KR101608033B1 - 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력공급 제어방법에 관한 것으로서, 특히 AC 전원에 부하를 연결시키는 스위치를 영점제어 방식으로 조절할 시 에너지를 분산시켜 공급함으로써 응답속도가 빠른 부하에 대해서도 양호한 제어품질을 제공하고, 큰 용량의 부하에 대하여 더 작은 온도 변동률로 정밀하게 제어가 가능함과 아울러 인접 부하에 안정적인 전원을 공급할 수 있으며, 상기 스위치의 동작 조건을 개선하고 수명을 늘릴 수 있는 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법을 제공한다.

Description

에너지 분산 방식 전력공급 제어방법{Method for controlling supply of electric power by distribution of energy}

본 발명은 전력공급 제어방법에 관한 것으로서, 특히 AC 전원에 부하를 연결시키는 스위치를 영점제어 방식으로 조절할 시 에너지를 분산시켜 공급함으로써 응답속도가 빠른 부하에 대해서도 양호한 제어품질을 제공하고, 큰 용량의 부하에 대하여 더 작은 온도 변동률로 정밀하게 제어가 가능함과 아울러 인접 부하에 안정적인 전원을 공급할 수 있으며, 상기 스위치의 동작 조건을 개선하고 수명을 늘릴 수 있는 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법에 관한 것이다.

AC 전원에 연결된 부하에 전기에너지를 공급하는데 있어서, 전원과 부하 사이에 스위치 하나만 연결하고 스위치를 온(ON) 또는 오프(OFF)함으로써 부하로 전달되는 에너지를 직접 제어하는 방법이 가장 효율적이고 경제적이다. 이는 단지 스위치 하나를 추가함으로써 전력공급의 제어가 가능하기 때문이다.

따라서 부하로 전달되는 전기에너지의 양을 조절하는 가장 단순한 방법은 부하를 동일 용량을 가지는 복수개로 분할하고, 스위치를 분할된 부하에 각각 연결한 후 필요한 개수만큼의 스위치를 온(ON)시키는 것이다. 일례로, 강·중·약의 3단계 또는 강·약의 2단계로 온도 또는 속도를 조절하는 기능을 갖추고 있는 전기히터 또는 선풍기를 들 수 있다.

3단계 온도조절 기능이 있는 전기히터는 보통 동일한 용량을 갖는 히터부하를 3개 설치하고 각각에 기계식 접점스위치를 연결한 후, '약'일 경우 한 개, '중'일 경우 두 개, '강'일 경우 세 개의 부하에 모두 에너지를 공급하여 발열시키는 방식으로 전기히터의 온도를 조절한다.

이와 유사하게, 선풍기는 모터의 고정자에 코일을 감을 때 임피던스가 서로 다른 3개의 권선을 하나의 권선처럼 취급하여 제작한 후, 강·중·약에 따라 서로 다른 권선을 선택하는 방법으로 모터의 회전수를 조절하여 바람의 세기를 바꾸는 방식이다. 일부, 리모컨이나 접점스위치 또는 고급형 터치스위치를 적용한 제품들이 있지만, 속도조절의 기본원리는 동일하며 단지 모터의 권선을 선택하여 전원에 연결하는 스위치가 기계식스위치에서 트라이악(TRIAC; TRIode Alternating Current) 스위치와 같은 전자식스위치로 변경된 것에 차이가 있을 뿐이다.

그러나 전술한 전기히터와 선풍기에 이용되는 전력공급 제어방법은 엄밀히 말하면, 부하로 전달되는 전기에너지의 양을 조절하는 것이 아니라, 단지 복수개의 부하들 중 온 또는 온프(이하 "스위칭"이라 함) 되는 부하의 개수 또는 특정 부하의 선택을 스위치 동작으로 제어하는 것이다.

따라서 이러한 전력공급 제어방법은 미리 정의된 둘 또는 세 레벨의 조절 이외에 전력공급을 추가로 세분하여 제어할 수 없으며, 복수개의 부하를 구비해야 하기 때문에 제품의 부피가 증가하고 제조원가도 덩달아 증가하는 문제점이 있다.

특히, 기계식스위치는 스위칭 동작시점에 발생하는 고전압 스파크로 인해 스위치 수명이 단축될 뿐만 아니라, 스파크로 인한 화재의 위험성을 항시 내포하고 있다.

한편, 좀 더 발전된 형태의 전력공급 제어방법으로는 전기히터에서 사용되는 히터부하의 경우에, 부하를 복수개로 나누지 않고 바이메탈 방식의 온도조절기를 사용하여 온도를 설정하고 유지시키는 제어방법이 있다.

그러나 상기 바이메탈 방식은 설정된 온도 근처에서 바이메탈이 붙었다 떨어졌다 하는 동작을 반복하면서 온도를 조절하기 때문에, 적용된 히터부하가 열과 함께 일정량의 빛이 방출되는 적외선 또는 원적외선 계열의 히터부하인 경우에는 발열체의 깜박임 현상이 심하게 나타나며, 히터의 응답속도가 바이메탈의 응답속도보다 빠른 경우에는 설정한 온도에 대한 온도 변동률이 상대적으로 더 커지는 단점이 있다.

한편, 스위치 조작 방식의 일종으로, 하나의 부하만 사용하면서 기계식스위치와 전력다이오드를 사용해 스위치가 '약'을 선택하면 부하로 전달되는 전력이 다이오드를 통과하도록 하여 AC 전원의 반파(50%의 에너지)만 부하에 제공하고, '강'이 선택되면 AC 전원의 100%의 에너지를 부하에 제공하는 다이오드 제어방식이 일부 사용되고 있다.

전술한 기술은 부하로 전달되는 전기에너지의 양을 조절하는 가장 단순한 방법들을 열거한 것이다. 이와는 달리, 좀 더 발전된 형태의 전력제어를 위하여 스위치를 제어하는 방법은 위상제어 방식과 영점제어(주기 제어 또는 제로 크로싱 제어, 이하 "영점제어"라 칭함) 방식이 있다.

먼저, 위상제어 방식은 동작 원리 상 제어주기가 짧아 제어품질이 우수한 장점이 있지만, 스위칭 동작이 높은 전압에서 수행되기 때문에 고조파 노이즈 발생과 역률 저하 및 스위치를 포함한 부품의 내구성과 신뢰성이 저하되는 등 여러 가지 문제점이 발생한다. 따라서 위상제어 방식에 의한 스위치 제어는 전등의 밝기를 조절하는 조광기나 낮은 용량의 AC 유도 전동기의 속도제어와 같은 제한적인 용도로만 사용된다.

반면, 영점제어 방식에 의한 스위치 제어는 AC 전원의 전압파형의 영점에 맞춰 스위치를 스위칭하는 방식으로 동작하므로, 위상제어 방식에서 발생하는 문제점은 없으나 제어주기가 길기 때문에 제어품질이 열악한 단점이 있어, 입력전원에 대한 응답속도가 느린 히터계열의 제어에 주로 사용된다.

도 1은 종래기술에 따른 영점제어 방식에 의한 전력공급 제어장치를 개략적으로 나타낸 블록구성도로서, AC전원(10)과 부하(20) 사이에 스위칭부(30)를 설치하고, 이 스위칭부(30)를 전력제어부(50)에 의해 스위칭하며, 이때 스위칭부(30)의 스위칭 시점이 영점검출부(40)가 AC전원(10)의 전압파형에서 검출한 영점신호에 의해 설정되는 영점제어 방식을 나타낸 것이다.

