KR102094440B1 - 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터, 이의 밸리 스위칭 방법 및 이를 포함하는 태양광 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터, 이의 밸리 스위칭 방법 및 이를 포함하는 태양광 전력 변환 장치가 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터는, 제1 스위칭 신호에 따라 입력 전원을 단속하여 부하에 공급하는 제1 플라이백(Flyback) 컨버터부, 입력단이 상기 제1 플라이백 컨버터부의 입력단에 병렬로 연결되고 출력단은 상기 부하에 병렬로 연결되며, 제2 스위칭 신호에 따라 상기 제1 플라이백 컨버터부와 교대로 상기 입력 전원을 단속하여 상기 부하에 공급하는 제2 플라이백 컨버터부, 출력 지령 전류에 기초하여 밸리 스위칭을 수행할 위치를 설정하고, 상기 설정된 위치에서 다음 스위칭 동작을 하도록하는 제1 스위칭 신호 및 제2 스위칭 신호를 교번적으로 생성하는 스위칭 제어부를 포함한다.

Description

소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터, 이의 밸리 스위칭 방법 및 이를 포함하는 태양광 전력 변환 장치{SMALL POWER INTERLEAVED QUASI-RESONANT FLYBACK CONVERTER, VALLEY SWITCHING METHOD MEREROF AND PHOTOVOLTAIC POWER CONVERSION APPARATUS INCLUDING THE SAME}
본 발명은 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터, 이의 밸리 스위칭 방법 및 이를 포함하는 태양광 전력 변환 장치에 관한 것이다. 보다 자세하게는 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터에서 추가회로 없이 최적의 밸리 스위칭 기법을 적용하여 시스템의 효율과 EMI 특성을 향상시킬 수 있는 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터, 이의 밸리 스위칭 방법 및 이를 포함하는 태양광 전력 변환 장치에 관한 것이다.
태양광 발전시스템은 태양광을 전기에너지로 변환하는 시스템으로 에너지 변환과정에서 기계적, 화학적 작용이 없어 시스템 구조가 단순하고, 유지 보수가 간단하며 수명이 20~30년 정도로 긴 장점을 지닌다. 최근 발전 규모를 수백 W급의 소용량부터 수백 kW급에 이르는 대용량 시스템까지 다양하게 적용할 수 있어 신재생에너지 분야에서 각광받고 있다. 최근 건물 일체형 태양광 발전시스템이 주목을 받게 되면서, 도심형 태양광 발전에서 문제가 될 수 있는 미세 먼지와 그림자 현상에 대한 대비책이 필요하게 되었다. 이에 따라 최근 태양전지 모듈 하나당 한 개의 인버터가 설치되는 마이크로인버터(Microinverter)가 주목을 받고 있다. 일반적으로 태양광 마이크로인버터는 태양전지 모듈, DC/DC 컨버터, DC/AC 인버터로 구성된다. 마이크로인버터는 250W에서 300W급으로 설계되는데, 낮은 전력대로 동작하는 DC/DC 컨버터는 플라이백 토폴로지가 널리 사용되고 있으나 스위치로 높은 전압 스트레스를 발생시킬 수 있는 위험성이 존재하여 스위치가 ON/OFF할 때 시스템 전체에 노이즈를 발생시켜 EMI 특성 및 시스템 효율에 악영향을 미친다. 따라서 고효율이 가능하며 EMI 특성을 개선할 수 있는 기법들이 필요하다.
최근 이러한 악영향을 줄이기 위해 다양한 소프트 스위칭 기법이 제안되었으며, 여러 기법들 중 준공진 밸리 스위칭 기법이 많이 사용되고 있다. 준공진 밸리 스위칭 기법은 플라이백 변압기의 자화인덕턴스와 스위치의 기생 커패시터의 공진현상을 이용하여 스위치 양단 전압이 최소화 되는 지점(밸리)에서 다음 스위치 동작을 수항하는 기법이다. 이 방법으로 시스템의 특성을 개선시킬 수 있지만, 밸리를 검출하고 적절한 밸리에서 다음 스위칭을 동작하게 하는 추가회로가 필요하기 때문에 마이크로인버터와 같은 소용량 전력변환시스템에 적용할 경우 제품의 부피와 가격이 증가하여 제품의 시장 경쟁성을 저하시키는 단점이 있다.
