KR100660925B1 - 가변출력 직류전원 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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유동욱
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김종현
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Abstract

본 발명은 가변출력 직류전원 장치 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것으로, 3 위상의 소스를 제공하는 발진기와; 상기 발진기와 각각 병렬 연결된 DC/DC 모듈을 구비하고, 상기 DC/DC 모듈은 각각은 서로 직렬 연결되며, DC/DC 변환에 의해 원하는 전력을 출력시키는 복수개의 DC/DC 모듈과; 상기 복수개의 DC/DC 모듈의 최종 출력단에 직렬 연결된 인덕터와; 상기 복수개의 DC/DC 모듈의 입력단과 상기 인덕터에 병렬 연결된 커패시터와; 상기 커패시터와 연결되어 전압을 제어하고, 상기 인덕터에 연결되어 전류를 제어하여, 상기 복수개의 DC/DC 모듈에 대한 제어를 수행하는 마스터 컨트롤러;를 포함하여 구성함으로서, 출력전압의 변동범위가 큰 직류전원장치에서 출력전압을 쉽게 증대시키면서 출력전압에 관계없이 출력의 정밀도를 항상 일정하게 유지할 수 있게 되는 것이다.
가변출력 직류전원, 가변직류, 출력전원, 출력전압, 리니어, 스위칭, 쵸퍼, DC/DC

Description

가변출력 직류전원 장치 및 그 제어방법{Apparatus and control method for variable output direct power}
도 1은 종래 리니어 방식에 의한 가변출력 직류전원 장치의 블록구성도이다.
도 2는 종래 스위칭 방식에 의한 가변출력 직류전원 장치의 블록구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 가변출력 직류전원 장치의 블록구성도이다.
도 4는 도 3에서 DC/DC 모듈의 일구성예를 보인 상세블록도이다.
도 5는 도 4에서 슬레이브 컨트롤러의 일구성예를 보인 상세블록도이다.
도 6은 도 4에서 슬레이브 컨트롤러의 다른 구성예를 보인 상세블록도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 가변출력 직류전원 장치의 제어방법을 보인 흐름도이다.
도 8은 종래 스위칭 방식에 의해 3단 직렬 연결 구동을 할 경우 가변펄스폭으로 전압조절을 수행하는 예를 보인 도면이다.
도 9는 본 발명에서 3단으로 DC/DC 모듈을 직렬로 구성할 경우 전압조절을 수행하는 예를 보인 도면이다.
도 10은 본 발명에서 복수개로 DC/DC 모듈을 직렬로 구성할 경우 DC/DC 모듈의 제어방식을 보인 표이다.
도 11은 본 발명에서 마스터 컨트롤러와 DC/DC 모듈과의 통신연결 개념을 보인 블록구성도이다.
도 12는 본 발명에서 사용하는 명령데이터의 구성예를 보인 도면이다.
도 13은 본 발명에서 4단으로 DC/DC 모듈을 직렬로 구성할 경우, 1단 모듈만 PWM을 하고 있을 때의 파형을 보인 파형도이다.
도 14는 본 발명에서 4단으로 DC/DC 모듈을 직렬로 구성할 경우, 1단 모듈이 최대 펄스폭으로 운전하고 있을 때의 파형을 보인 파형도이다.
도 15는 본 발명에서 4단으로 DC/DC 모듈을 직렬로 구성할 경우, 1단 모듈은 최대 펄스폭으로 운전하고 2단 모듈은 일정 펄스폭으로 운전할 때의 파형을 보인 파형도이다.
도 16은 본 발명에서 4단으로 DC/DC 모듈을 직렬로 구성할 경우, 1단 모듈과 2단 모듈은 최대 펄스폭으로 운전하고 3단 모듈이 일정 펄스폭으로 운전할 때의 파형을 보인 파형도이다.
도 17은 본 발명에서 4단으로 DC/DC 모듈을 직렬로 구성할 경우, 1단 모듈과 2단 모듈과 3단 모듈은 최대 펄스폭으로 운전하고 4단 모듈이 일정 펄스폭으로 운전할 때의 파형을 보인 파형도이다.
도 18은 본 발명에서 4단으로 DC/DC 모듈을 직렬로 구성할 경우, 1단 모듈과 2단 모듈과 3단 모듈과 4단 모듈이 모두 최대 펄스폭으로 운전할 때의 파형을 보인 파형도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 발진기 200 : DC/DC 모듈
210 : EMI 필터 220 : 3 위상 다이오드 정류부
230 : 풀 브리지 인버터 240 ; 고주파 변환부
250 : 풀 브리지 다이오드 정류부 260 : 슬레이브 컨트롤러
261 : D/A 변환부 262 : 위상 시프트 컨트롤러
263 : 마이크로 컨트롤러 300 : 인덕터
400 : 커패시터 500 : 마스터 컨트롤러
510 : 전압제어부 520 : 전류제어부
530 : 통신부
본 발명은 가변출력 직류전원 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 특히 출력전압의 변동범위가 큰 직류전원장치에서 출력전압을 쉽게 증대시키면서 출력전압에 관계없이 출력의 정밀도를 항상 일정하게 유지하기에 적당하도록 한 가변출력 직류전원 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 가변출력 직류전원 장치는 출력전압의 변동 범위가 큰 분야에 사용되는 장치이다.