도 1의 스위칭부(30)는 양방향 반도체 스위치 소자인 트라이악(TRIAC)을 한 개 사용하거나 단방향 반도체 전력소자인 사이리스터(Thyristor 또는 SCR; Silicon Controlled Rectifier), 전력 트랜지스터(POWER BJT), 전력 MOSFET, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등을 서로 반대 방향으로 두 개를 병렬 연결하여 사용할 수 있다.

영점검출부(40)는 교류전압의 위상이 0전위와 교차하는 시점을 감지하기 위한 것으로, 가장 단순하게는 저항 1개와 다이오드 또는 광결합소자(포토커플러)를 조합하여 구성하거나, 광결합소자와 트랜지스터, 연산증폭기 등을 조합하여 구성할 수 있다.

전력제어부(50)는 일반적으로 메모리와 주변 제어회로가 중앙처리장치와 일체화되어 집적된 마이크로컨트롤러(MCU; Micro Control Unit) 또는 디지털신호처리기(DSP; Digital Signal Processor) 등의 디지털제어기를 사용하여 구성된다.

전력제어부(50)가 전력량을 제어할 때에, 펄스 폭 변조(PWM; Pulse Width Modulation)를 사용하는 것이 가장 일반적인데, 이는 PWM 제어방식이 미리 정의한 기준시간주기에 대해 논리 1이 출력되는 시간길이를 나타내는 듀티(Duty) 비율 조정을 통해 물리량을 원하는 수준으로 간단히 제어할 수 있으며, 대부분의 MCU나 DSP 등에 PWM 제어회로가 내장되어 있고 관련 프로그램도 모두 구비되어 있어 원하는 목적을 쉽게 달성할 수 있기 때문이다.

PWM 제어방식은 정의된 주기에 대해 논리 1이 출력되는 시간을 제어입력(사용자의 외부 버튼입력 등에 의해 제어신호를 발생시키는 입력을 칭함)에 따라 가변하는 방식으로 구현되는데, 도 2a 및 도 2b에 종래기술에 따른 고정주기형 영점제어 방식의 PWM 제어파형의 일례를 도시하였다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, PWM 제어방식은 부하로 전달되는 교류전압파형의 길이가 제어입력에 따라 달라지는데, 온 사이클(ON cycle) 구간은 디지털제어기의 논리 1 출력에 해당하고, 오프 사이클(OFF cycle)은 논리 0 출력에 해당한다. 도 2a는 전압파형의 50 사이클이 1주기이고 제어입력이 40%인 경우에 온 사이클 구간이 20사이클인 것을 나타내며, 도 2b는 전압파형의 50 사이클이 1주기이고 제어입력이 80%인 경우를 나타낸 것으로서, 제어입력에 따라 부하로 전달되는 교류전압을 스위칭하는 시간이 달라지는 것을 나타낸 것이다. 도 2a 및 도 2b의 제어에 따라 50 사이클 1 주기에 걸쳐 교류전압이 공급되는 경우를 100%로 했을 때, 정해진 제어입력에 따라 온 구간 및 오프 구간을 설정함으로써 원하는 양의 전기에너지를 공급하는 것이 가능하다.

그러나 도 2a 및 도 2b와 같이, 1 주기를 50 사이클로 고정한 고정주기형 영점제어 방식은 파형분포를 보면 쉽게 알 수 있듯이 온과 오프의 합으로 구성된 제어주기가 길기 때문에, 부하관점에서 보면 전력이 단속적으로 공급되므로 하나의 제어입력에 대하여 부하의 에너지 변동률이 상당히 크다는 문제가 있다.

또한, 상기 고정주기형 영점제어를 받는 부하의 용량이 크다면 전원선의 전기저항과 부하로 흐르는 큰 전류로 인해 온 사이클 구간에서는 부하에 연결된 전선의 전압이 낮아지고, 오프 사이클 구간에서는 부하로 흐르는 전류가 없어 원래의 전원전압 수준으로 복귀하는 동작이 반복되기 때문에, 제어를 받는 부하와 같은 전선에 연결된 다른 부하에 심한 변동이 포함된 전원이 공급되는 문제가 발생한다. 예를 들어, 큰 용량의 전열기와 전등이 같은 전선에 연결되어 있고, 이 전열기를 도 2a 및 도 2b와 같은 방식으로 제어할 경우 전등이 깜박거리는 현상이 나타나게 되며, 깜박이는 주기는 제어입력에 따라 달라지게 된다.

전술한 고정주기를 갖는 영점제어 방식의 긴 주기문제를 개선하기 위해 도 3a 및 도 3b와 같이 변형된 PWM 제어인 가변주기를 갖는 영점제어 방식이 사용된다. 이 방법은 제어입력에 따라 제어주기를 바꾸는 것인데, 도 3a와 같이 제어입력이 40%인 경우, 즉 오프 사이클 구간이 긴 낮은 에너지 제어영역에서는 주기를 짧게(5 사이클의 주기 = 온 사이클 2 + 오프 사이클 3)하고, 도 3b와 같이 제어입력이 80%인 경우, 즉 온 사이클 구간이 긴 높은 에너지 제어영역에서는 제어주기를 길게(10 사이클의 주기 = 온 사이클 8 + 오프 사이클 2) 정의하는 것이다.

도 3a 및 도 3b의 가변주기형 영점제어 방식은 고정주기형 영점제어 방식에 비해 어느 정도 제어품질을 높일 수 있지만, 전체적으로 에너지 공급시점과 차단시점이 일정한 사이클 단위로 구분되므로, 일정 시간구간 동안에 밀집된 형태로 전기에너지가 공급되는 근본적인 문제는 해결하지 못한다. 이에 따라, 부하의 관성이 충분히 커서 어느 한 구간에 밀집된 형태로 공급되는 전기에너지를 부하가 어느 정도 균일하게 펼 수 있는 경우에만 현실적으로 적용이 가능하며, 선풍기와 같은 유도모터나 응답이 빠른 히터 등에는 사용하지 못하고 주로 열적분 능력이 큰(열 관성이 큰) 히터부하를 구비한 제품에 적용되는 한계가 있다.

한편, 기계식 온도조절기인 바이메탈의 제어방법을 그대로 전자식으로 옮긴 제어방법이 전기레인지나 고급형 히터 등을 중심으로 적용되고 있는데, 이 방식은 부하에 온도센서를 장착한 후 제어입력(설정온도)과 부하의 온도 차이를 비교하여 부하온도가 더 낮으면 스위치를 온 시켜 에너지를 공급하고 부하온도가 설정온도보다 높으면 스위치를 오프 시켜 에너지 공급을 차단하는 방식으로 제어하는 일종의 피드백(Feedback)제어 방식이다. 이러한 제어방법은 가변주기형 영점제어 방식의 변형으로 볼 수 있는데, 주변온도나 부하가 구동하는 환경 등에 따라 동일한 제어입력에서도 다른 주기를 갖는 제어출력이 생길 수 있기 때문이다. 그러나 이 방법 역시 전기에너지가 일정 시간구간 동안에 밀집된 형태로 공급되고, 일정 시간구간 동안에 공급이 차단되는 영점제어 방식의 근본적인 문제는 해결하지 못하였다.