관련 선행기술로는 한국등록특허 제 10-1397903호(발명의 명칭: 전원 공급 장치와 그 동작 방법, 및 그를 포함하는 태양광 발전 시스템)가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터에서 추가회로 없이 최적의 밸리 스위칭 기법을 적용하여 시스템의 효율과 EMI 특성을 향상시킬 수 있는 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터, 이의 밸리 스위칭 방법 및 이를 포함하는 태양광 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터는, 제1 스위칭 신호에 따라 입력 전원을 단속하여 부하에 공급하는 제1 플라이백(Flyback) 컨버터부, 입력단이 상기 제1 플라이백 컨버터부의 입력단에 병렬로 연결되고 출력단은 상기 부하에 병렬로 연결되며, 제2 스위칭 신호에 따라 상기 제1 플라이백 컨버터부와 교대로 상기 입력 전원을 단속하여 상기 부하에 공급하는 제2 플라이백 컨버터부, 출력 지령 전류에 기초하여 밸리 스위칭을 수행할 위치를 설정하고, 상기 설정된 위치에서 다음 스위칭 동작을 하도록하는 제1 스위칭 신호 및 제2 스위칭 신호를 교번적으로 생성하는 스위칭 제어부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 플라이백 컨버터부는, 제1 스위칭 신호에 따라 스위칭하는 제1 스위치, 상기 제1 스위칭의 스위칭에 따라 1차측 권선에 인가되는 직류전압을 2차측 권선에 유기하는 제1 변압기, 상기 제1 변압기의 2차측 권선의 일단과 상기 부하 사이를 연결하며, 상기 제1 스위치가 '온'되었을 때, 차단되고, '오프'되었을 때, 도통되어 상기 부하에 전원을 공급하는 제1 다이오드를 포함하고,
상기 제2 플라이백 컨버터부는 제2 스위칭 신호에 따라 스위칭하는 제2 스위치, 상기 제2 스위칭의 스위칭에 따라 1차측 권선에 인가되는 직류전압을 2차측 권선에 유기하는 제2 변압기, 상기 제2 변압기의 2차측 권선의 일단과 상기 부하 사이를 연결하며, 상기 제2 스위치가 '온'되었을 때, 차단되고, '오프'되었을 때, 도통되어 상기 부하에 전원을 공급하는 제2 다이오드를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 스위칭 제어부는, 상기 제1 변압기 또는 제2 변압기의 자화 인덕턴스와 제1 스위치 또는 제2 스위치에 병렬로 연결된 기생 커패시터를 이용하여 공진 주기를 산출하고, 상기 공진 주기, 상기 제1 변압기 또는 제2 변압기의 권선 비(n), 입력 전압(Vdc), 출력 전압(Vout), 출력 지령 전류 중 적어도 하나에 기초하여 스위칭 주기를 산출하는 스위칭 주기 설정부, 상기 공진 주기와 출력 지령 전류에 기초하여 다음 밸리 스위칭을 수행할 위치인 공진 계수를 실시간으로 설정하는 스위칭 위치 설정부, 상기 스위칭 주기에서 상기 설정된 공진 계수에 해당하는 밸리에서 다음 스위칭 동작을 하도록 설정하는 스위칭 구동부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 스위칭 위치 설정부는, 아래 수학식을 이용하여 공진계수(
Figure 112018093602272-pat00001
)를 설정할 수 있다.
[수학식]
Figure 112018093602272-pat00002
여기서, 상기 tsamp는 스위칭 주기, Ipeak - ref 는 출력 지령 전류, Lm은 변압기의 자화인덕턴스, Vdc는 입력 전압, Vout은 출력 전압, Cr는 스위치에 병렬로 연결된 기생 커피시터를 의미함.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 전력 변환 장치는, 태양광 전류 및 태양광 전압을 출력하는 태양광 패널, 상기 태양광 패널의 출력단에 병렬결합되는 제1 플라이백 컨버터부 및 제2 플라이백 컨버터부, 상기 제1 플라이백 컨버터부의 출력 및 상기 제2 플라이백 컨버터부의 출력과 공통으로 결합하여 충전하는 충전부, 양의 반주기가 반복적으로 입력되는 상기 충전부의 전압을 교류전압으로 변환하여 출력하는 인버터, 상기 태양광전류 및 태양광전압, 최대출력점제어를 통해 출력된 출력 지령 전류에 기초하여 밸리 스위칭을 수행할 위치를 설정하고, 상기 설정된 위치에서 다음 스위칭 동작을 하도록하는 제1 스위칭 신호 및 제2 스위칭 신호를 교번적으로 생성하는 스위칭 제어부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 스위칭 제어부는, 상기 제1 변압기 또는 제2 변압기의 자화 인덕턴스와 제1 스위치 또는 제2 스위치에 병렬로 연결된 기생 커패시터를 이용하여 공진 주기를 산출하고, 상기 공진 주기와 출력 지령 전류에 기초하여 다음 밸리 스위칭을 수행할 위치인 공진 계수를 실시간으로 설정하는 스위칭 위치 설정부, 상기 제1 변압기 또는 제2 변압기의 자화 인덕턴스, 상기 제1 스위치 또는 제2 스위치에 병렬로 연결된 기생 커패시터, 상기 제1 변압기 또는 제2 변압기의 권선 비(n), 입력 전압(Vdc), 출력 전압(Vout), 출력 지령 전류 중 적어도 하나에 기초하여 스위칭 주기를 산출하는 스위칭 주기 설정부, 상기 스위칭 주기에서 상기 설정된 공진 계수에 해당하는 밸리에서 다음 스위칭 동작을 하도록 설정하는 스위칭 구동부를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터의 밸리 스위칭 방법은, 플라이백 변압기와 스위치를 포함하는 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터의 밸리 스위칭 방법에 있어서, 상기 플라이백 변압기의 자화 인덕턴스와 상기 스위치에 병렬로 연결된 기생 커패시터를 이용하여 공진 주기를 산출하는 단계, 최대출력점제어를 통해 출력된 출력 지령 전류를 이용하여 상기 스위치의 온(on) 시간과 오프(off) 시간을 산출하는 단계, 상기 산출된 공진 주기, 스위치 온 시간 및 오프 시간을 이용하여 스위칭 주기를 산출하는 단계, 상기 스위칭 주기, 공진 주기, 스위치 온 시간 및 오프 시간을 이용하여 다음 밸리 스위칭을 수행할 위치인 공진 계수를 실시간으로 설정하는 단계, 상기 설정된 공진 계수에 해당하는 밸리에서 다음 스위칭 동작을 하도록 설정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 효과는 다음과 같다.