이러한 가변출력 직류전원 장치의 토폴로지(topology)는 크게 두 가지로 구현되고 있다. 첫 번째는 도 1에서와 같이, 먼저 원하는 최대 출력전압에 맞는 직류 전압을 승압시켜 만든 다음 트랜지스터를 이용하여 리니어하게 출력을 제어하는 리니어 방식이다. 두 번째는 도 2에서와 같이, 손실이 큰 리니어 방식의 단점을 보완하고자 사용하는 스위칭 방식으로써, PWM 정류기 등으로 전압을 승압하여 원하는 최고 전압을 얻은 다음 쵸퍼 등을 이용하여 직류전압을 쵸핑함으로서 출력전압을 조절하는 형태이다. 이와 같은 종래기술에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 리니어 방식에 의한 가변출력 직류전원 장치의 블록구성도이다.
이에 도시된 바와 같이, 3 위상의 소스(3 phase source)를 제공하는 발진기(Oscillator)(11)와; 상기 발진기(11)로부터 3 위상의 소스를 입력받아 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스 폭 변조) 정류를 수행하여 전압을 승압하여 원하는 최고 전력을 얻는 PWM 정류기(12)와; 상기 PWM 정류기(12)의 출력에 병렬 연결된 커패시터(13)와; 상기 커패시터(13)를 통과한 상기 PWM 정류기(12)의 출력을 선형 증폭시키는 선형 증폭기(14);로 구성된다.
이와 같은 리니어 방식은 정밀하게 출력을 제어할 수 있으며 응답속도를 매우 빠르게 할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 이러한 리니어 방식은 트랜지스터를 액티브(active) 영역에서 사용하기 때문에 출력전압을 제외한 나머지 전압이 모두 액티브 영역에서 동작하는 트랜지스터에 걸리기 때문에 손실이 커져 열적인 문제가 발생하는 단점이 있었다. 또한 기 용량을 증대하는데 한계를 가지고 있으며, 같은 용량에 대해서 차지하는 체적이 크다는 문제점이 있었다.
도 2는 종래 스위칭 방식에 의한 가변출력 직류전원 장치의 블록구성도이다.
이에 도시된 바와 같이, 3 위상의 소스를 제공하는 발진기(21)와; 상기 발진기(21)로부터 3 위상의 소스를 입력받아 PWM 정류를 수행하여 전압을 승압하여 원하는 최고 전력을 얻는 PWM 정류기(22)와; 상기 PWM 정류기(22)의 출력에 병렬 연결된 제 1 커패시터(23)와; 상기 제 1 커패시터(23)를 통과한 상기 PWM 정류기(22)의 출력을 DC/DC(Direct to Direct, 직류/직류) 변환시키는 DC/DC 쵸퍼(Chopper)(24)와; 상기 DC/DC 쵸퍼(24)와 직렬 연결된 인덕터(25)와; 상기 DC/DC 쵸퍼(24)와 상기 인덕터(25)의 출력에 대해 병렬 연결된 제 2 커패시터(26);로 구성된다.
그래서 이러한 스위칭 방식은 손실이 큰 리니어 방식의 단점을 보완하고자 사용하는데, PWM 정류기(22) 등으로 전압을 승압하여 원하는 최고 전압을 얻은 다음 DC/DC 쵸퍼(24) 등을 이용하여 직류전압을 쵸핑(Chopping)함으로서 출력전압을 조절하는 형태이다.
이러한 도 2와 같은 종래기술은 리니어 방식과는 달리 스위칭 방식을 이용하기 때문에 열적인 문제에서 유리한 점이 있다.
그러나 도 2와 같은 종래기술은 스위칭 방식이므로 후단에 필터가 추가되어야 하며, 직류전압이 높으면 높을수록 쵸핑해야 할 전압이 높아지기 때문에 원하는 전류 정밀도를 위해서는 더욱더 큰 출력필터를 필요로 한다는 단점이 있었다. 따라서 전원장치의 사용자 사양으로 전압이 다른 전원을 요구할 때 마다 필터의 인덕터(25) 등의 값을 재설계하여야만 하는 문제점이 있었다.
따라서 도 1에서와 같은 리니어 방식에서의 열적인 문제를 해결할 수 있고, 도 2에서와 같은 스위칭 방식에서 원하는 출력전압이 달라짐에 따라 출력필터를 재설계해야 하는 문제점을 해결하고 다양한 용량의 출력전압을 공급하는데 있어서 여러 개의 다른 모델을 가지고 있어야 하는 양산상의 단점을 극복할 수 있도록, 본 발명에서는 모듈형의 회로구성을 가져가면서 이를 직렬 연결함으로써 원하는 출력전압을 쉽게 가변할 수 있고, 출력 전압에 상관없이 항상 일정한 전류리플을 필터의 재설계 없이 동일한 필터로 구현할 수 있는 새로운 모듈제어방식을 제안한다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 출력전압의 변동범위가 큰 직류전원장치에서 출력전압을 쉽게 증대시키면서 출력전압에 관계없이 출력의 정밀도를 항상 일정하게 유지할 수 있는 가변출력 직류전원 장치 및 그 제어방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 가변출력 직류전원 장치는,
3 위상의 소스를 제공하는 발진기와; 상기 발진기와 각각 병렬 연결된 DC/DC 모듈을 구비하고, 상기 DC/DC 모듈은 각각은 서로 직렬 연결되며, DC/DC 변환에 의해 원하는 전력을 출력시키는 복수개의 DC/DC 모듈과; 상기 복수개의 DC/DC 모듈의 최종 출력단에 직렬 연결된 인덕터와; 상기 복수개의 DC/DC 모듈의 입력단과 상기 인덕터에 병렬 연결된 커패시터와; 상기 커패시터와 연결되어 전압을 제어하고, 상기 인덕터에 연결되어 전류를 제어하여, 상기 복수개의 DC/DC 모듈에 대한 제어를 수행하는 마스터 컨트롤러;를 포함하여 이루어짐을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 가변출력 직류전원 장치의 제어방법은,
3 위상 소스의 전력이 입력되도록 하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계 후 각각이 서로 직렬 연결된 복수개의 DC/DC 모듈에서 제어된 전압과 전류에 의해 원하는 전력을 출력하는 제 2 단계와; 상기 제 2 단계에서 출력된 전력이 인덕터를 통과하도록 하는 제 3 단계와; 상기 제 3 단계를 통과한 전력이 커패시터를 통과하여 출력되도록 하는 제 4 단계와; 상기 제 4 단계를 통과한 전력에서 전압 제어를 수행하고, 상기 제 3 단계를 통과한 전력에서 전류 제어를 수행하여 상기 제 2 단계에서의 전력 출력을 제어하는 제 5 단계;를 포함하여 수행함을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
이하, 상기와 같은 본 발명, 가변출력 직류전원 장치 및 그 제어방법의 기술적 사상에 따른 일실시예를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 가변출력 직류전원 장치의 블록구성도이다.
