KR101299476B1

KR101299476B1 - 전력 변환 장치

Info

Publication number: KR101299476B1
Application number: KR1020120031737A
Authority: KR
Inventors: 오용승; 안강순
Original assignee: 주식회사 윌링스
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2013-08-29

Abstract

본 발명은 스위칭 소자의 스위칭에 의해 입력 전압을 변환하여 출력하는 두 개의 전압 변환부와, 상기 복수의 전압 변환부의 각각의 스위칭 소자에 접속되어 상기 스위칭 소자를 제어하기 위한 소정 주파수의 구동 신호를 출력하는 구동부를 포함하여 이루어지는 전력 변환 장치에 관한 것으로서, 상기 구동부는 상기 두 개의 전압 변환부에 각각 제공되는 상기 구동 신호의 듀티비를 조절하여, 하나의 전압 변환부의 온 구간 및 오프 구간이 다른 하나의 전압 변환부의 오프 구간 및 온 구간과 각각 일치하도록 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치에 관한 것이다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERSION DEVICE}

본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 PWM 신호의 듀티비와 무관하게 스위칭에 수반하는 노이즈를 감소시킬 수 있는 전력 변환 장치에 관한 것이다.

종래의 컨버터 전원 회로는, 일반적으로 복수의 초퍼(chopper) 회로와, 구동 회로를 구비한다.

초퍼 회로는, 트랜지스터를 구비하고, 트랜지스터를 스위칭함으로써 입력되는 직류 전압을 승압하여 출력하는 회로이다. 초퍼 회로는 병렬 접속되며, 구체적으로, 입력단자 및 출력단자가 각각 공통 접속된다.

구동 회로는, 초퍼 회로의 트랜지스터를 스위칭시키기 위한 소정 주파수의 구동 신호를 출력하는 회로이다. 구동 회로는 복수의 초퍼 회로의 각각의 트랜지스터에 접속되고, 초퍼 회로의 출력 전압이 소정 전압이 되도록 일정 주파수의 구동 신호를 생성하되, 구동 신호가 상호 소정의 위상차를 가지도록 하여 각 트랜지스터에 대하여 상기 구동 신호를 출력한다.

이에 따라 스위칭에 수반하는 노이즈의 주파수 스펙트럼에서, 피크가 되는 주파수를 구동 신호의 주파수와 위상차를 이용하여 분산시킬 수 있으므로, 스위칭에 수반하는 노이즈를 줄일 수 있다.

그러나, 스위칭에 수반하는 노이즈는, 출력 전류의 변동에 따라서 발생할 수 있는데, 상술한 종래의 컨버터 전원 회로에서는 구동 신호의 듀티비가 변화하는 경우 출력 전류의 변동량도 변화하게 된다. 즉, 구동 신호의 듀티비가 가변됨에 따라 스위칭에 수반하는 노이즈가 변하게 되므로, 노이즈를 충분히 억제할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, PWM 신호의 듀티비에 무관하게 스위칭에 수반되는 노이즈를 충분히 억제할 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 일실시예인 전력 변환 장치는, 스위칭 소자의 스위칭에 의해 입력 전압을 변환하여 출력하는 두 개의 전압 변환부와, 상기 복수의 전압 변환부의 각각의 스위칭 소자에 접속되어 상기 스위칭 소자를 제어하기 위한 소정 주파수의 구동 신호를 출력하는 구동부를 포함하여 이루어지고, 상기 구동부는 상기 두 개의 전압 변환부에 각각 제공되는 상기 구동 신호의 듀티비를 조절하여, 하나의 전압 변환부의 온 구간 및 오프 구간이 다른 하나의 전압 변환부의 오프 구간 및 온 구간과 각각 일치하도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 전압 변환부는 입력되는 직류 또는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기와 같은 본 발명은, 두 개의 전압 변환부에 상호 역상의 PWM 신호를 인가하여 각각의 출력 전류의 증감이 서로 반대가 되도록 함으로써, 출력 전류의 변동을 상쇄시키고 일정한 출력 전류를 얻을 수 있으므로 PWM 신호의 듀티비와 무관하게 스위칭에 수반하는 노이즈를 충분히 억제할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 장치의 개략적인 회로도이다.
도 2는 도 1의 전력 변환 장치의 출력 전류, PWM 신호, 전압 변환부의 출력 전류를 도시한 그래프이다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 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. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 장치의 개략적인 회로도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 장치는, 차량에 탑재되어 배터리의 직류 전압을 강압하여 차량에 구비되는 각종 전자 장치에 공급하기 위하여 적용될 수 있다.