본 발명에서 제안하는 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터의 밸리 스위칭 방법을 이용하면, 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터에서 추가회로 없이 최적의 밸리 스위칭 기법을 사용함으로서, 전체 시스템의 부피와 가격을 줄일 수 있고, EMI/ECM 특성을 개선시킬 수 있으며 전력변환 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 전력 변환 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 스위칭 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 양단 점압과 플라이백 변압기의 전류를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 전력에 따른 최적의 밸리 스위칭 기법을 적용한 준공진 플라이백 컨버터의 스위치 전압 및 전류를 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터의 밸리 스위칭 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 본 발명을 적용하기 전과 적용한 후의 시스템 EMI 측정 결과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명을 적용하기 전과 적용한 후의 시스템 전력 변환 효율 결과를 설명하기 위한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 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.
본 출원에서 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 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 전력 변환 장치를 설명하기 위한 도면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터를 설명하기 위한 도면, 도 3은 도 1에 도시된 스위칭 제어부를 설명하기 위한 도면, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 양단 점압과 플라이백 변압기의 전류를 설명하기 위한 그래프, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 전력에 따른 최적의 밸리 스위칭 기법을 적용한 준공진 플라이백 컨버터의 스위치 전압 및 전류를 설명하기 위한 그래프이다.
도 1을 참조하며, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 전력 변환 장치(100)는 태양전지 모듈(110), DC/DC 컨버터(120), 충전부(130), DC/AC 인버터(140), 스위칭 제어부(150)를 포함한다.
태양전지 모듈(110)은 태양광 셀들의 집합으로 불안정한 태양광전류(IPV) 및 태양광전압(VPV)을 출력한다. 태양전지 모듈(110)는 수백 볼트의 레벨을 갖는 입력 전압을 생성하여 DC/DC 컨버터(120)에 공급한다. 예를 들어, 태양전지 모듈(110)이 생성하는 입력 전압은 수백~수천V 이상에 이르는 매우 높은 레벨을 가질 수 있다.
DC/DC 컨버터는(120)는 태양전지 모듈(110)로부터 입력받은 높은 레벨의 입력 전압을 낮은 레벨의 출력 전압으로 직류-직류 변환하는 구성으로, 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터로 구성될 수 있다.
인터리브드 준공진 플라이백 컨버터(120)는 제1 플라이백 컨버터부(120a)와 제2 플라이백 컨버터부(120b)를 포함한다.
제1 플라이백 컨버터부(120a)는 제1 스위칭 신호에 따라 입력 전원을 단속하여 부하에 공급한다. 이러한 제1 플라이백 컨버터부(120a)는 제1 스위칭 신호에 따라 스위칭하는 제1 스위치(SW1)(121a), 제1 스위치(121a)의 스위칭에 따라 1차측에 인가되는 직류전압을 2차측에 유기하는 제1 변압기(T1)(123a),, 제1 변압기 2차측에 유기되는 전압을 정류하는 제1 다이오드(D1)(125a)를 포함한다. 제1 다이오드는 제1 변압기의 2차측 권선의 일단과 부하 사이를 연결하며, 제1 스위치(121a)가 '온'되었을 때, 차단되고, '오프'되었을 때, 도통되어 부하에 전원을 공급한다.
제1 플라이백 컨버터부(120a)는 제1 스위치(121a)가 온되면 제1 변압기(123a)의 2차측 권선에는 1차측 권선과 반대 극성의 전압이 유도되므로, 제1 다이오드(123a)는 역 바이어스 되어 차단되고, 2차측 권선에는 전류가 흐르지 않아 1차측 권선으로만 전류가 흘러 플라이백 변압기 자화 인덕턴스에 에너지가 축적된다. 제1 스위치가 오프되면 2차측 권선에는 직전 상태와 반대 극성의 전압이 유도되어 제1 다이오드를 온 시킴으로써 플라이백 변압기의 자화 인덕턴스(Lm)에 축적된 에너지를 부하에 공급한다. 이때, 2차측에 인가되는 전압은 권선비(n1=N2/N1)와 입력 전압, 듀티 사이클에 따라 결정된다.
