2)의 값 및 제2 전류(I2)의 값을 기초로 구동 스위치 회로(130)와 리셋 회로(140)의 동작을 제어할 수 있다.
제어기(110)의 구체적인 동작은 아래에서 직류-직류 변환기(100)의 동작과 함께 설명된다.
도 6은 일 실시예에 의한 직류-직류 변환기의 동작의 일 예를 도시한다. 도 7, 도 8, 도 9, 도 10 및 도 11은 일 실시예에 의한 직류-직류 변환기의 동작에 따른 전류의 흐름을 도시한다. 또한, 도 12 및 도 13은 일 실시예에 의한 직류-직류 변환기에 포함된 제1 스위치의 턴온을 도시한다.
도 6, 도 7, 도 8, 도 9, 도 10, 도 11, 도 12 및 도 13과 함께 직류-직류 변환기(100)의 전압 강하 동작(1000)이 설명된다.
직류-직류 변환기(100)는 미리 정해진 시간마다 전압 강하 동작(1000)을 수행할 수 있다. 예를 들어, 직류-직류 변환기(100)는 제1 스위치(Q1)의 개폐 주기마다 전압 강하 동작(1000)을 수행할 수 있다.
직류-직류 변환기(100)는 제2 배터리(B2)의 제2 전압(V2)을 감지한다(1010).
직류-직류 변환기(100)의 제2 전압 센서(180)는 제2 배터리(B2)의 제2 전압(V2)의 값을 측정하고, 제2 전압(V2)의 값에 대응하는 전기적 신호를 출력할 수 있다. 또한, 제어기(110)는 제2 전압 센서(180)의 출력 신호로부터 제2 전압(V2)의 값을 산출할 수 있다. 예를 들어, 제2 전압 센서(180)는 제2 전압(V2)의 값에 비례하는 크기를 갖는 아날로그 신호를 출력할 수 있으며, 제어기(110)는 아날로그-디지털 변환기를 이용하여 제2 전압 센서(180)의 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환할 수 있다.
직류-직류 변환기(100)는 제2 배터리(B2)의 제2 전압(V2)이 미리 정해진 기준 전압보다 작은지를 판단한다(1020).
직류-직류 변환기(100)의 제어기(110)는 제2 배터리(B2)의 제2 전압(V2)과 기준 전압을 비교하고, 제2 전압(V2)이 기준 전압보다 작은지를 판단할 수 있다. 기준 전압은 제2 배터리(B2)로부터 전기 에너지를 공급받는 전장 부품들(30)이 정상적으로 동작할 수 있는 전압을 나타낼 수 있다.
제2 배터리(B2)의 제2 전압(V2)이 기준 전압보다 작지 않으면(1020의 아니오), 직류-직류 변환기(100)는 제2 배터리(B2)의 전압 감지를 반복할 수 있다.
제2 배터리(B2)의 제2 전압(V2)이 기준 전압보다 작으면(1020 의 예), 직류-직류 변환기(100)는 제1 배터리(B1)의 제1 전압(V1)을 감지한다(1030).
직류-직류 변환기(100)의 제1 전압 센서(170)는 제1 배터리(B1)의 제1 전압(V1)의 값을 측정하고, 제1 전압(V1)의 값에 대응하는 전기적 신호를 출력할 수 있다. 또한, 제어기(110)는 제1 전압 센서(170)의 출력 신호로부터 제1 전압(V1)의 값을 산출할 수 있다. 예를 들어, 제1 전압 센서(170)는 제1 전압(V1)의 값에 비례하는 크기를 갖는 아날로그 신호를 출력할 수 있으며, 제어기(110)는 아날로그-디지털 변환기를 이용하여 제1 전압 센서(170)의 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환할 수 있다.
직류-직류 변환기(100)는 제1 스위치(Q1)의 듀티비(duty cycle)을 결정한다(1040).
직류-직류 변환기(100)의 제어기(110)는 제1 배터리(B1)의 전압(제1 전압)과, 제2 배터리(B2)의 전압(제2 전압)과, 제1 스위치(Q1)의 개폐(스위칭) 주기로부터 제1 스위치(Q1)의 듀티비, 제1 스위치(Q1)의 온 타임, 제2 스위치(Q2)의 온 타임을 결정할 수 있다.
직류-직류 변환기(100)의 입력 전압(Vin)과 출력 전압(Vout)은 [수학식 2]과 같은 관계를 가질 수 있다.
[수학식 2]
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여기서, Vout은 직류-직류 변환기의 출력 전압을 나타내고, Vin은 직류-직류 변환기의 입력 전압을 나타내고, N2은 2차 코일의 턴수를 나타내고, N1은 1차 코일의 턴수를 나타내고, D는 제1 스위치의 듀티비를 나타낸다.
[수학식 2]에 의하면, 직류-직류 변환기(100)의 출력 전압(Vout)은 직류-직류 변환기(100)의 입력 전압(Vin)과, 1차 코일(L1)의 턴수(N1)에 대한 2차 코일(L2)의 턴수(N2)의 비율과, 제1 스위치(Q1)의 듀티비(D)에 비례할 수 있다.
이때, 직류-직류 변환기(100)의 입력 전압(Vin)은 제1 전압(V1)과 동일하고, 직류-직류 변환기(100)의 출력 전압(Vout)은 제2 전압(V2)과 동일할 수 있다.
제어기(110)는 [수학식 2]를 이용하여 제1 배터리(B1)의 전압과, 제2 배터리(B2)의 전압과, 1차 코일(L1)의 턴수(N1)과, 2차 코일(L2)의 턴수(N2)로부터 제1 스위치(Q1)의 듀티비(D)를 산출할 수 있다.
