KR100424642B1 - 주기적인 펄스 부하에 적합한 전원 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

이 발명은 주기적인 펄스 부하에 적합한 전원 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 특정 주기성 부하를 가지고, 게이트 전압신호에 따라 트랜지스터를 스위칭하여 출력에 필요한 에너지를 전달하며, 구동인덕터와 커패시터에 의해 출력 전압을 생성하는 전원 보드의 전원 제어방법에 있어서, 상기 인덕터와 커패시터의 출력전압을 센싱하여 상기 인덕터에 흐르는 전류가 제1 기준레벨보다 이상이되면, 상기 게이팅 전압신호를 발생시켜 상기 트랜지스터를 스위칭하여 출력으로 필요한 에너지를 공급하고, 상기 커패시터의 전압이 제2기준레벨 이하이면, 상기 게이팅 전압신호를 발생시켜 상기 트랜지스터를 스위칭하여 출력으로 필요한 에너지를 공급하는 것을 특징으로 한다.

Description

주기적인 펄스 부하에 적합한 전원 제어 방법 및 시스템{Efficient power control method and system in periodic pulsed-load}

이 발명은 주기적인 펄스 부하에 적합한 전원 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 특히, 컨버터 시스템 등에서 스위칭 손실을 줄이는 전원 제어 방법 시스템에 관한 것이다.

최근 들어 컨버터 시스템에서 효율을 높이고 컨버터의 크기를 줄이며 스위칭에 의한 EMI 노이즈를 줄이기 위해 소프트 스위칭(soft-switching) 기법을 이용한 회로를 많이 사용하고 있다.

특히, 영전압 풀 브릿지 펄스폭 변조(ZVS full-bridge PWM) 컨버터는 제어가 간단하고 적은 소자로 구현 가능하므로 수 kW 이상의 전력에서 많이 사용된다.

도1은 일반적인 풀 브릿지 펄스폭변조 컨버터의 구성도이다.

도1과 같이, 게이트 전압신호(미도시)에 따라 트랜지스터(Q1, ~Q4)가 스위칭되어 트랜스포머를 통해 2차측으로 전압이 유기된다.

그러나, 영전압 스위칭 풀 브릿지 펄스폭 변조(ZVS full-bridge PWM) 컨버터는 영전압 스위칭을 보장하기 위해서 부하 전류가 설계값 이상으로 흘러야만 된다.

따라서, 부하가 작거나 없을 시에는 영전압 스위칭이 실패하고 계속해서 모든 스위치가 스위칭 주파수로 스위칭을 하게 되므로 스위칭 손실에 의한 열 발생과 전체 효율이 나빠지게 된다.

특히, 도2에서 보듯이, 에이디에스(ADS; Address Display Separated) 방식의 AC-PDP (Plasma Display Panel)의 부하와 같이 짧은 구간에서 많은 부하 전류를 사용하고 부하가 없는 구간이 상당히 긴 경우에 스위칭 손실에 의한 열 발생과 전체 효율이 나빠지게 된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 위상 변이 제어기에 간단한논리 회로를 추가하여 부하가 없을 시에 컨버터의 게이팅(gating) 신호를 차단하므로 컨버터의 효율을 증대시키는 주기적인 펄스 부하에 적합한 전원 제어 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

도1은 일반적인 컨버터 회로의 구성도이다.

도2는 피디피의 부하전압과 전류를 나타낸 파형도이다.

도3은 이 발명의 실시예에 따른 이 발명의 실시예에 따른 주기적인 펄스 부하에 적합한 전원 제어 시스템의 구성도이다.

도4 및 도5는 컨버터의 설계시 사용된 각 소자들의 값을 나타낸 표이다.

도6 내지 도9는 각 전류에서 출력전압의 동특성을 나타낸 파형도이다.

도10은 종래의 선형제어기를 이용한 실험 파형도이다.

도11은 본 발명의 전원 제어 시스템의 실험파형도이다.

도12는 종래의 선형 제어기와 본 발명의 전원 제어 시스템의 효율을 비교한 표이다.

