KR20220063506A - 직류-직류 컨버터 및 그 제어 방법 - Google Patents

직류-직류 컨버터 및 그 제어 방법 Download PDF

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overvoltage
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이유종
장지웅
이기종
신상철
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현대자동차주식회사
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Abstract

제1 커패시터; 상기 제1 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬 관계로 순차적으로 연결된 제1 스위칭 소자, 제2 스위칭 소자, 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자; 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드와 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 연결 노드에 각각 양단이 연결된 제2 커패시터; 및 상기 제1 커패시터에 인가된 전압을 검출한 제1 검출전압 및 상기 제2 커패시터에 인가된 전압을 검출한 제2 검출전압을 기반으로 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자 각각의 양단에 과전압 인가 여부를 판단하는 컨트롤러를 포함하는 직류-직류 컨버터가 개시된다.

Description

직류-직류 컨버터 및 그 제어 방법{DC-DC CONVERTER}
본 발명은 직류-직류 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되어 스위칭 소자가 소손되는 것을 방지할 수 있는 플라잉 커패시터를 구비한 직류-직류 컨버터 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 직류-직류 컨버터는 입력된 직류 전압의 크기를 원하는 크기로 변환하는 장치로서 각종 전기 전력 분야에 널리 이용되고 있다.
종래의 직류-직류 컨버터로서 반도체 스위칭 소자의 온/오프 동작을 이용하여 인덕터의 에너지 축적과 에너지 방출의 양을 컨트롤해 직류에서 직류로의 전압 변환을 하는 기술이 알려져 있다. 이러한 종래의 직류-직류 컨버터는 적용된 인덕터의 사이즈가 크고 그 중량이 무거운 단점이 있다.
이러한 인덕터 사이즈 및 중량의 문제를 해소하기 위해 커패시터를 이용하여 커패시터의 충방전을 이용하여 인덕터에 인가되는 전압을 감소시킴으로써 인덕터에 의해 제공되는 인덕턴스 값을 감소시킴으로써 인덕터를 소형화 및 경량화 하는 기술이 개발되었다.
이러한 기술 중 하나로서 복수의 스위칭 소자를 직렬 연결하고 그 중 일부 스위칭 소자 사이에 플라잉 커패시터를 구비하는 직류-직류 컨버터가 있다.
종래에 제안된 플라잉 커패시터를 구비하는 직류-직류 컨버터는 추가되는 플라잉 커패시터의 전압을 일정 수준으로 제어해야 하기 위해 입력단이나 출력단에 구비된 커패시터 및 플라잉 커패시터의 양단 전압을 검출한다. 이러한 종래의 플라잉 커패시터의 경우 각 커패시터의 전압을 검출하여 해당 커패시터의 양단에 과전압이 인가되는 것을 방지할 수 있다.
그러나 종래의 플라이이 커패시터를 구비하는 직류-직류 컨버터의 경우 각 스위칭 소자의 양단의 전압은 검출하지 않으므로 스위칭 소자의 내압을 초과하는 과전압이 스위칭 소자에 인가되는 것을 방지하기 위한 별도의 방안이 마련되지 못한 상태이다.
