KR20190018593A - 전력 변환 장치 - Google Patents

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KR20190018593A
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Abstract

본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로서, 차량에 공급되는 고전압 전원 및 저전압 전원 간의 양방향 전력 변환을 수행하는 양방향 컨버터, 및 저전압 전원 및 양방향 컨버터 간의 연결을 단속하고, 저전압 전원의 역극성이 양방향 컨버터로 인가되는 것을 방지하는 단속 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERTING APPARATUS}
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량에 공급되는 고전압 전원 및 저전압 전원 간의 전력 변환을 수행하는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
차량의 전력시스템은 차량 내의 전자 부품, 안전 부품 또는 각종 액세서리를 가동하기 위한 전력을 공급하는 시스템으로서, 일반적으로 직류전압을 공급하여 차량 내의 전자 부품들을 가동한다. 종래에는 차량의 전력시스템으로 12V 전력시스템이 사용되었으나, 최근에는 에너지 용량을 증가시키고, 고출력의 전자 부품을 사용하여 전력 효율성을 향상시키기 위해 48V 전력시스템이 보급되고 있다.
다만, 48V 전력시스템을 적용하는 경우, 종래의 12V 전압으로 가동되던 차량의 모든 전자 부품을 48V 용으로 교체해야 하는 문제점이 존재하여, 12V 및 48V의 전압을 함께 공급할 수 있는 12V-48V 전력 변환 시스템이 개발되었으며, 이에 따라 소모전력이 적은 부품은 기존과 같이 12V 전압으로 가동시키고, 전동식 조향장치 또는 공조시스템과 같이 소모전력이 큰 부품은 48V 전압으로 가동시킴에 따라 전력을 효율적으로 활용할 수 있게 되었다. 12V-48V 전력 변환 시스템으로는 통상적으로 양방향 DC-DC 컨버터가 사용되며, 양방향 DC-DC 컨버터는 고용량을 수용하고 전력 변환의 빠른 응답성을 확보하며, 전류를 분담하여 효율성을 향상시키기 위해 멀티페이즈 구조로 사용되고 있다.
이러한 전력 변환 시스템에서, 12V 전원을 차량의 전장 부품으로 공급하는 저전압 배터리의 수명이 다하는 경우에는 그 교체가 필요하며, 저전압 배터리의 교체는 작업자의 수작업으로 이루어지므로 저전압 배터리의 양 단자가 역으로 연결될 수 있는 위험 요소가 존재한다. 종래에는 도 1에 도시된 것과 같이 역극성 보호 스위치를 통해 저전압 전원의 역극성 입력을 방지하였으나, 종래의 역극성 보호 스위치는 컨버터의 용량 및 저전압 전원 입력단의 공칭 전압에 따라서는 대용량의 전류를 수용할 수 있어야 하며(컨버터의 용량이 3[KW]이고 저전압 입력단의 공칭 전압이 14.5[V]인 경우, 보호 스위치는 207[A]의 전류를 수용할 수 있어야 한다.), 이를 위해서는 다수의 역극성 보호 스위치를 병렬로 연결하여 사용할 수 밖에 없기 때문에 원가가 상승하고 전력 변환 시스템의 사이즈가 증가하는 문제점이 존재하였다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0115087호(2010. 10. 27 공개)에 개시되어 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 저전압 배터리의 역극성 입력을 방지하여 차량의 전장 부품을 정상적으로 동작시키기 위한 전원 전압을 확보하고, 전력 변환 시스템의 회로 소손을 방지하여 그 동작 신뢰성을 향상시키기 위한 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 변환 장치는 차량에 공급되는 고전압 전원 및 저전압 전원 간의 양방향 전력 변환을 수행하는 양방향 컨버터, 및 상기 저전압 전원 및 상기 양방향 컨버터 간의 연결을 단속하고, 상기 저전압 전원의 역극성이 상기 양방향 컨버터로 인가되는 것을 방지하는 단속 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 단속 스위치는, 상기 저전압 전원 및 상기 양방향 컨버터 간의 연결을 단속하는 제1 스위치, 및 상기 저전압 전원의 역극성이 상기 양방향 컨버터로 인가되는 것을 방지하는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제1 스위치는 N 채널 MOSFET을 포함하고, 상기 제2 스위치는 P 채널 MOSFET을 포함하며, 상기 제1 스위치 및 제2 스위치는 직렬 접속되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 P 채널 MOSFET은, 게이트(gate) 단자가 상기 저전압 전원, 상기 고전압 전원 및 상기 양방향 컨버터 간의 공통 접속 노드로서 기준 전위를 제공하는 기준 전위 단자에 접속됨으로써, 상기 저전압 전원의 역극성이 상기 양방향 컨버터로 인가되는 경우 턴 