또한, 제어기(110)는 제1 스위치(Q1)의 미리 정해진 스위칭 주파수(개폐 주파수)(예를 들어, 200kHz)로부터 제1 스위치(Q1)의 개폐(스위치) 주기를 산출하고, 제1 스위치(Q1)의 개폐(스위치) 주기와 제1 스위치(Q1)의 듀티비(D)로부터 제1 스위치(Q1)의 온 타임/오프 타임 및 제2 스위치(Q2)의 오프 타임/온 타임을 산출할 수 있다.
제어기(110)는 [수학식 2]를 이용하여 제1 스위치(Q1)의 듀티비를 직접 산출할 수 있을 뿐만 아니라, 메모리(111)를 참조하여 제1 스위치(Q1)의 듀티비를 결정할 수 있다. 예를 들어, 메모리(111)는 제1 배터리(B1)의 제1 전압(V1), 제2 배터리(B2)의 제2 전압(V2) 및 그들(V1, V2)에 대응하는 제1 스위치(Q1)의 듀티비(D)를 포함하는 룩업 테이블(lookup table)를 저장할 수 있으며, 제어기(110)는 메모리(111)에 저장된 룩업 테이블을 참조하여 제1 배터리(B1)의 전압과 제2 배터리(B2)의 전압에 대응하는 제1 스위치(Q1)의 듀티비(D)를 결정할 수 있다.
직류-직류 변환기(100)는 제1 스위치(Q1)를 폐쇄(턴온)한다(1050).
직류-직류 변환기(100)의 제어기(110)는 제1 스위치(Q1)에 턴온 신호를 출력할 수 있다. 제어기(110)의 턴온 신호에 응답하여 제1 스위치(Q1)는 폐쇄(턴온)될 수 있다.
제1 스위치(Q1)가 폐쇄(턴온)되면, 제1 배터리(B1)로부터 변압기(120)까지 전류가 흐를 수 있는 경로가 생성된다. 그 결과, 도 7에 도시된 바와 같이 제1 배터리(B1)의 전류(I1)는 제1 배터리(B1)의 양극으로부터, 변압기(120)의 1차 코일(L1)과 제1 스위치(Q1)를 거쳐 제1 배터리(B1)의 음극까지 흐를 수 있다.
이때, 제1 스위치(Q1)는 온 상태이므로, 제1 스위치(Q1)의 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압(Vc)은 대략 "0V"가 될 수 있다.
또한, 변압기(120)의 1차 코일(L1)을 통과하는 전류(I1)로 인하여, 변압기(120)의 2차 코일(L2)에 전류(I2)가 유도되고, 2차 코일(L2)에 의하여 유도된 전류(I2)는 제1 정류 다이오드(D3)를 통하여 제2 배터리(B2)로 공급될 수 있다. 그 결과, 제2 배터리(B2)는 충전될 수 있다.
이후, 직류-직류 변환기(100)는 제1 스위치(Q1)를 개방(턴오프)한다(1060).
제1 스위치(Q1)가 폐쇄(턴온)된 이후 제1 스위치(Q1)의 온 타임이 경과하면, 제어기(110)는 제1 스위치(Q1)에 턴오프 신호를 출력할 수 있다. 제어기(110)의 턴오프 신호에 응답하여 제1 스위치(Q1)는 개방(턴오프)될 수 있다.
제1 스위치(Q1)가 개방(턴오프)되면, 제1 배터리(B1)로부터 변압기(120)까지 전류가 흐를 수 있는 경로가 차단된다. 그 결과, 제1 배터리(B1)로부터 변압기(120)의 1차 코일(L1)까지 흐르는 전류는 차단(I1)될 수 있다.
전류(I1)가 차단되더라도 변압기(120)의 1차 코일(L1)에 저장된 자기 에너지는 2차 코일(L2)을 통하여 방출될 수 있다. 그러나, 변압기(120)의 누설 인덕터(L3) 및/또는 자화 인덕터(L4)는 자기 에너지를 방출하지 못하고, 자기 에너지는 누설 인덕터(L3) 및/또는 자화 인덕터(L4)에 저장하게 된다.
또한, 전류(I1)가 차단되기 앞서 도 8에 도시된 바와 같이 제1 배터리(B1)로부터 출력된 전류(I1)는 제1 스위치(Q1)의 제1 기생 캐패시터(C1)를 충전할 수 있다. 제1 기생 캐패시터(C1)가 충전된 결과, 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압(Vc)은 대략 제1 배터리(B1)의 전압 즉, 제1 전압(V1)과 동일해질 수 있다.
이후, 직류-직류 변환기(100)는 제2 스위치(Q2)를 폐쇄(턴온)한다(1070).
제1 스위치(Q1)가 개방(턴오프)된 이후, 제어기(110)는 제2 스위치(Q2)에 턴온 신호를 출력할 수 있다. 제어기(110)의 턴온 신호에 응답하여 제2 스위치(Q2)는 폐쇄(턴온)될 수 있다.
제2 스위치(Q1)가 폐쇄(턴온)되면, 변압기(120)와 리셋 회로(140) 사이에 전류가 흐를 수 있는 경로 생성된다. 그 결과, 도 9에 도시된 바와 같이 누설 인덕터(L3) 및/또는 자화 인덕터(L4)에 저장된 자기 에너지에 의한 전류(IC3)가 제2 스위치(Q2)를 거쳐 리셋 캐패시터(C3)까지 흐를 수 있다. 또한, 자화 인덕터(L4)의 전류(IC3)에 의하여 리셋 캐패시터(C3)가 충전되며, 리셋 캐패시터(C3)의 전압(VC3)은 상승할 수 있다.
