KR20220094661A - 인덕터 전류 감지 기반 절연형 dc-dc 컨버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1차측 입력단의 인덕터에 흐르는 전류를 감지하여 이를 스위칭 제어에 이용함으로써, 출력의 안정화를 가져올 수 있을 뿐만 아니라 전력 변환 효율을 높일 수 있는 인덕터 전류 감지 기반 절연형 DC-DC 컨버터에 관한 것으로, 입력단에 연결되는 인덕터를 포함하는 메인 트랜스부; 상기 메인 트랜스부의 인덕터의 에너지 충전 및 방전을 제어하는 스위칭부; 상기 메인 트랜스부의 인덕터에 흐르는 전류를 감지하는 전류센싱 트랜스부; 및 상기 메인 트랜스부의 출력값과 상기 전류센싱 트랜스부의 전류값을 이용하여 상기 스위칭부를 구동하기 위한 구동신호를 출력하는 PWM 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

인덕터 전류 감지 기반 절연형 DC-DC 컨버터{DC-DC Converter Based on Current Sensing of Inductor}

본 발명은 DC-DC 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 1차측 입력단의 인덕터에 흐르는 전류를 감지하여 이를 스위칭 제어에 이용함으로써, 출력의 안정화를 가져올 수 있을 뿐만 아니라 전력 변환 효율을 높일 수 있는 인덕터 전류 감지 기반 절연형 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.

일반적으로 각종 전자기기는 동작하는 전원의 사양이 각각 다르므로, 입력 전원을 공유하는 다양한 전자기기들로 이루어지는 장치의 경우에는 입력 전원을 각 전자기기에 적합한 전원으로 변환하는 전력변환장치가 필수적이다. 특히, 장착된 배터리를 이용하여 메인 구동계인 모터를 비롯하여 각종 전장품 등에 전력을 공급하여야 하는 전기자동차의 경우에는 다양한 전력변환장치로 전력시스템이 구성되어 있다. 전기자동차의 전력시스템은 일반적으로 배터리의 직류 전원을 모터를 구동하기 위한 교류 전원으로 변환하여 주는 모터용 인버터와, 배터리의 전압이 모터용 인버터에서 필요로 하는 전압보다 낮은 경우 배터리의 전압을 승압하여 주는 인버터용 DC-DC 컨버터와, 배터리의 높은 직류 전압을 각종 전장품을 운용하기 위한 낮은 직류 전압으로 강압하여 주는 전장용 DC-DC 컨버터와, 외부의 교류 전원을 배터리에 충전하기 위한 직류 전원으로 변환하여 주는 충전용 AC-DC 컨버터 등으로 이루어진다.

한편, 통상적으로 직류 전원의 경우 직접적으로 변압을 할 수 없으므로, 전기차에서 전장용으로 사용되는 DC-DC 컨버터는 먼저 배터리의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 교류 전원을 다시 직류 전원으로 변환하게 된다. 이때, 배터리의 직류 전원을 교류로 변환하는 방법으로는 MOSFET과 같은 반도체 스위칭 소자를 이용하는 방법이 대표적이며, 변환된 교류 전원을 코일, 트랜스, 커패시턴스 등을 이용하여 강압시켜 다시 직류 전원으로 변환하게 된다.

전기자동차에 사용되는 전장용 DC-DC 컨버터는 그 특성상 타 분야에 사용되는 컨버터에 비해 작고 가벼우면서도 높은 전력 변환 효율이 요구되고 있으며, 고전압과 저전압 체계가 혼용되어 사용되고 있는 전기자동차의 전력 체계상 저전압을 사용하는 전장품이 과전류에 의하여 손상되는 문제가 발생할 수 있어 이에 대한 해결책이 요청되고 있다.

