KR20220085934A - 양방향 절연형 dc-dc 컨버터 및 그 제어장치와 운용방법 - Google Patents

양방향 절연형 dc-dc 컨버터 및 그 제어장치와 운용방법 Download PDF

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허민
김강민
전수민
이아라
김원곤
박지훈
심현우
방태호
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Abstract

본 발명의 양방향 절연형 DC-DC 컨버터는 고/저전압 단자, 냉각 유로, 하우징, 제어보드 등을 공유하되, 두 개의 독립적인 강압회로(10)와 승압회로(20)가 병렬로 구성되어 양방향 직류전력 변환을 수행한다. 고전압 배터리 HV로부터 인가된 고전압은 강압회로(10)를 통해 강압되어 저전압 배터리 LV로 출력된다. 반대로 저전압 배터리 LV로부터 인가된 저전압은 승압회로(20)를 통해 승압되어 고전압 배터리 HV로 출력된다. 강압회로(10)는 능동 클램프 포워드 컨버터(active clamp forward converter)로 구성되며, 승압회로(20)는 능동 클램프 플라이백 컨버터(active clamp flyback converter)로 구성된다.

Description

양방향 절연형 DC-DC 컨버터 및 그 제어장치와 운용방법 {Bidirectional insulating DC-DC converter and its control apparatus and operating method}
본 발명은 양방향 절연형 DC-DC 컨버터에 관한 것으로, 구체적으로는, 강압회로와 승압회로가 별개로 포함된 양방향 절연형 DC-DC 컨버터 및 그 제어장치와 운용방법에 관한 것이다.
친환경 차량(HEV, PHEV, EV, FCV)에 내연기관의 알터네이터를 대체하여 적용되는 직류전원 공급장치인 LDC(Low-voltage DC-DC Converter)는 차량에서 고전압 배터리 전력(예를 들어, 180~450V)을 공급받아서 저전압 배터리(예를 들어, 12V)를 충전하거나 전장품에 필요한 전원을 공급해주는 필수 장치이다. LDC는 엔진의 부담을 덜어 연비를 높이며 증가하는 전장부하를 감당하기 위해 사용된다.
일반적인 LDC는 운전자 및 수리자의 안전을 위해 고전압부와 저전압부가 절연되어야 하며, 단방향으로 전력을 전달하고, 출력 전력은 약 1.8kW 수준이다. 또한 역전류 현상이나 사고 상황을 막기 위한 양방향 차단 MOSFET이 존재하여 전류를 차단한다.
종래의 LDC에 사용되는 전력회로로, 위상천이형 풀브릿지 컨버터(Phase Shifted Full Bridge)가 가장 많이 사용되었고 기술적으로도 안정화되었다. 최근에는 능동 클램프 포워드 컨버터(Active Clamp Forward Converter)가 새로운 기술로 자리잡고 있다.
이와 같이 현재 양산되고 있는 LDC는 절연형, 단방향, 1.8kW 수준의 제품이지만 시장에서는 더 큰 용량과 양방향 전력 전달 기능을 요구하고 있다. 양방향, 즉, 승압/강압 일체형 직류변환 장치는 자율주행이 가능한 친환경 자동차에 필수적인 요소로, 저전압 배터리(e.g., 12V)의 안정성을 파악하여 자율주행 시스템의 안정성을 확보하는 동시에 자동차의 전장부하에 전원을 안정적으로 공급하는 것을 목표로 한다.
이러한 시장의 요구는 자율주행 및 자동차 기능안전에 대응하기 위한 것으로, 자동차 안전의 근간은 12V 배터리이며, 12V 배터리를 매번 시동시 큰 전류로 방전시킴으로써 안전상태를 점검할 수 있다. 또한 양방향 전력전달의 시장 요구를 충족하기 위해서는 위에 언급된 LDC 외에 별도의 승압을 위한 직류변환장치가 필요하다. 이 또한 절연이 되어야 한다. 이럴 경우 제품의 사이즈가 커져야 함과 동시에 재료비가 비싸진다는 단점이 있다.
