KR101071291B1 - 공진형 직류/직류 변환기에 사용되는 제어기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공진형 직류/직류 변환기(2)의 스위치를 제어하기 위하여 적응되는 제어기(3)에 관한 것으로, 본 발명에 따른 제어기(3)는 공진형 직류/직류 변환기(2)의 출력 전압(Vo)을 감지하고, 또한, 이에 의하여 감지된 출력 전압(Vo)에 따른 펄스폭 변조 신호를 발생하기 위한 펄스폭 변조 제어 유닛(31); 고정 주파수 신호를 발생하기 위한 고정 주파수 신호 발생 유닛(32); 및, 펄스폭 변조 신호 및 고정 주파수 신호를 합성하여 공진형 직류/직류 변환기(2)의 스위치를 구동하도록 적응되는 구동신호를 발생하기 위한 로직 합성 유닛(33)을 포함한다.
Figure R1020080084841
공진형 직류/직류 변환기, 제어기

Description

공진형 직류/직류 변환기에 사용되는 제어기 {CONTROLLER FOR USE IN A RESONANT DIRECT CURRENT/ DIRECT CURRENT CONVERTER}
본 발명은 제어기(controller)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공진형 직류/직류 변환기에 사용되는 제어기에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 주파수 변조 제어기에 의하여 제어되는 하프 브리지 LLC 공진형 직류 변환기의 개략적인 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 하프 브리지(half bridge) LLC 공진형 직류 변환기(resonant direct current converter: 11)는, 통상적으로 주파수 변조(modulation) 제어기(controller: 12)에 의하여 제어되고, 이러한 주파수 변조 제어기(12)는 상기 하프 브리지 LLC 공진형 직류 변환기(11)의 출력 전압을 감지하고, 이러한 운전 조건이 변화하고 있는 경우, 스위칭 제어 신호의 주파수를 변화시키며, 이에 따라 상기 출력 전압을 요구되는 레벨로 유지시킨다. 상기 하프 브리지 LLC 공진형 직류 변환기(11)는 두 개의 스위치(미도시), 및 (도 2에 도시한 바와 같이) 제1 및 제2 구동신호를 포함하는 스위칭 제어 신호를 포함한다. 도 2는 종래 기술에 따른 스위칭 제어를 위한 파형을 나타내는 도면이다.
그러나 상기 스위칭 제어 신호의 주파수는 상기 출력 전압에 따라 변화하기 때문에, 상기 하프 브리지 LLC 공진형 직류 변환기(11)는 최적의 운전 지점으로부터 쉽게 벗어날 수 있는 상기 스위칭 제어 신호의 변화 범위를 가지게 되고, 이에 따른 변화에 의하여 야기되는 불확실성을 극복하기 위하여 설계 허용범위를 크게 가져가야 하는 결과를 낳는다. 게다가 상기 하프 브리지 LLC 공진형 직류 변환기(11)에 내재된 변화 가능한 주파수 특성이 제어의 복잡성을 또한 증대시키게 된다.
따라서 본 발명의 목적은 공진형 직류/직류 변환기에 사용되도록 적응되는 제어기를 제공하기 위한 것이고, 이에 의하여 상기 공진형 직류/직류 변환기는 다른 출력 부하 또는 입력 조건 하에서 최적의 운전 주파수, 즉, 공진 주파수에서 운전될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 공진형 직류/직류 변환기의 스위치를 제어하기 위한 공진형 직류/직류 변환기에 사용되도록 적응되는 제어기가 제공된다. 상기 제어기는 펄스폭 변조 제어 유닛(pulse width modulation controlling unit), 고정 주파수 신호 발생 유닛(fixed frequency signal generating unit) 및 로직 합성 유닛(logic synthesizing unit)을 포함한다.
상기 펄스폭 변조 제어 유닛은 상기 공진형 직류/직류 변환기의 출력 전압을 감지하기 위하여, 또한 이에 의하여 감지된 상기 출력 전압에 따른 펄스폭 변조 신호를 발생하기 위하여 상기 공진형 직류/직류 변환기에 전기적으로 커플링(coupling)되도록 적응된다.