도 1을 참조하면, 전력 변환 장치(1)는 배터리(B1)의 직류 전압을 절연한 상태로 소정의 목표 전압으로 강압하고, 전자 장치(E1)에 공급할 수 있다. 전력 변환 장치(1)는 제1 평활 콘덴서(10), 두 개의 전압 변환부(11, 12), 제2 평활 콘덴서(13) 및 구동부(14)를 포함한다.

제1 평활 콘덴서(10)는 배터리(B1)의 직류 전압을 평활화하기 위한 소자이다. 제1 평활 콘덴서(10)의 일단은 배터리(B1)의 양극 단자에, 타단은 배터리(B1)의 음극 단자에 각각 접속된다.

전압 변환부(11)는 배터리(B1)의 직류 전압을 절연한 상태로 강압하기 위한 회로이다. 전압 변환부(11)는 제1 및 제2 MOSFET(110, 111), 제1 콘덴서(112), 제1 변압기(113), 제1 및 제2 다이오드(114, 115) 및 제1 인덕터(116)를 구비할 수 있다.

제1 및 제2 MOSFET(110, 111)은 서로 직렬 접속된다. 즉, 제1 MOSFET(110)의 소스가 제2 MONFET(111)의 드레인에 접속되고, 제1 MOSFET(110)의 드레인은 배터리(B1)의 양극 단자에 접속된 제1 평활 콘덴서(10)의 일단에 접속된다. 제 MOSFET(111)의 소스는 배터리(B1)의 음극 단자에 접속된 제1 평활 콘덴서(10)의 타단에 접속된다.

제1 콘덴서(112)의 일단은 제1 MOSFET(110)과 제2 MOSFET(111)의 접점에 접속되고, 타단은 제1 변압기(113)에 접속된다.

제1 변압기(113)는 1차 코일(113a)과 2차 코일(113b)을 구비하고, 상기 1차 코일(113a)과 2차 코일(113b)의 권선비는, 1차측의 전압을 강압할 수 있도록 n:1(n>1)로 설정된다. 1차 코일(113a)의 일단은 제1 콘덴서(112)와, 타단은 제2 MOSFET(111)의 소스에 각각 접속된다. 2차 코일(113b)의 일단은 제1 다이오드(114)에, 타단은 제2 다이오드(115)에 각각 접속된다.

제1 다이오드(114)의 애노드는 2차 코일(113b)의 일단에 접속되고, 캐소드는 제1 인덕터(116)에 접속된다.

제2 다이오드(115)의 애노드는 2차 코일(113b)의 타단과 제2 평활 콘덴서(13)의 접점에 접속되고, 캐소드는 제1 다이오드(114)의 캐소드와 제1 인덕터(116)의 접점에 접속된다.

제1 인덕터(116)의 일단은 제1 및 제2 다이오드(114, 115)의 캐소드에 접속되고, 타단은 양극 출력단자와 제2 평활 콘덴서(13)의 접점에 접속된다.

제2 전압 변환부(12)는, 배터리(B1)의 직류 전압을 절연한 상태로 강압하기 위한 회로이다. 제2 전압 변환부(12)는 제1 전압 변환부(11)와 마찬가지로, 제3 및 제4 MOSFET(120, 121), 제2 콘덴서(122), 제2 변압기(123), 제3 및 제4 다이오드(124, 125) 및 제2 인덕터(126)를 구비할 수 있다. 제2 전압 변환부(12)는 제1 전압 변환부(11)와 실질적으로 동일한 구성이다. 제2 전압 변환부(12)는 제1 전압 변환부(11)에 병렬 접속된다. 구체적으로, 제2 전압 변환부(12)의 양극 입력 단자 및 음극 입력 단자가, 제1 전압 변환부(11)의 양극 입력 단자 및 음극 입력 단자에 각각 접속된다. 또한, 제2 전압 변환부(12)의 양극 출력 단자 및 음극 출력 단자가, 제1 전압 변환부(11)의 양극 출력 단자 및 음극 출력 단자와 각각 접속된다.

