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KR101355339B1 - 양방향 디시-디시 컨버터 제어 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

양방향 디시-디시 컨버터 제어 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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KR101355339B1
KR101355339B1 KR1020120121617A KR20120121617A KR101355339B1 KR 101355339 B1 KR101355339 B1 KR 101355339B1 KR 1020120121617 A KR1020120121617 A KR 1020120121617A KR 20120121617 A KR20120121617 A KR 20120121617A KR 101355339 B1 KR101355339 B1 KR 101355339B1
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converter
output
input
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KR1020120121617A
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이세형
전범수
김웅회
김형택
김영민
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엘에스산전 주식회사
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Abstract

본 발명은 자동차에서 사용되는 DC-DC컨버터 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 컨버터 제어 장치는 입력부와 출력부의 전압차를 확인하고, 상기 전압차가 0이 되도록 컨버터를 구성하는 적어도 하나의 스위치를 온 또는 오프하여 상기 컨버터의 동작모드를 제어하는 스위치 제어부; 상기 스위치 제어부로부터 인가되는 제어신호에 기초하여 상기 적어도 하나의 스위치를 온/오프하여 상기 입력부에서 출력부로 전류를 도통하는 컨버터;를 포함한다.

Description

양방향 디시-디시 컨버터 제어 장치 및 그 제어 방법{Apparatus and method for controlling bi-directional DC-DC converter}
본 발명은 자동차에서 사용되는 DC-DC컨버터 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
급격한 유류세 증가로 인하여 연비의 효율성이 극대화된 자동차가 출시되고 있으며, 그 대표적인 예로 아이들 스탑 앤 고(ISG:Idle Stop & Go, 이하 'ISG'로 칭함)시스템을 내장한 자동차가 있다.
ISG시스템은 일반적인 차량의 시동 모터가 아닌 스타터(Starter)와 알터네이터(alternator)의 통합형 모터로서 엔진이 동작할 때는 알터네이터로 동작하게 된다. ISG는 상기와 같이 알터네이터와 스타터가 일체로된 통합형과 알터네이터와 스타터가 분리된 분리형으로 구분될 수 있으나, 그 구성 및 동작은 유사하다. 따라서 ISG시스템은 엔진 자동차에 적용이 쉬어 그 수요가 증가하고 있다.
도 1은 종래의 ISG시스템을 포함하는 차량의 발진부를 나타내는 구성도이다.
도 1의 (a)의 경우 전류의 흐름이 발생하는 입력부 및 출력부(11, 15)와 상기 입/출력부의 도통을 위한 복수의 스위치(12, 14) 및 인덕터(13)를 포함한다.
입력부(11)에서 출력부(15)로 전류 흐름이 발생하면, 입력부(11)는 입력 리플 제거 기능을 수행할 수 있다. 또한 제1스위치부(12)의 복수개 스위치(12a, 12b)는 벅모드(Buck Mode)동작을 위한 스위치로 구동될 수 있으며 제2스위치부(14)의 복수개 스위치(14a, 14b)와 인덕터(13)는 부스트 모드(Boost Mode) 동작을 위한 스위치 기능을 수행할 수 있다.
반대로, 출력부(15)에서 입력부(11)방향으로 전류의 흐름이 발생하는 경우 제2스위치부(14)의 복수개 스위치(14a, 14b)는 벅 모드 동작을 위한 스위치로 구동될 수 있으며, 제1스위치부(12)의 복수개 스위치(12a, 12b) 및 인덕터(13)는 부스트 모드(Boost Mode) 동작을 위한 스위치 기능을 수행할 수 있다.
또한 도 1의 (b)의 경우 양방향 인버리브드 방식으로 (a)와 유사하게 입력부(21)에서 출력부(25) 방향으로 전류 흐름이 발생하는 경우 제1스위치부(22)의 복수개 스위치(22a 내지 22f)는 벅 모드 동작을 위한 스위치 기능을 수행하고, 제2스위치부(23)의 복수개 스위치(23a 내지 23f)는 부스트 모드 동작을 위한 스위치 기능을 수행할 수 있다.