상기 고정 주파수 신호 발생 유닛은 고정 주파수 신호를 발생하기 위하여 상기 펄스폭 변조 제어 유닛에 전기적으로 커플링된다.
상기 로직 합성 유닛은 상기 펄스폭 변조 신호 및 상기 고정 주파수 신호를 합성하여 상기 공진형 직류/직류 변환기의 스위치를 구동하도록 적응되는 구동신호를 발생하기 위하여 상기 펄스폭 변조 제어 유닛 및 상기 고정 주파수 신호 발생 유닛에 전기적으로 커플링된다.
본 발명에 따른 제어기는, 상기 공진형 직류/직류 변환기의 스위치의 제어가 상기 고정 주파수 신호 및 상기 펄스폭 변조 신호를 이용함으로써 달성되고, 구조 측면에서 상대적으로 간단하고, 이에 따라 상기 공진형 직류/직류 변환기는 모든 부하 조건들에서 상기 최적 운전 조건에서 확실하게 운전될 수 있다. 또한, 상기 제어기는 간단한 구조를 가짐과 함께, 상기 공진형 직류/직류 변환기의 상기 스위치의 스위칭(switching) 횟수를 줄일 수 있고, 이에 따라 상기 스위치의 스트레스(stress)를 줄일 수 있다.
본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징과 장점은 아래의 첨부의 도면을 참고한 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명에서 명확해질 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공진형 직류/직류 변환기에 연결되도록 적응되는 제어기의 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제어기(3)는 공진형 직류/직류 변환기(2)에 사용되도록 적응된다. 상기 제어기(3)는 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 스위치를 제어하도록 적응되고, 이에 따라 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 출력 전압(Vo)이 요구를 만족하게 된다. 본 발명의 실시예에서, 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)는 대칭형 하프 브리지 LLC 공진형 직류/직류 변환기이고, 이것은 제1 및 제2 스위치(21, 22)를 포함한다. 그러므로 상기 제어기(3)는 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 제1 및 제2 스위치(21, 22) 모두를 제어하도록 적응된다. 더욱이, 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)는 커패시터(capacitor: 23), 공진 인덕터(inductor: 24), 변압기(transformer: 25) 및 두 개의 동기 정류기(synchronous rectifier: 26, 27)를 추가로 포함한다. 상기 동기 정류기(26, 27)는 상기 변압기(25)의 제2 코일에 전기적으로 커플링된다. 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)는 공지의 잘 알려진 기술이므로, 이에 대한 보다 상세한 기술은 명세서의 간결성을 위하여 여기에서는 생략하도록 한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 제어기(3)는 비대칭형 LLC, 풀(full) 브리지 LLC, 대칭형 하프 브리지 LC, 비대칭형 LC, 및 풀 브리지 LC 공진형 직류/직류 변환기와 같은 다른 형태의 공진형 직류/직류 변환기에 사용되기 위하여 적용될 수 있다는 점은 당업자에게 자명하다.
상기 제어기(3)는 펄스폭 변조 제어 유닛(31), 고정 주파수 신호 발생 유닛(32) 및 로직 합성 유닛(33)을 포함한다.
상기 펄스폭 변조 제어 유닛(31)은 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 출력 전압(Vo)을 감지하기 위하여, 또한 이에 의하여 감지된 상기 출력 전압(Vo)에 따른 펄스폭 변조 신호를 발생하기 위하여 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)에 전기적으로 커플링되도록 적응된다. 상기 펄스폭 변조 신호의 예시적인 파형이 도 4(I)에 도시되어 있다. 도 4(I) 내지 도 4(VI)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 운전과 관련된 다수의 신호들을 각각 도시한 파형을 나타내는 도면이다.