한편, 전술한 바와 같이 AC 전원의 영점에 동기하여 스위치를 동작시키는 영점제어에 릴레이 등의 마그네틱 부품은 응답(동작)속도가 느려 사용할 수 없기 때문에, TRIAC, SCR, Power TR, IGBT 등 반도체 소자가 스위치로 사용된다. 그러나 큰 부하전류가 반도체 소자 스위치를 통하여 흐르면서 스위치에서 많은 열이 발생하기 때문에, 반도체 스위치 소자의 열을 식히기 위해 통상 큰 방열판을 장착하거나 방열판으로 부족할 경우 방열팬을 설치한다.

일례로, 양방향 스위치이면서 구동 회로가 간편한 장점이 있어 영점제어에 가장 흔하게 사용하는 트라이악(TRIAC) 소자의 경우, 동작할 때(Turn on) 소자 양단에 대략 1V 내외의 전압이 인가되기 때문에 만일 부하전류가 10A 정도(220V 전원인 경우 대략 2.2kW 용량의 부하)이면 트라이악이 온 되었을 때 8-10W 정도의 에너지가 트라이악 내부에서 열로 변환되어 외부로 발산하게 된다. 트라이악 내부에서 발생된 이 열이 누적되어 소자가 과열되면서 고장을 일으키게 된다. 따라서 이 열을 식혀야 하는데, 가장 간단한 방법이 소자에 방열판을 장착하는 것이다. 이때, 식혀야 하는 열이 많으면 그에 비례하여 방열판 면적이 넓어져야 하는데, 방열판 크기를 무한히 키울 수 없으므로 이러한 경우에는 보통 방열판에 덧붙여 방열팬을 장착하게 된다.

그러나 방열팬을 추가하면 팬으로 인한 소음 문제와 더불어 다른 부품 대비 상대적으로 매우 짧은 팬의 수명(팬이 주변의 먼지 등을 빨아들이면서 물리적인 손상을 받고 또한 온도가 높은 환경에서 동작하기 때문에 일반적인 경우보다 수명이 더 짧아짐)으로 인해 제품의 전체적인 품질에 나쁜 영향을 미친다.

한편, 방열팬 없이 방열판(상대적으로 작은 면적의 방열판)으로 스위치 소자의 발열 문제를 해결하려면 소자로 흐르는 전류 양을 줄여야 하는데, 가장 쉽게 생각할 수 있는 방법은 하나 이상의 똑같은 스위치 소자를 병렬로 연결하는 방법이다. 그러나 이 방법은 같은 제조라인에서 생산된 동일한 사양을 갖는 반도체 소자라 하더라도 특성이 똑같지 않아, 병렬로 연결한 소자들 중 상대적으로 더 작은 온 저항을 갖는 스위치 소자로 전류 쏠림이 발생하기 때문에 소자의 발열을 줄이려는 원래 목적을 해결하기 어려운 문제가 있다.

상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 부하에 제공되는 전기에너지를 에너지 공급 구간에 있어서 일정 구간에 치우쳐 공급되지 않도록 평탄화하여 공급할 수 있는 제어 데이터 패턴에 의해 스위칭을 제어함으로써, 위상제어 방식에 버금가는 제어품질을 제공할 수 있는 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 AC 전원에 부하를 연결시키는 스위치를 영점제어 방식으로 조절할 시 에너지를 분산시켜 공급함으로써 큰 용량의 부하에 대하여 더 작은 온도 변동률로 정밀하게 제어가 가능함과 아울러 인접 부하에 안정적인 전원을 공급할 수 있는 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 반도체 소자 스위치의 동작조건 및 동작환경을 개선하여 스위치의 수명을 늘리고 전력공급 제어장치 전체의 안정성을 높일 수 있는 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법을 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법은, 교류전원이 부하에 입력되도록 상기 교류전원과 상기 부하 사이에 병렬로연결된 복수의 스위치와, 스위치 제어신호에 따라 해당 스위치를 스위칭시키는 스위치구동부와, 상기 교류전원의 전압파형이 0전위를 교차하는 시점을 감지하여 상승에지 또는 하강에지를 갖는 영점신호를 출력하는 영점검출부와, 상기 영점신호에 따라 상기 스위치 제어신호를 출력하는 제어부를 구비한 전력공급 제어장치의 전력공급 제어방법에 있어서, (a) 상기 제어부가, 상기 교류전원 대비 상기 부하에 공급되는 전력량의 비율에 따라 소정 개수의 제어입력 단계를 설정하는 과정; (b) 상기 설정된 제어입력 단계에 각각 대응하여 상기 부하에 공급되는 전기에너지가 소정 공급주기에 대하여 균일한 비율로 분포되도록 디지털 제어 데이터 패턴으로 정의하는 과정; (c) 상기 정의된 디지털 제어 데이터 패턴을 룩업테이블(Lookup Table)로 메모리에 저장하는 과정; (d) 제어입력이 감지되면, 상기 룩업테이블에서 대응하는 디지털 제어 데이터 패턴을 선택하는 과정; (e) 상기 영점검출부로부터 상기 영점신호의 출력을 대기하는 과정; (f) 상기 영점신호가 발생하면 상기 발생한 영점신호에 맞춰 상기 선택한 디지털 제어 데이터 패턴의 비트를 순차적으로 제1스위치 제어신호로 출력하는 과정; (g) 상기 출력된 비트가 '1'이면 제2스위치 제어신호를 출력하는 과정; 및 (h) 상기 감지된 제어입력이 변경되었는지 점검하고, 상기 제어입력이 변경되었으면 상기 (d)과정으로 돌아가고, 상기 제어입력이 변경되지 않았으면 상기 (e)과정으로 돌아가는 과는 과정;으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 따른 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법에 있어서, 상기 디지털 제어 데이터 패턴은, 상기 교류전압의 반주기마다 대응하며 상기 부하에 전력을 공급하는 구간을 나타내는 하이(High) 비트인 '1'과, 상기 교류전압의 반주기마다 대응하며 상기 부하에 전력을 공급하지 않는 구간을 나타내는 로우(Low) 비트인 '0'으로 구성하고, 이를 상기 룩업테이블에 16진수로 기록하며, 상기 하이비트와 로우비트가 상기 소정 공급주기에 대하여 균일한 비율로 분포된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 부하에 제공되는 에너지를 모든 구간에서 평탄화하여 공급함으로써 위상제어 방식에 버금가는 제어품질을 제공할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명은 AC 전원에 부하를 연결시키는 스위치를 영점제어 방식으로 조절할 시 에너지를 분산시켜 공급함으로써 응답속도가 빠른 부하에 대해서도 양호한 제어품질을 제공함과 아울러 큰 용량의 부하에 대하여 더 작은 온도 변동률로 정밀하게 제어가 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 큰 용량의 부하에 대하여 더 작은 온도 변동률로 정밀하게 제어가 가능하므로, 인접 부하에 안정적인 전원을 공급할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 큰 용량의 부하에 대하여 복수의 스위치를 병렬로 연결하고 스위치를 구동하는 제어 데이터 패턴을 각각의 스위치에 순차적으로 적용하여, 하나의 스위치가 담당하는 전력량이 부하의 전체 전력량을 스위치의 개수로 나눈 양이 되도록 감소시킴으로써 스위치의 동작 조건을 개선하고 수명을 늘리며, 전력공급 제어장치 전체의 안정성을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 부하의 용량이 큰 경우 하나 이상의 스위치를 부하에 병렬로 연결하여 개별 스위치로 흐르는 실효 전류(Effective Current, Irms)를 줄여 큰 부하전류로 인해 동작할 때 발생하는 발열량을 조절할 수 있으므로, 스위치의 발열을 해소하기 위해 방열팬이 필요한 경우는 방열팬 없이 방열판으로만 대체할 수 있고, 방열판만 사용하는 경우에는 방열판 크기를 많이 줄여 방열팬 소음 문제와 방열판 면적으로 인한 공간 문제, 비용 문제 등을 해결하는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 영점제어 방식에 의한 전력공급 제어장치를 개략적으로 나타낸 블록구성도,
도 2a 및 도 2b는 종래기술에 따른 고정주기형 영점제어 방식의 파형도,
도 3a 및 도 3b는 종래기술에 따른 가변주기형 영점제어 방식의 파형도,
도 4는 본 발명에 따른 에너지 분산 방식 전력공급 제어장치의 회로도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법을 나타낸 제어 흐름도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법을 나타낸 제어 흐름도,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법에 따른 파형도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것일뿐, 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

