KR101314754B1 - 칠러 장비에 적용하기 위하여 출력전압의 극성을 변경할 수 있는 전원장치 및 그 전원장치의 제어 방법 - Google Patents

칠러 장비에 적용하기 위하여 출력전압의 극성을 변경할 수 있는 전원장치 및 그 전원장치의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상용전원을 직류전원으로 변환하여 열전 모듈로 공급하기 위한 전원장치에 관한 것으로서, 특히 상기 열전 모듈의 모드 변환에 따라 제어 신호에 의해 출력 전압의 극성을 변환시키는 극성 스위칭부; 상기 전원장치의 출력 단자와 병렬로 연결되고, 상기 출력 전압의 극성을 변환시키는 시점에서 제어 신호에 의해 출력 전압이 방전되도록 구동되는 방전 회로부; 및 상기 모드 변환에 따라 제어 신호를 생성하여 상기 극성 스위치부 및 상기 방전 회로부의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

칠러 장비에 적용하기 위하여 출력전압의 극성을 변경할 수 있는 전원장치 및 그 전원장치의 제어 방법{POWER DEVICE FOR CHANGING POLARITY OF OUTPUT VOLTAGE FOR APPLICATION TO CHILLER EQUIPMENT AND THE METHOD OF CONTROLLING THE POWER DEVICE}
본 발명은 칠러(chiller) 장비에 적용되는 전원장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 칠러 장비에서 온도를 일정하게 유지하도록 전압의 극성을 순시적으로 변경하여 전원을 제공하는, 칠러 장비에 적용하기 위하여 출력전압의 극성을 변경할 수 있는 전원장치 및 그 전원장치의 제어 방법에 관한 것이다.
반도체 공정에서는 과도한 열이 발생하기 때문에 챔버(chamber) 내의 웨이퍼(wafer) 또는 주변 온도를 일정하게 유지하기 위해 온도 조절 장치로서 칠러(chiller) 장비를 설치한다. 칠러 장비에는 냉각용으로 열전 모듈(Thermo-Electric module)이 활용될 수 있으며, 상기 열전 모듈은 열에너지를 전기에너지로 혹은 전기에너지를 열에너지로 직접 변환시킬 수 있는 열전반도체를 이용한 전자부품으로서 펠티어(Peltier) 소자라고도 불리운다.
상기 열전 모듈은 상기와 같은 원리에 의하여 열전방향을 역전시킴으로써 냉각 또는 가열로의 기능변환이 가능하여 열을 흡열면으로부터 방열면으로 이동시킬 수 있다. 또한, 작동시스템이 간단하고 진동이나 소음이 없으며 공해를 발생시키지 않으므로, 광학장치, 의료장비, 분석장치, 자동차, 우주개발분야 등 응용분야가 무한하여 현재 적용되고 있거나 적용을 위한 개발이 진행되고 있으며, 특히 반도체 제조설비 분야에서는 냉매의 온도조절을 위한 전기식 칠러에 냉각용으로 적용되고 있다.
이와 같이 반도체 공정에서 열전소자를 이용하여 온도를 조절하는 기술로서 대한민국 특허 등록 공보 제10-0392938호 "열전소자를 이용한 웨이퍼 냉각장치(주식회사 메카로닉스)"(문헌 1)에는 다수의 열전소자를 이용하여 웨이퍼의 냉각온도를 국부적으로 조절할 수 있는 웨이퍼 냉각장치가 개시된다. 이러한 종래의 온도 조절 장치들은 전원 장치에서 출력되어 열전소자로 인가되는 입력 전압의 극성을 변환시킴으로써 냉각 또는 가열을 하여 일정한 수준의 온도를 유지시킬 수가 있다.
한편, 상기 문헌 1을 비롯하여 종래의 열전소자를 이용한 온도 조절 장치들은 히팅(heating) 또는 쿨링(cooling) 등과 같은 온도 조절 모드의 변경을 위해 전압의 극성을 변경시킬 때, 도 1에 도시된 바와 같이 열전소자의 특성상 발생하는 제베크(Seebeck) 효과에 의해서 전원장치의 출력을 0V로 제어시에도 출력단에 오프셋(OFFSET) 전압이 발생한다.