상기 고정 주파수 신호 발생 유닛(32)은 도 4(II)에 도시된 예시적인 파형과 같은 고정 주파수 신호를 발생하기 위하여 상기 펄스폭 변조 제어 유닛(31)에 전기적으로 커플링된다. 본 발명의 실시예에서, 상기 고정 주파수 신호 발생 유닛(32)은 상기 펄스폭 변조 제어 유닛(31)으로부터 상기 펄스폭 변조 신호를 수신하고, 상기 펄스폭 변조 신호를 상기 고정 주파수 신호 발생을 위한 동기 신호(synchronization signal)로 사용한다. 보다 구체적으로, 상기 고정 주파수 신호 발생 유닛(32)은 상기 펄스폭 변조 신호의 상승 에지(rising edge)를 상기 고정 주파수 신호 발생을 위한 동기 신호로 사용한다.
상기 로직 합성 유닛(33)은 상기 펄스폭 변조 신호 및 상기 고정 주파수 신호를 합성하여 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 제1 및 제2 스위치들(21, 22)을 구동하도록 적응되는 구동신호를 발생하기 위하여 상기 펄스폭 변조 제어 유닛(31) 및 상기 고정 주파수 신호 발생 유닛(32)에 전기적으로 커플링된다.
아래에 기술되는 상세한 설명에서, 상기 고정 주파수 신호 발생 유닛(32)에 의하여 발생되는 상기 고정 주파수 신호는 제1 고정 주파수 신호로 언급된다. 상기 로직 합성 유닛(33)은 상기 제1 고정 주파수 신호로부터 도 4(III)에 도시된 바와 같은 제2 고정 주파수 신호를 발생한다. 상기 제2 고정 주파수 신호는 상기 제1 고정 주파수 신호의 주파수와 동일한 주파수를 가지고, 상기 제1 고정 주파수 신호의 위상과 역이 되는 위상을 가진다. 본 발명의 실시예에서, 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 상기 제1 스위치(21)를 구동하기 위한, 도 4(IV)에 도시된 바와 같은 제1 구동신호로 언급되는 상기 구동신호를 발생하기 위하여, 상기 로직 합성 유닛(33)은 상기 펄스폭 변조 신호 및 상기 제1 고정 주파수 신호에 대하여 다중 합성(multiplication synthesis)을 수행한다. 더욱이 상기 로직 합성 유닛(33)은 상기 펄스폭 변조 신호 및 상기 제2 고정 주파수 신호에 대하여 다중 합성(multiplication synthesis)을 더 수행하여, 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 상기 제2 스위치(22)를 구동하기 위한, 도 4(V)에 도시된 바와 같은 제2 구동신호를 발생시킬 수 있다.
상기 펄스폭 변조 신호는 상기 펄스폭 변조 제어 유닛(31)에 의하여 감지된 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 출력 전압(Vo)의 전압 레벨에 대하여 역으로 변화하는 듀티 사이클(duty cycle)을 가진다. 상기 펄스폭 변조 신호는 고정된 주기를 가진다는 것이 여기에서 특별히 언급되어야만 한다. 그러므로 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 출력 전압(Vo)의 전압 레벨이 너무 낮다는 것을 상기 펄스폭 변조 제어 유닛(31)이 감지하는 경우, 상기 펄스폭 변조 신호는 고정된 주기를 가지기 때문에, 상기 펄스폭 변조 제어 유닛(31)은 상기 펄스폭 변조 신호의 듀티 사이클을 증가시키고, 이에 따라서 상기 펄스폭 변조 신호의 낮은 신호 레벨의 시간 경과(time duration)가 감소되게 한다. 결론적으로, 상기 제1 및 제2 스위치들(21, 22)의 켜지는 시간 경과가 증가되면 이에 따라 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 상기 출력 전압(Vo)을 증가시킬 수 있다. 반면에, 이와는 반대로 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 출력 전압(Vo)의 전압 레벨이 너무 크다는 것을 상기 펄스폭 변조 제어 유닛(31)이 감지하는 경우, 상기 펄스폭 변조 신호는 고정된 주기를 가지기 때문에, 상기 펄스폭 변조 제어 유닛(31)은 상기 펄스폭 변조 신호의 듀티 사이클을 감소시키고, 이에 따라서 상기 펄스폭 변조 신호의 낮은 신호 레벨의 시간 경과(time duration)가 증가되게 한다. 결론적으로, 상기 제1 및 제2 스위치들(21, 22)의 켜지는 시간 경과가 감소되면, 이에 따라 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 출력 전압(Vo)을 감소시킬 수 있다. 이에 따른 결과로서, 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 상기 출력 전압(Vo)은 정상(定常) 레벨로 유지된다.