또한, 누설 인덕터(L3) 및/또는 자화 인덕터(L4)에 저장된 자기 에너지의 방출이 완료되면, 리셋 캐패시터(C3)에 저장된 전기 에너지가 누설 인덕터(L3) 및/또는 자화 인덕터(L4)로 방출될 수 있다. 그 결과, 도 10에 도시된 바와 같이 리셋 캐패시터(C3)에 저장된 전기 에너지에 의한 역방향 전류(-IC3)가 제2 스위치(Q2)를 거쳐 변압기(120)의 누설 인덕터(L3) 및/또는 자화 인덕터(L4)까지 흐를 수 있다.
다시 말해, 누설 인덕터(L3) 및/또는 자화 인덕터(L4)와 리셋 캐패시터(C3) 사이에 공진 현상에 의하여 역방향 전류(-IC3)가 생성될 수 있으며, 역방향 전류(-IC3)는 변압기(120)의 1차 코일(L1)을 통과할 수 있다.
또한, 변압기(120)의 1차 코일(L1)을 통과하는 전류(-IC3)로 인하여, 변압기(120)의 2차 코일(L2)에 전류(I2)가 유도되고, 2차 코일(L2)에 의하여 유도된 전류(I2)는 제2 정류 다이오드(D2)를 통하여 제2 배터리(B2)로 공급될 수 있다. 그 결과, 제2 배터리(B2)는 충전될 수 있다.
이후, 직류-직류 변환기(100)는 제2 스위치(Q2)를 개방(턴오프)한다(1080).
제2 스위치(Q2)가 폐쇄(턴온)된 이후 제2 스위치(Q2)의 온 타임이 경과하면, 제어기(110)는 제2 스위치(Q2)에 턴오프 신호를 출력할 수 있다. 제어기(110)의 턴오프 신호에 응답하여 제2 스위치(Q2)는 개방(턴오프)될 수 있다.
제2 스위치(Q2)가 개방(턴오프)되면, 변압기(120)와 리셋 회로(140) 사이에 전류가 흐를 수 있는 경로가 차단된다. 그 결과, 리셋 캐패시터(C3)로부터 변압기(120)의 1차 코일(L1)까지 흐르는 전류(-IC3)는 차단될 수 있다.
전류(I1)가 차단되더라도 변압기(120)의 1차 코일(L1)에 저장된 자기 에너지는 2차 코일(L2)을 통하여 방출될 수 있다.
또한, 누설 인덕터(L3) 및/또는 자화 인덕터(L4)에 저장된 자기 에너지는 제1 스위치(Q1)의 제1 기생 캐패시터(C1)를 이용하여 방출될 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이 누설 인덕터(L3) 및/또는 자화 인덕터(L4)에는 역방향 전류(-IC3)에 의한 자기 에너지가 저장될 수 있다. 역방향 전류(-IC3)에 의한 자기 에너지를 방출하기 위하여 누설 인덕터(L3) 및/또는 자화 인덕터(L4)는 제1 스위치(Q1)의 제1 기생 캐패시터(C1)로부터 전류를 끌어올 수 있다. 그 결과, 역방향 전류(-IC3)에 의하여 제1 기생 캐패시터(C1)는 방전되며, 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압(VC1)은 하강할 수 있다.
다시 말해, 누설 인덕터(L3) 및/또는 자화 인덕터(L4)와 제1 기생 캐패시터(C1) 사이에 공진 현상이 발생하며, 공진 현상에 의하여 제1 기생 캐패시터(C1)가 방전되고 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압(VC1)은 하강할 수 있다.
제1 기생 캐패시터(C1)가 완전히 방전되면, 제1 스위치(Q1) 양단의 전압이 "0V"이 된다. 제1 스위치(Q1) 양단의 전압이 "0V"이 되면 직류-직류 변환기(100)의 다음 동작 사이클 중에 제1 스위치(Q1)의 턴온 동작에 의한 스위칭 손실이 최소화될 수 있다.
예를 들어, 제2 스위치(Q2)가 도 12의 (a)에 도시된 바와 같이 시간 "0"에서 개방(턴오프)되면, 제1 스위치(Q1)의 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압(VC1)은 도 12의 (b)에 도시된 바와 같이 누설 인덕터(L3) 및/또는 자화 인덕터(L4)와의 공진에 의하여 감소할 수 있으며, 시간 T1에서 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압(VC1)은 "0V"가 될 수 있다. 또한, 도 12의 (c)에 도시된 바와 같이 시간 T1에 제1 스위치(Q1)가 폐쇄(턴온)될 수 있으며, 시간 T1에 제1 스위치(Q1)가 폐쇄(턴온)되면 영전압 스위칭이 가능하며, 제1 스위치(Q1)의 스위칭 손실이 매우 작아질 수 있다.
제1 스위치(Q1)의 제1 기생 캐패시터(C1)가 최소값까지 방전되는 시간은 제2 스위치(Q2)가 개방(턴오프)될 때 누설 인덕터(L3) 및/또는 자화 인덕터(L4)에 저장된 자기 에너지에 따라 변화할 수 있다. 다시 말해, 제1 기생 캐패시터(C1)가 방전되는 시간은 제2 스위치(Q2)가 개방(턴오프)될 때 누설 인덕터(L3) 및/또는 자화 인덕터(L4)에 흐르는 전류의 크기에 따라 변화할 수 있다.