상기 문제를 극복하기 위해, 고전압/저전압 단자, 냉각 유로, 하우징, 마이크로컴퓨터(제어보드) 등을 공유하며 기존의 제품보다 높은 출력을 갖는 양방향의 절연형 직류-직류 변환장치 및 그 제어장치와 운용방법을 제안한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 양방향 절연형 DC-DC 컨버터는 고전압/저전압 단자, 냉각 유로, 하우징, 제어회로(제어보드) 등을 공유하되, 두 개의 독립적인 강압용 회로와 승압용 회로가 병렬로 구성되어 양방향 직류전력 변환을 수행한다. 강압용 회로는 능동 클램프 포워드 컨버터(Active Clamp Forward Converter) 회로로 구성하고, 승압용 회로는 능동 클램프 플라이백 컨버터(Active Clamp Flyback Converter) 회로로 구성한다. 포워드 컨버터는 일반적으로 출력이 낮은 경부하의 효율이 좋으므로, 차량의 주요 부하 사용량 프로파일과 일치하며 전력변환 손실을 줄이는 데 적합하다.
또한 본 발명의 강압회로에서는 기존 포워드 컨버터에서 사용되던 저전압단 정류다이오드를 MOSFET 등의 대전류형 반도체 스위치 소자로 교체하여 출력 전류가 큰 상황에서도 효율 감소를 줄이고자 하였다. 이로써 친환경 자동차에서 중요한 요소인 고효율을 만족할 수 있다.
또한 하나의 제어회로(제어보드)로 상기 강압회로 및 승압회로를 제어하므로 제어 용이성이 높고 로직 구성시 신호를 공용으로 사용할 수 있으므로 소자의 비용과 오작동 확률을 낮출 수 있다.
본 발명의 구성 및 작용은 이후에 도면과 함께 설명하는 구체적인 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.
본 발명에 따르면, 고전압, 저전압 단자, 냉각 유로와 하우징, 제어회로 등을 공통으로 사용하므로 차량내 제품 실장 공간(주로 엔진룸)을 충분히 확보할 수 있고 차량의 무게를 줄일 수 있다. 또한 차량과 LDC를 연결하는 전선(고전압, 저전압, 신호선)을 줄일 수 있으며 제어 변수도 줄어들어 차량 관점에서 얻는 이점이 많다.
두 개의 독립적인 회로(강압용 회로와 승압용 회로)가 병렬로 구성되어 있는 것 이외에, 고/저전압단의 필터 및 PCB를 공용으로 사용하여 비용과 공간을 줄일 수 있다.
하나의 제어보드로 두 회로를 제어하므로 제어의 용이성이 높고 로직 구성시 신호를 공용으로 사용할 수 있으므로 소자의 비용과 오작동 확률을 낮출 수 있다.
포워드 컨버터는 일반적으로 출력이 낮은 경부하의 효율이 좋다. 이는 차량의 주요 부하 사용량 프로파일과 일치하며 전력변환 손실을 줄이는 데 적합하다. 또한 본 발명에서는 포워드 컨버터측 정류다이오드를 MOSFET으로 교체하여 출력 전류가 큰 상황에서도 효율 감소를 줄이고자 하였다. 이로써 친환경 자동차에서 중요한 요소인 고효율을 만족할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 양방향 절연형 LDC(Low-voltage DC-DC Converter) 회로의 예시도이다.
도 2는 강압회로(10) 동작시의 주요 부품에 나타나는 파형도이다.
도 3은 승압회로(20) 동작시 주요 부품에 나타나는 파형도이다.
도 4는 강압회로(10)의 제어기를 나타낸다.
도 5는 승압회로(20)의 제어기를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 운용방법을 설명한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 이하 첨부된 도면과 함께 상세하게 기술된 바람직한 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에 기술된 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 다른 형태로 구현될 수 있다. 실시예는 단지 본 발명을 완전하게 개시하며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명은 청구항의 기재 내용에 의해 정의되는 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한 명세서에 사용된 '포함한다(comprise, comprising 등)'라는 용어는 언급된 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용된 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 실시예의 설명에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 양방향 절연형 LDC(Low-voltage DC-DC Converter) 회로의 예시도이다.
먼저, 전반적인 회로 구성을 설명한다. 좌측에 표시된 차량용 고전압 배터리 HV로부터 인가된 고전압은 강압회로(10)를 통해 강압되어 우측에 표시된 저전압(예를 들어 12V) 배터리 LV로 출력된다. 반대로 저전압 배터리 LV로부터 인가된 저전압은 승압회로(20)를 통해 승압되어 고전압 배터리 HV로 출력된다. 이 실시예의 양방향 절연형 DC-DC 컨버터는 두 개의 독립적인 회로(강압회로 10과 승압회로 20)가 병렬로 구성되어 있다. 강압회로(10)는 능동 클램프 포워드 컨버터(Active Clamp Forward Converter) 회로(이하, 포워드컨버터 회로)이며, 승압회로(20)는 능동 클램프 플라이백 컨버터(Active Clamp Flyback Converter) 회로(이하, 플라이백컨버터 회로)이다. 이들 별개의 회로 이외에, 고,저전압단의 필터 및 PCB를 공용으로 사용하여 비용과 공간을 줄일 수 있다. 이들 공용으로 사용되는 주요 회로부품을 설명하면 다음과 같다.