전술한 바와 같이, 상기 펄스폭 변조 제어 유닛(31)은 단지 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 출력 전압(Vo)에 기초하여 상기 펄스폭 변조 신호의 듀티 사이클을 제어한다. 더욱 바람직하게는, 상기 펄스폭 변조 제어 유닛(31)은 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 공진 전류를 더 감지하여, 상기 출력 전압(Vo) 및 이에 의하여 감지된 상기 공진 전류에 따라서 상기 펄스폭 변조 신호를 발생하도록 적응된다. 상기 공진 전류의 예시적인 파형이 도 4(Vi)에 도시되어 있다. 예를 들면, 상기 공진 전류와 상기 출력 전압(Vo) 사이의 변조 에러들이 비교되어, 상기 펄스폭 변조 신호의 듀티 사이클을 제어하기 위한 이중 루프 제어(double loop control)를 형성할 수 있다.
여기서, 상기 펄스폭 변조 신호는 상기 고정 주파수 신호의 주파수보다 작은 주파수를 가진다는 것이 특별히 언급되어야만 한다. 특히, 상기 펄스폭 변조 신호의 주파수는 상기 고정 주파수 신호의 주파수의 1/10 보다 크지 않다. 게다가, 상기 제1 및 제2 구동신호들은 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 제1 및 제2 스위치들(21, 22)을 구동하도록 적응될 뿐만 아니라, 또한 상기 동기 정류기들(26, 27)을 구동하도록 적응될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 바람직한 실시예는 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 제어를 달성하는 상기 제1 및 제2 구동신호를 발생하기 위하여, 상기 제1 및 제2 고정 주파수 신호 및 상기 펄스폭 변조 신호를 결합하기 때문에, 모든 부하 조건 하에서, 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 최적 운전 지점(즉, 실질적으로 고정된 공진 주파수를 가지는 지점)에서 확실하게 운전될 수 있다. 게다가, 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 제1 및 제2 스위치들(21, 22)을 제어하기 위하여 상기 제1 및 제2 구동신호를 이용함으로써, 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)에 있는 상기 공진 유도자(24) 및 상기 변압기(25)와 같은 자성 요소(magnetic components)에 대한 최적 설계가 더욱 용이하게 수행될 수 있다.
게다가, 상기 펄스폭 변조 신호의 상승 에지(edge)는 본 발명의 실시예에서 상기 제1 고정 주파수 신호를 발생하기 위한 상기 동기 신호로서 상기 고정 주파수 신호 발생 유닛(32)에 의하여 사용되기 때문에, 상기 제1 고정 주파수 신호에 대한 사이클의 펄스폭이 상기 펄스폭 변조 신호의 각 듀티 사이클에서 높은 신호 레벨에서 일정하게 확실하게 유지되고, 이에 따라 도 4(VI)에 도시된 바와 같이 상기 공진 전류에 대한 일정한 활성 상태를 확실하게 유지하게 된다. 상기 펄스폭 변조 신호의 상승 에지(edge)는 본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 제1 고정 주파수 신호를 발생하기 위한 동기 신호로 사용되지만, 또한, 상기 펄스폭 변조 신호의 하강 에지(falling edge)가 본 발명의 다른 실시예에서 상기 제1 고정 주파수 신호를 발생하기 위한 동기 신호로 사용될 수 있다. 따라서 본 발명은 이러한 측면에 제한되는 것은 아니다.
