KR102269872B1 - 인터리브드 pwm 가변 주파수 제어 방법 및 이를 실행하는 장치 - Google Patents

인터리브드 pwm 가변 주파수 제어 방법 및 이를 실행하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 방법은 인터리브드 PWM(Pulse Width Modulation) 가변 주파수 제어 방법이 적용된 컨버터의 상의 수에 따라 주파수 보상 값을 산출하는 단계, 상기 컨버터의 PWM 스위칭 주파수의 변화 추이를 이용하여 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드인지 또는 주파수 증가 변조 모드인지 여부를 판단하는 단계 및 상기 판단 결과에 따라 가변 주파수 변조 시점에 주파수 보상 값을 보상하는 단계를 포함한다. 따라서, 본 발명은 컨버터의 상의 수에 따라 인터리브드 상별 위상을 고려하여 가변 주파수 적용 시점에 주파수 보상 값을 보상해줌으로써 상별 위상이 틀어지지 않도록 한다는 장점이 있다.

Description

인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 방법 및 이를 실행하는 장치{INTERLEAVED PWM VARIABLE FREQUENCY CONTROL METHOD AND APPARATUS PERFORMING THE SAME}
본 발명은 인터리브드 PWM(Pulse Width Modulation) 가변 주파수 제어 방법 및 이를 실행하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 컨버터의 상의 수에 따라 인터리브드 상별 위상을 고려하여 가변 주파수 적용 시점에 주파수 보상 값을 보상해줌으로써 상별 위상이 틀어지지 않도록 하는 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 방법 및 이를 실행하는 장치에 관한 것이다.
전기 자동차는 전기 에너지를 2차 전지인 배터리에 축적하고 모터를 이용하여 전기 에너지를 동력 에너지로 변환한다. 이때, 전기 에너지를 배터리에 충전하는 방식으로는 직류 고전압의 전력을 배터리에 직접 인가하여 충전하는 급속 충전 방식 및 상용 교류 전압을 가진 교류 전력을 인가하는 완석 충전 방식이 있다.
다만, 통상적으로 일반 가정으로 구해지는 전력의 전압은 AC 100~240V이고, 전기 자동차에 탑재되는 배터리는 상대적으로 고전압인 DC 240V~413V의 직류 전압을 가진다. 따라서, 친환경적인 전기 자동차를 널리 사용하고 실질적으로 활용하기 위해 가정에서 구해지는 사용 교류 전력을 효율적으로 고전압의 직류 전력으로 변환할 수 있는 충전 장치인 탑재형 충전 장치(OBC: On-Board Charger) 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
한편, 전기 자동차의 주행 거리 증대를 위해 배터리의 용량은 점차 증가하며, 배터리의 용량을 충전시키기 위한 OBC의 용량도 점차 증가해야 한다. 그에 따라, OBC를 제어하는 OBC 제어기의 크기 및 가격이 증가하고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, OBC 제어기의 사이즈를 축소하거나 가격을 감소시키기 위한 다양한 방법이 제시되고 있다. 그 방법은 OBC 제어기의 가격을 감소시키기 위해서 OBC를 구성하는 인덕터 사이즈 및 커패시터 각각의 전압을 줄이거나 전류 리플을 줄이는 것이다.
상기의 전류 리플을 줄이기 위해서는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방법이 사용되고 있다. 종래에는 전류 리플을 줄이기 위해 PWM 제어 방법을 이용하는 경우 컨버터의 스위치의 주기가 동일하여 위상이 틀어지지 않아 정상적으로 주파수 제어가 가능하였다.
하지만, 전류 리플을 줄이기 위해서 인터리브드 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방법을 이용하면 컨버터의 스위치 중 제1 스위치의 동작이 제2 스위치의 동작 대비 반주기 시프트되어 동작하기 때문에 제2 스위치의 동작이 종료되는 시점 및 제1 스위치의 동작이 시작되는 시점의 위상 차가 맞지 않아 위상이 틀어지게 된다는 문제점이 있다.
본 발명은 컨버터의 상의 수에 따라 인터리브드 상별 위상을 고려하여 가변 주파수 적용 시점에 주파수 보상 값을 보상해줌으로써 상별 위상이 틀어지지 않도록 하는 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 방법 및 이를 실행하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 인터리브드 PWM 가변 주파수의 제어를 통해 리플 개선율을 크게 할 수 있도록 하는 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 방법 및 이를 실행하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 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 인터리브드 PWM(Pulse Width Modulation) 가변 주파수 제어 방법은 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 방법이 적용된 컨버터의 상의 수에 따라 주파수 보상 값을 산출하는 단계, 상기 컨버터의 PWM 스위칭 주파수의 변화 추이를 이용하여 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드인지 또는 주파수 증가 변조 모드인지 여부를 판단하는 단계 및 상기 판단 결과에 따라 가변 주파수 변조 시점에 주파수 보상 값을 보상하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 방법이 적용된 컨버터의 상의 수에 따라 주파수 보상 값을 산출하는 단계는 상기 PWM 스위칭 주파수의 변화 값, 인터리브드 PWM 총 위상 수, 인터리브드 PWM 각 상의 수를 이용하여 주파수 보상 값을 산출하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 컨버터의 PWM 스위칭 주파수의 변화 추이를 이용하여 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드인지 또는 주파수 증가 변조 모드인지 여부를 판단하는 단계는 상기 PWM 스위칭 주파수 변화 추이를 기초로 이전 주기의 주파수가 다음 주기의 주파수보다 크면 상기 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드라고 판단하는 단계 및 상기 PWM 스위칭 주파수 변화 추이를 기초로 이전 주기의 주파수가 다음 주기의 주파수보다 작으면 상기 가변 주파수 변조 모드가 주파수 증가 변조 모드라고 판단하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 판단 결과에 따라 가변 주파수 변조 시점에 주파수 보상 값을 보상하는 단계는 상기 판단 결과 상기 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드이면 상기 가변 주파수 변조 시점에 상기 주파수 보상 값만큼 감소시키는 단계 및 상기 판단 결과 상기 가변 주파수 변조 모드가 주파수 증가 변조 모드이면 상기 가변 주파수 변조 시점에 상기 주파수 보상 값만큼 증가시키는 단계를 포함한다.
또한, 상기 컨버터의 상의 수는 상기 컨버터를 구성하는 복수의 스위치의 개수에 따라 결정된다.
상기 목적을 달성하기 위한 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치는 인터리브드 PWM(Pulse Width Modulation) 가변 주파수 제어 방법이 적용된 컨버터의 상의 수에 따라 주파수 보상 값을 산출하는 주파수 보상 값 산출부, 상기 컨버터의 PWM 스위칭 주파수의 변화 추이를 이용하여 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드인지 또는 주파수 증가 변조 모드인지 여부를 판단하는 변조 모드 판단부 및 상기 판단 결과에 따라 가변 주파수 변조 시점에 주파수 보상 값을 보상하는 주파수 보상부를 포함한다.
또한, 상기 주파수 보상 값 산출부는 상기 PWM 스위칭 주파수의 변화 값, 인터리브드 PWM 총 위상 수, 인터리브드 PWM 각 상의 수를 이용하여 주파수 보상 값을 산출한다.
또한, 상기 변조 모드 판단부는 상기 PWM 스위칭 주파수 변화 추이를 기초로 이전 주기의 주파수가 다음 주기의 주파수보다 크면 상기 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드라고 판단하고, 상기 PWM 스위칭 주파수 변화 추이를 기초로 이전 주기의 주파수가 다음 주기의 주파수보다 작으면 상기 가변 주파수 변조 모드가 주파수 증가 변조 모드라고 판단한다.
또한, 상기 주파수 보상부는 상기 판단 결과 상기 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드이면 상기 가변 주파수 변조 시점에 상기 주파수 보상 값만큼 감소시키고, 상기 판단 결과 상기 가변 주파수 변조 모드가 주파수 증가 변조 모드이면 상기 가변 주파수 변조 시점에 상기 주파수 보상 값만큼 증가시킨다.
또한, 상기 컨버터의 상의 수는 상기 컨버터를 구성하는 복수의 스위치의 개수에 따라 결정된다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 컨버터의 상의 수에 따라 인터리브드 상별 위상을 고려하여 가변 주파수 적용 시점에 주파수 보상 값을 보상해줌으로써 상별 위상이 틀어지지 않도록 하는 장점이 있다.
또한 본 발명에 의하면, 인터리브드 PWM 가변 주파수의 제어를 통해 리플 개선율을 크게할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 종래의 주파수 제어 과정을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2상 인터리브드 PWM 주파수 제어 과정을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 N상 인터리브드 PWM 주파수 제어 과정을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 7은 본 발명에 따른 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