이에 도시된 바와 같이, 3 위상의 소스(3 phase source)를 제공하는 발진기(Oscillator)(100)와; 상기 발진기(100)와 각각 병렬 연결된 DC/DC 모듈(200)을 구비하고, 상기 DC/DC 모듈(200)은 각각은 서로 직렬 연결되며, DC/DC 변환에 의해 원하는 전력을 출력시키는 복수개의 DC/DC 모듈(200)과; 상기 복수개의 DC/DC 모듈 (200)의 최종 출력단에 직렬 연결된 인덕터(300)와; 상기 복수개의 DC/DC 모듈(200)의 입력단과 상기 인덕터(300)에 병렬 연결된 커패시터(400)와; 상기 커패시터(400)와 연결되어 전압을 제어하고, 상기 인덕터(300)에 연결되어 전류를 제어하여, 상기 복수개의 DC/DC 모듈(200)에 대한 제어를 수행하는 마스터 컨트롤러(Master Controller)(500);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 마스터 컨트롤러(500)는, 상기 커패시터(400)를 통과한 전력에서 전압신호를 추출하여 전압제어를 수행하는 전압제어부(510)와; 상기 전압제어부(510)에서의 전압제어 결과를 입력받고, 상기 인덕터(300)를 통과한 전력에서 전류신호를 추출하여 전류제어를 수행하는 전류제어부(520)와; 상기 전류제어부(520)를 통해 전압제어와 전류제어 결과를 입력받고, 상기 복수개의 DC/DC 모듈(200)로 듀티 명령(Duty Command)을 전송하는 통신부(530);를 포함하여 구성된다.
상기 마스터 컨트롤러(500)는, 상기 DC/DC 모듈(200)의 모듈전압이 상기 마스터 컨트롤러(500)의 제어전압 보다 작으면 듀티 명령(duty command)을 1로 설정하여 상기 DC/DC 모듈(200)의 전압치를 최대로 하여 직류성분의 전압을 출력하도록 제어하고, 상기 DC/DC 모듈(200)의 모듈전압이 상기 마스터 컨트롤러(500)의 제어전압 이상이면 듀티 명령을 0으로 설정하여 상기 DC/DC 모듈(200)에서 전압을 출력하지 않도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 마스터 컨트롤러(500)는, 상기 DC/DC 모듈(200)로 전송하는 듀티 명령을 상위 비트와 하위 비트를 포함하여 구성하고, 상기 상위 비트는 상기 DC/DC 모듈(200)의 번호를 의미하는 정보를 포함시켜 상기 DC/DC 모듈(200)의 동작여부를 결정하는 제어정보를 포함하여 구성하고, 상기 하위 비트는 펄스폭을 의미하는 데이터를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기 듀티 명령은, 상기 상위 비트가 상기 DC/DC 모듈(200) 자신을 의미하는 모듈 번호이면 해당하는 상기 DC/DC 모듈(200)에서 상기 하위 비트의 데이터 부분대로 PWM을 수행하도록 하고, 상기 상위 비트가 상기 DC/DC 모듈(200) 자신보다 위의 모듈 번호를 갖는 DC/DC 모듈(200)에 대한 명령이면 완전히 도통하는 명령을 수행하고, 상기 상위 비트가 상기 DC/DC 모듈(200) 자신보다 아래의 DC/DC 모듈(200)에 대한 명령이면 펄스폭을 영으로 하여 처리하도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 통신부(530)는, 상기 복수개의 DC/DC 모듈(200)로 SPI(Serial Peripheral Interface) 또는 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해 디지털 명령을 전송하거나 또는 아날로그 명령을 전송하는 것을 특징으로 한다.
도 4는 도 3에서 DC/DC 모듈의 일구성예를 보인 상세블록도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 복수개의 DC/DC 모듈(200)은 각각, 상기 발진기(100)의 3 위상 전압 소스(3 Phase Voltage Source)를 입력받아 정류하는 3 위상 다이오드 정류부(220)와; 상기 3 위상 다이오드 정류부(220)와 연결되고, 위상 시프트 제어(Phase Shift Control)에 의해 풀 브리지 인버팅(Full Bridge Inverting)을 수행하는 풀 브리지 인버터(230)와; 상기 풀 브리지 인버터(230)와 연결되고, 입출력이 절연된 고주파 변환(High frequency transformation)을 수행하는 고주파 변환부(240)와; 상기 고주파 변환부(240)와 연결되고, 입력된 전력을 정류하여 출력하는 풀 브리지 다이오드 정류부(Full Bridge Diode Rectifier)(250)와; 상기 마 스터 컨트롤러(500)의 제어를 받고, 상기 풀 브리지 인버터(230)에 대한 PWM 제어신호를 출력하는 슬레이브 컨트롤러(Slave Controller)(260);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 복수개의 DC/DC 모듈(200)은 각각, 상기 발진기(100)와 상기 3 위상 다이오드 정류부(220) 사이에 연결되어 EMI(Electro Magnetic Interface, 전자기 방해) 필터링(Filtering)을 수행하는 EMI 필터(210);를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
도 5는 도 4에서 슬레이브 컨트롤러의 일구성예를 보인 상세블록도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 슬레이브 컨트롤러(260)는, 상기 마스터 컨트롤러(500)의 디지털 명령을 아날로그 신호로 변환시키는 D/A(Digital to Analog) 변환부(261)와; 상기 D/A 변환부(261)에서 아날로그 신호로 변환된 상기 마스터 컨트롤러(500)의 디지털 명령 또는 상기 마스터 컨트롤러(500)의 아날로그 명령을 입력받아 위상 시프트 컨트롤링(Phase Shift Controlling)을 수행하여 PWM 신호를 상기 풀 브리지 인버터(230)로 출력하는 위상 시프트 컨트롤러(262);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 D/A 변환부(261)는, 상기 마스터 컨트롤러(500)로부터 SPI(Serial Peripheral Interface) 통신을 통해 디지털 명령을 전송받는 것을 특징으로 한다.
