KR101906311B1 - 직류 컨버터 및 그 제어 방법 - Google Patents

직류 컨버터 및 그 제어 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101906311B1
KR101906311B1 KR1020170037462A KR20170037462A KR101906311B1 KR 101906311 B1 KR101906311 B1 KR 101906311B1 KR 1020170037462 A KR1020170037462 A KR 1020170037462A KR 20170037462 A KR20170037462 A KR 20170037462A KR 101906311 B1 KR101906311 B1 KR 101906311B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
switch
state
switches
input voltage
input
Prior art date
Application number
KR1020170037462A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180108114A (ko
Inventor
박준영
이학철
최승훈
이용희
Original Assignee
삼보모터스주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼보모터스주식회사 filed Critical 삼보모터스주식회사
Priority to KR1020170037462A priority Critical patent/KR101906311B1/ko
Publication of KR20180108114A publication Critical patent/KR20180108114A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101906311B1 publication Critical patent/KR101906311B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/14—Arrangements for reducing ripples from dc input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1582—Buck-boost converters

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

입력 전압이 인가되는 입력단 측에 마련된 복수의 입력 스위치; 출력 전압이 제공되는 출력단 측에 마련된 복수의 출력 스위치; 상기 복수의 입력 스위치 및 상기 복수의 출력 스위치에 양단이 연결된 인덕터; 및 상기 복수의 입력 스위치 및 상기 복수의 출력 스위치의 개방/단락 상태를 PWM 제어하여 회로 연결 상태를 반복적으로 변화시키는 컨트롤러를 포함하며, 상기 컨트롤러는, 상기 입력 전압의 크기에 기반하여 상기 인덕터가 상기 입력단 및 상기 출력단과의 전기적 연결이 차단되는 회로 연결 상태의 포함 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 직류 컨버터가 개시된다.

Description

직류 컨버터 및 그 제어 방법{DC CONVERTER AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 직류 컨버터 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 넓은 입력 전압 범위에서 출력 전류의 리플을 효과적으로 감소시킬 수 있는 직류 컨버터 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
최근 차량에서 사용되는 여러 전장품의 전원의 크기가 다양해 짐에 따라 전압의 레벨을 상승 또는 하강 시키는 등의 변환을 위한 직류 컨버터가 요구되고 있다. 특히, 전기 에너지를 구동원으로 사용하는 다양한 친환경 차량의 연구 개발이 활발해짐에 따라 단순히 일방향으로 전압 레벨을 변환할 뿐만 아니라 양방향으로 전압 레벨을 상승 또는 하강 시킬 수 있는 직류 컨버터가 필요한 실정이다.
통상 양방향의 동작이 가능한 직류 컨버터는 스위칭 소자의 스위칭 제어를 통해 입력 전압을 상승시키는 부스트(Boost) 모드 및 입력 전압을 하강 시키는 동작을 벅(Buck) 모드로 동작할 수 있다.
이러한 양방향 직류 컨버터는 통상 전력을 저장하는 역할의 인덕터가 적용되고 있으며 스위칭 소자의 PWM 제어에 의해 구동되므로 출력 전류에 리플 성분이 부가되어 노이즈로서 작용할 수 있는 문제점이 있다.
통상, 리플 성분을 감소시키기 위해서는 커패시터의 용량을 크게 하거나 주파수를 증가시켜 주기를 짧게 하는 방법 즉 주파수를 높게 하여야 한다. 그러나 커패시터의 용량을 너무 크게 할 경우 시정수 증가로 인한 응답성이 현저하게 줄어드는 문제가 있으며 컨버터의 크기가 커지는 문제점이 있다. 또한 주파수를 높이면 높일수록 스위칭 손실과 스트레스가 커지는 문제점이 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2011-0120518 A
본 발명은 직류 컨버터 내의 스위치의 적절한 제어를 통해 출력 전류에 포함된 리플 성분을 감소시킬 수 있는 직류 컨버터 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다. 특히, 본 발명은 넓은 입력 전압 범위에서 양호하게 출력 전류의 리플을 감소시킬 수 있는 직류 컨버터 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
입력 전압이 인가되는 입력단 측에 마련된 복수의 입력 스위치;
출력 전압이 제공되는 출력단 측에 마련된 복수의 출력 스위치;
상기 복수의 입력 스위치 및 상기 복수의 출력 스위치에 양단이 연결된 인덕터; 및
상기 복수의 입력 스위치 및 상기 복수의 출력 스위치의 개방/단락 상태를 PWM 제어하여 회로 연결 상태를 반복적으로 변화시키는 컨트롤러;를 포함하며,