도 1은 전원장치의 출력 전압에 대한 극성을 변경할 때 출력 전압(Vout)(101) 및 출력 전류(Iout)(102)의 특성을 나타내는 그래프이다. 도 1을 참조하면, 전원장치의 출력(Vout, Iout)이 열전 모듈로 입력되는 중, to 시점에서 모드의 전환(예컨대, 쿨링 모드에서 히팅 모드로 전환)이 결정될 때 출력전류를 0A로 제어함으로써 출력전압이 0V가 되도록 제어하게 된다. 이때, 출력 전압(101)은 일정 시간(T1)이 경과하는 동안 낮아지게 되며, 출력 전압(101)이 0V가 되기 전인 t1 시점에서 극성을 변경할 경우, 상술한 바와 같이 열전 모듈로부터의 제베크 효과에 의해 출력 전압에 오프셋 전압(ΔV)이 발생하게 된다.
이와 같이, 오프셋 전압이 발생된 상태에서 극성을 변경하게 되면, 출력 전압(Vout)(101) 및 출력 전류(Iout)(102)에 서지(surge) 전압 또는 서지 전류가 발생하게 된다. 도 1에서와 같이 서지가 발생하는 상태로 극성을 변경할 경우, 열전 모듈 및 전원장치의 수명이 단축되며 장치의 소손을 야기하게 되는 심각한 문제를 초래할 수 있다.
한편, 이러한 극성 변경 과정에서 발생할 수 있는 열전 모듈의 제베크 효과를 최소화하기 위해서 도 2에서와 같이 출력 전압(201) 및 출력 전류(202)의 제어 시정수(time constant)를 길게 가져가 극성이 변경되기까지 걸리는 시간(T2)을 길게 함으로써, 출력 전압(201)을 0V로 만든 후 극성을 변경할 수 있다. 그러나, 도 2에서와 같이 극성이 변경되기까지 걸리는 시간(T2)을 길게 할 경우, 급변하는 온도 변화에 대하여 순시적인 대응이 어렵게 되는 문제가 있다.
따라서, 전원장치의 출력에 대한 극성 변경시 짧은 시간에 극성을 변경하더라도 서지 전압 및 서지 전류가 발생하지 않도록 하는 효과적인 전원장치의 개발이 요구되고 있다.
[문헌 1] 대한민국등록특허공보 10-0392938 열전소자를 이용한 웨이퍼 냉각장치(주식회사 메카로닉스) 2007.12.06
본 발명의 목적은 열전 모듈로 입력되는 전원장치의 출력 전압에 대한 극성 변경시 오프셋 전압이 발생하지 않으면서도 빠른 극성 변경이 가능한, 칠러 장비에 적용하기 위하여 출력전압의 극성을 변경할 수 있는 전원장치 및 그 전원장치의 제어 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 전원장치의 컨버터 출력단에 방전저항과 반도체 스위치를 추가하고 극성 변경 알고리즘을 통하여 순시적인 온도 변화에 대하여 빠르게 전원장치 출력전압의 극성 변경을 가능하게 함으로써 열전 모듈에 미치는 악영향을 최소화하기 위한, 칠러 장비에 적용하기 위하여 출력전압의 극성을 변경할 수 있는 전원장치 및 그 전원장치의 제어 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 열전 모듈로 입력되는 전원장치의 출력 전압에 대한 극성 변경시, 열전소자의 제베크 효과에 의해 발생하는 전압으로부터 전원장치의 출력단으로 유입되는 역전압에 의해 전원장치의 출력전압 극성 변경시 발생하는 서지 및 과도특성에 대하여 보호할 수 있게 되어 전원장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있는, 칠러 장비에 적용하기 위하여 출력전압의 극성을 변경할 수 있는 전원장치 및 그 전원장치의 제어 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특유의 효과를 달성하기 위한, 본 발명의 특징적인 구성은 하기와 같다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상용전원을 직류전원으로 변환하여 열전 모듈로 공급하기 위한 전원장치에 있어서, 상기 열전 모듈의 모드 변환에 따라 제어 