도 6은 도 4에서 슬레이브 컨트롤러의 다른 구성예를 보인 상세블록도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 슬레이브 컨트롤러(260)는, 상기 마스터 컨트롤러(500)의 디지털 명령을 처리하여 PWM 신호를 상기 풀 브리지 인버터(230)로 출 력하는 마이크로 컨트롤러(Micro-Controller)(263);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 컨트롤러(263)는, 상기 마스터 컨트롤러(500)로부터 SPI(Serial Peripheral Interface) 또는 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해 디지털 명령을 전송받는 것을 특징으로 한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 가변출력 직류전원 장치의 제어방법을 보인 흐름도이다.
이에 도시된 바와 같이, 3 위상 소스의 전력이 입력되도록 하는 제 1 단계(ST10)와; 상기 제 1 단계 후 각각이 서로 직렬 연결된 복수개의 DC/DC 모듈(200)에서 제어된 전압과 전류에 의해 원하는 전력을 출력하는 제 2 단계(ST20)와; 상기 제 2 단계에서 출력된 전력이 인덕터(300)를 통과하도록 하는 제 3 단계(ST30)와; 상기 제 3 단계를 통과한 전력이 커패시터를 통과하여 출력되도록 하는 제 4 단계(ST40)와; 상기 제 4 단계를 통과한 전력에서 전압 제어를 수행하고, 상기 제 3 단계를 통과한 전력에서 전류 제어를 수행하여 상기 제 2 단계에서의 전력 출력을 제어하는 제 5 단계(ST50);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 단계는, 상기 EMI 필터링을 수행하는 단계(ST21)와; 상기 EMI 필터링 후 3 위상 정류를 수행하는 단계(ST22)와; 상기 3 위상 정류 후 상기 제 5 단계에서의 제어에 따라 인버팅을 수행하는 단계(ST23)와; 상기 인버팅 후 고주파 변환을 수행하는 단계(ST24)와; 상기 고주파 변환 후 정류를 수행하는 단계(ST25);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 가변출력 직류전원 장치 및 그 제어방법의 동작을 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 본 발명은 출력전압의 변동범위가 큰 직류전원장치에서 출력전압을 쉽게 증대시키면서 출력전압에 관계없이 출력의 정밀도를 항상 일정하게 유지하고자 한 것이다.
이러한 본 발명은 스위칭 방식을 이용하면서 다른 단점들을 극복할 수 있는 토폴로지(topology)에 대한 연구를 진행하여 모듈 수를 간단히 증가시킴으로써 유저가 원하는 사양의 출력전압을 쉽게 달성할 수 있게 하여 제품 구성에 대한 유연성을 극대화 하였으며, 출력전압이 다른 제품을 만들 때에도 출력필터에 걸리는 리플 전압이 일정하여 일정한 필터 인덕터를 하나의 값으로 고정할 수 있으므로 필터를 재설계하고 교환할 필요가 없다는 장점이 있어, 사용자가 원하는 출력전압이 낮거나 높거나에 관계없이 항상 일정한 출력리플을 제어 할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
그래서 본 발명은 크게 발진기(100), 복수개의 DC/DC 모듈(200), 인덕터(300), 커패시터(400), 마스터 컨트롤러(500)로 구성한다.
그리고 복수개의 DC/DC 모듈(200)은 고주파 변환부(240)를 사용하여 입출력이 절연된 DC/DC 컨버터 기능을 수행할 수 있도록 하고, 이들 복수개의 DC/DC 모듈(200)은 출력을 직렬로 연결한 구조이다. 또한 DC/DC 모듈(200)로의 입력은 상용 전원인 발진기(100)에 병렬로 연결되어 있다.
그래서 기본적인 DC/DC 모듈(200)은 출력전압이 Vom(Voltage output module)일 때 최대 출력전압(VO)은 다음 수학식 1과 같이 DC/DC 모듈의 숫자를 곱한 것과 같다.
Vo = Vom x N
여기서 N은 모듈의 개수이다.
도 3에서 보는 바와 같이, 출력을 증대하기 위해서는 단순히 DC/DC 모듈(200)만 추가하여 직렬로 연결하면 된다. 따라서 여러 가지 출력전압을 갖는 전원 모델을 쉽게 변형하여 제작할 수 있다는 장점을 가진다.
여기서 출력필터의 크기를 줄이고 출력전압의 변동에 따라서 전류의 리필을 일정하게 유지할 수 있게 하기 위해서는 새로운 출력전압을 제어하는 방식이 필요하다.
