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KR20160007867A - 풀브릿지 저전압 ｄｃ-ｄｃ 컨버터 - Google Patents

풀브릿지 저전압 ｄｃ-ｄｃ 컨버터 Download PDF

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KR20160007867A
KR20160007867A KR1020140084225A KR20140084225A KR20160007867A KR 20160007867 A KR20160007867 A KR 20160007867A KR 1020140084225 A KR1020140084225 A KR 1020140084225A KR 20140084225 A KR20140084225 A KR 20140084225A KR 20160007867 A KR20160007867 A KR 20160007867A
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voltage
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buck
switch
full bridge
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여인용
송병섭
이대우
양진영
이우영
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 풀브릿지 저전압 DC-DC 컨버터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 넓은 입력전압 범위에 대응할 수 있도록 저전압 DC-DC 컨버터의 입력단에 벅부스트 회로를 구비함으로써, 차종별 공용화가 가능한 풀브릿지 저전압 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 저전압 보조배터리용 충전을 위한 저전압 DC-DC 컨버터를 넓은 입력 전압(고전압 배터리의 셀 전압) 범위에 모두 적용할 수 있는 회로로 개선하되, 기존의 저전압 DC-DC 컨버터의 입력단에 극성이 반전되지 않는 벅(Buck) 컨버터와 부스트(Boost) 컨버터가 결합된 벅부스트 회로를 추가하는 구조로 개선시킴으로써, 차량의 종류와 상관없이 공용화가 가능하도록 한 풀브릿지 저전압 DC-DC 컨버터를 제공하고자 한 것이다.

Description

풀브릿지 저전압 ＤＣ-ＤＣ 컨버터{Full Bridge Low Voltage DC/DC Converter}
본 발명은 풀브릿지 저전압 DC-DC 컨버터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 넓은 입력전압 범위에 대응할 수 있도록 저전압 DC-DC 컨버터의 입력단에 벅부스트 회로를 구비함으로써, 차종별 공용화가 가능한 풀브릿지 저전압 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
하이브리드 차량(HEV), 연료전지 차량, 연료전지 하이브리드 차량 등과 같은 전기를 이용하는 친환경 자동차에는 12V 배터리(보조 배터리)의 충전 및 12V 전장부하에 전력을 공급하는 저전압 DC-DC 컨버터(Low Voltage DC/DC Converter, LDC)가 탑재되어 있다.
이렇게 친환경차에는 고전압 배터리(약 100V~450V)에서 저전압 배터리를 충전하기 위한 LDC 즉, 저전압 DC-DC 컨버터가 탑재되어 있고, 고전압 배터리와 저전압 배터리의 그라운드는 분리되어야 하기 때문에 저전압 DC-DC 컨버터에 변압기가 들어가 있는 절연형 직류변환장치를 사용하게 된다.
상기 저전압 DC-DC컨버터는 고전압 배터리로부터 나오는 고전압의 직류전압을 저전압의 직류전압으로 변환하여 12V 보조배터리 등과 같은 차량의 전장부하에 제공하는 역할을 하며, 절연형 풀 브릿지, 포워드 컨버터 등이 사용되고 있다.
좀 더 상세하게는, 상기 저전압 DC-DC 컨버터는 일반 가솔린 차량의 알터네이터 역할을 하는 장치로서, 메인 고전압 배터리의 고전압을 다운시켜 전압 12V를 공급하며, 고전압 배터리 혹은 구동모터에 의한 회생에너지의 고전압(DC)을 12V(DC)로 변환하여 보조 배터리(12V 배터리)를 충전시키거나 전장부하에 전력을 공급한다.
상기 저전압 DC-DC 컨버터의 입력 전압은 전기 자동차 및 하이브리드 자동차에 탑재되는 고전압 배터리이며 차량의 종류에 따라 고전압 배터리 전압 범위가 최소 약 100V에서 최대 450V 까지 매우 다르다.