이러한 과제를 해결하기 위한 이 발명의 하나의 특징에 따른 주기적인 펄스 부하에 적합한 전원 제어 방법은,

특정 주기성 부하를 가지고, 게이트 전압신호에 따라 트랜지스터를 스위칭하여 출력에 필요한 에너지를 전달하며, 구동인덕터와 커패시터에 의해 출력 전압을 생성하는 전원 보드의 전원 제어방법에 있어서,

상기 인덕터와 커패시터의 출력전압을 센싱하여 상기 인덕터에 흐르는 전류가 제1 기준레벨보다 이상이되면, 상기 게이팅 전압신호를 발생시켜 상기 트랜지스터를 스위칭하여 출력으로 필요한 에너지를 공급하고,

상기 커패시터의 전압이 제2기준레벨 이하이면, 상기 게이팅 전압신호를 발생시켜 상기 트랜지스터를 스위칭하여 출력으로 필요한 에너지를 공급하는 것을 특징으로 한다.

이러한 과제를 해결하기 위한 이 발명의 다른 특징에 따른 주기적인 펄스 부하에 적합한 전원 제어 시스템은,

특정 주기성 부하를 가지고, 게이트 전압신호에 따라 트랜지스터를 스위칭하여 출력에 필요한 에너지를 전달하며, 구동인덕터와 커패시터에 의해 출력 전압을 생성하는 전원 보드의 전원 제어 시스템에 있어서,

상기 인덕터와 커패시터의 출력전압을 센싱하여 상기 인덕터에 흐르는 전류가 제1 기준레벨 이하이고, 상기 커패시터의 전압이 제2기준레벨 이상이면, 게이팅 전압신호를 차단하는 게이팅신호 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그러면, 이러한 본 발명을 이 분야의 통상의 지식을 지닌자가 용이하게 실시할 수 있도록 실시예에 관하여 첨부된 도면을 참조로 하여 설명하면 다음과 같다.

도3은 이 발명의 실시예에 따른 주기적인 펄스 부하에 적합한 전원 제어 시스템의 구성도이다.

도3에 도시되어 있듯이, 이 발명의 실시예에 따른 주기적인 펄스 부하에 적합한 전원 제어 시스템은,

특정 주기성 부하를 가지고, 게이트 전압신호에 따라 트랜지스터를 스위칭하여 출력에 필요한 에너지를 전달하며, 구동인덕터와 커패시터에 의해 출력 전압을 생성하는 전원 보드의 전원 제어 시스템에 있어서,

상기 인덕터와 커패시터의 출력전압을 센싱하여 상기 인덕터에 흐르는 전류가 제1 기준레벨보다 이상이되면, 게이트 전압신호를 발생시켜 상기 트랜지스터를 스위칭하여 출력으로 필요한 에너지를 공급하는 제1 비교기(32);

상기 커패시터의 전압이 제2기준레벨 이하이면, 게이팅 전압신호를 발생시켜 상기 트랜지스터를 스위칭하여 출력으로 필요한 에너지를 공급하는 제2 비교기(31);

상기 제1 비교기와 제2 비교기의 출력을 낸드연산하여 출력하는 낸드게이트(34);

상기 낸드 게이트(34)의 출력신호와 게이팅 전압 신호를 앤드 연산하여 출력하는 앤드 게이트(35)를 포함한다.

그러면, 이러한 구성을 가진 주기적인 펄스 부하에 적합한 전원 제어 시스템의 동작을 설명하기로 한다.

본발명의 전원 제어 시스템은 기존의 위상 변이 제어기(phase shift controller)의 게이팅 신호 출력에 부하 전류와 출력 전압의 정보를 이용하여 스위칭을 차단할 수 있는 논리 회로로 구현되어 있다.

도3과 같이, 논리 회로는 부하가 0이 되고 출력 전압이 일정한 수준 이상일 때 게이팅을 차단하는 논리 구조로 되어 있다.

출력 전압(V_output)의 정보를 필요로 하는 이유는 컨버터가 동작하는 시점에는 부하 전류가 0이므로 전압이 일정한 수준까지 올라간 이후에 게이팅 차단 회로가 동작해야 한다.