도 8은 종래 스위칭 방식에 의해 3단 직렬 연결 구동을 할 경우 가변펄스폭으로 전압조절을 수행하는 예를 보인 도면이다.
이는 직렬 연결된 모듈이 3개일 경우에 도 2에서와 같은 일반적으로 생각할 수 있는 스위칭 방식에서 출력 필터 인덕터(25) 앞단의 전압 파형이다. 이런 전압 파형은 도 2의 쵸퍼 방식에서도 직류전압 전체를 쵸핑하는 형태이기 때문에 이와 같은 형태의 출력전압 파형을 볼 수 있다. 여기서 Ts는 PWM 스위칭 주파수를 의미한다.
출력전압을 조절하기 위해서 도 2에서와 같은 종래기술의 스위칭 방식에서는 전압이 가해지는 펄스의 폭(duty)을 가변하여 이를 달성할 수 있다. 일반적으로 모듈을 직렬 연결하면 스위칭을 동기화 하여 같은 펄스폭으로 모든 모듈이 스위칭하도록 제어하는 방식을 사용하게 된다. 즉, 모든 모듈이 같은 펄스폭으로 동작하게 된다. 이와 같은 방식을 사용할 경우, 펄스 파형을 동기화시키기 위해서 모든 DC/DC 컨버터 모듈이 하나의 클럭신호로 동기가 이루어져야 하는 문제점이 있으며, 또한 영전압이 가해지는 구간과 직류전압 전체가 가해지는 구간으로 쵸핑하는 것이 되어 전체적인 전압의 변동이 크다. 따라서 전류의 리플을 제어하기 위하여 큰 값의 필터 인덕터(24)를 사용해야 하는 단점이 있다. 즉, 이와 같은 종래의 스위칭 방식에서는 모듈의 개수가 증가되면 스위칭하는 전압도 증가됨에 따라 같은 출력필터로는 출력전류의 리플이 증가하게 되므로, 동일한 출력전류 리플을 얻기 위해서는 출력필터 인덕터를 재설계하여 적용해야만 하는 문제점이 있다.
위와 같은 문제를 해결하기 위해서 도 9에서와 같은 새로운 펄스폭변조를 통한 출력전압 제어 방식을 제안한다.
도 9는 본 발명에서 3단으로 DC/DC 모듈을 직렬로 구성할 경우 전압조절을 수행하는 예를 보인 도면이다.
그래서 단위 모듈인 DC/DC 모듈(200)의 직류전원장치의 출력의 최대값이 Vom 이고 모듈의 개수가 N개라고 가정하면, 출력전압에 따른 가변출력 직류전원 장치의 제어 상태는 도 10의 표와 같이 된다.
도 10은 본 발명에서 복수개로 DC/DC 모듈을 직렬로 구성할 경우 DC/DC 모듈의 제어방식을 보인 표이다.
그래서 제어전압이 DC/DC 모듈(200)의 모듈전압을 넘어설 경우 아래 모듈은 모두가 듀티(duty)를 1로 하여 DC/DC 모듈(200)의 전압치를 최대로 하여 직류성분의 전압을 출력하고, 바로 위 상위의 DC/DC 모듈(200)에서 펄스폭으로 원하는 제어전압을 조절하게 한다. 그리고 제어전압 이상의 DC/DC 모듈(200)에 대해서는 펄스폭을 0으로 하여 전압을 출력하지 않는다. 이런 방식으로 제어를 하게 되면 최종출력전압의 크기에 상관없이 필터 인덕터(300)에 걸리는 펄스전압의 크기는 하나의 모듈전압(Vom)을 넘지 않고, 항상 모듈전압 내의 전압이 걸리게 되므로 최종 직류전압이 예를 들어 10V이거나 또는 510V이거나에 상관없이 같은 필터 인덕터 크기로 출력전류의 리플을 동일하게 제어 할 수 있다. 다시 말하면 필터의 인덕턴스 크기가 N배 증가하는 효과를 볼 수 있게 되는 것이다.
또한 도 3에서 마스터 컨트롤러(500)는 DSP(Digital Signal Process, 디지털 신호 처리) 마이컴(Micro computer)으로 구성할 수 있으며, DC/DC 모듈(200)과 직렬 연결된다. 그래서 마스터 컨트롤러(500)는 인덕터(300)와 커패시터(400)를 통해 전류와 전압을 피드백 받아서 전압 또는 전류제어를 수행하게 된다. 마스터 컨트롤러(500)의 결과물로서 DC/DC 모듈(200)의 펄스폭이 결정되면, 여러 가지 방식으로 DC/DC 모듈(200)에 명령치를 전달하게 된다.
이때의 방식에는 디지털 또는 아날로그 신호를 사용할 수 있다. 또한 디지털 신호를 사용할 경우에는 SPI 통신 또는 CAN 통신 등을 통해 디지털 명령을 전송할 수 있다.
그러면 각각의 DC/DC 모듈(200)은 외부로부터 펄스폭(duty)의 명령을 받아 동작하게 된다.
도 4는 DC/DC 단위 모듈(200)의 구성도를 보여주고 있으며, 전력변환을 수행하는 전력회로 부분(210 ~ 250)과 마스터 컨트롤러(500)로부터 전달되어져오는 펄스폭 명령치로 전력회로를 제어하기 위한 슬레이브 컨트롤러(260)로 나누어진다.
마스터 컨트롤러(500)로부터 명령치를 받는 방식은 도 5 또는 도 6에서와 같이, 펄스폭 변조를 실행하는 슬레이브 컨트롤러(260)를 아날로그 칩으로 구성하느냐 마이크로프로세서를 사용한 디지털 제어기로 구성하느냐에 따라 나누어질 수 있다.
