KR101662262B1 - Dc-dc 변환 멀티모듈 운용 시 모듈별 출력전력 안정화를 위한 통합 제어루프 장치 및 그 방법 - Google Patents

Dc-dc 변환 멀티모듈 운용 시 모듈별 출력전력 안정화를 위한 통합 제어루프 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 병렬 연결된 각 DC-DC 변환모듈의 출력을 전체적으로 통합하고 관리하여, 각 모듈 간에 출력전력의 편차가 없도록 제어하는 통합제어루프장치에 관한 것으로서, 병렬 연결된 복수의 DC-DC 변환모듈, 각각의 DC-DC 변환모듈의 출력 전류 또는 전압을 피드백하여 보상값으로 출력을 안정화하는 제어부를 구비한 개별 안정화회로부 및 상기 복수의 DC-DC 변환모듈의 출력 전류 또는 전압을 피드백하여 전체를 통합하여 보상값을 산출하고 상기 제어부로 전달하는 통합제어회로부를 포함하여 것을 특징으로 한다.

Description

DC-DC 변환 멀티모듈 운용 시 모듈별 출력전력 안정화를 위한 통합 제어루프 장치 및 그 방법 {Integrated control-loop for stabilizing each module output power in operating DC-DC converting multi-module and method thereof}
본 발명은 DC-DC 변환 멀티모듈 운용 시 모듈별 출력전력 안정화를 위한 통합 제어루프 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 병렬 연결된 복수의 DC-DC 변환모듈이 각각 균등하고 안정된 전력을 출력하여 부하에 공급하기 위하여 복수의 DC-DC 변환모듈을 통합적으로 관리제어하는 통합 제어루프 장치에 대한 것이다.
모듈형 고출력 전원공급장치에 사용되는 DC-DC 변환기는 복수의 DC-DC 변환모듈을 병렬로 연결하여 전력 효율을 높이기 위해 부하에 따라 선택적으로 구동하여 운용한다. 병렬 연결된 DC-DC 변환모듈에서 임피던스 불균형 또는 출력 와이어의 저항 등으로 전력의 쏠림현상이 발생하면 시스템의 불안정성이 초래되어 각 부하에 골고루 전력을 공급할 수 없고, 효율, 역률, 전자파 간섭, 발열, 고장이나 수명단축 등의 원인이 될 수 있다.
DC-DC 변환모듈은 내부에 피드백 제어 등의 보상회로를 이용하여 출력을 안정화시키고 있으나, 개별적으로만 제어될 뿐 전체적으로 통합하여 관리하고 제어하지 못하고 있다.
DC-DC 변환모듈의 안정화에 대한 종래의 기술로서, 특허문헌 1은 변동폭이 좁은 안정된 정전압을 출력하기 위해 피드백회로를 포함한 안정화 회로를 개시하였다. 특허문헌 1에서 제안된 안정화 회로는, 주로 전압의 변동폭에 민감한 전자기기에 전기를 공급하는 DC-DC변환기의 안정된 출력을 위한 것으로서 전압의 오차보상 효과를 높이기 위한 것이다.
특허문헌 2는 병렬운용하는 복수의 전원장치의 출력전압을 안정되게 제어하는 회로에 관한 것으로서 각 전원장치를 개별적으로 제어한다. 이는 주로 정전압을 요구하는 컴퓨터와 같은 부하에 전원을 공급하는 전원장치에 적용하는 기술이다.
상기 종래의 기술들은 DC-DC 변환모듈의 출력을 개별적으로 제어하는 기술로서, 복수의 DC-DC 변환모듈을 병렬 연결하여 전력을 공급하고자 할 때, 여전히 개별 회로가 갖는 부품오차 및 개별 제어로 인한 DC-DC 변환모듈 간의 전력편차를 피할 수 없다. LED와 같은 조명장치에 전력을 공급하는 전원공급장치는 안정된 전류뿐만 아니라 안정된 전력을 출력하도록 설계되어야 한다.
