KR20190067746A - 모듈형 양방향 ｄｃ-ｄｃ 컨버터 - Google Patents

모듈형 양방향 ｄｃ-ｄｃ 컨버터 Download PDF

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Abstract

모듈형 양방향 DC-DC 컨버터가 개시된다. 본 발명의 모듈형 양방향 DC-DC 컨버터양방향 DC-DC 컨버터의 전기적 연결 관계에 따라 배선되는 복수 개의 슬롯을 구비하는 보드; 상기 슬롯에 탈부착 가능하게 형성되어 용량에 따라 상기 슬롯 중 적어도 하나 이상에 장착되어 제어부의 제어 신호에 따라 동작하는 스위칭 모듈; 및 상기 보드에 설치되어 동작 모드에 따라 상기 스위칭 모듈에 저전압 전원 또는 고전압 전원을 입출력하는 버스바 모듈을 포함하고, 상기 제어부는 상기 스위칭 모듈에 입력되는 고전압 또는 저전압을 모니터링하는 전압 모니터링부; 상기 스위칭 모듈에 흐르는 전류를 모니터링하는 전류 모니터링부; 및 상기 전압 모니터링부 및 상기 전류 모니터링부의 모니터링 결과에 따라 상기 스위칭 모듈을 각각 스위칭 제어하는 MCU를 포함하며, 상기 버스바 모듈은 저전압 전원으로부터 저전압을 입력받아 상기 스위칭 모듈에 입력하거나 상기 스위칭 모듈에 의해 전력 변환된 저전압을 저전압 전원으로 인가하는 제1 버스바; 고전압 전원으로부터 고전압을 입력받아 상기 스위칭 모듈에서 입력하거나 상기 스위칭 모듈에 의해 전력 변환된 고전압을 고전압 전원으로 인가하는 제2 버스바; 및 상기 스위칭 모듈을 접지와 연결시키는 제3 버스바를 포함하고, 상기 보드는 상기 버스바 모듈을 통해 입출력되는 고전원 전원 또는 저전압 전원으로부터 입력되는 비정상적인 전압을 차단하는 보호부를 더 포함하며, 상기 보호부는 상기 스위칭 모듈과 상기 버스바 모듈 사이에 각각 배치되며, 상기 제어부는 상기 스위칭 모듈이 상기 슬롯에 장착되면 동작 모드가 부스트 모드(Boost mode) 또는 벅 모드(Buck mode)인지에 따라 상기 스위칭 모듈에 스위칭 신호를 입력하여 고전압 전원 또는 저전압 전원 간의 전력 변환을 수행하는 것을 특징으로 한다.