본 발명은 1차측 입력단의 인덕터에 흐르는 전류를 감지하여 이를 스위칭 제어에 이용함으로써, 출력의 안정화를 가져올 수 있을 뿐만 아니라 전력 변환 효율을 높일 수 있는 인덕터 전류 감지 기반 절연형 DC-DC 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 인덕터 전류 감지 기반 절연형 DC-DC 컨버터는, 입력단에 연결되는 인덕터를 포함하는 메인 트랜스부; 상기 메인 트랜스부의 인덕터의 에너지 충전 및 방전을 제어하는 스위칭부; 상기 메인 트랜스부의 인덕터에 흐르는 전류를 감지하는 전류센싱 트랜스부; 및 상기 메인 트랜스부의 출력값과 상기 전류센싱 트랜스부의 전류값을 이용하여 상기 스위칭부를 구동하기 위한 구동신호를 출력하는 PWM 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 스위칭부는 상기 메인 트랜스부의 1차측에 위치하며, 상기 메인 트랜스부의 2차측에 위치하고 있는 상기 PWM 제어부에서 출력되는 구동 신호를 상기 스위칭부로 전달하는 구동 트랜스부가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전류센싱 트랜스부는, 상기 메인 트랜스부의 인덕터 후단에 흐르는 상기 스위칭부에 의한 스위칭 전류를 감지하는 변류기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 전류센싱 트랜스부는, 상기 메인 트랜스부의 인덕터에서 감지된 스위칭 전류를 이용하여 펄스-바이-펄스 전류 제한 신호를 생성하여 상기 PWM제어부로 전송하는 것을 특징으로 한다.

한편, 입력단과 상기 PWM제어부 사이에 위치하며, 입력단으로 공급되는 전원을 상기 PWM제어부의 구동 전원으로 변환하여 공급하는 보조전원 트랜스부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 1차측 입력단과 2차측 출력단을 절연하여 완전히 분리시킴으로써 1차측에 입력되는 과전류 등에 의한 2차측에 연결된 전자기기의 손상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 메인 트랜스부의 1차측 입력단에 연결되는 인덕터에 흐르는 스위칭 전류를 감지하여 펄스-바이-펄스 전류 제한 신호를 생성함으로써 상기 메인 트랜스부에서 출력되는 전력의 안정화와 전력 변환 고효율화를 가져올 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 인덕터 전류 감지 기반 절연형 DC-DC 컨버터의 기능 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 메인 트랜스부의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 보조전원 트랜스부의 회로도이다.

이하에서 개시되는 본 발명에 의한 실시예들은 본 발명의 특징과 효과, 그것들을 달성하기 위한 방법을 명확하게 하기 위한 목적으로 예시된 것으로서 특정한 실시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 의한 실시예에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 의한 실시예에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명에 의한 실시예를 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

본 발명에 의한 실시예에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여 여기에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 지식을 가진 사람에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에 의한 실시예에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 인덕터 전류 감지 기반 절연형 DC-DC 컨버터는 DC 입력 전원을 DC 출력 전원으로 변환하기 위한 메인 트랜스부(100)와, 상기 메인 트랜스부(100)의 에너지의 충전과 방전을 제어하는 스위칭부(200)와, 상기 메인 트랜스부(100)의 인덕터 전류를 감지하는 전류센싱 트랜스부(300), 상기 스위칭부(200)를 제어하기 위한 PWM 제어부(400)와, 상기 PWM 제어부(400)에서 출력되는 신호를 상기 스위칭부(200)로 전달하는 구동 트랜스부(410)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 메인 트랜스부(100)의 전단에는 입력단의 임피던스(Input Impedance)를 낮추기 위하여 고용량 캐패시터를 이용한 바이패스 필터(By-Pass Filter, 10)가 구비되어 있으며, 상기 바이패스 필터(10)에 의하여 입력단의 임피던스가 낮아짐에 따라 상기 스위칭부(200)의 스위칭 동작이 보다 안정적으로 동작하게 된다.

또한, 상기 메인 트랜스부(100)의 후단에는 DC 전원으로 변환 후 잔류하고 있는 AC 전원 성분인 리플을 제거하기 위하여 역시 고용량 캐패시터를 이용한 리플 필터(Ripple Filter, 10)가 구비되어 있으며, 상기 리플 필터(10)에 의하여 출력단에서 안정적인 직류 전원을 획득할 수 있게 된다.