그리고 부하가 0이 된 이후에도 컨버터 자체의 손실과 더미(dummy) 저항에 의해 전압이 떨어지는 현상을 막기 위해서이다.

도3에서 보듯이, 센싱 저항(R)에 의해 측정된 부하 전류의 전압 정보는 증폭기(33)를 통하여 비교할 수 있는 전압 수준으로 증폭된다.

증폭된 신호는 비교기(32)를 통해 부하 전류가 설계된 기준 전류보다 낮아지면, 비교기(32)의 출력이 하이(high)가 된다.

동시에 컨버터의 출력 전압(V_output)이 설계된 기준 전압보다 높아지면, 비교기(31)의 출력이 하이가 된다.

이때, 기준 전류는 0에 가깝게 설계된다.

또한, 기준 전압은 출력 전압보다 작아야 되며, 출력전압에 가깝게 설계된다.

따라서, 2개의 비교기(31, 32) 출력이 최종적으로 낸드 게이트(34)에 입력으로 들어가서 전압이 일정 수준 이상이 되고, 부하 전류가 0이 될 때만 낸드 게이트(34) 출력이 로우가 되어 스위치의 게이팅 신호(gate signal)가 차단되고 컨버터의 스위칭이 중단된다.

실제로 이와 같은 본 발명의 실시예의 성능을 검증하기 위하여 입력 400 Vdc 출력 전압 180 Vdc의 1 kW 영전압 스위칭 풀 브릿지 펄스폭변조(ZVS Full-bridge PWM) 컨버터를 설계하고 제작하였다.

시뮬레이션에 사용된 컨버터의 설계 값은 도4 및 도5에 정리하였다.

스위칭 주파수는 입력 면에서는 100 kHz이고 출력 면에서는 200 kHz이다. 출력 인덕터는 260 uH이고 출력 캐패시터는 44 uF이다. 부하 전류는 100 Hz 주기로 변하고 1/2 구간은 부하가 0이고 1/2 구간은 최고값이 10 A인 사다리꼴 모양의 펄스 부하이다.(rising/falling time : 100usec) 제어기는 cut-off 주파수가 10 kHz이고 위상 여유가 60。 이상이 되도록 설계하였다.

시뮬레이션의 위쪽 파형은 출력 전압이고 중간 파형은 op-amp의 포화를 고려한 제어 전압이고 마지막 파형은 부하 전류 파형이다.

출력에는 47kΩ 5개 병렬의 dummy 저항을 삽입하였다.

도6는 선형 feedback 제어기만을 사용한 출력 전압의 특성이다.

기본적으로 부하가 0인 구간에서도 phase shift 제어를 하므로 모든 스위치의 gating 신호는 연속적으로 발생한다. 부하가 0이 되는 시점에서 출력 전압 overshoot가 발생하고 제어 전압은 차츰 떨어진다. 부하가 오픈된 구간에서 발생한 overshoot 전압은 dummy 저항에 의해서만 방전되는데 제어 기준 전압보다 항상 높게 유지되므로 제어기는 하한값으로 포화되고 부하가 다시 흐르는 시점에서 하한값으로 포화된 제어 전압에 의해 제어기의 동특성이 느려져서 출력 전압에 매우 큰 notch 전압이 발생한다.

도7은 필터를 거쳐 측정된 부하 전류가 0.2 A보다 작을 때 gating 신호를 차단하는 제안된 제어기의 시뮬레이션 파형이다.

도7에서 보듯이, 부하가 0이 될 때에 컨버터의 출력 인덕터 전류가 0이 되기 전에 미리 컨버터의 스위칭을 중단하므로 전압의 overshoot가 선형제어기보다 작아진다.

하지만 여전히 부하가 오픈된 구간에서 제어 기준 전압보다 출력 전압이 높게 유지되는 구간이 더 크므로 제어기는 하한값에 가깝게 되고 부하가 흐르는 구간에서 notch 전압이 발생한다.

하지만 선형 제어기보다 출력의 변동폭이 약간 개선되고 부하가 오픈된 구간에서 스위칭을 하지 않으므로 스위칭 손실이 개선된다.