상기 컨트롤러는, 상기 입력 전압의 크기에 기반하여 상기 인덕터가 상기 입력단 및 상기 출력단과의 전기적 연결이 차단되는 회로 연결 상태의 포함 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 직류 컨버터를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 입력 전압의 크기가 사전 설정된 기준 레벨보다 큰 경우, 상기 반복적으로 변화되는 회로 연결 상태에 상기 인덕터가 상기 입력단 및 상기 출력단과의 전기적 연결이 차단되는 회로 연결 상태를 포함시키며, 상기 입력 전압의 크기가 상기 기준 레벨 이하인 경우, 상기 반복적으로 변화되는 회로 연결 상태에 상기 인덕터가 상기 입력단 및 상기 출력단과의 전기적 연결이 차단되는 회로 연결 상태를 포함시키지 않을 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
정의 입력 전압이 일단으로 인가되는 제1 스위치;
상기 제1 스위치의 타단에 일단이 연결되고 부의 입력 전압이 타단으로 인가되는 제2 스위치;
상기 제1 스위치의 타단에 일단이 연결된 인덕터;
상기 인덕터의 타단에 일단이 연결되는 제3 스위치;
상기 인덕터의 타단에 일단이 연결되는 제4 스위치; 및
상기 제1 내지 제4 스위치의 개방/단락 상태를 PWM 제어하여 회로 연결 상태를 반복적으로 변화시키는 컨트롤러;를 포함하고,
상기 제3 스위치의 타단 및 상기 제4 스위치의 타단 사이에 출력 전압이 제공되고,
상기 컨트롤러는, PWM 제어 시 상기 입력 전압의 크기에 기반하여 상기 제1 및 제3 스위치가 개방되고 상기 제2 및 제4 스위치가 단락 되는 회로 연결상태의 구현여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 직류 컨버터를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 입력 전압의 크기가 사전 설정된 기준 레벨보다 큰 경우, 상기 반복적으로 변화되는 회로 연결 상태에 상기 제1 및 제3 스위치가 개방되고 상기 제2 및 제4 스위치가 단락 되는 회로 연결상태를 포함시키며, 상기 입력 전압의 크기가 상기 기준 레벨 이하인 경우, 상기 반복적으로 변화되는 회로 연결 상태에 상기 제1 및 제3 스위치가 개방되고 상기 제2 및 제4 스위치가 단락 되는 회로 연결상태를 포함시키지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는 상기 PWM 제어를 통해, 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치가 단락 상태이고, 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치가 개방 상태인 제1 상태와, 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치가 단락 상태이고, 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치가 개방 상태인 제2 상태와, 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치가 단락 상태이고, 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치가 개방 상태인 제3 상태 및 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치가 단락 상태이고, 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치가 개방 상태인 제4 상태 중 일부를 선택적으로 반복할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 직류 컨버터가 부스트 모드로 동작하고 상기 입력 전압의 크기가 사전 설정된 기준 레벨보다 큰 경우, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 상태, 상기 제2 상태 및 상기 제4 상태를 순차적으로 반복하도록 상기 제1 스위치 내지 제4 스위치를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 직류 컨버터가 벅 모드로 동작하고 상기 입력 전압의 크기가 사전 설정된 기준 레벨보다 큰 경우, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 상태, 상기 제3 상태 및 상기 제4 상태를 순차적으로 반복하도록 상기 제1 스위치 내지 제4 스위치를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 직류 컨버터가 부스트 모드로 동작하고 상기 입력 전압의 크기가 사전 설정된 기준 레벨 이하인 경우, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 상태 및 상기 제2 상태를 반복하도록 상기 제1 스위치 내지 제4 스위치를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 직류 컨버터가 벅 모드로 동작하고 상기 입력 전압의 크기가 사전 설정된 기준 레벨 이하인 경우, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 상태 및 상기 제3 상태를 반복하도록 상기 제1 스위치 내지 제4 스위치를 제어할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서 본 발명은,
입력 전압이 인가되는 입력단 측에 마련된 복수의 입력 스위치와, 출력 전압이 제공되는 출력단 측에 마련된 복수의 출력 스위치와, 상기 복수의 입력 스위치 및 상기 복수의 출력 스위치에 양단이 연결된 인덕터 및 상기 복수의 입력 스위치 및 상기 복수의 출력 스위치의 개방/단락 상태를 PWM 제어하여 회로 연결 상태를 반복적으로 변화시키는 컨트롤러를 포함하는 직류 컨버터의 제어 방법에 있어서,
상기 컨트롤러에서, 상기 직류 컨버터의 제어 방법을 결정하는 단계;
상기 컨트롤러에서, 상기 직류 컨버터의 입력 전압의 레벨과 사전 설정된 기준 레벨을 비교하는 단계;
입력 전압의 크기가 사전 설정된 기준 레벨보다 큰 경우, 상기 컨트롤러에서, 반복적으로 변화되는 회로 연결 상태에 상기 인덕터와 상기 입력단 및 상기 출력단의 전기적 연결이 차단되는 회로 연결 상태가 포함되도록 상기 복수의 입력 스위치 및 상기 복수의 출력 스위치를 PWM 제어하는 단계; 및
상기 입력 전압의 크기가 상기 기준 레벨 이하인 경우, 상기 컨트롤러에서, 반복적으로 변화되는 회로 연결 상태에 상기 인덕터와 상기 입력단 및 상기 출력단의 전기적 연결이 차단되는 회로 연결 상태가 포함되지 않도록 상기 복수의 입력 스위치 및 상기 복수의 출력 스위치를 PWM 제어하는 단계;를 포함하는 직류 컨버터 제어 방법을 제공한다.