상세한 설명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

전술한 바와 같이, 영점제어 방식으로 부하에 공급되는 전력을 제어할 때 에너지를 밀집된 형태가 아닌 가능한 분산된 형태로 만들기 위해서는 각각의 제어입력에 대해 서로간의 규칙이나 연관관계를 고려하지 않고 해당 제어입력에 가장 적합한 독립적인 출력파형(부하에 인가되는 전압 파형)을 각각 따로 만들어야 한다. 그러므로 제어입력과 출력파형 사이에 일정한 수학적 규칙을 적용하는 종래의 PWM 제어방법이나 이와 유사하게 변형된 방법으로는 문제를 해결할 수가 없다.

본 발명에 따른 에너지 분산 방식의 전력공급 제어방법은 각각의 제어입력에 가장 적합한 출력파형을 모두 디지털 제어 데이터 패턴으로 정의하여 룩업테이블(Lookup Table)에 기록하고, 제어입력이 선택되면, 해당 제어입력에 대응하여 기록해 둔 디지털 제어 데이터 패턴으로 정의된 스위칭 제어신호를 출력함으로써 상술한 문제를 해결한다.

본 발명의 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법에 따른 출력파형의 일례를 도 7a 및 도 7b에 나타내었다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 본 발명에 따른 출력파형은, 온 사이클과 오프 사이클이 구분되고 밀집된 형태로 에너지의 공급과 차단이 이루어지는 도 2a 및 도 2b와 도 3a 및 도 3b에 나타낸 종래기술에 따른 영점제어 방식과는 달리, 온 구간과 오프 구간이 균일한 비율로 분포되어, 각각의 제어입력(도 7a는 제어입력이 40%인 경우를, 도 7b는 제어입력이 80%인 경우를 나타냄)에 대해 제어주기 전체구간에서 에너지가 고르게 분산되는 형태로 공급됨을 볼 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법으로 영점제어를 할 경우, 열 관성이 큰 히터부하를 종래보다 더 작은 온도변동률로 정밀하게 제어할 수 있고, 종래의 영점제어 방법으로는 현실적으로 가능하지 않았던 열 관성이 작고 응답이 빠른 히터부하의 온도제어나 선풍기와 같은 AC 유도모터의 속도제어 등을 영점제어 방식으로 수행할 수 있다.

또한, 종래의 영점제어 방식으로 큰 용량의 부하를 제어할 때 부작용으로 나타났던 전원전압의 흔들림 문제도 부하의 큰 전류로 인해 제어입력에 따라 전원전압이 전체적으로 낮아지거나 높아지는 등의 변동은 발생하겠지만, 하나의 선택된 제어입력에서는 전원의 요동, 즉 흔들림 현상이 거의 발생하지 않아 보다 안정적인 전원을 인접한 다른 부하로 공급할 수 있다.

또한, 부하에 온도센서나 속도센서 등을 부착하고 이 신호와 제어입력을 조합하여 제어하는 종래의 피드백제어 방식에 본 발명에 따른 전력공급 제어방식을 적용하면, 제어입력과 센서출력에 따른 에너지 조절이 정의된 패턴을 기준으로 센서값에 따라 한 패턴 위의 데이터를 선택하거나 한 패턴 아래 데이터를 선택하는 방식으로 제어되므로, 항상 균일하게 분산된 에너지가 꾸준히 공급되어 부하의 온도변화율이 종래의 피드백제어 방식에 비해 월등이 개선된다.

본 발명에 따른 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법을 설명하기 위한 구체적인 실시예로서, 전기레인지에서 사용하는 1800W 히터부하를 9 단계로 온도제어하는 경우를 설명한다. 각 단계의 제어입력에 대한 제어 데이터 패턴과 이 제어 데이터 패턴에 대한 에너지 전달비율, 그리고 이에 따라 부하에 공급되는 전력을 하기의 표1에 정리하였다.

표 1은 제어입력과 부하전력이 선형적으로 비례하도록 정의한 제어패턴의 일례를 나타낸 것이다. 전자식으로 전력공급을 제어할 경우, 제어입력의 단계를 표시하기 위해 통상 세븐세그먼트(7-segment) 소자를 사용하므로, 하나의 세븐세그먼트 소자가 표현할 수 있는 숫자에 맞추어 제어입력의 단계를 0에서 9까지 10단계로 구분하였다. 여기서, 0 단계는 통상적으로 부하에 전력이 공급되지 않는, 즉 전기레인지가 꺼진 상태를 나타내므로, 하기의 표 1에서는 1단계에서 9단계까지의 제어입력에 따른 제어 데이터 패턴만을 나타내었다.

상기 표 1의 제어 데이터 패턴에서 에너지 전달비율은 전체 제어 데이터 패턴의 비트 수에서 논리 1이 출력되는 비율로 정의되는데, 패턴의 길이가 상대적으로 짧은 3단계 제어입력을 예로 들면, 이 단계에서 제어 데이터 패턴의 길이는 12비트(16진수 924H를 2진수로 표현하면 1001_0010_0100)로, 1의 개수가 4개이므로 (4/12)*100%를 계산하면 대략 33.3%가 된다. 따라서 부하로 전달되는 전력은 1800W의 33%인 600W이며, 다른 제어입력에 대해서도 마찬가지 방법으로 계산할 수 있다.

마지막 9 단계는 AC 전원이 모두 부하로 전달되므로 패턴이 모두 논리 1이 되는데, 16진수 표현에서 모두 1인 데이터는 FH 이므로 표 1에서 가장 짧은 패턴으로 등록된다.