도8은 측정된 부하 전류가 2.5 A보다 작을 때 gating 신호를 차단하는 제안된 제어기의 시뮬레이션 파형이다.

도7보다 미리 컨버터의 스위칭을 중단하므로 전압의 overshoot가 선형제어기보다 더욱 작아진다.

최적 설계에 의해 부하가 오픈된 구간에서 제어 기준 전압보다 높은 구간과 제어 기준 전압보다 낮은 구간의 면적이 같으므로 제어기는 정상 상태값에 가깝고 부하가 흐르기 시작하는 구간에서 거의 notch 전압이 발생하지 않는다.

도9는 측정된 부하 전류가 4 A보다 작을 때 gating 신호를 차단하는 제안된 제어기의 시뮬레이션 파형이다.

도8보다 미리 컨버터의 스위칭을 중단하므로 전압의 overshoot가 매우 작아진다.

부하가 오픈된 구간에서 dummy 저항에 의해 방전되는 전압은 제어기 알고리즘에 의해 출력 전압 하한값에서 간헐적인 스위칭으로 유지된다.

부하가 오픈된 구간에서 제어 기준 전압보다 높게 유지되는 구간의 면적보다 제어 기준 전압보다 낮은 구간의 면적이 크므로 제어기는 상한 값에 포화되고 부하가 흐르기 시작하는 구간에서 반대로 overshoot 전압이 발생한다.

이와같이, 제안된 제어기는 gating을 차단하기 위한 기준 부하 전류 크기, 부하의 특성, 출력 전압 제어 수준(하한값), 제어기 전압의 포화 상한/하한값, 제어기 속도, 출력 dummy 저항과 출력 캐패시터 크기, 부하 오픈 구간의 주기 등에 의해 출력 전압의 동특성을 최적 설계할 수가 있다.

이와 같이 설계된 1 kW 컨버터의 실험 파형을 얻기 위하여 실제로 제작하였다.

부하 전류의 조건은 100 Hz 주기로 변하고 부하가 0인 구간이 2/3이다. 전자부하의 용량으로 인해 부하전류는 peak 값이 2A로 제한된 사다리꼴의 구형파이다.

그림의 위쪽은 부하 전류 파형이고 중간은 출력 전압, 아래쪽은 gating 신호이다.

도10에서 보듯이, feedback 선형제어기의 경우 부하가 흐르는 시점에서 전압의 notch가 발생하고 부하 전류가 0이 되는 시점에서 overshoot가 발생한다.

그 크기가 4V로 출력 전압의 2.2%나 된다.

그리고 스위치의 gating 신호가 부하의 유뮤에 관계없이 연속적으로 발생하는 것을 볼 수가 있다.

그림 11에서 보듯이, 부하가 0이 되면 게이트 신호가 차단되는 것을 볼 수가 있다.

동시에 출력 전압은 컨버터의 더미(dummy) 저항에 의해 전압이 출력 전압 하한까지 떨어지고 이후에는 간헐적인 스위칭에 의해 출력 전압이 유지되는 것을 볼 수가 있다.

그러나 도9의 시뮬레이션 파형과 같이 부하 전류가 흐르기 시작하는 시점에서 전압 오버슈트(overshoot)가 발생하는데 이것은 출력 전압이 제어 전압보다 낮으므로 제어기 전압이 상한 값으로 포화되어서 발생하는 것이다.

결과적으로 출력 전압의 리플(ripple)이 1.5V 정도로 선형제어기에 비해 출력 전압 동특성이 향상되는 것을 볼 수가 있다.

전체적인 효율 면에서도 제안된 제어기를 채택한 회로의 효율이 향상되는 것을 볼 수가 있고 동시에 부하가 작은 경우이므로 스위칭 손실이 지배적이라서 효율증가는 더욱 크다.

게다가 스위칭 주파수가 높은 경우에는 제어기 소비전력도 무시할 수가 없다.

제안된 제어기의 스위칭이 줄어드는 효과로 인하여 기존의 제어기보다 소비전력이 절반으로 줄어드는 것을 볼 수가 있다.

이와 같은 결과에 따른 측정효율을 비교한 표를 도12에 도시하였다.

