KR20220030087A - 보호 회로, dc-dc 컨버터, 배터리 충전기 및 전기 차량 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 보호 회로는, 전압 입력단과 제1 노드 사이에 연결되고, 스위칭 신호의 스위칭 주기 및 듀티 사이클에 의해 제어되는 벅 스위치; 상기 제1 노드와 전압 출력단 사이에 연결되는 벅 인덕터; 상기 전압 출력단과 접지 사이에 연결되는 벅 커패시터; 및 제2 노드와 상기 접지 사이에 연결되는 벅 다이오드를 포함하는 DC-DC 컨버터를 위한 것이다. 상기 보호 회로는, 상기 제1 노드, 상기 제2 노드 및 상기 접지에 연결된다. 상기 보호 회로는, 상기 스위칭 신호에 의해 상기 벅 스위치가 온 상태와 오프 상태 간에서 전환 시, 상기 벅 스위치의 전압 스트레스가 상기 전압 입력단과 상기 접지 간에 제공되는 입력 전압보다 작도록, 상기 제1 노드와 상기 접지 사이에 보호 전압을 제공하도록 구성된다.

Description

보호 회로, DC-DC 컨버터, 배터리 충전기 및 전기 차량{PROTECTION CIRCUIT, BUCK CONVERTER, BATTERY CHARGER, AND ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 DC-DC 컨버터를 스위칭 손실로부터 보호하기 위한 기술에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
전기 차량은, 배터리 및 배터리 충전기를 포함한다. 배터리 충전기는, 충전 케이블을 통해 외부 전원에 연결 시, 외부 전원으로부터 입력되는 전력을 이용하여, 배터리를 위한 충전 전력을 생성한다. 일반적으로, 배터리 충전기는 입력 전압보다 작은 출력 전압을 생성하는 DC-DC 컨버터를 포함한다.
최근, 전기 차량의 경량화 추세에 맞춰, DC-DC 컨버터에 대한 경량화 및 소형화 요구가 증대되고 있다. DC-DC 컨버터를 소형화 및 경량화하기 위해서는, DC-DC 컨버터에 포함되는 각 물리 소자의 크기를 감소시키는 대신, 스위칭 신호의 스위칭 주파수를 증가시켜야 한다.
도 1은 일반적인 전압 강압형 DC-DC 컨버터를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, DC-DC 컨버터는, 전압 입력단(Ni)과 제1 노드(N1) 사이에 연결되는 벅 스위치(SWB); 제1 노드(N1)와 전압 출력단(No) 사이에 연결되는 벅 인덕터(LB); 전압 출력단(No)과 접지 사이에 연결되는 벅 커패시터(CB); 및 제1 노드(N1)와 접지 사이에 연결되는 벅 다이오드(DB)를 포함한다. 벅 스위치(SWB)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환 시, 벅 다이오드(DB)가 턴 온되어 제1 노드(N1)와 접지 간에는 0V와 실질적으로 동일한 전압이 제공된다. 반면, 벅 스위치(SWB)가 오프 상태로부터 온 상태로 전환 시, 벅 다이오드(DB)가 턴 오프되어 제1 노드(Ni)와 접지 간에는 입력 전압(Vin)과 실질적으로 동일한 전압이 제공된다. 결과적으로, 벅 스위치(SWB)가 온 상태와 오프 상태 간에서 전환 시마다, 입력 전압(Vin)과 실질적으로 동일한 전압 스트레스가 벅 스위치(SWB)의 양단에 걸쳐 발생한다.
그런데, DC-DC 컨버터의 스위칭 손실은 전압 스트레스에 비례하므로, 스위칭 주파수가 증가될 경우 DC-DC 컨버터의 전력 효율이 저하되고, DC-DC 컨버터가 과열되는 문제가 발생한다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, DC-DC 컨버터를 스위칭 손실로부터 보호하기 위한 보호 회로, 상기 보호 회로를 포함하는 배터리 충전기 및 상기 배터리 충전기를 포함하는 전기 차량을 제공하는 것을 목적으로 한다.