상기 메인 트랜스부(100)는 입력되는 직류 전원을 강압하여 낮은 전압의 직류 전원으로 변환하는 직류변환장치로써, 특히 1차측 입력단과 2차측 출력단이 전기적으로 절연되어 있는 절연형 직류변환장치를 사용하도록 한다. 일반적으로 많이 사용되는 절연형 직류변환장치로는 플라이백 컨버터(Flyback Converter)와 푸쉬-풀 컨버터(Push-Pull Converter), 하프-브리지 컨버터(Half-Bridge Converter), 풀-브릿지 컨버터(Full-Bridge Converter) 등이 있으며, 상기 메인 트랜스부(100)의 용량과 회로 특성 등에 따라 상기 절연형 직류변환장치 중 어느 하나를 선택하도록 한다.

본 발명의 일실시예에서는 1kW 내외의 용량에 적합하며 구동회로가 간단한 푸쉬-풀 컨버터를 사용하도록 하는데, 도 2에는 푸쉬-풀 컨버터의 대표적인 회로가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 상기 메인 트랜스부(100)는 입력단의 인덕터(L)와 스위칭 소자(Q₁, Q₂), 입력단과 출력단 사이의 트랜스포머(T), 출력단의 다이오드(D₁, D₂)와 캐패시터 등으로 구성되어 있다. 상기 스위칭 소자는 상기 스위칭부(200)를 구성하는 것으로, 편의상 메인 트랜스부(100)의 회로도에 함께 도시한 것이다.

상기 스위칭부(200)를 구성하는 스위칭 소자(Q₁, Q₂)는 상기 인덕터(L)과 트랜스포머(T)의 에너지 충전과 방전을 제어하게 되는데, 상기 스위칭부(200)를 구동하기 위한 구동신호는 상기 PWM 제어부(400)에서 생성하게 된다. 상기 PWM 제어부(400)는 상기 메인 트랜스부(100)에서 출력되는 전압과 상기 전류센싱 트랜스부(300)에서 감지된 전류를 이용하여 구동신호를 출력하게 되는데, 특히 상기 전류센싱 트랜스부(300)에서는 상기 메인 트랜스부(100)의 입력단에 연결되는 인덕터(L)의 후단에 흐르는 스위칭 전류를 감지하도록 한다. 또한, 상기 전류센싱 트랜스부(300)에서는 감지된 스위칭 신호를 통하여 펄스-바이-펄스 전류 제한 신호를 생성하게 되는데, 펄스-바이-펄스 전류 제한 신호는 상기 PWM 제어부(400)로 전송되어 PWM 제어부(400)가 상기 스위칭부(200)의 과전류 동작을 방지하고 원활한 스위칭 동작을 제어하는데 도움을 주게 된다.

한편, 상기 PWM 제어부(400)에서 생성된 구동신호는 상기 스위칭부(200)로 전송하는데 일반적인 전송선로를 사용하는 것이 아니라, 본 발명의 일실시예에 의한 DC-DC 컨버터는 절연형으로 이루어져 있으므로 별도의 구동 트랜스부(410)를 구비하여야 할 것이며, 상기 구동 트랜스부(410)는 일반적인 트랜스포머와 달리 에너지를 전달하는 것이 아니라 절연 배리어(Isolation Barrier) 너머로 상기 PWM 제어부(400)의 출력 신호를 전달하는 역할을 하게 된다.

