WO2016199981A1 - 안정성이 향상된 양방향 비절연 dc-dc 컨버터 - Google Patents

안정성이 향상된 양방향 비절연 dc-dc 컨버터 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a bidirectional non-isolated DC-DC converter, and more particularly to a bidirectional non-isolated DC-DC converter with improved stability.
  • the bidirectional DC-DC converter is controlled in accordance with a command signal, and operates in a boost mode or a buck mode.
  • Korean Patent Publication No. 10-2010-0115087 discloses a bidirectional DC-DC converter and a control method thereof.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a conventional non-isolated bidirectional DC-DC converter 100 incorporating a protection circuit.
  • a first back-to-back switch 10 is connected to a 48V stage, and the second back-to-back switch 20 is 12V or 24V. In connection with the stage, it protects the non-isolated bidirectional DC-DC converter 100 from short circuit and reverse polarity.
  • the back-to-back switch (10, 20) is a two switches are put together to protect the non-isolated bi-directional DC-DC converter and other accessories from overvoltage or overcurrent, noise signal, reverse polarity input in both directions do.
  • each of the first back-to-back switch 10 connected to the 48V high voltage, the second back-to-back switch 20 connected to the 12V or 24V low voltage has a short circuit of 48V, a short circuit of 12V / 24V, an electrical transient, and the like. To protect.
  • Each of the back-to-back switches 10 and 20 is turned on or off according to the back-to-back switch signal. That is, each of the back-to-back switches 10 and 20 is turned on by receiving a switching signal indicating turn-on when the non-isolated bidirectional DC-DC converter 100 is driven.
  • the conventional non-isolated bidirectional DC-DC converter 100 having a built-in protection circuit is provided with a pair of back-to-back switches 10 and 20. That is, the first back-to-back switch 10 connected to the high voltage and the second back-to-back switch 20 connected to the low voltage should be installed in the non-isolated bidirectional DC-DC converter 100.
  • the structure of connecting the pair of back-to-back switches 10 and 20 to the non-isolated bidirectional DC-DC converter 100 not only causes cost problems, but also has a problem against the trend of miniaturizing electronic products.
  • the present invention has been proposed to solve such a conventional problem, and an object thereof is to provide a bidirectional non-isolated DC-DC converter having low manufacturing cost, easy to miniaturization, and improved stability.
  • a non-isolated bidirectional DC-DC converter performing a bidirectional voltage conversion between a high voltage power supply and a low voltage power supply, and including a protection switch, in response to a switching signal
  • a DC-DC converter unit including a high voltage switch and a low voltage switch, which are a pair of switching elements switched in a buck mode, and an inductor connected to the high voltage switch and the low voltage switch;
  • a first protection switch disposed between the high voltage switch and the high voltage power supply of the DC-DC converter unit to perform a back-to-back switch function together with the high voltage switch or the second protection switch;
  • a second protection switch disposed between the inductor of the DC-DC converter unit and a low voltage power supply to perform a back-to-back switch function together with the low voltage switch or the first protection switch. It is done.
  • the non-isolated bidirectional DC-DC converter includes: a first logic element for performing an AND operation on the switching signal of the first protection switch and the switching signal of the high voltage switch, and applying an AND operation to the high voltage switch; And a second logical element configured to perform an AND operation on the switching signal of the second protection switching and the switching signal of the low voltage switch, and apply the OR operation to the low voltage switch.
  • the first protection switch and the second protection switch may operate as a back-to-back switch to block abnormal current generated between the high voltage power supply and the low voltage power supply.
  • the first protection switch and the high voltage switch may operate as a back-to-back switch to block abnormal current generated between the ground grounded in the low voltage switch and the high voltage power supply.
  • the second protection switch and the low voltage switch may operate as a back-to-back switch to block abnormal current generated from the low voltage power or flowing into the low voltage power.
  • the switch may be a semiconductor switch, in which case the source terminal of the first protection switch is connected to the positive electrode of the high voltage power supply, and the drain terminal of the first protection switch is connected to the drain terminal of the high voltage switch.
  • the drain terminal of the second protection switch is connected with the inductor of the DC-DC converter unit, and the source terminal of the second protection switch is connected with the positive electrode of the low voltage power supply.
  • the non-isolated bidirectional DC-DC converter according to the present invention has the advantage of reducing the number of switches used to protect the system compared to the conventional non-isolated bidirectional DC-DC converter, thereby reducing the cost of the converter and miniaturizing the product.