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 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 보호 회로는, DC-DC 컨버터를 위해 제공된다. 상기 DC-DC 컨버터는, 전압 입력단과 제1 노드 사이에 연결되고, 스위칭 신호의 스위칭 주기 및 듀티 사이클에 의해 제어되는 벅 스위치; 상기 제1 노드와 전압 출력단 사이에 연결되는 벅 인덕터; 제2 노드와 상기 접지 사이에 연결되는 벅 다이오드; 및 상기 전압 출력단과 접지 사이에 연결되는 벅 커패시터를 포함한다. 상기 보호 회로는, 상기 제1 노드, 상기 제2 노드 및 상기 접지에 연결된다. 상기 보호 회로는, 상기 스위칭 신호에 의해 상기 벅 스위치가 온 상태와 오프 상태 간에서 전환 시, 상기 벅 스위치의 전압 스트레스가 상기 전압 입력단과 상기 접지 간에 제공되는 입력 전압보다 작도록, 상기 제1 노드와 상기 접지 사이에 보호 전압을 제공하도록 구성된다.
상기 보호 회로는, 상기 제1 노드 및 상기 제2 노드 사이에 연결되는 제1 보호 커패시터; 제3 노드 및 상기 접지 사이에 연결되는 제2 보호 커패시터; 상기 제2 노드 및 상기 제3 노드 사이에 연결되는 보호 인덕터; 및 상기 제1 노드 및 상기 제3 노드 사이에 연결되는 보호 다이오드를 포함한다.
상기 보호 다이오드는, 상기 벅 스위치가 온 상태를 가지는 제1 기간에서, 오프 상태로 유지된다. 상기 보호 다이오드는, 상기 벅 스위치가 오프 상태를 가지는 제2 기간에서, 온 상태로 유지된다.
상기 보호 전압은, 상기 제1 보호 커패시터와 상기 벅 다이오드의 직렬 회로의 전압과 동일할 수 있다.
상기 제1 보호 커패시터, 상기 보호 인덕터 및 상기 제2 보호 커패시터의 직렬 회로의 전압은, 상기 벅 스위치가 온 상태를 가지는 제1 기간에서, 상기 벅 인덕터의 전압과 출력 전압의 합과 동일할 수 있다. 상기 출력 전압은, 상기 전압 출력단과 상기 접지 간의 전압이다.
상기 제1 보호 커패시터의 전압은, 상기 벅 스위치가 오프 상태를 가지는 제2 기간에서, 상기 보호 인덕터와 상기 보호 다이오드의 직렬 회로의 전압과 동일할 수 있다.
상기 제2 보호 커패시터의 전압은, 상기 벅 스위치가 오프 상태를 가지는 제2 기간에서, 상기 보호 인덕터와 상기 벅 다이오드의 직렬 회로의 전압과 동일할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 DC-DC 컨버터는 상기 보호 회로를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 충전기는 상기 DC-DC 컨버터를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 차량은, 상기 배터리 충전기 및 상기 전압 출력단과 상기 접지 사이에 연결되는 배터리를 포함한다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 별도의 온오프 제어가 요구되는 추가적인 스위치를 사용하지 않고도, DC-DC 컨버터에 포함된 벅 스위치의 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다.
또한, 벅 스위치의 스위칭 손실의 감소에 대응하여 스위칭 주파수의 증가가 가능하므로, DC-DC 컨버터의 경량화 및 소형화를 달성할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일반적인 전압 강압형 DC-DC 컨버터를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 전기 차량의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 충전기의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 도 3의 DC-DC 컨버터의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4의 DC-DC 컨버터가 정상 상태에서 동작 중인 경우에 단일 스위칭 주기에 걸친 각 소자의 전류 파형 및 벅 스위치의 전압 파형을 개략적으로 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어부>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 2는 본 발명에 전기 차량의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 전기 차량(1)은, 배터리 팩(10), 인버터(30), 전기 모터(40) 및 배터리 충전기(50)를 포함한다.
배터리 팩(10)은, 배터리(B), 릴레이(20) 및 배터리 관리 시스템(100)을 포함한다.
배터리(B)는, 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함한다. 각 배터리 셀은, 예컨대 리튬 이온 셀 등과 같이 반복적인 충방전이 가능한 것이라면 그 종류는 특별히 한정되지 않는다. 배터리(B)는, 배터리 팩(10)에 마련된 한 쌍의 전원 단자를 통해 인버터(30)에 결합될 수 있다.