상기 직류 컨버터 및 그 제어 방법에 따르면, 넓은 입력 전압 범위에서 인덕터에 의한 전류 리플을 최대한 낮은 수준으로 유지하면서 전압 레벨의 변환이 가능한 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류 컨버터를 도시한 회로도이다.
도 2 내지 도 5는 도 1의 직류 컨버터가 형성하는 다양한 전기적 연결 상태를 도시한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류 컨버터의 제어 방법을 간략하게 도시한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류 컨버터 제어 방법에 적용되는 스위치의 개방/단락 상태를 제어하기 위한 제어 신호의 일례를 도시한 도면이다.
도 8은 도 7의 제어 신호에 의한 제어에 의한 직류 컨버터 내 인덕터 전류 파형을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류 컨버터 및 그 제어 방법에 따른 전류 리플의 크기를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 직류 컨버터 및 그 제어 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류 컨버터를 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류 컨버터(10)는 복수의 스위치(S1 내지 S4)와 인덕터(L), 커패시터(C) 및 스위치(S1 내지 S4)의 단락/개방 상태를 제어하는 컨트롤러(11)를 포함하여 구성될 수 있다.
스위치(S1 내지 S4)는 컨트롤러(11)에서 출력되는 제어신호에 기반하여 개방/단락 상태가 제어되는 요소로서, 당 기술분야에 알려진 다양한 스위칭 소자(예를 들어, 양극성 접합 트랜지스터(BJT), 전계 효과 트랜지스터(FET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 등)로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 스위치(S1 내지 S4)는 각각 일단과 타단을 가지며, 이 양단 사이의 전기적 연결 상태를 개방/단락 시키는 2 단자 스위치이며, 각각의 스위치(S1 내지 S4)는 컨트롤러(11)의 제어 신호에 의해 개방/단락 상태가 결정될 수 있다.
인덕터(L)는 스위치(S1 내지 S4)의 개방/단락 상태에 따라 에너지를 저장 또는 방출함으로써 입력 전압(Vin)의 레벨을 상승시키거나 하강 시켜 출력 전압(Vo)을 생성하는데 이용될 수 있다.
커패시터(C)는 출력 전압(Vo)에서 노이즈 성분(교류 성분)을 제공하기 위해 마련된다.
컨트롤러(11)는 스위치(S1 내지 S4)의 개방/단락 상태를 제어하여 직류 컨버터(10)의 동작 모드를 필요에 따라 적절하게 제어할 수 있다. 컨트롤러(11)는 사전 설정된 듀티비로 각 스위치(S1 내지 S4)를 제어하되, 직류 컨버터(10)의 동작 모드를 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제1 스위치(S1)의 일단에는 정의 입력 전압(Vin)이 인가되고 제1 스위치(S1)의 타단은 인덕터(L)의 일단 및 제2 스위치(S2)의 일단에 연결되며, 제2 스위치(S2)의 타단에는 부의 입력 전압(Vin)이 인가된다. 또한, 제3 스위치(S3)의 일단은 커패시터(C)의 일단과 연결되고, 제3 스위치(S3)의 타단은 인덕터(L)의 타단 및 제4 스위치(S4)의 일단과 연결되며, 제4 스위치(S4)의 타단은 커패시터(C)의 타단과 연결된다. 커패시터(C)의 양단은 출력전압(Vo)이 인가될 수 있다. 즉, 제3 스위치(S3)의 일단과 제4 스위치(S4)의 타단 사이에 출력전압(Vo)이 출력될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에서, 컨트롤러(11)는 스위치(S1 내지 S4)의 상태를 제어하여 직류 컨버터(10)의 내의 회로 연결 상태를 다양하게 설정할 수 있다.
도 2 내지 도 5는 도 1의 직류 컨버터가 형성하는 다양한 전기적 연결 상태를 도시한 회로도이다.
도 2 는 제1 스위치(S1)와 제3 스위치(S3)가 단락 상태이고 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)가 개방 상태인 회로 연결 상태를 도시한 것으로, 이 후 도 2에 도시된 것과 같은 회로 연결 상태를 제1 상태로 명명하기로 한다.
