KR100624999B1 - 직류 컨버터의 병렬 동작을 제어하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

직류 컨버터의 병렬 동작을 제어하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2개의 전압 영역(U1, U2)을 가지고 특히, 자동차의 다전압 전기 시스템에서 직류 전압 컨버터의 병렬 동작의 제어를 위한 장치와 방법에 관한 것이다. 병렬 접속된 상기 전압 컨버터는 상기 전압 영역 사이에 위치한다. 상기 전압 컨버터들 중 하나만이 능동 전압 조절기로서 형성되고 영구 동작하며 다른 (n-1)개 컨버터는 필요한 파워 수요에 따라 전부하 또는 무부하 모드로 동작한다.
컨버터, 전압 조절기, 콘트롤 일렉트로닉스

Description

직류 컨버터의 병렬 동작을 제어하기 위한 장치 및 방법{Device and method for controlled parallel operation of direct current converters}
본 발명은 직류 컨버터의 병렬 동작을 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
DC/DC-컨버터의 파워 증대를 위해 이것은 마스터-슬레이브-방식으로 동작한다. 이 마스터-슬레이브-방식에서 소위 마스터는 상위에서 전체 시스템의 조절 과제를 맡고 있다. 하위의 컨버터(슬레이브)(들)는 제어된 모드로 동작하며, 이는 전기 파워의 증가를 의미한다. 상기 슬레이브 컨버터의 제어는 예를 들어 전기 밸브에 대한 스위칭 명령(예를 들어 스위칭 트랜지스터의 제어 신호)의 전달을 통해 실현될 수 있다.
DC/DC-컨버터는 하나 또는 다수의 전위들을 발생하는데 사용되거나 2개의 다른 전위(예를 들어 자동차 내의 2중 전압 전기 시스템 14V/42V) 사이에서 에너지를 전달하는데 사용된다. 원하는 최대 출력 파워에 대해 유연하게 반응하기 위해 n개의 개별 컨버터 모듈의 출력측 병렬 회로가 제공된다. 그러한 장치는 도 1에 도시되어 있다.
입력 전압 측은, 예를 들어, 자동차의 발전기와 접속되어 있다. 각각의 컨버터가 별도의 전압 조절기를 가지면, 출력측 접속에 의해 커플링 진동(coupling oscillation)이 발생할 수 있다.
본 발명의 목적은 상기 커플링 진동을 방지하는 동시에 다수의 개별 컨버터의 병렬 동작 제어를 통해 직류 전압 컨버터(DC/DC-컨버터)의 파워를 증가시키는데 있다. 상기 목적은 독립 청구항 및 종속 청구항에 제시된 직류 전압 컨버터의 병렬 동작 제어를 위한 장치 및 방법을 통해 달성된다.
청구항 1에 제시된 부하 배분의 원리를 통해, 병렬로 동작하는 전압 조절기에서 커플링 진동의 위험이 회피된다. 컨버터들은 공간적으로 근접 배치되거나 분리 배치될 수 있다. 종래의 방법과는 달리, 컨버터들 사이의 정보 교환이 단지 스위칭 시점에서만 이루어진다. 이를 위해, 적은 대역폭(bandwidth)(예를 들어 CAN)의 접속이면 충분하다. 직렬 콘트롤 구조가 가지는 장점은 이 직렬 콘트롤 구조를 통해 컨버터가 동일하게 구성될 수 있다는 것이다.
본 발명의 다른 장점은 종속 청구항에 제시된 조치들을 통해 얻어진다.
본 발명의 실시예는 도면에 도시되어 있으며 하기의 상세한 설명에서 상술된다.
도 1 은 다수의 컨버터의 모듈식 병렬 회로를 도시한 도면.
도 2 는 순시 파워 수요의 배분을 도시한 도면.
도 3 은 계층적인 콘트롤 구조를 도시한 도면.
도 4 는 직렬 콘트롤 구조를 가진 장치를 도시한 도면.
도 1에는 원하는 최대 출력 파워에 대해 유연하게 반응하기에 적합하고 본 발명이 적용될 수도 있는 다수의 DC/DC-컨버터(1, 2, ... , n)의 모듈식 병렬 회로가 도시되어 있다. 예컨대, 자동차의 전기 시스템 전압인 입력 전압은 U1으로 표기되어 있으며, 상기 DC/DC-컨버터의 출력 전압은 U2로 표기되어 있다. 2중 전압 전기 시스템에서 관련 전압은 예를 들어 14V와 42V이다.