  • non-isolated bidirectional DC-DC converter by reducing the number of switches used to protect the system, the effect of minimizing the system loss occurring in proportion to the number of switches and improve the efficiency of the converter There is also.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a conventional non-isolated bidirectional DC-DC converter with a built-in protection circuit.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a non-isolated bidirectional DC-DC converter having improved stability according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a non-isolated bidirectional DC-DC converter 200 having improved stability according to an embodiment of the present invention.
  • the non-isolated bidirectional DC-DC converter 200 having improved stability includes a high voltage power supply 210, a low voltage power supply 220, and a plurality of capacitors 241 and 242. , The DC-DC converter unit 230 and the plurality of protection switches 251 and 252.
  • the high voltage power supply 210 is a power supply device having a higher voltage than the low voltage power supply 220 and capable of charging and discharging.
  • a 48V battery may be adopted, and an ultracapacitor may be adopted.
  • the high voltage power supply 210 is electrically connected to the DC-DC converter unit 230 to supply power to a load device using a high voltage or low voltage power supply 220. Charge it.
  • the low voltage power supply 220 may have a lower voltage than the high voltage power supply 210 and may be charged or discharged. A 12V battery or a 24V battery may be adopted. When the non-isolated bidirectional DC-DC converter 200 is driven, the low voltage power supply 220 applies power to the load device using the low voltage or charges the high voltage power 210.
  • the capacitors 241 and 242 are connected in parallel to each of the high voltage power supply 210 and the low voltage power supply 220, and an output smoothing capacitor may be used.
  • the capacitor 241 connected to the high voltage power source 210 may be changed in position so as to be connected in parallel with the high voltage power source 210 between the first protection switch 251 and the high voltage switch 231, and also to the high voltage power source 210. The position may be changed to be connected in parallel with the high voltage power supply 210 between the first protection switch 251.
  • the DC-DC converter unit 230 operates in a boost mode or a buck mode according to the switching signal. That is, the DC-DC converter unit 230 operates in a boost mode for moving the current of the low voltage power supply 220 to the high voltage power supply 210 by the switching signal, or converts the current of the high voltage power supply 210 to the low voltage power supply 220. It works in buck mode.
  • the DC-DC converter unit 230 includes an inductor 233 that accumulates energy when a current flows, and a pair of switches 231 and 232 that complementarily operate with each other.
  • the pair of switches 231 and 232 (Q c and Q d ) included in the DC-DC converter unit 230 are divided into a high voltage switch 231 (Q c ) and a low voltage switch 232 (Q d ).
  • Each switch 231 and 232 is turned on or turned off in response to a switching signal.
  • Each switch 231, 232 is turned on or off based on a pulse width modulation (PWM) which is a switching signal generated by a switch control module (not shown in the figure).
  • PWM pulse width modulation
  • the low voltage switch 232 and the high voltage switch 231 operate complementary to each other. That is, when the low voltage switch 232 is turned on, the high voltage switch 231 is turned off, and when the high voltage switch 231 is turned on, the low voltage switch 232 is turned off.
  • each switch 231 and 232 may be a metal oxide semiconductor field effect (MOSFET) switch as a semiconductor switch.
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect
  • the gate terminal of the low voltage switch 232 may be grounded.
  • the first protection switch 251 is connected between the high voltage power supply 210 and the high voltage switch 231 to provide a back-to-back switch.
  • the second protection switch 252 is connected between the low voltage power supply 220 and the inductor 233 to perform a function of a back-to-back switch.
  • the drain terminal of the first protective switch 251 (Q a ) is connected with the drain terminal of the high voltage switch 231, and the source terminal of the first protective switch 251 is connected with the positive electrode of the high voltage power supply 210.
  • the first protection switch 251 and the high voltage switch 231 perform a function of a back-to-back switch between the high voltage power supply 210 and the ground GND.
  • abnormal current flow between ground (GND) In particular, the first protection switch 251 and the high voltage switch 231 prevent abnormal current flow caused by a short between the high voltage power supply 210 and the ground GND, and inversely generated due to a miswiring. It blocks the flow of polar currents, protecting the system from short circuits and reverse polarity.
  • the drain terminal of the second protection switch 252 (Q b ) is connected to the inductor 233 of the DC-DC converter unit 230, and the source terminal of the second protection switch 252 is connected to the low voltage power supply 220.
  • the second protection switch 252 and the low voltage switch 232 perform a function of a back-to-back switch for the low voltage power source 220 according to the connection structure, and are generated from the low voltage power source 220 or the low voltage power source according to the connection structure. Block abnormal current flowing into the 220.