릴레이(20)는, 배터리(B)에 직렬로 연결된다. 릴레이(20)는, 배터리(B)의 충방전을 위한 전류 경로에 설치된다. 릴레이(20)는, 배터리 관리 시스템(100)으로부터의 제어 신호에 응답하여, 온오프 제어된다. 릴레이(20)는, 코일의 자기력에 의해 온오프되는 기계식 릴레이이거나 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)과 같은 반도체 스위치일 수 있다.
인버터(30)는, 배터리 관리 시스템(100)로부터의 명령에 응답하여, 배터리(B)로부터의 직류 전류를 교류 전류로 변환하도록 제공된다. 전기 모터(40)는, 예컨대 3상 교류 모터일 수 있다. 전기 모터(40)는, 인버터(30)로부터의 교류 전력을 이용하여 구동한다.
배터리 관리 시스템(100)은, 배터리(B)의 충방전과 관련된 전반적인 제어를 담당하도록 제공된다.
배터리 관리 시스템(100)은, 센싱부(110), 메모리부(120) 및 제어부(140)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(100)은, 인터페이스부(130) 및 스위치 드라이버(150) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
센싱부(110)는, 전압 센서(111) 및 전류 센서(112)를 포함한다. 센싱부(110)는, 온도 센서(113)를 더 포함할 수 있다.
전압 센서(111)는, 배터리(B)에 병렬 연결되어, 배터리(B)의 양단에 걸친 배터리 전압을 검출하고, 검출된 배터리 전압을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성된다. 전류 센서(112)는, 전류 경로를 통해 배터리(B)에 직렬로 연결된다. 전류 센서(112)는, 배터리(B)를 통해 흐르는 배터리 전류를 검출하고, 검출된 배터리 전류를 나타내는 전류 신호를 생성하도록 구성된다. 온도 센서(113)는, 배터리(B)의 온도를 검출하고, 검출된 온도를 나타내는 온도 신호를 생성하도록 구성된다.
메모리부(120)는, 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 메모리부(120)는, 제어부(140)에 의한 연산 동작에 요구되는 데이터 및 프로그램을 저장할 수 있다. 메모리부(120)는, 제어부(140)에 의한 연산 동작의 결과를 나타내는 데이터를 저장할 수 있다.
인터페이스부(130)는, 제어부(140)와 상위 컨트롤러(2)(예, ECU: Electronic Control Unit) 간의 유선 통신 또는 무선 통신을 지원하도록 구성되는 통신 회로를 포함할 수 있다. 유선 통신은 예컨대 캔(CAN: contoller area network) 통신일 수 있고, 무선 통신은 예컨대 지그비나 블루투스 통신일 수 있다. 물론, 제어부(140)와 상위 컨트롤러(2) 간의 유무선 통신을 지원하는 것이라면, 통신 프토토콜의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다. 인터페이스부(130)는, 제어부(140) 및/또는 상위 컨트롤러(2)로부터 수신된 정보를 사용자가 인식 가능한 형태로 제공하는 출력 디바이스(예, 디스플레이, 스피커)를 포함할 수 있다. 상위 컨트롤러(2)는, 배터리 관리 시스템(100)과의 통신을 통해 수집되는 배터리 정보(예, 전압, 전류, 온도, SOC)를 기초로, 인버터(30)를 제어할 수 있다.
제어부(140)는, 상위 컨트롤러(2), 릴레이(20), 센싱부(110), 메모리부(120), 인터페이스부(130) 및/또는 스위치 드라이버(150)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 제어부(140)는, 하드웨어적으로, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
스위치 드라이버(150)는, 제어부(140)로부터의 명령에 응답하여, 릴레이(20)에게 스위칭 신호(S1)를 출력하도록 구성된다. 스위치 드라이버(150)는, 제어부(140)로부터의 명령에 응답하여, 배터리 충전기(50)에게 스위칭 신호(S2)를 출력하도록 구성된다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 충전기의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이고, 도 4는 도 3의 DC-DC 컨버터의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 배터리 충전기(50)는, 배터리(B)의 양단에 연결 가능하도록 제공된다. 배터리 충전기(50)는, DC-DC 컨버터(62)를 포함한다. 배터리 충전기(50)는, 충전 플러그(51) 및 AC-DC 컨버터(52)를 더 포함할 수 있다.
AC-DC 컨버터(52)는, 충전 플러그(51)에 접속된 교류 충전 스테이션(미도시)으로부터의 교류 전력을 소정의 전압 레벨을 가지는 직류 전력으로 변환하도록 구성된다.