신호에 의해 출력 전압의 극성을 변환시키는 극성 스위칭부; 상기 전원장치의 출력 단자와 병렬로 연결되고, 상기 출력 전압의 극성을 변환시키는 시점에서 제어 신호에 의해 출력 전압이 방전되도록 구동되는 방전 회로부; 및 상기 모드 변환에 따라 제어 신호를 생성하여 상기 극성 스위치부 및 상기 방전 회로부의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 전원장치는 상기 전원장치의 출력 단자와 병렬로 연결되어, 상기 전원장치의 출력 전압을 센싱하는 전압 센싱부; 및 상기 전원장치의 출력 단자와 직렬로 연결되어, 상기 전원장치의 출력 전류를 센싱하는 전류 센싱부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 전압 센싱부 및 상기 전류 센싱부에 의해 센싱된 출력 전압값 및 출력 전류값에 의해 상기 방전 회로부의 구동 시점을 결정한다.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 전압 센싱부에 의해 센싱된 출력 전압값이 설정된 전압 이하일 경우, 및 상기 전류 센싱부에 의해 센싱된 출력 전류값이 설정된 전류값 이하일 경우, 상기 방전 회로부를 동작시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 방전 회로부는 상기 전원장치의 출력 단자와 병렬로 연결되는 저항; 및 상기 전원장치의 출력 단자와 병렬로 연결되고 상기 저항과 직렬로 연결되어 상기 저항으로의 전류 흐름을 스위칭하는 방전 스위치를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방전 회로부는 상기 제어부의 제어 신호에 의해 설정된 시간 동안 동작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 상용전원을 직류전원으로 변환하여 열전 모듈로 공급하기 위한 전원장치의 제어 방법에 있어서, 모드 선택부에서 측정된 온도에 따라 열전 모듈의 모드를 쿨링 모드 또는 히팅 모드로 변환할 것을 결정하는 단계; 제어부에서 상기 모드 변환 결정에 따라 열전 모듈로의 전원 공급을 중단하고, 제어 신호를 통해 방전 회로부를 동작시켜 출력 전압을 방전시키는 단계; 및 상기 제어부는 설정된 시간이 경과한 후 상기 방전 회로부의 동작을 중단시키고, 제어 신호를 통해 극성 스위치부를 제어하여 출력 전압의 극성을 변환시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 변환할 것을 결정하는 단계 이후에, 상기 전원장치의 출력 단자와 병렬로 연결되는 전압 센싱부에 의해 상기 전원장치의 출력 전압을 센싱하는 단계; 상기 전원장치의 출력 단자와 직렬로 연결되는 전류 센싱부에 의해 상기 전원장치의 출력 전류를 센싱하는 단계; 및 상기 제어부는 상기 전압 센싱부 및 상기 전류 센싱부에 의해 센싱된 출력 전압값 및 출력 전류값에 의해 상기 방전 회로부의 구동 시점을 결정하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 구동 시점을 결정하는 단계는 상기 전압 센싱부에 의해 센싱된 출력 전압값이 설정된 전압 이하일 경우, 및 상기 전류 센싱부에 의해 센싱된 출력 전류값이 설정된 전류값 이하일 경우, 상기 방전 회로부를 동작시키는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 칠러용 전원장치로부터 전원을 공급받는 열전 모듈을 통해 주위의 온도 변화에 신속하고 정확하게 대응할 수 있는 장점이 있다.
또한, 열전 모듈로 입력되는 전원장치의 출력 전압에 대한 극성 변경시 오프셋 전압이 발생하지 않으면서도 빠른 극성 변경이 가능하여 순시적인 온도 변화에 대해 빠른 온도 조절이 가능한 장점이 있다.
