KR20130061965A - 차량용 저전압 직류전원변환장치 - Google Patents

차량용 저전압 직류전원변환장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 저전압 직류전원변환장치에 관한 것으로, 상기 발명은 사전에 설정된 출력전압지령값과 내장된 PWM S/W 카운터모듈을 이용하여 PWM 스위칭신호를 생성하여 출력하는 LDC제어기; 및 상기 LDC제어기로부터 입력된 PWM 스위칭신호에 의해 스위칭되는 복수 개의 파워 스위칭소자들을 이용하여 외부로부터 입력된 직류 고전압을 교류 고전압으로 변환하는 1차측 모스펫부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해 본 발명은 종래 1차측 모스펫부의 스위칭신호를 생성하는 FB-ZVS 신호발생 전용IC 등을 포함한 PWM발생회로를 LDC제어기를 이용하여 소프트웨어적으로 구현함으로써 제조원가를 절감할 수 있고 풀 디지털화를 구현할 수 있다.

Description

차량용 저전압 직류전원변환장치{Low voltage DC-DC converter for vehicle}
본 발명은 차량용 저전압 직류전원변환장치에 관한 것으로, 구체적으로 고속 PWM스위칭 방법을 개선하여 제조원가의 절감 및 풀 디지털 제어를 구현하기 위한 차량용 저전압 직류전원변환장치에 관한 것이다.
도 1은 종래 차량용 저전압 직류전원변환장치(Low voltage DC-DC Converter, 이하 LDC라 칭함)의 개략적인 회로도로서, 도 1에 도시된 LDC(10)는 차량의 고전압 배터리 입력전압을 저전압으로 변환하여 차량 전장부하에 전력을 공급한다.
도 1을 참조하면, LDC(10)는 고전압 배터리로부터 고전압(Vin)을 입력받아 LDC제어기(미 도시)의 출력전압지령에 따라 발생된 PWM 스위칭신호에 의해 1차측 모스펫부(12)의 파워 스위칭소자(FET)를 구동하여 변압기(14)의 1차측 입력전류를 제어한다. 그리고 변압기(14)의 2차측은 턴수비에 맞게 출력전류가 발생되고 2차측의 다이오드 정류기 및 평활 기능을 수행하는 커패시터를 거쳐 출력전압(Vout)을 생성한다.
LDC(10)는 전력변환을 위해 스위칭 능력이 수백 KHz 급의 고속 파워 스위칭소자(FET)를 적용하고, 파워 스위칭소자를 구동하기 위하여 고효율 고속 PWM 스위칭 방법인 풀브리지 페이져 쉬프트 영전압 스위칭(Full-bridge phase shift zero voltage switching, 이하 FB-ZVS라 칭함) 기법을 사용한다.
즉 종래 LDC는 FB-ZVS 신호발생 전용소자(IC)를 포함한 PWM 발생회로에 의해 LDC제어기(미 도시)의 출력전압지령에 따라 도 1에 도시된 1차측 모스펫부(12)의 각 파워 스위칭소자(FET)를 스위칭하기 위한 고속 PWM 스위칭 신호(S1+, S1-, S2+, S2-)를 발생한다.
PWM발생회로는 일반적으로, 도 2에 도시된 바와 같이 출력전압 지령회로, 출력전압 센싱회로, 출력전류 센싱회로, FB-ZVS 신호발생 전용IC와 같은 아날로그 회로들에 의해 구현된다. 마이컴과 같은 LDC제어기에서 출력전압 지령회로로 지령이 인가되면 출력전압 센싱회로에 의해 비교되어 FB-ZVS 신호발생 전용IC로 입력하기 위한 제어신호가 생성된다.
FB-ZVS 신호발생 전용IC는 입력된 제어신호에 의해 1차측 모스펫부(12)의 파워 스위칭소자(FET)를 구동하기 위한 PWM 스위칭신호(S1+, S1-, S2+, S2-) 4개를 생성한다.
그러나 종래 LDC(10)에서 PWM 스위칭신호를 발생하는 FB-ZVS 신호발생 전용IC는 고가의 부품으로 제조단가를 올리는 주요 원인이 되고 있다.
또한 FB-ZVS 신호발생 전용IC 등을 포함한 PWM발생회로는 아날로그 회로로서 최근 풀 디지털 제어의 구현에 따라 이를 대체하기 위한 수단이 요구되고 있으나, 아직 이에 대한 개발은 미흡한 실정이다.
