KR100420931B1 - 고전압 직류전원 공급기의 방전 제어회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차의 반능동 현수장치, 고속 클러치, 반능동 진동 흡수장치 등 전기변성(ER) 유체 응용기기의 제어에 사용되는 고전압 직류 전원공급기의 전압 응답특성을 개선하는 기술에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 주 스위칭 소자인 모스트랜지스터(M1)에 의해 구동되어 입력전압(Vs)을 소정 레벨의 고전압으로 변환출력하는 변압기(T1)와; 상기 변압기(T1)에서 출력되는 고전압을 정류 및 평활시켜 ER 유체 응용기기측으로 공급하기 위한 다이오드(D1) 및 커패시터(C1)와; 상기 커패시터(C1)의 출력전압(Vo)이 하강될 때 그 출력전압(Vo)을 강제로 급속방전시키기 위한 방전회로(2)와; 상기 출력전압(Vo)이 목표전압을 추종하도록 감산기(3)에서 출력되는 출력전압의 오차 성분을 근거로 상기 모스트랜지스터(M1)의 턴온동작을 제어하고, 방전 주기에 도달할 때마다 상기 방전회로(2)를 구동시키기 위한 제어신호를 출력하는 콘트롤러(4)에 의해 달성된다.

Description

고전압 직류전원 공급기의 방전 제어회로{DISCHARGE CONTROL CIRCUIT FOR HIGH VOLTAGE DC POWER SUPPLY}
본 발명은 자동차의 반능동 현수장치, 고속 클러치, 반능동 진동 흡수장치 등 전기변성(ER: Electro-Rheological) 유체 응용기기의 제어에 사용되는 고전압 직류 전원공급기의 전압 응답특성을 개선하는 기술에 관한 것으로, 특히 출력전압을 방전시킬 때 별도의 방전회로를 통해 강제로 방전시켜 고속의 응답특성을 발휘하도록 한 고전압 직류전원 공급기의 방전 제어회로에 관한 것이다.
ER 유체 응용기기에서 댐핑(damping)력을 제어하기 위해서는 유체 사이에 강한 전기장이 형성되도록 하여야 하며, 이때 전계의 강도를 변화시키는 것에 의해 ER 유체 응용기기의 댐핑력이 조정된다. 따라서, ER 유체 응용기기에서 댐핑력을 제어하기 위해서는 강한 전계를 인가할 수 있고 전압의 가변이 가능한 고전압 직류 전원공급기가 필요하다.
ER 유체 응용기기는 등가적인 저항과 커패시터 성분이 혼합된 용량성 부하특성을 가지고 있으며, 빠른 과도응답 특성을 얻기 위해서는 등가 커패시터에 전하를 빠르게 충전시키거나 이미 충전된 전하는 빠르게 방전시킬 수 있도록 빠른 속도로 전류를 공급하거나 차단시킬 필요가 있다.
그런데, ER 유체 응용기기의 등가적인 저항값은 양단의 인가전압에 따라 변화된다. 즉, 등가적인 저항값은 인가전압에 반비례하고 지수적으로 변화된다. 따라서, 인가전압이 높아지면 저항값이 작아져 큰 전류가 흐르게 되고, 인가전압이 제로가 되면 저항값이 무한대가 되어 전류가 흐르지 않게 된다.
도 1은 종래 기술에 의한 고전압 직류전원 공급기의 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 전자기유도작용에 의해 입력전압(Vs)을 소정 레벨의 고전압으로 변환출력하는 변압기(T1)와; 상기 변압기(T1)를 구동시키기 위한 주 스위칭 소자인 모스트랜지스터(M1)와; 상기 변압기(T1)의 2차코일을 통해 여기되는 고전압을 정류 및 평활시켜 ER 유체 응용기기측으로 공급하기 위한 다이오드(D1) 및 커패시터(C1)로 구성된 것으로, 이의 작용을 설명하면 다음과 같다.
콘트롤러에 의해 모스트랜지스터(M1)가 소정 주기로 온,오프 동작을 반복하게 되는데, 이 모스트랜지스터(M1)가 턴온될 때 입력전압(Vs)이 변압기(T1)의 1차 코일 및 그 모스트랜지스터(M1)를 통해 흐르게 되고, 이에 의해 그 변압기(T1)의 2차 코일에 소정 레벨의 고전압이 여기된다.
상기 변압기(T1)의 2차 코일에 여기된 고전압이 다이오드(D1)에 의해 정류된 후 커패시터(C1)에 의해 평활되고, 이 커패시터(C1)의 출력전압(Vo)이 ER 유체 응용기기측으로 공급된다. 도 1에서 ER 유체 등가회로(1)는 상기 ER 유체 응용기기의 등가회로를 의미한다.
참고로, 상기 변압기(T1)의 입출력전압비(Vo/Vs)는 상기 모스트랜지스터(M1)의 시비율(Duty Ratio)과 변압기(T1)의 1,2차 코일의 권선비에 의해 결정된다.