또한, 열전 모듈로 입력되는 전원장치의 출력 전압에 대한 극성 변경시 열전소자의 제베크 효과에 의해 발생하는 오프셋 전압에 의한 서지 및 과도특성에 대한 보호가 가능하게 되어 전원장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 칠러용 전원장치를 통해 주위의 온도변화에 신속하고 정확하게 대응할 수 있으며, 전원장치 및 열전 모듈에 미치는 악영향을 최소화하면서 안정적으로 챔버 내의 웨이퍼 또는 주변 온도를 제어하여 공정의 효율 및 전원장치의 신뢰성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 전원장치의 극성 변경에 따른 출력 전압 및 출력 전류를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전원장치의 세부 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 예시적인 전원장치의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전원장치의 극성 변경시 제어 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전원장치의 극성 변경에 따른 출력 전압 및 출력 전류를 나타내는 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 발명은 칠러(chiller) 장비에 적용되는 전원장치에서 열전 모듈로 공급되는 전압의 극성을 변경시킬 때 열전소자의 제베크 효과에 의해 발생하는 역전압에 의한 서지 발생을 최소화하고 빠른 극성 변경이 가능하도록 하는 전원장치 및 그 제어 방법을 제안한다. 이를 위해, 전원장치의 컨버터 출력단에 추가적인 방전 저항과 반도체 스위치를 추가함으로써 극성 변경시 전원장치의 출력단을 통해 유입되는 역전압을 방전시키게 된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전원장치의 세부 구성을 나타내는 블록도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전원장치(300)는 컨버터부(301), 방전 회로부(302), 극성 스위칭부(303), 제어부(304) 및 모드 선택부(305) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
컨버터부(301)는 전원장치(300)로 입력되는 상용 전원을 열전 모듈(310)에 공급 가능한 DC 전원으로 변환시키고, 변환된 DC 전원을 열전 모듈(310)로 공급한다. 이때, 극성 스위칭부(303)에서는 상기 열전 모듈(310)로 공급되는 전원의 극성을 스위칭함으로써 열전 모듈(310)의 모드(mode)를 히팅(heating) 모드 또는 쿨링(cooling) 모드로 변환시킨다. 예컨대, 극성 스위칭부(303)의 출력 단자 중 제1 단자가 (+)극이고, 제2 단자가 (-)극일 경우 열전 모듈(310)이 쿨링 모드로 동작하며, 제1 단자가 (-)극이고, 제2 단자가 (+)극일 경우, 열전 모듈(310)이 히팅 모드로 동작한다. 반면, 열전 모듈(310)의 열전소자에 대한 연결 방법에 따라 반대의 모드로 동작하도록 구성할 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전원장치(300)는 컨버터부(301)와 극성 스위칭부(303) 사이에 방전 회로부(302)를 더 구비하게 된다. 상기 방전 회로부(302)는 전원장치(300)의 출력 전압의 극성을 변경할 때 제어부(304)의 제어 신호에 따라 동작함으로써 전원장치(300)의 출력단을 통해 유입되는 역전압을 방전시키게 된다.
보다 구체적으로 설명하면, 전원장치(300)의 모드 선택부(305)에서는 열전 모듈(310) 또는 상기 열전 모듈(310)을 포함하는 칠러 장비 또는 외부의 다른 구성으로부터 장비 내의 온도 정보를 수신하고, 상기 수신된 온도에 따라 히팅 모드 또는 쿨링 모드로의 모드 변환을 결정하게 된다. 그런 다음, 상기 결정된 모드 변환에 의한 모드 선택 신호가 제어부(304)로 입력된다. 한편, 상기 도 3에서는 전원장치(300)에서 수신된 온도 정보에 의해 모드 변환을 결정하도록 구성되어 있으나, 모드 선택부(305)의 모드 결정 과정 없이 직접 전원장치(300)의 외부로부터 모드 변환 정보 또는 모드 선택 정보를 수신하여 제어부(304)로 제공하는 것도 가능하다.