오프되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 단속 스위치는, 상기 양방향 컨버터가 복수 개 병렬 접속된 멀티페이즈 컨버터에 포함된 각각의 양방향 컨버터로 상기 저전압 전원의 역극성이 인가되는 것을 방지하기 위해 상기 멀티페이즈 컨버터의 페이즈 별로 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 저전압 배터리의 역극성 입력을 방지하기 위한 추가적인 역극성 보호 스위치를 제거하여 가격 경쟁력을 확보하고 전력 변환 시스템의 사이즈를 감소시킬 수 있고, 전력 변환 시스템에 수반되는 버스바와 같은 기구물 구조를 단순화 시킴으로써 원가를 절감할 수 있으며, 전력 변환 시스템의 회로 소손을 방지하여 그 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 전력 변환 시스템에서 저전압 전원의 역극성 입력을 방지하기 위한 역극성 보호 스위치를 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에서 단속 스위치를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에서 종래의 역극성 보호 스위치 제거에 따른 버스바의 구조 변화를 설명하기 위한 예시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 전력 변환 장치의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치를 설명하기 위한 회로도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에서 단속 스위치를 설명하기 위한 회로도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에서 종래의 역극성 보호 스위치 제거에 따른 버스바의 구조 변화를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는 저전압 전원(LV), 고전압 전원(HV), 양방향 컨버터(BDC), 저전압단 스위치(SW_LV), 고전압단 스위치(SW_HV), 및 제어부(ECU)를 포함할 수 있고, 양방향 컨버터(BDC)는 제1 메인스위치(MSW1), 제2 메인스위치(MSW2) 및 인덕터(L1)를 포함할 수 있다.
저전압 전원(LV) 및 고전압 전원(HV)은 차량 내의 각 전자 부품에 각각 저전압 및 고전압을 공급할 수 있으며, 상호 간의 전력 변환을 위해 후술할 양방향 컨버터(BDC) 또는 멀티페이즈 컨버터에 전기적으로 연결될 수 있다. 저전압 전원(LV) 및 고전압 전원(HV)은 통상적인 전력 변환 시스템에 따라 각각 12V 전원 및 48V 전원으로 구성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한 저전압 전원(LV) 및 고전압 전원(HV)은 리튬 배터리, 납축전지, 슈퍼 커패시터 또는 울트라 커패시터가 단독 또는 조합되어 구성될 수 있으나 상기한 대상에 한정되지 않고 차량의 전자 부품에 전원을 공급할 수 있는 모든 구성을 포함할 수 있다.
양방향 컨버터(BDC)는, 도 2에 도시된 것과 같이 일단이 저전압 전원(LV)에, 타단이 고전압 전원(HV)에 전기적으로 연결되어 저전압 전원(LV)과 고전압 전원(HV) 간의 양방향 전력 변환을 수행할 수 있다. 양방향 컨버터(BDC)는 저전압 전원(LV)과 고전압 전원(HV) 간의 양방향 전력 변환을 위해 상보적으로 동작하는 제1 메인스위치(MSW1)와 제2 메인스위치(MSW2), 및 제1 메인스위치(MSW1)와 제2 메인스위치(MSW2)의 연결 단자에 접속되는 인덕터(L1)를 포함할 수 있다.
제1 메인스위치(MSW1), 제2 메인스위치(MSW2) 및 인덕터(L1)의 역할을 양방향 컨버터(BDC)의 동작으로서 설명한다. 양방향 컨버터(BDC)에서 인덕터(L1)에 에너지가 저장되는 모드에서 제1 메인스위치(MSW1)는 턴 온, 제2 메인스위치(MSW2)는 턴 오프되도록 제어부(ECU)에 의해 제어되며, 인덕터(L1)에서 에너지가 방전되는 모드에서 제1 메인스위치(MSW1)는 턴 오프, 제2 메인스위치(MSW2)는 턴 온되도록 제어부(ECU)에 의해 제어된다. 양방향 컨버터(BDC)는 제어부(ECU)에 의해 제1 메인스위치(MSW1) 및 제2 메인스위치(MSW2)가 상보적으로 동작되어 인덕터(L1)에 에너지가 저장되고 방전되는 과정을 반복 수행함으로써 저전압 전원(LV)과 고전압 전원(HV) 간의 전력 변환을 수행할 수 있다. 한편, 제1 메인스위치(MSW1) 및 제2 메인스위치(MSW2)는 FET(Field Effect Transitor)로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 형태의 스위치가 채용될 수 있다.
저전압단 스위치(SW_LV) 및 고전압단 스위치(SW_HV)는 양방향 컨버터(BDC)와, 저전압 전원(LV) 및 고전압 전원(HV) 간의 전기적 연결을 각각 단속(즉, 전기적으로 연결하거나 차단)할 수 있다. 저전압단 스위치(SW_LV) 및 고전압단 스위치(SW_HV)는 FET(Field Effect Transitor)로 구성될 수 있다.