요컨대 본 발명에 따른 제어기(3)는, 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 스위치들(21, 22)의 제어가 상기 고정 주파수 신호 및 상기 펄스폭 변조 신호를 이용함으로써 달성되고, 구조 측면에서 상대적으로 간단하며, 이에 따라 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)는 모든 부하 조건들에서 최적 운전 조건에서 확실하게 운전될 수 있다. 또한, 상기 제어기(3)는 간단한 구조를 가짐과 함께, 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 스위치들(21, 22)의 스위칭 횟수를 줄일 수 있고, 이에 따라 스위치들(21, 22)의 스트레스를 줄일 수 있게 된다. 결론적으로, 본 발명의 목적이 달성될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 상세한 설명, 실시예 및 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.
도 1은 종래 기술에 따른 주파수 변조 제어기에 의하여 제어되는 하프 브리지 LLC 공진형 직류 변환기의 개략적인 구성도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 스위칭 제어를 위한 파형을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공진형 직류/직류 변환기에 연결되도록 적응되는 제어기의 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4(I) 내지 도 4(VI)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 운전과 관련된 다수의 신호들을 각각 도시한 파형을 나타내는 도면이다.

Claims (8)

  1. 공진형 직류/직류 변환기(2)의 스위치를 제어하기 위하여 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)에 사용되도록 적응되는 제어기(3)로서,
    상기 제어기(3)는
    상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 출력 전압(Vo)을 감지하기 위하여, 또한 이에 의하여 감지된 상기 출력 전압(Vo)에 따른 펄스폭 변조 신호를 발생하기 위하여 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)에 전기적으로 커플링되도록 적응되는 펄스폭 변조 제어 유닛(31);
    고정 주파수 신호를 발생하기 위하여 상기 펄스폭 변조 제어 유닛(31)에 전기적으로 커플링되는 고정 주파수 신호 발생 유닛(32); 및
    상기 펄스폭 변조 신호 및 상기 고정 주파수 신호를 합성하여, 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 스위치를 구동하도록 적응되는 구동신호를 발생하기 위하여, 상기 펄스폭 변조 제어 유닛(31) 및 상기 고정 주파수 신호 발생 유닛(32)에 전기적으로 커플링되는 로직 합성 유닛(33)를 포함하며,
    상기 고정 주파수 신호 발생 유닛(32)은 상기 펄스폭 변조 제어 유닛(31)으로부터 상기 펄스폭 변조 신호를 수신하고, 상기 고정 주파수 신호를 발생하기 위한 동기 신호로서 상기 펄스폭 변조 신호를 사용하는 것을 특징으로 하는 공진형 직류/직류 변환기에 사용되는 제어기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고정 주파수 신호 발생 유닛(32)은 상기 고정 주파수 신호를 발생하기 위한 동기 신호로서 상기 펄스폭 변조 신호의 상승 에지를 사용하는 것을 특징으로 하는 공진형 직류/직류 변환기에 사용되는 제어기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 펄스폭 변조 제어 유닛(31)은 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 공진 전류를 더 감지하도록 적응되고, 이에 의하여 감지된 상기 공진 전류 및 상기 출력 전압(Vo)에 따라 상기 펄스폭 변조 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 공진형 직류/직류 변환기에 사용되는 제어기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 펄스폭 변조 신호는 상기 고정 주파수 신호의 주파수보다 작은 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 공진형 직류/직류 변환기에 사용되는 제어기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 펄스폭 변조 신호의 상기 주파수는 상기 고정 주파수 신호의 주파수의 1/10보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 공진형 직류/직류 변환기에 사용되는 제어기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 로직 합성 유닛(33)은 상기 구동신호를 발생하기 위하여 상기 펄스폭 변조 신호 및 상기 고정 주파수 신호에 대하여 다중 합성(multiplication synthesis)을 수행하는 것을 특징으로 하는 공진형 직류/직류 변환기에 사용되는 제어기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 펄스폭 변조 신호는 상기 펄스폭 변조 제어 유닛(31)에 의하여 감지된 상기 공진형 직류/직류 변환기(2)의 상기 출력 전압(Vo)의 전압 레벨에 대하여 역으로 변화하는 듀티 사이클(duty cycle)을 가지는 것을 특징으로 하는 공진형 직류/직류 변환기에 사용되는 제어기.
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