KR101644023B1 - 양방향 dc-dc 컨버터 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 돌입전류가 감소되도록 양방향 DC-DC 컨버터를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 고전압 단자와 저전압 단자 사이에서 부스트 모드와 벅 모드의 양방향 전압 변환을 수행하는 양방향 DC-DC 컨버터의 동작을 제어하는 제어 장치는, 상기 양방향 DC-DC 컨버터의 인덕터 전류를 모니터링하는 전류 감지부; 각 단자에서 발생한 입력 전압과 출력 전압을 이용하여, 듀티 값을 산출하는 듀티 산출부; 상기 고전압 단자의 릴레이와 상기 저전압 단자의 릴레이가 상기 양방향 DC-DC 컨버터에 접점되는 시점에, 상기 모니터링된 상기 인덕터 전류와 사전에 설정된 기준 전류를 비교하여 그 편차를 비례 적분하되, 적분값에 상기 듀티 값을 대입하여 비례 적분 제어값을 생성하는 비례 적분 연산부; 및 상기 생성된 비례 적분 제어값에 근거하여 상기 양방향 DC-DC 컨버터에 포함된 한 쌍의 스위치 소자를 제어하기 위한 제어신호를 발생시키는 스위칭 제어부를 포함한다.

Description

양방향 DC-DC 컨버터 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING BIDIRECTIONAL DC-DC CONVERTER}
본 발명은 양방향 DC-DC 컨버터 제어 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 돌입전류가 감소되도록 양방향 DC-DC 컨버터를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 차량용 48V 시스템이 보급됨에 따라, 기존의 12V 시스템과 48V 시스템의 전기 흐름을 제어하기 위한, 양방향 DC-DC 컨버터의 필요성이 대두되었다. 상기 양방향 DC-DC는 지령 신호에 따라 스위치가 제어되어, 부스트 모드(boost mode) 또는 벅 모드(buck mode)로 동작한다. 아래의 특허문헌은 양방향 DC-DC 컨버터 및 그의 제어방법에 대해서 개시한다.
한편, 양방향 DC-DC 컨버터와 배터리는 릴레이를 통해서 전기적으로 연결된다. 즉, 양방향 DC-DC 컨버터의 동작이 요구되지 않은 상태인 경우 릴레이가 턴 오프(turn off)되어 양방향 DC-DC 컨버터와 배터리는 차단되고, 양방향 DC-DC 컨버터의 동작이 요구되는 경우에 릴레이가 턴 온(turn on)되어 배터리와 양방향 DC-DC 컨버터가 연결되고, 양방향 DC-DC 컨버터는 부스터 또는 벅 모드로 동작한다.
그런데 릴레이가 턴 온되는 시점에 큰 돌입전류가 DC-DC 컨버터에 인가될 수 있다. 즉, 릴레이가 턴 온되는 시점에 DC-DC 컨버터의 스위치는 입출력비에 해당하는 듀티(duty) 값이 출력되어야 하나, 스위치가 초기 구동될 때에 듀티 값이 가변된다. 이에 따라, 듀티 값이 가변되는 시간 동안에 과도한 돌입전류가 양방향 DC-DC 컨버터에 유입될 수 있는 문제점이 있다. 예컨대, 제1스위치의 듀티 값이 0.25인 경우에, 릴레이가 턴 온되는 시점에 초기 듀티 값 0.25가 제1스위치에서 출력되지 않고, 상기 초기 듀티는 0에서부터 0.25까지 가변되어, 듀티 값이 0에서부터 0.25로 가변되는 시간 동안에 과도한 돌입전류가 양방향 DC-DC 컨버터에 유입될 수 있다. 이러한 돌입전류는 양방향 DC-DC 컨버터의 데미지를 줌으로써, 양방향 DC-DC 컨버터의 수명을 단축시킬 뿐만 아니라, 오동작을 발생시키는 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2010-0115087호
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 돌입전류를 감소시켜 양방향 DC-DC 컨버터를 안정화시키는 양방향 DC-DC 컨버터 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1측면에 따른, 고전압 단자와 저전압 단자 사이에서 부스트 모드와 벅 모드의 양방향 전압 변환을 수행하는 양방향 DC-DC 컨버터의 동작을 제어하는 제어 장치는, 상기 양방향 DC-DC 컨버터의 인덕터 전류를 모니터링하는 전류 감지부; 각 단자에서 발생한 입력 전압과 출력 전압을 이용하여, 듀티 값을 산출하는 듀티 산출부; 상기 고전압 단자의 릴레이와 상기 저전압 단자의 릴레이가 상기 양방향 DC-DC 컨버터에 접점되는 시점에, 상기 모니터링된 상기 인덕터 전류와 사전에 설정된 기준 전류를 비교하여 그 편차를 비례 적분하되, 적분값에 상기 듀티 값을 대입하여 비례 적분 제어값을 생성하는 비례 적분 연산부; 및 상기 생성된 비례 적분 제어값에 근거하여 상기 양방향 DC-DC 컨버터에 포함된 한 쌍의 스위치 소자를 제어하기 위한 제어신호를 발생시키는 스위칭 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2측면에 따른, 제어 장치가, 고전압 단자와 저전압 단자 사이에서 부스트 모드와 벅 모드의 양방향 전압 변환을 수행하는 양방향 DC-DC 컨버터의 동작을 제어하는 방법은, 상기 양방향 DC-DC 컨버터의 인덕터 전류를 측정하는 단계; 각 단자에서 발생한 입력 전압과 출력 전압을 이용하여, 듀티 값을 산출하는 단계; 고전압 단자의 릴레이와 저전압 단자의 릴레이가 상기 양방향 DC-DC 컨버터에 접점되면, 상기 측정한 상기 인덕터 전류와 사전에 설정된 기준 전류를 비교하여 그 편차를 비례 적분하되, 적분값에 상기 듀티 값을 대입하여 비례 적분 제어값을 생성하는 단계; 및 상기 생성된 비례 적분 제어값에 근거하여 상기 양방향 DC-DC 컨버터에 포함된 한 쌍의 스위치 소자를 제어하기 위한 제어신호를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 양방향 DC-DC 컨버터와 릴레이가 접점되는 시점에, 입/출력단의 전압을 토대로 산출한 듀티 값을 적분값으로 대입하여 목표 제어값에 근접한 PI 적분값을 생성하고 상기 PI 적분값에 따른 제어신호를 발생시킴으로써, DC-DC 컨버터의 속응성을 향상시키고 돌입전류가 양방향 DC-DC 컨버터에 유입되는 것을 최소화하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 전원을 전달받는 출력측 전압이 정격 전압에 미달되면, 상기 출력측 전압이 정격전압에 도달하도록 스위칭 제어한 후에, DC-DC 컨버터가 양방향으로 동작되도록 제어함으로써, 양방향 DC-DC 컨버터 시스템도 안정화시키는 효과도 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 양방향 DC-DC 컨버터 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, DC-DC 컨버터의 동작을 제어하는 제어 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 제어 장치에서 과도전류가 양방향 DC-DC 컨버터로 유입되는 현상을 최소화하기 위하여, DC-DC 컨버터의 동작을 제어하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 4a는 종래의 DC-DC 컨버터에서 측정한 돌입전류를 나타내는 도면이고, 도 4b는 본 발명에 따라 제어된 DC-DC 컨버터의 돌입전류를 측정한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 제어 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 제어 장치에서 과도전류가 양방향 DC-DC 컨버터로 유입되는 현상을 최소화하고 전원의 안정화를 위하여, DC-DC 컨버터의 동작을 제어하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 양방향 DC-DC 컨버터 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이,본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터 시스템은, 복수의 전압 센서(21, 22), 복수의 릴레이(31, 32), 복수의 커패시터(41, 42), 양방향 DC-DC 컨버터(50) 및 DC-DC 컨버터 시스템을 제어하는 제어 장치(100)를 포함한다.
저전압 전원(11)은 고전압 전원(12)보다 낮은 전압을 가지며 충방전이 가능한 전원 장치로서, 12V 배터리가 채택될 수 있다. 상기 저전압 전원(11)은 저전압 릴레이(31)가 턴 온되면, 양방향 DC-DC 컨버터(50)와 전기적으로 연결되어, 저전압을 사용하는 부하 장치로 전원을 인가하거나 고전압 전원(12)을 충전시킨다.
고전압 전원(12)은 저전압 전원(11)보다 높은 전압을 가지며 충방전이 가능한 전원 장치로서, 48V 배터리가 채택될 수 있으며, 울트라 커패시터가 채택될 수도 있다. 상기 고전압 전원(12)은 고전압 릴레이(32)가 턴 온되면, 양방향 DC-DC 컨버터(50)와 전기적으로 연결되어, 고전압을 사용하는 부하 장치로 전원을 인가하거나 저전압 전원(11)을 충전시킨다.
전압 센서(21, 22)는 고전압 전원(12), 저전압 전원(11) 각각에 연결되어, 고전압 전원(12)의 전압 또는 저전압 전원(11)의 입/출력 전압을 측정하고, 이 측정된 전압값을 제어 장치(100)로 전달한다. 즉, 고전압 전원(12)에 연결된 전압 센서(22)는 상기 고전압 전원(12)의 입력 전압 또는 출력 전압을 센싱하여, 센싱한 결과값을 제어 장치(100)로 전달하고, 저전압 전원(11)에 연결된 전압 센서(21)는 상기 저전압 전원(11)에서 발생하는 입력 전압 또는 출력 전압을 센싱하여, 센싱한 결과값을 제어 장치(100)로 전달한다.
릴레이(31, 32)는 제어 장치(100)의 제어에 의해서 턴 온(turn on)되어, 전원(21, 22)과 양방향 DC-DC 컨버터(50)를 연결한다.
커패시터(41, 42)는 고전압 전원(12), 저전압 전원(11) 각각에 연결되며, 바람직하게는 출력 평활용 커패시터가 사용된다.
양방향 DC-DC 컨버터(50)는 제어 장치(100)의 제어 신호에 따라, 부스트 모드 또는 벅 모드로 동작한다. 즉, 양방향 DC-DC 컨버터(50)는 제어 장치(100)의 제어에 의해서, 저전압 전원(11)의 전류를 고전압 전원(12)으로 이동시키는 부스트 모드로 동작하거나, 고전압 전원(12)의 전류를 저전압 전원(11)으로 이동시키는 벅 모드로 동작한다.
상기 양방향 DC-DC 컨버터(50)는 인덕터(51), 전류 센서(52), 서로 상보적으로 동작하는 한 쌍의 스위치(53, 54)를 포함하며, 선택적으로 전압 센서를 추가적으로 포함할 수도 있다.
양방향 DC-DC 컨버터(50)에 포함된 한 쌍의 스위치(53, 54)는 고전압 스위치(53)와 저전압 스위치(54)로 구분되며, 각 스위치(53, 54)는 제어 장치(100)의 제어에 따라 턴 온되거나 턴 오프된다. 바람직하게, 스위치는 제어 장치(100)에서 생성된 PWM(Pulse Width Modulation)에 근거하여 턴 온되거나 턴 오프된다. 특히, 저전압 스위치(54)와 고전압 스위치(53)는 서로 상보적으로 동작한다. 즉, 저전압 스위치(54)가 턴 온되면 고전압 스위치(53)는 턴 오프되고, 또한 고전압 스위치(53)가 턴 온되면 저전압 스위치(54)가 턴 오프된다.
한편, 저전압 전원(11)에서 고전압 전원(12)으로 전류가 이동될 때, 저전압 스위치(54)가 메인 스위치로서 작동하고, 반대로 고전압 전원(12)에서 저전압 전원(11)으로 전류가 이동될 때, 고전압 스위치(53)가 메인 스위치로 작동한다. 바람직하게, 각각의 스위치(53, 54)는 반도체 스위치로서 바람직하게는 MOSFET이다.
인덕터(51)는 전류가 흐를 때 에너지를 축적하며, 전류 센서(52)는 상기 인덕터(51)에서 발생하는 전류를 센싱하여, 제어 장치(100)로 전달하는 기능을 수행한다. 상기 전류 센서(52)는 양방향 전류의 측정할 수 있는 센서로, 전류 흐름 방향에 따라 플러스 전류 또는 마이너스 전류를 센싱할 수 있다. 예컨대, 전류 센서(52)는 벅 모드에서 플러스 전류를 센싱하고, 반대로 부스트 모드에서 마이너스 전류를 센싱할 수 있다. 바람직하게, 전류 센서(52)는 역방향 전류(즉, 마이너스 전류)가 센싱될 때에는 이 마이너스 전류를 나타내는 전류 센싱값을 제어 장치(100)로 전달한다. 전류 센서(52)로는 홀(hall) 센서가 채용될 수 있다.
제어 장치(100)는 릴레이(31, 32), 전류 센서(52), 전압 센서(21, 22), 스위치(53, 54) 각각과 전기적으로 연결되고, 더불어 각각의 릴레이(31, 32) 및 스위치(53, 54)의 동작을 제어한다. 제어 장치(100)는 스위칭 제어신호를 생성할 때, 비례 적분 제어를 통해 제어신호를 생성한다. 특히, 제어 장치(100)는 릴레이들(31, 32)이 턴 온되어 전원(21, 22)과 양방향 DC-DC 컨버터(50)가 동작할 시점에, 과도 전류가 양방향 DC-DC 컨버터(50)로 유입되는 것을 방지하기 위하여, 듀티 값을 계산하고, 이 듀티 값을 피드 포워드 값인 적분값에 대입하여 비례 적분값을 산출하여 제어신호를 생성한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, DC-DC 컨버터의 동작을 제어하는 제어 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 장치(100)는, 전류 감지부(101), 전압 감지부(102), 스위칭 제어부(103), 듀티 산출부(104) 및 비례 적분 연산부(105)를 포함한다.
전류 감지부(101)는 전류 센서(52)를 통해, 양방향 DC-DC 컨버터(50)의 인덕터 전류를 모니터링한다.
전압 감지부(102)는 고전압 전원(12), 저전압 전원(11) 각각에 연결된 전압 센서(21, 22)를 이용하여, 고전압 전원(12), 저전압 전원(11) 각각에서 발생하는 전압을 측정하고 모니터링한다.
스위칭 제어부(103)는 제어신호 발생기를 탑재하고, 이 제어신호 발생기를 이용하여 릴레이(31, 32), 스위치(53, 54) 각각의 동작을 제어하는 기능을 수행한다. 상기 스위칭 제어부(103)는 DC-DC 컨버터 시스템의 동작이 요구되면, 각 릴레이(31, 32)가 턴 온되도록 제어신호를 발생시켜, 고전압 전원(12) 및 저전압 전원(11)과 양방향 DC-DC 컨버터(50)를 연결시킨다. 또한, 스위칭 제어부(103)는 비례 적분 연산부(105)가 비례 적분 제어값(이하, 'PI 제어값'이라고 지칭함)을 생성하면, PI 제어값에 근거한 제어신호를 생성하여 해당 스위치(53, 54)로 전달한다. 바람직하게, 스위칭 제어부(103)는 제어신호로서 PWM 신호를 생성한다.
듀티 산출부(104)는 전압 감지부(102)를 통해 감지된 전압값을 이용하여 듀티 값을 생성하는 기능을 수행한다. 상기, 듀티 산출부(104)는 양방향 DC-DC 컨버터(50)의 동작 모드에 따라 서로 다른 수학식을 이용하여 듀티 값을 산출한다.
듀티 산출부(104)는 양방향 DC-DC 컨버터(50)가 벅 모드로 동작하는 경우에, 아래의 수학식 1을 이용하여 벅 모드에서의 듀티 값(Dbuck)을 산출한다.
Figure 112014048837447-pat00001
반면에, 듀티 산출부(104)는 DC-DC 컨버터가 부스트 모드로 동작하는 경우에, 아래의 수학식 2를 이용하여 부스트 모드에서의 듀티 값(Dboost)을 산출한다.
Figure 112014048837447-pat00002
한편, 다른 실시예에서 듀티 산출부(104)는 고전압 전원(12)의 전압과 저전압 전원(11)의 전압을 사전에 저장하고, 듀티 산출부(104)는 상기 저장중인 전압들을 토대로, 듀티 값을 산출할 수도 있다. 즉, 듀티 산출부(104)는 전압 감지부(102)를 이용하지 않고, 사전에 저장된 고전압 전원(12)의 전압과 저전압 전원(11)의 전원을 추출하고, 이렇게 추출한 두 개의 전압을 수학식 1, 2 중 어느 하나에 대입하여 부스트 또는 벅 모드에서의 듀티 값을 산출할 수 있다.
비례 적분 연산부(105)는 전류 감지부(101)에서 측정한 전류값과 듀티 산출부(104)에서 산출한 듀티 값을 비례 적분 연산하여, PI 제어값을 생성한다. 즉, 비례 적분 연산부(150)는 전류 감지부(101)에 의해서 측정된 전류값과 사전에 설정된 기준 전류값(즉, 레퍼런스 전류값)의 편차를 산출하여 이 편차를 비례 연산하고, 더불어 산출된 듀티 값을 적분값에 대입하여 적분 연산한 후, 비례 연산된 결과값과 적분 연산된 결과값을 가산하여, PI 제어값을 생성한다.
다시 설명하면, 비례 적분 연산부(105)는 아래의 수학식 3에 편차, 듀티 값을 대입하여, PI 제어값을 생성한다.
Figure 112014048837447-pat00003
error : 기준 전류값과 측정 전류값의 편차
KP : 비례 이득값
Ki : 적분 이득값
dt : 샘플 타임
dio : 적분값으로서, 초기에 듀티 값이 대입됨
스위치가 초기 구동될 때 적분값이 누적되어 있지 않아, 최초의 비례 적분 연산이 수행될 때에, 초기 적분값(dio)이 '0'으로 대입되어야 하나, 본 발명에 따른 비례 적분 연산부(105)는 초기 적분값(dio)에 '0'을 대입하지 않고, 초기 적분값(dio)에 듀티 값을 대입하여, PI 제어값이 실제 목표치에 빠르게 도달하게 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 제어 장치에서 과도전류가 양방향 DC-DC 컨버터로 유입되는 현상을 최소화하기 위하여, DC-DC 컨버터의 동작을 제어하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 스위칭 제어부(103)는 양방향 DC-DC 컨버터(50)의 구동이 요구되면, 각 릴레이(31, 32)를 턴 온 시키는 제어신호를 발생시켜 각 릴레이(31, 32)를 턴 온한다(S301).
이어서, 전류 감지부(101)는 양방향 DC-DC 컨버터(50)의 전류를 전류 센서(52)를 통해 센싱한다(S303). 그리고, 전압 감지부(102)는 입력 전압과 출력 전압을 각각 확인한다(S305). 이때, 전압 감지부(102)는 고전압 전원(12), 저전압 전원 각각에 배치된 전압 센서(21, 22)를 이용하여, 입력 전압과 출력 전압을 센싱할 수 있다. 즉, 전압 감지부(102)는 양방향 DC-DC 컨버터(50)가 부스트 모드로 동작하는 경우에, 저전압 전원(11) 측에 배치된 전압 센서(21)를 이용하여 입력 전압을 측정하고, 고전압 전원(12) 측에 배치된 전압 센서(22)를 이용하여 출력 전압을 센싱한다. 또한, 전압 감지부(102)는 양방향 DC-DC 컨버터(50)가 벅 모드로 동작하는 경우에, 고전압 전원(12) 측에 배치된 전압 센서(22)를 이용하여 입력 전압을 측정하고, 저전압 전원(11) 측에 배치된 전압 센서(21)를 이용하여 출력 전압을 센싱한다.
그리고 듀티 산출부(104)는 전압 감지부(102)를 통해, 센싱된 입력 전압과 출력 전압을 토대로, 듀티 값을 산출한다(S307). 이때, 듀티 산출부(104)는 양방향 DC-DC 컨버터(50)의 동작 모드에 따라 수학식 1과 수학식 2 중 어느 하나를 이용하여 듀티 값을 산출한다. 한편, 다른 실시예에서 듀티 산출부(104)는 전압 감지부(102)를 이용하지 않고, 사전에 저장된 고전압 전원(12)의 전압과 저전압 전원(11)의 전원을 추출하고, 이렇게 추출한 두 개의 전압을 수학식 1, 2 중 어느 하나에 대입하여 부스트 또는 벅 모드에서의 듀티 값을 산출할 수 있다. 다시 설명하면, 고전압 전원(12)의 전압과 저전압 전원(11)의 전압이 듀티 산출부(104)에 사전에 기억되고, 듀티 산출부(104)는 상기 기억중인 복수의 전압을 토대로, 듀티 값을 산출할 수도 있다.
듀티 값의 산출이 완료되면, 비례 적분 연산부(105)는 전류 감지부(101)에 의해서 측정된 전류값과 기준 전류값(즉, 레퍼런스 전류값)의 편차(error)를 산출하고, 수학식 3을 이용하여 상기 편차(error)를 비례 연산하고, 더불어 산출된 듀티 값을 적분값(dio)에 대입하여 적분 연산한 후, 비례 연산된 결과값과 적분 연산과 결과값을 가산하여, 비례 적분 제어값을 생성한다(S309). 부연하면, 비례 적분 연산부(105)는 양방향 DC-DC 컨버터(50)가 초기 구동되어 피드 포워드 값에 해당하는 적분값(dio)이 누적되지 않은 상태이더라도, 적분값(dio)에 초기값 '0'을 대입하지 않고, 적분값(dio)에 듀티 값을 대입하여, 비례 적분 제어값이 실제 목표치에 도달하게 한다.
비례 적분 연산부(105)에 의해 비례 적분 제어값(즉, PI 제어값)이 산출되면, 스위칭 제어부(103)는 상기 비례 적분 제어값에 근거하여 스위칭 제어신호를 발생시켜 해당 스위치(53, 54)로 인가한다(S311). 이때, 스위칭 제어부(103)는 PI 제어값이 나타내는 듀티 값이 생성되도록 스위칭 제어신호인 PWM 신호로 생성하여 해당 스위치(53, 54)로 전달한다. 부연하면, 비례 적분 연산부(105)에 의해 제어 목표값에 도달된 PI 제어값을 이용하여, 초기 PWM 신호를 발생시켜 요구되는 듀티 값이 해당 스위치(53, 54)에 출력되게 함으로써, 듀티 값의 가변 기간을 최소화하여, 상기 듀티 값이 가변되는 기간 동안에 양방향 DC-DC 컨버터(50)로 유입되는 과도 전류를 예방한다.
도 4a는 종래의 DC-DC 컨버터에서 측정한 돌입전류를 나타내는 도면이고, 도 4b는 본 발명에 따라 제어된 DC-DC 컨버터의 돌입전류를 측정한 도면이다.
도 4a와 도 4b를 참조하면, 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터(50)는 종래의 DC-DC 컨버터 비교하여 돌입 전류가 개선된 것을 알 수 있다.
한편, 제어 장치(100)는 출력 전원의 전압이 방전된 경우에, 방전된 출력 전원의 전압을 정격 전압으로 상승시켜 시스템의 안정화시킨 다음에, PI 제어값을 생성하여 스위칭 제어신호를 발생시킬 수도 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 제어 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조한 설명에 있어서, 도 2를 참조한 설명과 중복되는 부분은 압축하여 요약하기로 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제어 장치(100)는 전류 감지부(111), 전압 감지부(112), 스위칭 제어부(113), 전압 보충부(116), 듀티 산출부(114), 및 비례 적분 연산부(115)를 포함한다.
전류 감지부(111)는 전류 센서(52)를 통해, 인덕터 전류를 모니터링한다.
전압 감지부(112)는 고전압 전원(12), 저전압 전원(11) 각각에 연결된 전압 센서(21, 22)를 이용하여, 고전압 전원(12) 및 저전압 전원(11)에서 발생하는 전압을 측정하고 모니터링한다. 한편, 양방향 DC-DC 컨버터(50)의 전압을 측정하는 전압 센서(도면에 도시되지 않음)가 양방향 DC-DC 컨버터(50)에 더 포함될 수 있으며, 이 경우 전압 감지부(112)는 상기 전압 센서를 이용하여 양방향 DC-DC 컨버터(50)의 전압을 측정하고 모니터링한다.
스위칭 제어부(113)는 릴레이(31, 32), 제어신호 발생기를 탑재하고, 제어신호 발생기를 통한 제어 신호를 통해 스위치(53, 54)의 동작을 제어하는 기능을 수행한다. 상기 스위칭 제어부(113)는 DC-DC 컨버터 시스템의 동작이 요구되면, 각 릴레이(31, 32) 중 어느 하나 이상이 턴 온되도록 제어신호를 발생시킨다. 또한, 스위칭 제어부(113)는 비례 적분 연산부(115)가 PI 제어값을 생성하면, PI 제어값에 근거한 제어신호를 생성하여 각 스위치(53, 54)의 동작을 제어한다. 바람직하게, 스위칭 제어부(113)는 제어신호로서 PWM 신호를 생성한다.
한편, 스위칭 제어부(113)는 출력측 전원(11, 12)이 기준 전압에 미달되면, 입력측 전원(11, 12)과 연결된 릴레이(31, 32)를 1차적으로 턴 온하고, 전압 보충을 위한 제어신호를 스위치(53, 54)로 발생시킨 후, 출력측 커패시터(41, 42)에서 소정의 전압이 축적되면, 출력측 전원(11, 12)과 연결된 릴레이(31, 32)를 2차적으로 턴 온한다. 이에 따라, 출력측 전원은 해당 커패시터(41, 42)에서 축적된 전압을 전달받아, 미달된 전압을 보충한다.
전압 보충부(116)는 출력측 전원(11, 12)의 전압이 사전에 설정된 정격 전압 이상인지 여부를 판별하고, 이 판별 결과에 따라 출력측 전원(11, 12)의 전압을 보충시키기 위한 전압 보충 프로세스를 진행한다. 구체적으로, 전압 보충부(116)는 양방향 DC-DC 컨버터 시스템의 구동이 요구되면, 전압 감지부(112)를 통해 출력측 전원(11, 12)의 전압을 측정하고, 출력측에 위치한 전원(11, 12)의 전압이 정격 전압에 미달되는지 여부를 판별한다. 전압 보충부(116)는 출력측 전원의 전압이 정격 전압에 미달되면, 입력측 전원(11, 12)과 연결된 릴레이(31, 32)를 턴 온되도록 스위칭 제어부(113)로 지시하고, 더불어 비례 적분 연산부(115)로 전압 보충을 위한 비례 적분 연산을 요구하여, 비례 적분 연산부(115)를 통해 전압 보충을 위한 PI 제어값이 생성되게 한다.
듀티 산출부(114)는 양방향 DC-DC 컨버터(50)의 동작 모드에 따라, 전압 감지부(112)를 통해 감지된 두 개의 전압값을 수학식 1 또는 수학식 2에 대입하여 듀티 값을 산출한다.
비례 적분 연산부(115)는 전압값을 비례 적분한 PI 적분값 또는 전류값을 비례 적분 연산한 PI 적분값을 생성한다. 구체적으로, 비례 적분 연산부(115)는 도 2를 참조한 설명에서와 같이, 전류 감지부(111)에 의해서 측정된 전류값과 기준 전류값(즉, 레퍼런스 전류값)의 편차를 산출하여 이 편차를 비례 연산하고, 더불어 산출된 듀티 값을 적분값에 대입하여 적분 연산한 후, 비례 연산된 결과값과 적분 연산된 결과값을 가산하여, PI 제어값을 생성한다.
또한, 비례 적분 연산부(115)는 전압 보충부(116)로부터 비례 적분 연산이 요청되면, 전압 감지부(112)에서 측정한 양방향 DC-DC 컨버터(50)의 전압값과 사전에 설정된 기준 전압값(즉, 레퍼런스 전압값)의 편차를 산출하고, 이 편차를 비례 연산하고, 더불어 상기 편차를 적분 연산한 후에, 비례 연산된 결과값과 적분 연산된 결과값을 가산하여, 전압 보충을 위한 PI 제어값을 생성한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 제어 장치에서 과도전류가 양방향 DC-DC 컨버터로 유입되는 현상을 최소화하고 전원의 안정화를 위하여, DC-DC 컨버터의 동작을 제어하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 양방향 DC-DC 컨버터(50)의 구동이 요구되면, 전압 감지부(112)는 출력측 전원에 배치된 전압 센서(21, 22)를 통해, 출력측 전원(11, 12)의 전압을 측정한다(S601). 즉, 전압 감지부(112)는 양방향 DC-DC 컨버터(50)가 부스트 모드로 동작할 경우에 고전압 전원(12)에 배치된 전원 센서(22)를 통해 출력측 전원의 전압을 측정하고, 반면에 양방향 DC-DC 컨버터(50)가 벅 모드로 동작할 경우에 저전압 전원(11)에 배치된 전원 센서(21)를 통해 출력측 전원의 전압을 측정한다.
다음으로, 전압 보충부(116)는 출력측 전원의 전압이 사전에 설정된 정격 전압 이상인지 여부를 판별한다(S603). 이어서, 전압 보충부(116)는 측정한 출력측 전원이 정격 전압에 해당하면, 스위칭 제어부(113)로 고전압 전원(12), 저전압 전원(11)에 각각 연결된 모든 릴레이(31, 32)의 턴 온을 지시하고, 스위칭 제어부(113)는 각 릴레이(31, 32)를 턴 온 시키는 제어신호를 생성하여 각 릴레이(31, 32)를 턴 온한다(S605).
반면에, 전압 보충부(116)는 출력측 전원의 전압이 정격 전압에 미달되면, 스위칭 제어부(113)로 입력측 전원(11, 12)과 연결된 릴레이(31, 32)의 턴 온을 지시하고, 스위칭 제어부(113)는 상기 릴레이(31, 32)를 턴 온시키는 제어신호를 발생시켜, 입력측 전원(11, 12)과 양방향 DC-DC 컨버터(50)를 우선적으로 연결시킨다(S607).