1) HV: 차량용 고전압 배터리력(예를 들어, 180~450V)
2) LV: 차량용 저전압 배터리(예를 들어 12V)
3) CY1, CY2: 고전압단 Y-CAP(노이즈 필터링을 위해 각 전력선로와 그라운드 사이에 연결되는 커패시터)
4) CM: 고전압단 CM FILTER(인덕터)
5) Ci: 고전압단 DC FILTER(커패시터)
6) Co: 저전압단 DC FILTER(커패시터)
7) Cs1: 고전압단 전류센서(홀센서 사용)
8) Cs2: 저전압단 전류센서(홀센서 사용)
9) BtB: 저전압단 분리를 위한 양방향 Back-to-Back 반도체 스위치 소자
10) EMC FILTER: 대전류가 흐르는 저전압단의 EMC FILTER(전자기파 필터)
이제, 구체적으로 강압회로(10)에 대해 설명한다. 여기서 강압회로(10)는 위에서 언급한 것과 같이 포워드컨버터 회로로 구성하였다.
먼저 강압회로(10)의 주요 구성품에 대해 설명한다.
1) CT: 강압회로(10)의 입력부인 고전압단의 전류제어를 위하여 전류값을 전압으로 변환하여 감지하기 위한 전류트랜스포머(current transformer)
2) CL1: 변압기 전압 제한용 커패시터(클램프 커패시터)
3) Q_HSMN, Q_HSCL: 고전압단 반도체 스위치 소자
4) TR1: 고전압단 1입력(1차, Primary)과 저전압단 2출력(2차, 3차; Secondary, Tertiary)을 가진 절연 변압기
5) Q_ST, Q_SB: 저전압단의 대전류형 반도체 스위치 소자
6) Lo: 출력전류 필터용 인덕터
강압회로(10)의 동작 원리는 다음과 같다.
HV를 입력으로 LV를 출력으로 사용하는 포워드 컨버터는 고전압단 반도체 스위치 소자(Q_HSCL, Q_HSMN)를 번갈아 스위칭하며 HV의 전기에너지를 LV로 전달한다. HV와 LV는 전압의 차이가 매우 크기 때문에 일반적인 직류-직류 변환장치와 같이 Duty(=스위치가 켜져 있는 시간)를 조절해서 원하는 출력전압을 얻는 데 한계가 있다. 이러한 입출력 전압의 큰 차이를 극복하고 전기적으로 절연을 하기 위해 필요한 소자가 변압기 TR1이다. 변압기 TR1은 HV-LV 전압차와 Duty 가변 한계치를 고려하여 1차(primary) 권선과 2차(secondary), 3차(tertiary) 권선의 비율을 결정한다. 고전압단의 반도체 스위치 소자 Q_HSMN, Q_HSCL가 동작하면 변압기의 2차/3차단에서 AC 형태의 사각파가 출력되는데, 이를 저전압단 대전류형 반도체 스위치 소자 Q_ST, Q_SB가 정류시킨다. 이 저전압단 반도체 스위치 소자 Q_ST, Q_SB는 포워드 컨버터에서 사용되던 기존의 정류다이오드를 MOSFET 등의 반도체소자로 교체하여 출력 전류가 큰 상황에서도 효율 감소를 줄이고자 사용된 것이다. 이로써 친환경 자동차에서 중요한 요소인 고효율을 만족할 수 있다. 정류된 출력전압은 이후, 출력 인덕터(Lo)와 출력 커패시터(Co)의 필터링 작용에 의해 일정한 안정적인 출력전압으로 유지된다.
도 2는 강압회로(10) 동작시의 주요 부품에 나타나는 파형도이다.
(a) 고전압단 반도체 스위치 소자 Q_HSMN, Q_HSCL은 서로 겹치지 않도록 번갈아가며 켜지고 꺼진다.
(b) 이 동작으로 인해 변압기 TR1 1차단(고전압단)에는 AC 형태의 사각파가 인가되는데, 이 전압은 (+)로는 HV 전압이며, (-)로는 Clamp 커패시터 CL1의 전압이다. 이 Clamp 커패시터 CL1은 변압기 TR1이 포화되는 것을 방지함과 동시에 저전압단으로 전기에너지를 전달하는데, 이는, Q_HSMN이 켜질 때만 에너지를 전달하는 일반적인 포워드 컨버터와는 다른 Active Clamp Forward 컨버터의 특징이다. 이를 통해 변압기를 효율적으로 사용할 수 있고 변압기의 사이즈를 줄일 수 있다.