도 3은 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)가 단락 상태이고 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)가 개방 상태인 회로 연결 상태를 도시한 것으로, 이 후 도 3에 도시된 것과 같은 회로 연결 상태를 제2 상태로 명명하기로 한다.
도 4는 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 단락 상태이고 제1 스위치(S1) 및 제4 스위치(S4)가 개방 상태인 회로 연결 상태를 도시한 것으로, 이 후 도 4에 도시된 것과 같은 회로 연결 상태를 제3 상태로 명명하기로 한다.
도 5는 제2 스위치(S2)와 제4 스위치(S4)가 단락 상태이고 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)가 개방 상태인 회로 연결 상태를 도시한 것으로, 이 후 도 5에 도시된 것과 같은 회로 연결 상태를 제4 상태로 명명하기로 한다.
본 발명의 일 실시형태에서는, 도 2 내지 도 5에 도시된 것과 같은 네 개의 회로 연결 상태를 선택적으로 사용하여 직류 컨버터를 제어한다. 즉, 본 발명의 일 실시형태에서는 스위치(S1 내지 S4)의 PWM 제어에 의해 이러한 네 개의 회로 연결 상태 중 일부를 반복적으로 선택하게 함으로써 직류 컨버터를 부스트 모드 또는 벅 모드로 동작하게 할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시형태는, 변환하고자 하는 입력 전압의 크기를 기반으로 도 5에 도시된 것과 같은 제4 상태의 적용 여부를 결정하여 직류 컨버터를 제어함으로써 넓은 입력 전압의 범위에서 인덕터에 의한 전류 리플(ripple)을 저감할 수 있게 된다.
한편, 도 1 내지 도 5에서 설명의 편의 상 각 도면에 도시된 직류 컨버터 회로의 좌측에 입력 전압(Vin)이 인가되고 우측으로 출력 전압(Vo)이 출력되는 것으로 도시되고 있으나, 직류 컨버터 회로는 인덕터(L)를 중심으로 좌우 대칭의 형태를 가지므로 회로의 우측에 입력 전압이 인가되는 경우 좌측으로 출력 전압이 출력될 수 있다는 점은 통상의 기술자에게 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 또한, 도시된 도면을 기준으로 이루어지는 직류 컨버터 회로의 동작 모드(부스트 모드, 벅 모드) 설명에서 이루어지는 스위치 제어는 입출력 전압의 위치가 반대가 되는 경우 동작 모드가 부스트에서 벅 또는 벅에서 부스트로 변화된다는 점 역시 통상의 기술자에게 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류 컨버터의 제어 방법을 간략하게 도시한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류 컨버터의 제어 방법은, 컨트롤러(11)가 컨버터의 동작모드를 결정하는 단계(S11)로부터 시작될 수 있다. 단계(S11)에서 컨트롤러(11)는 직류 컨버터(10)가 부스트 모드 또는 벅 모드로 동작할 것인지를 결정할 수 있다. 이러한 직류 컨버터의 동작 모드 결정은 외부의 상위 컨트롤러 등으로부터 입력 받는 정보(예를 들어, 차량 주행 상태, 배터리 충전 상태 등과 같은 차량의 상태 정보)를 통해 컨트롤러(11)가 직접 도출하거나, 외부로부터 직접 직류 컨버터의 동작 모드에 대한 명령을 컨트롤러(11)가 입력 받아 결정할 수 있다.
이어, 컨트롤러(11)는 변환의 대상이 되는 전압의 레벨, 즉 입력 전압 레벨과 사전 설정된 기준 레벨(A)를 비교한다(S12).
단계(S12)에서, 컨트롤러(11)는 직류 컨버터(10)의 입력 전압(Vin) 레벨과 사전 설정된 기준 레벨(A)를 비교하교, 그 비교결과에 따라 도 2 내지 도 5에 도시된 제1 내지 제4 상태 중 어떠한 상태가 적용되도록 직류 컨버터(10)의 스위치(S1 내지 S4)를 제어할 것인지를 결정할 수 있다.
단계(S12)에서 직류 컨버터(10)의 입력 전압(Vin)의 레벨이 기준 레벨(A) 보다 큰 경우에는 도 5에 도시된 것과 같은 제4 상태를 포함하는 스위치 제어가 수행되도록 할 수 있다(S13). 반대로, 단계(S12)에서 직류 컨버터(10)의 입력 전압(Vin)의 레벨이 기준 레벨(A) 보다 작은 경우에는 도 5에 도시된 것과 같은 제4 상태를 포함하지 않는 스위치 제어가 수행되도록 할 수 있다(S14).