누설 인덕터(L3) 및/또는 자화 인덕터(L4)의 전류가 크면 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압 강하가 크고 제1 기생 캐패시터(C1)가 빠르게 방전될 수 있다. 반면, 누설 인덕터(L3) 및/또는 자화 인덕터(L4)의 전류가 작으면 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압 강하가 작고 제1 기생 캐패시터(C1)가 천천히 방전될 수 있다. 특히, 누설 인덕터(L3)의 전류의 크기는 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압 강하의 크기 및 전압 강하의 속도에 영향을 많이 줄 수 있다.
이는 누설 인덕터(L3)와 제1 기생 캐패시터(C1) 사이의 공진 때문이다.
예를 들어, 에너지 관점에서 공진 인덕터와 공진 캐패시터는 다음의 [수학식 3]의 관계를 갖는다.
[수학식 3]
Figure pat00003
여기서, L은 공진 인덕터의 인덕턴스를 나타내고, △I는 인덕터의 전류 변화량을 나타내고, C는 공진 캐패시터의 캐패시턴스를 나타내고, △V는 캐패시터의 전압 변화량을 나타낼 수 있다.
[수학식 3]에 의하면, 공진에 의하여 공진 인덕터에 저장되는 자기 에너지와 공진 캐패시터에 저장되는 전기 에너지는 동일하며, 공진 인덕터의 전류 변화량은 공진 캐패시터의 전압 변화량에 비례한다.
따라서, 누설 인덕터(L3)의 전류에 따라 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압 강하 크기가 변화하며, 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압 강하 속도 역시 변화할 수 있다.
이때, 누설 인덕터(L3)의 전류는 직류-직류 변환기(100)가 제2 배터리(B2)에 공급하는 전류(I2)의 크기에 비례할 수 있다. 변압기(120)는 1차 코일(L1)의 턴수(N1)와 2차 코일(L2)의 턴수(N2) 사이의 비에 따라 전압의 크기와 전류의 크기를 변화시키므로, 누설 인덕터(L3)의 전류는 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류에 비례할 수 있다.
그 결과, 누설 인덕터(L3)에 의한 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압 강하의 크기와 전압 강하의 속도는 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류에 비례할 수 있다. 다시 말해, 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류가 크면, 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압 강하가 크고 제1 기생 캐패시터(C1)가 빠르게 방전될 수 있다. 또한, 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류가 작으면, 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압 강하가 작고 제1 기생 캐패시터(C1)가 천천히 방전될 수 있다.
예를 들어, 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류 즉 제2 전류(I2)가 작아지면, 도 13의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 제2 스위치(Q2)가 시간 "0"에서 개방(턴오프)된 이후 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압이 천천히 강하한다. 다시 말해, 제2 전류(I2)가 작음으로 인하여, 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압 강하의 속도와 크기가 감소한다.
만일, 앞서 도 12에서 설명한 바와 같이 시간 T1에서 제1 스위치(Q1)가 폐쇄(턴온)되면, 도 13의 (c)에 도시된 바와 같이 제1 스위치(Q1) 양단 사이의 전압이 최소 전압(Vmin)이 아니므로, 제1 스위치(Q1)의 스위칭 손실의 최소화를 달성하지 못할 수 있다.
이를 보완하기 위하여, 직류-직류 변환기(100)는 출력 전류에 따라 제1 스위치(Q1)의 턴온 시간을 제어할 수 있다.
도 14은 일 실시예에 의한 직류-직류 변환기의 동작의 다른 일 예를 도시한다. 도 15는 일 실시예에 의한 직류-직류 변환기가 제1 스위치의 데드 타임을 결정하기 위한 룩업 테이블을 도시한다. 도 16은 일 실시예에 의한 직류-직류 변환기에 포함된 제1 스위치의 턴온 시간의 변화를 도시한다. 또한, 도 17은 일 실시예에 의한 직류-직류 변환기의 전력 변환 효율을 도시한다.
도 14, 도 15, 도 16 및 도 17과 함께 직류-직류 변환기(100)의 동작(1100)이 설명된다.
직류-직류 변환기(100)는 미리 정해진 시간마다 전압 강하 동작(1100)을 수행할 수 있다. 예를 들어, 직류-직류 변환기(100)는 제1 스위치(Q1)의 개폐 주기마다 전압 강하 동작(1100)을 수행할 수 있다.
직류-직류 변환기(100)는 제2 배터리(B2)의 전압을 감지한다(1110).
제2 배터리(B2)의 전압이 제2 배터리(B2)의 기준 전압보다 작은지를 판단한다(1120).
제2 배터리(B2)의 전압이 기준 전압보다 작지 않으면(1120의 아니오), 직류-직류 변환기(100)는 제2 배터리(B2)의 전압 감지를 반복한다.
제2 배터리(B2)의 전압이 기준 전압보다 작으면(1120 의 예), 직류-직류 변환기(100)는 제1 배터리(B1)의 전압을 감지한다(1130).
직류-직류 변환기(100)는 제1 스위치(Q1)의 듀티비(duty cycle)을 결정한다(1140).
동작 1110, 동작 1120, 동작 1130 및 동작 1140은 각각 도 6에 도시된 동작 1010, 동작 1020, 동작 1030 및 동작 1040과 동일하다.
이후, 직류-직류 변환기(100)는 출력 전류를 감지한다(1150).