DC-DC 컨버터(62)는, AC-DC 컨버터(52) 또는 직류 충전 스테이션(미도시)으로부터의 직류 전력을 이용하여, 배터리(B)를 위한 충전 전력을 생성하도록 구성된다.
DC-DC 컨버터(62)는, 입력 전압(Vin)을 강압하여, 입력 전압(Vin)보다 낮은 출력 전압(Vout)을 생성하는 벅 컨버터이다. DC-DC 컨버터(62)는, 전압 입력단(Ni), 전압 출력단(No), 벅 스위치(SWB), 벅 인덕터(LB), 벅 커패시터(CB), 벅 다이오드(DB) 및 보호 회로(70)를 포함한다. 보호 회로(70)는 '패시브 스너버(passive snubber)'라고 칭할 수도 있다.
전압 입력단(Ni)과 접지 간에는, AC-DC 컨버터(52) 또는 직류 충전 스테이션)으로부터의 입력 전압(Vin)이 제공될 수 있다. 전압 출력단(No)과 접지 간에는, 배터리(B)가 연결될 수 있다.
벅 스위치(SWB)는, 전압 입력단(Ni)과 제1 노드(N1) 사이에 연결된다. 벅 스위치(SWB)는, 스위치 드라이버(150)로부터의 스위칭 신호(S2)에 응답하여, 온오프 제어된다. 벅 스위치(SWB)로는, 예컨대 MOSFET 등의 공지의 스위칭 소자가 이용될 수 있다. 스위칭 신호(S2)의 스위칭 주기 및 듀티 사이클이 각각 TS 및 D인 경우, 벅 스위치(SWB)는 TS×D의 제1 기간 동안 온 상태로 유지되고, TS×(1-D)의 제2 기간 동안 오프 상태로 유지된다. 제1 기간과 제2 기간의 합은 스위칭 주기(TS)와 동일하다.
벅 인덕터(LB)는, 제1 노드(N1)와 전압 출력단(No) 사이에 연결된다. 벅 인덕터(LB)는, 제1 기간 동안, 제1 노드(N1)로부터 입력되는 전류에 의해 충전된다. 제1 기간 동안에 벅 인덕터(LB)에 충전된 에너지는, 제2 기간 동안 전압 출력단(No)으로 제공된다. 제1 기간 동안 벅 인덕터(LB)에 충전되는 에너지와 제2 기간 동안에 벅 인덕터(LB)로부터 방전되는 에너지가 평형을 이루는 상태를 DC-DC 컨버터(62)의 '정상 상태(steady state)'라고 칭할 수 있다.
벅 커패시터(CB)는, 전압 출력단(No)과 접지 사이에 연결된다. 벅 커패시터(CB)는, 전압 출력단(No)과 접지 사이에 제공되는 출력 전압(Vout)의 리플을 억제하도록 제공된다.
벅 다이오드(DB)는, 제2 노드(N2)와 접지 사이에 연결된다. 구체적으로, 벅 다이오드(DB)의 애노드 및 캐소드는 접지 및 제2 노드(N2)에 각각 연결된다. 벅 스위치(SWB)가 온 상태를 가지는 제1 기간 동안, 제2 노드(N2)의 전위가 접지 전위보다 높아져, 벅 다이오드(DB)는 오프 상태가 된다. 벅 스위치(SWB)가 오프 상태를 가지는 제2 기간 동안, 제2 노드(N2)의 전위가 접지 전위보다 낮아져, 벅 다이오드(DB)는 온 상태가 된다. 벅 다이오드(DB)가 온 상태인 동안, 접지로부터 제2 노드(N2)로의 전류가 벅 다이오드(DB)를 통해 흐르게 된다.
보호 회로(70)는, 제1 노드(N1), 제2 노드(N2) 및 접지에 연결된다. 보호 회로(70)는, 스위칭 신호(S2)에 의해 벅 스위치(SWB)가 온 상태 및 오프 상태 중 어느 하나로부터 다른 하나로 전환 시, 제1 노드(N1)와 접지 사이에 보호 전압을 제공하도록 구성된다. 벅 스위치(SWB)의 전압 스트레스는 전압 입력단(Ni)과 제1 노드(N1) 간의 전압차이므로, 보호 전압에 의해 벅 스위치(SWB)의 전압 스트레스가 전압 입력단(Ni)과 접지 간에 제공되는 입력 전압(Vin)보다 작아진다.