이렇게 고전압 배터리의 범위가 매우 다양하기 때문에 변압기의 턴 비는 풀 브릿지 컨버터의 경우 작게는 5:1 부터 약 15:1 까지 다양해 질 수 있고, 변압기의 턴 비가 달라 질 경우(고전압 배터리의 크기가 달라 질 경우), 절연형 컨버터의 1차 측에 흐르는 전류의 크기가 달라지므로 반도체 소자의 사양도 변경이 필요하고, 그에 따라 친환경차의 저전압 DC-DC 컨버터 공용화가 불가능하여, 고전압 배터리의 크기가 변할 때 마다 재설계가 필요하여 제조 원가 상승의 원인이 되고 있다.
결국, 종래에는 차종별로 저전압 DC-DC 컨버터 공용화가 불가능하여, 절연형 컨버터 등의 변압기의 턴 비와 턴 수가 고전압 배터리의 크기에 따라 달라지게 되고, 다른 파워 부품 소자의 사양 변경도 불가피하게 되면서 차량의 종류마다 컨버터의 설계 사양이 크게 바뀌는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 저전압(12/24V) 배터리용 충전을 위한 저전압 DC-DC 컨버터를 넓은 입력 전압(고전압 배터리의 셀 전압) 범위에 모두 적용할 수 있는 회로로 개선하되, 기존의 저전압 DC-DC 컨버터의 입력단에 극성이 반전되지 않는 벅(Buck) 컨버터와 부스트(Boost) 컨버터가 결합된 회로를 추가하는 구조로 개선시킴으로써, 차량의 종류와 상관없이 공용화가 가능도록 한 풀브릿지 저전압 DC-DC 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 직류를 교번으로 스위칭하여 출력하는 스위칭부와, 스위칭부에서 출력되는 교류 전압을 차량에서 사용 가능한 12V 수준으로 다운시키는 변압부와, 다운된 전압을 일정한 전압으로 정류시키는 정류부를 포함하는 풀브릿지 저전압 DC-DC 컨버터에 있어서, 상기 스위칭부의 입력단에 극성이 반전되지 않는 전압 출력이 가능한 벅부스트 회로를 연결하여서 된 것을 특징으로 하는 풀브릿지 저전압 DC-DC 컨버터를 제공한다.
특히, 본 발명의 벅부스트 회로는: 고전압 배터리와 직렬로 연결되는 벅 스위치와; 벅 스위치와 직렬로 연결되는 인덕터와; 벅 스위치와 병렬로 연결되는 제1다이오드와; 인덕터의 출력단과 직렬로 연결되는 제2다이오드와; 인덕터와 제2다이오드 사이에 병렬로 연결되는 부스트 스위치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 고전압 배터리의 입력전압 크기가 기준전압 보다 클 경우, 벅 스위치는 정해진 듀티비에 따라 온/오프를 반복하는 동시에 부스트 스위치는 항상 오프로 작동하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고전압 배터리의 입력전압 크기가 기준전압 보다 작을 경우, 부스트 스위치는 정해진 듀비티에 따라 온/오프를 반복하는 동시에 벅 스위치는 항상 온으로 작동하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 고전압 배터리의 전압 크기와 관계없이 풀 브릿지 DC/DC 컨버터 회로의 입력단 전압을 일정하게 해줄 수 있고, 항상 높은 수준의 효율로 동작이 가능한 장점이 있다.
둘째, 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 입력단 전압이 일정하게 됨에 따라, 차량의 종류와 상관없이 저전압 DC-DC 컨버터의 공용화가 가능한 장점이 있다.
셋째, 저전압 DC-DC 컨버터의 공용화에 따라, 변압기 및 반도체 소자들의 공용화가 가능해지고, 제품 개발 시 원가 절감 및 설계 사양 변경 시 반영이 매우 유리한 장점이 있다.
도 1은 종래의 센터 캡 풀브릿지 컨버터를 나타낸 회로도,
도 2는 종래의 커런트 더블러 풀브릿지 컨버터를 나타낸 회로도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풀브릿지 저전압 DC-DC 컨버터를 나타낸 회로도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풀브릿지 저전압 DC-DC 컨버터를 나타낸 회로도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 저전압 DC-DC 컨버터의 일례인 종래의 풀브릿지 컨버터의 구성을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 종래의 센터 캡 풀브릿지 컨버터(Center tap full bridge converter)를 나타내고, 도 2는 종래의 커런트 더블러 풀브릿지 컨버터(Current Doubler full bridge converter)를 나타낸다.