직류-직류 변환기(100)의 출력 전류 센서(190)는 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류 즉, 제2 배터리(B2)에 공급되는 제2 전류(I2)의 값에 대응하는 전기적 신호를 출력할 수 있다. 또한, 제어기(110)는 출력 전류 센서(190)의 출력 신호로부터 제2 전류(I2)의 값을 산출할 수 있다. 예를 들어, 출력 전류 센서(190)는 제2 전류(I2)의 값에 비례하는 크기를 갖는 아날로그 신호를 출력할 수 있으며, 제어기(110)는 아날로그-디지털 변환기를 이용하여 출력 전류 센서(190)의 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환할 수 있다.
이후, 직류-직류 변환기(100)는 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(dead time)을 결정한다(1160).
직류-직류 변환기(100)의 제어기(110)는 직류-직류 변환기(100)의 입력 전압(즉,제1 배터리의 제1 전압)과 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류(즉, 제2 배터리의 제2 전류)로부터 제1 스위치(Q1)의 데드 타임을 결정할 수 있다. 여기서, 제1 스위치(Q1)의 데드 타임은 제2 스위치(Q2)가 개방(턴오프)된 이후 제1 스위치(Q1)가 폐쇄(턴온)되기까지의 시간을 나타낼 수 있다.
제1 스위치(Q1)의 데드 타임은 변압기(120)의 누설 인덕터(L3)와 제1 스위치(Q1)의 제1 기생 캐패시터(C1) 사이의 공진 현상에 의한 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압 강하 시간에 따라 결정될 수 있다.
또한, 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압 강하 시간은 누설 인덕터(L3)의 전류와 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압과 관련된다. 구체적으로, 누설 인덕터(L3)의 전류의 감소에 따라 전압 강하 시간은 증가하고, 누설 인덕터(L3)의 전류의 증가에 따라 전압 강하 시간은 감소할 수 있다. 또한, 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압의 감소에 따라 전압 강하 시간은 감소하고, 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압의 증가에 따라 전압 강하 시간은 증가할 수 있다.
이때, 누설 인덕터(L3)의 전류는 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류와 비례하며, 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압은 직류-직류 변환기(100)의 입력 전압과 동일할 수 있다.
제1 스위치(Q1)의 데드 타임의 추정은 다음의 과정을 통하여 수행될 수 있다.
① 최대 출력 전류에서의 제1 스위치(Q1)의 데드 타임의 최소값과, 최소 출력 전류에서의 데드 타임의 최대값 결정.
② 최소값 및 최대값과 실제 입력 전압 및 실제 출력 전류 사이의 관계식 결정.
③ 실제 입력 전압과 실제 출력 전류에 따라 최소값과 최대값 사이의 데드 타임 추정.
과정 ①에 관하여, 최대 출력 전류(I2max)에서 데드 타임의 최소값은 누설 인덕터(L3)와 제1 기생 캐패시터(C1)의 공진 주기로부터 산출될 수 있다. 즉, 제1 기생 캐패시터(C1)의 전압(VC1)이 최소값까지 강하하는 시간은 누설 인덕터(L3)와 제1 기생 캐패시터(C1)의 공진 주기의 1/4에 해당할 수 있다.
따라서, 최대 출력 전류에서의 제1 스위치(Q1)의 데드 타임의 최소값(Tmin)는 [수학식 4]에 의하여 산출될 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00004
Tmin은 데드 타임의 최소값을 나타내고, π는 원주율을 나타내고, L3는 변압기의 누설 인덕턴스를 나타내고, C1은 제1 스위치의 기생 캐패시턴스를 나타낼 수 있다.
또한, 출력 전류(I2)가 최대일 때, 제1 스위치(Q1)의 데드 타임은 제1 스위치(Q1)의 오프 타임보다 길수 없다. 제1 스위치(Q1)의 데드 타임이 제1 스위치(Q1)의 오프 타임보다 길어지면 제1 스위치(Q1)의 듀티비(D)가 감소하므로, 직류-직류 변환기(100)는 제2 배터리(B2)로 기준 전압을 출력할 수 없다.
제1 스위치(Q1)의 오프 타임은 제1 스위치(Q1)의 스위칭 주파수(Fsw)와 제1 스위치(Q1)의 듀티비(D)로부터 [수학식 5]를 이용하여 산출될 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00005
여기서, Tmax는 데드 타임의 최대값을 나타내고, Fsw는 제1 스위치의 스위칭 주파수를 나타내고, D는 제1 스위치의 듀티비를 나타낼 수 있다.
과정 ②에 관하여, 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류가 최대 전류일 때 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(Tdead)은 최소값(Tmin)이 되고, 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류가 "0"일 때 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(Td)은 최대값(Tmax)가 될 수 있다.
또한, 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(Tdead)은 직류-직류 변환기(100)의 입력 전압의 증가에 따라 감소할 수 있다.
이러한 관계를 만족하는 관계식은 [수학식 6]과 같을 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00006
여기서, Tdead는 제1 스위치의 데드 타임을 나타내고, Tmax는 데드 타임의 최대값을 나타내고, Tmin는 데드 타임의 최소값을 나타내고, V1은 직류-직류 변환기의 측정 입력 전압을 나타내고, V1.max는 직류-직류 변환기의 최대 입력 전압을 나타내고, I2는 직류-직류 변환기의 측정 출력 전류를 나타내고, I2.max는 직류-직류 변환기의 최대 출력 전류를 나타낼 수 있다.
[수학식 6]에 의하면, 제1 스위치의 데드 타임(Tdead)은 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류(I2)의 증가에 따라 감소하고, 직류-직류 변환기(100)의 입력 전압(V1)의 증가에 따라 증가할 수 있다.