따라서, 당 기술 분야에서는 플라잉 커패시터를 구비하는 컨버터에서 스위칭 소자의 양단에 과전압에 인가되는 것을 사전에 방지하여 스위칭 소자를 보호할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
US 7746041 B2 JP 6223609 B2
이에 본 발명은, 플라잉 커패시터를 구비하는 컨버터에 구비된 복수의 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되어 스위칭 소자가 소손되는 것을 사전에 방지할 수 있는 직류-직류 컨버터 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
제1 커패시터;
상기 제1 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬 관계로 순차적으로 연결된 제1 스위칭 소자, 제2 스위칭 소자, 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자;
상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드와 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 연결 노드에 각각 양단이 연결된 제2 커패시터; 및
상기 제1 커패시터에 인가된 전압을 검출한 제1 검출전압 및 상기 제2 커패시터에 인가된 전압을 검출한 제2 검출전압을 기반으로 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자 각각의 양단에 과전압 인가 여부를 판단하는 컨트롤러;
를 포함하는 직류-직류 컨버터를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제2 스위칭 소자와 상기 제3 스위칭 소자의 상태를 상보관계로 제어하며, 상기 제2 검출전압과 사전 설정된 과전압 판단 기준값을 비교한 결과에 기반하여 상기 제2 스위칭 소자 또는 상기 제3 스위칭 소자의 양단에 과전압 인가 여부를 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제2 검출전압이 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 경우 상기 제2 스위칭 소자 또는 상기 제3 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되는 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제2 검출전압이 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 것으로 판단한 회수가 사전 설정된 기준값 보다 많은 경우, 상기 제2 스위칭 소자 또는 상기 제3 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되는 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 상태를 상보관계로 제어하며, 상기 제1 검출전압에서 제2 검출전압을 차감한 차이값과 사전 설정된 과전압 판단 기준값을 비교한 결과에 기반하여 상기 제1 스위칭 소자 또는 상기 제4 스위칭 소자의 양단에 과전압 인가 여부를 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 검출전압에서 제2 검출전압을 차감한 차이값이 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 경우 상기 제1 스위칭 소자 또는 상기 제4 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되는 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 검출전압에서 제2 검출전압을 차감한 차이값이 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 것으로 판단한 회수가 사전 설정된 기준값 보다 많은 경우, 상기 제1 스위칭 소자 또는 상기 제4 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되는 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 과전압 판단 기준값은 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자의 사양에 의해 정의된 내압에 소정 마진을 적용하여 상기 사양에 정의된 내압보다 작은 값을 가질 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
제1 커패시터; 상기 제1 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬 관계로 순차적으로 연결된 제1 스위칭 소자, 제2 스위칭 소자, 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자; 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드와 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 연결 노드에 각각 양단이 연결된 제2 커패시터를 포함하는 직류-직류 컨버터의 제어 방법에 있어서,
상기 제2 스위칭 소자와 상기 제3 스위칭 소자의 상태를 상보관계로 제어하는 단계;
상기 제2 커패시터에 인가된 전압을 검출하는 단계;
상기 제2 커패시터에 인가된 전압을 검출한 검출전압과 사전 설정된 과전압 판단 기준값을 비교하는 단계; 및
상기 검출전압이 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 경우 상기 제2 스위칭 소자 또는 상기 제3 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되는 것으로 판단하는 단계;
를 포함하는 직류-직류 컨버터의 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 판단하는 단계는, 상기 제2 검출전압이 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 것으로 판단한 회수가 사전 설정된 기준값 보다 많은 경우, 상기 제2 스위칭 소자 또는 상기 제3 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되는 것으로 판단할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서 본 발명은,
제1 커패시터; 상기 제1 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬 관계로 순차적으로 연결된 제1 스위칭 소자, 제2 스위칭 소자, 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자; 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드와 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 연결 노드에 각각 양단이 연결된 제2 커패시터를 포함하는 직류-직류 컨버터의 제어 방법에 있어서,
상기 제1 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 상태를 상보관계로 제어하는 단계;
상기 제1 커패시터에 인가된 전압 및 상기 제2 커패시터에 인가된 전압을 검출하는 단계;
상기 제1 커패시터에 인가된 전압을 검출한 제1 검출전압에서 상기 제2 커패시터에 인가된 전압을 검출한 제2 검출전압을 차감한 차이값과 사전 설정된 과전압 판단 기준값을 비교하는 단계; 및
상기 차이값이 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 경우 상기 제1 스위칭 소자 또는 상기 제4 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되는 것으로 판단하는 단계;
를 포함하는 직류-직류 컨버터의 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 판단하는 단계는, 상기 차이값이 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 것으로 판단한 회수가 사전 설정된 기준값 보다 많은 경우, 상기 제1 스위칭 소자 또는 상기 제4 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되는 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 과전압 판단 기준값은 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자의 사양에 의해 정의된 내압에 소정 마진을 적용하여 상기 사양에 정의된 내압보다 작은 값을 가질 수 있다.