도 1 및 도 2에 도시된 풀브릿지 컨버터 회로는 저전압 DC-DC 컨버터 회로로 많이 쓰이는 회로이며, 특히 1kW급 이상의 직류변환장치에는 풀 브릿지 컨버터가 많이 사용되고 있다.
이러한 풀브릿지 컨버터는 위상전이 방식을 사용하고, 변압기의 누설 인덕터와 스위치의 기생 커패시터 성분의 공진을 이용하여 ZVS(Zero Voltage Switching) 동작을 보장하면서 높은 효율과 넓은 부하 범위에도 사용이 가능하다.
도 1 및 도 2에서 보듯이, 풀브릿지 컨버터(100)는 직류를 교번으로 스위칭하여 출력하는 스위칭부(20)와, 스위칭부(20)에서 출력되는 교류 전압을 차량에서 사용 가능한 12V 수준으로 다운시키는 변압부(30)와, 다운된 전압을 일정한 전압으로 정류시키는 정류부(40)를 포함하여 구성된다.
이렇게 풀브릿지 컨버터의 입력 전압 즉, 고전압 배터리로부터 풀브릿지 컨버터(100)의 스위칭부(20)로 입력되는 전압은 차량의 종류에 따라 고전압 배터리 전압 범위가 최소 약 100V에서 최대 450V 까지 매우 다르기 때문에, 변압부의 턴 비 및 턴 수가 달라지게 되고, 다른 파워 부품 소자의 설계 사양도 불가피하게 변경해야 하는 번거로움이 있다.
즉, 친환경차의 종류가 하이브리드, 수소연료전지차, 플러그인 하이브리드, 전기자동차 등 다양해짐에 따라, 고전압 배터리의 크기가 약 100V 부터 450V 까지 차종별로 차이가 나게 되고, 그에 따라 차종마다 고전압 배터리의 입력전압 크기가 다르므로, 저전압 DC-DC 컨버터의 공용화가 어려운 문제점이 있고, 그에 따라 차종마다 변압기 사양, 반도체 소자 사양 등이 모두 달라지게 되며, 이렇게 부품 사양들이 변경됨에 따라 컨버터의 설계, 양산 및 관리 비용이 상승하게 되고, 효율 특성도 차이가 나게 되는 문제점이 따르게 된다.
이러한 문제점을 해결하고자, 본 발명은 저전압 DC-DC 컨버터를 넓은 입력 전압(고전압 배터리의 셀 전압) 범위에 모두 적용할 수 있도록 저전압 DC-DC 컨버터의 입력단에 극성이 반전되지 않는 벅(Buck) 컨버터와 부스트(Boost) 컨버터가 결합된 벅부스트 회로를 구비함으로써, 차종에 따른 고전압배터리와 상관없이 공용화가 가능한 풀브릿지 저전압 DC-DC 컨버터를 제공하고자 한 것이다.
첨부한 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풀브릿지 저전압 DC-DC 컨버터를 나타낸 회로도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풀브릿지 저전압 DC-DC 컨버터를 나타낸 회로도이다.
도 3 및 도 4에서 보듯이, 본 발명에 따른 풀브릿지 컨버터(100)는 직류를 교번으로 스위칭하여 출력하는 스위칭부(20)와, 스위칭부(20)에서 출력되는 교류 전압을 차량에서 사용 가능한 12V 수준으로 다운시키는 변압부(30)와, 다운된 전압을 일정한 전압으로 정류시키는 정류부(40)를 포함하되, 상기 스위칭부(20)의 입력단에 극성이 반전되지 않는 전압 출력이 가능한 벅부스트 회로(10)가 연결된 점에 특징이 있다.
상기 벅부스트 회로(10)는 고전압 배터리로부터의 입력전압을 강압시키는 벅 모드와, 고전압 배터리로부터의 입력전압을 승압시키는 부스트 모드로 동작하고, 회로 구성상 극성이 반전되지 않는 즉, 출력전압의 방향을 항상 일정하게 (+) 방향으로 출력하는 특성을 갖는다.