보호 회로(70)는, 제1 보호 커패시터(CP1), 제2 보호 커패시터(CP2), 보호 인덕터(LP) 및 보호 다이오드(DP)를 포함한다.
도 4에 있어서, ISW는 벅 스위치(SWB)를 통해 흐르는 전류, ILB는 벅 인덕터(LB)를 통해 흐르는 전류, ILP는 보호 인덕터(LP)를 통해 흐르는 전류, ICP1는 제1 보호 커패시터(CP1)를 통해 흐르는 전류, ICP2는 제2 보호 커패시터(CP2)를 통해 흐르는 전류, IDB는 벅 다이오드(DB)를 통해 흐르는 전류, IDP는 보호 다이오드(DP)를 통해 흐르는 전류, VSW는 벅 스위치(SWB)의 전압 스트레스를 나타낸다.
제1 보호 커패시터(CP1)는, 제1 노드(N1) 및 제2 노드(N2) 사이에 연결된다.
제2 보호 커패시터(CP2)는, 제3 노드(N3) 및 접지 사이에 연결된다.
제1 보호 커패시터(CP1) 및 제2 보호 커패시터(CP2)는, 벅 스위치(SWB)가 온 상태와 오프 상태 간에서 전환 시에 제1 노드(N1)와 접지 간에 보호 전압을 제공함으로써, 벅 스위치(SWB)의 전압 스트레스(SWB)의 크기를 감소시킨다.
보호 인덕터(LP)는, 제2 노드(N2) 및 제3 노드(N3) 사이에 연결된다. 보호 인덕터(LP)는, 제1 보호 커패시터(CP1) 및 제2 보호 커패시터(CP2)의 충전 및 방전 시에, 제1 보호 커패시터(CP1)의 전류(ICP1) 및 제2 보호 커패시터(CP2)의 전류(ICP2)의 급격한 변화를 억제하도록 제공된다.
보호 다이오드(DP)는, 제1 노드(N1) 및 제3 노드(N3) 사이에 연결된다. 구체적으로, 보호 다이오드(DP)의 애노드 및 캐소드는 제3 노드(N3) 및 제1 노드(N1)에 각각 연결된다. 보호 다이오드(DP)는, 제1 노드(N1)의 전위가 제3 노드(N3)의 전위보다 낮은 경우에, 온 상태가 된다. 보호 다이오드(DP)가 온 상태인 동안, 제3 노드(N3)로부터 제1 노드(N1)로의 전류(IDP)가 보호 다이오드(DP)를 통해 흐르게 된다. 보호 다이오드(DP)는, 제1 노드(N1)의 전위가 제3 노드(N3)의 전위보다 높은 경우에 오프 상태가 된다. 보호 다이오드(DP)가 오프 상태인 동안, 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 간의 전류 흐름이 차단된다.
도 5는 도 4의 DC-DC 컨버터(62)가 정상 상태에서 동작 중인 경우에 단일 스위칭 주기에 걸친 각 소자의 전류 파형 및 벅 스위치의 전압 파형을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 단일 스위치 주기는, 벅 스위치(SWB)의 상태 및 보호 인덕터(LP)의 전류의 방향에 따라, 4가지의 연속된 동작 모드로 구분될 수 있다. 제1 내지 제4 동작 모드에서, 전류(ICP1)와 전류(ICP2)는 서로 동일하고, 전류(IDP)와 전류(IDB)는 서로 동일한바, 도 5에서는 전류(ICP2)의 파형 및 전류(IDB)의 파형은 생략하였다.
제1 동작 모드는, 벅 스위치(SWB)가 오프 상태로부터 온 상태로 전환된 시점부터 전류(ILP)가 음의 값으로부터 0 A에 도달하는 시점까지의 동작 모드이다. 제1 동작 모드에서 전류(ILP)가 음의 값을 가지는 것은, 제1 보호 커패시터(CP1) 및 제2 보호 커패시터(CP2)가 제1 동작 모드에서 방전된다는 것을 의미한다.