상기 직류-직류 컨버터 및 그 제어 방법에 따르면, 플라잉 커패시터가 적용된 컨버터의 동작 시 출력단 커패시터 및 플라잉 커패시터에 구비된 전압 센서에서 검출되는 검출 전압을 기반으로 각 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되는 것을 사전에 감지하여 스위칭 소자가 소손되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터의 회로도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터의 전기적 흐름의 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 플라잉 커패시터를 적용한 컨버터의 승압 동작 시 스위칭 소자의 게이트 전압의 제어예 및 그에 따른 인덕터 전류 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터는, 제1 단자(T11)과 제2 단자(T12) 사이에 배터리가 구비되어 배터리의 전압(Vin)을 승압하여 제3 단자(T21)와 제4 단자(T22) 사이의 전압(VDC)로 출력하는 컨버터가 될 수 있다. 예를 들어, 제3 단자(T21)와 제4 단자(T22) 사이에는 부하가 연결될 수 있다.
더욱 구체적으로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터는, 제3 단자(T21)와 제4 단자(T22)에 양단이 각각 연결되는 제1 커패시터(CDC)와, 제1 커패시터(CDC)의 양단 사이에 상호 직렬 관계로 순차적으로 연결된 제1 스위칭 소자(S1), 제2 스위칭 소자(S2), 제3 스위칭 소자(S3) 및 제4 스위칭 소자(S4)와, 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)의 연결 노드와 제3 스위칭 소자(S3) 및 제4 스위칭 소자(S4)의 연결 노드에 각각 양단이 연결된 제2 커패시터(CFC)와, 제2 스위칭 소자(S2)와 제3 스위칭 소자(S3)의 연결 노드에 일단이 연결된 인덕터(L) 및 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1 내지 S4)의 온/오프 상태를 제어하는 컨트롤러(10)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 커패시터(CDC)는 제3 단자(T21)와 제4 단자(T22) 사이에 연결되는 일종의 평활 커패시터이다. 도 1에는 도시되지 않으나, 제1 단자(T11)와 제2 단자(T12) 사이에도 추가의 평활 커패시터가 연결될 수도 있다.
제1 내지 제4 스위칭 소자(S1 내지 S4)는 제1 커패시터(CDC)의 일단에서 타단을 향해 순차적으로 직렬 연결될 수 있다. 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1 내지 S4) 각각은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)로 구현될 수 있으며, IGBT의 게이트로 컨트롤러(10)의 온/오프 제어신호가 입력됨에 따라 온/오프 상태가 제어될 수 있다. 물론, 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1 내지 S4)는 IGBT를 대체할 수 있는 당 기술분야에 알려진 다양한 스위칭 소자로 구현될 수 있다.
제2 커패시터(CFC)는 플라잉 커패시터로서 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)의 연결노드와 제3 스위칭 소자(S3)와 제4 스위칭 소자(S4)의 연결노드에 각각 양단이 연결될 수 있다.
도시하지는 않았지만, 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터는, 컨트롤러(10)가 스위칭 소자(S1 내지 S4)의 온/오프 제어하기 위한 연산을 위해 필요한 회로 내 정보를 검출하기 위한 여러 센서가 구비될 수 있다. 먼저, 제1 단자(T11)와 제2 단자(T12) 사이의 전압(Vin) 또는 제3 단자(T21)와 제4 단자(T22) 사이의 전압(VDC)을 검출하기 위한 전압 센서가 구비될 수 있으며, 제2 커패시터(CFC)의 전압(VFC)을 검출하기 위한 전압 센서가 구비될 수 있고, 인덕터(L)에 흐르는 전류의 크기를 검출하기 위한 전류 센서가 구비될 수 있다. 이러한 전압 센서 및 전류 센서에서 검출된 검출 전압 및 검출 전류는 컨트롤러(10)로 제공될 수 있다.