  • the second protection switch 252 and the low voltage switch 232 functions as a back-to-back switch to block abnormal current flow caused by an internal short circuit of the low voltage power supply 220 and another component, To isolate the resulting reverse polarity current.
  • the first protection switch 251 and the second protection switch 252 perform a function of a back-to-back switch between the high voltage power supply 210 and the low voltage power supply 220, and thus the high voltage power supply 210 and the low voltage power supply 220. Blocks reverse polarity currents that may be caused by abnormal current flow and incorrect wiring caused by short circuits between the lines.
  • the first logic element 261 performs an AND operation on the switching signal of the high voltage switch 231 and the switching signal of the first protection switch 251, and converts the corresponding switching signal into the high voltage switch 231. Is authorized.
  • the switching signal of the first protection switch 251 and the switching signal of the high voltage switch 231 are input to the first logic element 261 as input information, and the output terminal of the first logic element 261 is a high voltage switch 231. Is connected to the gate terminal. That is, the first logic element 261 receives the switching signal (ie, the PWM signal) of the first protection switch 251 and the switching signal (ie, the PWM signal) of the high voltage switch 231 as input information.
  • the AND operation is performed on the signal to transmit a switching signal corresponding to the result value to the gate terminal of the high voltage switch 231.
  • the second logic element 262 performs an AND operation on the switching signal of the low voltage switch 232 and the switching signal of the second protection switch 252, and converts the corresponding switching signal into the low voltage switch 232. Is authorized.
  • the switching signal of the second protection switch 252 and the switching signal of the low voltage switch 232 are input to the second logic element 262 as input information, and the output terminal of the second logic element 262 is the low voltage switch 232. It is connected to the gate terminal of. That is, the second logic element 262 receives the switching signal (ie, PWM signal) of the second protection switch 252 and the switching signal (ie, PWM signal) of the low voltage switch 232 as input information.
  • the AND operation is performed on the signal to transmit a switching signal corresponding to the result value to the low voltage switch 232.
  • the switching signal applied to the high voltage switch 231 is a logic of the switching signal of the first protection switch 251 and the switching signal of the high voltage switch 231. This is the result of the AND operation. That is, the high voltage switch 231 is turned on only when a switching signal for turning on both the high voltage switch 231 and the first protection switch 251 is generated. On the other hand, when the switching signal for turning on only the high voltage switch 231 is generated without the switching signal for turning on the first protection switch 251, the high voltage switch 231 is turned off by an AND operation. do.
  • the switching signal applied to the low voltage switch 232 is logic such that the second protection switch 252, the switching signal, and the switching signal of the low voltage switch 232 are logic.
  • This is the result of the AND operation. That is, the low voltage switch 232 is turned on only when a switching signal for turning on both the low voltage switch 232 and the second protection switch 252 is generated.
  • the low voltage switch 232 is turned off by an AND operation. do.
  • a switching signal for turning on the first protective switch 251 and the second protective switch 252 continuously in the switching control module can be generated.
  • a switching signal for turning on either the high voltage switch 231 or the low voltage switch 232 may be generated in the switching control module (not shown). That is, when the non-isolated bidirectional DC-DC converter 200 is driven, the switch control module generates a switching signal for turning on both the first protective switch 251 and the second protective switch 252. 231, a signal for turning on any one of the low voltage switches 232 may be generated.
  • the non-isolated bidirectional DC-DC converter 200 including the protection switches 251 and 252 includes the high voltage power supply 210 and the low voltage power supply 220 through the first protection switch 251 and the second protection switch 252. It can block unintentional abnormal currents (eg, reverse polarity currents, transients, etc.) that may occur between. In addition, unintended current flow occurring between the high voltage power supply 210 and the ground GND is blocked through the first protection switch 251 and the high voltage switch 231. In addition, unintended current flow occurring in the low voltage power supply 220 is blocked through the second protective switch 252 and the low voltage switch 232.
  • unintentional abnormal currents eg, reverse polarity currents, transients, etc.
  • the non-isolated bidirectional DC-DC converter 200 including the protection switch according to the embodiment of the present invention the number of switches is reduced than the conventional non-isolated bidirectional DC-DC converter 100, the cost savings
  • the non-isolated bidirectional DC-DC converter 200 according to the embodiment of the present invention reduces the number of switches than the conventional non-isolated bidirectional DC-DC converter 100, and thus Accordingly, the efficiency of the converter is improved by minimizing the system loss occurring in proportion to the number of switches.