그리고 전압 보충부(116)는 비례 적분 연산부(115)로 전압 보충을 위한 비례 적분 연산을 요구한다. 그러면, 비례 적분 연산부(115)는 전압 감지부(112)를 통하여, 양방향 DC-DC 컨버터(50)의 전압값을 확인하여, 이 양방향 DC-DC 컨버터(50)의 전압값과 기준 전압값(즉, 레퍼런스 전압값)의 편차를 산출하고, 이 편차를 비례 연산하고, 더불어 상기 편차를 적분 연산한 후에, 비례 연산된 결과값과 적분 연산된 결과값을 가산하여, 전압 보충을 위한 PI 제어값을 생성한다.
다음으로, 스위칭 제어부(113)는 전압 보충을 위한 PI 제어값에 근거하여 스위칭 제어신호를 발생시켜(S611), 이 스위칭 제어신호가 스위치(53, 54)로 전달되게 함으로써, 입력측 전원(11, 12)을 통해 출력측 커패시터(41, 42)의 전압이 축적되게 한다. 예컨대, 스위칭 제어부(113)는 양방향 DC-DC 컨버터(50)가 부스트 모드로 동작되고 고전압 전원(12)의 전압이 정격 전압에 미달된 경우에, 고전압 전원(12)과 연결된 커패시터(42)에 전압이 축적되도록, 스위칭 제어신호를 발생시킨다.
이어서, 스위칭 제어부(113)는 출력측 커패시터(41, 42)의 전압 축적이 완료되면, 출력측 전원(11, 12)과 연결된 릴레이(31, 32)가 턴 온되도록 제어신호를 발생시켜 출력측 릴레이(31, 32)를 턴 온시킨다(S613). 이후에, 출력측 전원(11, 12)은 출력측 커패시터(41, 42)에서 축적된 전압을 전달받아, 미달된 전압을 보충한다.
이렇게 출력측 전원(11, 12)의 전압이 정격 전압으로 도달되어 모든 릴레이(31, 32)가 턴 온되면, 제어 장치(100)는 도 2의 S303 단계 이후와 동일한 프로세스를 진행한다. 즉, 전류 감지부(111)는 양방향 DC-DC 컨버터(50)의 전류를 전류 센서(52)를 통해 센싱하고(S615), 전압 감지부(112)는 전압 센서(21, 22)를 이용하여 입력 전압과 출력 전압을 각각 확인하거나, 사전에 저장된 저전압 전원의 전압과 고전압 전원의 전압을 통해 입력 전압과 출력 전압을 확인인다(S617).
그리고 듀티 산출부(114)는 상기 확인한 입력 전압과 출력 전압을 이용하여, 듀티 값을 산출한다(S619). 이어서, 비례 적분 연산부(115)는 전류 감지부(111)에 의해서 측정된 전류값과 기준 전류값(즉, 레퍼런스 전류값)의 편차(error)를 산출하고, 수학식 3을 이용하여 상기 편차(error)를 비례 연산하고, 더불어 산출된 듀티 값을 적분값(dio)에 대입하여 적분 연산한 후, 비례 연산된 결과값과 적분 연산과 결과값을 가산하여, 비례 적분 제어값을 생성한다(S621).
다음으로, 스위칭 제어부(113)는 상기 비례 적분 제어값에 근거하여 스위칭 제어신호(예컨대, PWM 신호)를 발생시켜 해당 스위치(53, 54)로 인가한다(S623).
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 제어 장치(100)는 양방향 DC-DC 컨버터(50)와 릴레이(32, 32)가 접점되는 시점에, 입/출력단의 전압을 토대로 산출한 듀티 값을 피드 포워드 값인 적분값에 대입하여 목표 제어값에 근접한 PI 적분값을 생성하고, 상기 PI 적분값에 따른 제어신호를 발생시킴으로써, DC-DC 컨버터(50)의 속응성을 향상시키고 돌입전류가 양방향 DC-DC 컨버터(50)에 유입되는 것을 최소화한다. 또한, 본 발명에 따른 제어 장치(100)는 전원을 전달받는 출력측 전압이 정격 전압에 미달되면, 상기 출력측 전압을 정격전압이 되도록 스위칭을 제어한 후에, DC-DC 컨버터가 양방향으로 동작되도록 제어함으로써, DC-DC 컨버터 시스템도 안정화시킨다.
한편, 상술한 실시예들에서, 제어 장치(100)가 단일 페이즈(phase)의 비절연 DC-DC 컨버터(50)의 동작을 제어하는 것으로 설명하였지만, 본 발명에 따른 제어 장치(100)와 방법은 멀티페이즈(multi phases)형 DC-DC 컨버터 및 절연형 DC-DC 컨버터에 두루 적용될 수 있음을 분명히 해 둔다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
11 : 저전압 전원 12 : 고전압 전원
21, 22 : 전압 센서 31, 32 : 릴레이
41, 42 : 커패시터 50 : 양방향 DC-DC 컨버터
51 : 인덕터 52 : 전류 센서
53, 54 : 스위치 100 : 제어 장치
101, 111 : 전류 감지부 102, 112 : 전압 감지부
103, 113 : 스위칭 제어부 104, 114 : 듀티 산출부
105, 115 : 비례 적분 연산부 116 : 전압 보충부

Claims (11)

  1. 고전압 단자와 저전압 단자 사이에서 부스트 모드와 벅 모드의 양방향 전압 변환을 수행하는 양방향 DC-DC 컨버터의 동작을 제어하는 제어 장치에 있어서,
    상기 양방향 DC-DC 컨버터의 인덕터 전류를 모니터링하는 전류 감지부;
    각 단자에서 발생한 입력 전압과 출력 전압을 이용하여, 듀티 값을 산출하는 듀티 산출부;
    상기 고전압 단자의 릴레이와 상기 저전압 단자의 릴레이가 상기 양방향 DC-DC 컨버터에 접점되면, 상기 전류 감지부를 통해 상기 인덕터 전류를 모니터링하고, 이 모니터링한 상기 인덕터 전류와 사전에 설정된 기준 전류를 비교하여 그 편차를 비례 적분하되, 상기 듀티 산출부를 통해 듀티 값을 산출하여 이 산출한 듀티 값을 적분값에 대입하여 비례 적분 제어값을 생성하는 비례 적분 연산부;
    상기 생성된 비례 적분 제어값에 근거하여 상기 양방향 DC-DC 컨버터에 포함된 한 쌍의 스위치 소자를 제어하기 위한 제어신호를 발생시키는 스위칭 제어부;
    각 단자에서 발생하는 입력 및 출력 전압을 모니터링하는 전압 감지부; 및
    상기 전압 감지부에서 모니터링한 출력 전압이 정격 전압에 미달되면, 상기 출력 전압이 상기 정격 전압에 도달하도록 전압 보충 프로세스를 진행하는 전압 보충부를 포함하고,
    상기 스위칭 제어부는,
    상기 전압 보충 프로세스가 진행됨에 따라, 입력측 단자와 연결된 릴레이를 우선적으로 턴 온하고 나서, 상기 출력 전압을 보충시키는 보충 전압이 출력측 커패시터에 축적되도록 상기 양방향 DC-DC 컨버터의 한 쌍의 스위치 소자로 스위칭 제어신호를 발생시키고, 상기 출력측 커패시터의 전압 축적이 완료되면 출력측 단자와 연결된 릴레이를 턴 온하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 듀티 산출부는, 상기 전압 감지부를 통해 모니터링된 입력 전압과 출력 전압을 이용하여, 상기 듀티 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는,
    상기 전압 감지부에서 모니터링한 출력 전압이 정격 전압에 미달되지 않은 경우에, 상기 고전압 단자의 릴레이와 상기 저전압 단자의 릴레이를 모두 턴 온시키는 제어신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 듀티 산출부는,
    사전에 저장된 각 단자의 전압값을 이용하여 상기 듀티 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는,
    상기 한 쌍의 스위칭 소자를 턴-온 또는 턴-오프하기 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  7. 제어 장치가, 고전압 단자와 저전압 단자 사이에서 부스트 모드와 벅 모드의 양방향 전압 변환을 수행하는 양방향 DC-DC 컨버터의 동작을 제어하는 방법으로서,
    고전압 단자의 릴레이와 저전압 단자의 릴레이가 상기 양방향 DC-DC 컨버터에 접점되면, 상기 양방향 DC-DC 컨버터의 인덕터 전류를 측정하는 단계;
    각 단자에서 발생한 입력 전압과 출력 전압을 이용하여, 듀티 값을 산출하는 단계;
    상기 측정한 상기 인덕터 전류와 사전에 설정된 기준 전류를 비교하여 그 편차를 비례 적분하되, 적분값에 상기 듀티 값을 대입하여 비례 적분 제어값을 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 비례 적분 제어값에 근거하여 상기 양방향 DC-DC 컨버터에 포함된 한 쌍의 스위치 소자를 제어하기 위한 제어신호를 발생시키는 단계를 포함하고,
    상기 인덕터 전류를 측정하는 단계 이전에,
    상기 양방향 DC-DC 컨버터의 구동이 요구되면, 출력측 단자의 전압을 측정하는 단계;
    상기 측정한 출력측 단자의 전압이 정격 전압에 미달되는지 여부를 판별하는 단계;
    상기 판별 결과 상기 출력측 단자의 전압이 상기 정격 전압에 미달되면, 입력측 단자와 연결된 릴레이를 우선적으로 턴 온시키는 단계;
    상기 출력 전압을 보충시키는 보충 전압이 출력측 커패시터에 축적되도록 상기 양방향 DC-DC 컨버터의 한 쌍의 스위치 소자로 스위칭 제어신호를 발생시키는 단계; 및
    상기 출력측 캐패시터의 전압 축적이 완료되면, 상기 출력 전압을 발생시키는 단자와 연결된 릴레이를 턴 온시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 듀티 값을 산출하는 단계는,
    각 단자에서 발생하는 입력 및 출력 전압을 측정하고, 이 측정한 입력 전압과 출력 전압을 이용하여, 상기 듀티 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터 제어 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 듀티 값을 산출하는 단계는,
    사전에 저장된 각 단자의 전압값을 이용하여 상기 듀티 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터 제어 방법.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인덕터 전류를 측정하는 단계 이전에,
    상기 판별 결과 상기 출력측 단자의 전압이 상기 정격 전압에 미달되지 않으면, 상기 고전압 단자의 릴레이와 상기 저전압 단자의 릴레이를 모두 턴 온시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터 제어 방법.
  11. 삭제
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