또한, 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류(I2)가 최대이고 직류-직류 변환기(100)의 입력 전압(V1)이 최대이면 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(Tdead)은 최소값(Tmin)이 되고, 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류(I2)가 최소("O")이면 제1 스위치의 데드 타임(Tdead)은 최대값(Tmax)이 될 수 있다.
과정 ③에 관하여, 직류-직류 변환기(100)는 [수학식 6]을 이용하여 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(Tdead)을 결정할 수 있다.
예를 들어, 직류-직류 변환기(100)의 제어기(110)는 [수학식 6]을 이용하여 제1 전압 센서(170)가 출력한 직류-직류 변환기(100)의 입력 전압(V1)과 출력 전류 센서(190)가 출력한 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류(I2)로부터 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(Tdead)을 산출할 수 있다.
특히, 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(Tdead)은 최소값(Tmin)보다 작지 않다. 예를 들어, 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류(I2)의 값이 최대값(I2.max)이고 직류-직류 변환기(100)의 입력 전압(V1)의 값이 최대값(V1.max)보다 작더라도 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(Tdead)은 최소값(Tmin)으로 결정된다.
또한, 직류-직류 변환기(100)는 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류(I2), 입력 전압(V1) 및 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(Tdead)을 포함하는 룩업 테이블을 이용하여 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(Tdead)을 결정할 수 있다.
예를 들어, 제어기(110)의 메모리(111)는 도 15에 도시된 바와 같은 룩업 테이블을 저장할 수 있다. 제어기(110)는 메모리(111)에 저장된 룩업 테이블을 참조하여 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류(I2)와 입력 전압(V1)에 대응하는 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(Tdead)을 결정할 수 있다.
도 15에 의하면, 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(Tdead)은 최소값(Tmin)보다 작지 않다. 예를 들어, 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류(I2)의 값이 최대값(I2.max)이고 직류-직류 변환기(100)의 입력 전압(V1)의 값이 최대값(V1.max)의 80%이면, 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(Tdead)은 최소값(Tmin)으로 결정된다.
직류-직류 변환기(100)는 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(Tdead)가 경과한 후 제1 스위치(Q1)을 폐쇄(턴온)한다(1170).
제2 스위치(Q2)가 개방(턴오프)된 이후 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(Tdead)가 경과하면, 직류-직류 변환기(100)의 제어기(110)는 제1 스위치(Q1)에 턴온 신호를 출력할 수 있다. 제어기(110)의 턴온 신호에 응답하여 제1 스위치(Q1)는 폐쇄(턴온)될 수 있다.
예를 들어, 도 16의 (a)에 도시된 바와 같이 제2 스위치(Q2)가 개방(턴오프)되면 직류-직류 변환기(100)는 전압 강하 동작(1100)을 재개할 수 있으며, 직류-직류 변환기(100)는 제1 스위치(Q1)를 폐쇄(턴온)하기 위한 데드 타임(Tdead)을 결정할 수 있다.
직류-직류 변환기(100)의 출력 전류(I2)의 값이 도 16의 (b)에 도시된 바와 같이 최대값(I2.max)과 동일하면, 직류-직류 변환기(100)는 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(Tdead)을 최소값(Tmin)과 동일한 제1 시간(T1)으로 정할 수 있다. 또한, 도 16의 (c)에 도시된 바와 같이 제어기(110)는 제1 시간(T1)이 경과한 후 제1 스위치(Q1)에 턴온 신호를 출력할 수 있다.
직류-직류 변환기(100)의 출력 전류(I2)의 값이 도 16의 (b)에 도시된 바와 같이 최대값(I2.max)의 80%이면, 직류-직류 변환기(100)는 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(Tdead)을 제1 시간(T1)보다 큰 제2 시간(T2)으로 정할 수 있다. 또한, 도 16의 (d)에 도시된 바와 같이 제어기(110)는 제2 시간(T2)이 경과한 후 제1 스위치(Q1)에 턴온 신호를 출력할 수 있다.
직류-직류 변환기(100)의 출력 전류(I2)의 값이 도 16의 (b)에 도시된 바와 같이 최대값(I2.max)의 60%이면, 직류-직류 변환기(100)는 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(Tdead)을 제2 시간(T2)보다 큰 제3 시간(T3)으로 정할 수 있다. 또한, 도 16의 (e)에 도시된 바와 같이 제어기(110)는 제3 시간(T3)이 경과한 후 제1 스위치(Q1)에 턴온 신호를 출력할 수 있다.
이후, 직류-직류 변환기(100)는 제1 스위치(Q1)를 개방(턴오프)한다(1180).
또한, 직류-직류 변환기(100)는 제2 스위치(Q2)를 폐쇄(턴온)한다(1190).
또한, 직류-직류 변환기(100)는 제2 스위치(Q2)를 개방(턴오프)한다(1200).
동작 1180, 동작 1190 및 동작 1200은 각각 도 6에 도시된 동작 1060, 동작 1070 및 동작 1080과 동일하다.
이처럼, 직류-직류 변환기(100)의 입력 전압과 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류에 따라 제1 스위치(Q1)의 데드 타임(Tdead)을 변경함으로써, 직류-직류 변환기(100)는 제1 스위치(Q1)의 스위칭 손실을 최소화할 수 있다. 특히, 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류(I2)가 작을 때 제1 스위치(Q1)의 스위칭 손실이 더욱 최소화될 수 있다.
특히, 도 17에 도시된 바와 같이 제1 스위치(Q1)의 데드 타임이 변동 가능한 경우는 제1 스위치(Q1)의 데드 타임이 고정되는 경우에 비하여 전체적으로 향상된 효율이 나타난다.