본 발명의 목적은 종래 1차측 모스펫부의 스위칭신호를 생성하는 FB-ZVS 신호발생 전용IC 등을 포함한 PWM발생회로를 마이컴을 이용하여 소프트웨어적으로 구현함으로써 제조원가를 절감할 수 있고 풀 디지털화를 더욱 용이하게 구현할 수 있는 차량용 저전압 직류전원변환장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 차량용 저전압 직류전원변환장치에 관한 것으로, 본 차량용 저전압 직류전원변환장치는 사전에 설정된 출력전압지령값과 내장된 PWM S/W 카운터모듈을 이용하여 PWM 스위칭신호를 생성하여 출력하는 LDC제어기; 및 상기 LDC제어기로부터 입력된 PWM 스위칭신호에 의해 스위칭되는 복수 개의 파워 스위칭소자들을 이용하여 외부로부터 입력된 직류 고전압을 교류 고전압으로 변환하는 1차측 모스펫부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 파워 스위칭소자들은 풀브리지(full bridge) 방식으로 4개의 FET 소자로 마련되고, 상기 PWM 스위칭신호는 FB-ZVS(Full-bridge phase shift zero voltage switching) 스위칭신호일 수 있다.
상기 PWM S/W 카운터모듈의 카운트의 주기는 상기 PWM 스위칭신호의 주기와 일치하고, 상기 PWM 스위칭신호의 듀티는 50%일 수 있다.
여기서, 상기 LDC제어기는, 상기 PWM S/W 카운터모듈의 카운트의 주기에 동기하도록 상기 PWM S/W 카운터모듈의 카운트의 최대값인 'Ts', 상기 출력전압지령값인 'Vref' 및 상기 1차측 모스펫부로 입력된 입력전압인 'Vdc'을 이용하여, 상기 PWM 스위칭신호인 'S1+', 'S1-', 'S2+' 및 'S2-'를 발생하기 위한 PWM 신호 발생모듈을 더 구비할 수 있다.
상기 PWM 신호 발생모듈은, 상기 'S1+'가 상기 PWM S/W 카운터모듈의 카운트 '0'~'(Ts/2)-1' 범위에서 온(ON) 신호이고 '(Ts/2)'~'Ts-1' 범위에서 오프(OFF) 신호의 주기로 발생되며, 상기 'S2-'가 상기 PWM S/W 카운터모듈의 카운트 '0'~'a-1' 범위에서 오프(OFF) 신호이고 'a-1'~'b-1' 범위에서 온(ON) 신호이며 다시 'b-1'~'Ts-1' 범위에서 오프(OFF) 신호의 주기로 발생되고, 상기 'S1+'가 상기 'S1-'의 위상을 반대로 하는 것에 의해 발생되고 상기 'S2+'가 상기 'S2-'의 위상을 반대로 하는 것에 의해 발생되며, 상기 a는 수식 '(Ts/2) - (Ts/2)*(Vref/Vdc)'에 의해 산출되고, 상기 b는 수식 'Ts - (Ts/2)*(Vref/Vdc)'에 의해 산출될 수 있다.
또한 상기 PWM 신호 발생모듈은, 상기 입력전압(Vdc)과 이에 대응하는 입력전류 및 상기 1차측 모스펫부로부터 출력되는 출력전압 및 출력전류를 감지하여, 상기 감지결과 센싱 상태에 이상이 있는 경우 알람을 발생하고 상기 PWM 신호 발생모듈의 동작을 비활성화할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 종래 1차측 모스펫부의 스위칭신호를 생성하는 FB-ZVS 신호발생 전용IC 등을 포함한 PWM발생회로를 LDC제어기를 이용하여 소프트웨어적으로 구현함으로써 제조원가를 절감할 수 있고 풀 디지털화를 구현할 수 있다.
도 1은 종래 차량용 저전압 직류전원변환장치의 개략적인 회로도이다.
도 2는 종래 PWM 발생회로의 개략적인 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 저전압 직류전원변환장치의 LDC제어기의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 저전압 직류전원변환장치의 동작을 설명하기 위한 제어절차도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 저전압 직류전원변환장치의 동작을 설명하기 위한 파형도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 저전압 직류전원변환장치에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 저전압 직류전원변환장치의 LDC제어기의 블록도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 저전압 직류전원변환장치는 LDC제어기(10)가 1차측 모스펫부로 PWM 스위칭신호(S1+, S1-, S2+, S2-)를 출력한다.
본 실시예에 따른 차량용 저전압 직류전원변환장치는 1차측 모스펫부에 의해 변환된 교류전압을 감압하는 변압기와 변압기에 의해 감압된 교류전압을 직류전압으로 변환하여 출력하는 2차측 정류부를 구비할 수 있다.
1차측 모스펫부는 LDC제어기(10)로부터 입력된 PWM 스위칭신호(S1+, S1-, S2+, S2-)에 의해 스위칭되는 복수 개의 파워 스위칭소자(FET)들을 이용하여 고전압 배터리로부터 입력된 직류 고전압(Vin)을 교류 고전압으로 변환한다.
여기서, 파워 스위칭소자들은 FB-ZVS(Full-bridge phase shift zero voltage switching) 스위칭신호에 의해 스위칭되는 풀브리지(full bridge) 방식으로 4개의 FET 소자로 마련될 수 있다.