제2 평활 콘덴서(13)는 제1 및 제2 전압 변환부(11, 12)가 출력하는 직류 전압을 평활화하기 위한 소자이다. 제2 평활 콘덴서(13)의 일단은 제1 및 제2 전압 변환부(11, 12)의 양극 출력 단자에, 타단은 제1 및 제2 전압 변환부(11, 12)의 음극 출력 단자에 각각 접속된다. 또한, 제2 평활 콘덴서(13)의 일단은 전자 장치(E1)의 양극 단자에, 타단은 전자 장치(E1)의 음극 단자에 접속된다.

구동부(14)는 제1 내지 제4 MOSFET(110, 111, 120, 121)을 스위칭하기 위한 구동 신호인 PWM(pulse width modulation) 신호를 출력하는 회로이다. 구동부(14)는 제1 및 제2 전압 변환부(11, 12)의 출력 전압이 각각 소정의 목표 전압이 되도록 하기 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 구동 신호의 듀티비를 조절한다. 즉, 구동부(14)는, 제1 전압 변환부(11)에 제공되는 제1 PWM 신호의 온 구간 및 오프 구간이, 제2 전압 변환부(12)에 제공되는 제2 PWM 신호의 오프 구간 및 온 구간과 각각 일치하도록 제1 및 제2 PWM 신호의 듀티비를 조절한다.

다음으로, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 장치의 동작에 관해서 개략적으로 설명하도록 한다.

제1 전압 변환부(11)에 있어서, 제1 및 제2 MOSFET(110, 111)이 구동부(14)에서 출력된 PWM 신호에 따라 스위칭되고, 제1 콘덴서(112)가 충방전됨으로써 배터리(B1)의 직류 전압을 교류 전압으로 변환한다. 변환된 교류 전압은 제1 변압기(113)에 의해 절연 상태로 강압된다. 강압된 교류 전압은 극성에 따라, 제1 인덕터(116)에 인가되어 에너지로 축적되거나, 제1 인덕터(116)에 축적된 에너지가 방출된다. 제2 평활 콘덴서(13)에 의해, 강압된 교류 전압이 평활화되고, 이에 따라 제1 전압 변환부(11)는 배터리(B1)의 직류 전압을 절연한 상태로 소정의 목표 전압으로 강압하여 전자 장치(E1)에 공급할 수 있다.

또한 제2 전압 변환부(12)에 있어서, 제3 및 제4 MOSFET(120, 121)이 구동부(14)에서 출력된 PWM 신호에 따라 스위칭되고, 제2 콘덴서(122)가 충방전됨으로써 배터리(B1)의 직류 전압을 교류 전압으로 변환한다. 변환된 교류 전압은 제2 변압기(123)에 의해 절연 상태로 강압된다. 강압된 교류 전압은 극성에 따라, 제2 인덕터(126)에 인가되어 에너지로 축적되거나, 제2 인덕터(126)에 축적된 에너지가 방출된다. 제2 평활 콘덴서(13)에 의해, 강압된 교류 전압이 평활화되고, 이에 따라 제2 전압 변환부(12)는 배터리(B1)의 직류 전압을 절연한 상태로 소정의 목표 전압으로 강압하여 전자 장치(E1)에 공급할 수 있다.

도 2는 도 1의 전력 변환 장치의 출력 전류, PWM 신호, 전압 변환부의 출력 전류를 도시한 그래프이다. (a)는 제1 MOSFET(110)에 인가되는 PWM 신호, (b)는 제1 전압 변환부(11)의 출력 전류, (c)는 제3 MOSFET(120)에 인가되는 PWM 신호, (d)는 제2 전압 변환부(12)의 출력 전류, (e)는 전력 변환 장치(1)의 출력 전류를 나타낸다.

도 2에서는, 제1 전압 변환부(11)의 제1 MOSFET(110)과, 제2 전압 변환부(12)의 제3 MOSFET(120)의 스위칭에 따른 출력 전류에 관해서 설명하도록 한다. 제1 전압 변환부(11)의 제2 MOSFET(111)과, 제2 전압 변환부(12)의 제4 MOSFET(121)의 스위칭에 따른 출력 전류도 도 2에 도시된 바와 유사하다.