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Abstract

본 발명은 안정성이 향상된 양방향 비절연 DC-DC 컨버터에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 비절연 양방향 DC-DC 컨버터는, 스위칭 신호에 응답하여 부스트 모드 또는 벅 모드로 스위칭되는 한 쌍의 스위칭 소자인 고전압 스위치와 저전압 스위치, 상기 고전압 스위치와 상기 저전압 스위치와 연결되는 인덕터를 포함하는 DC-DC 컨버터 유닛; 상기 DC-DC 컨버터 유닛의 고전압 스위치와 고전압 전원의 사이에 배치되어 상기 고전압 스위치 또는 제2보호 스위치와 함께 백투백(back-to-back) 스위치 기능을 수행하는 제1보호 스위치; 및 상기 DC-DC 컨버터 유닛의 인덕터와 저전압 전원의 사이에 배치되어 상기 저전압 스위치 또는 상기 제1보호 스위치와 함께 백투백(back-to-back) 스위치 기능을 수행하는 제2보호 스위치를 포함한다.

Description

안정성이 향상된 양방향 비절연 DC-DC 컨버터
본 발명은 양방향 비절연 DC-DC 컨버터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 안정성이 향상된 양방향 비절연 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
본 발명은 2015년 6월 11일에 출원된 한국특허출원 제10-2015-0082809호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
최근 차량용 48V 시스템이 보급됨에 따라, 기존의 12V 시스템과 48V 시스템의 전기 흐름을 제어하기 위한, 양방향 DC-DC 컨버터의 필요성이 대두되었다. 상기 양방향 DC-DC 컨버터는 지령 신호에 따라 스위치가 제어되어, 부스트 모드(boost mode) 또는 벅 모드(buck mode)로 동작한다. 한국공개특허 제10-2010-0115087호는 양방향 DC-DC 컨버터 및 그의 제어방법에 대해서 개시한다.
한편, 12V 단과 48V 단의 단락 및 역극성으로부터 컨버터 시스템을 보호하는 DC-DC 컨버터가 개시되었다.
도 1은 보호 회로가 내장된 종래의 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)에는 제1 백투백(back-to-back) 스위치(10)가 48V 단과 연결되고, 제2 백투백 스위치(20)가 12V 또는 24V 단과 연결되어, 단락 및 역극성으로부터 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)를 보호한다.
상기 백투백 스위치(10, 20)는 두 개의 스위치가 맞붙여 배치된 것으로서, 양방향으로 입력되는 과전압 또는 과전류, 잡음 신호, 역극성으로부터 비절연 양방향 DC-DC 컨버터 및 그 외의 부속품을 보호하는 기능을 수행한다. 즉, 48V 고전압과 연결된 제1 백투백 스위치(10), 12V 또는 24V 저전압에 연결된 제2 백투백 스위치(20) 각각은 48V의 단락, 12V/24V의 단락, 전기적 과도 현상 등으로부터 내부 회로와 그 외의 부속품을 보호한다.
각각 백투백 스위치(10, 20)는 백투백 스위치 신호에 따라 턴온(turn on)되거나 턴오프(turn off)된다. 즉, 각 백투백 스위치(10, 20)는 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)가 구동되는 경우에, 턴온을 지시하는 스위칭 신호를 인가받아 턴온된다.
상술한 바와 같이, 보호 회로가 내장된 종래의 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)에는 한 쌍의 백투백 스위치(10, 20)가 구비된다. 즉, 고전압과 연결되는 제1백투백 스위치(10), 및 저전압과 연결되는 제2백투백 스위치(20)가 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)에 설치되어야 한다.
