KR100593455B1 - 승압형 초퍼의 스위칭 제어 방법과 입력전류 제한 제어 장치 - Google Patents

승압형 초퍼의 스위칭 제어 방법과 입력전류 제한 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 승압형 초퍼에 관한 것이다.
본 발명에서는,
(a). 스위칭 소자를 병렬로 구성하여 두 개의 스위칭 소자를 구성하도록 하여 스위칭 소자의 전류 부담을 줄이고, 구성된 두 개의 스위칭 소자에 대하여 동일한 전류 분담이 되도록 제어하므로써, 과다한 전류로 인한 발열 및 스트레스를 감소시킬 수 있도록 하여 시스템의 전반적인 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하는 스위칭 제어 방법을 제공하고자 하며, (b). 그리고, 승압형 초퍼로 입력되는 전류를 기준제한값 이내로 제한하여, 일시적인 전류증가를 억제하도록 스위칭 소자를 제어하므로써, 시스템의 안정성을 확보하고, 대전류측 소자를 보호할 수 있도록 하는 제어 장치를 제공하고자 하는 것이다.
초퍼, 스위칭, 입력전류

Description

승압형 초퍼의 스위칭 제어 방법과 입력전류 제한 제어 장치{Input current limit controller and switching contoll method for boost type chopper}
도 1은 단일 스위칭 소자를 구성한 승압형 초퍼의 구성을 보인 회로도.
도 2는 본 발명 승압형 초퍼의 스위칭 제어 방법이 적용되는 두 개의 스위칭 소자를 이용한 승압형 초퍼의 구성을 보인 회로도.
도 3은 본 발명 승압형 초퍼의 스위칭 제어 방법에 있어서, 스위칭 소자의 온/오프 타임에 따른 입력전류와 부하로 공급되는 전류의 변화를 나타낸 파형도.
도 4는 본 발명 승압형 초퍼의 스위칭 제어 방법에 있어서, 각 스위칭 소자의 온 타임을 설정하기 위한 과정을 설명하기 위한 스위칭 소자의 온타임과 입력전류의 관계를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명 승압형 초퍼의 입력전류 제한 제어장치의 일실시예 구성을 보인 도면.
도 6은 본 발명에서의 입력전류제한 동작이 실행되었을 경우와 그렇지 않을 경우를 대비한 전류파형도를 나타낸 것으로, 'A'는 입력전류를 제한하지 않았을 경우를 나타낸 것이고, 'B'는 입력전류를 제한하였을 경우를 나타낸 도면.
본 발명은 승압형 초퍼에 관한 것이다.
(a) 병렬로 구성된 스위칭 소자의 전류부담율을 고려하여 제어하도록 하므로써, 스위칭 소자의 소손 및 시스템의 불안정을 해소하고자 하며, 입력 전류에 의한 스위칭 소자의 요망 시스템이 불안정하게 됨을 방지하기 위한 승압형 초퍼의 스위칭 제어 방법에 관한 것이다.
(b). 출력측 전류 변동으로 인하여 초퍼로 입력되는 입력 전류가 과도하게 증가하게 됨을 방지하기 위한 입력 전류 제한 제어를 위한 제어 장치에 관한 것이다.
일반적인 승압형 초퍼는 단일 스위칭 소자를 사용하여 저압의 입력전압을 승압하며 이때, 출력 전류에 비해 큰 전류가 스위칭 소자에 흐르게 된다.
도 1은 단일 스위칭 소자를 이용한 승압형 초퍼의 구성회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 단일 스위칭 소자를 이용하게 됨에 있어서, 용량이 커지고 승압 비율이 높아짐에 따라 입력단 전류량은 증대하며, 이에 따라 단일 스위칭 소자의 전류 부담이 증가하여 발열이 스위칭 소자에 집중되고 상당한 스트레스가 스위칭 소자에 가해지게 되어, 소자의 수명 및 시스템의 신뢰성에도 많은 문제가 뒤따르게 된다.
또한, 일반적인 승압형 초퍼 전력회로는 저전압 대전류의 입력조건으로 인해 출력의 변동에 대해 입력이 민감하게 변동한다.
이는 전력회로에 입력되는 전압이 낮을수록 더욱 심하여 시스템의 안정도에 악영향을 줄 수 있다.
그러나, 상기한바와 같은 종래의 초퍼 전력회로에서는 부하측에 과부하가 걸려 입력전류가 일정 기준치 이상으로 증가하게 될 경우 입력전류를 제한할 수 있는 수단이 구성되지 않아 승압형 초퍼로 과전류가 인가되어 회로소자의 손상 및 시스템이 불안정하게 된다.