제1 MOSFET(110)에 인가되는 제1 PWM 신호가 (a)에 도시된다. 제1 MOSFET(110)에 인가되는 제1 PWM 신호가 온(ON) 구간인 경우, (b)에 도시된 바와 같이, 제1 전압 변환부(11)의 출력 전류가 서서히 증가한다. 이후, 제1 MOSFET(110)에 인가되는 제1 PWM 신호가 오프(OFF) 구간인 경우, 제1 전압 변환부(11)의 출력 전류는 서서히 감소한다.

또한, 제3 MOSFET(120)에 인가되는 제2 PWM 신호가 (c)에 도시된다. 제3 MOSFET(120)에 인가되는 제2 PWM 신호가 온(ON) 구간인 경우, (d)에 도시된 바와 같이, 제2 전압 변환부(12)의 출력 전류가 서서히 증가한다. 이후, 제3 MOSFET(120)에 인가되는 제2 PWM 신호가 오프(OFF) 구간인 경우, 제2 전압 변환부(12)의 출력 전류는 서서히 감소한다.

(a)와 (c)에 도시된 바와 같이, 제1 MOSFET(110)에 인가되는 제1 PWM 신호의 온 듀티비를 D라 하면, 제3 MOSFET(120)에 인가되는 제2 PWM 신호의 온 듀티비는 1-D이다. 또한, 제1 MOSFET(110)에 인가되는 제1 PWM 신호의 온 구간 및 오프 구간이, 제3 MOSFET(120)에 인가되는 제2 PWM 신호의 오프 구간 및 온 구간과 각각 일치하도록(즉, 제1 PWM 신호와 제2 PWM 신호가 상호 역상이 되도록) 상기 제1 및 제2 PWM 신호의 위상이 조정된다.

이에 따라, (b)와 (d)에 도시된 바와 같이, 제1 MOSFET(110)의 스위칭에 따른 제1 전압 변환부(11)의 출력 전류와, 제3 MOSFET(120)의 스위칭에 따른 제2 전압 변환부(12)의 출력 전류는 증감 방향이 서로 반대로 형성된다. 따라서, 제1 및 제2 전압 변환부(11, 12)의 출력 전류의 변동이 서로 상쇄될 수 있고, (e)에 도시된 바와 같이, 일정한 출력 전류를 얻을 수 있게 되어, PWM 신호의 듀티비와 무관하게 스위칭에 수반하는 노이즈를 충분히 억제할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 다음의 특허청구범위뿐만 아니라 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10 : 제 평활 콘덴서
11 : 제1 전압 변환부
110, 111 : 제1 및 제2 MOSFET
112 : 제1 콘덴서
113 : 제1 변압기
114, 115 : 제1 및 제2 다이오드
116 : 제1 인덕터
12 : 제2 전압 변환부
120, 121 : 제3 및 제4 MOSFET
122 : 제2 콘덴서
123 : 제2 변압기
124, 1215 : 제3 및 제4 다이오드
126 : 제2 인덕터
13 : 제2 평활 콘덴서
B1 : 배터리
E1 : 전자 장치

Claims

스위칭 소자의 스위칭에 의해 입력 전압을 변환하여 출력하는 제1 및 제2전압 변환부-상기 제1 및 제2전압변환부는 동일하게 구성됨-와, 상기 제1 및 제2전압 변환부의 각각의 스위칭 소자에 접속되어 상기 스위칭 소자를 제어하기 위한 소정 주파수의 구동신호를 출력하는 구동부를 포함하여 이루어지는 전력 변환 장치에 있어서,
상기 구동부는,
상기 제1 및 제2전압 변환부에 각각 제공되는 구동신호의 듀티비를 조절하여, 상기 제1전압 변환부에 제공되는 구동신호의 온 구간 및 오프 구간이, 상기 제2전압 변환부에 제공되는 구동신호의 오프 구간 및 온 구간과 각각 일치하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제1항에 있어서,
상기 전압 변환부는,
입력되는 직류 또는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.