예를 들어, 제1 스위치(Q1)의 데드 타임이 고정되는 경우, 직류-직류 변환기의 출력 전류(I2)가 최대값(I2.max)의 대략 40%일 때 직류-직류 변환기의 효율이 최대이며 직류-직류 변환기의 출력 전류(I2)가 감소할수록 효율 역시 함께 감소한다. 또한, 직류-직류 변환기의 출력 전류(I2)가 최대값(I2.max)의 대략 20% 이하가 되면 직류-직류 변환기의 효율이 급격히 감소하는 것으로 나타난다. 특히, 직류-직류 변환기의 출력 전류(I2)가 최대값(I2.max)의 대략 10%이면 직류-직류 변환기의 효율은 대략 83%까지 감소한다.
반면, 제1 스위치(Q1)의 데드 타임이 변동 가능한 경우, 직류-직류 변환기의 출력 전류(I2)가 최대값(I2.max)의 대략 40%일 때 직류-직류 변환기의 효율이 최대이며 직류-직류 변환기의 출력 전류(I2)가 감소할수록 효율 역시 함께 감소한다. 또한, 직류-직류 변환기의 출력 전류(I2)가 최대값(I2.max)의 대략 20% 이하가 되더라도 직류-직류 변환기의 효율이 서서히 감소하는 것으로 나타난다. 특히, 직류-직류 변환기의 출력 전류(I2)가 최대값(I2.max)의 대략 10%이더라도 직류-직류 변환기의 효율은 대략 89%를 유지할 수 있다.
도 17에 의하면, 특히 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류(I2)가 최대값(I2.max)의 대략 20% 이하일 때, 제1 스위치(Q1)의 데드 타임이 변동 가능한 직류-직류 변환기의 효율이 제1 스위치(Q1)의 데드 타임이 고정된 직류-직류 변환기에 비하여 대략 5% 향상됨이 나타난다.
또한, 차량(1)의 전장 부품들(30)은 비교적 작은 전력을 소비하므로, 제2 배터리(B2)의 전압 변동이 크지 않다. 따라서, 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류(I2) 역시 크지 않다. 구체적으로, 직류-직류 변환기(100)의 출력 전류(I2)는 최대값(I2.max)의 20% 이하인 빈도가 직류-직류 변환기(100)의 전체 동작 중에 80% 이상인 것으로 알려져 있다.
따라서, 제1 스위치(Q1)의 데드 타임이 변동 가능한 직류-직류 변환기의 효율은 제1 스위치(Q1)의 데드 타임이 고정된 직류-직류 변환기에 비하여 전체적으로 향상됨을 쉽게 알 수 있다.
한편, 개시된 실시예들은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 저장하는 기록매체의 형태로 구현될 수 있다. 명령어는 프로그램 코드의 형태로 저장될 수 있으며, 프로세서에 의해 실행되었을 때, 프로그램 모듈을 생성하여 개시된 실시예들의 동작을 수행할 수 있다. 기록매체는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로 구현될 수 있다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체로는 컴퓨터에 의하여 해독될 수 있는 명령어가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다.
이상에서와 같이 첨부된 도면을 참조하여 개시된 실시예들을 설명하였다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고도, 개시된 실시예들과 다른 형태로 본 발명이 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 개시된 실시예들은 예시적인 것이며, 한정적으로 해석되어서는 안 된다.
1: 차량 100: 직류-직류 변환기
110: 제어기 120: 변압기
130: 구동 스위치 회로 140: 리셋 회로
150: 리셋 스위치 회로 160: 정류 회로
170: 제1 전압 센서 180: 제2 전압 센서
190: 출력 전류 센서

Claims (23)

  1. 제1 전압의 전력을 출력하는 제1 배터리;
    제2 전압의 전력을 출력하는 제2 배터리;
    상기 제1 배터리의 제1 전압을 상기 제2 전압으로 변환하고, 변환된 제2 전압의 전력을 상기 제2 배터리에 공급하는 직류-직류 변환기를 포함하고,
    상기 직류-직류 변환기는,
    상기 제1 전압을 상기 제2 전압으로 변환하는 변압기;
    상기 제1 배터리로부터 상기 변압기에 입력되는 제1 전류를 제어하는 제1 스위치;
    상기 변압기로부터 상기 제2 배터리로 출력되는 제2 전류의 값을 측정하는 전류 센서; 및
    설정된 개폐 주파수에 따라 상기 제1 스위치를 턴온 및 턴오프하는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 측정된 제2 전류의 값에 따라 상기 제1 스위치의 턴온을 지연하는 차량.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 측정된 제2 전류의 값의 감소에 따라 상기 제1 스위치의 턴온을 지연시키는 데드 타임을 증가시키는 차량.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 배터리의 제1 전압의 값을 측정하는 전압 센서를 더 포함하는 차량.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 측정된 제1 전압의 값의 감소에 따라 상기 데드 타임을 감소시키는 차량.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 측정된 제1 전압의 값과 측정된 상기 제2 전류의 값으로부터 상기 데드 타임을 연산하는 차량.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는 복수의 제1 전압의 값과, 복수의 제2 전류의 값과, 상기 복수의 제1 전압의 값 및 상기 복수의 제2 전류의 값에 대응하는 복수의 데드 타임을 포함하는 룩업 테이블로부터 상기 측정된 제1 전압의 값과 상기 측정된 제2 전류의 값에 대응하는 데드 타임을 불러오는 차량.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 직류-직류 변환기는,
    상기 변압기의 1차 코일을 리셋하는 리셋 캐패시터; 및
    상기 리셋 캐패시터의 리셋 전류를 제어하는 제2 스위치를 더 포함하고,
    상기 제어기는 상기 제1 스위치의 턴오프 이후 상기 제2 스위치를 턴온하고, 상기 제2 스위치를 턴오프한 이후 상기 제2 스위치를 턴온하는 차량.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제2 스위치를 턴오프한 이후 데드 타임이 경과하면 상기 제1 스위치를 턴온하는 차량.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 측정된 제2 전류의 값의 감소에 따라 상기 데드 타임을 증가시키는 차량.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치 양단의 전압은 상기 변압기의 누설 인덕턴스와 상기 제1 스위치의 기생 캐패시턴스의 공진 현상에 의하여 변화하고,
    상기 제어기는 상기 공진 현상에 의하여 상기 제1 스위치 양단의 전압이 최소값일 때 상기 제1 스위치를 턴온하는 차량.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 직류-직류 변환기는 상기 변압기로부터 출력되는 전압과 전류를 정류하는 정류 회로를 더 포함하는 차량.