(c) 변압기 TR1의 저전압단(2차, 3차 권선)에서는 1차단의 전압이 변압기 권선 턴비에 의해 감소되고, 출력 인덕터와 커패시터를 통해 출력전압을 일정하게 유지한다.
(d) 파형에서 출력전압 목표는 14.5V 이며 출력 전압의 리플은 약 20mV로 유지되고 있음을 알 수 있다.
(e) 파형에서, 출력전류의 목표치는 300A이며 리플은 약 0.2A 내외로 유지되고 있음을 알 수 있다.
다음, 구체적으로 도 1의 승압회로(20)에 대해 설명한다. 여기서 승압회로(20)는 위에서 언급한 것과 같이 플라이백컨버터 회로로 구성하였다.
먼저 승압회로(20)의 주요 구성품에 대해 설명한다.
1) CL2: 변압기 전압 제한용 커패시터(클램프 커패시터)
2) Q_LSMN, Q_LSCL: 저전압단 반도체 스위치 소자
3) TR2: 각각 하나의 입력(1차)과 출력(2차)을 갖는 변압기
4) D1: 출력단 정류용 다이오드
승압회로(20)의 동작 원리는 다음과 같다.
LV를 입력으로 HV를 출력으로 사용하는 플라이백 컨버터는 저전압단 반도체 스위치 소자 Q_LSCL, Q_LSMN을 번갈아 스위칭하며 LV의 전기에너지를 HV로 전달한다. LV와 HV는 전압의 차이가 매우 크기 때문에 강압회로와 마찬가지로 변압기 TR2가 필요하며, 변압기 TR2의 권선 비율이 미리 설계되어야 한다. 저전압단의 반도체 스위치 소자 Q_LSCL, Q_LSMN이 동작하면 변압기 TR2의 2차 권선(secondary)에서 AC 형태의 사각파가 출력되는데, 이를 고전압단과의 사이에 연결된 정류 소자인 다이오드 D1이 정류한다. 이후, 출력 커패시터 Ci가 출력전압을 필터링하여 일정한 안정적인 출력전압이 유지되도록 만든다.
도 3은 승압회로(20) 동작시 주요 부품에 나타나는 파형도이다.
(a) 저전압단 반도체 스위치 소자 Q_LSCL, Q_LSMN은 서로 겹치지 않도록 번갈아가며 켜지고 꺼진다.
(b) 이 동작으로 인해 변압기 TR2의 1차단(저전압단)에는 AC 형태의 사각파가 인가되는데, 이 전압은 (+)로는 LV 전압이며, (-)로는 Clamp 커패시터 CL2의 전압이다. 이 Clamp 커패시터 CL2는 변압기 TR2가 포화되는 것을 방지하여 변압기를 효율적으로 사용할 수 있고 결과적으로 변압기 TR2의 사이즈를 줄일 수 있다.
(c) 변압기 TR2의 고전압단(=2차단)에서는 1차단의 전압이 변압기 권선 턴비에 의해 증가되고, 출력 다이오드 D1에 의해 정류된 전압은 출력 커패시터 C1을 통해 출력전압을 안정하게 만든다.
(d) 파형에서 출력전압 목표는 475V 이며 출력 전압의 리플은 약 12V로 유지되고 있다.
(e) 파형에서, 출력전류의 목표치는 5A이며 최대 13A의 삼각파 피크가 일정 주기로 나타나고 있음을 알 수 있다.
도 4는 강압회로(10)의 제어기를, 도 5는 승압회로(20)의 제어기를 나타낸다. 이들 제어기는 마이크로컴퓨터(마이컴)를 중심으로 구성되는 마이크로컴퓨터의 일부일 수도 있고 이 마이크로컴퓨터에서 분리된 별도의 회로 유닛일 수도 있다. 물론, 도 1의 LDC와 동일 하우징에 내장되는 형태로 구성될 수도 있다.