Description

모듈형 양방향 ＤＣ-ＤＣ 컨버터{MODULE TYPE BIDIRECTIONAL DC-DC CONVERTER}
본 발명은 모듈형 양방향 DC-DC 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭부를 모듈화하고 이 스위칭 모듈을 보드에 탈부착할 수 있도록 함으로써 컨버터 용량을 조절할 수 있도록 한 모듈형 양방향 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
최근 차량용 48V 시스템이 보급됨에 따라, 기존의 12V 시스템과 48V 시스템의 전기 흐름을 제어하기 위한, 양방향 DC-DC 컨버터의 필요성이 대두되었다. 양방향 DC-DC 컨버터는 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.
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 양방향 DC-DC 컨버터가 순차적으로 구동된다. 양방향 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.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 10-2017-0081497호(2017.07.12)의 '차량용 컨버터 제어방법 및 시스템'에 개시되어 있다.
종래의 양방향 DC-DC 컨버터는 사양이 결정되면 용량에 따라 페이즈의 수가 결정되는데 그 용량에 따라 양방향 DC-DC 컨버터를 새롭게 설계하여야 하며, 그에 따라 공정 및 검증을 새롭게 진행되어야 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭부를 모듈화하여 보드에 탈부착할 수 있도록 함으로써 컨버터 용량을 조절할 수 있도록 한 모듈형 양방향 DC-DC 컨버터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 모듈형 양방향 DC-DC 컨버터는 양방향 DC-DC 컨버터의 전기적 연결 관계에 따라 배선되는 복수 개의 슬롯을 구비하는 보드; 상기 슬롯에 탈부착 가능하게 형성되어 용량에 따라 상기 슬롯 중 적어도 하나 이상에 장착되어 제어부의 제어 신호에 따라 동작하는 스위칭 모듈; 및 상기 보드에 설치되어 동작 모드에 따라 상기 스위칭 모듈에 저전압 전원 또는 고전압 전원을 입출력하는 버스바 모듈을 포함하고, 상기 제어부는 상기 스위칭 모듈에 입력되는 고전압 또는 저전압을 모니터링하는 전압 모니터링부; 상기 스위칭 모듈에 흐르는 전류를 모니터링하는 전류 모니터링부; 및 상기 전압 모니터링부 및 상기 전류 모니터링부의 모니터링 결과에 따라 상기 스위칭 모듈을 각각 스위칭 제어하는 MCU를 포함하며, 상기 버스바 모듈은 저전압 전원으로부터 저전압을 입력받아 상기 스위칭 모듈에 입력하거나 상기 스위칭 모듈에 의해 전력 변환된 저전압을 저전압 전원으로 인가하는 제1 버스바; 고전압 전원으로부터 고전압을 입력받아 상기 스위칭 모듈에서 입력하거나 상기 스위칭 모듈에 의해 전력 변환된 고전압을 고전압 전원으로 인가하는 제2 버스바; 및 상기 스위칭 모듈을 접지와 연결시키는 제3 버스바를 포함하고, 상기 보드는 상기 버스바 모듈을 통해 입출력되는 고전원 전원 또는 저전압 전원으로부터 입력되는 비정상적인 전압을 차단하는 보호부를 더 포함하며, 상기 보호부는 상기 스위칭 모듈과 상기 버스바 모듈 사이에 각각 배치되며, 상기 제어부는 상기 스위칭 모듈이 상기 슬롯에 장착되면 동작 모드가 부스트 모드(Boost mode) 또는 벅 모드(Buck mode)인지에 따라 상기 스위칭 모듈에 스위칭 신호를 입력하여 고전압 전원 또는 저전압 전원 간의 전력 변환을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 모듈형 양방향 DC-DC 컨버터는 용량에 따라 스위칭부를 탈부착시킬 수 있어 DC-DC 컨버터를 용이하게 설계하고 이를 통해 양방향 DC-DC 컨버터에 대한 공정 및 검증 절차를 간소화시킬 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 양방향 DC-DC 컨버터의 블럭 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭 모듈을 탈부착하는 예를 도시한 도면이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 양방향 DC-DC 컨버터를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 양방향 DC-DC 컨버터의 블럭 구성도이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭 모듈을 탈부착하는 예를 도시한 도면이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 양방향 DC-DC 컨버터는 보드(10), 제어부(20) 및 전력 변환부(30)를 포함한다. 전력 변환부(30)는 스위칭 모듈(32), 버스바 모듈(40) 및 보호부(31)를 포함한다.
보드(10)는 양방향 DC-DC 컨버터의 전기적 연결 관계에 따라 배선되는 복수 개의 슬롯(33)을 구비한다.
보드(10)는 원 보드(One Board) 형태 또는 투 보드(Two Board) 형태로 제작될 수 있는데, 예를 들어 원 보드 형태로 제작될 경우에는 상기한 제어부(20)와 전력 변환부(30)가 하나의 보드(10)에 모두 탑재될 수 있고, 투 보드 형태로 제작될 경우에는 이들 중 어느 하나에는 제어부(20)가 탑재되고, 나머지 하나에는 전력 변환부(30)가 탑재될 수 있다.
슬롯(33)은 상기한 바와 같이 복수 개가 마련되는 바, 이들 슬롯(33) 각각에는 스위칭 모듈(32)이 선택적으로 장착될 수 있다. 슬롯(33)은 스위칭 모듈(32)을 보호부(31)를 통해 저전압 전원 또는 고전압 전원과 전기적으로 연결시키고 제어부(20)와도 전기적으로 연결시킨다.
즉, 사용자가 시험 또는 검증하고자 하는 양방향 DC-DC 컨버터의 사양이 결정되면, 이 양방향 DC-DC 컨버터의 사양에 따라 스위칭 모듈(32)을 선별하여 각각의 슬롯(33)에 선택적으로 장착할 수 있다.
스위칭 모듈(32)이 슬롯(33)에 장착됨에 따라, 각 스위칭 모듈(32)은 보호부(31)를 통해 고전압 전원 및 저전압 전원과 전기적으로 연결될 뿐만 아니라, 제어부(20)와도 전기적으로 연결된다.
이에, 스위칭 모듈(32)은 제어부(20)의 스위칭 신호에 따라 스위칭되어 고전압 전원과 저전압 전원 간의 양방향 전력 변환을 수행하게 된다.