  12. 제1 배터리가 출력하는 제1 전압을 제2 배터리가 출력하는 제2 전압으로 변환하는 차량용 직류-직류 변환기에 있어서,
    상기 제1 배터리와 연결되는 1차 코일과 상기 제2 배터리와 연결되는 2차 코일을 포함하고, 상기 제1 전압을 상기 제2 전압으로 변환하는 변압기;
    상기 변압기와 직렬로 연결되는 제1 스위치;
    상기 1차 코일과 병렬로 연결되는 리셋 캐패시터;
    상기 리셋 캐패시터와 직렬로 연결되는 제2 스위치;
    상기 제1 전압의 값을 측정하는 전압 센서;
    상기 2차 코일이 출력하는 제2 전류의 값을 측정하는 전류 센서;
    동작 주파수에 따라 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 교대로 턴온 및 턴오프하는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 측정된 제1 전압의 값과 상기 측정된 제2 전류의 값에 따라 상기 제1 스위치의 턴온을 지연하는 차량용 직류-직류 변환기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제2 스위치를 턴오프한 이후 데드 타임이 경과하면 상기 제1 스위치를 턴온하는 차량용 직류-직류 변환기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 측정된 제2 전류의 값의 감소에 따라 상기 데드 타임을 증가시키는 차량용 직류-직류 변환기.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 측정된 제1 전압의 값의 감소에 따라 상기 데드 타임을 감소시키는 차량용 직류-직류 변환기.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 측정된 제1 전압의 값과 측정된 상기 제2 전류의 값으로부터 상기 데드 타임을 연산하는 차량용 직류-직류 변환기.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 제어기는 복수의 제1 전압의 값과, 복수의 제2 전류의 값과, 상기 복수의 제1 전압의 값 및 상기 복수의 제2 전류의 값에 대응하는 복수의 데드 타임을 포함하는 룩업 테이블로부터 상기 측정된 제1 전압의 값과 상기 측정된 제2 전류의 값에 대응하는 데드 타임을 불러오는 차량용 직류-직류 변환기.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 변압기로부터 출력되는 전압과 전류를 정류하는 정류 회로를 더 포함하는 차량용 직류-직류 변환기.
  19. 제1 배터리의 제1 전압을 제2 배터리의 제2 전압으로 변환하는 변압기와, 상기 변압기에 입력되는 제1 전류를 제어하는 제1 스위치와, 상기 변압기의 1차 코일을 리셋하는 리셋 캐패시터와, 상기 리셋 캐패시터의 리셋 전류를 제어하는 제2 스위치를 포함하는 차량용 직류-직류 변환기의 제어 방법에 있어서,
    상기 변압기의 1차 코일이 리셋되도록 상기 제2 스위치를 턴온하는 과정;
    상기 제2 스위치를 턴오프하는 과정;
    상기 변압기의 2차 코일이 출력하는 제2 전류의 값을 측정하는 과정;
    상기 제1 배터리의 제1 전압의 값을 측정하는 과정;
    상기 제1 스위치의 턴온을 지연하는 데드 타임을 상기 측정된 제2 전류의 값과 상기 측정된 제1 전압의 값에 따라 결정하는 과정;
    상기 데드 타임이 경과한 이후 상기 제1 스위치를 턴온하는 과정;
    상기 제1 스위치를 턴오프하는 과정을 포함하는 차량용 직류-직류 변환기의 제어 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 데드 타임은 상기 측정된 제2 전류의 값의 감소에 따라 증가하는 차량용 직류-직류 변환기의 제어 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 데드 타임은 상기 측정된 제1 전압의 값의 감소에 따라 감소하는 차량용 직류-직류 변환기의 제어 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 데드 타임을 결정하는 과정은,
    프로세서에 의하여, 상기 측정된 제1 전압의 값과 측정된 상기 제2 전류의 값으로부터 상기 데드 타임을 연산하는 과정을 포함하는 차량용 직류-직류 변환기의 제어 방법.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 데드 타임을 결정하는 과정은,
    복수의 제1 전압의 값과, 복수의 제2 전류의 값과, 상기 복수의 제1 전압의 값 및 상기 복수의 제2 전류의 값에 대응하는 복수의 데드 타임을 포함하는 룩업 테이블을 메모리에 저장하는 과정; 및
    상기 측정된 제1 전압의 값과 상기 측정된 제2 전류의 값에 대응하는 데드 타임을 상기 메모리의 룩업 테이블로부터 불러오는 과정을 포함하는 차량용 직류-직류 변환기의 제어 방법.
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