모듈형 고출력 전원공급장치에서 안정적이고 균등한 전력을 공급하기 위해 DC-DC 변환모듈 사이의 전력편차를 줄여 각 DC-DC 변환모듈이 동일한 전력을 출력하도록 하는 기술 개발이 필요하다.
1. 한국등록특허 제1173614호 (2012년 8월 7일 등록) 2. 한국공개특허 제1993-0022686호 (1993년 11월 24일 공개)
본 발명은 상기의 필요성에 따라 안출된 것으로서, 병렬 연결된 각 DC-DC 변환모듈의 출력을 전체적으로 통합하고 관리하여, 각 모듈 간에 출력전력의 편차가 없도록 제어하는 통합제어루프장치를 제공하고자 한다.
또한, 부하의 상황에 따라 통합제어루프장치와 개별 안정화회로를 효과적으로 운용하는 방법을 제공하고자 한다.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 멀티모듈 통합 제어루프 장치는, 병렬 연결된 복수의 DC-DC 변환모듈, 각각의 DC-DC 변환모듈의 출력 전류 또는 전압을 피드백하여 보상값으로 출력을 안정화하는 제어부를 구비한 개별 안정화회로부 및 상기 복수의 DC-DC 변환모듈의 출력 전류 또는 전압을 피드백하여 전체를 통합하여 보상값을 산출하고 상기 제어부로 전달하는 통합제어회로부를 포함하여 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 병렬 연결된 복수의 DC-DC 변환모듈의 각 출력단에서 대응하는 각 부하에 입력되는 전압이나 전류를 측정하는 복수의 측정수단, 각 측정수단에서 측정되어 합산된 측정값으로 전류범위를 조절하여 제1 조정값을 출력하는 전류범위 조절회로부, 각 측정값에 디밍회로부의 설정값을 더하여 상기 제1 조정값과 비교하여 제1 보상값을 출력하는 복수의 전류제어회로부 및 합산된 측정값과 전압 조절회로의 제2 조정값을 비교하여 출력된 제2 보상값에 각 전류제어회로부로부터 출력된 제1 보상값을 합산하여 제3 보상값을 산출하고, 상기 제3 보상값을 각 DC-DC 변환모듈의 제어부에 전달하는 통합제어회로부를 포함는 것을 특징으로 한다.
또한, 각 DC-DC 변환모듈과 통합제어회로부 사이에 스위치를 더 포함하여, 상기 스위치를 전환함에 따라 개별적으로 또는 통합적으로 각 DC-DC 변환모듈의 출력전력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 통합제어회로부와 전류제어회로부는 비례적분 제어방법으로 출력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 통합제어회로부의 출력은 구동되는 DC-DC 변환모듈의 수로 나누어 평균값을 산출하고, 제어부에 전달하여 각 DC-DC 변환모듈의 기준값으로 하여 피드백 제어하여 각 DC-DC 변환모듈 간의 출력 편차가 없는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 통합 제어루프 장치는 모듈형 고출력 전원공급장치에서 부하의 상황에 따라 각 DC-DC 변환모듈의 출력전력을 동일하게 또는 균등하게 제어하여 안정적으로 시스템을 운용할 수 있고, 전력을 효율적으로 사용하여 전력효율을 제고할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 멀티모듈 통합 제어루프를 이용한 전원공급장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 멀티모듈 통합 제어루프 장치의 구성도이다.
도 3은 전류제어회로부의 구성도이다.
도 4는 외부전압을 공급하는 디밍(dimming)회로부의 회로도이다.
도 5는 부하와 입력전력에 따른 역률과 전력 효율의 성능그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 멀티모듈 통합 제어루프장치를 적용하여 얻은 DC-DC 변환모듈 간의 편차를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 멀티모듈 통합 제어루프장치를 사용하여 복수의 DC-DC 변환모듈의 출력을 안정되게 조절하는 방법을 도시한 순서도이다.
이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만을 확대도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.