여기서, 슬롯(33)의 개수 및 위치는 특별히 한정되는 것은 아니며 시험 또는 검증하고자 하는 양방향 DC-DC 컨버터에 따라 다양하게 마련될 수 있다.
전력 변환부(30)는 제어부(20)의 스위칭 신호, 즉 FET(Field Effect Transitor) 신호에 따라 동작하여 고전압 전원(미도시) 또는 저전압 전원(미도시)으로부터 입력되는 전압을 고전압 또는 저전압으로 전력 변환한다.
먼저, 스위칭 모듈(32)은 모듈 형태로 각각이 독립적으로 형성되어 보드(10)의 슬롯(33)에 탈부착될 수 있으며, 제어부(20)의 스위칭 신호에 따라 동작하여 고전압 전원(미도시) 또는 저전압 전원(미도시)으로부터 입력되는 전압을 고전압 또는 저전압으로 전력 변환한다.
고전압 전원 및 저전압 전원은 차량 내의 각 전자 부품에 각각 고전압 및 저전압을 공급할 수 있으며, 상호 간의 전력 변환을 위해 스위칭 모듈(32)에 전기적으로 연결될 수 있다.
고전압 전원 및 저전압 전원은 통상적인 전력 변환 시스템에 따라 각각 48V 전원 및 12V 전원으로 구성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또한, 고전압 전원 및 저전압 전원은 리튬 배터리, 납축전지, 슈퍼 커패시터 또는 울트라 커패시터가 단독 또는 조합되어 구성될 수 있으나 상기한 대상에 한정되지 않고 차량의 전자 부품에 전원을 공급할 수 있는 모든 구성을 포함할 수 있다.
이에, 스위칭 모듈(32)은 일단이 고전압 전원에 연결되고 타단이 저전압 전원에 전기적으로 연결되어 고전압 전원과 저전압 전원 간의 양방향 전력 변환을 수행한다.
여기서, 스위칭 모듈(32)은 전원을 충전 또는 방전시키는 1개의 인덕터, 및 제어부(20)의 스위칭 신호에 따라 턴온 또는 턴오프되는 2개의 스위치 등을 포함한다.
제어부(20)는 동작 모드, 예를 들어 부스트 모드 또는 벅 모드인지에 따라 각각의 스위치에 스위칭 신호를 입력하고, 이러한 제어부(20)의 스위칭 신호에 따라 2개의 스위치가 각각 턴온 또는 턴오프되면서 인덕터에 전원이 충전 또는 방전되는 과정을 반복하게 됨으로써, 고전압 전원과 저전압 전원 간의 전력 변환이 수행된다. 여기서, 2개의 스위치는 FET로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 형태의 스위치가 채용될 수 있다.
버스바 모듈(40)은 보드(10)에 설치되어 동작 모드에 따라 스위칭 모듈(32)에 저전압 전원 또는 고전압 전원을 입출력한다.
버스바 모듈(40)은 제1 버스바(42), 제2 버스바(43) 및 제3 버스바(41)를 포함한다.
제1 버스바(42)는 저전압 전원으로부터 저전압을 입력받아 스위칭 모듈(32)에 입력하거나 스위칭 모듈(32)에 의해 전력 변환된 저전압을 저전압 전원으로 인가한다.
제2 버스바(43)는 고전압 전원으로부터 고전압을 입력받아 스위칭 모듈(32)에서 입력하거나 스위칭 모듈(32)에 의해 전력 변환된 고전압을 고전압 전원으로 인가한다.
제3 버스바(41)는 스위칭 모듈(32)을 접지와 연결시킨다.
보호부(31)는 버스바 모듈(40)을 통해 입출력되는 고전원 전원 또는 저전압 전원으로부터 입력되는 비정상적인 전압을 차단한다.
이러한 보호부(31)는 스위칭 모듈(32)과 버스바 모듈(40) 사이에 각각 배치되어 버스바 모듈(40)을 통해 입출력되는 고전원 전원 또는 저전압 전원으로부터 입력되는 비정상적인 전압을 차단함으로써, 이상 전압에 의한 스위칭 모듈(32)의 고장이나 비정상적인 동작을 미연에 방지한다.
제어부(20)는 스위칭 모듈(32)이 슬롯(33)에 장착되면 동작 모드, 예를 들어 부스트 모드(Boost Mode) 또는 벅 모드(Buck Mode)인지 여부에 따라 스위칭 모듈(32)에 스위칭 신호를 입력하여 고전압 전원 또는 저전압 전원으로부터 입력된 전압을 고전압 또는 저전압으로 전력 변환한다.
제어부(20)는 전원부(21), 전압 모니터링부(23), CAN(Car Area Network) 통신부(22), 전압 모니터링부(23), 전류 모니터링부(24) 및 MCU(Micro Controller Unit)(25)를 포함한다.
전원부(21)는 MCU(25)에 전원을 인가한다.
CAN 통신부(22)는 상위 제어기와 MCU(25) 간의 CAN 통신을 수행한다. 이러한 CAN 통신부(22)는 상위 제어기(미도시)로부터 제어명령이 입력되면 이 제어명령을 MCU(25)에 전달한다. 이러한 제어명령에 따라 MCU(25)가 스위칭 모듈(32)을 제어한다.
전압 모니터링부(23)는 스위칭 모듈(32)에 입력되는 고전압 또는 저전압을 모니터링한다.
전류 모니터링부(24)는 스위칭 모듈(32)에 흐르는 전류를 모니터링한다.
MCU(25)는 CAN 통신부(22)를 통해 상위 제어기로부터 제어명령이 입력되면, 이 제어명령에 따라 스위칭 모듈(32)에 스위칭 신호를 입력한다. 이 경우, MCU(25)는 동작 모드, 예를 들어 부스트 모드 또는 벅 모드인지에 따라, 전압 모니터링부(23) 및 전류 모니터링부(24) 각각으로부터 입력된 전압 및 전류를 바탕으로, 각 스위칭 모듈(32)에 구비된 스위치에 스위칭 신호를 입력하여 각 스위치를 턴온 또는 턴오프시킴으로써, 인덕터에 전원이 충전 또는 방전되는 과정을 반복하도록 함으로써, 고전압 전원과 저전압 전원 간의 전력 변환을 수행한다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 양방향 DC-DC 컨버터는 양방향 DC-DC 컨버터의 전기적 연결 관계에 따라 배선되는 복수 개의 슬롯(33)을 구비하는 보드(10)를 구비하고, 슬롯(33)에 탈부착 가능하게 형성되어 용량에 따라 슬롯(33) 중 적어도 하나 이상에 장착될 수 있는 스위칭 모듈(32)을 탈부착할 수 있도록 한다.
이를 통해 사용자는 시험 또는 검증하고자 하는 양방향 DC-DC 컨버터의 사양에 따라 스위칭 모듈(32)을 자유롭게 선택적으로 탈부착할 수 있어 양방향 DC-DC 컨버터 설계를 더욱 용이하게 할 수 있고, 양방향 DC-DC 컨버터에 대한 공정 및 검증 절차를 간소화시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
10: 보드
20: 제어부
21: 전원부
22: CAN 통신부
23: 전압 모니터링부
24: 전류 모니터링부
30: 전력 변환부
31: 보호부
32: 스위칭 모듈
33: 슬롯
40: 버스바 모듈
41: 제3 버스바
42: 제1 버스바
43: 제2 버스바