반대로, 출력부(25)에서 입력부(21) 방향으로 전류의 흐름이 발생하는 경우 제2스위치부(23)의 복수개 스위치(23a 내지 23f)는 벅 모드 동작을 위한 스위치 기능을 수행하고, 인덕터(24)의 복수개 인덕터(24a 내지 24c)와 제1스위치부(22)의 복수개 스위치(22a 내지 22f)는 부스트 모드 동작을 위한 스위치 기능을 수행할 수 있다.
상기한 바와 같은 ISG시스템을 포함하는 차량의 발진부는 복수의 스위치, 인덕터의 구성 및 높은 도통 손실에 따른 발열에 대한 문제점이 발생할 수 있다. 이러한 컨버터의 경우 높은 용량의 컨버터를 구현하지 못하여 병렬 구조로 변경하여 사용되고 있지만 구조적인 제어장치의 복잡함이 발생할 수 있다.
본 발명은 ISG(Ideal Stop & Go)시스템에 구성되는 컨버터에 대한 구조적 배치의 단순화와 용량에 따른 발열 현상 저감을 위한 디시-디시 컨버터 및 그 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 컨버터 제어 장치는 입력부와 출력부의 전압차를 확인하고, 상기 전압차가 0이 되도록 컨버터를 구성하는 적어도 하나의 스위치를 온 또는 오프하여 상기 컨버터의 동작 모드를 제어하는 스위치 제어부; 상기 스위치 제어부로부터 인가되는 제어신호에 기초하여 상기 적어도 하나의 스위치를 온/오프하여 상기 입력부에서 출력부로 전류를 도통하는 컨버터;를 포함한다.
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본 발명의 실시 예에 따른 디시-디시 컨버터 제어 장치 및 그 제어 방법에 의하여 ISG(Ideal Stop & Go)시스템에 구성되는 양방향 컨버터에 대하여 입출력 전압값에 따른 동작 모드를 제어하기 위한 하드웨어적 구성을 단순화할 수 있다.
또한 본 발명의 실시 예에 따른 디시-디시 컨버터 제어 장치 및 그 제어 방법에 의하여 차량에 비절연 방식의 적용이 용이한 저전압 컨버터의 사용이 용이한 효과를 가질 수 있다.
도 1은 종래의 ISG(Ideal Stop & Go)시스템을 포함하는 차량의 발진부를 나타낸 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 ISG(Ideal Stop & Go)시스템을 포함하는 차량의 발진부를 나타낸 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 입출력 전압 상태에 따른 발진부의 동작 모드를 설명하기 위한 흐름도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 ISG(Ideal Stop & Go)시스템을 포함하는 차량의 발진부를 나타낸 블록 구성도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량의 발진부는 입력부(10), 디시-디시 컨버터(100) 출력부(20) 및 스위칭 제어부(200)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 입력부(10)는 UC(Ultra capacitor), 리튬배터리, Pb(lead) & AGM 배터리와 같은 에너지 저장 및 출력을 위한 에너지 저장장치일 수 있다. 출력부(20)는 Pb & AGM배터리를 포함하는 에너지 공급장치 일 수 있다.
상기 입력부(10)와 출력부(20)는 전류의 흐름 방향에 따라 유동적일 수 있다.
디시-디시 컨버터(100)는 적어도 하나의 인덕터(111, 112, 113)를 포함하는 인덕터부(110)와 적어도 하나의 스위치(121, 122, 123, 124, 125, 126)를 포함하는 스위치부(120)를 포함할 수 있다.
스위치부(120)의 스위치(121, 122, 123, 124, 125, 126)는 하나의 암(Arm)이 병렬로 연결된 형태로 구성될 수 있으며, 상기 병렬로 연결되는 암의 개수는 한정되지 않는다. 본 발명의 실시 예에 서는 2개의 스위치를 포함하는 3개의 암이 병렬로 연결된 구조를 예를 들어 설명한다. 상기 스위치는 IGBT 또는 MOSFET일 수 있다. 3상 인덕터(110)를 통해 공급되는 전력은 하나의 암을 이루는 스위치((121,122), (123,124), (125,126))의 중간점에 연결될 수 있다.
또한 스위치부(120)의 두개의 스위치로 구성되는 하나의 암((121,122),(123,124),(125,126))은 병렬로 연결될 수 있다.
컨버터(100)는 입력부(10) 및 출력부(20)의 입출력 전압을 각각 측정할 수 있으며, 입출력 전압값에 따라 컨버터의 동작모드를 벅모드, 바이패스모드 또는 부스트 모드로 동작할 수 있다. 스위치 제어부(200)의 제어 신호에 따라 각 스위치(121, 122, 123, 124, 125, 126)는 스위칭 제어 신호가 입력되면(on) 스위칭 소자로 동작하고, 스위칭 신호가 오프되면 다이오드로 동작하게 된다.
적어도 하나의 인덕터(111, 112, 113)를 포함하는 인덕터부(110)와 적어도 하나의 스위치(121, 122, 123, 124, 125, 126)를 포함하는 스위치부(120)는 입력부(10) 및 출력부(20)의 전압차에 의하여 컨버터(100)의 동작을 특정 모드로 수행하기 위하여 스위칭 동작을 수행함으로써, 입력 전압을 상승 또는 강하되도록 할 수 있다.
스위치 제어부(200)는 입력부(10)와 출력부(20)의 전압차를 확인하고, 스위치부(120)의 각 스위칭 신호를 제어할 수 있다. 상기 스위칭 신호는 입력부(10)와 출력부(20)의 전압차에 따라 컨버터의 동작 모드를 결정하고, 상기 컨버터의 동작 모드에 따라 달라질 수 있다.
상기 도 2 및 도 3을 참조하여 상기 입출력 전압차에 따른 컨버터의 동작을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 입출력 전압 상태에 따른 발진부의 동작 모드를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 스위칭 제어부(200)는 입력부(10)와 출력부(20)의 전압값을 확인한다.(S310)
스위칭 제어부(200)는 상기 입력부(10)와 출력부(20)의 전압 차에 따라 컨버터(100)의 동작 모드(S320)를 결정할 수 있다. 상기 컨버터(100)의 동작 모드는 벅모드(S321), 바이패스모드(S322) 또는 부스트 모드(S323)일 수 있다.
스위칭 제어부(200)는 입력부(100)와 출력부(200)의 전압값을 확인한다.(S310)
스위칭 제어부(200)는 입력부(100)의 전압값이 출력부(200)의 전압값보다 큰 경우, 즉 입력부(10)와 출력부(10)의 전압차가 (+) 인 경우, 스위치부(120)의 각각의 스위치(121, 122, 123, 124, 125, 126)를 오프하여 내부 다이오드를 이용한 입력 전압값의 전압강하를 실행하게 된다.
상기 스위치(121, 122, 123, 124, 125, 126)의 내부 다이오드는 상기 스위치들이 턴오프(turn-off)되었을 때, 1.3V정도의 전압 강하가 가능하며 인덕터부(110)의 내부 저항과 도통 손실을 고려하면 입력 전압값에 대한 약 1.5V의 전압 강하가 가능하다.
따라서, 입력부(10)와 출력부(20)의 전압차가 (+)인 경우 스위칭 제어부(200)는 컨버터(100)에서 입력 전압값에 대한 전압 강하를 실행하기 위하여 스위치부(120)의 스위치들(121, 122, 123, 124, 125, 126)을 턴오프하여 제1 스위치(121), 제3 스위치(123) 및 제5 스위치(125)의 내부 다이오드를 통해 전류가 도통하는 벅모드를 수행하게 된다.(S321)
따라서, 입력부(10)의 전압값이 컨버터(100)의 전압강하 모드에 따라 약 1.5V전압 강하된 전압값으로 출력부(20)로 출력될 수 있다.(S330)
또는 스위칭 제어부(200)에서 입력부(10)와 출력부(20)의 전압값 확인 결과(S310) 입력부(10)와 출력부(20)의 전압값이 동일한 경우, 즉, 입력부(10)와 출력부(20)의 전압차가 '0'인 경우 입력 전압값을 그대로 출력부(20) 측으로 출력하기 위하여 컨버터(100)는 바이패스 모드(322)를 수행하게 된다.
스위칭 제어부(200)는 바이패스 모드 시 스위치부(120)의 다수의 스위치 중 제1 스위치(121), 제3 스위치(123) 및 제5 스위치(125)를 턴온(turn-on)하고, 제2 스위치(122), 제4 스위치(124) 및 제6 스위치(126)를 턴오프(turn-off)한다.
따라서 컨버터(100)는 입력 전원을 그대로 출력부(20)로 출력하는 바이패스 모드로 동작하게 된다.(S330)
또는 스위칭 제어부(200)는 입력부(10)의 전압값이 출력부(20)의 전압값 보다 작은 경우, 즉, 입력 부(10)와 출력부(20)의 전압차가 (-)인 경우 입력 전압값을 상승시켜 출력하기 위하여 컨버터(100)는 부스트 모드(323)를 수행할 수 있다.
스위칭 제어부(200)는 인덕터부(110)의 복수개 인덕터(111, 112, 113)와 스위치부(120)의 복수개의 스위치(121, 122, 123, 124, 125, 126)를 동작하여 입력 전압값을 출력 전압값으로 부스팅하게 된다. 이때 스위치부(120)의 스위치들은 모드 턴-온되도록 동작할 수 있다.
따라서 입력부(10)의 전압값이 컨버터(100)의 부스트 모드 동작에 따라 소정값으로 부스팅되어 출력부(20)로 출력될 수 있다.(S330)
상기와 같이 입력부(10)의 전압과 출력부(20)의 전압차에 따라 컨버터(100)는 벅모드, 바이패스모드 또는 부스트 모드를 실행하여, 입력부(10)의 전압과 출력부(20)의 전압차를 '0'으로 유지하도록 할 수 있다.
반면, 출력부(20) 측에서 입력부(10) 측으로 전류의 흐름이 발생할 때는 스위치부(120)의 스위치들 중 제1 스위치(121), 제2 스위치(122), 제3 스위치(123), 제4 스위치(124), 제5 스위치(125) 및 제6 스위치(126)는 전압 강하모드(buck mode)로 동작하도록 턴오프된다. 이때 인덕터부(110)의 인덕터들(111, 112, 113)는 입력부(10)와 출력 LC필터로 리플 저감을 위한 동작을 수행하게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 입력부 20: 출력부
100: 컨버터
110: 인덕터부
120: 스위치부
121: 제1 스위치 122: 제2 스위치
123: 제3 스위치 124: 제4 스위치
125: 제5 스위치 126: 제6 스위치

Claims (7)

  1. 컨버터 제어 장치에 있어서,
    입력부와 출력부의 전압차를 확인하고, 상기 전압차가 0이 되도록 컨버터를 구성하는 적어도 하나의 스위치를 온 또는 오프하여 상기 컨버터의 동작모드를 제어하는 스위치 제어부;
    상기 스위치 제어부로부터 인가되는 제어신호에 기초하여 상기 적어도 하나의 스위치를 온/오프하여 상기 입력부에서 출력부로 전류를 도통하는 컨버터;를 포함하는
    컨버터 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는
    적어도 하나의 암(Arm)으로 구성된 스위치부;
    상기 하나의 암의 중간점에 연결되는 적어도 하나의 인덕터를 포함하는
    컨버터 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는
    상기 입력부와 출력부의 전압차가 (+)인 경우 적어도 하나의 암에 포함되는 스위치를 턴오프하여 다이오드로 동작하고, 상기 입력부의 전압을 출력부의 전압값으로 강하하는
    컨버터 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는
    상기 입력부와 상기 출력부의 전압차가 '0'인 경우 적어도 하나의 암에 포함되는 스위치를 턴온하여 스위치로 동작하고, 상기 입력부의 전압을 출력부의 전압값으로 출력하는
    컨버터 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 입력부는
    울트라 캐패시터, 리튬 배터리, Pb & AGM 배터리 중 어느 하나를 포함하는 에너지 저장장치임을 특징으로 하는
    컨버터 제어 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
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