도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 DC-DC 멀티모듈 운용시 모듈별 출력전력 안정화를 위한 통합 제어루프 장치 및 그 방법을 기술하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 멀티모듈 통합 제어루프 장치(200)를 이용한 전원공급장치의 블록도로서, 교류입력을 직류로 변환하는 AC-DC 변환기(100), 병렬 연결된 복수의 DC-DC 변환 모듈(201) 및 복수의 DC-DC 변환 모듈을 전체적으로 통합하고 관리하여 제어하는 통합 제어루프 장치(200)로 구성된다.
AC-DC 변환기(100)는 입력된 교류를 직류로 변환하여 직류를 공급하는 것으로서, 일반적으로 SMPS(switching mode power supply)를 사용하여 220V의 교류전압을 입력받아 12V의 전압과 15A의 직류 전류를 공급한다.
DC-DC 컨버터(201)는 SMPS에서 출력된 전압을 LED와 같은 부하에 맞도록 출력전압을 변환하는 장치로서 일반적으로 12V의 SMPS 출력을 5V 정도로 변환한다.
부하가 분할되어 있거나 부분적으로 변동될 경우 병렬로 연결된 DC-DC 변환모듈을 선택적으로 구동할 경우 전력 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 전원공급장치의 수명을 극대화시킬 수 있다.
각 DC-DC 변환모듈은 출력을 안정화하는 자체 안정화회로를 내장하고 있어, 부하에 따라 독립적으로 출력전력을 안정화할 수 있다. 일반적으로 안정화회로는 정전류회로와 전압을 제어하는 피드백 회로를 통하여 기준값에 대한 오차를 보상하여 출력전압을 가감하는 방법을 사용한다.
자체 안정화회로를 사용하는 경우 개별적으로 출력전력을 조정할 수 있지만, 전체적으로 통합하여 관리되지 못하는 문제점이 있다. 예를 들면 부하에 따라 어떤 모듈은 100 W에 안정화가 되지만, 어떤 모듈은 90 W에 안정화가 되어 전력사용의 불균형이 초래되어 과부하된 모듈은 수명이 단축되거나 전력 효율이 떨어질 수 있다. 또한 정전압 제어나 병렬 운용 시에 과전류로 인한 과열로 손상될 우려가 있다.
본 발명은 위와 같은 출력전력의 쏠림이나 과전류의 문제점을 해결하고자 멀티모듈 전체를 통합하여 관리하고 제어하여, 각 모듈이 균등한 출력전력으로 운용되도록 멀티모듈 통합 제어루프 장치(200)를 개별적인 자체 안정화 회로 외에 별도로 제공하고, 부하 상황에 따라 선택적으로 구동할 수 있는 운영 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 멀티모듈 통합 제어루프는 각 모듈의 전압이나 전류를 측정하여 전체적으로 합산하여 보상값을 산출하고 모듈의 갯수로 나누어 평균값을 산출하여 이를 각 모듈의 기준값으로 사용하면 각 모듈이 균등한 출력전력을 얻을 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 멀티모듈 통합 제어루프(200)의 구성도로서, 복수의 전류제어회로부(310-313), 통합제어회로부(400), 전류범위 조절회로부(313), 전압조절회로부(410), 정전압 바이어스회로부(301) 및 전압이나 전류 측정수단(600-603)을 포함하고, 밝기 조절을 위한 디밍회로부(500)와 연결된다. 도 2에서는 4개의 전류제어회로부를 보여주는데 이는 예시적인 것으로 개수에 제한이 없다.
측정수단(600-603)은 각 DC-DC 변환모듈의 출력단에서 부하에 입력되는 전압이나 전류를 측정한다. 일반적으로 측정수단은 저항을 병렬로 분기 접지시켜 양단에 걸리는 미소한 전류를 측정한다. 주어진 저항에 대하여 전류를 알면 전압을 알 수 있고, 전압을 알면 전류를 알 수 있기에 본 발명에서는 전압 또는 전류를 호환적인 용어로 사용한다.
전류제어회로부(310-313)는 상기 측정수단(600-603)을 통하여 측정된 전압이나 전류에 디밍회로부(500)의 설정값을 더하여 전류범위 조절회로부(415)의 제1 조정값과 비교하여 오차신호인 제1 보상값을 출력한다. 오차신호는 전류 또는 전압으로 출력된다. 본 발명에서는 전압을 기준으로 기술하나 전압은 전류로 환산되므로 동일한 의미로 사용된다.
전류제어회로부(310-313)는 DC-DC 변환모듈의 개수에 대응되게 구성되어 있으며, 하나의 DC-DC 변환모듈에 하나의 전류제어회로부가 대응되어 연결된다.
도 3은 전류제어회로부(310-313)도로서, 각 측정수단의 측정값에 디밍회로부의 설정값(DM S_IN)을 더하고 전류범위 조절회로부의 제1 조정값과 비교하여 제1 보상값을 출력한다. 전류범위 조절회로부는 각 측정수단에서 측정되어 합산된 측정값으로 전류범위를 조절하여 제1 조정값을 출력한다. 전류제어회로부는 비례적분(PI) 제어방법으로 전압값을 조절하여 보상값을 출력한다. PI 제어방법은 DC 이득이 매우 큰 값을 가지며 DC 오차가 적고, 저역에서는 위상오차가 있으나 고역에서는 위상오차가 거의 없는 장점이 있다.
통합제어회로부(400)는 전압 조절회로부(410)의 전압과 각 측정수단으로부터 측정하여 합산된 측정값을 비교하여 제2 보상값을 출력하고, 제2 보상값에 각 전류제어회로부로부터 출력된 제1 보상값을 합산하여 출력한 제3 보상값의 평균치 등을 산출하여 각 DC-DC 변환모듈의 제어부에 전달한다.
통합제어회로부는 PI 제어방법으로 출력함으로써 소자값들의 편차, 출력단에서 바라보았을 때의 임피던스 불균형, 출력 와이어의 저항 등에 따라 출력의 차를 막을 수 있다.
통합제어회로부의 제3 보상값은 평균하여 각 DC-DC 변환모듈의 제어부에 기준값으로 제공하면, 각 DC-DC 변환모듈은 상기 기준값으로 자체적으로 피드백 제어를 할 수 있어 균등하거나 동일한 출력전력을 낼 수 있다.
도 4는 디밍회로부(500) 회로도로서, 사용자가 밝기 조절을 위하여 감쇠저항(520)의 조절하면 조정된 저항값에 따라 각 전류제어회로부에 전압을 설정값으로 공급한다.
각 DC-DC 변환모듈은 자체적으로 개별 안정화회로를 가지고 있으며, DC-DC 변환모듈 내의 안정화회로를 사용하여 독립적으로 출력전력을 안정화할 수 있다. 각 DC-DC 변환모듈과 멀티모듈 통합 제어루프 장치 사이에 스위치를 추가하여, DC-DC 변환모듈의 출력을 자체 안정화회로를 사용하여 안정화할 것인지, 또는 멀티모듈 통합 제어루프 장치를 통하여 다른 DC-DC 변환모듈과 함께 상호 유기적으로 출력전력을 안정화할 것인지 선택할 수 있다.
자체 안정화회로를 갖춘 복수의 DC-DC 변환모듈과 멀티모듈 통합 제어루프 장치를 사용한 운용 예는 다음과 같다.
1. 복수의 DC-DC 변환모듈을 상호 유기적으로 사용하는 경우
멀티모듈 통합 제어루프를 구동하여 통합 제어에 의한 기준값을 각 DC-DC 변환모듈의 제어부에 전달하여 이를 기준으로 자체 안정화회로를 구동하면 모든 DC-DC 변환모듈이 균등하거나 동일한 출력전력을 발생할 수 있다.