본 발명에서는 상기에서와 같은 문제를 해결하기 위하여,
(a). 스위칭 소자를 병렬로 구성하여 두 개의 스위칭 소자를 구성하도록 하고, 이와 같이 구성된 두 개의 스위칭 소자에 대하여 동일한 전류 분담이 되도록 제어하므로써, 과다한 전류로 인한 발열 및 스트레스를 감소시킬 수 있도록 하여 시스템의 전반직인 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하는 스위칭 제어 방법을 제공함을 목적으로 한다.
(b). 그리고, 승압형 초퍼로 입력되는 전류를 기준제한값 이내로 제한하여, 일시적인 전류증가를 억제하도록 스위칭 소자를 제어하므로써, 시스템의 안정성을 확보하고, 대전류측 소자를 보호할 수 있도록 하는 제어 장치를 제공함을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 갖는 본 발명은,
(a). 승압형 초퍼의 스위칭소자를 병렬로 구성하고, 구성된 두 개의 스위칭 소자를 동일한 시간의 동작시간을 설정하여 교번 동작시키도록 하여 전류의 분담이 동일하게 이루어질 수 있도록 하는 승압형 초퍼의 스위칭 제어방법을 특징으로 한다.
그리고, 상기 스위칭 소자의 동작시간 설정은 현재 동작중인 스위칭 소자의 온 동작시간의 평균에서 취한 입력전류값을 이용하여 다음 스위칭 소자의 온 동작시간을 설정하도록 함을 특징으로 한다.
그리고, 상기 스위칭 소자는 병렬로 구성된 두 개의 스위칭 소자를 하나의 스위칭소자군으로 하여 승압형 초퍼의 용량에 따라 하나이상의 다수개로 설정될 수 있는 것임을 특징으로 한다.
(b). 입력 직류전압을 평활하여 부하측으로 출력하는 필터부와, 스위칭 동작하여 상기 필터부로 입력되는 전류량을 제어하여 부하측으로 출력되는 전압 및 전류를 제어하는 스위칭부를 포함하는 승압형 초퍼에 있어서,
상기 필터부를 통해 부하측으로 공급되는 직류전압과 소정의 설정된 기준전압과 비교하여 입력전류를 제한하기 위한 소정의 기준 전류제어값으로 출력하는 전압제어수단과, 전압제어수단에서 출력되는 기준 전류제어값과 입력전류를 비교하여 상기 스위칭 소자의 동작시간을 결정하여 스위칭 소자를 동작시키도록 하므로써, 부하측으로 입력되는 전류량을 제한하는 전류제어수단을 포함하는 승압형 초퍼의 입력전류 제한 제어장치를 특징으로 한다.
이와 같은 구성을 특징으로 하는 본 발명 승압형 초퍼의 스위칭 제어방법과 제어장치를 도면에 도시된 그 실시예를 참조하여 그 구성 및 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 2는 두 개의 스위칭 소자를 병렬로 구성한 본 발명 승압형 초퍼를 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 입력 직류전압(Vin)을 평활하여 부하(Load)측으로 출력하는 전류역전방지용 다이오드(D1,D2) 및 평활용 콘덴서(C1)와, 스위칭 동작하여 상기 다이오드(D1,D2)로 인가되는 전류(Id)량을 제어하는 스위칭 소자(Q1,Q2)로 구성되며,
스위칭 소자(Q1,Q2)는 병렬로 연결구성되며, 스위칭 동작하여 부하(Load)(10)측으로 전달되는 전류의 량을 조절하게 된다.
두 개의 스위칭 소자(Q1,Q2)를 병렬로 연결하여 구성하게 되며, 용량에 따라서는 병렬로 구성된 쌍을 스위칭소자군으로 하여, 스위칭소자군을 증가시킬 수 있다.
대부분의 스위칭 소자는 병렬로 구성하여 동시에 스위칭 할 경우 그 특성이 조금씩 틀려 전류 분담율이 달라지게 되며, 이로 인해 하나의 스위칭 소자에 전류가 더 흐를뿐만 아니라, 스위칭 소자의 턴-온(turn-on)시 전류가 하나의 스위칭 소자에 집중되는 현상이 발생하게 된다.
따라서, 앞서 설명한 바와 같이, 하나의 스위칭 소자에 집중되는 형상이 발생하여 방열 및 수명에 영향을 준다.