상기 DC/DC-컨버터(1, 2, ... , n) 각각이 별도의 전압 조절기를 가지면, 출력측 접속에 의해 커플링 진동이 발생할 수 있다. 조절기 상호간의 영향을 피하기 위해 능동 전압 조절기를 하나로 감소하는 것이 바람직하다. 필요한 파워 수요는 전부하 모드 또는 무부하 모드로 동작하는 (n-1)개의 컨버터와 부분 부하 모드에서 전압 조절 기능을 하는 다른 하나의 컨버터로 분배된다.
도 2에는 5개의 병렬 컨버터에서의 부하 배분이 예시적으로 도시되어 있다. 상기 컨버터(1, 2, 3)는 전부하 모드로 동작하고 출력측 최대 출력 전류(output current)를 제공한다. 상기 컨버터(4)는 전압을 조절하며 "능동(active)" 파워 범위를 커버한다. 컨버터(5)는 무부하 모드로 동작한다.
제어 기법(strategy)은 다음과 같다:
- 파워 수요를 커버하기에 단일의 컨버터로 충분하면, 이 컨버터는 출력 전압을 조절한다. 다른 컨버터는 동작하지 않는다.
- 파워 수요가 개별 컨버터(컨버터 1)의 용량을 초과하면, 이 컨버터는 그 다음 컨버터(컨버터 2)에게 전압 조절 기능을 넘긴다. 컨버터 1은 전부하 모드로 넘어가고 그의 최대 출력 전류를 제공한다.
- 파워 수요가 계속 상승하는 경우 연속적으로 다수의 컨버터가 전부하 모드로 된다. 다른 컨버터 각각은 아직 남아있는 부분 부하 기능을 한다.
- 반대의 경우, 파워 수요가 줄어들면 연속적으로 컨버터가 전부하 모드로부터 부분 부하 모드로 복귀된다.
이를 실현하기 위해 하기 콘트롤 구조가 사용될 수 있다.
계층적 콘트롤 구조
계층적 콘트롤 구조의 사용시, 중앙 콘트롤 일렉트로닉스(central control electronics)는 개별 컨버터의 코디네이션을 수행한다. 이것은 각각 능동적으로 전압을 조절하는 컨버터로부터 순시 출력 파워에 대한 정보를 받아 나머지 컨버터를 전부하 또는 무부하 모드로 제어한다. 그러한 계층적 콘트롤 구조는 도 3에 도시되어 있다. 해당 콘트롤 일렉트로닉스(6)는 컨버터, 예를 들어 컨버터(1) 내에 집적될 수도 있다. 데이터 교환은 직렬 버스(예를 들어 CAN) 또는 별도의 신호 라인(7, 8, 9)을 통해 양방향으로 이루어질 수 있다.
몇몇 DC/DC-컨버터는 무부하로 작동될 수 없다. 이들은 출력측의 기본 부하(base load)를 필요로 한다. 이 경우에 어느 하나의 컨버터로부터 다음 컨버터로 전압 조절 기능을 전달하기 위한 스위칭 임계값들이 적응되어야 한다. 수요가 커지면 스위치 온 임계값은 P = Pmax에 있지 않고 P = Pmax-Pbase에 있다. 수요가 감소하면 스위치 오프 임계값은 이 경우에 기본 부하 Pbase와 동일하다.
사용되는 컨버터의 최대 효율이 부분 부하 범위 내에 있으면, 제어된 컨버터가 효율 최적화를 위해 부분 부하 범위에서도 동작된다. 이에 대한 제어 신호는 중앙의 콘트롤 일렉트로닉스(6)에 의해 미리 주어진다. 전체 파워 출력이 충분하지 않으면, 제어된 컨버터의 출력이 나중에 최대 파워까지 커진다.
직렬 구조(콘트롤 구조)
도 4에 도시된 바처럼, 직렬 구조의 사용시 도 3에 따른 중앙 콘트롤 일렉트로닉스가 생략될 수 있다 . 각각의 컨버터는 동일하게 실시될 수 있다. 접속들은 외부 결선을 통해서만 이루어진다.
이 시스템의 시작은 예를 들어 체인(chain)에서 제 1 컨버터에 대한 스위치 온 명령(EIN)을 통해 이루어질 수 있다. 이것은 전압 조절 기능을 한다. 컨버터(1)가 그의 파워 한계에 도달하면, P = Pmax의 신호화를 통해 컨버터(2)로의 전압 조절 기능의 전달이 개시된다. 이는 최대 파워에 도달했다는 것을 나타내는 신호이다. 즉, 컨버터(1)는 출력에서 그의 최대 파워 또는 최대 전류를 제공한다. 파워 수요가 커지면, 신호 P = Pmax에 의해 전압 조절 기능이 연속적으로 전달된다.
파워 수요가 감소하면, 순시 능동 전압 조절 컨버터가 선행하는 컨버터에 P = 0 정보에 의해 무부하 상태에 도달했음을 신호화한다. 선행하는 컨버터는 전압 조절기로서 동작한다. 그러므로 이 컨버터가 점차로 무부하로 스위칭된다. 즉 도시된 예에서는 컨버터(3)에서 시작하여 컨버터(1)로 스위칭된다.
도 3에 따른 실시예와 관련하여 이미 설명한 것처럼, 스위칭 임계값으로서 최대 효율의 포인트 또는 기본 부하도 사용될 수 있다.
데이터의 교환은 마찬가지로 직렬 버스(예를 들어 CAN)를 통해 또는 별도의 신호 라인을 통해 이루어진다.
전압 컨버터(DC/DC-컨버터)의 병렬 동작의 제어를 위한 도시된 장치 또는 관련 방법은 예를 들어 자동차 전기 시스템에서 사용될 수 있지만, 이들은 높은 파워의 변환이 중요한 다른 적용 분야에도 적합하다. 중요한 점은 상기 컨버터들 중 어느 하나가 능동 범위에서 동작하고 다른 모든 컨버터는 전부하 모드에 또는 무부하 모드에 있다는 것이다.

Claims (28)

  1. 2개의 전압 영역(U1, U2)을 가지며, 상기 전압 영역 사이에 병렬로 접속된 전압 컨버터들이 위치하는, 자동차의 다전압 전기 시스템에서 상기 직류 전압 컨버터들의 병렬 동작을 제어하기 위한 장치에 있어서,
    상기 전압 컨버터들 중 하나만이 능동 전압 조절기로서 형성되고 다른 (n-1)개 컨버터들은 필요한 파워 수요에 따라 전부하 또는 무부하 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 컨버터 또는 다른 하나의 컨버터가 부분 부하 모드에서 전압 조절 기능을 하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 미리 설정 가능한 수의 병렬 컨버터들에서 부하 배분은, 상기 컨버터들(1, 2, 3)이 전부하 모드로 동작하고 출력측에서 최대 출력 전류를 제공하고, 상기 컨버터(4)가 전압 조절 기능을 하며 능동 또는 가변 파워 범위를 커버하고, 컨버터(5)가 무부하 모드에 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는, 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 파워 수요가 적은 경우 하나의 컨버터, 특히 제 1 컨버터가 동작하고 출력 전압의 조절 기능을 하는 한편, 다른 컨버터들은 동작하지 않는 것을 특징으로 하는, 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 파워 수요가 개별 컨버터의 용량을 초과하면, 이 컨버터는 전부하 모드로 넘어가고 그의 최대 출력 전류를 제공하며 전압 조절 기능을 다음 컨버터로 전달하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 수요가 계속 증가하면, 다른 컨버터들은 전부하 모드로 되고 각각 그 다음 컨버터는 부분 부하 기능을 하며, 파워 수요가 감소하면, 상기 컨버터들이 연속적으로 전부하 모드로부터 부분 부하 모드로 복귀하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 컨버터들의 제어는 계층적 콘트롤 구조를 이용해 콘트롤 일렉트로닉스에 의해 실현되고, 상기 콘트롤 일렉트로닉스는 모든 컨버터들을 제어하고 이 컨버터들로부터 데이터를 수신하고, 데이터의 교환은 직렬 버스, 특히 CAN-버스를 통해 이루어지거나 별도의 신호 라인을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는, 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 콘트롤 일렉트로닉스는 상기 컨버터 안에 집적되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 미리 설정가능한 컨버터들이 적어도 출력측의 기본 부하로 동작되고, 전압 조절 기능의 전달을 위한 스위칭 임계값이 상기 기본 부하에 적응되고, 스위치 온 임계값은 수요가 증가하면 P=Pmax-Pbase에 있는 한편, 스위치 오프 임계값은 수요가 감소하면 기본 부하에 상응하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 미리 설정가능한 컨버터들은 부분 부하 모드에서 최대 효율이 발생하도록 동작하고, 필요한 경우, 중앙 콘트롤 일렉트로닉스로부터의 제어 신호에 의해 파워가 최대가 될 때까지 증가되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 컨버터들은 직렬로 배치되어 동작되고 서로 결합되어 있으며, 각각의 컨버터는 그 다음 컨버터에 최대 파워 도달에 대한 신호를 제공하며 상기 그 다음 컨버터로부터 무부하 도달에 대한 신호를 받는 것을 특징으로 하는, 장치.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 전압 조절이 상기 컨버터들 중 어느 하나에서만 이루어지고 전부하에 도달하면 연속적으로 그 다음 컨버터로 전달되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 전압 조절 기능의 전달을 위한 또는 스위칭 오프를 위한 스위칭 임계값으로서 기본 부하 또는 최대 효율점이 사용되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 컨버터들 간의 데이터의 교환이 직렬 버스, 특히 CAN-버스를 통해 또는 별도의 신호 라인을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는, 장치.