그래서 도 5에서와 같이, 아날로그 칩으로 펄스폭 변조를 수행하는 경우 아날로그 칩의 명령치는 아날로그 신호로 전달되어져야 하므로 통신을 이용할 경우에는 D/A 변환부(261)를 이용하여 아날로그 신호로 변환하는 방식과 직접 마스터 컨트롤러(500)에서 아날로그 신호로 전달하는 방식으로 나눌 수가 있다.
또한 도 6에서와 같이, 마이크로프로세서와 같은 마이크로 컨트롤러(263)를 이용할 경우에는 고속 통신을 이용하여 프로세서와 직접 통신함으로써 명령치를 전달하고, 이 값에 따라 슬레이브 컨트롤러(260)의 마이크로 컨트롤러(263)에서 펄스폭(PWM) 변조를 하는 방식으로 구현할 수가 있다.
여기서 사용될 수 있는 통신은 마스터 컨트롤러(500)의 샘플링 시간이 고속 인 관계로 고속 시리얼 통신인 SPI 또는 CAN 방식을 고려할 수 있다.
도 11은 본 발명에서 마스터 컨트롤러와 DC/DC 모듈과의 통신연결 개념을 보인 블록구성도로서, 마스터 컨트롤러(500)와 DC/DC 모듈(200) 간의 신호관계만을 명확히 보여주고 있다.
그래서 펄스폭 데이터는 통신을 이용하고, 나머지 모듈의 이상유무, 모듈의 기동 및 정지 등에 대한 기능은 디지털 I/O(Input / Output) 포터(Porter)를 이용하여 제어하도록 구현할 수 있다.
명령치를 모듈로 전달하는 방식에 있어서 한 모듈씩 명령치를 전달하게 되면 모듈 수가 늘어나면 늘어날수록 전체 모듈에 명령치를 전달하는데 걸리는 시간이 오래 걸리게 되어, 주제어 루프의 속도도 떨어지는 단점이 있게 된다. 따라서 모든 DC/DC 모듈(200)이 동시에 명령치를 전달하는 방식을 선택하여 DC/DC 모듈(200)의 수에 관계없이 한 번의 통신으로 명령치를 전달하도록 한다.
그러기 위한 모듈 명령치의 데이터구조는 도 12에서와 같이 정할 수 있다.
도 12는 본 발명에서 사용하는 명령데이터의 구성예를 보인 도면이다.
그래서 상위 비트는 DC/DC 모듈(200)의 번호를 의미하고, DC/DC 모듈(200)의 번호를 제외한 나머지 비트는 펄스폭을 의미하는 것으로 구성할 수가 있다. 이에 따라 통신으로 명령치를 전달받은 해당 DC/DC 모듈(200)은 상위 4비트를 분석해서 자기 것이면 하위 비트인 PWM 데이터 부분에 포함된 명령대로 PWM을 수행한다. 또한 상위 4비트를 분석해서 자기보다 위의 DC/DC 모듈(200)에 대한 명령이면 완전히 도통하는 명령을 수행하고, 자기보다 아래의 DC/DC 모듈(200)에 대한 명령이면 펄 스폭을 영으로 하여 처리한다.
한편 실험을 위해, DC/DC 단일 모듈을 포함한 본 발명 가변출력 직류전원 W아치의 사양은 다음과 같이 설정하였다.
- 입력전압 : AC 3상 220V
- 출력전압 : 최대 150V
- 출력전력 : 2kW
- 필터 인덕터 : 1000V내압, 25A, 1.5mH
- 부하저항 : 51Ω
본 발명의 일실시예에 의한 DC/DC 컨버터 단일 모듈의 회로구조는 풀 브리지(full-bridge) 방식이고M 스위칭 방식은 위상 시프트(phase-shift) 방식을 이용했다. 이렇게 개발된 DC/DC 모듈(200)은 원하는 전압에 따라 직렬 연결되어 사용되어질 수 있다.
또한 도 13 내지 도 18에서와 같은 실험 결과를 위해 DC/DC 모듈(200)은 4개를 직렬 연결하였고, 따라서 최대전력은 8kW를 낼 수 있다.
또한 인덕터(300) 필터는 한 개를 사용했으며, 이러한 인덕터(300)는 직렬 연결 개수에 관계없이 사용되어질 수 있다. 그래서 단일 컨버터로 같은 출력전압을 낼 때 필터의 값보다 4배가 작아지는 효과가 있게 되었다. 이는 직렬 연결되는 개수만큼 작아지는 효과가 있으므로 직렬 연결되는 개수가 증가되면 될수록 작아지는 효과는 커진다고 볼 수 있다.
도 13은 본 발명에서 4단으로 DC/DC 모듈을 직렬로 구성할 경우, 1단 모듈만 PWM을 하고 있을 때의 파형을 보인 파형도이다.
이러한 도 13은 4개의 직렬 연결된 구조에서 제일 아랫단의 DC/DC 모듈만 동작하고 나머지 2 ~ 4 번째의 DC/DC 모듈에서는 전압을 0으로 출력할 경우에 파형을 보인 것이다.
여기서 도 13 내지 도 18에서는 공통적으로, 1은 인덕터(300) 앞단에서의 출력전압 파형이고, 2는 인덕터(300) 후단에서의 출력전류 파형이며, 4는 커패시터(400) 후단에서의 출력전압 파형이다.
도 14는 본 발명에서 4단으로 DC/DC 모듈을 직렬로 구성할 경우, 1단 모듈이 최대 펄스폭으로 운전하고 있을 때의 파형을 보인 파형도이다.
이러한 도 14는 첫 번째 DC/DC 모듈이 최대 펄스폭으로 운전하여 DC/DC 모듈이 낼 수 있는 전압을 최대한 내고 있을 때의 파형으로써, 데드타임(Dead time)의 영향이 나타남을 알 수 있으나, 풀 브리지(full-bridge) 형태의 컨버터에서는 피할 수 없는 것이다. 여기서 데드타임은 800ns 정도로 설정되어 있다.