Claims (1)

  1. 양방향 DC-DC 컨버터의 전기적 연결 관계에 따라 배선되는 복수 개의 슬롯을 구비하는 보드;
    상기 슬롯에 탈부착 가능하게 형성되어 용량에 따라 상기 슬롯 중 적어도 하나 이상에 장착되어 제어부의 제어 신호에 따라 동작하는 스위칭 모듈; 및
    상기 보드에 설치되어 동작 모드에 따라 상기 스위칭 모듈에 저전압 전원 또는 고전압 전원을 입출력하는 버스바 모듈을 포함하고,
    상기 제어부는 상기 스위칭 모듈에 입력되는 고전압 또는 저전압을 모니터링하는 전압 모니터링부; 상기 스위칭 모듈에 흐르는 전류를 모니터링하는 전류 모니터링부; 및 상기 전압 모니터링부 및 상기 전류 모니터링부의 모니터링 결과에 따라 상기 스위칭 모듈을 각각 스위칭 제어하는 MCU를 포함하며,
    상기 버스바 모듈은 저전압 전원으로부터 저전압을 입력받아 상기 스위칭 모듈에 입력하거나 상기 스위칭 모듈에 의해 전력 변환된 저전압을 저전압 전원으로 인가하는 제1 버스바; 고전압 전원으로부터 고전압을 입력받아 상기 스위칭 모듈에서 입력하거나 상기 스위칭 모듈에 의해 전력 변환된 고전압을 고전압 전원으로 인가하는 제2 버스바; 및 상기 스위칭 모듈을 접지와 연결시키는 제3 버스바를 포함하고,
    상기 보드는 상기 버스바 모듈을 통해 입출력되는 고전원 전원 또는 저전압 전원으로부터 입력되는 비정상적인 전압을 차단하는 보호부를 더 포함하며,
    상기 보호부는 상기 스위칭 모듈과 상기 버스바 모듈 사이에 각각 배치되며,
    상기 제어부는 상기 스위칭 모듈이 상기 슬롯에 장착되면 동작 모드가 부스트 모드(Boost mode) 또는 벅 모드(Buck mode)인지에 따라 상기 스위칭 모듈에 스위칭 신호를 입력하여 고전압 전원 또는 저전압 전원 간의 전력 변환을 수행하는 것을 특징으로 하는 모듈형 양방향 DC-DC 컨버터.
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