단계(S13)에서, 컨트롤러(11)는 단계(S11)에서 직류 컨버터(11)가 부스트 모드로 동작하는 것으로 결정한 경우, 제1 상태(도 2), 제2 상태(도 3) 및 제4 상태(도 5)가 반복되도록 스위치(S1 내지 S4)를 제어하여 부스트 동작을 수행할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류 컨버터 제어 방법에 적용되는 스위치의 개방/단락 상태를 제어하기 위한 제어 신호의 일례를 도시한 도면이고, 도 8은 도 7의 제어 신호에 의한 제어에 의한 인덕터 전류 파형을 도시한 도면이다. 특히, 도 7 및 도 8은, 컨트롤러(11)가 단계(S13)에서 직류 컨버터(11)를 부스트 모드로 동작하도록 제어하는 경우의 예를 도시한 것이다.
도 7의 제어 신호의 하이 구간은 스위치가 단락 되는 구간이고 로우 구간은 스위치가 개방되는 구간이다. 도 7의 제어에 따라 제1 스위치(S1)가 단락 되고 제3 스위치(S3)가 단락 되며, 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)가 개방 되는 구간에서, 직류 컨버터는 도 2에 도시된 것과 같은 제1 상태의 회로를 형성하고 도 8에 도시된 것과 같이 인덕터 전류가 점차 하강하게 된다.
이어, 도 7의 제어에 따라 제1 스위치(S1)가 단락 되고 제3 스위치(S3) 및 제2 스위치(S2)가 개방되며 제4 스위치(S4)가 단락 되는 구간에서, 직류 컨버터는 도 3에 도시된 것과 같은 제2 상태의 회로를 형성하고 도 8에 도시된 것과 같이 인덕터 전류가 점차 상승하게 된다.
이어, 도 7의 제어에 따라 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)가 개방되고 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)가 단락 되는 구간에서, 직류 컨버터는 도 5에 도시한 것과 같은 제4 상태, 즉 인덕터가 입력 전압과 출력 전압 모두에 연결되지 않는 상태가 될 수 있다.
한편, 단계(S13)에서, 컨트롤러(11)는 단계(S11)에서 직류 컨버터(11)가 벅 모드로 동작하는 것으로 결정한 경우, 제1 상태(도 2), 제3 상태(도 4) 및 제4 상태(도 5)가 반복되도록 스위치(S1 내지 S4)를 제어하여 벅 동작을 수행할 수 있다. 단계(S13)에서 벅 모드의 동작을 수행하는 컨트롤러(11)의 제어신호에 대해서는 별도로 도면을 통해 상세하게 설명하지 않지만, 전술한 부스트 모드의 동작의 설명을 통해 통상의 기술자가 용이하게 도출할 수 있을 것이다.
위와 같은 동작을 위해, 컨트롤러(11)는 단계(S13)에서의 각 스위치를 제어하기 위한 듀티비를 다음과 같이 설정할 수 있다.
직류 컨버터(10)가 부스트 모드로 동작하는 경우, 제1 스위치(S1)가 단락 상태인 구간에서 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4)의 단락/개방을 통해 실질적인 부스팅 동작이 수행될 수 있으므로, 제1 스위치(S1)의 듀티비는 적어도 0.5를 초과하는 값을 가지며, 제3 스위치(S3) 또는 제4 스위치(S4)의 듀티비는 제1 스위치(S1)의 듀티비 보다 작은 값을 갖는 것이 바람직하다. 제1 스위치(S1)과 제2 스위치(S2)는 서로 상보적으로 동작하게 되므로 "D1'= 1-D1"의 관계가 형성되고 제3 스위치(S3)고 제4 스위치(S4)가 상호 상보적으로 동작하게 되므로 "D2 = 1-D2'"의 관계가 형성된다. 여기서, D1은 제1 스위치(S11)의 듀티비이고, D1'는 제2 스위치(S2)의 듀티비이며, D2는 제3 스위치(S3)의 듀티비이고, D2'는 제4 스위치(S4)의 듀티비이다.
직류 컨버터(10)가 벅 모드로 동작하는 경우도 유사하게 제어될 수 있으나, 제3 스위치(S3)가 단락 상태인 구간에서 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)의 단락/개방을 통해 실질적인 벅 동작이 수행될 수 있으므로, 제3 스위치의 듀티비(D2)는 적어도 0.5를 초과하는 값을 가지며, 제1 스위치(S1) 또는 제2 스위치(S2)의 듀티비는 제3 스위치(S3)의 듀티비 보다 작은 값을 갖는 것이 바람직하다. 벅 모드에서도 각 스위치(S1 내지 S4)의 단락/개방의 상보 관계는 부스트 모드와 실질적으로 동일할 수 있다.
이와 같이, 단계(S13)에서는 직류 컨버터(10)를 부스트 모드 또는 벅 모드로 동작시키는 경우에, 인덕터가 입력측 및 출력 측과 직접 전기적 연결을 형성하지 않는 상태가 포함하도록 스위치(S1 내지 S4)가 제어됨으로써 인덕터 전류 리플의 감소를 도모할 수 있다.