한편, 상기 PWM 제어부(400) 또한 일반적인 전자기기와 마찬가지로 구동 전원이 반드시 필요한데, 이를 위하여 본 발명의 일실시예에서는 입력단으로 공급되는 전원을 변환하여 상기 PWM 제어부(400)로 공급하는 보조전원 트랜스부(500)를 구비하여 두었다. 상기 보조전원 트랜스부(500)는 상기 메인 트랜스부(100)와 마찬가지로 입력단의 직류 전원을 강압하는 절연형 직류변환장치로서 앞서 언급한 다양한 컨버터 중 하나를 선택할 수 있겠지만, 컨버터의 용량이나 회로 설계 등을 고려하면 50W 이하의 낮은 용량에 적합하며 회로가 간단한 플라이백 컨버터가 적당할 것이다. 도 3에는 플라이백 컨버터의 대표적인 회로가 도시되어 있는데, 입력단의 스위칭 소자와 상기 스위칭 소자를 구동하는 플라이백 컨트롤러, 입력단과 출력단 사이의 트랜스포머, 출력단의 다이오드와 캐패시터 등으로 구성되어 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의한 인덕터 전류 감지 기반 절연형 DC-DC 컨버터는, 메인 트랜스부(100)의 인덕터에 흐르는 스위칭 전류를 감지하는 전류센싱 트랜스부(300)와, 메인 트랜스부(100)의 출력 전압과 전류센싱 트랜스부(300)의 스위칭 전류를 이용하여 스위칭부(200)를 구동하는 PWM 제어부(400)에 의하여 높은 전력 변환 효율을 달성할 수 있을 뿐만 아니라, PWM 제어부(400)가 전류센싱 트랜스부(300)에서 생성되는 펄스-바이-펄스 전류 제한 신호에 따라 스위칭부(200)의 과전류 동작을 방지함에 따라 높은 품질의 안정적인 출력을 획득할 수 있게 되는 것이다.

이상에서 본 발명을 구체적인 실시예를 들어 상세하게 설명하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정한 것은 아니다. 따라서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 기술적 사상의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 다양한 변형이 제공될 수 있다.

10 - 바이패스 필터
20 - 리플 필터
100 - 메인 트랜스부
200 - 스위칭부
300 - 전류센싱 트랜스부
400 - PWM 제어부
410 - 구동 트랜스부
500 - 보조전원 트랜스부

Claims (5)

1. 입력단에 연결되는 인덕터를 포함하는 메인 트랜스부;
   상기 메인 트랜스부의 인덕터의 에너지 충전 및 방전을 제어하는 스위칭부;
   상기 메인 트랜스부의 인덕터에 흐르는 전류를 감지하는 전류센싱 트랜스부; 및
   상기 메인 트랜스부의 출력값과 상기 전류센싱 트랜스부의 전류값을 이용하여 상기 스위칭부를 구동하기 위한 구동신호를 출력하는 PWM 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인덕터 전류 감지 기반 절연형 DC-DC 컨버터.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 스위칭부는 상기 메인 트랜스부의 1차측에 위치하며,
   상기 메인 트랜스부의 2차측에 위치하고 있는 상기 PWM 제어부에서 출력되는 구동 신호를 상기 스위칭부로 전달하는 구동 트랜스부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 인덕터 전류 감지 기반 절연형 DC-DC 컨버터.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 전류센싱 트랜스부는,
   상기 메인 트랜스부의 인덕터 후단에 흐르는 상기 스위칭부에 의한 스위칭 전류를 감지하는 변류기를 포함하는 것을 특징으로 하는 인덕터 전류 감지 기반 절연형 DC-DC 컨버터.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 전류센싱 트랜스부는,
   상기 메인 트랜스부의 인덕터에서 감지된 스위칭 전류를 이용하여 펄스-바이-펄스 전류 제한 신호를 생성하여 상기 PWM제어부로 전송하는 것을 특징으로 하는 인덕터 전류 감지 기반 절연형 DC-DC 컨버터.
5. 청구항 1 내지 청구항 4중 어느 한 청구항에 있어서,
   입력단과 상기 PWM제어부 사이에 위치하며, 입력단으로 공급되는 전원을 상기 PWM제어부의 구동 전원으로 변환하여 공급하는 보조전원 트랜스부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인덕터 전류 감지 기반 절연형 DC-DC 컨버터.

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