컨트롤러(10)는 컨버터의 출력 전압에 해당하는 제3 단자(T21)와 제4 단자(T22) 사이의 전압, 즉 제1 커패시터(CDC)의 양단 전압(VDC)을 검출한 제1 검출 전압을 입력 받을 수 있다.
또한, 컨트롤러(10)는 제1 검출 전압과 그에 대한 제1 전압 지령을 비교하여 그 오차를 연산할 수 있다. 여기서, 제1 전압 지령은 상위 제어기 등에 의해 설정된 직류-직류 컨버터가 출력하고자 하는 전압값이 될 수 있다.
또한, 컨트롤러(10)는 플라잉 커패시터인 제2 커패시터(CFC)에 인가되는 전압을 검출한 검출 전압(VFC)을 입력 받고 사전 설정된 제2 전압 지령과 비교하여 그 오차를 연산할 수 있다. 여기서, 제2 전압 지령은 상위 제어기 등에 의해 사전 설정된 값으로 대략 제1 커패시터(CDC)의 전압의 1/2에 해당하는 값이 될 수 있다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터의 전기적 흐름의 상태를 도시한 도면이다.
도 2는 제1 스위칭 소자(S1)와 제3 스위칭 소자(S3)가 온이고 제2 스위칭 소자(S2)와 제4 스위칭 소자(S4)가 오프인 제1 상태를 도시한 것으로, 제1 상태에서는 인덕터(L)와 스위칭 소자(S2 또는 S3)의 연결 노드에 커패시터(CDC)의 전압(VDC)에서 플라잉 커패시터(CFC)의 전압(VFC)을 차감한 값이 인가된 상태이다.
도 3은 제3 스위칭 소자(S3)와 제4 스위칭 소자(S4)가 온이고 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)가 오프인 제2 상태를 도시한 것으로, 제2 상태에서는 인덕터(L)와 스위칭 소자(S2 또는 S3)의 연결 노드에 전압이 인가되지 않는 상태이다.
도 4는 제2 스위칭 소자(S2)와 제4 스위칭 소자(S4)가 온이고 제1 스위칭 소자(S1)와 제3 스위칭 소자(S3)가 오프인 제3 상태를 도시한 것으로, 제3 상태에서는 인덕터(L)와 스위칭 소자(S2 또는 S3)의 연결 노드에 플라잉 커패시터(CFC)의 전압(VFC)이 모두 인가된 상태이다.
도 5는 플라잉 커패시터를 적용한 컨버터의 승압 동작 시 스위칭 소자의 게이트 전압의 제어예 및 그에 따른 인덕터 전류 변화를 도시한 그래프이다.
도 5에서 스위칭 소자(S1 내지 S4)의 스위칭 주기는 '2*Ts'이고 각 스위칭 소자의 온/오프 상태에 따라 인덕터(L)에 흐르는 전류(IL)는 'Ts'의 주기로 증가 감소를 반복하게 된다.
도 5를 참조하면, 구간 1에서는 제1 스위칭 소자(S1)의 게이트로 제공되는 게이트 신호(G1)는 하이 상태이고, 제2 스위칭 소자(S2)의 게이트로 제공되는 게이트 신호(G2)는 로우 상태이고, 제3 스위칭 소자(S3)의 게이트로 제공되는 게이트 신호(G3)는 하이 상태이고, 제4 스위칭 소자(S4)의 게이트로 제공되는 게이트 신호(G4)는 로우 상태이다. 즉, 구간 1에서는 제1 스위칭 소자(S1)와 제3 스위칭 소자(S3)가 온이고 제2 스위칭 소자(S2)와 제4 스위칭 소자(S4)가 오프인 도 2에 도시된 제1 상태가 나타날 수 있다.
