KR101766062B1 - 양방향 컨버터 제어방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

양방향 컨버터의 입력전류값을 도출하는 단계; 상기 입력전류값을 미리 설정된 전류기준값과 비교하는 단계; 및 상기 입력전류값이 상기 전류기준값 미만인 경우, 상기 양방향 컨버터의 스위칭 주파수를 변경하는 단계;를 포함하는 양방향 컨버터 제어방법이 소개된다.

Description

양방향 컨버터 제어방법 및 시스템{CONTROL METHOD AND SYSTEM FOR BIDRECTIONAL CONVERTER}

본 발명은 양방향 컨버터 내에 존재하는 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 제어하여 양방향 컨버터의 효율을 향상시킬 수 있는 양방향 컨버터 제어방법에 관한 것이다.

최근 전력 전자 기술의 현저한 진보에 따라 반도체 스위치 등을 이용하여 전력을 실질적으로 손실하지 않고, 직류 전원 또는 교류 전원으로부터 공급된 직류 전력 또는 교류 전력을 사용자가 원하는 전력으로 변환하는 전력 변환 기술이 주목받고 있다. 특히, 전력 사용에 관한 환경적 배려가 요구되는 요즘에 있어서, 기존의 상용 전원에 의해 사용되는 전기 에너지에 부가하여 연료 전지, 태양 전지 및 이차 전지 등의 축전지의 전기 에너지를 효율적으로 이용하는 것이 중요시 되고 있다. 이 때문에, 전력 전자 기술에 있어서의 전력 변환 기술은 지금이야 말로 없어서는 안될 존재가 되고 있으며, 이러한 전력 변환 장치에 이용되는 반도체 스위치는 자유롭고 광범위하게 전력 변환하기 위해서 고빈도로 온/오프의 스위칭이 행해지고 있다. 따라서 전력 변환에 있어서는 반도체 스위치의 스위칭에 의해 발생한 스위칭 손실 또는 노이즈의 억제를 도모하는 것이 요구된다.

이러한 전력 변환 장치에 있어서 최근 일반적으로 사용되는 양방향 DC-DC 컨버터는 고압 측 전압에서 저압 측 전압으로 전압을 강하시키는 벅모드 또는 저압 측 전압에서 고압 측 전압으로 전압을 상승시키는 부스트 모드로 동작할 수 있다. 따라서 이러한 양방향 컨버터는 복합적인 제어 방법을 요하는 바, 이에 대한 다양한 연구들이 선행되고 있는바, 공개특허공보 KR 10-2013-0047800 "양방향 직류-직류 컨버터"에서도 벅모드와 부스트 모드에 따라 턴온/턴오프를 제어하는 방법을 제시함으로써 높은 이득특성 및 효율특성을 가지는 컨버터를 제공하고 있다. 다만, 이에 따르더라도 저부하 영역에서의 컨버터의 효율을 향상시키는 것은 어렵다는 문제점이 존재하였다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 2013-0047800 A

본 발명은 양방향 컨버터의 스위칭 주파수를 변경하여 컨버터 내에 마련되는 스위치의 오프손실을 감소시켜 컨버터의 효율과 내구성을 향상시킬 수 있도록 하는 양방향 컨버터 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 양방향 컨버터 제어방법은 양방향 컨버터의 입력전류값을 도출하는 단계; 상기 입력전류값을 미리 설정된 전류기준값과 비교하는 단계; 및 상기 입력전류값이 상기 전류기준값 미만인 경우, 상기 양방향 컨버터의 스위칭 주파수를 변경하는 단계;를 포함한다.

상기 입력전류값이 상기 전류기준값 이상인 경우, 상기 양방향 컨버터의 스위칭 주파수를 유지하는 단계;를 포함한다.

상기 미리 설정된 전류기준값은 0인 것을 특징으로 한다.

상기 스위칭 주파수를 변경하는 단계는, 상기 입력전류값이 입력전류의 한 주기 내에서 미리 설정된 제한시간 동안 상기 전류기준값 미만인 경우, 상기 양방향 컨버터의 스위칭 주파수를 변경하는 것을 특징으로 한다.

상기 스위칭 주파수를 변경하는 단계는, 상기 양방향 컨버터의 스위칭 주파수의 크기를 증가시키는 것을 특징으로 한다.

상기 스위칭 주파수의 크기 증가는 미리 설정된 맵데이터를 통하여 도출하는 것을 특징으로 한다.

상기 맵데이터는 양방향 컨버터의 요구출력을 입력으로 하고 스위칭 주파수를 출력으로 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 양방향 컨버터 제어방법은 양방향 컨버터의 입력전류값을 도출하고, 도출한 입력전류값이 0미만인 경우에는 양방향 컨버터의 스위칭 주파수의 크기를 증가시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 양방향 컨버터 제어 시스템은 입력단과 출력단 양방향으로 전력변환이 가능한 양방향 컨버터; 컨버터 입력단의 전류를 감지하는 감지부; 및 상기 감지부에 의하여 감지되는 전류의 크기에 따라 상기 양방향 컨버터의 스위칭 주파수의 크기를 변경시키거나 유지시키는 제어부;를 포함한다.

상술한 바와 같이 이용하면 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 양방향 컨버터에 마련되는 High 스위치에서 발생하는 추가적인 오프손실을 방지할 수 있으므로 양방향 컨버터의 효율이 향상된다.

둘째, 양방향 컨버터의 열손실이 감소하게 되는바 컨버터 소자에 발생하는 발열도 감소하여 컨버터의 내구성이 향상된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 양방향 컨버터 제어방법의 순서도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 양방향 컨버터 제어 시스템의 구성도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 컨버터 효율 비교 테이블

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 양방향 컨버터(10)는 컨버터를 구성하고 있는 스위치 소자의 스위칭 주파수의 변화를 통하여 부스트모드와 벅모드로 자유로이 변환이 가능하다. 또한 양방향 컨버터(10)에 있어서 컨버터의 부하에 흐르는 전류와 상관없이 스위칭 주파수를 고정하여 컨버터 출력전압의 리플을 일정하게 유지하도록 하는 특성을 가지고 있다. 그러나 이 경우에 있어서 부하에 흐르는 전류가 작은 경우 컨버터단의 입력전류도 감소되어 반도체 스위칭 손실이 추가될 수가 있는데, 이로 인해 컨버터의 총 손실이 증가하게 되어 컨버터의 효율에 악영향을 미치게 된다.

따라서 본 발명에서는 이를 극복하기 위한 제어방법 및 시스템을 제공하고 있는바 본 발명에 따른 양방향 컨버터(10) 제어방법은 도1에서 도시한 바와 같이 양방향 컨버터(10)의 입력전류값을 도출하는 단계(S10); 상기 입력전류값을 미리 설정된 전류기준값과 비교하는 단계(S20); 및 상기 입력전류값이 상기 전류기준값 미만인 경우, 상기 양방향 컨버터(10)의 스위칭 주파수를 변경하는 단계(S30);를 포함한다.

양방향 컨버터(10)의 입력전류값을 도출하는 단계(S10)는 다양한 방식을 통하여 도출이 될 수 있다. 가장 일반적인 방법은 컨버터 입력단에 마련되는 인덕터에 전류센서를 추가하여 이를 통하여 입력전류값을 도출할 수 있을 것이다. 이 경우 정확성 높은 입력전류값을 도출할 수 있다는 장점은 있으나, 컨버터의 사이즈 및 비용이 증가하는 단점이 있을 것이다. 또한 이 외에, 컨버터의 입력전압 및 컨버터의 듀티비를 이용하여 입력전류를 도출하는 방법도 있을 수 있다. 이는 별도의 장치 추가 없이 입력전류값을 도출할 수 있다는 장점은 있으나, 입력전류값 측정의 정밀성이 떨어지는 단점이 있을 것이다. 두 가지 방법 모두 상반되는 장단점을 가지고 있으므로 양 장단점을 비교하여 가장 효율적인 방법을 선택하면 될 것이나, 본 발명에서 입력전류값의 크기에 따른 추가적인 반도체 손실을 방지하고자 하는 것이 주목적이므로 입력전류값 측정의 정밀성을 향상시킬 수 있는 전류센서를 이용하는 것이 가장 바람직할 것이다.

위와 같은 방식으로 입력전류값을 도출하였다면, 이를 미리 설정된 전류기준값과 비교하게 된다. 전류기준값은 컨버터의 특성에 따라 다양한 값으로 존재할 수 있을 것이나, 0[A]를 전류기준값으로 보는 것이 가장 바람직할 것이다. 왜냐하면, 컨버터에 인가되는 입력전류값이 양수값을 가지느냐와 음수값을 가지느냐에 따라 전류의 방향이 정해지고 이에 따라 스위칭 손실이 발생 여부가 결정되기 때문이다. 따라서 본 발명에서는 입력전류값의 양수와 음수여부를 판단하기 위해서 전류기준값을 0으로 설정하는 방법을 제시하고 있는 것이다.

입력전류값과 전류기준값을 비교하는 단계(S20)에 따라 입력전류값이 전류기준값보다 작다고 판단이 되었다면 스위칭 손실이 추가적으로 발생하고 있다고 판단할 수 있으므로, 이 경우 스위칭 손실을 감소시키기 위한 추가적인 제어가 필요하다.

따라서 본 발명에서는 스위칭 손실을 감소시키기 위하여 도1에서 도시하고 있는 바와 같이 컨버터의 스위칭 주파수를 변경하는 단계(S30)를 두고 있는 것이다. 스위칭 주파수는 컨버터를 구성하는 스위치의 온/오프를 반복하는 횟수를 의미한다. 주파수는 주기의 역수값에 해당하므로 스위치의 온/오프가 1[ms]에 한 번씩 반복된다면 해당 스위치의 주파수는 1000[Hz]가 되는 것이다. 최근에는 스위칭 효율, 저렴한 원가, 스위칭 제어의 용이함으로 인해 스위치 소자로써 MOSFET 소자를 활용하는 경우가 대부분인바, 본 발명에도 MOSFET 소자를 적용할 수 있으며, 이 경우 스위칭 주파수는 MOSFET 소자의 스위칭을 결정하는 게이트 드라이브로 인가되는 PWM(Pulse Width Modulation)신호의 주파수가 될 것이다.

입력전류값과 전류기준값을 비교한 결과 스위칭 주파수를 변경해야 한다고 판단이 되었다면 과연 스위칭 주파수를 어떻게 변경해야 할 것인지가 문제된다. 따라서 본 발명에서는 구체적인 제어방법으로 양방향 컨버터(10)의 스위칭 주파수의 크기를 증가시키는 방법을 제시하고 있다.

앞서 살펴보았듯이 입력전류값이 음수값을 가지는 경우 스위칭 손실이 발생하게 된다. 따라서 이러한 스위칭 손실을 감소시키기 위해서는 입력전류값이 양수값만을 가지도록 제어를 하여야 하는바, 본 발명에서는 스위칭 주파수의 크기를 증가시켜 초당 스위치의 온/오프 횟수를 증가시켜 입력전류의 크기를 증가시키는 방법을 제시하고 있는 것이다.

스위칭 주파수를 증가시키는 크기는 다양한 방법으로 도출이 가능하겠지만 본 발명에서는 미리 설정된 맵데이터를 통하여 도출하는 방법을 제시하고 있다. 상기 맵데이터는 입력전류값을 입력으로 하고 스위칭 주파수를 출력으로 하는 맵데이터를 이용할 수도 있으나, 양방향 컨버터(10)의 부하에 흐르는 전류가 낮은 경우 입력전류값도 낮아지기 때문에 컨버터의 요구출력(컨버터 부하에 흐르는 전류와 컨버터의 요구출력은 비례관계에 있다.)을 입력으로 하고 스위칭 주파수를 출력으로 하는 맵데이터를 이용할 수도 있다.

입력전류값이 음수값이 되어 추가적인 손실이 발생하는 경우에는 불가피하게 스위칭 주파수를 변강하여 스위칭 손실을 최소화하는 것이 바람직하겠지만 그렇지 않은 경우에는 스위칭 주파수를 고정시키는 것이 컨버터의 효율면에서 더 바람직하다. 그런데 만약 전류센서 또는 컨버터에 순간 노이즈가 발생하여 입력전류값이 순간적으로 음수값이 되는 경우가 발생할 수 있을 것이다. 그리고 이러한 경우까지 스위칭 주파수를 변경하는 것은 본 발명에서 추구하고자 하는 목적에 벗어나 오히려 컨버터의 효율을 떨어뜨릴 수 있게 된다.

따라서 본 발명에서는 이러한 노이즈 신호에 따른 스위칭 주파수 변경을 방지하기 위해 스위칭 주파수 변경 단계(S30)가 상기 입력전류값이 입력전류의 한 주기 내에서 미리 설정된 제한시간 동안 상기 전류기준값 미만인 경우 수행될 수 있도록 하는 방법을 제시하고 있는 것이다. 따라서 여기서 제한시간은 큰 값을 가질 필요가 없으며, 순간의 노이즈를 검출할 수 있을 정도의 값이면 충분하다. 컨버터의 성능에 따라 제한시간 값을 달라질 수 있을 것이나, 너무 큰 값을 설정할 경우 오히려 스위칭 주파수의 변경이 필요한 경우임에도 불가하고 스위칭 주파수 변경 단계(S30)를 수행할 수 없는 상황이 발생할 수 있기 때문에 1us이하의 범위로 설정하는 것이 바람직할 것이다.

만약, 입력전류값과 전류기준값을 비교하는 단계에서 전류기준값이 크다면 이는 앞서 설명한 경우와는 달리 컨버터의 출력단이 저부하가 아닌 경우에 해당할 것이며, 이 같은 경우에 스위칭 주파수를 변경하는 것은 오히려 컨버터의 효율을 저하시키는 요인이 되므로 도1에서 도시한 바와 같이 양방향 컨버터(10)의 스위칭 주파수를 유지하는 단계(S40)를 수행하게 된다.

본 발명에 따른 양방향 컨버터(10) 제어 시스템은 입력단과 출력단 양방향으로 전력변환이 가능한 양방향 컨버터(10); 컨버터 입력단의 전류를 감지하는 감지부(20); 및 상기 감지부(20)에 의하여 감지되는 전류의 크기에 따라 상기 양방향 컨버터(10)의 스위칭 주파수의 크기를 변경시키거나 유지시키는 제어부(30);를 포함할 것이며 그 구체적인 제어방법은 앞서 설명한 바와 같을 것이다.

본 발명 실시에 따른 컨버터 효율 비교 테이블이 도3에 도시되어 있다. 도3의 테이블을 보면 알 수 있듯이, 저부하 영역(출력파워가 1kw ~ 5kw인 영역)에서는 스위칭 주파수가 20kHz인 경우가 10,5kHz일 때보다 컨버터의 효율이 높다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

S10: 입력전류값 도출단계 S20: 입력전류값, 전류기준값 비교단계
S30: 스위칭 주파수 변경 단계 S40: 스위칭 주파수 유지 단계
10: 양방향 컨버터 20: 감지부
30: 제어부

Claims (9)

1. 양방향 컨버터의 입력전류값을 도출하는 단계;
   상기 입력전류값을 미리 설정된 전류기준값과 비교하는 단계; 및
   상기 입력전류값이 상기 전류기준값 미만인 경우, 상기 양방향 컨버터의 스위칭 주파수를 변경하는 단계;를 포함하고,
   상기 스위칭 주파수를 변경하는 단계는,
   상기 입력전류값이 입력전류의 한 주기 내에서 미리 설정된 제한시간 동안 상기 전류기준값 미만인 경우, 상기 양방향 컨버터의 스위칭 주파수를 변경하는 것을 특징으로 하는 양방향 컨버터 제어방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 입력전류값이 상기 전류기준값 이상인 경우, 상기 양방향 컨버터의 스위칭 주파수를 유지하는 단계;를 포함하는 양방향 컨버터 제어방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 미리 설정된 전류기준값은 0인 것을 특징으로 하는 양방향 컨버터 제어방법.
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 스위칭 주파수를 변경하는 단계는,
   상기 양방향 컨버터의 스위칭 주파수의 크기를 증가시키는 것을 특징으로 하는 양방향 컨버터 제어방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 스위칭 주파수의 크기 증가는 미리 설정된 맵데이터를 통하여 도출하는 것을 특징으로 하는 양방향 컨버터 제어방법.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 맵데이터는 양방향 컨버터의 요구출력을 입력으로 하고 스위칭 주파수를 출력으로 하는 것을 특징으로 하는 양방향 컨버터 제어방법.
8. 양방향 컨버터의 입력전류값을 도출하고, 도출한 입력전류값이 입력전류의 한 주기 내에서 미리 설정된 제한시간 동안 0미만인 경우에는 양방향 컨버터의 스위칭 주파수의 크기를 증가시키는 것을 특징으로 하는 양방향 컨버터 제어방법.
9. 입력단과 출력단 양방향으로 전력변환이 가능한 양방향 컨버터;
   컨버터 입력단의 전류를 감지하는 감지부; 및
   상기 감지부에 의하여 감지되는 전류의 크기에 따라 상기 양방향 컨버터의 스위칭 주파수의 크기를 변경시키거나 유지시키는 제어부;를 포함하고,
   상기 제어부는,
   상기 감지부에 의하여 감지되는 전류의 크기가 한 주기 내에서 미리 설정된 제한시간 동안 전류기준값 미만인 경우, 상기 양방향 컨버터의 스위칭 주파수의 크기를 변경시키는 것을 특징으로 하는 양방향 컨버터 시스템.

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