그 구성과 동작을 설명하면, 도 4에서 PWM PWM 컨트롤 IC(30)(예를 들어, CS51022)의 입력단에는 마이크로컴퓨터로부터의 제어신호 및 도 1로부터의 센서신호가 인가되고 PWM 컨트롤 IC(30)의 출력단에서는 도 1의 LDC 회로의 전력 반도체 스위칭 신호가 출력된다. 유사하게, 도 5에서 PWM 컨트롤 IC(30)(예를 들어, CS51022)의 입력단에는 마이크로컴퓨터로부터의 제어신호 및 도 1로부터의 센서신호가 인가되고 PWM 컨트롤 IC(30)의 출력단에서는 도 1의 LDC 회로의 전력 반도체 스위칭 신호가 출력된다.
도 1에서 두 회로의 출력은 모두 배터리(HV, LV)이므로 정전류(CC) 및 정전압(CV) 제어가 필수이다. 따라서 각각의 출력단 전압과 전류가 모두 제어 목표로 제어기에 입력되어야 한다. 또한 전압 제어의 응답성을 높이기 위해 입력단 전류 정보가 부가적으로 필요하다. 특히 강압시 제어 전략은 피크전류제어(Peak current mode control) 방식인데, 매 스위칭주기마다 입력단 전류(HV)의 최대값을 제어기(도 4)에 입력함으로써, 변압기 TR1의 포화를 막음과 동시에 고전압단 반도체 소자를 보호할 수 있다. 반면 승압시 제어 전략은 평균전류제어(Average current mode control) 방식인데, 입력전류(I_LS)가 필터링된 정보를 제어기(도 5)에 사용함으로써 대전류가 스위칭 하면서 발생하는 스위칭 노이즈에 의한 제어기 오작동을 줄일 수 있다.
여기서 피크전류제어와 평균전류제어는 LDC의 전류제어 방법으로 널리 사용되는 전류제어 방식이다. 피크전류제어는 부품에 인가되는 전류의 순시값(피크값)을 검출하여 전류 제어 목표치에 검출 전류의 피크값이 도달하는 순간 부품에 흐르는 전류를 차단(전력 스위치소자 OFF)시켜 부품에 인가되는 최대 전류를 제어하는 방법이다. 평균전류제어는 부품에 인가되는 전류의 순시값 또는 필터링 처리된 평균값을 검출하여 부품에 인가되는 평균전류량을 제어하는 방법이다.
이를 위해서 도 1에서 보듯이 고전압단에는 강압회로 전류를 측정하기 위한 CT(Current Transformer)와 양방향 Hall sensor type 전류센서 Cs1이 사용되었고, 저전압단에는 대전류형 양방향 Hall sensor type 전류센서 Cs2가 사용되었다.
구체적으로, 도 4에서, 도 1의 강압회로(10)의 CT에서 감지된 전류 I_HS_BU는 PWM 컨트롤 IC(30)의 ISENSE 단자로 입력된다. 마이크로컴퓨터로부터의 기준전압신호 ML-VREF_BU는 도 1의 LV+ 전압 ABV와 합해져 적분기(PI)를 통해 PWM 컨트롤 IC(30)의 VFB 단자에 입력된다. 그리고 마이크로컴퓨터로부터의 기준전류신호 ML-IREF_BU는 도 1의 CS2 전류값 I_LS와 합해져 적분기(PI)를 통해 PWM 컨트롤 IC(30)의 ISET 단자에 입력된다. 이들 제어신호 및 센싱값을 입력받은 PWM 컨트롤 IC(30)는 설계된 동작을 수행하여 도 1의 LDC의 강압회로(10)의 반도체 소자 Q_HSMN, Q_SB의 제어를 적절하게 제어할 수 있는 PWM 신호 PWM_HSMN과 PWM_SB 신호를 생성하여 GATE 단자로 출력하고, 이들 PWM 신호를 반전시켜서 반도체 소자 Q_HSCL, Q_ST의 제어를 적절하게 제어할 수 있는 PWM 신호 PWM_HSCL과 PWM_ST 신호를 출력한다.
또한 도 5의 제어기에서, 마이크로컴퓨터로부터의 기준전압신호 ML-VREF_BO는 도 1의 HV+ 전압 V_HS와 합해져 적분기(PI)를 통하고 다시 CS2 전류값 I_LS와 합해져 다시 적분기(PI)를 통해 PWM 컨트롤 IC(30)의 VFB 단자에 입력된다. 그리고 마이크로컴퓨터로부터의 기준전류신호 ML-IREF_BO는 도 1의 CS1 전류값 I_HS와 합해져 적분기(PI)를 통해 PWM 컨트롤 IC(30)의 ISET 단자에 입력된다. 이들 제어신호 및 센싱값을 입력받은 PWM 컨트롤 IC(30)는 설계된 동작을 수행하여 도 1의 LDC의 승압회로(10)의 반도체 소자 Q_LSMN의 제어를 적절하게 제어할 수 있는 PWM 신호 PWM_LSMN 신호를 생성하여 GATE 단자로 출력하고, 이 PWM 신호를 반전시켜서 반도체 소자 Q_LSCL의 제어를 적절하게 제어할 수 있는 PWM 신호 PWM_LSCL 신호를 출력한다.