제2 동작 모드는, 벅 스위치(SWB)가 온 상태로 유지되면서 전류(ILP)가 0A로부터 점차 상승하는 동작 모드이다. 제2 동작 모드에서 전류(ILP)가 0 A보다 큰 양의 값인 것은, 제1 보호 커패시터(CP1) 및 제2 보호 커패시터(CP2)가 제2 동작 모드에서 충전된다는 것을 의미한다.
제1 동작 모드 및 제2 동작 모드에서, 벅 다이오드(DB) 및 보호 다이오드(DP)는 오프 상태를 가진다. 따라서, 제1 보호 커패시터(CP1), 보호 인덕터(LP) 및 제2 보호 커패시터(CP2)의 직렬 회로의 전압은, 입력 전압(Vin)과 동일하다.
제3 동작 모드는, 벅 스위치(SWB)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환된 시점부터 전류(ILP)가 양의 값으로부터 0 A에 도달하는 시점까지의 동작 모드이다.
제4 동작 모드는, 벅 스위치(SWB)가 오프 상태로 유지되면서 전류(ILP)가 0A로부터 점차 감소하는 동작 모드이다.
제3 동작 모드 및 제4 동작 모드에서, 벅 다이오드(DB) 및 보호 다이오드(DP)는 온 상태를 가지므로, 제1 보호 커패시터(CP1)와 벅 다이오드(DB)의 직렬 회로가 제1 노드(N1)와 접지 간에 0V보다 큰 보호 전압을 제공한다. 즉, 보호 전압은, 제1 보호 커패시터(CP1)와 벅 다이오드(DB)의 직렬 회로의 양단에 걸친 전압과 동일할 수 있다.
벅 스위치(SWB)가 온 상태인 경우, 제1 노드(N1)의 전압은 입력 전압(Vin)과 동일하고, 벅 인덕터(LB)의 전압(VLB)은 입력 전압(Vin)과 출력 전압(Vout) 간의 전압차와 동일하다. 따라서, 제1 동작 모드 및 제2 동작 모드에서는, 다음의 수식 1 및 수식 2의 관계가 만족된다.
<수식 1>
VLP = Vin - VCP1 - VCP2 = Vin - 2VCP1
<수식 2>
VLB = Vin - Vout
벅 스위치(SWB)가 오프 상태인 경우, 벅 다이오드(DB) 및 보호 다이오드(DP)는 온 상태를 가지므로, 제1 보호 커패시터(CP1), 보호 인덕터(LP) 및 제2 보호 커패시터(CP2)가 제1 노드(N1)와 접지 간에 병렬 연결된 것으로 등가화할 수 있다. 따라서, 벅 다이오드(DB) 및 보호 다이오드(DP) 각각의 순방향 전압 강하가 0 V라고 가정할 때, 제3 동작 모드 및 제4 동작 모드에서는, 다음의 수식 3 및 수식 4의 관계가 만족된다.
<수식 3>
VLP = - VCP1 = - VCP2
<수식 4>
VLB = VCP1 - Vout = VCP2 - Vout = - VLP - Vout
DC-DC 컨버터(62)가 정상 상태에서 동작 중인 경우, 전압-시간 균형 법칙(volt-second balance rule)에 따라, 단일 스위칭 주기에 걸친 벅 인덕터(LB) 및 보호 인덕터(LP) 각각의 평균 전압은 0 V여야 한다. 따라서, 수식 1 및 수식 3으로부터 다음의 수식 5가 도출되고, 수식 2 및 수식 4로부터 다음의 수식 6이 도출된다.
<수식 5>
(Vin - 2VCP1)×D - VCP1×(1 - D) = 0 [V]
<수식 6>
(Vin - Vout)×D + (VCP1 - Vout)×(1-D) = 0 [V]
수식 5를 VCP1에 대해 정리하면, 다음의 수식 5-1과 같다.
<수식 5-1>
Figure pat00001
수식 5-1을 이용하여, 수식 6을 Vout에 대해 정리하면, 다음의 수식 6-1과 같다.
<수식 6-1>
Figure pat00002
수식 6-1에서, GV는 DC-DC 컨버터(62)의 전압 게인이다.
또한, 벅 스위치(SWB)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환 시의 전압 스트레스는, 다음의 수식 7과 같다.