그런데 이러한 한 쌍의 백투백 스위치(10, 20)를 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)에 연결시키는 구조는, 비용상의 문제점을 야기할 뿐만 아니라, 전자제품을 소형화시키는 추세에 반하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 보호 회로 구조는, 총 4개의 스위치(Q3, Q4, Q5, Q6)가 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)에 추가로 설치됨으로 인하여, 각 스위치(Q3, Q4, Q5, Q6)에서의 추가적인 손실이 발생하여, 이로 인해 컨버터 효율이 저하되는 문제점도 있다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 제조단가가 저렴하고 소형화에 용이하며 안정성이 향상된 양방향 비절연 DC-DC 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
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 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른, 고전압 전원과 저전압 전원 사이에서 양방향 전압 변환을 수행하며, 보호 스위치를 포함하는 비절연 양방향 DC-DC 컨버터는, 스위칭 신호에 응답하여 부스트 모드 또는 벅 모드로 스위칭되는 한 쌍의 스위칭 소자인 고전압 스위치와 저전압 스위치, 상기 고전압 스위치와 상기 저전압 스위치와 연결되는 인덕터를 포함하는 DC-DC 컨버터 유닛; 상기 DC-DC 컨버터 유닛의 고전압 스위치와 고전압 전원의 사이에 배치되어 상기 고전압 스위치 또는 제2보호 스위치와 함께 백투백(back-to-back) 스위치 기능을 수행하는 제1보호 스위치; 및 상기 DC-DC 컨버터 유닛의 인덕터와 저전압 전원의 사이에 배치되어 상기 저전압 스위치 또는 상기 제1보호 스위치와 함께 백투백(back-to-back) 스위치 기능을 수행하는 제2보호 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 비절연 양방향 DC-DC 컨버터는, 상기 제1보호 스위치의 스위칭 신호와 상기 고전압 스위치의 스위칭 신호를 논리곱 연산하고, 논리곱 연산된 스위칭 신호를 상기 고전압 스위치로 인가하는 제1논리 소자; 및 상기 제2보호 스위칭의 스위칭 신호와 상기 저전압 스위치의 스위칭 신호를 논리곱 연산하고, 논리곱 연산된 스위칭 신호를 상기 저전압 스위치로 인가하는 제2논리 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 제1보호 스위치와 상기 제2보호 스위치는 백투백 스위치로 동작하여 상기 고전압 전원과 상기 저전압 전원 사이에서 발생하는 비정상적인 전류를 차단할 수 있다. 또한, 상기 제1보호 스위치와 상기 고전압 스위치는 백투백 스위치로 동작하여, 상기 저전압 스위치에서 접지된 그라운드와 상기 고전압 전원 사이에서 발생하는 비정상적인 전류를 차단할 수 있다.
상기 제2보호 스위치와 상기 저전압 스위치는 백투백 스위치로 동작하여, 상기 저전압 전원에서 발생되거나 상기 저전압 전원으로 유입되는 비정상적인 전류를 차단할 수 있다.
상기 스위치는, 반도체 스위치일 수 있으며, 이 경우 상기 제1보호 스위치의 소스 단자가 상기 고전압 전원의 양극과 연결되고 상기 제1보호 스위치의 드레인 단자가 상기 고전압 스위치의 드레인 단자와 연결되며, 상기 제2보호 스위치의 드레인 단자가 상기 DC-DC 컨버터 유닛의 인덕터와 연결되고 상기 제2보호 스위치의 소스 단자가 상기 저전압 전원의 양극과 연결된다.
본 발명에 따른 비절연 양방향 DC-DC 컨버터는, 시스템을 보호하는데 이용하는 스위치의 개수를 종래의 비절연 양방향 DC-DC 컨버터보다 감소시켜, 컨버터의 원가를 절감시키고 제품의 소형화시키는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 비절연 양방향 DC-DC 컨버터는, 시스템을 보호하는데 이용되는 스위치의 개수를 감소시킴에 따라, 스위치의 개수에 비례하여 발생하는 시스템 손실을 최소화하고 컨버터의 효율이 향상시키는 효과도 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 보호 회로가 내장된 종래의 비절연 양방향 DC-DC 컨버터를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안정성이 향상된 비절연 양방향 DC-DC 컨버터를 나타내는 도면이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안정성이 향상된 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)를 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 안정성이 향상된 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)는 고전압 전원(210), 저전압 전원(220), 복수의 커패시터(241, 242), DC-DC 컨버터 유닛(230) 및 복수의 보호 스위치(251, 252)를 포함한다.
고전압 전원(210)은 저전압 전원(220)보다 높은 전압을 가지며 충방전이 가능한 전원 장치로서, 48V 배터리가 채택될 수 있으며, 울트라 커패시터가 채택될 수도 있다. 상기 고전압 전원(210)은 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)가 구동되면, DC-DC 컨버터 유닛(230)과 전기적으로 연결되어 고전압을 사용하는 부하 장치로 전원을 인가하거나 저전압 전원(220)을 충전시킨다.
저전압 전원(220)은 고전압 전원(210)보다 낮은 전압을 가지며 충방전이 가능한 전원 장치로서, 12V 배터리 또는 24V 배터리가 채택될 수 있다. 상기 저전압 전원(220)은 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)가 구동되면, 저전압을 사용하는 부하 장치로 전원을 인가하거나 고전압 전원(210)을 충전시킨다.