전술한 바와 같이, 단계(S12)에서 직류 컨버터(10)의 입력 전압(Vin)의 레벨이 기준 레벨(A) 보다 작은 경우에는 도 5에 도시된 것과 같은 제4 상태를 포함하지 않는 스위치 제어가 수행되도록 할 수 있다(S14).
예를 들어, 직류 컨버터(10)가 부스트 모드로 동작하고 입력 전압의 레벨이 사전 설정된 레벨(A)보다 큰 경우, 단계(S13)에서 컨트롤러(11)는 제1 상태(도 2), 제2 상태(도 3) 및 제4 상태(도 5)가 반복되도록 스위치(S1 내지 S4)를 제어하는 반면, 직류 컨버터(10)가 동일하게 부스트 모드로 동작하지만 입력 전압의 레벨이 사전 설정된 레벨(A)보다 작은 경우, 단계(S14)에서 컨트롤러(11)는 제1 상태(도 2) 및 제2 상태(도 3)가 반복되도록 스위치(S1 내지 S4)를 제어할 수 있다.
이와 같이, 입력 전압의 레벨이 사전 설정된 레벨(A)보다 작고 직류 컨버터(10)가 부스트 모드로 동작하는 경우, 단계(S14)에서 컨트롤러(11)는 제1 스위치(S1)을 PWM 제어하지 않고 지속적으로 단락 상태가 되게 하고, 제2 스위치(S2) 역시 PWM 제어하지 않고 지속적으로 개방 상태가 되게 하고, 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4)를 도 7과 같이 상호 상보적으로 PWM 제어함으로써 부스트 모드 동작이 수행되게 할 수 있다.
또한, 입력 전압의 레벨이 사전 설정된 레벨(A)보다 작고 직류 컨버터(10)가 벅 모드로 동작하는 경우, 단계(S14)에서 컨트롤러(11)는 제1 상태(도 2)와 도 3 상태(도 4)가 반복되도록 스위치(S1 내지 S3)를 제어한다. 즉, 컨트롤러(11)는 제1 스위치(S3)을 PWM 제어하지 않고 지속적으로 단락 상태가 되게 하고, 제4 스위치(S4) 역시 PWM 제어하지 않고 지속적으로 개방 상태가 되게 하고, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)를 도 7과 같이 상호 상보적으로 PWM 제어함으로써 부스트 모드 동작이 수행되게 할 수 있다.
이어, 컨트롤러(11)는 직류 제어기(10) 동작의 종료 여부를 판단하고(S15), 종료되는 것이 아니라면 전술한 것과 같은 제어를 반복하고 종료하는 것으로 판단하면 직류 제어기(10)의 동작을 종료할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류 컨버터 및 그 제어 방법에 따른 전류 리플의 크기를 설명하기 위한 도면이다. 특히, 도 9는 입력전압을 0-100V의 범위에서 변화시키되 기준 레벨(A)를 대략 24V로 설정하고 출력전압을 대략 48V로 설정하여, 전술한 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류 컨버터 제어 방법을 시뮬레이션한 결과를 도시한 것이다.
도 9에서 "제1 제어"로 명명된 곡선은 입력전압이 0-100V의 범위에서 전술한 단계(S13)과 같이 제1, 2, 4 상태 또는 제1, 3, 4 상태를 반복하도록 직류 컨버터(10)를 제어하는 시뮬레이션을 실행하여 도출한 전류 리플을 도시한 것이다. 또한, 도 9에서 "제2 제어"로 명명된 곡선은 입력전압이 0-100V의 범위에서 전술한 단계(S14)와 같이 제1, 2 상태 또는 제1, 3 상태를 반복하도록 직류 컨버터(10)를 제어하는 시뮬레이션을 실행하여 도출한 전류 리플을 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 직류 컨버터 및 그 제어 방법은 입력 전압의 레벨이 사전 설정된 레벨(A) 보다 낮은 경우 제2 제어를 수행하고 입력 전압의 레벨이 사전 설정된 레벨(A) 보다 높은 경우 제1 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 도 9에 나타난 바와 같이, 제1 제어에 의한 전류 리플의 크기 곡선과 제2 제어에 의한 전류 리플의 크기 곡선이 만나는 지점의 입력 전압(A)를 기준 레벨로 결정한 경우, 전류 리플이 더 낮은 구간에 적절한 제어 기법을 선택적으로 사용하게 되므로 더욱 넓은 입력 전압 범위에서 낮은 전류 리플이 발생하도록 직류 컨버터(10)를 운용할 수 있게 되는 것이다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 직류 컨버터 S1-S4: 스위치
L: 인덕터 C: 출력 커패시터
11: 컨트롤러

Claims (10)

  1. 입력 전압이 인가되는 입력단 측에 마련된 복수의 입력 스위치;
    출력 전압이 제공되는 출력단 측에 마련된 복수의 출력 스위치;
    상기 복수의 입력 스위치 및 상기 복수의 출력 스위치에 양단이 연결된 인덕터; 및
    상기 복수의 입력 스위치 및 상기 복수의 출력 스위치의 개방/단락 상태를 PWM 제어하여 회로 연결 상태를 반복적으로 변화시키는 컨트롤러;를 포함하며,
    상기 컨트롤러는, 상기 입력 전압의 크기에 기반하여 상기 인덕터가 상기 입력단 및 상기 출력단과의 전기적 연결이 차단되는 회로 연결 상태의 포함 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 직류 컨버터.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 입력 전압의 크기가 사전 설정된 기준 레벨보다 큰 경우, 상기 반복적으로 변화되는 회로 연결 상태에 상기 인덕터가 상기 입력단 및 상기 출력단과의 전기적 연결이 차단되는 회로 연결 상태를 포함시키며,
    상기 입력 전압의 크기가 상기 기준 레벨 이하인 경우, 상기 반복적으로 변화되는 회로 연결 상태에 상기 인덕터가 상기 입력단 및 상기 출력단과의 전기적 연결이 차단되는 회로 연결 상태를 포함시키지 않는 것을 특징으로 하는 직류 컨버터.