한편, 제어부(304)에서는 모드 선택부(304) 또는 장치 외부로부터 수신된 모드 선택 정보에 따라 모드를 변환하고자 할 경우, 제어 신호에 의해 극성 스위칭부(303)에 포함된 각 스위치를 제어함으로써 전원장치(300)에서 출력되는 전원의 극성을 변환시키게 된다. 이때, 본 발명의 실시예에 따라 제어부(304)에서는 모드 변환 결정시 극성 스위칭부(303)를 통해 바로 극성을 변환시키는 것이 아니라, 방전 회로부(302)를 제어하여 출력단을 통해 유입되는 역전압을 방전시킨 후 극성을 변환시키게 된다.
즉, 제어부(304)에서는 모드 변환 결정에 따라 열전 모듈(310)로의 전원 공급을 중단하고, 제어 신호를 통해 방전 회로부(302)의 기능을 동작시킴으로써 출력단을 통해 유입되는 역전압을 방전시킨다. 그런 다음, 제어부(304)는 극성 스위칭부(303)를 구성하는 각 스위치를 제어하여 극성을 변환시키게 된다.
이때, 제어부(304)에서는 전원장치(300)를 구성하는 회로로부터 출력 전압(Vsen) 및 출력 전류(Isen)를 센싱(sensing)하고, 상기 센싱된 출력 전압 및 출력 전류에 따라 방전 회로부(302)의 동작 시점 및 극성 스위칭부(303)의 극성 변환 시점을 결정하게 된다. 즉, 열전 모듈(310)의 모드 변환이 결정되면, 공급되는 기준 전류(Curr_ref)를 0A로 설정하고, 전원장치(300)의 출력 전압 및 출력 전류를 센싱하여 출력 전압 및/또는 출력 전류가 설정된 값 이하가 될 경우(예컨대, Iout<3A), 상기 방전 회로부(302)를 설정된 시간 동안(예컨대, 0.3초) 동작시켜 출력 전압을 0V로 만든다.
이와 같이, 방전 회로부(302)의 동작에 따라 출력 전압이 0V로 떨어지면, 제어부(304)의 제어 신호에 의해 방전 회로부(302)의 동작을 중단하고, 극성 스위치부(303)의 출력 전압의 극성을 변경시키게 된다. 이렇게 함으로써, 전원장치(300)의 출력단으로부터 역전압이 유입되는 것을 방지함과 동시에 빠른 시간 내에 출력 전압의 극성 변환이 가능하게 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 예시적인 전원장치의 회로도이다. 도 4를 참조하면, 도 3에서 상술한 전원장치를 도 4의 회로와 같이 구현할 수 있다. 즉, 전원장치의 VDC 출력 전압은 열전 모듈(310)로 공급되며, 이때, 극성 스위칭부(303)를 구성하는 각 스위치들의 제어에 의해 출력 전압의 극성이 변환될 수 있다.
예컨대, 제1 극성 스위치(SWI1)(421) 및 제4 극성 스위치(SWI4)(424)가 닫힌(close) 상태(즉, 온(ON) 상태)가 되고, 제2 극성 스위치(SWI2)(422) 및 제3 극성 스위치(SWI3)(423)가 열린(open) 상태(즉, 오프(OFF) 상태)가 되면, 열전 모듈(310)에 전원장치의 출력 단자들 중 제1 단자를 통해 (+)극이 인가되고, 제2 단자를 통해 (-)극이 인가된다. 이에 따라, 열전 모듈(310)은 쿨링 모드로 동작하게 된다.
반면, 제1 극성 스위치(SWI1)(421) 및 제4 극성 스위치(SWI4)(424)가 열린(open) 상태가 되고, 제2 극성 스위치(SWI2)(422) 및 제3 극성 스위치(SWI3)(423)가 닫힌(close) 상태가 되면, 열전 모듈(310)에 전원장치의 출력 단자들 중 제1 단자를 통해 (-)극이 인가되고, 제2 단자를 통해 (+)극이 인가된다. 이에 따라, 열전 모듈(310)은 히팅 모드로 동작하게 된다.
한편, 상기 전원장치의 극성 스위칭부(420)의 스위치 제어에 의해 출력 단자의 극성을 변환시키고자 할 경우, 본 발명의 실시예에 따라 방전 회로부(410)를 설정된 조건 동안 동작시킨 후에 변경시키게 된다.