이를 위해, 상기 벅부스트 회로(10)는 저전압 DC-DC 컨버터의 입력단에 벅 모드를 위한 벅 스위치(11) 및 제1다이오드(13)와, 부스트 모드를 위한 부스트 스위치(15) 및 제2다이오드(14)와, 벅 스위치와 부스트 스위치 간에 연결되는 인덕터(12)가 극성이 반전되지 않는 배열로 연결된 점에 특징이 있다.
보다 상세하게는, 상기 벅부스트 회로(10)는 고전압 배터리와 직렬로 연결되는 벅 스위치(11)와, 벅 스위치(11)와 직렬로 연결되는 인덕터(12)와, 벅 스위치(11)와 인덕터(12) 사이에 병렬로 연결되는 제1다이오드(13)와, 인덕터(12)의 출력단과 직렬로 연결되는 제2다이오드(14)와, 인덕터(12)와 제2다이오드(14) 사이에 병렬로 연결되는 부스트 스위치(15)를 포함하여 구성된다.
이렇게 상기 벅부스트 회로(10)가 풀 브릿지 컨버터의 입력단에 결합되어 입력전압의 승압 및 강압 조절이 가능해짐에 따라, 차종에 따른 고전압 배터리의 크기와 상관없이, 즉 친환경 차량의 종류와 관계없이 넓은 입력 전압 범위에서 동일한 회로 및 소자 부품 사용이 가능하고, 풀 브릿지 컨버터의 입력단에 대한 출력전압(Vdc)값을 일정하게 조절할 수 있다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 벅부스트 회로의 동작 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
본 발명에 따른 풀 브릿지 컨버터는 고정 듀티로 동작을 하며, 벅부스트 회로에서 PWM 제어를 함으로써, 출력 전압을 일정한 수준으로 제어할 수 있다.
먼저, 제어부(미도시됨)에서 풀 브릿지 컨버터의 입력단 즉, 스위칭부(20)에 대하여 출력하는 기준 출력전압(Vdc)값을 결정하되, 고효율 동작 전압으로 결정한다.
이때, 고전압 배터리로부터 벅부스트 회로(10)로 입력되는 입력전압 크기가 기준 출력전압(Vdc)보다 클 경우, 벅부스트 회로(10)는 제어부의 제어에 의하여 벅 컨버터와 같이 벅 스위치(11)가 온되는 벅 모드로 동작하게 되며, 이때 부스트 스위치(15)는 항상 오프로 동작한다.
즉, 상기 고전압 배터리의 입력전압 크기가 기준전압 보다 클 경우, 벅 스위치(11)는 제어부의 제어에 의거 정해진 듀티비에 따라 온/오프를 반복하는 동시에 부스트 스위치(15)는 항상 오프로 작동하게 되어, 고전압 배터리의 입력전압 크기가 강압되어 풀 브릿지 컨버터의 스위칭부(20)에 대하여 기준 출력전압(Vdc)에 맞게 출력된다.
보다 상세하게는, 상기 벅 스위치(11)가 온될 때 인덕터(12)로 전류가 흐르면서 인덕터(12)에 에너지가 축적되는 동시에 커패시터와 스위칭부(20)로 전류가 흐르게 되고, 벅 스위치(11)가 오프될 때 제1다이오드(13)가 인덕터(12)에 축적된 에너지인 인덕터 전류가 커패시터와 스위칭부(20)로 흐르도록 통로를 만들어주고, 벅 스위치(11)가 온될 때까지 인덕터 전류가 감소된다.
이렇게 상기 고전압 배터리의 입력전압 크기가 기준전압 보다 클 경우, 부스트 스위치(15)를 오프시킨 상태에서 주기적으로 벅 스위치(11)를 정해진 듀티비에 따라 온/오프를 반복시킴으로써, 고전압 배터리로부터의 입력전압 대비 보다 낮은 펄스 모양의 전압을 평활하여 스위칭부에 출력하게 된다.
반면, 상기 고전압 배터리로부터 벅부스트 회로(10)로 입력되는 입력전압 크기가 기준 출력전압(Vdc)보다 작은 경우, 벅부스트 회로(10)는 제어부의 제어에 의하여 부스트 컨버터와 같이 부스트 스위치(15)가 온되는 부스트 모드로 동작하게 되며, 이때 벅 스위치(11)는 항상 온으로 동작한다.
즉, 상기 고전압 배터리의 입력전압 크기가 기준전압 보다 작을 경우, 부스트 스위치(15)는 제어부의 제어에 의거 정해진 듀티비에 따라 온/오프를 반복하는 동시에 벅 스위치(11)는 항상 온으로 작동하게 되어, 고전압 배터리의 입력전압 크기가 승압되어 풀 브릿지 컨버터의 스위칭부(20)에 대하여 기준 출력전압(Vdc)에 맞게 출력된다.
보다 상세하게는, 상기 벅 스위치(11)가 온으로 유지된 상태에서 부스트 스위치(15)가 온될 때 인덕터(12)로 전류가 흐르면서 인덕터(12)에 에너지가 축적되는 동시에 제2다이오드(14)를 통해 스위칭부(20)로 전류가 흐르지 않으므로 커패시터에 축적된 에너지가 소비되고, 반면 부스트 스위치(15)가 오프되면 고전압 배터리로부터의 입력전압에 인덕터(12)에 축적된 에너지가 더해져서 제2다이오드(14)를 통해 출력되는 전압이 인덕터에 축적된 에너지 전압만큼 증가하여 승압이 이루어진다.
이렇게 상기 고전압 배터리의 입력전압 크기가 기준전압 보다 작은 경우, 벅 스위치(11)를 온시킨 상태에서 주기적으로 부스트 스위치(15)를 정해진 듀티비에 따라 온/오프를 반복시킴으로써, 고전압 배터리로부터의 입력전압 대비 보다 높은 전압을 스위칭부에 출력하게 된다.
이와 같이, 상기한 풀 브릿지 컨버터 회로를 고정 듀티로 동작시키고, 벅부스트 회로를 이용하여 스위칭부에 대한 출력전압 값을 일정하게 유지시킴으로써, 항상 고효율 동작점에서 컨버터를 동작시킬 수 있다.
또한, 차종별로 고전압 배터리의 사양이 변경되어도, 즉 친환경차 종류와 상관없이 저전압 DC-DC 컨버터의 공용화가 가능하여, 원가 절감이 가능하고 항상 고효율 동작을 보장할 수 있다.
10 : 벅부스트 회로
11 : 벅 스위치
12 : 인덕터
13 : 제1다이오드
14 : 제2다이오드
15 : 부스트 스위치
20 : 스위칭부
30 : 변압부
40 : 정류부
100 : 풀브릿지 컨버터

Claims (4)

  1. 직류를 교번으로 스위칭하여 출력하는 스위칭부(32)와, 스위칭부(32)에서 출력되는 교류 전압을 차량에서 사용 가능한 12V 수준으로 다운시키는 변압부(34)와, 다운된 전압을 일정한 전압으로 정류시키는 정류부(36)를 포함하는 풀브릿지 저전압 DC-DC 컨버터에 있어서,
    상기 스위칭부의 입력단에 극성이 반전되지 않는 전압 출력이 가능한 벅부스트 회로를 연결하여서 된 것을 특징으로 하는 풀브릿지 저전압 DC-DC 컨버터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 벅부스트 회로는:
    고전압 배터리와 직렬로 연결되는 벅 스위치와;
    벅 스위치와 직렬로 연결되는 인덕터와;
    벅 스위치와 병렬로 연결되는 제1다이오드와;
    인덕터의 출력단과 직렬로 연결되는 제2다이오드와;
    인덕터와 제2다이오드 사이에 병렬로 연결되는 부스트 스위치;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 풀브릿지 저전압 DC-DC 컨버터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 고전압 배터리의 입력전압 크기가 기준전압 보다 클 경우, 벅 스위치는 정해진 듀티비에 따라 온/오프를 반복하는 동시에 부스트 스위치는 항상 오프로 작동하는 것을 특징으로 하는 풀브릿지 저전압 DC-DC 컨버터.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 고전압 배터리의 입력전압 크기가 기준전압 보다 작을 경우, 부스트 스위치는 정해진 듀비티에 따라 온/오프를 반복하는 동시에 벅 스위치는 항상 온으로 작동하는 것을 특징으로 하는 풀브릿지 저전압 DC-DC 컨버터.
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