  3. 정의 입력 전압이 일단으로 인가되는 제1 스위치;
    상기 제1 스위치의 타단에 일단이 연결되고 부의 입력 전압이 타단으로 인가되는 제2 스위치;
    상기 제1 스위치의 타단에 일단이 연결된 인덕터;
    상기 인덕터의 타단에 일단이 연결되는 제3 스위치;
    상기 인덕터의 타단에 일단이 연결되는 제4 스위치; 및
    상기 제1 내지 제4 스위치의 개방/단락 상태를 PWM 제어하여 회로 연결 상태를 반복적으로 변화시키는 컨트롤러;를 포함하고,
    상기 제3 스위치의 타단 및 상기 제4 스위치의 타단 사이에 출력 전압이 제공되고,
    상기 컨트롤러는, PWM 제어 시 상기 입력 전압의 크기에 기반하여 상기 제1 및 제3 스위치가 개방되고 상기 제2 및 제4 스위치가 단락 되는 회로 연결상태의 구현여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 직류 컨버터.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 입력 전압의 크기가 사전 설정된 기준 레벨보다 큰 경우, 상기 반복적으로 변화되는 회로 연결 상태에 상기 제1 및 제3 스위치가 개방되고 상기 제2 및 제4 스위치가 단락 되는 회로 연결상태를 포함시키며,
    상기 입력 전압의 크기가 상기 기준 레벨 이하인 경우, 상기 반복적으로 변화되는 회로 연결 상태에 상기 제1 및 제3 스위치가 개방되고 상기 제2 및 제4 스위치가 단락 되는 회로 연결상태를 포함시키지 않는 것을 특징으로 하는 직류 컨버터.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 PWM 제어를 통해,
    상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치가 단락 상태이고, 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치가 개방 상태인 제1 상태와,
    상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치가 단락 상태이고, 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치가 개방 상태인 제2 상태와,
    상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치가 단락 상태이고, 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치가 개방 상태인 제3 상태 및
    상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치가 단락 상태이고, 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치가 개방 상태인 제4 상태 중 일부를 선택적으로 반복하는 것을 특징으로 하는 직류 컨버터.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 직류 컨버터가 부스트 모드로 동작하고 상기 입력 전압의 크기가 사전 설정된 기준 레벨보다 큰 경우,
    상기 컨트롤러는, 상기 제1 상태, 상기 제2 상태 및 상기 제4 상태를 순차적으로 반복하도록 상기 제1 스위치 내지 제4 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 직류 컨버터.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 직류 컨버터가 벅 모드로 동작하고 상기 입력 전압의 크기가 사전 설정된 기준 레벨보다 큰 경우,
    상기 컨트롤러는, 상기 제1 상태, 상기 제3 상태 및 상기 제4 상태를 순차적으로 반복하도록 상기 제1 스위치 내지 제4 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 직류 컨버터.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 직류 컨버터가 부스트 모드로 동작하고 상기 입력 전압의 크기가 사전 설정된 기준 레벨 이하인 경우,
    상기 컨트롤러는, 상기 제1 상태 및 상기 제2 상태를 반복하도록 상기 제1 스위치 내지 제4 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 직류 컨버터.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 직류 컨버터가 벅 모드로 동작하고 상기 입력 전압의 크기가 사전 설정된 기준 레벨 이하인 경우,
    상기 컨트롤러는, 상기 제1 상태 및 상기 제3 상태를 반복하도록 상기 제1 스위치 내지 제4 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 직류 컨버터.