<수식 7>
Figure pat00003
듀티 사이클(D)은 0~1 사이이다. 따라서, DC-DC 컨버터(62)의 전압 스트레스(VSW)는 보호 회로(70)에 의해 입력 전압(Vin)의 1/(1+D)배로 감소한다. 즉, 도 1에 도시된 종래의 DC-DC 컨버터에서는 듀티 사이클(D)과는 무관하게 입력 전압(Vin)과 동일한 크기를 가지는 전압 스트레스가 벅 스위치(SWB)에 제공되는 반면, 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터(62)에서는 입력 전압(Vin)보다 작은 전압 스트레스(VSW)가 벅 스위치(SWB)에 제공된다. 또한, 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터(62)에서는 듀티 사이클(D)이 증가함에 따라 벅 스위치(SWB)의 전압 스트레스(VSW)가 감소한다. 제어부(140)는, DC-DC 컨버터(62)를 이용하여 배터리(B)를 충전 중, 설정 시간마다 듀티 사이클(D)을 소정 비율만큼씩 증가시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
1: 전기 차량
10: 배터리 팩
B: 배터리
50: 배터리 충전기
62: DC-DC 컨버터
SWB: 벅 스위치
LB: 벅 인덕터
CB: 벅 커패시터
DB: 벅 다이오드
70: 보호 회로
CP1: 제1 보호 커패시터
CP2: 제2 보호 커패시터
LP: 보호 인덕터
DP: 보호 다이오드
100: 배터리 관리 시스템

Claims (10)

  1. 전압 입력단과 제1 노드 사이에 연결되고, 스위칭 신호의 스위칭 주기 및 듀티 사이클에 의해 제어되는 벅 스위치; 상기 제1 노드와 전압 출력단 사이에 연결되는 벅 인덕터; 제2 노드와 상기 접지 사이에 연결되는 벅 다이오드; 및 상기 전압 출력단과 접지 사이에 연결되는 벅 커패시터를 포함하는 DC-DC 컨버터를 위한 보호 회로에 있어서,
    상기 제1 노드, 상기 제2 노드 및 상기 접지에 연결되고,
    상기 스위칭 신호에 의해 상기 벅 스위치가 온 상태와 오프 상태 간에서 전환 시, 상기 벅 스위치의 전압 스트레스가 상기 전압 입력단과 상기 접지 간에 제공되는 입력 전압보다 작도록, 상기 제1 노드와 상기 접지 사이에 보호 전압을 제공하도록 구성되는 보호 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 노드 및 상기 제2 노드 사이에 연결되는 제1 보호 커패시터;
    제3 노드 및 상기 접지 사이에 연결되는 제2 보호 커패시터;
    상기 제2 노드 및 상기 제3 노드 사이에 연결되는 보호 인덕터; 및
    상기 제1 노드 및 상기 제3 노드 사이에 연결되는 보호 다이오드를 포함하는 보호 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보호 다이오드는,
    상기 벅 스위치가 온 상태를 가지는 제1 기간에서, 오프 상태로 유지되고,
    상기 벅 스위치가 오프 상태를 가지는 제2 기간에서, 온 상태로 유지되는 보호 회로.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 보호 전압은,
    상기 제1 보호 커패시터와 상기 벅 다이오드의 직렬 회로의 전압과 동일한 보호 회로.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 보호 커패시터, 상기 보호 인덕터 및 상기 제2 보호 커패시터의 직렬 회로의 전압은,
    상기 벅 스위치가 온 상태를 가지는 제1 기간에서, 상기 벅 인덕터의 전압과 출력 전압의 합과 동일하되,
    상기 출력 전압은, 상기 전압 출력단과 상기 접지 간의 전압인 보호 회로.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 보호 커패시터의 전압은,
    상기 벅 스위치가 오프 상태를 가지는 제2 기간에서, 상기 보호 인덕터와 상기 보호 다이오드의 직렬 회로의 전압과 동일한 보호 회로.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제2 보호 커패시터의 전압은,
    상기 벅 스위치가 오프 상태를 가지는 제2 기간에서, 상기 보호 인덕터와 상기 벅 다이오드의 직렬 회로의 전압과 동일한 보호 회로.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 상기 보호 회로를 포함하는 DC-DC 컨버터.
  9. 제8항에 따른 상기 DC-DC 컨버터를 포함하는 배터리 충전기.
  10. 제9항에 따른 상기 배터리 충전기; 및
    상기 전압 출력단과 상기 접지 사이에 연결되는 배터리를 포함하는 전기 차량.
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