도 15는 본 발명에서 4단으로 DC/DC 모듈을 직렬로 구성할 경우, 1단 모듈은 최대 펄스폭으로 운전하고 2단 모듈은 일정 펄스폭으로 운전할 때의 파형을 보인 파형도이다.
이러한 도 15에서 첫 번째 DC/DC 모듈은 최대 펄스폭으로 운전을 하고, 두 번째 DC/DC 모듈이 일정한 펄스폭으로 운전하고 있을 때의 파형을 보여주고 있으며, 첫 번째 DC/DC 모듈 단의 전압에 두 번째 DC/DC 모듈 단의 펄스폭 변조된 전압이 더해져 있는 모양을 하고 있다.
도 16은 본 발명에서 4단으로 DC/DC 모듈을 직렬로 구성할 경우, 1단 모듈과 2단 모듈은 최대 펄스폭으로 운전하고 3단 모듈이 일정 펄스폭으로 운전할 때의 파형을 보인 파형도이다.
이러한 도 16에서 첫 번째와 두 번째 DC/DC 모듈 단이 최대 펄스폭으로 운전하고, 세 번째 DC/DC 모듈 단이 일정 펄스폭 운전할 때의 파형이다.
도 17은 본 발명에서 4단으로 DC/DC 모듈을 직렬로 구성할 경우, 1단 모듈과 2단 모듈과 3단 모듈은 최대 펄스폭으로 운전하고 4단 모듈이 일정 펄스폭으로 운전할 때의 파형을 보인 파형도이다.
그래서 도 17은 첫 번째, 두 번째, 세 번째 모듈이 최대 펄스폭으로 운전하고 있으며, 네 번째 모듈이 일정 펄스폭 운전할 때의 파형을 보여주고 있다.
도 18은 본 발명에서 4단으로 DC/DC 모듈을 직렬로 구성할 경우, 1단 모듈과 2단 모듈과 3단 모듈과 4단 모듈이 모두 최대 펄스폭으로 운전할 때의 파형을 보인 파형도이다.
그래서 도 18은 4단 모두가 최대 펄스폭 운전을 하고 있을 때의 파형을 보이고 있는데, 데드타임만 제외한 최대전압이 얻어짐을 알 수 있다.
이러한 도 13 내지 도 18에서와 같은 실험 파형에서 볼 수 있듯이, 본 발명에서 제안한 스위칭 알고리즘으로 전압을 더해가는 방식으로 운전이 잘 되고 있음을 알 수 있다.
이처럼 본 발명은 출력전압의 변동범위가 큰 직류전원장치에서 출력전압을 쉽게 증대시키면서 출력전압에 관계없이 출력의 정밀도를 항상 일정하게 유지하게 되는 것이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 응용할 수 있고, 이러한 응용도 하기 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 바탕으로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 가변출력 직류전원 장치 및 그 제어방법은 출력전압의 변동범위가 큰 직류전원장치에서 출력전압을 쉽게 증대시키면서 출력전압에 관계없이 출력의 정밀도를 항상 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있게 된다.
또한 본 발명은 직렬 연결 구조를 가짐으로써 출력전압을 사용자가 원하는 대로 쉽게 구성할 수 있다. 따라서 한번 개발된 동일한 모듈을 간단히 추가 또는 제거하여 원하는 전압 사양을 만족할 수 있어 확장성 및 양산성이 뛰어난 장점이 있다.
더불어 직렬 연결 구조에서, 종래기술의 스위칭 방식에 비해 본 발명에서 제안하는 스위칭 방식을 사용할 경우 출력전압의 크기에 상관없이 인덕터 필터에 걸리는 리플 전압은 항상 일정하여 출력전압 등의 조건이 바뀌어도 재설계할 필요 없이 항상 같은 것을 사용할 수 있는 효과도 있다.
나아가 출력전압이 증가하면, 종래기술의 전원장치인 경우 출력전력이 일정 하므로 최대 출력전류가 떨어지는 특성이 있으나, 본 발명에서 제안한 직렬 연결 구조에서는 출력전력이 계속 증대되므로 최대 출력전류의 값이 떨어지지 않는 장점이 있게 된다.

Claims (14)

  1. 3 위상의 소스를 제공하는 발진기와;
    상기 발진기와 각각 병렬 연결된 DC/DC 모듈을 구비하고, 상기 DC/DC 모듈은 각각은 서로 직렬 연결되며, DC/DC 변환에 의해 원하는 전력을 출력시키는 복수개의 DC/DC 모듈과;
    상기 복수개의 DC/DC 모듈의 최종 출력단에 직렬 연결된 인덕터와;
    상기 복수개의 DC/DC 모듈의 입력단과 상기 인덕터에 병렬 연결된 커패시터와;
    상기 커패시터와 연결되어 전압을 제어하고, 상기 인덕터에 연결되어 전류를 제어하여, 상기 복수개의 DC/DC 모듈에 대한 제어를 수행하는 마스터 컨트롤러;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가변출력 직류전원 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 마스터 컨트롤러는,
    상기 커패시터를 통과한 전력에서 전압신호를 추출하여 전압제어를 수행하는 전압제어부와;
    상기 전압제어부에서의 전압제어 결과를 입력받고, 상기 인덕터를 통과한 전력에서 전류신호를 추출하여 전류제어를 수행하는 전류제어부와;
    상기 전류제어부를 통해 전압제어와 전류제어 결과를 입력받고, 상기 복수개의 DC/DC 모듈로 듀티 명령을 전송하는 통신부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가변출력 직류전원 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 마스터 컨트롤러는,
    상기 DC/DC 모듈의 모듈전압이 상기 마스터 컨트롤러의 제어전압 보다 작으면 듀티 명령을 1로 설정하여 상기 DC/DC 모듈의 전압치를 최대로 하여 직류성분의 전압을 출력하도록 제어하고, 상기 DC/DC 모듈의 모듈전압이 상기 마스터 컨트롤러의 제어전압 이상이면 듀티 명령을 0으로 설정하여 상기 DC/DC 모듈에서 전압을 출력하지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 가변출력 직류전원 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 마스터 컨트롤러는,
    상기 DC/DC 모듈로 전송하는 듀티 명령을 상위 비트와 하위 비트를 포함하여 구성하고, 상기 상위 비트는 상기 DC/DC 모듈의 번호를 의미하는 정보를 포함시켜 상기 DC/DC 모듈의 동작여부를 결정하는 제어정보를 포함하여 구성하고, 상기 하위 비트는 펄스폭을 의미하는 데이터를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 가변출력 직류전원 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 듀티 명령은,
    상기 상위 비트가 상기 DC/DC 모듈 자신을 의미하는 모듈 번호이면 해당하는 상기 DC/DC 모듈에서 상기 하위 비트의 데이터 부분대로 PWM을 수행하도록 하고, 상기 상위 비트가 상기 DC/DC 모듈 자신보다 위의 모듈 번호를 갖는 DC/DC 모듈에 대한 명령이면 완전히 도통하는 명령을 수행하고, 상기 상위 비트가 상기 DC/DC 모듈 자신보다 아래의 DC/DC 모듈에 대한 명령이면 펄스폭을 영으로 하여 처리하도록 하는 것을 특징으로 하는 가변출력 직류전원 장치.
  6. 청구항 2에 있어서, 상기 통신부는,
    상기 복수개의 DC/DC 모듈로 SPI 또는 CAN 통신을 통해 디지털 명령을 전송하거나 또는 아날로그 명령을 전송하는 것을 특징으로 하는 가변출력 직류전원 장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수개의 DC/DC 모듈은 각각,
    상기 발진기의 3 위상 전압 소스를 입력받아 정류하는 3 위상 다이오드 정류부와;
    상기 3 위상 다이오드 정류부와 연결되고, 위상 시프트 제어에 의해 풀 브리지 인버팅을 수행하는 풀 브리지 인버터와;
    상기 풀 브리지 인버터와 연결되고, 입출력이 절연된 고주파 변환을 수행하는 고주파 변환부와;
    상기 고주파 변환부와 연결되고, 입력된 전력을 정류하여 출력하는 풀 브리지 다이오드 정류부와;
    상기 마스터 컨트롤러의 제어를 받고, 상기 풀 브리지 인버터에 대한 PWM 제 어신호를 출력하는 슬레이브 컨트롤러;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가변출력 직류전원 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 복수개의 DC/DC 모듈은 각각,
    상기 발진기와 상기 3 위상 다이오드 정류부 사이에 연결되어 EMI 필터링을 수행하는 EMI 필터;를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가변출력 직류전원 장치.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 슬레이브 컨트롤러는,
    상기 마스터 컨트롤러의 디지털 명령을 아날로그 신호로 변환시키는 D/A 변환부와;
    상기 D/A 변환부에서 아날로그 신호로 변환된 상기 마스터 컨트롤러의 디지털 명령 또는 상기 마스터 컨트롤러의 아날로그 명령을 입력받아 위상 시프트 컨트롤링을 수행하여 PWM 신호를 상기 풀 브리지 인버터로 출력하는 위상 시프트 컨트롤러;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가변출력 직류전원 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 D/A 변환부는,
    상기 마스터 컨트롤러로부터 SPI 통신을 통해 디지털 명령을 전송받는 것을 특징으로 하는 가변출력 직류전원 장치.
  11. 청구항 7에 있어서, 상기 슬레이브 컨트롤러는,
    상기 마스터 컨트롤러의 디지털 명령을 처리하여 PWM 신호를 상기 풀 브리지 인버터로 출력하는 마이크로 컨트롤러;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가변출력 직류전원 장치.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 마이크로 컨트롤러는,
    상기 마스터 컨트롤러로부터 SPI 또는 CAN 통신을 통해 디지털 명령을 전송받는 것을 특징으로 하는 가변출력 직류전원 장치.
  13. 3 위상 소스의 전력이 입력되도록 하는 제 1 단계와;
    상기 제 1 단계 후 각각이 서로 직렬 연결된 복수개의 DC/DC 모듈에서 제어된 전압과 전류에 의해 원하는 전력을 출력하는 제 2 단계와;
    상기 제 2 단계에서 출력된 전력이 인덕터를 통과하도록 하는 제 3 단계와;
    상기 제 3 단계를 통과한 전력이 커패시터를 통과하여 출력되도록 하는 제 4 단계와;
    상기 제 4 단계를 통과한 전력에서 전압 제어를 수행하고, 상기 제 3 단계를 통과한 전력에서 전류 제어를 수행하여 상기 제 2 단계에서의 전력 출력을 제어하는 제 5 단계;를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 가변출력 직류전원 장치의 제어방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 제 2 단계는,
    상기 EMI 필터링을 수행하는 단계와;
    상기 EMI 필터링 후 3 위상 정류를 수행하는 단계와;
    상기 3 위상 정류 후 상기 제 5 단계에서의 제어에 따라 인버팅을 수행하는 단계와;
    상기 인버팅 후 고주파 변환을 수행하는 단계와;
    상기 고주파 변환 후 정류를 수행하는 단계;를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 가변출력 직류전원 장치의 제어방법.
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