상기에서 설명하지 않은, 도 4의 회로의 PWM 컨트롤 IC(30)의 COMP 단자에서 출력되는 ML-VC_BU 신호는 마이크로컴퓨터에 입력되어 도 1의 LDC의 강압회로(10)가 정상동작하는지의 피드백을 주기 위한 신호이며, PWM 컨트롤 IC(30)의 SLEEP 단자에 입력되는 /ML-EN_BU 신호와 Disable 신호는 도 1의 LDC의 강압회로(10)의 하드웨어 진단을 하는 보호기능의 결과에 따라 PWM 컨트롤 IC(30)의 슬립 모드를 활성화하는 신호이다. 마찬가지로, 도 5의 회로의 PWM 컨트롤 IC(30)의 COMP 단자에서 출력되는 ML-VC_BO 신호는 마이크로컴퓨터에 입력되어 도 1의 LDC의 승압회로(20)가 정상동작하는지의 피드백을 주기 위한 신호이며, PWM 컨트롤 IC(30)의 SLEEP 단자에 입력되는 /ML-EN_BO 신호와 Disable 신호는 도 1의 LDC의 승압회로(20)의 하드웨어 진단을 하는 보호기능의 결과에 따라 PWM 컨트롤 IC(30)의 슬립 모드를 활성화하는 신호이다.
상기 언급한 보호기능에 대해 아래의 표 1을 참조하여 설명한다. 보호기능은 DC-DC 컨버터의 내부 부품 보호와 차량 안전을 위해 필요하다. 고전압단과 저전압단에서의 과전압 및 과전류에 대한 보호가 필요한바, 전압과 전류가 기준 레벨을 초과할 시 보호기능이 발동된다.
위치 보호항목 동작 설명

고전압단		 과전압 승,강압 제어기 Disable 스위치 동작용 PWM 출력 불가
승압용 PWM 구동 회로 Disable PWM 신호 전달 회로 동작 정지
과전류 승압용 PWM 구동 회로 Disable PWM 신호 전달 회로 동작 정지

저전압단		 과전압 Back to Back 반도체 스위치 OFF 저전압 배터리단 차단
강압용 PWM 구동 회로 Disable PWM 신호 전달 회로 동작 정지
과전류 Back to Back 반도체 스위치 OFF 저전압 배터리단 차단
도 6을 참조하여 본 발명에 따른 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 운용방법에 대해 설명한다.
운전자가 차량 시동 동작을 수행하면(110), 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 제어 전원장치(e.g., SMPS)가 동작한다(120). 이때 제어 전원의 출력전압을 측정하여 고장 여부를 확인한다(130). 고장인 경우에는 시동불가 처리를 하고(140), 고장이 아닌 경우에는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 HV 및 LV 전압을 측정하여 고장 여부를 확인한다(150). 고장인 경우에 역시 시동불가 처리를 하고(140), 고장이 아닌 경우에는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 저전압단에 있는 Back to Back(BtB) 스위치를 ON시킨다(160). 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 고장 여부를 확인하기 위해, 턴온된 BtB의 양단 전압에 차이가 있는지 판단한다(170). 전압 차이가 있다면 안전을 위해 역시 시동불가 처리를 하고(140), 전압 차이가 없을 때에 본 발명의 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 승압회로(20)를 동작시켜(180) HV 배터리를 충전한다(190). HV 배터리의 충전은 LV 배터리의 진단이 완료될 때까지 진행된다. 즉, HV 배터리 충전시에 LV 배터리 진단을 수행하여 진단 완료 여부를 판단하여(190) LV 진단이 완료되면 승압회로(20)의 동작을 정지시킨다(200). 그 다음에 강압회로(10)를 동작시켜서 LV 배터리 충전을 진행한다(230). 강압회로(10)의 동작은 차량 시동을 끌 때까지 계속 진행된다.
한편, 180 단계에서 승압회로(20)의 동작이 개시되었지만 승압회로(20)가 고장이라고 판단되면(210) 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 동작을 정지시킨다(220). 마찬가지로 230 단계에서 강압회로(10)의 동작이 개시되었지만 강압회로(10)가 고장이라고 판단되면(240) 이 때에도 역시 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 동작을 정지시킨다(220). 고장 여부의 판단은 고전압단 및 저전압단의 전압 및 전류의 미발생이다(OV=over voltage, OC=over current).
지금까지 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다. 또한 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술한 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. 고전압 배터리 및 저전압 배터리;
    상기 고전압 배터리로부터 인가된 고전압을 강압하여 상기 저전압 배터리로 출력하는 강압회로; 및
    상기 강압회로와 병렬로 연결되어, 상기 저전압 배터리로부터 인가된 저전압을 승압하여 고전압 배터리로 출력하는 승압회로를 포함하되,
    상기 강압회로는 능동 클램프 포워드 컨버터 회로로 구성되고, 상기 승압회로는 능동 클램프 플라이백 컨버터 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강압회로와 승압회로에 공통으로 연결되며, 상기 고전압 배터리와 상기 강압 및 승압회로 사이에 흐르는 전류를 감지하는 제1전류센서;
    상기 강압회로와 승압회로에 공통으로 연결되며, 상기 저전압 배터리와 상기 강압 및 승압회로 사이에 흐르는 전류를 감지하는 제2전류센서; 및
    상기 강압회로와 승압회로에 공통으로 연결되며, 상기 저전압 배터리와 상기 강압 및 승압회로를 분리하기 위한 양방향 Back-to-Back 반도체 스위치 소자를 추가로 포함하는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 강압회로는
    강압회로의 입력부인 고전압단의 전류제어를 위하여 전류값을 전압으로 변환하여 감지하기 위한 전류트랜스포머;
    능동 클램프 포워드 컨버터 기능을 수행하기 위해 고전압 배터리의 전압을 번갈아 스위칭하는 고전압단 반도체 스위치 소자;
    상기 고전압단 반도체 스위치 소자에 의해 스위칭된 전압을 강하하여 저전압단으로 전달하고 고전압단과 저전압단의 전기적 절연을 하는 변압기; 및
    상기 변압기에서 출력되는 전압을 정류하는 저전압단 반도체 스위치 소자를 포함하는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 변압기는
    상기 고전압단 반도체 스위치 소자에 연결된 1차 권선과, 상기 저전압단 반도체 스위치 소자 중 하나에 연결되는 2차 권선과, 상기 저전압단 반도체 스위치 소자 중 다른 하나에 연결되는 3차 권선을 포함하는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 승압회로는
    능동 클램프 플라이백 컨버터 기능을 수행하기 위해 저전압 배터리의 전압을 번갈아 스위칭하는 저전압단 반도체 스위치 소자;
    상기 저전압단 반도체 스위치 소자에 의해 스위칭된 전압을 상승시켜 고전압단으로 전달하고 저전압단과 고전압단의 전기적 절연을 하는 변압기; 및
    상기 변압기에서 출력되는 전압을 정류하여 고전압 배터리로 전달하는 정류 소자를 포함하는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 변압기는
    상기 저전압단 반도체 스위치 소자에 연결된 1차 권선과, 상기 정류 소자에 연결되는 2차 권선을 포함하는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터.
  7. 능동 클램프 포워드 컨버터 회로로 구성되어, 고전압 배터리로부터 인가된 고전압을 강압하여 저전압 배터리로 출력하는 강압회로; 및 능동 클램프 플라이백 컨버터 회로로 구성되어, 저전압 배터리로부터 인가된 저전압을 승압하여 고전압 배터리로 출력하는, 상기 강압회로와 병렬로 연결되는 승압회로를 포함하는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터를 제어하는 장치로,
    상기 강압회로를 피크전류제어(Peak current mode control) 방식으로 제어하는 강압회로 제어기; 및
    상기 승압회로를 평균전류제어(Average current mode control) 방식으로 제어하는 승압회로 제어기를 포함하되,
    상기 강압회로 제어기는, 상기 강압회로의 반도체 스위치 소자의 PWM 스위칭제어를 위한 PWM 신호를 출력하는 PWM 컨트롤 IC와, 이 PWM 컨트롤 IC에 제어신호를 제공하는 마이크로컴퓨터를 사용하고,
    상기 승압회로 제어기는, 상기 승압회로의 반도체 스위치 소자의 PWM 스위칭제어를 위한 PWM 신호를 출력하는 PWM 컨트롤 IC와, 이 PWM 컨트롤 IC에 제어신호를 제공하는 마이크로컴퓨터를 사용하는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터 제어장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 강압회로 제어기는
    상기 강압회로의 고전압단의 전류값을 전압으로 변환하여 감지하기 위한 전류트랜스포머에서 감지된 전류 I_HS_BU를 상기 PWM 컨트롤 IC의 ISENSE 단자로 입력하고,
    마이크로컴퓨터로부터의 기준전압신호 ML-VREF_BU와 상기 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 저전압 배터리 전압 ABV를 합하여 상기 PWM 컨트롤 IC의 VFB 단자에 입력하고,
    마이크로컴퓨터로부터의 기준전류신호 ML-IREF_BU를 상기 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 저전압단 전류센서에서 센싱된 전류값 I_LS를 합하여 상기 PWM 컨트롤 IC의 ISET 단자에 입력하여,