한편, 본 실시예에서 저전압단 스위치(SW_LV)는 저전압 전원(LV) 및 양방향 컨버터(BDC) 간의 연결을 단속함과 동시에, 저전압 전원(LV)의 역극성이 양방향 컨버터(BDC)로 인가되는 것을 방지하는 단속 스위치로서 기능할 수 있다. 후술할 것과 같이 본 실시예는 저전압 전원(LV)의 역극성이 양방향 컨버터(BDC)로 인가되는 것을 방지하기 위한 역극성 보호 스위치를 저전압단 스위치(SW_LV)를 통해 구현한 것을 특징으로 하며, 따라서 본 명세서에서 '저전압단 스위치'는 '단속 스위치'와 동일한 구성을 의미하는 것으로 한다. 이에 대한 구체적인 설명은 후술한다.
본 실시예에서는 양방향 컨버터(BDC)와, 저전압단 스위치(SW_LV) 및 고전압단 스위치(SW_HV)를 분리된 구성으로 설명하지만, 실시예에 따라서는 저전압단 스위치(SW_LV) 및 고전압단 스위치(SW_HV)가 양방향 컨버터(BDC)에 포함되는 통합된 구성으로 구현될 수도 있다.
제어부(ECU)는 제1 메인스위치(MSW1), 제2 메인스위치(MSW2), 저전압단 스위치(SW_LV) 및 고전압단 스위치(SW_HV)의 턴 온/턴 오프를 각각 제어함으로써, 양방향 컨버터(BDC)로 하여금 저전압 전원(LV)과 고전압 전원(HV) 간의 양방향 전력 변환을 수행할 수 있도록 할 수 있다.
전술한 회로 구성을 갖는 전력 변환 장치에 있어서, 전술한 것과 같이 저전압 전원(LV)의 교체 시, 저전압 전원(LV)의 양 단자가 역으로 연결되어 저전압 전원(LV)의 역극성이 양방향 컨버터(BDC)로 인가될 위험성이 존재한다. 따라서, 본 실시예는 저전압단 스위치(SW_LV)를 이용하여 저전압 전원(LV)의 역극성 입력을 방지하는 구성을 채용하며, 이하에서는 저전압 전원(LV)의 역극성이 양방향 컨버터(BDC)로 인가되는 것을 방지하기 위한 회로 토폴로지를 단속 스위치(SW_LV)를 중심으로 구체적으로 설명한다.
단속 스위치(SW_LV)는 저전압 전원(LV) 및 양방향 컨버터(BDC) 간의 연결을 단속하고, 저전압 전원(LV)의 역극성이 양방향 컨버터(BDC)로 인가되는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로, 단속 스위치(SW_LV)는 저전압 전원(LV) 및 양방향 컨버터(BDC) 간의 연결을 단속하는 제1 스위치(SW_LV1), 및 저전압 전원(LV)의 역극성이 양방향 컨버터(BDC)로 인가되는 것을 방지하는 제2 스위치(SW_LV2)를 포함할 수 있다.
즉, 제1 스위치(SW_LV1)는 제어부(ECU)로부터 제어 신호(LV_BtB)를 입력받아 온오프됨으로써 저전압 전원(LV) 및 양방향 컨버터(BDC) 간의 연결을 단속할 수 있다. 그리고, 제2 스위치(SW_LV2)는 제1 스위치(SW_LV1)가 턴 온상태일 때, 정상적인 저전압 전원(LV)이 양방향 컨버터(BDC)로 인가되는 경우 턴 온되고, 저전압 전원(LV)의 역극성이 양방향 컨버터(BDC)로 인가되는 경우 턴 오프됨으로써 저전압 전원(LV)의 역극성이 양방향 컨버터(BDC)로 인가되는 것을 방지할 수 있다.
이를 위해, 제1 스위치(SW_LV1)는 N 채널 MOSFET을 포함하고, 제2 스위치(SW_LV2)는 P 채널 MOSFET을 포함할 수 있다. 그리고, 제1 스위치(SW_LV1) 및 제2 스위치(SW_LV2)는 직렬 접속되는 구조로 구현될 수 있으며, 구체적으로 제1 스위치(SW_LV1)의 소스(source) 단자 및 제2 스위치(SW_LV2)의 드레인(drain) 단자가 접속되는 구조로 구현될 수 있다.