커패시터(241, 242)는 고전압 전원(210), 저전압 전원(220) 각각에 병렬 연결되며, 출력 평활용 커패시터가 사용될 수 있다. 고전압 전원(210)과 연결된 커패시터(241)는, 제1보호 스위치(251)와 고전압 스위치(231) 사이에서 고전압 전원(210)과 병렬 연결되도록 위치가 변경될 수 있고, 또한 고전압 전원(210)과 제1보호 스위치(251) 사이에서 고전압 전원(210)과 병렬 연결되도록 위치가 변경될 수도 있다.
DC-DC 컨버터 유닛(230)은 스위칭 신호에 따라, 부스트 모드(boost mode) 또는 벅 모드(buck mode)로 동작한다. 즉, DC-DC 컨버터 유닛(230)은 스위칭 신호에 의해서, 저전압 전원(220)의 전류를 고전압 전원(210)으로 이동시키는 부스트 모드로 동작하거나, 고전압 전원(210)의 전류를 저전압 전원(220)으로 이동시키는 벅 모드로 동작한다.
상기 DC-DC 컨버터 유닛(230)는 전류가 흐를 때 에너지를 축적하는 인덕터(233), 서로 상보적으로 동작하는 한 쌍의 스위치(231, 232)를 포함한다.
DC-DC 컨버터 유닛(230)에 포함된 한 쌍의 스위치(231, 232)(Qc, Qd)는 고전압 스위치(231)(Qc)와 저전압 스위치(232)(Qd)로 구분되며, 각 스위치(231, 232)는 스위칭 신호에 따라 턴온(turn on)되거나 턴오프(turn off)된다. 각 스위치(231, 232)는 스위치 제어 모듈(도면에 도시되지 않음)에서 생성된 스위칭 신호인 PWM(Pulse Width Modulation)에 근거하여 턴온되거나 턴오프된다. 특히, 저전압 스위치(232)와 고전압 스위치(231)는 서로 상보적으로 동작한다. 즉, 저전압 스위치(232)가 턴온되면 고전압 스위치(231)는 턴오프되고, 또한 고전압 스위치(231)가 턴온되면 저전압 스위치(232)가 턴오프된다.
저전압 전원(220)에서 고전압 전원(210)으로 전류가 이동될 때, 저전압 스위치(232)가 메인 스위치로서 작동하고, 반대로 고전압 전원(210)에서 저전압 전원(220)으로 전류가 이동될 때, 고전압 스위치(231)가 메인 스위치로 작동한다. 바람직하게, 각각의 스위치(231, 232)는 반도체 스위치로서 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect) 스위치가 이용될 수 있다. 또한, 저전압 스위치(232)의 게이트 단자는 접지될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)는 제1보호 스위치(251)가 고전압 전원(210)과 고전압 스위치(231) 사이에 연결되어 백투백(back-to-back) 스위치의 기능을 수행하고, 제2보호 스위치(252)가 저전압 전원(220)과 인덕터(233) 사이에 연결되어 백투백 스위치의 기능을 수행한다.
제1보호 스위치(251)(Qa)의 드레인 단자가 고전압 스위치(231)의 드레인 단자와 연결되며 제1보호 스위치(251)의 소스 단자가 고전압 전원(210)의 양극과 연결되고, 이러한 연결 구조에 따라 고전압 전원(210)과 그라운드(GND) 사이에서 상기 제1보호 스위치(251)와 상기 고전압 스위치(231)가 백투백(back-to-back) 스위치의 기능을 수행하여, 고전압 전원(210)과 그라운드(GND) 사이에서 발생하는 비정상적인 전류 흐름을 차단한다. 특히, 제1보호 스위치(251)와 고전압 스위치(231)는 고전압 전원(210)과 그라운드(GND) 사이에 단락(short)으로 인해 발생하는 비정상적인 전류 흐름을 예방하고, 오결선으로 인해서 발생하는 역극성 전류의 흐름을 차단하여, 단락 및 역극성으로부터 시스템을 보호한다.
또한, 제2보호 스위치(252)(Qb)의 드레인 단자가 DC-DC 컨버터 유닛(230)의 인덕터(233)와 연결되며 제2보호 스위치(252)의 소스 단자가 저전압 전원(220)의 양극과 연결되고, 이러한 연결 구조에 따라 상기 제2보호 스위치(252)와 저전압 스위치(232)가 저전압 전원(220)에 대한 백투백 스위치의 기능을 수행하여, 저전압 전원(220)에서 발생하거나 저전압 전원(220)으로 유입되는 비정상적인 전류를 차단한다. 특히, 제2보호 스위치(252)와 저전압 스위치(232)는 백투백 스위치의 기능을 수행하여, 저전압 전원(220) 및 또 다른 구성품의 내부 단락으로 인해 발생하는 비정상적인 전류 흐름을 차단하고, 오결선으로 인해서 발생하는 역극성 전류를 차단한다.