  10. 입력 전압이 인가되는 입력단 측에 마련된 복수의 입력 스위치와, 출력 전압이 제공되는 출력단 측에 마련된 복수의 출력 스위치와, 상기 복수의 입력 스위치 및 상기 복수의 출력 스위치에 양단이 연결된 인덕터 및 상기 복수의 입력 스위치 및 상기 복수의 출력 스위치의 개방/단락 상태를 PWM 제어하여 회로 연결 상태를 반복적으로 변화시키는 컨트롤러를 포함하는 직류 컨버터의 제어 방법에 있어서,
    상기 컨트롤러에서, 상기 직류 컨버터의 제어 방법을 결정하는 단계;
    상기 컨트롤러에서, 상기 직류 컨버터의 입력 전압의 레벨과 사전 설정된 기준 레벨을 비교하는 단계;
    입력 전압의 크기가 사전 설정된 기준 레벨보다 큰 경우, 상기 컨트롤러에서, 반복적으로 변화되는 회로 연결 상태에 상기 인덕터와 상기 입력단 및 상기 출력단의 전기적 연결이 차단되는 회로 연결 상태가 포함되도록 상기 복수의 입력 스위치 및 상기 복수의 출력 스위치를 PWM 제어하는 단계; 및
    상기 입력 전압의 크기가 상기 기준 레벨 이하인 경우, 상기 컨트롤러에서, 반복적으로 변화되는 회로 연결 상태에 상기 인덕터와 상기 입력단 및 상기 출력단의 전기적 연결이 차단되는 회로 연결 상태가 포함되지 않도록 상기 복수의 입력 스위치 및 상기 복수의 출력 스위치를 PWM 제어하는 단계;를 포함하는 직류 컨버터 제어 방법.
KR1020170037462A 2017-03-24 2017-03-24 직류 컨버터 및 그 제어 방법 KR101906311B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170037462A KR101906311B1 (ko) 2017-03-24 2017-03-24 직류 컨버터 및 그 제어 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170037462A KR101906311B1 (ko) 2017-03-24 2017-03-24 직류 컨버터 및 그 제어 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180108114A KR20180108114A (ko) 2018-10-04
KR101906311B1 true KR101906311B1 (ko) 2018-10-10

Family

ID=63862763

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170037462A KR101906311B1 (ko) 2017-03-24 2017-03-24 직류 컨버터 및 그 제어 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101906311B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102391263B1 (ko) * 2021-10-27 2022-04-27 중앙제어 주식회사 가변 히스테리시스 제어에 의한 벅-부스트 컨버터, 그 제어방법, 및 직류 입력 전기차 충전기

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160105110A1 (en) 2014-10-10 2016-04-14 Intersil Americas LLC Hysteretic current mode buck-boost control architecture

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160105110A1 (en) 2014-10-10 2016-04-14 Intersil Americas LLC Hysteretic current mode buck-boost control architecture

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Xiaoyong Ren et al., Three-Mode Dual-Frequency Two-Edge Modulation Scheme for Four-Switch Buck-Boost Converter, IEEE Trans. on Power Electronics 2009 vo.,24,no.,2(2009년2월)

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180108114A (ko) 2018-10-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109168326B (zh) 电源装置
US11772505B2 (en) System and method for charging using motor driving system
Gajanayake et al. Small-signal and signal-flow-graph modeling of switched Z-source impedance network
US8000117B2 (en) Buck boost function based on a capacitor bootstrap input buck converter
US9479055B2 (en) DC-DC converter
CN100574066C (zh) Dc-dc变换器及控制装置和方法、电源装置和电子设备
TWI552502B (zh) 逆變電路之控制方法
US8089254B2 (en) Digital control of power converters
CN105991021B (zh) 双向dc-dc变换器
CN109952698B (zh) Dcdc转换器
KR101734210B1 (ko) 양방향 직류-직류 컨버터
US9484818B2 (en) DC-DC converter
CN104901576A (zh) 逆变器装置以及空调机
JP5251141B2 (ja) 電力変換システム
CN113728543A (zh) 功率变换器的控制方法、装置及存储介质
KR101906311B1 (ko) 직류 컨버터 및 그 제어 방법
KR101030776B1 (ko) 승압형 직류/직류 변환기
JP7426397B2 (ja) パワー半導体スイッチの駆動回路に電圧を供給するためのパワーエレクトロニクスデバイスおよび方法
JP2019149867A (ja) 電力変換装置及び電力変換システム
Hulea et al. Valley current mode control of a bi-directional hybrid DC-DC converter
KR101575493B1 (ko) Ｄｃ-ｄｃ 컨버터 전류 추정 방법
KR20210137629A (ko) 고변환비를 갖는 멀티레벨 승압 ｄｃ-ｄｃ 컨버터
JP2020048342A (ja) スイッチング素子のゲート駆動回路
US20230078379A1 (en) Bootstrap capacitor gate driver
JP2018121475A (ja) 電力変換装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant