KR100622972B1 - 전력변환기의 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디지털 제어 방식을 사용하는 고주파 전력변환기 등에서 저역율(低力率) 운전이나 출력 단락 등에 의해 발생하는 과전류 혹은 과전압에 의한 소손을 방지할 수 있는 전력변환기의 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전력변환기의 제어장치는, 입력되는 제어 데이터에 따라 소정 스위칭 소자의 단속 동작을 제어하는 게이트 신호를 출력하는 디지털 제어기, 과전류 및 과전압 발생에 대응하는 검출신호를 생성하는 검출부, 및 검출신호의 생성시 게이트 신호의 출력이 차단되는 상태가 유지되도록 하는 등록 유지부를 포함한다.
전력변환기, OCP, OVP, 과전압, 과전류, 제어장치

Description

전력변환기의 제어장치 및 제어방법{Control apparatus and control method for switch-mode power supply}
도 1은 전력변환기가 사용되는 시스템의 일 예를 도시한 도면,
도 2는 종래의 기술에 따른 전력변환기의 제어장치에 대한 회로도의 일 예,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환기의 제어장치에 대한 회로도, 그리고
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환기의 제어장치에 대한 회로도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 측정부 120 : 디지털 제어기
130 : 검출부 140 : 등록 유지부
본 발명은 전력변환기의 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디지털 제어 방식을 사용하는 고주파 전력변환기 등에서 저역율(低力率) 운전이나 출력 단락 등에 의해 발생하는 과전류 및 과전압에 의한 소손을 방지할 수 있 는 전력변환기의 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 인버터(Inverter)와 같은 전력변환기에서는 전력용 MOSFET 등과 같은 반도체 소자를 스위칭 소자로 사용하며, 이러한 스위칭 소자의 온/오프(On/Off)에 의한 단속 동작을 통해 출력 전압의 크기 등을 제어한다. 이때, 스위칭 소자의 단속 동작 등을 제어하는 제어장치는 아날로그 방식이나 디지털 방식으로 구현할 수 있다. 전력변환기의 제어장치를 아날로그 방식으로 구현하는 경우, 빠른 속도의 제어가 가능하다는 장점이 있다. 그러나, 아날로그 방식으로 구현된 전력변환기의 제어장치는 보통 회로 구성이 고정되므로, 디지털 방식으로 구현된 전력변환기의 제어장치에 비해 다양한 제어 기능을 구비하는 것이 어렵게 된다.
도 1은 전력변환기가 사용되는 시스템의 일 예를 도시한 것으로, 디지털 방식으로 구현된 제어장치를 사용하는 인버터(30)를 포함하는 화상형성장치의 경우를 도시한 것이다. 도 1에서, AC/DC 정류부(20)는 전원전압을 정류하여 직류전압을 출력하고, 인버터(30)는 AC/DC 정류부(20)로부터 직류전압을 입력받아 고전압을 생성하여 대전롤러(40) 등에 제공한다. 이때, 제어장치(50)는, 순시 전력제어와 전력변환 효율을 높이기 위하여 PLL( Phase Loop Lock)기법을 사용하여 공진 주파수를 기준으로 Phase Margin을 유지하고 Real/apearant power의 비를 일정하게 유지하기 위한 조건으로 스위칭 소자의 단속 동작을 제어하는 게이트 신호의 듀티 비를 조절한다. 그리고, 인버터(30)는 출력단이 단락되었을 때, 최소 전력(Min Power) 전달 환경을 검사하는 모드를 구비하고 있으며, 최소 전력 전달 조건이 되지 않으면, 게이트 신호는 최대 주파수(Max Frequency)로 프리 스켄된다.
도 2는 종래의 기술에 따른 전력변환기의 제어장치의 대한 회로도의 일 예이다. 도 2를 참조하면, 다이오드 D1 내지 D4, 저항 R1, 커패시터 C1에 의해 전력변환기의 출력단에서 측정된 출력 전압 혹은 전류는 정류 및 A/D 변환과정을 통해 디지털 제어기(51)에 전달된다. 디지털 제어기(51)는 전달된 신호를 참조하여, 스위칭 소자의 단속 동작을 제어하는 게이트 신호를 출력한다.
그런데, 출력 단락 등의 이유로, 스위칭 소자로 사용되는 MOSFET에 과전류(Over Current)가 흐르게 되면, 스위칭 소자 및 동작 전원을 제공하는 메인 스위치(Main Switch)(53) 등에 발열을 초래한다. 이러한 발열은 메인 스위치(53) 등을 열화 시켜 소손에 이르게 한다. 메인 스위치(53)가 소손에 이르는 시간은 에너지 량에 비례하지만, 대용량 전력변화기의 경우 수십 m[sec]내에 소손 될 수 있다.
종래에는 온도 센서 등을 사용하여, 과전류 및 과전압 상태에 따른 발열로부터 스위칭 소자나 메인 스위치(53) 등을 보호하는 방식을 사용하였다. 그러나, 온도 센서나 프로그램 처리 등에 의한 메인 스위치 등의 보호는 신뢰성에 한계가 존재하며, 절연에 따른 비용 증가를 야기 시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은, 대용량 고속 스위칭(Switching)에 의하여 운전되는 전력변환기를 과전류 및 과전압 상태로 부터 보호할 수 있는 전력변환기의 제어장치 및 제어방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력변환기의 제어장치는, 입력 되는 제어 데이터에 따라, 소정 스위칭 소자의 단속 동작을 제어하는 게이트 신호를 출력하는 디지털 제어기, 과전류 및 과전압 발생에 대응하는 검출신호를 생성하는 검출부, 및 상기 검출신호의 생성시, 상기 게이트 신호의 출력이 차단되는 상태가 유지되도록 하는 등록 유지부를 포함한다. 바람직하게는, 상기 디지털 제어기의 제어에 따라, 상기 게이트 신호의 출력이 차단되는 상태를 해지하는 등록 해지부를 더 포함한다.
상기 검출부는, 제어다이오드의 역방향 전압 특성을 이용하여 상기 검출신호를 생성하는 것이 가능하다. 그리고, 전력 순시 제어를 위한 정보를 측정하여, 상기 제어 데이터로 제공하는 측정부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 전력변환기의 제어방법은, 스위칭 소자의 단속 동작에 의해 출력 전압을 제어하는 전력변환기에서, 입력되는 제어 데이터에 따라, 상기 스위칭 소자의 단속 동작을 제어하는 게이트 신호를 출력하는 단계, 과전류 및 과전압 발생을 검출하는 단계, 및 과전류 및 과전압 발생시, 상기 게이트 신호의 출력이 차단되는 상태가 유지되도록 하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 게이트 신호의 출력이 차단되는 상태를 해지하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 출력 전압에 대응하는 정보를 측정하여, 상기 제어 데이터로 제공하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환기 제어장치의 회로도이다. 도 3을 참조하면, 본 전력변환기 제어장치는, 측정부(110), 디지털 제어기(120), 검출 부(130), 및 등록 유지부(140)를 포함한다.
측정부(110)는 전력순시 제어를 위하여 전력변환기의 출력단 등으로부터 전압 혹은 전류 정보를 측정하고, 이를 정류한 후 A/D 변환과정을 거친 DC 전압값을 출력한다.
디지털 제어기(120)는 측정부(110)로부터 출력되는 DC 전압값을 제어값으로 활용하여 스위칭 소자의 온/오프 스위칭에 사용되는 게이트 신호(Gate Signal)을 생성한다. 이때, 게이트 신호의 듀티(duty) 비에 따라 출력 전압의 크기 등이 변화된다.
검출부(130)는 직렬 접속된 제너다이오드(Zener diode) Z10 및 저항 R11을 포함하며, 제너다이오드의 역방향 전압 특성을 이용하여, 과전류(OC) 혹은 과전압(OV) 상태를 검출한다.
등록 유지부(140)는 실리콘 제어정류기(silicon controlled rectifier) SCR10 , 저항 R12, 를 포함하여, 검출부(130)에서 과전압 혹은 과전류 상태가 검출되며, 게이트 신호가 차단된 상태가 유지되도록 한다. 즉, 실리콘 제어정류기 SCR10은 턴오프(turn off) 상태에서 전류를 흘릴 수 없으므로, 저항 R12의 일단에 접속된 직류전압에 의해 다이오드 G1 내지 G4는 오프(off) 상태를 유지하여, 디지털 제어기(120)로부터 게이트 신호가 출력된다. 그러나, 실리콘 제어정류기 SCR10의 게이트단에 제너다이오드 Z10 혹은 디지털 제어기(120)를 통해 과전압 혹은 과전류 상태로 인한 펄스 전류가 입력되면, 실리콘 제어정류기 SCR10는 턴온(turn on) 상태가 되어, 애노드에서 캐소드로 순방향 전류를 흘릴 수 있게 된다. 이에 따라, 다이오드 G1 내지 G4은 온(on) 상태가 되므로, 게이트 신호의 출력이 차단된다. 또한, 일단 실리콘 제어 정류기 SCR10이 턴온되면, 게이트단에 입력되는 신호가 제거되어도, 턴온 상태가 유지되므로, 게이트 신호의 차단 상태가 유지된다.