그런데, 도 1과 같은 구조의 고전압 직류전원 공급기에서는 출력전압(Vo)이 하강될 때 빠른 응답특성을 얻는데 어려움이 있다. 왜냐하면, 빠른 응답특성을 얻기 위해서는 출력전압(Vo)이 하강될 때 커패시터(C1),(CL)에 저장된 전하가 신속하게 방전되어야 하지만, 그 전하가 다이오드(D1)에 의해 변압기(T1)의 2차코일측으로 전달되지 못하고, 그 출력전압(Vo)이 낮을 때에는 저항(RL)의 값이 매우 커 방전 시정수가 커지기 때문이다.
결국, 이와 같은 이유로 인하여 고전압 직류전원 공급기는 출력전압(Vo)이도 2에서와 같이 서서히 방전되어 빠른 응답특성을 얻을 수 없었다.
이와 같이 종래 기술에 의한 고전압 직류전원 공급기에 있어서는 회로 특성상 출력전압이 하강될 때 커패시터에 저장된 전압이 서서히 방전되므로 빠른 응답특성을 얻을 수 없는 결함이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 플라이백 컨버터의 출력단에 간단한 구성의 방전회로를 추가하고 방전 시점에 도달할 때마다 이 방전회로를 구동시켜 커패시터에 저장된 전압을 신속하게 방전시키는 고전압 직류전원 공급기의 방전 제어회로를 제공함에 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 고전압 직류전원 공급기의 회로도.
도 2는 도 1에서 출력전압의 방전특성을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명에 의한 고전압 직류전원 공급기의 방전 제어회로도.
도 4는 도 3에서 콘트롤러의 일실시 구현예를 보인 상세 블록도.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
1 : ER 유체 등가회로 2 : 방전회로
3 : 감산기 4 : 콘트롤러
4A : 진상-지상 보상기 4B : 슈미트 트리거
4C : 레벨 시프터 4D : 펄스폭변조신호 발생부
도 3은 본 발명에 의한 고전압 직류전원 공급기의 방전 제어회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 입력전압(Vs)을 소정 레벨의 고전압으로 변환출력하는 변압기(T1)와; 상기 변압기(T1)를 구동시키기 위한 주 스위칭 소자인 모스트랜지스터(M1)와; 상기 변압기(T1)의 2차코일을 통해 여기되는 고전압을 정류 및 평활시켜 ER 유체 응용기기측으로 공급하기 위한 다이오드(D1) 및 커패시터(C1)와; 상기 커패시터(C1)의 출력전압(Vo)이 하강될 때 그 출력전압(Vo)을 강제로 급속히 방전시키는 방전회로(2)와; 상기 커패시터(C1)의 출력전압(Vo)을 기준전압(Vref)과 비교하여 오차 성분을 구하는 감산기(3)와; 상기 출력전압(Vo)이 목표전압을 추종하도록 상기 감산기(3)에서 출력되는 오차 성분을 근거로 상기 모스트랜지스터(M1)의 턴온동작을 제어하고, 방전 주기에 도달할 때마다 그 오차 성분을 근거로 상기 방전회로(2)를 구동시키기 위한 제어신호를 출력하는 콘트롤러(4)로 구성한 것으로, 이와 같이 구성한 본 발명의 작용을 도 4를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
방전동작을 제외한 동작은 도 1의 고전압 직류전원 공급기와 동일하다. 즉, 콘트롤러(4)에 의해 모스트랜지스터(M1)가 소정 주기로 온,오프 동작을 반복하게 되는데, 이 모스트랜지스터(M1)가 턴온될 때 입력전압(Vs)이 변압기(T1)의 1차 코일 및 그 모스트랜지스터(M1)를 통해 흐르게 되고, 이에 의해 그 변압기(T1)의 2차 코일에 소정 레벨의 고전압이 여기된다. 상기 변압기(T1)의 2차 코일에 여기된 고전압이 다이오드(D1)에 의해 정류된 후 커패시터(C1)에 의해 평활되고, 이 커패시터(C1)의 출력전압(Vo)이 ER 유체 응용기기측으로 공급된다.
또한, 감산기(3)는 상기 커패시터(C1)의 출력전압(Vo)을 기준전압(Vref)과 비교하여 오차 성분을 구하고, 콘트롤러(4)는 이 출력전압(Vo)이 목표전압을 추종하도록 그 오차 성분을 근거로 상기 모스트랜지스터(M1)의 턴온 주기를 결정하게 된다.