제어 데이터 패턴의 다른 실시예로 제어입력에 대해 부하에 공급되는 전력이 지수함수 형태를 따르는 관계를 만들 수 있다. 즉, 지수함수 형태는 제어입력이 낮은 단계에서는 전력 변화량이 작아 천천히 변하고 어느 이상의 단계가 지나면 제어입력에 따른 전력 변화량이 매우 커지는 것으로서, 제어할 부하 특성이나 적용할 제품의 특성에 맞추기 위해 적용할 수 있는 제어 데이터 패턴이다. 하기의 표 2는 제어입력에 따라 부하전력이 지수함수 관계로 정의된 제어 데이터 패턴의 일례를 나타낸 것이다.

하기의 표 2에서 각각의 제어입력에 대한 제어 데이터 패턴의 에너지 전달비율은 상기 표 1에서 설명한 것과 동일하므로 다시 반복하여 설명하지 않는다. 하기의 표 2에서는 9 단계의 제어입력에 대해 부하로 공급되는 에너지가 낮은 단계에서 좀 더 세밀하게 조절될 수 있도록 지수함수 형태로 제어된다.

제어 데이터 패턴의 또 다른 실시예로 제어입력에 대해 부하에 공급되는 전력이 로그함수 형태를 따르는 관계를 만들 수 있다. 즉, 로그함수 형태는 제어입력이 낮은 단계에서는 전력 변화량이 매우 크고 어느 이상의 단계가 지나면 제어입력에 따른 전력 변화량이 작아 천천히 변하는 경우에 적용될 수 있다. 하기의 표 3에 제어입력과 부하출력이 로그함수 관계인 제어 데이터 패턴을 나타내었다.

제어입력과 부하에 공급되는 전력 사이의 관계는 상기 표 1 내지 표 3에 예시한 관계뿐만 아니라 부하 또는 제품의 특성에 따라 요구하는 어떤 형태의 관계도 만들 수 있다.

또한, 선형관계 제어 데이터 패턴의 경우도 표 1은 단지 예시일 뿐이며, 제어입력 1단계인 가장 낮은 전력값과 이어지는 단계의 값 조정을 통해 선형관계의 기울기와 시작점을 조절할 수 있다. 또한, 하나의 제어패턴에 대해 완전한 분산을 어느 정도 희생하고, AC 전원의 위쪽 패턴 개수와 아래쪽 패턴 개수가 같아지는 형태만 선택하여, 모든 제어 구간에서 부하에 직류오프셋(DC offset)이 없이 완전한 AC 전력이 공급되도록 할 수도 있다.

따라서 제어 데이터 패턴은 적용하려는 부하와 응용제품, 제어목적 등 여러 가지 상황에 따라 서로 다른 모양이 될 수 있으므로, 본 발명에 따른 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법은 어느 경우이든 룩업테이블에 의한 제어 데이터 패턴 참조 방식을 사용하여 부하에 각 제어단계마다 최적의 상태로 에너지가 공급되도록 제어할 수 있는 방안을 제공한다.

표 1 내지 표 3과 같이, 각각의 제어입력에 대해 상응하는 고유의 제어 데이터 패턴이 정의되었을 때, 이 제어 데이터 패턴을 사용하여 영점제어를 수행하기 위한 본 발명에 따른 에너지 분산 방식 전력공급 제어장치의 회로도를 도 4에 도시하였다. 또한, 도 4의 제어기(MCU)에서 수행되는 본 발명에 따른 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법의 제어 흐름도를 도 5 및 도 6에 나타내었다.

도 4는 본 발명에 따른 에너지 분산 방식 전력공급 제어장치의 회로도로서, 먼저 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 에너지 분산 방식 전력공급 제어장치를 상세히 설명한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전력공급 제어장치는 제1스위치(130), 제1스위치구동부(135), 영점검출부(140), 제어부(150), 제2스위치(160), 제2스위치구동부(165), 조작부(180) 및 표시부(190)를 포함하여 구성된다.

상기 제1스위치(130)는 1개의 제어트라이악(132)을 설치하고, 이 제어트라이악(132)을 제1스위치구동부(135)에 의해 제어한다.

상기 제1스위치구동부(135)는 외부 신호(즉, 전력제어부로부터 출력된 스위칭 제어신호)에 의해 발광하는 발광다이오드와, 이 발광다이오드의 발광에 의해 동작이 제어되는 포토트라이악(137)을 포함하여 이루어진다. 상기 포토트라이악(137)이 온(도통)되어 전류가 흐르게 되면, 이 전류는 제1스위치(130)에 구비된 제어트라이악(132)을 온시키기 위한 신호로 이용된다. 이러한 발광다이오드 및 포토트라이악(137)을 이용한 구성은 교류전원(110)으로부터의 고전압 또는 고전류를 다른 회로에 대하여 절연시킬 수 있다.

또한, 상기 제1스위치(130) 및 제1스위치구동부(135)와, 제2스위치(160) 및 제2스위치구동부(165)가 병렬로 연결된다. 상기 제2스위치(160) 및 제2스위치구동부(165)의 구성 및 동작은 제1스위치(130) 및 제1스위치구동부(135)와 동일하므로 그 설명을 생략한다.

상기 영점검출부(140)는 교류전압의 위상이 0전위와 교차하는 시점을 감지하고, 교류전압파형의 스위칭 시점을 설정하기 위한 것으로서, 도 4에서는 저항과 다이오드를 조합하여 간단하게 구성한 일례를 도시하였다. 이러한 영점검출부(140)는 교류전원(110)의 전압파형이 0전위가 되는 시점에 동기하여 상승에지 또는 하강에지를 갖는 구형파 신호(영점신호)를 출력하게 되고, 이 영점신호는 제어부(150)로 입력된다.

즉, 상기 영점검출부(140)는 교류전원(110)으로부터 브리지 다이오드를 이용하여 전파 정류하고, 정류된 파형에서 전압이 0이 되는 시점을 감지하여 0전위 시점을 판단하게 된다.

한편, 상기 영점검출부(140)는 구비한 다이오드의 장벽 전압 또는 항복 전압에 의한 신호의 지연을 보상하기 위한 회로를 더 구비할 수도 있다.

제어부(150)는 영점검출부(140)로부터 입력되는 영점신호에 동기하여 제1 및 제2스위칭제어신호를 제1스위치구동부(135) 및 제2스위치구동부(165)로 출력한다. 이때, 제1 및 제2스위칭제어신호는 조작부(180)에 의해 선택된 제어입력에 대응하는 제어 데이터 패턴에 맞추어 하이 및 로우 값을 나타내는 신호일 수 있다. 제1 또는 제2스위칭제어신호는 제1스위치구동부(135) 또는 제2스위치구동부(165)에서 발광 다이오드를 스위칭하게 된다.

제어부(150)는 메모리(154)를 내장하고 있으며, 이 메모리(154)로부터 원하는 정보를 독출할 수 있다. 메모리(154)에는 전술한 제어 데이터 패턴에 대한 룩업테이블이 저장되어 있다. 또한, 이러한 메모리(154)는 제어부(150)의 외부에 별도로 설치될 수도 있다.

또한, 제어부(150)는 조작부(180)로부터 전력 공급량을 늘리거나 줄이기 위한 사용자 조작에 의한 제어입력을 제공받을 수 있으며, 이러한 제어입력에 대응하여, 사용자가 조절하고자 하는 전력 공급량에 대응된 제어 데이터 패턴을 룩업테이블로부터 독출하고, 독출한 제어 데이터 패턴을 스위칭 제어신호로서 출력하게 된다.

한편, 제어부(150)는 현재 출력되고 있는 전력 공급량을 시각적 또는 청각적으로 표시하기 위한 표시신호를 출력할 수 있다.

조작부(180)는 하나 또는 복수의 기계적 스위치나 버튼을 포함할 수 있으며, 터치 패드와 같은 입력 수단을 포함할 수도 있다.

표시부(190)는 출력되는 표시 신호를 LED나 LCD 등의 표시 수단을 이용하여 시각적으로 표시할 수 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법을 나타낸 제어 흐름도이며, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법을 나타낸 제어 흐름도이다. 이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법을 상세히 설명한다.

전술한 표 1 내지 표 3와 같이 제어 데이터 패턴이 정의된 룩업테이블은 도 4에 도시한 제어기(150)의 메모리(154)를 비롯하여 도 1에 나타낸 종래기술에 따른 전력제어기(50)에도 내장될 수 있다.

먼저, 도 4 및 도 5를 참조하면, 제어부(150)는 먼저 제어입력에 상응하는 표 1 내지 표 3과 같은 고유의 제어 데이터 패턴을 사용할 수 있는 상태로 설정한다(S101).

S101단계에서, 만일 제어부(150)의 내부 메모리(154)의 룩업테이블에 제어 데이터 패턴이 기록되어 있고, 동작 중에 이 데이터에 무순으로 접근(Random Access)할 수 있다면 이 과정이 필요 없을 수도 있다. 반면에, 외부 메모리 장치를 포함하여 다른 메모리 장치나 제어기 내부에서 동작 중에 직접 접근할 수 없는 형태로 제어 데이터 패턴이 기록되어 있다면 원활한 동작을 위해 데이터에 무순으로 도달할 수 있는 버퍼 메모리와 같은 장치로 데이터를 옮기는 과정이 필요할 수 있다.

이어, 제어부(150)에서 제어입력이 검출되면 이 입력에 상응하는 제어 데이터 패턴을 메모리(154)에서 선택한 후(S103), 영점검출기(140)의 출력인 영점신호를 대기한다(S105). S105단계에서 영점신호가 발생하면 제어부(150)는 영점신호에 맞춰 선택한 제어 데이터 패턴의 비트를 순차적으로 스위치 제어신호로 출력한다(S107). 예를 들어, 제어 데이터 패턴의 첫 번째 비트를 첫 번째 영점신호에서 출력했다면, 바로 이어지는 그 다음 영점신호에서는 두 번째 비트를 출력하고 그 다음 영점신호에서는 세 번째 비트를 출력한다. 이때, 정의된 패턴이 끝나면 그 다음 영점신호부터 제어 데이터 패턴의 첫 번째 비트부터 다시 순차적으로 출력하는 동작을 반복한다.

이 동작을 실제적으로 구현하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있는데, 다른 예로서 제어 데이터 패턴의 마지막 비트부터 시작하여 거꾸로 진행할 수도 있고, 임시 이동버퍼(shift buffer)를 정의하여 현재 선택한 비트를 출력한 후 이 이동 버퍼의 비트를 왼쪽 또는 오른쪽으로 일관되게 한 비트 씩 이동시키는데, 이때 현재 출력한 비트를 이동하는 버퍼의 입력에 피드백시켜 마치 영점신호를 클럭으로 사용하는 시프트 레지스터와 같은 동작으로 구현할 수도 있다.

또 다른 방법으로는 논리 1이 하나만 있으면서 영점신호가 발생할 때 마다 왼쪽 또는 오른쪽으로 일관되게 한 자리씩 이동하는 마스크 패턴을 정의하고 이 마스크와 선택한 제어 패턴 데이터에 논리곱(AND) 연산을 하여 그 결과를 스위치 제어신호로 출력할 수도 있다.

이와 같이 실제로 적용할 때 다양한 형태로 구현하는 방법이 있지만, S107단계의 핵심은 미리 정의된 제어 데이터 패턴 중 제어입력에 상응하는 제어 데이터 패턴을 영점신호에 맞춰 비트 단위로 순차적으로 출력하는 동작을 수행하는 것이다.

한편, 부하(120)의 용량이 커서 스위치에서 동작 중 발생하는 발열이 많을 경우, 이를 해결하기 위하여 제1스위치(130) 및 제1스위치구동부(135)와, 제2스위치(160) 및 제2스위치구동부(165)와 같이 복수개의 스위치를 부하(120)에 병렬로 연결한다. 도 4에서 제1스위치부(130, 135)와 제2스위치부(160, 165)는 전원과 부하(120) 사이에 병렬로 연결되었지만, 각 스위치는 제어부(150)에서 독립적으로 제어한다. 이때, 제어부(150)에서 두 스위치를 동시에 켜는 동작은 하지 않으므로 두 스위치가 같이 켜졌을 때 둘 중 온 저항이 더 작은 스위치로 전류가 쏠리는 문제는 발생하지 않는다.

복수개의 스위치를 부하(120)에 병렬로 연결하는 경우에도, 제어부(150)가 전체 제어 데이터 패턴을 메모리(154)에 적재한 후(S101) 현재의 제어입력에 상응하는 제어 데이터 패턴을 선택하는 과정(S103)은 하나의 스위치를 사용할 경우와 동일하다. 다만, 스위치가 하나인 경우, 영점신호가 발생하면 영점신호에 맞춰 제어 데이터 패턴의 비트를 순차적으로 스위치 제어신호로 출력하는 동작을 하지만, 스위치가 복수개이면 어떤 스위치를 사용할 것인지 결정하여 두 스위치 중 하나에 스위치 제어신호를 인가해야 한다.

이때, 제어 데이터 패턴에는 스위치를 켜지 않고 꺼진 상태를 유지하는 비트 '0'과 스위치를 켜는 비트 '1'이 혼합되어 있으므로, 영점신호가 발생했을 때 단순히 두 스위치를 교대로 선택하여 스위치 제어신호를 보내게 되면, 극단적으로 50%에 해당하는 '0'과 '1'을 반복하는 데이터 패턴인 경우 '0'에 해당하는 스위치는 항상 꺼져있고 '1'에 해당하는 스위치는 매번 켜지기 때문에 부하로 흐르는 실효 전류(Irms)를 스위치 두 개에 반씩 나눠지게 하려는 원래 목적을 달성할 수 없는 문제가 발생한다.

따라서 데이터 비트가 '0' 이면 스위치가 꺼진 상태를 유지하므로 무시하고 데이터 비트가 '1' 인 경우만 스위치 제어신호를 발생하도록 한다.

즉, 제어부(150)는 영점신호가 발생하면(S105) 여기에 맞춰 제어 데이터 패턴의 비트를 순차적으로 출력하고(S107), 현재의 데이터 비트가 '1'인지 점검한다(S109).

상기 S109단계의 판단에서 제어부(150)는 현재의 데이터 비트가 '0'이면 스위치를 켜지 않으므로 바로 제어입력이 바뀌었는지 점검한 후(S117), 제어입력이 바뀌었다면 바뀐 제어입력에 맞는 데이터 패턴을 다시 선택한 후(S103) 영점신호를 점검하고, 그렇지 않으면 바로 영점신호가 발생할 때까지 기다리는 동작(S105)을 반복한다.

한편, 상기 S109단계의 판단에서 현재의 데이터 비트가 '1'이면 제어신호를 출력한 바로 이전 동작에서 제1스위치(130)를 사용했는지 점검하고(S111), 제1스위치(130)가 사용되었다면 제2스위치(160)에 제어신호를 출력하여(S113) 스위치를 켜고, 제1스위치(130) 사용을 정의하는 플래그를 해제한다(S115). 그러나 상기 S111단계의 판단에서 이전 동작에서 제1스위치(130)를 사용하지 않았다면 제1스위치(130)에 제어신호를 출력하여(S112) 스위치를 켜고 제1스위치(130) 사용을 정의하는 플래그를 설정한다(S114). 이후, 제어부(150)는 제어신호 출력 후 제어입력 상태를 점검하고(S117) 점검결과에 따라 이후 제어입력에 맞는 데이터 패턴을 다시 선택한 후(S103) 영점신호를 점검하거나(S105), 영점신호가 발생할 때까지 기다리는 동작(S105)을 반복한다.

도 5의 제어흐름도에 따라 제어부(150)를 동작시키면 모든 제어 데이터 패턴에 대해 각각의 스위치는 제어 데이터 패턴이 정의하는 전력의 1/2만 처리하기 때문에 그 만큼 스위치로 흐르는 실효 전류(Irms)가 줄어들어 스위치 소자의 발열량 또한 비례하여 줄어든다. 따라서 방열팬을 사용한 경우에는 방열팬 없이 방열판만 사용할 수 있고, 방열판만 사용한 경우는 방열판 면적을 최소화할 수 있다.

도 5에 예시한 제어흐름은 하나의 제어 데이터 패턴을 사용하는 경우이지만, 제어 데이터 패턴을 기록한 룩업테이블을 저장할 메모리(154) 공간에 여유가 있다면 각각의 스위치에 독립적인 패턴을 할당할 수 있다. 예를 들어, 부하(120)를 계속 켜는 9단계의 경우 데이터 패턴이 모두 1인 FH인데, 이 경우 제1스위치에는 1010…… 이 반복되는 AH패턴을 할당하고 제2스위치에는 0101…이 반복되는 5H패턴을 할당하는 것이다. 이렇게 하면 현재의 제어 데이터 패턴 비트를 점검하는 동작과 바로 이전에 어떤 스위치를 사용했는지를 정의하는 플래그를 설정하는 과정(S109 내지 S115) 없이 영점신호가 발생할 때마다(S105) 제1스위치(130)와 제2스위치(160)에 교대로 제어신호를 출력하면 된다(S107).

또 다른 방법은 두 개의 스위치 중 하나를 주스위치(Main Switch)로 정의하고 다른 하나를 부스위치(Sub Switch)로 정한 다음, 부하(120)로 전달되는 에너지가 일정량, 예를 들어 50% 이하이면 주스위치만 동작시키고 그 이상이면 주스위치와 부스위치가 영점신호에 따라 교대로 켜지는 형태로도 구성할 수 있다.

도 4와 도 5에 제시한 두 개의 스위치를 사용하는 방법은 기본적인 동작 원리에 대한 설명을 위한 것으로서, 부하의 용량이 매우 큰 경우에는 3개 이상의 스위치를 병렬로 연결하여 동작시킬 수 있으며, 이 경우 제어부(150)의 제어 동작은 두 개의 스위치를 사용하는 경우를 확장하면 된다.

두 개의 스위치를 사용하는 경우와 3 개의 스위치를 사용하는 경우의 가장 큰 차이점은 두 개의 스위치의 경우 이전 동작에서 어떤 스위치가 동작했는지 판단하는 플래그 비트를 사용하는 반면에, 3개 이상의 스위치에서는 스위치 개수에 따라 2비트 또는 3비트 카운터를 사용하여 구분할 수 있다.

도 5의 제어흐름은 통상 MCU나 DSP와 같은 디지털제어기에 프로그램 형태로 구현하지만, 패턴 메모리, 시프트 레지스터 그리고 간단한 상태기계(State Machine)를 사용해 논리회로로 구현할 수도 있다. 이러한 경우, 개별 반도체 소자를 가지고 PCB기판에 조립하여 제어동작을 구현할 수도 있으며, FPGA(Field Programmable Gate Array)와 같은 소자를 사용하여 다른 기능을 수행하는 IC소자의 내부에 하나의 제어회로블록으로 포함시킬 수도 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법을 나타낸 제어 흐름도로서, 기본적인 제어동작은 도 5와 동일하지만, 영점신호 점검과 제어입력을 점검하는 과정의 위치가 바뀌었고, 이에 따라 전체적인 제어 흐름이 변화되었다.

도 4 및 도 6을 참조하면, 제어부(150)가 동작을 시작하면 먼저 각각의 제어입력에 상응하는 고유의 제어 데이터 패턴을 설정하는데(S201) 이 부분은 도 5의 설명에서 언급한 것처럼 제어부(150) 자체에 동작 중 쉽게 접근할 수 있는 메모리(154) 영역에 제어 데이터 패턴이 룩업테이블 형태로 저장된 경우는 이 단계가 필요 없을 수 있다. 제어부(150)는 제어 데이터 패턴을 설정한 후(S201) 외부의 제어입력을 받아들여 현재 선택된 값과 차이가 있는지 점검한다(S203). 이때, 제어부(150)가 맨 처음 시작하는 경우는 보통 제어부(150)의 내부에서 제어입력을 담당하는 변수가 0으로 초기화된 상태이므로 외부 제어입력이 0이 아니면 제어입력이 바뀐 것으로 판단한다.

제어부(150)는 상기 S203단계의 판단결과, 제어입력이 바뀌었으면 제어입력에 상응하는 제어 데이터 패턴을 선택하고(S205), 그렇지 않으면 제어 데이터 패턴 선택 과정을 진행하지 않고 이후 영점신호를 기다리다가(S207) 영점신호가 발생하면 영점신호에 맞춰 선택한 제어 데이터 패턴의 비트를 순차적으로 스위치 제어신호로 출력한다(S209).

제어부(150)는 상기 S209단계의 스위치 제어신호 출력 후에는, 현재의 데이터 비트가 '1'인지 점검한다(S211). 상기 S211단계의 판단에서 제어부(150)는 현재의 데이터 비트가 '0'이면 스위치를 켜지 않으므로 바로 제어입력이 바뀌었는지 점검(S203)하는 동작을 반복한다.

한편, 상기 S211단계의 판단에서 현재의 데이터 비트가 '1'이면 제1스위치(130)를 사용했는지 점검하고(S213), 제1스위치(130)가 사용되었다면 제2스위치(160)에 제어신호를 출력하여(S215) 스위치를 켜고, 제1스위치(130) 사용을 정의하는 플래그를 해제한다(S217). 그러나 상기 S213단계의 판단에서 이전 동작에서 제1스위치(130)를 사용하지 않았다면 제1스위치(130)에 제어신호를 출력하여(S214) 스위치를 켜고 제1스위치(130) 사용을 정의하는 플래그를 설정한다(S216). 이후, 제어부(150)는 제어신호 출력 후 제어입력이 바뀌었는지 확인하는 단계(S203)로 되돌아가 그 이후의 동작을 계속 반복한다.