이상에서와 같이, 이 발명의 실시예에서, 부하가 없을 시에 컨버터의 게이팅(gating) 신호를 차단하므로 컨버터의 효율을 증대시킬 수가 있다.

게다가 부가적으로 부하 전류의 피드포워드(feed-forward) 정보를 이용하므로 최적화된 설계를 통하여 피드백(feedback) 선형 제어기보다 더 나은 전이 동특성을 얻을 수가 있다.

Claims (8)

1. (정정) 특정 주기성 부하를 가지고, 게이트 전압신호에 따라 트랜지스터를 스위칭하여 출력에 필요한 에너지를 전달하며, 구동인덕터와 커패시터에 의해 출력 전압을 생성하는 전원 보드의 전원 제어방법에 있어서,

   상기 인덕터와 커패시터의 출력전압을 센싱하여 상기 인덕터에 흐르는 전류가 제1 기준레벨보다 이상이되면, 상기 게이팅 전압신호를 발생시켜 상기 트랜지스터를 스위칭하여 출력으로 필요한 에너지를 공급하고,

   상기 커패시터의 전압이 제2기준레벨 이하이면, 상기 게이팅 전압신호를 발생시켜 상기 트랜지스터를 스위칭하여 출력으로 필요한 에너지를 공급하며, 상기 제1기준레벨은 0에 가깝게 설계되는 것을 특징으로 하는 전원 제어 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2기준레벨은 출력 전압보다 작고, 출력전압에 가깝게 설계되는 전원 제어 방법.
4. (정정) 특정 주기성 부하를 가지고, 게이트 전압신호에 따라 트랜지스터를 스위칭하여 출력에 필요한 에너지를 전달하며, 구동인덕터와 커패시터에 의해 출력 전압을 생성하는 전원 보드의 전원 제어방법에 있어서,

   상기 인덕터와 커패시터의 출력전압을 센싱하여 상기 인덕터에 흐르는 전류가 제1 기준레벨 이하이고, 상기 커패시터의 전압이 제2기준레벨 이상이면, 게이팅 전압신호를 차단하여 상기 트랜지스터를 스위칭하지 않으며, 상기 제1기준레벨은 0에 가깝게 설계되고, 상기 제2기준레벨은 출력 전압보다 작고, 출력전압에 가깝게 설계되는 것을 특징으로 하는 전원 제어 방법.
5. 삭제
6. (정정) 특정 주기성 부하를 가지고, 게이트 전압신호에 따라 트랜지스터를 스위칭하여 출력에 필요한 에너지를 전달하며, 구동인덕터와 커패시터에 의해 출력 전압을 생성하는 전원 보드의 전원 제어 시스템에 있어서,

   상기 인덕터와 커패시터의 출력전압을 센싱하여 상기 인덕터에 흐르는 전류가 제1 기준레벨 이하이고, 상기 커패시터의 전압이 제2기준레벨 이상이면, 게이팅 전압신호를 차단하는 게이팅신호 제어부를 포함하며, 상기 게이팅신호 제어부는,

   상기 인덕터와 커패시터의 출력전압을 센싱하여 상기 인덕터에 흐르는 전류가 제1 기준레벨보다 이상이되면, 게이트 전압신호를 발생시켜 상기 트랜지스터를 스위칭하여 출력으로 필요한 에너지를 공급하는 제1 비교기;

   상기 커패시터의 전압이 제2기준레벨 이하이면, 게이팅 전압신호를 발생시켜 상기 트랜지스터를 스위칭하여 출력으로 필요한 에너지를 공급하는 제2 비교기;

   상기 제1 비교기와 제2 비교기의 출력을 낸드연산하여 출력하는 낸드게이트;

   상기 낸드 게이트의 출력신호와 게이팅 전압 신호를 앤드 연산하여 출력하는 앤드 게이트를 포함하는 전원 제어 시스템.
7. 삭제
8. 제7항에 있어서,

   상기 게이팅신호 제어부는,

   상기 커패시터의 전압을 센싱 저항을 통해 감지하고, 증폭하여 상기 제2 비교기의 입력으로 사용하는 것을 특징으로 하는 전원 제어 시스템.