제2 플라이백 컨버터부(120b)는 입력단이 제1 플라이백 컨버터부(120a)의 입력단에 병렬로 연결되고 출력단은 부하에 병렬로 연결되며, 제2 스위칭 신호에 따라 제1 플라이백 컨버터부(120a)와 교대로 입력 전원을 단속하여 부하에 공급한다. 이러한 제2 플라이백 컨버터부(120b)는 제2 스위칭 신호에 따라 스위칭하는 제2 스위치(SW2)(121b), 제2 스위치(121b)의 스위칭에 따라 1차측에 인가되는 직류전압을 2차측에 유기하는 제2 변압기(T2)(123b), 제2 변압기 2차측에 유기되는 전압을 정류하는 제2 다이오드(D2)(125b)를 포함한다. 여기서, 제2 다이오드(125b)는 제2 변압기(123b)의 2차측 권선의 일단과 부하 사이를 연결하며, 제2 스위치(121b)가 '온'되었을 때, 차단되고, '오프'되었을 때, 도통되어 부하에 전원을 공급한다.
제2 플라이백 컨버터부(120b)는 제2 스위치(121b)가 온되면 제2 변압기(123b)의 2차측 권선에는 1차측 권선과 반대 극성의 전압이 유도되므로, 제2 다이오드(125b)는 역 바이어스 되어 차단되고, 2차측 권선에는 전류가 흐르지 않아 1차측 권선으로만 전류가 흘러 플라이백 변압기 자화 인덕턴스(Lm)에 에너지가 축적된다. 제2 스위치(121b)가 오프되면 2차측 권선에는 직전 상태와 반대 극성의 전압이 유도되어 제2 다이오드(125b)를 온 시킴으로써 플라이백 변압기(123b)의 자화 인덕턴스(Lm)에 축적된 에너지를 부하에 공급한다. 이때, 2차측에 인가되는 전압은 권선비(n1=N2/N1)와 입력 전압, 듀티 사이클에 따라 결정된다.
충전부(130)는 제1 플라이백 컨버터부(120a)의 출력 및 제2 플라이백 컨버터부(120b)의 출력과 공통으로 결합하여 충전한다.
인버터(140)는 양의 반주기가 반복적으로 입력되는 충전부의 전압을 교류전압으로 변환하여 출력한다.
스위칭 제어부(150)는 태양광전류 및 태양광전압, 출력 지령 전류에 기초하여 밸리 스위칭을 수행할 위치를 설정하고, 설정된 위치에서 다음 스위칭 동작을 하도록하는 제1 스위칭 신호 및 제2 스위칭 신호를 교번적으로 생성한다. 이때, 스위칭 제어부(150)는 제1 플라이백 컨버터부(120a)와 제2 플라이백 컨버터부(120b)에 대하여 준공진 밸리 스위칭 방식으로 병렬 운전을 수행할 수 있다.
구체적으로, 스위칭 제어부(150)는 측정된 입력 전압(Vdc)과 입력 전류(Idc)를 이용하여 최대출력점제어(MPPT)를 통해 출력된 지령 전류, 플라이백 컨버터(120)의 스위치(121a, 121b)에 병렬로 연결된 기생커패시터(C1, C2)와 변압기(123a, 123b)의 자화인덕턴스, 출력 전압(Vout)을 이용하여 스위칭 주파수와 듀티사이클을 결정함으로써, 추가회로 없이 최적의 밸리 스위칭 기법을 구현할 수 있다.
스위칭 제어부(150)에 대해 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 제어부(150)는 스위칭 위치 설정부(152), 스위칭 주기 설정부(154), 스위칭 구동부(156)를 포함한다.
스위칭 위치 설정부(152)는 플라이백 변압기(123a, 123b)의 자화 인덕턴스와 스위치(121a, 121b)에 병렬로 연결된 기생 커패시터를 이용하여 공진 주기와 출력 전력에 기초하여 밸리 스위칭을 수행할 위치를 설정한다. 이때, 밸리 스위칭을 수행할 위치는 공진 계수(
Figure 112018093602272-pat00003
)로 표현할 수 있으며, 공진계수는 몇 번째 밸리에서 다음 스위칭을 할 것인지를 결정하는 파라미터이다. 공진 계수는 사용자의 설정에 의해 변화시킬 수 있으며, 전체 스위칭 주파수를 결정하는 요소이기 때문에 적절한 값으로 설정해야 한다. 또한, 공진 계수는 출격 지령 전류 또는 출력 전력에 비례하여 자동으로 설정될 수 있다. 출력 전력이 낮을 경우 공진 계수를 작게 설정하면 스위칭 주파수가 매우 높아지기 때문에 스위칭 손실이 증가할 수 있다. 반대로 출력 전력이 높을 경우 공진 계수를 크게 설정하면 스위칭 주파수가 낮아지는 반면 지령 전류의 크기가 상승하여 스위칭 소자의 전류 정격에 다다를 수 있다. 따라서 출력 전력이 낮은 경우 공진 계수를 크게 하고, 출력 전력이 상승할수록 공진 계수를 작게 하여 최종 스위치 주파수가 100~200kHz 사이에 존재하도록 한다.
한편, 플라이백 컨버터(120)는 플라이백 변압기(123a, 123b)와 스위치(121a, 121b)에 병렬로 연결된 기생 커패시터를 포함하고, 이러한 토폴로지를 준공진 플라이백 토폴로지라 한다. 이러한 준공진 플라이백 토폴로지의 경우 플라이백 변압기(123a, 123b)의 자화인덕턴스(Lm)와 스위치에 병렬로 연결된 기생 커피시터(Cr)에 의해서 공진 현상이 발생하고, 공진 주파수를 중심으로 공진 대역이 형성된다. 따라서, 공진 주기(tr)는 아래 기재된 수학식 1과 같이 플라이백 변압기(123a, 123b)의 자화인덕턴스(Lm)와 스위치(121a, 121b)에 병렬로 연결된 기생 커피시터(Cr)를 이용하여 산출할 수 있다.
Figure 112018093602272-pat00004
불연속 모드로 동작하는 플라이백 컨버터(120a, 120b)의 스위치 양단 전압은 스위치가 OFF 상태일 때 플라이백 변압기(123a, 123b)의 에너지가 부하로 모두 전달되면 수학식 1의 공진 주기로 링잉한다. 이때 스위치(121a, 121b)가 ON되면 스위치 양단 전압은 0이 되는데, 공진 주기로 링잉하는 스위치 양단 전압이 최소일 때 다음 스위칭을 동작시켜야 시스템의 EMI 특성이 개선되고, 스위칭 손실을 최소화할 수 있다. 이 기법을 밸리 스위칭 기법이라 한다.
밸리 스위칭에서 가장 중요한 점은 밸리를 검출하는 것과 몇 번째 밸리에서 스위치가 ON이 되는지 결정하는 것이다. 이 중에 밸리의 개수를 결정하는 요소는 시스템의 스위칭 주파수를 결정하는 요인이기도 하다. Micro Controller Unit (MCU)기반의 소용량 인버터에 기존의 밸리 스위칭 기법을 적용하기 위해서는 밸리를 검출하는 추가 회로나 추가 IC 칩, 밸리의 개수를 결정하는 추가 회로나 추가 IC 칩이 필요하다. 대용량 인버터의 경우, 추가 회로나 추가 IC 칩에 대해 부피와 가격의 제약을 덜 받지만 마이크로인버터와 같은 소용량 인버터의 경우 추가되는 회로나 IC 칩은 시스템의 부피와 가격을 상승시키는 주요 요인이 된다.
본 발명은 MCU 기반의 소용량 인버터에 보조 회로나 IC 칩을 추가하지 않은 상태에서 최적의 밸리 스위칭 기법을 적용하므로, 소용량 인버터의 부피와 가격을 상승시키지 않을 뿐만 아니라 시스템의 EMI 특성이 개선되고, 스위칭 손실을 최소화할 수 있다.
공진계수를 자동으로 설정하는 경우는 스위칭 주기를 이용하므로 후술하기로 한다.
스위칭 주기 설정부(154)는 제1 변압기(123a)의 자화 인덕턴스, 제1 스위치(121a)에 병렬로 연결된 기생 커패시터, 제1 변압기(123a)의 권선 비(n), 입력 전압(Vdc), 출력 전압(Vout), 출력 지령 전류 중 적어도 하나에 기초하여 스위칭 주기를 산출한다. 이때, 스위칭 주기는 지령 피크 전류를 출력하기 위한 스위치 ON 시간과 스위치의 전류가 부하로 모두 전달되는 OFF 시간, 밸리 스위칭을 위한 α개의 공진 시간의 합으로 구성된다.
본 발명의 플라이백 컨버터에서 스위칭 양단 전압과 변압기 1, 2차측 전류는 도 4에 도시된 바와 같고, 플라이백 변압기(123a, 123b)의 1차측 피크 전류를 이용하여 전류 제어를 수행한다. 실질적으로 스위치(121a, 121b)가 ON이 되는 구간인 듀티사이클을 구하기 위해 스위칭 주기를 먼저 계산한다. 스위칭 주기는 지령 피크 전류를 출력하기 위한 스위치 ON 시간과 스위치(121a, 121b)의 전류가 부하로 모두 전달되는 OFF 시간, 밸리 스위칭을 위한 α개의 공진 시간의 합으로 구성된다.
따라서, 스위칭 주기 설정부(154)는 스위치 ON 시간, 스위치 OFF 시간, α개의 공진 시간을 구하여, 스위칭 주기를 산출한다.
먼저, 스위칭 주기 설정부(154)는 지령 피크 전류를 출력하기 위한 스위치 ON 시간(ton)을 아래 기재된 수학식 2를 이용하여 구할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018093602272-pat00005
여기서 Lm은 변압기의 자화인덕턴스, Vdc는 입력 전압, Ipeak - ref 는 출력 지령 전류를 의미할 수 있다.
다음으로, 스위칭 주기 설정부(154)는 스위치의 전류가 부하로 모두 전달되는 OFF 시간(toff)을 아래 기재된 수학식 3을 이용하여 구할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112018093602272-pat00006
여기서 Vout은 출력 전압, n은 플라이백 변압기의 권선 비를 나타낸다.
다음으로, 스위칭 주기 설정부(154)는 밸리 스위칭을 위한 α개의 공진 시간(tres)을 아래 수학식 4를 이용하여 구할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018093602272-pat00007
여기서, α는 공진 계수이며, 몇 번째 밸리에서 다음 스위칭을 할 것인지를 결정하는 파라미터이다.
상기 수학식 2 내지 4를 이용하여 스위치 ON 시간, 스위치 OFF 시간 및 공진 시간이 산출되면, 스위칭 주기 설정부(154)는 아래 기재된 수학식 5를 이용하여 스위칭 주기(tsamp)를 산출할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112018093602272-pat00008
즉, 스위칭 주기(tsamp)는 지령 피크 전류를 출력하기 위한 스위치 ON 시간(ton)과 스위치의 전류가 부하로 모두 전달되는 OFF 시간(toff), 밸리 스위칭을 위한 α개의 공진 시간(tres)의 합을 이용하여 구할 수 있다.
수학식 5를 이용하여 스위칭 주기가 구해지면, 최적의 밸리 스위칭 기법이 적용된 듀티 사이클을 구할 수 있다.
즉, 최적의 밸리 스위칭 기법이 적용된 듀티사이클은 아래 기재된 수학식 6을 이용하여 구할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112018093602272-pat00009
수학식 6을 이용하여 준공진 플라이백 컨버터에 보조 회로나 IC 칩을 추가하지 않고 최적의 밸리 스위칭 기법을 적용할 수 있으며, EMI 특성을 개선시킬 수 있고, 스위칭 손실을 또한 저감할 수 있다.
한편, 플라이백 변압기(123a, 123b)의 자화인덕턴스(Lm)와 스위치(121a, 121b)에 병렬로 연결된 기생 커피시터(Cr), 플라이백 변압기(123a, 123b)의 턴수 비(n), 입력 전압(Vdc), 출력 전압(Vout)은 플라이백 컨버터(120a, 120b)의 기본 설계 파라미터이며, 이 값들이 정해진 후 사용자가 원하는 스위칭 주기(tsamp)가 결정되면, 스위칭 위치 설정부(152)는 몇 번째 밸리에서 다음 스위칭을 할건지 결정하는 파라미터인 공진 계수를 자동으로 설정할 수 있다.
이에, 스위칭 위치 설정부(152)는 스위칭 주기 및 출력 지령 전류에 기초하여 밸리 스위칭을 수행할 위치인 공진 계수를 선정한다. 공진계수는 밸리 스위칭 방법에서 전체 스위칭 주파수를 결정하는 중요한 파라미터로, 입력 전류의 크기에 따라 결정될 수 있다.
즉, 스위칭 위치 설정부(152)는 아래 수학식 7을 이용하여 공진계수(
Figure 112018093602272-pat00010
)를 결정할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112018093602272-pat00011
수학식 7에서 플라이백 변압기의 자화인덕턴스(Lm)와 스위치에 병렬로 연결된 기생 커피시터(Cr), 플라이백 변압기의 턴수 비(n), 입력 전압(Vdc), 출력 전압(Vout)은 플라이백 컨버터의 기본 설계 파라미터이며, 이 값들이 정해진 후 사용자가 원하는 스위칭 주기(tsamp)가 결정되면, 최종적으로 출력 전류의 지령인 Ipeak _ ref의 크기에 따라 공진 계수를 결정한다. 여기서, 공진 계수는 정수 값이기 때문에 소수점 이하는 상관하지 않는다.
아래 표 1은 공진 계수를 계산하는 예시를 나타낸다.
[표 1]
Figure 112018093602272-pat00012
즉, 표 1의 (a)와 같이 설계 파라미터들이 제시되면, 스위칭 위치 설정부(154)는 수학식 7을 이용하여 공진계수를 산출할 수 있다. 이때, 공진계수는 출력 지령 전류에 따라 값이 다를 수 있다.
스위칭 구동부(156)는 스위칭 위치 설정부(154)에서 선정된 공진 계수에 해당하는 밸리에서 다음 스위칭 동작을 하도록 설정한다.
예를 들어, 표 1 및 도 4를 참조하면, 출력 지령 전류가 0~7A의 구간에서는 4번째 밸리에서 다음 스위칭 동작을 하도록 설정하고, 이때 출력 전력의 범위는 0~25%이다. 출력 지령 전류가 7~11A의 구간에서는 3번째 밸리에서 다음 스위칭 동작을 하도록 설정하고, 이때 출력 전력의 범위는 25~50%이다. 출력 지령 전류가 11~13A의 구간에서는 2번째 밸리에서 다음 스위칭 동작을 하도록 설정하고, 이때 출력 전력의 범위는 50~75%이다. 출력 지령 전류가 13~16A의 구간에서는 1번째 밸리에서 다음 스위칭 동작을 하도록 설정하고, 이때 출력 전력의 범위는 75~100%이다.
상술한 구조의 태양광 전력 변환 장치는 측정된 입력 전압(Vdc)과 입력 전류(Idc)를 이용하여 최대출력점제어(MPPT)를 통해 출력된 지령 전류와 스위치에 병렬로 연결된 기생커패시터와 변압기의 자화인덕턴스, 출력 전압(Vout)을 이용하여 스위칭 주기와 듀티사이클을 결정하여 추가회로 없이 최적의 밸리 스위칭 기법을 구현할 수 있고, 이로 인해 시스템의 EMI 특성을 개선시키고, 스위칭 손실을 최소화시켜 시스템 전력 변환 효율을 증가시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터의 밸리 스위칭 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 플라이백 컨버터는 플라이백 변압기의 자화 인덕턴스와 스위치에 병렬로 연결된 기생 커패시터를 이용하여 공진 주기를 산출하고(S610), 공진 주기와 출력 전력에 기초하여 밸리 스위칭을 수행할 위치를 설정한다(S620). 이때, 밸리 스위칭을 수행할 위치는 공진 계수로 표현할 수 있으며, 공진 계수는 사용자 설정에 의해 설정되거나, 자동으로 설정할 수 있다. 자동으로 설정하는 경우는 수학식 7을 이용하므로, 단계 S660 이후 수행할 수 있다. .
단계 S620이 수행되면, 플라이백 컨버터는 최대출력점제어를 통해 출력된 출력 지령 전류를 이용하여 스위치의 온(on) 시간과 오프(off) 시간을 산출한다(S630).
단계 S630의 수행 후, 플라이백 컨버터는 공진 주기, 공진 시간, 스위치 온 시간 및 오프 시간을 이용하여 스위칭 주기를 산출하고(S640), 스위칭 주기를 이용하여 듀티 사이클을 산출한다(S660)
도 7은 본 발명을 적용하기 전과 적용한 후의 시스템 EMI 측정 결과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 본 발명을 적용하기 전에는 EMI의 최댓값과 평균값이 각각의 허용치(CISPR IEC 61000-6-3)를 초과하는 모습을 볼 수 있으나, 본 발명을 적용한 후에는 EMI의 최댓값과 평균값이 모두 허용치를 초과하지 않는 모습을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명을 적용하기 전과 적용한 후의 시스템 전력 변환 효율 결과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 본 발명을 적용한 경우, 시스템 전력 변환 효율이 더 높아짐을 확인할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 태양광 전력 변환 장치
110 : 태양전지 모듈
120 : 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터
130 : 충전부
140 : DC/AC 인버터
150 : 스위칭 제어부

Claims (7)

  1. 제1 스위치 및 제1 변압기를 포함하고, 제1 스위칭 신호에 따라 입력 전원을 단속하여 부하에 공급하는 제1 플라이백(Flyback) 컨버터부;
    제2 스위치 및 제2 변압기를 포함하고, 입력단이 상기 제1 플라이백 컨버터부의 입력단에 병렬로 연결되고 출력단은 상기 부하에 병렬로 연결되며, 제2 스위칭 신호에 따라 상기 제1 플라이백 컨버터부와 교대로 상기 입력 전원을 단속하여 상기 부하에 공급하는 제2 플라이백 컨버터부; 및
    최대출력점제어를 통해 출력된 출력 지령 전류에 기초하여 밸리 스위칭을 수행할 위치를 설정하고, 상기 설정된 위치에서 다음 스위칭 동작을 하도록 하는 제1 스위칭 신호 및 제2 스위칭 신호를 교번적으로 생성하는 스위칭 제어부
    를 포함하고,
    상기 스위칭 제어부는
    상기 제1 변압기 또는 제2 변압기의 자화 인덕턴스와 제1 스위치 또는 제2 스위치에 병렬로 연결된 기생 커패시터를 이용하여 공진 주기를 산출하고, 상기 공진 주기, 상기 제1 변압기 또는 제2 변압기의 권선 비(n), 입력 전압(Vdc), 출력 전압(Vout), 출력 지령 전류 중 적어도 하나에 기초하여 스위칭 주기를 산출하는 스위칭 주기 설정부; 및
    상기 공진 주기와 출력 지령 전류에 기초하여 다음 밸리 스위칭을 수행할 위치인 공진 계수를 실시간으로 설정하는 스위칭 위치 설정부;
    상기 스위칭 주기에서 상기 설정된 공진 계수에 해당하는 밸리에서 다음 스위칭 동작을 하도록 설정하는 스위칭 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 제1 스위칭 신호에 따라 스위칭하고,
    상기 제1 변압기는 상기 제1 스위칭의 스위칭에 따라 1차측 권선에 인가되는 직류전압을 2차측 권선에 유기하며,
    상기 제1 플라이백 컨버터부는, 상기 제1 변압기의 2차측 권선의 일단과 상기 부하 사이를 연결하며, 상기 제1 스위치가 '온'되었을 때, 차단되고, '오프'되었을 때, 도통되어 상기 부하에 전원을 공급하는 제1 다이오드를 더 포함하고,
    상기 제2 스위치는 제2 스위칭 신호에 따라 스위칭하고,
    상기 제2 변압기는 상기 제2 스위칭의 스위칭에 따라 1차측 권선에 인가되는 직류전압을 2차측 권선에 유기하며,
    상기 제2 플라이백 컨버터부는,
    상기 제2 변압기의 2차측 권선의 일단과 상기 부하 사이를 연결하며, 상기 제2 스위치가 '온'되었을 때, 차단되고, '오프'되었을 때, 도통되어 상기 부하에 전원을 공급하는 제2 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 위치 설정부는, 아래 수학식을 이용하여 공진계수(
    Figure 112019130006116-pat00013
    )를 설정하는 것을 특징으로 하는 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터.
    [수학식]
    Figure 112019130006116-pat00014

    여기서, 상기 tsamp는 스위칭 주기, Ipeak-ref 는 출력 지령 전류, Lm은 변압기의 자화인덕턴스, Vdc는 입력 전압, Vout은 출력 전압, Cr는 스위치에 병렬로 연결된 기생 커패시터를 의미함.
  5. 태양광 전류 및 태양광 전압을 출력하는 태양전지 모듈;
    상기 태양전지 모듈의 출력단에 병렬결합되는 제1 플라이백 컨버터부 및 제2 플라이백 컨버터부;
    상기 제1 플라이백 컨버터부의 출력 및 상기 제2 플라이백 컨버터부의 출력과 공통으로 결합하여 충전하는 충전부;
    양의 반주기가 반복적으로 입력되는 상기 충전부의 전압을 교류전압으로 변환하여 출력하는 인버터; 및
    상기 태양광전류 및 태양광전압, 최대출력점제어를 통해 출력된 출력 지령 전류에 기초하여 밸리 스위칭을 수행할 위치를 설정하고, 상기 설정된 위치에서 다음 스위칭 동작을 하도록하는 제1 스위칭 신호 및 제2 스위칭 신호를 교번적으로 생성하는 스위칭 제어부
    를 포함하고,
    상기 스위칭 제어부는,
    상기 제1 플라이백 컨버터부의 제1 변압기 또는 제2 플라이백 컨버터부의 제2 변압기의 자화 인덕턴스와 제1 스위치 또는 제2 스위치에 병렬로 연결된 기생 커패시터를 이용하여 공진 주기를 산출하고, 상기 공진 주기, 상기 제1 변압기 또는 제2 변압기의 권선 비(n), 입력 전압(Vdc), 출력 전압(Vout), 출력 지령 전류 중 적어도 하나에 기초하여 스위칭 주기를 산출하는 스위칭 주기 설정부;
    상기 스위칭 주기, 공진 주기, 스위치 온 시간 및 오프 시간을 이용하여 다음 밸리 스위칭을 수행할 위치인 공진 계수를 실시간으로 설정하는 스위칭 위치 설정부; 및
    상기 스위칭 주기에서 상기 설정된 공진 계수에 해당하는 밸리에서 다음 스위칭 동작을 하도록 설정하는 스위칭 구동부를 포함하는 태양광 전력 변환 장치.
  6. 삭제
  7. 제1 플라이백 변압기와 제1 스위치를 포함하는 제1 플라이백 컨버터 및 제2 플라이백 변압기와 제2 스위치를 포함하는 제2 플라이백 컨버터를 포함하는 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터의 밸리 스위칭 방법에 있어서,
    상기 제1 플라이백 변압기 및 제2 플라이백 변압기 각각의 자화 인덕턴스와 상기 제1 스위치와 장기 제2 스위치에 각각 병렬로 연결된 기생 커패시터를 이용하여 공진 주기를 산출하는 단계;
    상기 제1 플라이백 변압기 또는 제2 플라이백 변압기의 입력 전압과 입력 전류를 이용하여 최대출력점제어를 통해 출력된 출력 지령 전류, 상기 제1 스위치 및 제2 스위치에 병렬로 연결된 각각의 기생커패시터, 제1 변압기 및 제2 변압기의 각각의 자화인덕턴스와 제1 변압기 및 제2 변압기의 출력 전압(Vout)를 이용하여 상기 스위치의 온(on) 시간과 오프(off) 시간을 산출하는 단계;
    상기 산출된 공진 주기, 스위치 온 시간 및 오프 시간을 이용하여 스위칭 주기를 산출하는 단계;
    상기 스위칭 주기, 공진 주기, 스위치 온 시간 및 오프 시간을 이용하여 다음 밸리 스위칭을 수행할 위치인 공진 계수를 실시간으로 설정하는 단계; 및
    상기 설정된 공진 계수에 해당하는 밸리에서 다음 스위칭 동작을 하도록 설정하는 단계
    를 포함하는 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터의 밸리 스위칭 방법.
KR1020180112398A 2017-09-21 2018-09-19 소용량 인터리브드 준공진 플라이백 컨버터, 이의 밸리 스위칭 방법 및 이를 포함하는 태양광 전력 변환 장치 KR102094440B1 (ko)

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