한편, 상기 커패시터(C1)의 출력전압(Vo)이 하강될 때마다 상기 콘트롤러(4)의 제어에 의해 방전회로(2)가 구동되어 상기 커패시터(C1)의 출력전압(Vo)이 급속히 방전되므로 빠른 전압 응답특성을 얻을 수 있게 되는데, 이의 작용을 도 4를 참조하여 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
진상-지상 보상기(Lead-Lag Compensation)(4A)는 고유의 위상제어기능(PID)을 수행함과 아울러, 상기 감산기(3)에서 출력되는 오차성분을 근거로 제어전압을 발생하게 되는데, 상기 출력전압(Vo)의 상승모드에서는 정극성(+)의 제어전압을 출력하고 하강모드에서는 부극성(-)의 제어전압을 출력하게 된다.
상기 진상-지상 보상기(4A)에서 정극성의 제어전압이 출력될 때 파워트랜지스터(IGBT1)의 게이트에 펄스폭제어신호가 공급되지 않고, 이에 의해 그 파워트랜지스터(IGBT1)는 오프상태를 유지하게 된다.
그러나, 상기 진상-지상 보상기(4A)에서 부극성의 제어전압이 출력될 때에는 히스테리시스 회로 예를 들어 슈미트 트리거(4B)는 그 부극성의 제어전압에 상응되는 구간의 정극성의 구형파 펄스를 출력하게 되고, 이는 레벨 시프터(4C)를 통해 소정 레벨로 변환되어 펄스폭변조신호 발생부(4D)로 공급된다. 이에 따라, 상기 펄스폭변조신호 발생부(4D)는 입력되는 구형파에 상응되는 펄스폭변조신호를 출력하게 되고, 이에 의해 상기 파워트랜지스터(IGBT1)가 턴온된다.
따라서, 상기 커패시터(C1)와 등가 커패시터(CL)에 충전된 전압이 저항(R1) 및 상기 파워트랜지스터(IGBT1)를 통해 접지단측으로 방전되는데, 이때 시정수(T)는 그 저항(R1)과 두 커패시터(C1+CL)의 곱(T = R1(C1+CL))으로 결정되므로 저항(R1) 값을 충분히 작게 설정해 줄 경우 빠른 응답특성을 얻을 수 있게 된다.
참고로, 상기 진상-지상 보상기(4A)에서 출력되는 제어전압의 레벨이 제로크로싱 레벨일 때, 상기 모스트랜지스터(M1) 및 파워트랜지스터(IGBT1)의 온/오프 지연시간, 잡음 등으로 인하여 그들이 동시에 턴온되어 그 모스트랜지스터(M1)에 과전류가 흐를 수 있으므로 이를 방지하기 위해 상기 슈미트 트리거(4B)를 사용하였다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 플라이백 컨버터의 출력단에 간단한 구성의 방전회로를 추가하고, 출력전압이 하강되는 시점에 도달할 때마다 그 방전회로를 구동시켜 커패시터에 저장된 전압을 신속하게 방전시킬 수 있도록 함으로써, 우수한 제어특성을 발휘하는 고전압 직류전원 공급기를 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 주 스위칭 소자에 의해 구동되어 입력전압(Vs)을 소정 레벨의 고전압으로 변환출력하는 변압기(T1)와; 상기 변압기(T1)에서 출력되는 고전압을 정류 및 평활시켜 ER 유체 응용기기측으로 공급하기 위한 다이오드(D1) 및 커패시터(C1)와; 상기 커패시터(C1)의 출력전압(Vo)이 하강될 때, 이를 강제로 급속방전시키기 위한 방전회로(2)와; 상기 출력전압(Vo)이 목표전압을 추종하도록 감산기(3)에서 출력되는 출력전압의 오차 성분을 근거로 상기 주 스위칭소자의 턴온동작을 제어하고, 방전 주기에 도달할 때마다 상기 방전회로(2)를 구동시키기 위한 제어신호를 출력하는 콘트롤러(4)로 구성한 것을 특징으로 하는 고전압 직류전원 공급기의 방전 제어회로.
  2. 제1 항에 있어서, 방전회로(2)는 직렬접속된 저항(R1)과 파워트랜지스터(IGBT1)가 상기 커패시터(C1)에 병렬접속된 것을 특징으로 하는 고전압 직류전원 공급기의 방전 제어회로.
  3. 제1항에 있어서, 콘트롤러(4)는 상기 출력전압(Vo)에 대한 오차성분을 근거로 제어전압을 발생하는 진상-지상 보상기(4A)와; 상기 진상-지상 보상기(4A)에서 출력되는 제어전압을 소정 레벨로 변환하는 레벨 시프터(4C)와; 상기 레벨 시프터(4C)의 출력전압에 상응되는 펄스폭변조신호를 생성하여 상기 방전회로(2)의구동을 제어하는 펄스폭변조신호 발생부(4D)로 구성된 것을 특징으로 하는 고전압 직류전원 공급기의 방전 제어회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 진상-지상 보상기(4A)에서 출력되는 정,부극성의 제어전압에 따라 구형파를 출력하는 슈미트 트리거(4B)를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고전압 직류전원 공급기의 방전 제어회로.
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