이때, P 채널 MOSFET은 도 2 및 도 3(b)에 도시된 것과 같이 그 게이트(gate) 단자가 저전압 전원(LV), 고전압 전원(HV) 및 양방향 컨버터(BDC)의 공통 접속 노드로서 기준 전위를 제공하는 기준 전위 단자(예: 접지 단자)에 연결될 수 있다. 도 3(a)에 도시된 종래의 저전압단 스위치 대비 제2 스위치의 종류 및 그 접속 방식 상에서 차이점이 존재하며, 이에 따라 P 채널 MOSFET(SW_LV1)은 정상적인 저전압 전원(LV)이 양방향 컨버터(BDC)로 인가되는 경우 턴 온되고, 저전압 전원(LV)의 역극성이 양방향 컨버터(BDC)로 인가되는 경우 턴 오프됨으로써 저전압 전원(LV)의 역극성이 양방향 컨버터(BDC)로 인가되는 것을 방지할 수 있다. 이때, P 채널 MOSFET(SW_LV1)의 문턱 전압(threshold voltage)은 그 소스 단자의 전압값에 대한 실험적인 측정치에 기초하여 충분히 낮은 값(음의 값으로서 그 절대값이 충분히 높은 값)을 갖도록 설계될 수 있으며, 저전압 전원(LV)의 역극성 입력 시 P 채널 MOSFET(SW_LV1)의 턴 오프를 보장하기 위해 P 채널 MOSFET(SW_LV1)의 게이트 단자 및 소스 단자 사이에 제너 다이오드를 연결하여 게이트 단자 및 소스 단자 간의 전압 강하를 형성할 수도 있다. 또한, P 채널 MOSFET(SW_LV1)의 바디 다이오드는 역전압이 인가되므로 바디 다이오드를 통한 전류의 흐름도 차단되어 저전압 전원(LV)의 역극성이 양방향 컨버터(BDC)로 인가되는 것이 방지될 수 있다.
도 4는 종래의 역극성 보호 스위치 제거에 따른 버스바의 구조 변화를 도시하고 있으며, 도 4(a)에 도시된 종래의 버스바의 구조 대비, 도 4(b)에 도시된 것과 같이 GND 단자 및 GND 버스바의 구조를 단순화시킬 수 있다.
한편, 본 실시예의 단속 스위치(SW_LV)는 도 2에 도시된 것과 같이 양방향 컨버터(BDC)가 복수 개 병렬 접속된 멀티페이즈 컨버터에 포함된 각각의 양방향 컨버터로 저전압 전원(LV)의 역극성이 인가되는 것을 방지하기 위해 멀티페이즈 컨버터의 페이즈 별로 구비될 수도 있다.
이와 같이 본 실시예는, 저전압 배터리의 역극성 입력을 방지하기 위한 추가적인 보호 스위치를 제거하여 가격 경쟁력을 확보하고 전력 변환 시스템의 사이즈를 감소시킬 수 있고, 전력 변환 시스템에 수반되는 버스바와 같은 기구물 구조를 단순화 시킴으로써 원가를 절감할 수 있으며, 전력 변환 시스템의 회로 소손을 방지하여 그 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
LV: 저전압 전원
HV: 고전압 전원
SW_LV: 저전압단 스위치(단속 스위치)
SW_LV1: 제1 스위치(N 채널 MOSFET)
SW_LV2: 제2 스위치(P 채널 MOSFET)
SW_HV: 고전압단 스위치
BDC: 양방향 컨버터
MSW1: 제1 메인스위치
MSW2: 제2 메인스위치
L1: 인덕터
ECU: 제어부

Claims (5)

  1. 차량에 공급되는 고전압 전원 및 저전압 전원 간의 양방향 전력 변환을 수행하는 양방향 컨버터; 및
    상기 저전압 전원 및 상기 양방향 컨버터 간의 연결을 단속하고, 상기 저전압 전원의 역극성이 상기 양방향 컨버터로 인가되는 것을 방지하는 단속 스위치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단속 스위치는, 상기 저전압 전원 및 상기 양방향 컨버터 간의 연결을 단속하는 제1 스위치, 및 상기 저전압 전원의 역극성이 상기 양방향 컨버터로 인가되는 것을 방지하는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 N 채널 MOSFET을 포함하고, 상기 제2 스위치는 P 채널 MOSFET을 포함하며, 상기 제1 스위치 및 제2 스위치는 직렬 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 P 채널 MOSFET은, 게이트(gate) 단자가 상기 저전압 전원, 상기 고전압 전원 및 상기 양방향 컨버터 간의 공통 접속 노드로서 기준 전위를 제공하는 기준 전위 단자에 접속됨으로써, 상기 저전압 전원의 역극성이 상기 양방향 컨버터로 인가되는 경우 턴 오프되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단속 스위치는, 상기 양방향 컨버터가 복수 개 병렬 접속된 멀티페이즈 컨버터에 포함된 각각의 양방향 컨버터로 상기 저전압 전원의 역극성이 인가되는 것을 방지하기 위해 상기 멀티페이즈 컨버터의 페이즈 별로 구비되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
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