한편, 고전압 전원(210)과 저전압 전원(220) 사이에서 제1보호 스위치(251)와 제2보호 스위치(252)가 백투백 스위치의 기능을 수행하여, 상기 고전압 전원(210)과 저전압 전원(220) 사이에서 단락으로 발생하는 비정상적인 전류 흐름 및 오결선으로 인해서 발생할 수 있는 역극성 전류를 차단한다.
제1논리 소자(261)는 고전압 스위치(231)의 스위칭 신호와 제1보호 스위치(251)의 스위칭 신호를 논리곱(AND) 연산하여, 그 결과에 해당하는 스위칭 신호를 고전압 스위치(231)로 인가한다. 상기 제1논리 소자(261)에는 제1보호 스위치(251)의 스위칭 신호와 고전압 스위치(231)의 스위칭 신호가 입력정보로서 입력되고, 상기 제1논리 소자(261)의 출력단은 고전압 스위치(231)의 게이트 단자와 연결된다. 즉, 제1논리 소자(261)는 입력정보로서 제1보호 스위치(251)의 스위칭 신호(즉, PWM 신호)와 고전압 스위치(231)의 스위칭 신호(즉, PWM 신호)를 입력받고, 두 스위칭 신호를 논리곱(AND) 연산하여 결과값에 해당하는 스위칭 신호를 고전압 스위치(231)의 게이트 단자로 전달한다.
제2논리 소자(262)는 저전압 스위치(232)의 스위칭 신호와 제2보호 스위치(252)의 스위칭 신호를 논리곱(AND) 연산하여, 그 결과에 해당하는 스위칭 신호를 저전압 스위치(232)로 인가한다. 상기 제2논리 소자(262)에는 제2보호 스위치(252)의 스위칭 신호와 저전압 스위치(232)의 스위칭 신호가 입력정보로서 입력되고, 제2논리 소자(262)의 출력단은 저전압 스위치(232)의 게이트 단자와 연결된다. 즉, 제2논리 소자(262)는 입력정보로서 제2보호 스위치(252)의 스위칭 신호(즉, PWM 신호)와 저전압 스위치(232)의 스위칭 신호(즉, PWM 신호)를 입력받고, 두 스위치 신호를 논리곱(AND) 연산하여 결과값에 해당하는 스위칭 신호를 저전압 스위치(232)로 전달한다.
상기 제1논리 소자(261)의 논리곱 연산에 따라, 상기 고전압 스위치(231)에 인가되는 스위칭 신호는, 제1보호 스위치(251)의 스위칭 신호와 상기 고전압 스위치(231)의 스위칭 신호가 논리곱(AND) 연산된 결과값이 된다. 즉, 고전압 스위치(231)와 제1보호 스위치(251)를 모두 턴온 시키는 스위칭 신호가 발생해야만, 고전압 스위치(231)가 턴온된다. 한편, 제1보호 스위치(251)를 턴온시키는 스위칭 신호가 발생되지 않고 고전압 스위치(231)만을 턴온시키는 스위칭 신호가 발생되면, 논리곱(AND) 연산에 의해 고전압 스위치(231)는 턴오프 상태가 된다.
또한, 상기 제2논리 소자(262)의 논리 연산에 따라, 상기 저전압 스위치(232)에 인가되는 스위칭 신호는, 제2보호 스위치(252)와 스위칭 신호와 저전압 스위치(232)의 스위칭 신호가 논리곱(AND) 연산된 결과값이 된다. 즉, 저전압 스위치(232)와 제2보호 스위치(252)를 모두 턴온 시키는 스위칭 신호가 발생해야만, 저전압 스위치(232)가 턴온된다. 한편, 제2보호 스위치(252)를 턴온시키는 스위칭 신호가 발생되지 않고 저전압 스위치(232)만을 턴온시키는 스위칭 신호가 발생되면, 논리곱(AND) 연산에 의해 저전압 스위치(232)는 턴오프 상태가 된다.
한편, 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)이 구동되면, 제1보호 스위치(251) 및 제2보호 스위치(252)를 턴온시키는 스위칭 신호가 스위칭 제어 모듈(도면에 도시되지 않음)에서 계속적으로 발생될 수 있다. 또한, 고전압 스위치(231), 저전압 스위치(232) 중 어느 하나를 턴온시키는 스위칭 신호가 스위칭 제어 모듈(도면에 도시되지 않음)에서 발생될 수도 있다. 즉, 스위치 제어 모듈은 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)이 구동되면, 제1보호 스위치(251)와 제2보호 스위치(252) 모두를 턴온시키는 스위칭 신호를 발생시킨 상태에서, 고전압 스위치(231), 저전압 스위치(232) 중 어느 하나를 턴온시키는 신호를 발생시킬 수 있다.