또한, 스위칭 횟수가 단일 스위칭 소자를 사용하는 경우와 같아, 스위칭 손실이 증가하게 된다.
본 발명에서는 각각 소자를 동일한 시간만큼 교번 스위칭 제어가 이루어지도 록 하므로써, 평균적인 전류의 부담을 부담하고, 각 스위칭 소자의 스위칭 수를 감소시켜 손실을 줄일 수 있도록 하는 것이다.
도 3은 두 개의 스위칭 소자를 사용할 경우 입력전류와 각 소자에 흐르는 전류의 파형을 나타낸 것이다.
두 개의 스위칭 소자(Q1,Q2) 사용시 전류의 제어는 동일한 시간의 도통 시간(Ton)으로 번갈아 가며 구동전압(VG1,VG2)을 인가하므로써, 스위칭 소자(Q1,Q2)에 흐르는 전류를 동일하게 분담시킬 수 있다.
또한, 전류제어의 속응성을 향상시키기 위해 도 4에서와 같이, 구동 전압(VG1,VG2)을 입력하고, 스위칭 소자(Q1,Q2)의 온 동작시간(Ton)의 중앙에서 입력전류(Iin)를 취득하여 항상 입력전류(Iin)의 순시 평균값을 이용하여 제어하도록 하므로써, 입력전류(Iin)의 과도 상태시 전류제어기의 응답특성을 향상시킨다.
즉, 도 4에서와 같이, 온-오프(on-off) 방식의 대칭 펄스폭변조(PWM)를 적용하여 스위칭 소자(Q2)의 온 동작시간(Ton)의 정중앙, 즉 도통시간(Ton)의 평균에서 취득한 입력전류 Iin[n]를 이용하여 다음 주기에서의 온 도통시간(Ton)을 계산하여 병렬로 구성된 다른 스위칭 소자(Q1)를 동작시킨다.
이와 같이 병렬로 구성된 두 개의 스위칭 소자는 서로 번갈아가면서 온/오프를 반복 진행하게 된다.
한편, 승압형 초퍼는 저전압 대전류의 입력조건으로 인해 출력의 변동에 대 해 입력이 민감하게 변동한다.
이때 입력전류(Iin)가 과도하게 상승하게 될 경우 입력전류에 대한 제한을 위한 제어장치가 필요하게 된다.
도 5는 이와 같은 승압형 초퍼에 있어서, 입력전류의 제한 제어장치를 나타낸 것으로, 그 구성은 다음과 같다.
입력 직류전압(Vin)을 평활하여 부하(Load)측으로 출력하는 전류역전방지용 다이오드(D1,D2) 및 평활용 콘덴서(C1)와, 스위칭 동작하여 상기 다이오드(D1,D2)로 인가되는 전류(Id)량을 제어하는 스위칭 소자(Q1,Q2)를 포함하는 승압형 초퍼에 있어서,
다이오드(D1,D2) 및 콘덴서(C1)를 통해 부하측으로 공급되는 직류전압(Vdc)과 기준전압(Vref)을 비교하여 입력전류(Iin)를 제한하기 위한 입력전류 기준값(Iref)으로 출력하는 전압제어부(10)와, 전압제어부(10)로부터 출력되는 입력전류 기준값(Iref)과 입력전류(Iin)를 비교하여 스위칭 소자(Q1,Q2)의 동작시간(Ton)을 설정하여 스위칭 소자(Q1,Q2)를 동작시키도록 하므로써, 부하(1)측으로 입력되는 전류(Id)량을 제한하는 전류제어부(20)로 구성되며,
상기 전압제어부(10)는 부하측으로 공급되는 직류전압(Vdc)과 기준전압(Vref)의 차신호를 출력하는 제 1감산기(11)와, 제 1감산기(11)의 출력신호를 적분 출력하는 제 1비례적분제어기(Proportional Integral Controller)(12) 와, 제 1비례적분제어기(12)에서 출력된 신호의 진폭을 일정레벨로 제한하여 이를 입력전류 기준값(Iref)으로 출력하는 제 1제한부(limiter)(13)를 포함하여 구성된다.
상기 전류제어부(20)는 상기 전압제어부(10)의 제 1제한부(13)에서 출력된 입력전류 기준값(Iref)과 입력전류(Iin)의 차신호를 출력하는 제 2감산기(21)와, 제 2감산기(21)의 출력신호를 적분 출력하는 제 2비례적분제어기(22)와, 제 2비례적분제어기(22)에서 출력된 신호의 진폭을 일정 레벨로 제한하여 스위칭 소자(Q1,Q2)의최대 온 동작시간을 제한하기 위한 제 2제한부(23)를 포함하여 구성된다.
앞서 설명한 바와 같이, 입력 직류전압(Vin)을 입력단인 인덕터(L)와 스위칭 소자(Q1,Q2)를 이용하여 축적된 에너지 즉, 전류를 전류역전방지용 다이오드(D1,D2)를 통해 부하(1)측으로 전달하며, 이때 평활용 콘덴서(C1)는 스위칭된 입력전압을 평활하게 된다.
여기서, 부하(1)측에 과부하가 걸려 입력전류(Iin)가 일정 기준치 이상으로 증가했을 경우 전압제어부(10)와 전류제어부(20)에 의해, 스위칭 소자(Q1,Q2)를 온 동작 제어하게 되므로써, 부하(1)로 공급되는 입력전류(Iin)는 입력 전류 제한 기준값(Iref)으로 제한된다.
입력전류(Iin)가 입력전류 제한 기준값(Iref)으로 제한하는 과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 전압제어부(10)의 내부에 포함된 제 1감산기(11)에서 부하측으로 공급되는 직류전압(Vdc)과 소정의 기준전압(Vref)의 차(Vref-Vdc)를 구해 제 1비례적분제어기(12)로 출력한다.
제 1비례적분제어기(12)에서는 차신호(Vref-Vdc)를 적분하여 제 1제한부(13)로 출력하고, 제 1제한부(13)는 적분출력된 신호의 진폭이 소정의 레벨을 넘지 않도록 제한하여 전류제어부(20)의 입력전류 기준값(Iref)으로 출력한다.
한편, 전류제어부(20)의 제 2감산기(21)에서는 상기 제 1제한부(13)로부터 인가된 입력전류 기준값(Iref)과 입력전류(Iin)의 차(Iref-Iin)를 제 2비례적분제어기(12)로출력하고, 제 2비례적분제어기(12)는 차신호(Iref-Iin)를 적분하여 제 2제한부(23)로 출력한다.
제 2제한부(23)에 의해 상기 제 2비례적분제어기(12)의 적분신호의 진폭은 소정의 레벨로 제한하여 출력한다.
이와 같이 출력되는 신호는 스위칭 소자(Q1,Q2)의 온 동작시간(Ton)을 설정하기 위한 신호로서, 즉 제 2제한부(23)에 의해 스위칭 소자(Q1,Q2)의 최대 온 동작시간을 설정한 것이다.
이에 따라 스위칭 제어수단에서는 스위칭 소자(Q1,Q2)를 온 동작시간을 줄여 입력전류가 증가하는 것을 제한하며, 이로인해 출력 전압이 감소하여 부하전류가 감소하게 된다.
이와 같이, 과부하로 인해 입력전류(Iin)가 기준값 이상으로 증가했을 경우 전류제어부(20)에 의해 설정된 온 동작시간(Ton)에 따라 스위칭 제어수단에서는 스위칭 소자(Q1,Q2)가 온 동작상태일 경우라도 온 동작상태를 유지하도록 제어하므로써, 입력전류(Iin)가 저하되어져, 부하(1)측으로 공급되는 직류전압(Vdc)이 감소하게 된다.
이때, 과부하가 일시적인 현상이라면 부하(1)가 정상으로 복귀했을 경우 부하(1)측 인가전압도 다시 정상으로 복귀되지만, 과부하가 지속적이면 스위칭 제어수단에서는 이를 고장으로 검지하여 승압형 초퍼 전력회로의 동작을 멈추게 하므로써 승압형 초퍼회로가 손상되는 것을 방지한다.
도 6은 본 발명에서의 입력전류제한 동작이 실행되었을 경우와 그렇지 않을 경우를 대비한 전류파형도를 나타낸 것으로, 'A'는 입력전류를 제한하지 않았을 경우를 나타낸 것이고, 'B'는 입력전류를 제한하였을 경우를 나타낸 것이다.
이를 정리하면, 전압제어부(10)의 출력이 입력전류(Iin)의 기준치(Iref)가 되며, 전압제어부(10)의 출력 즉, 전류제어부(20) 바로 앞단에 입력전류 기준치(Iref)를 일정한 기준값으로 제어하는 제 1제한부(13)를 두므로써, 입력전류(Iin)의 제한이 간단히 구성되며 전류제어부(20)의 입력이 이미 제한되어 입력되므로, 신속하고 정확한 추종이 이루어진다.