  15. 2개의 전압 영역(U1, U2)을 가지며, 상기 전압 영역 사이에 병렬로 접속된 전압 컨버터들이 위치하는, 자동차의 다전압 전기 시스템에서 상기 직류 전압 컨버터들의 병렬 동작을 제어하기 위한 방법에 있어서,
    상기 전압 컨버터들 중 하나만이 능동 전압 조절기로서 형성되고 다른 (n-1)개 컨버터들은 필요한 파워 수요에 따라 전부하 또는 무부하 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 제 1 컨버터 또는 다른 하나의 컨버터가 부분 부하 모드에서 전압 조절 기능을 하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 미리 설정 가능한 수의 병렬 컨버터들에서 부하 배분은, 상기 컨버터들(1, 2, 3)이 전부하 모드로 동작하고 출력측에서 최대 출력 전류를 제공하고, 상기 컨버터(4)가 전압 조절 기능을 하며 능동 또는 가변 파워 범위를 커버하고, 컨버터(5)가 무부하 모드에 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는, 방법.
  18. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 파워 수요가 적은 경우 하나의 컨버터, 특히 제 1 컨버터가 동작하고 출력 전압의 조절 기능을 하는 한편, 다른 컨버터들은 동작하지 않는 것을 특징으로 하는, 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 파워 수요가 개별 컨버터의 용량을 초과하면, 이 컨버터는 전부하 모드로 넘어가고 그의 최대 출력 전류를 제공하며 전압 조절 기능을 다음 컨버터로 전달하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 수요가 계속 증가하면, 다른 컨버터들은 전부하 모드로 되고 각각 그 다음 컨버터는 부분 부하 기능을 하며, 파워 수요가 감소하면, 상기 컨버터들이 연속적으로 전부하 모드로부터 부분 부하 모드로 복귀하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  21. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 상기 컨버터들의 제어는 계층적 콘트롤 구조를 이용해 콘트롤 일렉트로닉스에 의해 실현되고, 상기 콘트롤 일렉트로닉스는 모든 컨버터들을 제어하고 이 컨버터들로부터 데이터를 수신하고, 데이터의 교환은 직렬 버스, 특히 CAN-버스를 통해 이루어지거나 별도의 신호 라인을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는, 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 콘트롤 일렉트로닉스는 상기 컨버터 안에 집적되어 있는 것을 특징으로 하는, 방법.
  23. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 미리 설정가능한 컨버터들이 적어도 출력측의 기본 부하로 동작되고, 전압 조절 기능의 전달을 위한 스위칭 임계값이 상기 기본 부하에 적응되고, 스위치 온 임계값은 수요가 증가하면 P=Pmax-Pbase에 있는 한편, 스위치 오프 임계값은 수요가 감소하면 기본 부하에 상응하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  24. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 미리 설정가능한 컨버터들은 부분 부하 모드에서 최대 효율이 발생하도록 동작하고, 필요한 경우, 중앙 콘트롤 일렉트로닉스로부터의 제어 신호에 의해 파워가 최대가 될 때까지 증가되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  25. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 상기 컨버터들은 직렬로 배치되어 동작되고 서로 결합되어 있으며, 각각의 컨버터는 그 다음 컨버터에 최대 파워 도달에 대한 신호를 제공하며 상기 그 다음 컨버터로부터 무부하 도달에 대한 신호를 받는 것을 특징으로 하는, 방법.
  26. 제 22 항에 있어서, 상기 전압 조절이 상기 컨버터들 중 어느 하나에서만 이루어지고 전부하에 도달하면 연속적으로 그 다음 컨버터로 전달되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  27. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 전압 조절 기능의 전달을 위한 또는 스위칭 오프를 위한 스위칭 임계값으로서 기본 부하 또는 최대 효율점이 사용되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  28. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 상기 컨버터들 간의 데이터의 교환이 직렬 버스, 특히 CAN-버스를 통해 또는 별도의 신호 라인을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는, 방법.
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