보다 구체적으로 설명하면, 모드 변환이 결정되면 전압 센싱부(430) 및 전류 센싱부(440)를 통해 전원장치를 구성하는 회로의 출력 전압 및 출력 전류를 센싱한다. 상기 전압 센싱부(430)는 상기 회로에서 출력 단자에 병렬로 연결되는 것이 바람직하며, 상기 전류 센싱부(440)는 상기 회로에서 출력 단자에 직렬로 연결되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 전압 센싱부(430) 및 전류 센싱부(440)에 의해 센싱된 출력 전압(Vsen) 및 출력 전류(Isen) 값이 설정된 조건을 만족할 경우(예컨대, Isen>3A, Vsen>30V), 방전 회로부(410)의 방전 스위치(SWC)(413)를 닫힌(close) 상태로 제어하여 저항(RC)(412)으로 전류가 흐르도록 한다. 한편, 상기 방전 스위치(SWC)(413)는 모드 변환시가 아닌 경우에는 열린(open) 상태를 유지시킴으로써 저항(RC)(412)으로 전류가 흐르지 않도록 하는 것이 바람직하다.
상기 방전 회로부(410)를 일정 시간 동안 동작시켜, 상기 센싱된 출력 전압(Vsen) 및 출력 전류(Isen) 값이 설정된 조건을 만족할 경우(예컨대, Isen<3A), 방전 회로부(410)의 방전 스위치(413)를 개방(open)시킴으로서 방전 회로부(410)의 동작을 중단시키게 된다. 그런 다음, 상기 극성 스위칭부(420)의 각 스위치를 제어하여 출력 전압의 극성을 반대로 전환시키게 된다.
한편, 상기 저항(Rc)(412)은 전원장치의 출력 단자와 병렬로 연결되며, 상기 저항(412)과 방전 스위치(413)는 직렬로 연결된다. 또한, 상기 각 스위치들은 반도체 스위치 소자를 이용하여 구성할 수 있으며, 동일한 기능을 수행하는 어떠한 다른 소자를 이용하여 구성하는 것도 가능하다.
따라서, 상기 방전 회로부(410)의 방전 스위치(413)가 닫힌(close) 상태가 될 경우, 대부분의 전류는 저항(412)으로 흐르게 되어 방전됨으로써, VDC 링크의 전압(VDC)이 0V가 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전원장치의 극성 변경시 제어 절차를 나타내는 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 열전 모듈(310)에 대한 모드 변환이 결정(S501)되어 쿨링 모드에서 히팅 모드로 변환시키고자 할 경우, 상술한 바와 같이 전원장치의 출력 전압 및 출력 전류를 센싱하여 방전 회로부의 동작 여부를 판단하게 된다. 예컨대, 전원장치의 출력 전류(Iout)가 3A 이상이고, 출력 전압(Vout)이 30V 이상일 경우(S511), 현재 전원장치에서 공급되는 기준 전류(Curr_ref)를 0A로 설정(S512)한다. 기준 전류(Curr_ref)를 0A로 설정하면 출력 전류(Iout)가 0A로 제어가 된다.
만약, 상기 센싱 결과 출력 전류의 값이 3A 이하가 될 경우(S513)에는 방전 회로부의 방전 스위치(413)를 온(on)시켜서 닫힌 상태가 되도록 함으로써, 방전시키게 된다. 이때, 설정된 일정 시간(예컨대, 0.3초)이 경과하면 다시 방전 스위치(413)를 오프(off)시켜서 열린 상태가 되도록 함으로써 방전 회로부의 구동을 중단(S514, S515, S516)시키며, 극성 스위칭부의 각 스위치를 제어하여 출력 전압의 극성을 변환시킴으로써 히팅 모드로 변환(S517)시키게 된다. 예컨대, 제1 극성 스위치(SWI1) 및 제4 극성 스위치(SWI4)는 오프시키고, 제2 극성 스위치(SWI2) 및 제3 극성 스위치(SWI3)는 온 시킨다. 이와 같이 극성 변환이 완료되면, 현재 출력 전류(Curr_ref)를 극성 변경시 변경된 극성으로 제어하고자 하는 출력전류의 기준값으로 재설정하여 유지(S530)시킴으로써 열전 모듈(310)에 일정한 전류를 공급하게 된다.
반면, 열전 모듈(310)에 대한 모드 변환이 결정(S501)되어 히팅 모드에서 쿨링 모드로 변환시키고자 할 경우, 상술한 바와 같이 전원장치의 출력 전압 및 출력 전류를 센싱하여 방전 회로부의 동작 여부를 판단하게 된다. 예컨대, 전원장치의 출력 전류(Iout)가 3A 이상이고, 출력 전압(Vout)이 30V 이상일 경우(S521), 현재 전원장치에서 공급되는 기준 전류(Curr_ref)를 0A로 설정(S522)한다.
만약, 상기 센싱 결과 출력 전류의 값이 3A 이하가 될 경우(S523)에는 방전 회로부의 방전 스위치(413)를 온(on)시켜서 닫힌 상태가 되도록 함으로써, 방전시키게 된다. 이때, 설정된 일정 시간(예컨대, 0.3초)이 경과하면 다시 방전 스위치(413)를 오프(off)시켜서 열린 상태가 되도록 함으로써 방전 회로부의 구동을 중단(S524, S525, S526)시키며, 극성 스위칭부의 각 스위치를 제어하여 출력 전압의 극성을 변환시킴으로써 쿨링 모드로 변환(S527)시키게 된다. 예컨대, 제1 극성 스위치(SWI1) 및 제4 극성 스위치(SWI4)는 온시키고, 제2 극성 스위치(SWI2) 및 제3 극성 스위치(SWI3)는 오프 시킨다. 이와 같이 극성 변환이 완료되면, 현재 출력 전류(Curr_ref)를 극성 변경시 변경된 극성으로 제어하고자 하는 출력전류의 기준값으로 재설정하여 유지(S530)시킴으로써 열전 모듈(310)에 일정한 전류를 공급하게 된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전원장치의 극성 변경에 따른 출력 전압 및 출력 전류를 나타내는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 전원장치의 출력(Vout, Iout)이 열전 모듈로 입력되는 중, to 시점에서 모드의 전환(예컨대, 쿨링 모드에서 히팅 모드로 전환)이 결정되어 출력되는 전류를 0A로 제어함으로써 전원장치의 출력을 OV로 제어하게 된다. 이때, 출력 전압(101)은 일정 시간(T3)이 경과하는 동안 낮아지게 되며, 본 발명의 실시예에 따라 출력 전압(601)이 0V가 되기 전인 t3 시점에서 방전 회로부를 구동함으로써 출력 전압을 방전시켜 0V가 되도록 한 후, 극성을 변경시키게 된다. 따라서, 도 1에서와는 달리 극성 변경 시점에서 오프셋 전압(ΔV)이 발생하지 않게 된다. 이에 따라, 극성 변경 시점에서 서지(surge)가 발생하는 것을 방지하게 되어 열전 모듈 및 전원장치의 손상을 방지할 수 있게 된다. 또한, 전압이 0V가 될 때까지 시정수를 길게 가져가지 않고도 극성을 변경시키는 것이 가능하여, 급변하는 온도 변화에 대하여 순시적인 대응이 가능하게 된다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
101, 201, 601 : 출력 전압 102, 202. 602 : 출력 전류
300 : 전원장치 301 : 컨버터부
302, 410 : 방전 회로부 303, 420 : 극성 스위칭부
304 : 제어부 305 : 모드 선택부
310 : 열전 모듈 412 : 저항
413 : 방전 스위치 421 : 제1 극성 스위치
422 : 제2 극성 스위치 423 : 제3 극성 스위치
424 : 제4 극성 스위치 430 : 전압 센싱부
440 : 전류 센싱부

Claims (8)

  1. 상용전원을 직류전원으로 변환하여 열전 모듈로 공급하기 위한 전원장치에 있어서,
    상기 열전 모듈의 모드 변환에 따라 제어 신호에 의해 출력 전압의 극성을 변환시키는 극성 스위칭부;
    상기 전원장치의 출력 단자와 병렬로 연결되고, 상기 출력 전압의 극성을 변환시키는 시점에서 제어 신호에 의해 출력 전압이 방전되도록 구동되는 방전 회로부; 및
    상기 모드 변환에 따라 제어 신호를 생성하여 상기 극성 스위치부 및 상기 방전 회로부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는, 출력전압의 극성을 변경할 수 있는 전원장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전원장치는,
    상기 전원장치의 출력 단자와 병렬로 연결되어, 상기 전원장치의 출력 전압을 센싱하는 전압 센싱부; 및
    상기 전원장치의 출력 단자와 직렬로 연결되어, 상기 전원장치의 출력 전류를 센싱하는 전류 센싱부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 전압 센싱부 및 상기 전류 센싱부에 의해 센싱된 출력 전압값 및 출력 전류값에 의해 상기 방전 회로부의 구동 시점을 결정하는, 출력전압의 극성을 변경할 수 있는 전원장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 전압 센싱부에 의해 센싱된 출력 전압값이 설정된 전압 이하일 경우, 및 상기 전류 센싱부에 의해 센싱된 출력 전류값이 설정된 전류값 이하일 경우, 상기 방전 회로부를 동작시키는 것을 특징으로 하는, 출력전압의 극성을 변경할 수 있는 전원장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 방전 회로부는,
    상기 전원장치의 출력 단자와 병렬로 연결되는 저항; 및
    상기 전원장치와는 병렬로 연결되고 상기 저항과 직렬로 연결되어 상기 저항으로의 전류 흐름을 스위칭하는 방전 스위치를 포함하는, 출력전압의 극성을 변경할 수 있는 전원장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 방전 회로부는,
    상기 제어부의 제어 신호에 의해 설정된 시간 동안 동작하는 것을 특징으로 하는, 출력전압의 극성을 변경할 수 있는 전원장치.
  6. 상용전원을 직류전원으로 변환하여 열전 모듈로 공급하기 위한 전원장치의 제어 방법에 있어서,
    모드 선택부에서 측정된 온도에 따라 열전 모듈의 모드를 쿨링 모드 또는 히팅 모드로 변환할 것을 결정하는 단계;
    제어부에서 상기 모드 변환 결정에 따라 열전 모듈로의 전원 공급을 중단하고, 제어 신호를 통해 방전 회로부를 동작시켜 출력 전압을 방전시키는 단계; 및
    상기 제어부는 설정된 시간이 경과한 후 상기 방전 회로부의 동작을 중단시키고, 제어 신호를 통해 극성 스위치부를 제어하여 출력 전압의 극성을 변환시키는 단계를 포함하는, 출력전압의 극성을 변경할 수 있는 전원장치의 제어 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 변환할 것을 결정하는 단계 이후에,
    상기 전원장치의 출력 단자와 병렬로 연결되는 전압 센싱부에 의해 상기 전원장치의 출력 전압을 센싱하는 단계;
    상기 전원장치의 출력 단자와 직렬로 연결되는 전류 센싱부에 의해 상기 전원장치의 출력 전류를 센싱하는 단계; 및
    상기 제어부는 상기 전압 센싱부 및 상기 전류 센싱부에 의해 센싱된 출력 전압값 및 출력 전류값에 의해 상기 방전 회로부의 구동 시점을 결정하는 단계를 더 포함하는, 출력전압의 극성을 변경할 수 있는 전원장치의 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 구동 시점을 결정하는 단계는,
    상기 전압 센싱부에 의해 센싱된 출력 전압값이 설정된 전압 이하일 경우, 및 상기 전류 센싱부에 의해 센싱된 출력 전류값이 설정된 전류값 이하일 경우, 상기 방전 회로부를 동작시키는 것을 특징으로 하는, 출력전압의 극성을 변경할 수 있는 전원장치의 제어 방법.
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