또한, 전류제어부(20) 출력에 역시 제 2제한부(23)를 두어 스위칭 소자(Q1,Q2)의 최대 온 동작시간을 제한하므로써, 전류제어부(20)의 비정상 또는 제어한계에 도달하는 최악의 상황에도 전류제한을 가능하게 한 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 두 개의 병렬 스위칭 소자를 구성하므로써, 각 스위칭 소자의 전류부담을 줄이고, 또한 동일한 온타임을 적용하여 두 개의 스위칭 소자를 번갈아가면서 구동시키므로써, 전류부담율의 증가를 감소시켜 스위칭 소자를 보호하고, 안정된 시스템의 동작을 제공하게 되므로써, 시스템의 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 이와 같이 동작하게 됨에 있어서, 과부하로 인해 입력측 전류가 상승하게 됨에 따라, 입력측 전류를 제한값 이내로 제한할 수 있도록 스위칭 소자를 제어하여 주도록 하므로써, 승압형 초퍼로 과도한 전류가 흐르지 않도록 하여 안정된 시스템의 동작제공 및 대전류소자를 보호할 수 있게 된다.
또한, 이와 같은 입력전류 제한 제어장치는 두 개의 병렬 스위칭 소자를 이용한 시스템이 아닌 단일 스위칭 소자를 이용한 승압형 초퍼 시스템에도 적용가능하다.

Claims (7)

  1. 필터부에 의해 입력직류전압이 평활되어 부하측으로 출력될 때, 병렬로 이루어진 스위칭부의 스위칭동작 제어를 통해 상기 필터부로 입력되는 전류량을 제어하여 부하측으로 출력되는 전압 및 전류를 제어하는 승압형 초퍼의 스위칭 제어방법에 있어서,
    상기 병렬로 이루어진 스위칭소자 중 현재 동작중인 스위칭소자의 온 동작시간의 평균에서 취한 입력전류값을 이용하여 또 다른 스위칭소자의 온 동작시간을 설정하는 단계;
    상기 동작시간 설정단계로부터 설정된 결과에 따라 병렬의 스위칭소자를 번갈아가면서 동작 제어하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 승압형 초퍼의 스위칭 제어방법.
  2. 삭제
  3. 입력직류전압을 평활하여 부하측으로 출력하는 필터부와, 상기 필터부로 입력되는 전류량을 제어하여 부하측으로 출력되는 전압 및 전류를 제어하는 스위칭부, 상기 스위칭부의 스위칭동작시 상기 필터부를 통해 부하측으로 공급되는 직류전압과 소정의 설정된 기준전압을 비교하여 입력전류를 제한하기 위한 소정의 기준 전류제어값을 출력하는 전압제어수단 및, 상기 전압제어수단에서 출력된 기준전류제어값과 입력전류를 비교하여 부하측으로 입력되는 전류량을 제한하는 전류제어수단을 포함하는 승압형 초퍼의 입력전류 제한 제어장치에 있어서,
    상기 스위칭부는 동일한 시간의 동작시간으로 설정되어 교번의 스위칭동작이 이루어지는 병렬의 스위칭소자로 구성하고,
    상기 전압제어수단은 부하측으로 공급되는 직류전압과 기준전압의 차신호를 출력하는 제 1 감산기, 상기 제 1 감산기의 출력신호를 적분 출력하는 제 1 비례적분제어기, 상기 제 1 비례적분제어기에서 출력된 신호의 진폭을 일정레벨로 제한하여 이를 입력전류 기준값으로 출력하는 제 1 제한부를 포함하여 구성하며,
    상기 전류제어수단은 상기 제 1 제한부에서 출력된 입력전류 기준값과 입력전류의 차신호를 출력하는 제 2 감산기, 상기 제 2 감산기의 출력신호를 적분 출력하는 제 2 비례적분제어기, 상기 제 2 비례적분제어기에서 출력된 신호의 진폭을 일정레벨로 제한하여 병렬 스위칭소자의 최대 온 동작시간을 제한하기 위한 제 2 제한부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 승압형 초퍼의 입력전류 제한 제어장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 3항에 있어서, 상기 스위칭부는 승압형 초퍼의 용량에 따라 하나이상의 다수개로 설정될 수 있는 것임을 특징으로 하는 승압형 초퍼의 입력전류 제한 제어장치.
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