이때, 통합 제어루프와 자체 안정화회로 모두 구동하거나, 자체 안정화회로를 off시키고 통합 제어루프만을 구동하여 균등한 출력전력을 내도록 제어할 수 있다.
2. 하나의 DC-DC 변환모듈만 동작하는 경우
멀티모듈 통합 제어루프장치가 동작하지 않도록 스위치를 전환하여, DC-DC 변환모듈 내의 자체 안정화회로로만 출력전력을 안정화한다.
3. 각 DC-DC 변환모듈이 개별적으로 동작하는 경우
시작 시에는 멀티모듈 통합 제어루프장치를 구동하여 기준값을 구하여 각 DC-DC 변환모듈의 기준값으로 전달하고 이후에는 스위치를 전환하여 멀티모듈 통합 제어루프장치를 사용하지 않고 각 DC-DC 변환모듈 내의 자체 안정화회로만 구동하여 출력전력을 안정화할 수 있다. 이 경우 전력소모는 줄일 수 있으나 지속적으로 안정화 출력은 보장되지 않는다.
도 5는 입력전압과 부하 가동율에 따른 역률과 전력효율을 보여 준다.
도 6은 본 발명에 따른 실험예로서 4개의 DC-DC 변환모듈을 사용하여 통합 제어루프를 적용했을 때 각 모듈의 출력전력을 보여주는 것으로서, 모듈간 전력편차를 ±2.5% 이내로 얻을 수 있었다. DC-DC 변환모듈이 개별적으로 출력전력을 제어하는 경우에 발생하는 모듈 간 전력편차가 10 ~ 15% 정도로 출력전력 편차를 줄일 수 있음을 확인하였다.
멀티모듈 통합 제어루프장치는 각 DC-DC 변환모듈의 기준전압 또는 기준전류에 보상값으로 오차보상을 하여 DC-DC 변환모듈 간 전력편차를 줄일 수 있다.
도 7은 멀티모듈 통합 제어루프장치를 사용하여 부하에 균등하고 안정된 출력전력을 공급하는 과정을 도시한 순서도이다.
100: AC-DC 변환기 201: DC-DC 변환모듈
200: 멀티모듈 통합 제어루프 250: 부하
310-313: 전류제어회로부 400: 통합제어회로부
500: 디밍회로부

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 병렬 연결된 복수의 DC-DC 변환모듈의 각 출력단에서 대응하는 각 부하에 입력되는 전압이나 전류를 측정하는 복수의 측정수단;
    각 측정수단에서 측정되어 합산된 측정값으로 전류범위를 조절하여 제1 조정값을 출력하는 전류범위 조절회로부;
    각 측정값에 디밍회로부의 설정값을 더하여 상기 제1 조정값과 비교하여 제1 보상값을 출력하는 복수의 전류제어회로부 및
    합산된 측정값과 전압 조절회로의 제2 조정값을 비교하여 출력된 제2 보상값에 각 전류제어회로부로부터 출력된 제1 보상값을 합산하여 제3 보상값을 산출하고, 상기 제3 보상값을 각 DC-DC 변환모듈의 제어부에 전달하는 통합제어회로부를 포함하되,
    각 DC-DC 변환모듈과 통합제어회로부 사이에 스위치가 형성되어,
    부하의 상황에 따라 상기 스위치를 전환함으로써 개별 또는 통합적으로 각 DC-DC 변환모듈의 출력전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 멀티모듈 통합 제어루프 장치.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 통합제어회로부는 비례적분 제어방법으로 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 멀티모듈 통합 제어루프 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 전류제어회로부는 비례적분 제어방법으로 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 멀티모듈 통합 제어루프 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 통합제어회로부의 출력은 구동되는 DC-DC 변환모듈의 수로 나누어 평균값을 산출하는 것을 특징으로 하는 멀티모듈 통합 제어루프 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 통합제어회로부에서 전달받은 출력을 기준값으로 하여 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 멀티모듈 통합 제어루프 장치.
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