    상기 PWM 컨트롤 IC가 상기 강압회로의 반도체 소자를 제어하는 PWM 신호를 생성하여 GATE 단자로 출력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터 제어장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 승압회로 제어기는
    마이크로컴퓨터로부터의 기준전압신호 ML-VREF_BO를 상기 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 고전압 배터리 전압 V_HS와 합하고 다시 상기 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 저전압단 전류센서에서 센싱된 전류값 I_LS와 합하여 상기 PWM 컨트롤 IC의 VFB 단자에 입력하고,
    마이크로컴퓨터로부터의 기준전류신호 ML-IREF_BO를 상기 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 고전압단 전류센서에서 센싱된 전류값 I_HS와 합하여 상기 PWM 컨트롤 IC의 ISET 단자에 입력하여,
    상기 PWM 컨트롤 IC가 상기 승압회로의 반도체 소자를 제어하는 PWM 신호를 생성하여 GATE 단자로 출력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터 제어장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 강압회로 제어기는
    상기 PWM 컨트롤 IC의 COMP 단자에서 출력되는 신호 ML-VC_BU를 마이크로컴퓨터에 입력하여 상기 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 강압회로가 정상동작하는지의 피드백을 주도록 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터 제어장치.
  11. 제7항에 있어서, 상기 승압회로 제어기는
    상기 PWM 컨트롤 IC의 COMP 단자에서 출력되는 신호 ML-VC_BO를 마이크로컴퓨터에 입력하여 상기 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 승압회로가 정상동작하는지의 피드백을 주도록 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터 제어장치.
  12. 고전압 배터리로부터 인가된 고전압을 강압하여 저전압 배터리로 출력하는 강압회로; 저전압 배터리로부터 인가된 저전압을 승압하여 고전압 배터리로 출력하는 승압회로; 및 저전압단 분리를 위한 양방향 Back-to-Back 반도체 스위치 소자를 포함하는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터를 제어하는 방법으로,
    (1) 차량의 시동 동작이 실행되면, 상기 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 고전압 배터리 및 저전압 배터리 전압을 측정하여 고장 여부를 확인하는 단계;
    (2) 고장인 경우에 시동불가 처리를 하고, 고장이 아닌 경우에 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 저전압단에 있는 Back to Back 스위치를 ON하고 Back to Back 스위치의 양단 전압에 차이가 있는지 판단하는 단계;
    (3) 전압 차이가 있다면 안전을 위해 시동불가 처리를 하고, 전압 차이가 없을 때에 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 승압회로를 동작시켜 고전압 배터리를 충전하는 단계;
    (4) 고전압 배터리 충전 중에 저전압 배터리의 진단을 수행하여 진단이 완료되면 승압회로의 동작을 정지시키는 단계; 및
    (5) 강압회로를 동작시켜서 저전압 배터리 충전을 진행하는 단계를 포함하는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터 운용방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 단계 (1)에서 상기 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 고전압 배터리 및 저전압 배터리 전압을 측정하여 고장 여부를 확인하기 전에,
    차량의 시동 동작이 실행되면, 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 제어 전원장치의 출력전압을 측정하여 고장 여부를 확인하고, 고장인 경우에는 시동불가 처리를 하고, 고장이 아닌 경우에 상기 단계 (1)을 실행하는 단계를 추가로 포함하는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터 운용방법.
  14. 제12항에 있어서, 단계 (3)에서 상기 승압회로의 동작이 개시된 후 승압회로가 고장이라고 판단되면 상기 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 동작을 정지시키는 단계를 추가로 포함하는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터 운용방법.
  15. 제12항에 있어서, 단계 (5)에서 상기 강압회로의 동작이 개시된 후 강압회로가 고장이라고 판단되면 상기 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 동작을 정지시키는 단계를 추가로 포함하는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터 운용방법.
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