이와 같은 구성에 의해, 과전류 및 과전압 발생시, 디지털 제어기(120)에서 출력되는 게이트 신호를 하드웨어적으로 자동 차단할 수 있으므로, 스위칭 소자 등의 발열을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환기의 제어장치에 대한 회로도이다. 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 전력변환기의 제어장치는. 측정부(200), 디지털 제어부(220), 검출부(230), 등록 유지부(240), 그리고 등록 해지부(250)를 포함한다.
측정부(200), 디지털 제어부(220), 검출부(230), 및 등록 유지부(240)의 기능 및 동작은 도 3과 관련하여 설명한 바와 같다. 본 실시예의 경우에는 등록 유지부(240)에 의해 게이트 신호의 차단이 유지된 상태에서, 이를 해지할 수 있는 등록 해지부(250)를 더 포함한다는 점에 특징이 있다.
즉, 실리콘 제어 정류기 SCR20의 게이트에 과전압 혹은 과전류에 따른 펄스 전류가 인가되어 일단 턴온되면, 게이트단 전압을 제거해도 온(ON) 상태가 유지되므로, 실리콘 제어 정류기 SCR 20을 턴오프(turn off)시키려면, 애노드 전압을 0 또는 (-)로 구동해야 한다. 등록해지부(250)는, 트랜지스터 Q20의 베이스에 디지털 제어기(220)로부터 해지 신호가 인가되면, 트랜지스터 Q20이 턴오프되고, 이에 따라 실리콘 제어정류기 SCR20이 턴오프 상태가 된다. SCR20이 턴오프됨에 따 라, 다이오드 G21, G22가 온상태에서 오프상태로 변환되므로, 차단된 게이트 신호가 출력될 수 있다.
한편, 상기한 실시예에서는 편의상 두개의 게이트 신호의 출력을 제어하는 경우를 도시하고 있으나, 동일한 방식으로 더 많은 게이트 신호의 출력을 제어하는 것이 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 대용량 고속 스위칭에 의하여 운전되는 전력변환기를 과전류 및 과전압 등과 같은 고장환경으로부터 보호할 수 있다. 또한, 과전류 및 과전압에 따라 출력 전압을 하드웨어적으로 차단할 수 있으므로, 발열 등에 따른 소손을 방지하여, 고장환경에서 제품에 대한 신뢰성 증진은 물론 발생될 수 있는 부품 교체 등을 방지할 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (7)

  1. 입력되는 제어 데이터에 따라, 소정 스위칭 소자의 단속 동작을 제어하는 게이트 신호를 출력하는 디지털 제어기;
    과전류 및 과전압 발생에 대응하는 검출신호를 생성하는 검출부; 및
    상기 검출신호의 생성시, 상기 게이트 신호의 출력이 차단되는 상태가 유지되도록 하는 등록 유지부;를 포함하는 전력변환기의 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 제어기의 제어에 따라, 상기 게이트 신호의 출력이 차단되는 상태를 해지하는 등록 해지부;를 더 포함하는 전력변환기의 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 검출부는, 제어다이오드의 역방향 전압 특성을 이용하여 상기 검출신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력변환기의 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    전력 순시 제어를 위한 정보를 측정하여, 상기 제어 데이터로 제공하는 측정부;를 더 포함하는 전력변환기의 제어장치
  5. 스위칭 소자의 단속 동작에 의해 출력 전압을 제어하는 전력변환기의 제어방법에 있어서,
    입력되는 제어 데이터에 따라, 상기 스위칭 소자의 단속 동작을 제어하는 게이트 신호를 출력하는 단계;
    과전류 및 과전압 발생을 검출하는 단계; 및
    과전류 및 과전압 발생시, 상기 게이트 신호의 출력이 차단되는 상태가 유지되도록 하는 단계;를 포함하는 전력변환기의 제어방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 게이트 신호의 출력이 차단되는 상태를 해지하는 단계;를 더 포함하는 전력변환기의 제어방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 출력 전압에 대응하는 정보를 측정하여, 상기 제어 데이터로 제공하는 단계;를 더 포함하는 전력변환기의 제어방법.
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