LDC제어기(10)는 사전에 설정된 출력전압지령값과 내장된 PWM S/W 카운터모듈(12)을 이용하여 PWM 스위칭신호(S1+, S1-, S2+, S2-)를 생성하여 1차측 모스펫부로 출력한다.
도 3을 참조하면, LDC제어기(10)는 PWM S/W 카운터모듈(12)과 PWM 신호 발생모듈(14)로 이루어질 수 있다.
PWM S/W 카운터모듈(12)은 카운트의 주기가 도 5에 도시된 바와 같이 PWM 스위칭신호(S1+, S1-, S2+, S2-)의 주기와 일치하도록 카운트의 최대값인 'Ts'를 설정하여, PWM 스위칭신호(S1+, S1-, S2+, S2-)를 카운트의 주기에 동기 시킬 수 있다. 예를 들면 카운트의 주기인 'Ts'를 100 KHz 주파수에 해당되는 PWM 발생 주기에 일치시킨다.
도 5의 맨 위측 그래프에 나타난 바와 같이, PWM S/W 카운터모듈(12)은, 최대값이 'Ts'로서 'Ts'에 도달할 때까지 상승 카운트을 수행하며, 'Ts'에 도달한 경우, 리셋되어 '0'부터 카운트된다.
PWM 신호 발생모듈(14)은 PWM S/W 카운터모듈(12)의 카운트의 주기에 동기하도록 카운트의 최대값인 'Ts', 출력전압지령값인 'Vref' 및 1차측 모스펫부로 입력된 입력전압인 'Vdc'을 이용하여, PWM 스위칭신호인 'S1+', 'S1-', 'S2+' 및 'S2-'를 발생하여 1차측 모스펫부로 출력한다.
여기서, PWM 스위칭신호인 FB-ZVS의 'S1+', 'S1-', 'S2+' 및 'S2-'의 발생에 대해 구체적으로 설명한다.
본 실시예에서는, PWM 스위칭신호인 'S1+' 및 'S2-'를 먼저 생성하고, 생성된 'S1+' 및 'S2-'의 위상을 반대로 하여 각각 'S1-' 및 'S2+' 신호를 생성한다.
PWM 스위칭신호인 'S1+'은, 도 5의 맨 위에 도시된 PWM S/W 카운터모듈(12)의 카운트의 주기에 동기하여 발생된다. 구체적으로 'S1+'은, PWM S/W 카운터모듈(12)의 카운트 '0'~'(Ts/2)-1' 범위에서 온(ON) 신호이고 '(Ts/2)'~'Ts-1' 범위에서 오프(OFF) 신호의 주기로 발생된다.
PWM 스위칭신호인 'S2-'는, 도 5의 맨 위에 도시된 PWM S/W 카운터모듈(12)의 카운트의 주기에 동기하여 발생된다. 구체적으로 'S2-'는, PWM S/W 카운터모듈(12)의 카운트 '0'~'a-1' 범위에서 오프(OFF) 신호이고 'a-1'~'b-1' 범위에서 온(ON) 신호이며 다시 'b-1'~'Ts-1' 범위에서 오프(OFF) 신호의 주기로 발생된다.
여기서, a는 도 5를 참조하면, 수식 '(Ts/2) - (Ts/2)*(Vref/Vdc)'에 의해 산출될 수 있고, b는 수식 'Ts - (Ts/2)*(Vref/Vdc)'에 의해 산출될 수 있다.
PWM 신호 발생모듈(14)은 전술한 바와 같이 생성된 'S1+'가 'S2-'의 위상을 반대로 하여 각각 'S1-', 'S2+' 신호를 생성함으로써, PWM 스위칭신호인 'S1+', 'S1-', 'S2+' 및 'S2-'를 발생하여, 이를 1차측 모스펫부로 출력한다. 이에 의해 도 5의 맨 아래의 도시된 바와 같은 부하구동전압 'Vab'의 파형을 얻을 수 있다.
또한 PWM 신호 발생모듈(14)은, 입력전압(Vdc)과 이에 대응하는 입력전류 및 1차측 모스펫부(110)로부터 출력되는 출력전압 및 출력전류를 감지하여, 감지결과 센싱 상태에 이상이 있는 경우 알람을 발생하고 PWM 신호 발생모듈(14)의 동작을 비활성화할 수 있다.
이하에서는, 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 저전압 직류전원변환장치의 동작을 설명한다.
먼저, LDC제어기(10)는 구동과 함께, 타이머 인터럽트 서비스 루틴을 시작하고(S405), 1차측 모스펫부(110)로 입력되는 입력전압(Vdc), 입력전류 그리고 1차측 모스펫부(110)로부터 출력되는 출력전압 및 출력전류를 감지한다(S410).