보호 스위치(251, 252)를 포함하는 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)는 제1보호 스위치(251)와 제2보호 스위치(252)를 통해, 고전압 전원(210)과 저전압 전원(220) 사이에서 발생할 수 있는 의도치 않은 비정상적인 전류(예컨대, 역극성 전류, 과도 전류 등)를 차단할 수 있다. 또한, 고전압 전원(210)와 그라운드 간(GND)에 발생하는 의도치 않은 전류 흐름은, 제1보호 스위치(251)와 고전압 스위치(231)를 통해서 차단된다. 게다가, 저전압 전원(220)에서 발생하는 의도치 않은 전류 흐름은, 제2보호 스위치(252) 및 저전압 스위치(232)을 통해 차단된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 실시예에 따른 보호 스위치가 포함된 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)는, 종래의 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)보다 스위치 개수가 감소되어, 원가 절감과 소형화가 용이한 효과가 있다, 또한, 본 발명의 실시예에 따른 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(200)는, 종래의 비절연 양방향 DC-DC 컨버터(100)보다 스위치 개수를 감소시켜, 이에 따라 각 스위치의 개수에 비례하여 발생하는 시스템 손실을 최소화함으로써, 컨버터의 효율이 향상시킨다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (6)

  1. 고전압 전원과 저전압 전원 사이에서 양방향 전압 변환을 수행하며, 보호 스위치를 포함하는 비절연 양방향 DC-DC 컨버터에 있어서,
    스위칭 신호에 응답하여 부스트 모드 또는 벅 모드로 스위칭되는 한 쌍의 스위칭 소자인 고전압 스위치와 저전압 스위치, 상기 고전압 스위치와 상기 저전압 스위치와 연결되는 인덕터를 포함하는 DC-DC 컨버터 유닛;
    상기 DC-DC 컨버터 유닛의 고전압 스위치와 고전압 전원의 사이에 배치되어 상기 고전압 스위치 또는 제2보호 스위치와 함께 백투백(back-to-back) 스위치 기능을 수행하는 제1보호 스위치; 및
    상기 DC-DC 컨버터 유닛의 인덕터와 저전압 전원의 사이에 배치되어 상기 저전압 스위치 또는 상기 제1보호 스위치와 함께 백투백(back-to-back) 스위치 기능을 수행하는 제2보호 스위치;를 포함하는 양방향 비절연 DC-DC 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1보호 스위치의 스위칭 신호와 상기 고전압 스위치의 스위칭 신호를 논리곱 연산하고, 논리곱 연산된 스위칭 신호를 상기 고전압 스위치로 인가하는 제1논리 소자; 및
    상기 제2보호 스위칭의 스위칭 신호와 상기 저전압 스위치의 스위칭 신호를 논리곱 연산하고, 논리곱 연산된 스위칭 신호를 상기 저전압 스위치로 인가하는 제2논리 소자;를 더 포함하는 양방향 비절연 DC-DC 컨버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1보호 스위치와 상기 제2보호 스위치는 백투백 스위치로 동작하여 상기 고전압 전원과 상기 저전압 전원 사이에서 발생하는 비정상적인 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 양방향 비절연 DC-DC 컨버터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1보호 스위치와 상기 고전압 스위치는 백투백 스위치로 동작하여, 상기 저전압 스위치에서 접지된 그라운드와 상기 고전압 전원 사이에서 발생하는 비정상적인 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 양방향 비절연 DC-DC 컨버터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2보호 스위치와 상기 저전압 스위치는 백투백 스위치로 동작하여, 상기 저전압 전원에서 발생되거나 상기 저전압 전원으로 유입되는 비정상적인 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 양방향 비절연 DC-DC 컨버터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치는, 반도체 스위치이고,
    상기 제1보호 스위치의 소스 단자가 상기 고전압 전원의 양극과 연결되고 상기 제1보호 스위치의 드레인 단자가 상기 고전압 스위치의 드레인 단자와 연결되며,
    상기 제2보호 스위치의 드레인 단자가 상기 DC-DC 컨버터 유닛의 인덕터와 연결되고 상기 제2보호 스위치의 소스 단자가 상기 저전압 전원의 양극과 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 비절연 DC-DC 컨버터.
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