도 5와 도 6의 제어흐름에서 가장 큰 차이는 제어입력을 점검하는 회수에있다. 도 5의 경우, 영점신호를 기다리다가 영점신호가 발생하면 제어 비트를 출력하고 그 이후에 제어입력의 상태를 점검하여 관련 동작을 처리하면 다시 영점신호가 발생할 때까지 제어입력을 점검하지 않는다. 즉, 도 5는 영점신호가 발생하는 시점마다 한 번씩만 제어입력의 상태를 확인하는 반면, 도 6에서는 영점신호를 점검한 후 영점이 발생하지 않았으면 바로 이어서 제어입력의 상태를 확인한다. 그 이후 제어입력의 상태에 따라 해당 동작을 처리하고 다시 영점신호의 상태를 점검하는 동작을 반복하므로, 도 6의 제어흐름에서는 제어입력의 상태가 제어부(150)에 즉시 반영되는 효과가 있다. 따라서 외부 제어입력의 상태 변화를 바로 반영해야 하는 응용에서는 도 6의 제어흐름도가 더 적합할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법은 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 전압을 공급하는 온 구간과 오프 구간이 서로 균일하게 분산됨으로써 열 관성이 큰 히터 부하에 대해서도 작은 온도변동률로 정밀하게 온도제어를 수행할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법은 종래의 영점제어 방식으로는 현실적으로 불가능했던 열관성이 작고 응답이 빠른 히터부하의 온도제어나 선풍기와 같은 소용량 AC 유도전동기의 속도제어 등을 원하는 정도로 정확하게 수행할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법은 용량이 큰 부하가 기본적으로 큰 전류를 소모하기 때문에 나타나는 전체적인 전원전압의 낮아지고 높아지는 현상을 제외하면, 전원공급에 있어서 전압파형의 1 사이클 단위로 발생하는 일시적인 전원전압의 변동이 나타나지 않음으로써 또 다른 부하에 대하여 더욱 안정적인 전원공급이 가능하다.

한편, 본 발명에 따른 전력공급 제어장치의 또 다른 실시예에 있어서는, 부하에 대하여 부하의 동작상태를 감지하는 소정의 감지수단을 부가하고, 이 감지수단으로부터 감지된 결과를 이용하여 부하의 동작상태에 맞추어 제어 입력을 자동으로 조정하도록 할 수도 있다. 즉, 부하가 히터인 경우에는 감지 수단으로서 디지털 온도센서 또는 바이메탈을 적용할 수 있으며, 부하가 전동기인 경우에는 감지수단으로서 회전 속도센서를 적용할 수 있다.

예를 들어, 히터와 온도센서를 이용하는 경우에 있어서, 사용자가 임의의 온도를 설정하였다면, 전력공급 제어장치는 설정된 온도에 대응하는 제어 데이터 패턴으로 전기에너지를 공급하게 되고, 이러한 전기에너지 공급에 의해 히터가 동작하면 온도센서가 감지한 히터의 온도에 기초하여 자동으로 제어 데이터 패턴을 현재의 설정된 제어입력보다 높은 제어입력의 제어 데이터 패턴 또는 낮은 제어입력의 제어 데이터 패턴으로 적절하게 변경하는 제어를 수행할 수도 있다.

상술한 제어에 의하면, 인가되는 전기에너지에 의한 부하의 동작상태를 실제적으로 감지하고 자동으로 에너지 공급량을 변경할 수 있으므로, 더욱 정확한 전력공급 제어가 가능하다.

한편, 상술한 본 발명의 상세한 설명에서는 단지 하나의 부하를 배치하고, 이에 공급되는 제어 데이터 패턴을 제어하는 것에 관해 설명하였으나, 복수의 부하를 병렬로 배치하고, 각각의 부하에 개별적으로 제어 데이터 패턴에 따라 전력을 공급할 수도 있다. 이러한 제어에 의하면, 서로 다른 출력을 나타내는 복수개의 부하를 조합할 수 있으므로 더욱 다양한 출력을 나타내도록 하는 전력공급 제어가 가능하다. 따라서 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

Claims (2)

1. 교류전원이 부하에 입력되도록 상기 교류전원과 상기 부하 사이에 병렬로연결된 복수의 스위치와, 스위치 제어신호에 따라 해당 스위치를 스위칭시키는 스위치구동부와, 상기 교류전원의 전압파형이 0전위를 교차하는 시점을 감지하여 상승에지 또는 하강에지를 갖는 영점신호를 출력하는 영점검출부와, 상기 영점신호에 따라 상기 스위치 제어신호를 출력하는 제어부를 구비한 전력공급 제어장치의 전력공급 제어방법에 있어서,
   (a) 상기 제어부가, 상기 교류전원 대비 상기 부하에 공급되는 전력량의 비율에 따라 소정 개수의 제어입력 단계를 설정하는 과정;
   (b) 상기 설정된 제어입력 단계에 각각 대응하여 상기 부하에 공급되는 전기에너지가 소정 공급주기에 대하여 균일한 비율로 분포되도록 디지털 제어 데이터 패턴으로 정의하는 과정;
   (c) 상기 정의된 디지털 제어 데이터 패턴을 룩업테이블(Lookup Table)로 메모리에 저장하는 과정;
   (d) 제어입력이 감지되면, 상기 룩업테이블에서 대응하는 디지털 제어 데이터 패턴을 선택하는 과정;
   (e) 상기 영점검출부로부터 상기 영점신호의 출력을 대기하는 과정;
   (f) 상기 영점신호가 발생하면 상기 발생한 영점신호에 맞춰 상기 선택한 디지털 제어 데이터 패턴의 비트를 출력하는 과정;
   (g) 상기 디지털 제어 데이터 패턴의 출력한 비트가 '1'인지 판단하는 과정;
   (h) 상기 출력한 비트가 '1'이면 제1스위치 사용 플래그가 설정되어 있는지 판단하는 과정;
   (i) 상기 제1스위치 사용 플래그가 설정되어 있으면 상기 출력한 비트를 제2스위치 제어신호로 출력하고 상기 제1스위치 사용 플래그를 해제하며, 상기 제1스위치 사용 플래그가 설정되어 있지 않으면 상기 출력한 비트를 제1스위치 제어신호로 출력하고 상기 제1스위치 사용 플래그를 설정하는 과정;
   (j) 상기 감지된 제어입력이 변경되었는지 점검하여, 상기 제어입력이 변경되었으면 상기 (d)과정으로 돌아가고, 상기 제어입력이 변경되지 않았으면 상기 (e)과정으로 돌아가는 과정;으로 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 디지털 제어 데이터 패턴은,
   상기 교류전압의 반주기마다 대응하며 상기 부하에 전력을 공급하는 구간을 나타내는 하이(High) 비트인 '1'과, 상기 교류전압의 반주기마다 대응하며 상기 부하에 전력을 공급하지 않는 구간을 나타내는 로우(Low) 비트인 '0'으로 구성하고, 이를 상기 룩업테이블에 16진수로 기록하며,
   상기 하이비트와 로우비트가 상기 소정 공급주기에 대하여 균일한 비율로 분포된 것을 특징으로 하는 에너지 분산 방식 전력공급 제어방법.

Images