다음, LDC제어기(10)는 S410단계에서 감지된 결과를 이용하여, 센싱 상태의 이상여부를 체크하고(S415), 이 체크여부를 통해 알람여부를 판단하며(S420), 판단 결과 알람 상태로 판단된 경우 본 제어절차를 종료한다.
S420단계의 판단결과, 알람 상태가 아닌 것으로 판단한 경우, LDC제어기(10)는 1차측 모스펫부(110)의 제어를 위한 출력전압지령값인 'Vref'를 설정한다(S425).
다음. LDC제어기(10)는 위에서 설정된 'Vref'를 이용하여 FB-ZVS 스위칭신호(S1+, S1-, S2+, S2-)를 계산하고(S430), 1차측 모스펫부(110)의 파워 스위칭소자로 출력한다(S435). S435단계에서 출력된 FB-ZVS 스위칭신호에 의해 1차측 모스펫부(110)의 파워 스위칭소자는 스위칭되어 직류전원을 교류전원으로 변환한다(S440).
이와 같이, 본 실시예에 따른 차량용 저전압 직류전원변환장치는 종래 아날로그 방식의 PWM 발생회로의 기능을 마이컴 형태의 LDC제어기에 의해 동작할 수 있는 단순한 형태의 소프트웨어 로직을 통해 구현함으로써 부품 수 감소에 의한 제조원가의 절감을 실현할 수 있고, 종래 PWM 발생회로의 디지털화를 구현할 수 있다.
10: LDC 제어기
12: PWM S/W 카운터 모듈
14: PWM 신호 발생모듈

Claims (6)

  1. 차량용 저전압 직류전원변환장치에 있어서,
    사전에 설정된 출력전압지령값과 내장된 PWM S/W 카운터모듈을 이용하여 PWM 스위칭신호를 생성하여 출력하는 LDC제어기; 및
    상기 LDC제어기로부터 입력된 PWM 스위칭신호에 의해 스위칭되는 복수 개의 파워 스위칭소자들을 이용하여 외부로부터 입력된 직류 고전압을 교류 고전압으로 변환하는 1차측 모스펫부;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 저전압 직류전원변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파워 스위칭소자들은 풀브리지(full bridge) 방식으로 4개의 FET 소자로 마련되고, 상기 PWM 스위칭신호는 FB-ZVS(Full-bridge phase shift zero voltage switching) 스위칭신호인 것을 특징으로 하는 차량용 저전압 직류전원변환장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 PWM S/W 카운터모듈의 카운트의 주기는 상기 PWM 스위칭신호의 주기와 일치하고, 상기 PWM 스위칭신호의 듀티는 50%인 것을 특징으로 하는 차량용 저전압 직류전원변환장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 LDC제어기는,
    상기 PWM S/W 카운터모듈의 카운트의 주기에 동기하도록 상기 PWM S/W 카운터모듈의 카운트의 최대값인 'Ts', 상기 출력전압지령값인 'Vref' 및 상기 1차측 모스펫부로 입력된 입력전압인 'Vdc'을 이용하여, 상기 PWM 스위칭신호인 'S1+', 'S1-', 'S2+' 및 'S2-'를 발생하기 위한 PWM 신호 발생모듈을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 차량용 저전압 직류전원변환장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 PWM 신호 발생모듈은,
    상기 'S1+'가 상기 PWM S/W 카운터모듈의 카운트 '0'~'(Ts/2)-1' 범위에서 온(ON) 신호이고 '(Ts/2)'~'Ts-1' 범위에서 오프(OFF) 신호의 주기로 발생되며, 상기 'S2-'가 상기 PWM S/W 카운터모듈의 카운트 '0'~'a-1' 범위에서 오프(OFF) 신호이고 'a-1'~'b-1' 범위에서 온(ON) 신호이며 다시 'b-1'~'Ts-1' 범위에서 오프(OFF) 신호의 주기로 발생되고, 상기 'S1+'가 상기 'S1-'의 위상을 반대로 하는 것에 의해 발생되고 상기 'S2+'가 상기 'S2-'의 위상을 반대로 하는 것에 의해 발생되며,
    상기 a는 수식 '(Ts/2) - (Ts/2)*(Vref/Vdc)'에 의해 산출되고, 상기 b는 수식 'Ts - (Ts/2)*(Vref/Vdc)'에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 차량용 저전압 직류전원변환장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 PWM 신호 발생모듈은, 상기 입력전압(Vdc)과 이에 대응하는 입력전류 및 상기 1차측 모스펫부로부터 출력되는 출력전압 및 출력전류를 감지하여, 상기 감지결과 센싱 상태에 이상이 있는 경우 알람을 발생하고 상기 PWM 신호 발생모듈의 동작을 비활성화 하는 것을 특징으로 하는 차량용 저전압 직류전원변환장치.
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