KR101410063B1 - 샘플/홀드 회로를 이용한 저전력 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 추종제어 회로 - Google Patents

샘플/홀드 회로를 이용한 저전력 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 추종제어 회로 Download PDF

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임재우
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Abstract

샘플/홀드 회로를 이용한 최대 전력점 추종제어 회로가 제공된다. 최대 전력점 추종제어 회로는 태양전지 어레이, 샘플/홀드 회로, 비례적분 제어기, 벅 컨버터 및 더블 폴 스위치를 포함한다. 이러한 최대 전력점 추종제어 회로는 간단히 설계된 샘플/홀드 회로를 이용하여 높은 효율 및 추종 정확도를 얻을 수 있으며, 이러한 샘플/홀드 회로는 타이머, 제1 멀티바이브레이터, 제2 멀티바이브레이터 및 홀드 커패시터를 포함한다.

Description

샘플/홀드 회로를 이용한 저전력 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 추종제어 회로{MAXIMUM POWER POINT TRACKING CIRCUIT FOR LOW-POWER PV APPLICATIONS USING SAMPLE AND HOLD CIRCUIT}
본 발명은 샘플/홀드 회로를 이용한 전압 기반 최대 전력점 추종제어 회로에 관한 것이다.
태양광 발전은 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것으로 광범위하게 사용될 수 있다. 이러한 태양광 발전을 통해 생산되는 전력은 일사량 또는 온도의 변동에 따라 민감하게 변화한다. 이러한 전력의 변화는 태양광 발전의 효율을 저하시키는 주요요인이다.
태양광 발전의 효율을 높일 수 있도록 태양전지 어레이와 부하 사이에 최적의 매칭을 찾는 기술이 요구된다. 이러한 기술은 보다 넓은 범위에서 높은 효율과 높은 추적 정확도를 가지도록 요구된다. 또한, 이러한 기술은 주기적인 태양전지 어레이와 부하 사이의 연결 차단 및 긴 샘플링 주기로 인한 전력 손실을 최소화하는 것이 요구된다.
본 발명은 간단하게 설계된 샘플/홀드 회로를 이용하여 높은 추종 정확도를 가지는 최대 전력점 추종제어 회로를 제공할 수 있다.
본 발명은 간단하게 설계된 샘플/홀드 회로를 이용하여 최대 전력점을 효율적으로 추종하는 최대 전력점 추종제어 회로를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 최대 전력점 추종제어 회로는 전력을 생산하는 태양전지 어레이; 상기 태양전지 어레이의 개방전압을 샘플링 및 홀드하는 샘플/홀드 회로; 상기 태양전지 어레이의 전압과 기준전압을 비교하고, 상기 태양전지 어레이의 전압과 상기 기준전압의 차이인 오류신호를 이용하여 상기 태양전지 어레이의 전압을 상기 기준전압과 동일하게 만드는 비례적분 제어기; 상기 비례적분 제어기의 출력으로 제어되는 벅 컨버터; 및 상기 태양전지 어레이와 상기 벅 컨버터의 연결을 제어하는 더블 폴 스위치를 포함하고, 상기 기준전압은 홀드된 상기 개방전압일 수 있다.
상기 샘플/홀드 회로는 타이머, 제1 멀티바이브레이터, 제2 멀티바이브레이터 및 홀드 커패시터를 포함하고, 상기 타이머는 상기 제1 멀티바이브레이터 및 상기 제2 멀티바이브레이터를 네거티브 에지에서 트리거할 수 있다.
상기 비례적분 제어기는 펄스폭변조 제어기를 포함하고, 상기 제1 멀티바이브레이터는 서로 상보적인 제1 출력 및 제2 출력을 생성하고, 상기 제1 출력은 샘플링 구간 동안 상기 펄스폭변조 제어기의 출력이 생성되지 않도록 상기 펄스폭변조 제어기에 제공되고, 상기 제2 출력은 상기 샘플링 구간을 제어하도록 상기 더블 폴 스위치에 제공되어 상기 더블 폴 스위치를 오프시키고, 상기 제2 멀티바이브레이터에서 생성되는 제3 출력은, 상기 제1 멀티바이브레이터와 동기화되고, 상기 샘플/홀드 회로가 샘플링 모드로 동작하도록 상기 샘플/홀드 회로를 트리거할 수 있다.
상기 샘플/홀드 회로가 상기 샘플링 모드로 트리거된 경우, 샘플링된 상기 개방전압의 일부를 상기 홀드 커패시터에 홀드시키고 홀드된 상기 개방전압의 일부를 상기 벅 컨버터에 상기 기준전압으로 제공할 수 있다.
상기 더블 폴 스위치는 상기 샘플링 모드에서 상기 샘플/홀드 회로가 상기 개방전압을 샘플링하도록 상기 태양전지 어레이와 상기 벅 컨버터의 연결을 차단할 수 있다.
상기 제3 출력의 펄스폭은 상기 제1 출력의 펄스폭보다 작을 수 있다.
상기 더블 폴 스위치 및 상기 벅 컨버터와 연결되는 역저지 다이오드를 더 포함할 수 있다.
상기 펄스폭변조 제어기의 출력은 상기 벅 컨버터의 주스위치에 제공될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 간단히 설계된 샘플/홀드 회로를 이용하여 최대 전력점 추종제어 과정에서 발생하는 전력소모를 최소화할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 간단히 설계된 샘플/홀드 회로를 이용하여 넓은 범위에서 높은 효율 및 추종 정확도를 얻을 수 있다.
도 1은 샘플/홀드 회로를 포함하는 최대 전력점 추종제어 회로의 일례를 나타낸 도면이다.
도 2는 샘플/홀드 회로 구성의 일례를 나타낸 블록 다이어그램이다.
도 3은 샘플/홀드 회로의 제1 출력 펄스, 제2 출력 펄스 및 제3 출력 펄스의 일례를 나타낸 도면이다.
도 4는 샘플링 모드에서 태양전지 어레이 및 샘플/홀드 회로의 일례를 나타낸 도면이다.
도 5는 샘플/홀드 회로의 제1 출력 펄스, 제2 출력 펄스 및 펄스폭변조 제어기의 출력 펄스의 일례를 나타낸 도면이다.
도 6은 태양전지 어레이의 최대 전력이 변경되는 경우에 샘플/홀드 회로의 출력 전압 및 벅 컨버터의 입력 전류의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 입력 전력의 변화에 따른 추종제어 효율성 및 최대 전력점 추종제어 회로의 전반적인 효율성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 의한 최대 전력점 추종제어 측정 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
전압 기반 최대 전력점 추종제어(voltage-based maximum power point tracker)에서, 최대 전력을 생산할 수 있는 태양전지 어레이의 전압과 비례하는 태양전지 어레이의 개방전압을 획득하는 것은 주요할 수 있다. 이러한 최대 전력을 생산할 수 있는 태양전지 어레이의 전압과 태양전지 어레이의 개방전압의 관계는 아래와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112013009565003-pat00001
위의 수학식 1에서
Figure 112013009565003-pat00002
는 전압 펙터(voltage factor)이고,
Figure 112013009565003-pat00003
는 최대 전력을 생산할 수 있는 태양전지 어레이의 전압이며,
Figure 112013009565003-pat00004
는 태양전지 어레이의 개방전압일 수 있다.
도 1은 샘플/홀드 회로를 포함하는 최대 전력점 추종제어 회로의 일례를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 최대 전력점 추종제어 회로(100)는 태양전지 어레이(110), 더블 폴 스위치(120), 벅 컨버터(130), 샘플/홀드 회로(140), 비례적분 제어기(150) 및 역저지 다이오드(160)를 포함할 수 있다.
태양전지 어레이(110)는 태양 에너지로부터 전력을 생산할 수 있다.
더블 폴 스위치(120)는 정지 스위치일 수 있다. 이러한 더블 폴 스위치(120)는 샘플링 모드에서 개방전압을 샘플링할 수 있도록 태양전지 어레이(110)와 벅 컨버터(130)의 연결을 차단할 수 있다. 이러한 더블 폴 스위치(120)는 더블 폴 스위치 구동회로(170)를 통해서 제어될 수 있다. 일실시예에 따르면, 더블 폴 스위치 구동회로(170)에 특정 전압보다 높은 전압이 인가되는 경우, 더블 폴 스위치(120)는 온(on)될 수 있다. 반대로, 더블 폴 스위치 구동회로(170)에 특정 전압보다 낮은 전압이 인가되는 경우, 더블 폴 스위치(120)는 오프(off)될 수 있다. 이 경우 태양전지 어레이(110)와 벅 컨버터(130)의 연결은 차단될 수 있다.
벅 컨버터(130)는 강압 변환 회로일 수 있다. 일실시예에 따르면, 이러한 벅 컨버터(130)는 주 스위치
Figure 112013009565003-pat00005
을 제어함으로써, 벅 컨버터(130)의 출력 전압을 조절할 수 있다. 일실시예에 따르면, 펄스폭변조 제어기의 출력은 주 스위치 구동회로(180)에 제공될 수 있으며, 이를 통해 주 스위치는 제어 될 수 있다. 이러한 주 스위치 구동회로(180)는 더블 폴 스위치 구동회로(170)의 동작원리와 동일할 수 있다.
샘플/홀드 회로(140)는 태양전지 어레이(110)의 개방전압을 샘플링하고 개방전압의 일부를 홀드할 수 있다. 일실시예에 따르면, 개방전압의 일부는
Figure 112013009565003-pat00006
및
Figure 112013009565003-pat00007
를 이용하여 획득될 수 있다.
비례적분 제어기(150)는 에러 증폭기(error amplifier)(151) 및 비교기(comparator)(152)를 포함할 수 있다. 일실시예에 따르면, 이러한 비례적분 제어기(150)는 태양전지 어레이의 일부 전압(153)과 기준전압(154)을 비교할 수 있다. 또한 비례적분 제어기(150)는 태양전지 어레이의 일부 전압(153)과 기준전압(154)의 차이인 오류신호를 이용하여, 태양전지 어레이의 일부 전압(153)을 기준전압(154)과 동일하게 만들 수 있다. 일실시예에 따르면, 비례적분 제어기(150)는 샘플/홀드 회로(140)에서 홀드된 전압을 기준전압(154)으로 벅 컨버터(130)에 제공할 수 있다.
역저지 다이오드(160)는 태양전지 어레이(110) 및 더블 폴 스위치(120)를 보호할 수 있다. 일실시예에 따르면, 태양전지 어레이(110)의 전압이 벅 컨버터(130)의 입력전압보다 낮은 경우, 역저지 다이오드(160)는 벅 컨버터(130)와 태양전지 어레이(110) 및 더블 폴 스위치(120)의 연결을 차단할 수 있다.
도 2는 샘플/홀드 회로의 타이밍 컨트롤러 구성의 일례를 나타낸 블록 다이어그램이다.
도 2를 참조하면, 타이밍 컨트롤러(200)는 타이머(210), 제1 멀티바이브레이터(220), 제2 멀티바이브레이터(230) 및 홀드 커패시터를 포함할 수 있다. 도 2는 기본적으로 샘플/홀드 기능(제2 멀티바이브레이터) 및 MOSFET(도 1의 더블 폴 스위치 구동회로(170)와 주 스위치 구동회로(180))의 게이트 신호 공급 기능(제1 멀티바이브레이터)을 포함하는 구성을 블록화 한 것이다.
타이머(210)는 하강 에지(falling edge)를 생성할 수 있다. 일실시예에 따르면, 타이머(210)는
Figure 112013009565003-pat00008
빈도로 하강 에지를 생성함으로써 제1 멀티바이브레이터(220) 및 제2 멀티바이브레이터(230)를 트리거할 수 있다. 이를 통해, 제1 멀티바이브레이터(220) 및 제2 멀티바이브레이터(230)는 제1 출력(221), 제2 출력(222) 및 제3 출력(231)을 생성할 수 있다. 일실시예에 따르면, 샘플링 주기 또는 샘플링 주기의 역수인 빈도를 조절함으로써 에너지 소모량과 추종 정확도가 변경될 수 있다. 예를 들어, 샘플링 주기는 100ms로 설정될 수 있다. 여기서, 하강 에지는 네거티브 에지와 같은 의미로 사용될 수 있다.
제1 멀티바이브레이터(220)는 제1 출력(221) 및 제2 출력(222)을 생성할 수 있다.
제1 출력(221)은 펄스폭변조 제어기(240)에게 제공될 수 있다. 일실시예에 따르면, 제1 출력(221)은 펄스폭변조 제어기(240)의 데드 타임 제어 모듈(dead time control module)로 제공될 수 있으며, 이를 통해 샘플링 구간 동안 펄스폭변조 제어기(240)의 출력이 생성되지 않도록 할 수 있다.
제2 출력(222)은 샘플링 구간을 제어할 수 있도록 더블 폴 스위치(250)에 제공될 수 있다. 일실시예에 따르면, 제2 출력(222)은 더블 폴 스위치 구동회로(170)에 제공되어 벅 컨버터(130)와 태양전지 어레이(110)의 연결을 차단할 수 있다.
제2 멀티바이브레이터(230)에서 제3 출력(231)이 생성될 수 있다.
제3 출력(231)은 샘플/홀드 회로(도 1의 도시부호 140)가 샘플링 모드로 동작하도록 샘플/홀드 회로를 트리거할 수 있다. 일실시예에 따르면, 제3 출력(231)은 샘플/홀드 회로의 제어 핀(control pin)(260)에 제공될 수 있으며, 이를 통해 샘플/홀드 회로는 샘플링 모드로 동작할 수 있다.
일실시예에 따르면, 이러한 제1 멀티바이브레이터(220) 및 제2 멀티바이브레이터(230)는 네거티브 에지에서 트리거될 수 있다.
도 3은 타이밍 컨트롤러의 제1 출력 펄스, 제2 출력 펄스 및 제3 출력 펄스의 일례를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 출력 펄스(310), 제2 출력 펄스(320) 및 제3 출력 펄스(330)의 상관관계를 알 수 있다.
제1 출력 펄스(310) 및 제2 출력 펄스(320)는 서로 상보적(complementary)일 수 있다. 일실시예에 따르면, 제1 출력의 펄스폭(311) 및 제2 출력의 펄스폭(311)은 5us로 설정될 수 있다. 따라서, 이러한 5us 동안, 펄스폭변조 제어기(240)는 출력을 생성하지 않을 수 있고, 더블 폴 스위치(250)는 오프될 수 있다.
제3 출력 펄스(330)는 제1 멀티바이브레이터(220)와 동기화(synchronously)될 수 있다. 일실시예에 따르면, 제3 출력의 펄스폭(331)은 2us로 설정될 수 있다. 이를 통해서, 태양전지 어레이(110)와 부하(load)(190)가 다시 연결되기 전에, 태양전지 어레이(110)의 개방전압이 샘플링될 수 있다.
일실시예에 따르면, 제3 출력의 펄스폭(331)은 제1 출력의 펄스폭(311)보다 작을 수 있다. 이를 통해서, 태양전지 어레이(110)와 부하(190)가 재연결되기 전에, 태양전지 어레이(110)의 개방전압을 안정적으로 샘플링 및 홀드할 수 있다.
도 4는 샘플링 모드에서 태양전지 어레이 및 샘플/홀드 회로의 일례를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 태양전지 어레이(110)와 부하(190)의 연결이 차단된 경우, 샘플/홀드 회로(410)는 태양전지 어레이의 개방전압(420)을 샘플링할 수 있다.
샘플/홀드 회로(410)가 샘플링 모드로 트리거된 경우, 태양전지 어레이의 개방전압(420)은 샘플링되고, 이러한 개방전압의 일부(430)는 홀드 커패시터(411)에 홀드될 수 있다. 홀드 커패시터(411)에 홀드된 개방전압의 일부(430)는 벅 컨버터(130)에 기준전압(440)으로 제공될 수 있다. 일실시예에 따르면, 이러한 개방전압의 일부(430)는
Figure 112013009565003-pat00009
및
Figure 112013009565003-pat00010
를 이용한 전압분배를 통해서 획득될 수 있다.
또한, 샘플/홀드 회로(410)가 샘플링 모드로 트리거된 경우 펄스폭변조 제어기(240)는 출력을 생성할 수 없고, 샘플링 구간 이후에 출력을 생성할 수 있다(도 5).
일실시예에 따르면, 샘플링 구간 이후에, 펄스폭변조 제어기(240)는 태양전지 어레이(110)의 전압이 기준전압(440)을 따라갈 수 있도록 태양전지 어레이(110)의 전압을 조정할 수 있다. 이를 통해서, 벅 컨버터(130)는 최대 전력을 생산할 수 있다.
도 6은 태양전지 어레이의 최대 전력이 변경되는 경우에 샘플/홀드 회로의 출력 전압 및 벅 컨버터의 입력 전류의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 태양전지 어레이(110)의 최대 전력이 변경됨에 따라 개방전압이 변경되고, 이러한 변경된 개방전압의 일부는 샘플/홀드 회로(140)에 의해 샘플링 및 홀드될 수 있다. 따라서, 샘플/홀드 회로의 출력 전압(610)은 변경된 개방전압의 일부가 될 수 있다.
샘플링 구간 동안 벅 컨버터(130)는 태양전지 어레이(110)와 연결이 차단될 수 있다. 이러한 차단으로 벅 컨버터의 입력 전류(620)는 순간 존재하지 않게 될 수 있다. 다만, 샘플링 구간 이후에 벅 컨버터의 입력 전류(620)는 일정하게 유지될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 각각 입력 전력의 변화에 따른 추종제어 효율성 및 최대 전력점 추종제어 회로의 전반적인 효율성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 일실시예에 따른 추종제어의 효율성은 99.6%보다 높을 수 있다. 또한, 최대 전력점 추종제어 회로의 전반적인 효율성은 88.8%보다 높을 수 있다. 이러한 효율성은 10V에서 40V의 개방전압에서 측정될 수 있다.
도 8은 본 발명에 의한 최대 전력점 추종제어 측정 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 최대 전력점 추종제어 회로는 높은 추종 정확도를 가질 수 있다. 이러한 결과는 실내에서 측정될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 최대 전력점 추종제어 회로
110: 태양전지 어레이
120: 더블 폴 스위치
130: 벅 컨버터
140: 샘플/홀드 회로
150: 비례적분 제어기
151: 에러 증폭기
152: 비교기
153: 태양전지 어레이의 일부 전압
154: 기준전압
160: 역저지 다이오드
170: 더블 폴 스위치 구동회로
180: 주 스위치 구동회로
190: 부하

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 전력을 생산하는 태양전지 어레이;
    상기 태양전지 어레이의 개방전압을 샘플링 및 홀드하는 샘플/홀드 회로;
    상기 태양전지 어레이의 전압과 기준전압을 비교하고, 상기 태양전지 어레이의 전압과 상기 기준전압의 차이인 오류신호를 이용하여 상기 태양전지 어레이의 전압을 상기 기준전압과 동일하게 만드는 비례적분 제어기;
    상기 비례적분 제어기의 출력으로 제어되는 벅 컨버터; 및
    상기 태양전지 어레이와 상기 벅 컨버터의 연결을 제어하는 더블 폴 스위치를 포함하고,
    상기 기준전압은 홀드된 상기 개방전압이고,
    상기 샘플/홀드 회로는 타이머, 제1 멀티바이브레이터, 제2 멀티바이브레이터 및 홀드 커패시터를 포함하는 타이밍 컨트롤러에 의해 동작하며,
    상기 타이머는 상기 제1 멀티바이브레이터 및 상기 제2 멀티바이브레이터를 네거티브 에지에서 트리거하고,
    상기 비례적분 제어기는 펄스폭변조 제어기를 포함하고,
    상기 제1 멀티바이브레이터는 서로 상보적인 제1 출력 및 제2 출력을 생성하고,
    상기 제1 출력은 샘플링 구간 동안 상기 펄스폭변조 제어기의 출력이 생성되지 않도록 상기 펄스폭변조 제어기에 제공되고,
    상기 제2 출력은 상기 샘플링 구간을 제어하도록 상기 더블 폴 스위치에 제공되어 상기 더블 폴 스위치를 오프시키고,
    상기 제2 멀티바이브레이터에서 생성되는 제3 출력은, 상기 제1 멀티바이브레이터와 동기화되고, 상기 샘플/홀드 회로가 샘플링 모드로 동작하도록 상기 샘플/홀드 회로를 트리거하는
    최대 전력점 추종제어 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 샘플/홀드 회로가 상기 샘플링 모드로 트리거된 경우, 샘플링된 상기 개방전압의 일부를 상기 홀드 커패시터에 홀드시키고 홀드된 상기 개방전압의 일부를 상기 벅 컨버터에 상기 기준전압으로 제공하는
    최대 전력점 추종제어 회로.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 더블 폴 스위치는 상기 샘플링 모드에서 상기 샘플/홀드 회로가 상기 개방전압을 샘플링하도록 상기 태양전지 어레이와 상기 벅 컨버터의 연결을 차단하는
    최대 전력점 추종제어 회로.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제3 출력의 펄스폭은 상기 제1 출력의 펄스폭보다 작은
    최대 전력점 추종제어 회로.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 더블 폴 스위치 및 상기 벅 컨버터와 연결되는 역저지 다이오드
    를 더 포함하는 최대 전력점 추종제어 회로.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 펄스폭변조 제어기의 출력은 상기 벅 컨버터의 주스위치에 제공되는
    최대 전력점 추종제어 회로.
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