이어, 구간 2에서는 제1 스위칭 소자(S1)의 게이트로 제공되는 게이트 신호(G1)는 로우 상태이고, 제2 스위칭 소자(S2)의 게이트로 제공되는 게이트 신호(G2)는 로우 상태이고, 제3 스위칭 소자(S3)의 게이트로 제공되는 게이트 신호(G3)는 하이 상태이고, 제4 스위칭 소자(S4)의 게이트로 제공되는 게이트 신호(G4)는 하이 상태이다. 즉, 구간 2에서는 제3 스위칭 소자(S3)와 제4 스위칭 소자(S4)가 온이고 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)가 오프인 도 3에 도시된 제2 상태가 나타날 수 있다.
이어, 구간 3에서는 제1 스위칭 소자(S1)의 게이트로 제공되는 게이트 신호(G1)는 로우 상태이고, 제2 스위칭 소자(S2)의 게이트로 제공되는 게이트 신호(G2)는 하이 상태이고, 제3 스위칭 소자(S3)의 게이트로 제공되는 게이트 신호(G3)는 로우 상태이고, 제4 스위칭 소자(S4)의 게이트로 제공되는 게이트 신호(G4)는 하이 상태이다. 즉, 구간 3에서는 제2 스위칭 소자(S2)와 제4 스위칭 소자(S4)가 온이고 제1 스위칭 소자(S1)와 제3 스위칭 소자(S3)가 오프인 도 4에 도시된 제3 상태가 나타날 수 있다.
구간 4에서는 다시 제3 스위칭 소자(S3)와 제4 스위칭 소자(S4)가 온이고 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)가 오프인 제2 상태가 나타날 수 있다.
구간 2 및 구간 4에서는 인덕터(L)과 입력 전압(Vin)만으로만 전류 루프가 형성되어 인덕터(L)에 에너지가 저장되면서 전류(IL)가 점차 증가하게 되고, 구간 1 및 구간 3에서는 커패시터(VDC, VFC)에 전압이 인가되게 하는 구간으로 인덕터에 저장된 에너지가 방출되면서 전류(IL)가 감소하게 된다.
플라잉 커패시터를 구비하는 컨버터의 승압 동작의 경우 플라잉 커패시터(CFC)의 전압을 출력단 전압(VDC)의 1/2 배로 제어를 하게 되며, 도 5에 나타난 것과 같이 제1 스위칭 소자(S1)과 제4 스위칭 소자(S4)가 서로 상보 관계로 동작하며, 제2 스위칭 소자(S2)와 제3 스위칭 소자(S3)가 서로 상보 관계로 동작하게 된다. 또한, 플라잉 커패시터를 구비하는 컨버터의 승압 제어 시 스위칭 소자들(S1 내지 S4)을, 제1 상태-제2 상태-제3 상태-제2 상태를 순서대로 반복하도록 제어할 수 있다.
도 5에 도시된 예는 출력 전압(VDC)dl 입력 전압(Vin)의 두 배 이상인 경우, 즉 승압비가 두 배 이상인 경우에 스위칭 소자의 제어 상태를 도시한 것으로 승압비가 두 배 미만인 경우에도 스위칭 상태가 달라질 뿐, 플라잉 커패시터(CFC)의 전압을 출력단 전압(VDC)의 1/2 배로 제어를 하고, 제1 스위칭 소자(S1)과 제4 스위칭 소자(S4)가 서로 상보 관계로, 제2 스위칭 소자(S2)와 제3 스위칭 소자(S3)가 서로 상보 관계로 동작하게 하는 조건은 동일하게 적용될 수 있다.
도 5의 예에서, 구간 1에서 제2 스위칭 소자(S2)가 오프 되도록 로우 상태의 게이트 신호(G2)가 인가되어야 하지만 빗금으로 나타난 것처럼 외부의 노이즈나 제어의 오류로 인해 하이 상태의 게이트 신호가 인가되는 경우, 제2 스위칭 소자(S2)가 개방이 아닌 단락 상태가 되어 회로 전체적으로 제1 내지 제3 스위칭 소자(S1 내지 S3)가 단락 상태가 되고 제4 스위칭 소자(S4)가 개방 상태가 된다.
이 경우, 출력 전압(VDC)가 제4 스위칭 소자(S4)의 양단에 인가되어 스위칭 소자의 내압을 초과하게 되면 제4 스위칭 소자(S4)가 소손된다.
이와 같이, 플라잉 커패시터를 적용한 컨버터에서 스위칭 소자의 양단에 내압을 초과하는 전압이 인가되어 스위칭 소자가 소손되는 문제를 해소할 수 있는 방안을 본 발명의 여러 실시형태가 제공한다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터의 제어 방법은 직류-직류 컨버터에 구비된 컨트롤러(10)에 의해 수행될 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터의 제어 방법은, 플라잉 커패시터인 제2 커패시터(CFC)에 인가되는 전압(VFC) 및 출력단에 구비된 제1 커패시터(CDC)에 인가되는 전압(VDC)을 검출한 검출전압을 기반으로 수행될 수 있다.
우선, 제2 및 제3 스위칭 소자(S2, S3)의 보호를 위해 제2 커패시터(CFC)에 인가되는 전압(VFC)을 검출한 검출전압을 이용할 수 있다.
제2 및 제3 스위칭 소자(S2, S3)는 제2 커패시터(CFC)와 폐루프를 구성하는 스위치로 제2 및 제3 스위칭 소자(S2, S3) 각각에 인가되는 전압의 합은 키르히호프 전압 법칙에 의해 제2 커패시터(CFC)에 인가되는 전압(VCF)과 동일한 값을 갖게 된다.
제2 및 제3 스위칭 소자(S2, S3)는 상호 상보 관계로 동작하므로, 제2 스위칭 소자(S2)가 단락 되어 제2 스위칭 소자(S2)에 인가되는 전압이 0이 되면, 제3 스위칭 소자(S3)에 인가되는 전압이 제2 커패시터(CFC)에 인가되는 전압(VCF)과 동일한 값이 된다. 마찬가지로, 제3 스위칭 소자(S3)가 단락 되어 제3 스위칭 소자(S3)에 인가되는 전압이 0이 되면, 제2 스위칭 소자(S2)에 인가되는 전압이 제2 커패시터(CFC)에 인가되는 전압(VCF)과 동일한 값이 된다.
따라서, 제2 스위칭 소자(S2)와 제3 스위칭 소자(S3)의 보호는 제2 커패시터(CFC)에 인가되는 전압(VCF)를 기반으로 이루어질 수 있다.
즉, 제2 커패시터(CFC)에 인가되는 전압(VCF)을 검출하고(S11), 검출된 전압이 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 경우 이를 카운팅하고(S12), 검출 전압이 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 경우가 사전 설정된 회수를 초과하는 경우(S13) 제2 스위칭 소자(S2) 또는 제3 스위칭 소자(S3)의 양단에 과전압이 인가되고 있는 것으로 판단할 수 있다(S14). 이러한 과전압의 인가는 컨버터 시스템의 스위칭 소자 제어나 과도한 노이즈 발생 등이 원인이 될 수 있으므로, 단계(S14)는 컨버터 시스템 자체에 고장이 발생한 것으로 판단하는 것으로 대체될 수도 있다.
단계(S14)에서는, 컨트롤러(10)가 고장이 발생한 것으로 판단한 경우 컨버터의 스위칭 소자들(S1 내지 S4)을 모두 오프시켜 컨버터 동작을 중단시킬 수 있다.
여기에서, 사전 설정된 과전압 판단 기준값은 스위칭 소자의 사양에 해당하는 내압에 소정 마진을 적용하여 사양에 정의된 내압보다 작은 값을 가질 수 있다. 이는 스위칭 소자의 내압 보다 큰 전압이 인가되어 스위칭 소자가 소손되는 것을 사전에 방지하고자 하는 것으로, 내압 보다 작은 값을 갖는 과전압 판단 기준값보다 큰 전압이 스위치에 인가되는 회수가 잦아지는 것을 판단하여 스위칭 소자의 내압 보다 더 큰 전압이 인가되는 경우를 사전에 차단할 수 있다.
다음으로, 제1 및 제4 스위칭 소자(S1, S4)의 보호를 위해 제2 커패시터(CFC)에 인가되는 전압(VFC)을 검출한 검출전압 및 컨버터의 출력단 전압(VDC)을 이용할 수 있다.
제1 및 제4 스위칭 소자(S1, S4)와, 제2 커패시터(CFC) 및 출력단 커패시터인 제1 커패시터(CDC)를 통해 폐루프가 형성된다. 따라서, 키르히호프 전압 법칙에 의해 제1 및 제4 스위칭 소자(S1, S4)에 걸리는 전압의 합은 제1 커패시터(CDC)에 인가되는 전압(VDC)과 제2 커패시터(CFC)에 인가되는 전압(VFC)의 차와 동일한 값이 된다.
제1 및 제4 스위칭 소자(S1, S4)는 상호 상보 관계로 동작하므로, 제1 스위칭 소자(S1)에 인가되는 전압과 제4 스위칭 소자(S4)에 각각에 인가되는 전압의 최대치는 제1 커패시터(CDC)에 인가되는 전압(VDC)과 제2 커패시터(CFC)에 인가되는 전압(VFC)의 차가 된다.
따라서, 제1 및 제4 스위칭 소자(S1, S4)의 보호는 제1 커패시터(CDC)에 인가되는 전압(VDC)과 제2 커패시터(CFC)에 인가되는 전압(VFC)의 차를 기반으로 이루어질 수 있다.
즉, 제1 커패시터(CDC)에 인가되는 전압(VDC)과 제2 커패시터(CFC)에 인가되는 전압(VFC)을 각각 검출하고(S21), 제1 커패시터(CDC)에 인가되는 전압(VDC)을 검출한 검출 전압과 제2 커패시터(CFC)에 인가되는 전압(VFC)을 검출한 검출 전압의 차가 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 경우 이를 카운팅 하며(S23), 검출 전압들의 차가 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 경우가 사전 설정된 회수를 초과하는 경우(S23) 컨버터 시스템 자체에 고장이 발생한 것으로 판단할 수 있다(S24).
단계(S24)에서는, 컨트롤러(10)가 고장이 발생한 것으로 판단한 경우 컨버터의 스위칭 소자들(S1 내지 S4)을 모두 오프시켜 컨버터 동작을 중단시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태는 플라잉 커패시터가 적용된 컨버터의 동작 시 출력단 커패시터 및 플라잉 커패시터에 구비된 전압 센서에서 검출되는 검출 전압을 기반으로 각 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되는 것을 사전에 감지하여 스위칭 소자가 소손되는 것을 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 컨트롤러 CDC: 제1 커패시터(출력단 커패시터)
CFC: 제2 커패시터(플라잉 커패시터)
S1 내지 S4: 제1 내지 제4 스위칭 소자

Claims (13)

  1. 제1 커패시터;
    상기 제1 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬 관계로 순차적으로 연결된 제1 스위칭 소자, 제2 스위칭 소자, 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자;
    상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드와 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 연결 노드에 각각 양단이 연결된 제2 커패시터; 및
    상기 제1 커패시터에 인가된 전압을 검출한 제1 검출전압 및 상기 제2 커패시터에 인가된 전압을 검출한 제2 검출전압을 기반으로 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자 각각의 양단에 과전압 인가 여부를 판단하는 컨트롤러;
    를 포함하는 직류-직류 컨버터.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제2 스위칭 소자와 상기 제3 스위칭 소자의 상태를 상보관계로 제어하며,
    상기 제2 검출전압과 사전 설정된 과전압 판단 기준값을 비교한 결과에 기반하여 상기 제2 스위칭 소자 또는 상기 제3 스위칭 소자의 양단에 과전압 인가 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제2 검출전압이 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 경우 상기 제2 스위칭 소자 또는 상기 제3 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제2 검출전압이 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 것으로 판단한 회수가 사전 설정된 기준값 보다 많은 경우, 상기 제2 스위칭 소자 또는 상기 제3 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제1 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 상태를 상보관계로 제어하며,
    상기 제1 검출전압에서 제2 검출전압을 차감한 차이값과 사전 설정된 과전압 판단 기준값을 비교한 결과에 기반하여 상기 제1 스위칭 소자 또는 상기 제4 스위칭 소자의 양단에 과전압 인가 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제1 검출전압에서 제2 검출전압을 차감한 차이값이 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 경우 상기 제1 스위칭 소자 또는 상기 제4 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  7. 청구항 2에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제1 검출전압에서 제2 검출전압을 차감한 차이값이 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 것으로 판단한 회수가 사전 설정된 기준값 보다 많은 경우, 상기 제1 스위칭 소자 또는 상기 제4 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  8. 청구항 2 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 과전압 판단 기준값은 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자의 사양에 의해 정의된 내압에 소정 마진을 적용하여 상기 사양에 정의된 내압보다 작은 값을 갖는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
  9. 제1 커패시터; 상기 제1 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬 관계로 순차적으로 연결된 제1 스위칭 소자, 제2 스위칭 소자, 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자; 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드와 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 연결 노드에 각각 양단이 연결된 제2 커패시터를 포함하는 직류-직류 컨버터의 제어 방법에 있어서,
    상기 제2 스위칭 소자와 상기 제3 스위칭 소자의 상태를 상보관계로 제어하는 단계;
    상기 제2 커패시터에 인가된 전압을 검출하는 단계;
    상기 제2 커패시터에 인가된 전압을 검출한 검출전압과 사전 설정된 과전압 판단 기준값을 비교하는 단계; 및
    상기 검출전압이 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 경우 상기 제2 스위칭 소자 또는 상기 제3 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되는 것으로 판단하는 단계;
    를 포함하는 직류-직류 컨버터의 제어 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 판단하는 단계는,
    상기 제2 검출전압이 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 것으로 판단한 회수가 사전 설정된 기준값 보다 많은 경우, 상기 제2 스위칭 소자 또는 상기 제3 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터의 제어 방법.
  11. 제1 커패시터; 상기 제1 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬 관계로 순차적으로 연결된 제1 스위칭 소자, 제2 스위칭 소자, 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자; 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드와 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 연결 노드에 각각 양단이 연결된 제2 커패시터를 포함하는 직류-직류 컨버터의 제어 방법에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 상태를 상보관계로 제어하는 단계;
    상기 제1 커패시터에 인가된 전압 및 상기 제2 커패시터에 인가된 전압을 검출하는 단계;
    상기 제1 커패시터에 인가된 전압을 검출한 제1 검출전압에서 상기 제2 커패시터에 인가된 전압을 검출한 제2 검출전압을 차감한 차이값과 사전 설정된 과전압 판단 기준값을 비교하는 단계; 및
    상기 차이값이 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 경우 상기 제1 스위칭 소자 또는 상기 제4 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되는 것으로 판단하는 단계;
    를 포함하는 직류-직류 컨버터의 제어 방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 판단하는 단계는,
    상기 차이값이 사전 설정된 과전압 판단 기준값 보다 큰 것으로 판단한 회수가 사전 설정된 기준값 보다 많은 경우, 상기 제1 스위칭 소자 또는 상기 제4 스위칭 소자의 양단에 과전압이 인가되는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터의 제어 방법.
  13. 청구항 9 또는 청구항 11에 있어서,
    상기 과전압 판단 기준값은 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자의 사양에 의해 정의된 내압에 소정 마진을 적용하여 상기 사양에 정의된 내압보다 작은 값을 갖는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터의 제어 방법.
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