본 명세서에서 사용된 용어 중 "인터리브드 PWM 총 위상 수" 는 인터리빙된 컨버터의 상의 개수를 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어 중 "인터리브드 PWM 각 상의 수"는 컨버터를 구성하는 복수의 스위치에 따라 결정된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인터리브드 PWM(Pulse Width Modulation) 가변 주파수 제어 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 시스템은 입력 전원을 직류 전원으로 변환시키며 역률을 개선하는 PFC 컨버터(110), PFC 컨버터(110)로부터 수신된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 친환경 차량의 배터리(200)의 에너지로 저장하는 DC-DC 컨버터(120) 및 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)를 포함한다.
PFC 컨버터(110)는 교류 전압을 직류 전압으로 변환시킨다. PFC 컨버터(110)는 역률 개선이 가능한 AC-DC 컨버터인 PFC 부스트 컨버터를 포함한다.
PFC 컨버터(110)는 상용 전원을 입력으로 사용이 가능하다. 예를 들어, PFC 컨버터(110)는 약 90Vrms~265Vrms 범위의 입력 전압에서 사용이 가능하고, 역률 개선이 가능하며, 약380~400Vdc 범위의 전압을 출력할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 PFC 컨버터(110)는 정류부(110) 및 회로부(120)를 포함한다.
정류부(110)는 일 방향으로만 전류를 통과시키는 복수 개 다이오드를 이용하여 교류 전압을 정류한다. 예를 들어, 정류부(110)는 4개의 다이오드를 포함하고, 직렬로 연결된 2개의 다이오드 사이에 교류 전원의 일단이 연결될 수 있다. 정류부(110)에서 정류된 전압은 회로부(120)에 인가된다.
회로부(120)는 복수의 커패시터(121, 124), 인덕터(L1, L2), 다이오드(D1, D2) 및 복수의 스위치(130, 140)를 포함한다.
복수의 커패시터(121, 124) 중 제1 커패시터(121)는 정류부(110)와 병렬로 연결될 수 있다. 인덕터(L1, L2), 다이오드(D1, D2) 및 제2 커패시터(124)는 순차적으로 직렬로 연결되며, 제1 커패시터(121)와는 병렬로 연결될 수 있다.
복수의 스위치(130, 131) 각각은 병렬로 연결되며, 스위치 역할을 하는 트랜지스터(S1, S2), 다이오드 및 전류 센서(IL1, IL2)를 포함한다.
트랜지스터(S1, S2)의 일단은 인덕터(L1, L2)와 다이오드(D1, D2) 사이에 연결된다.
전류 센서(IL1, IL2)는 트랜지스터(S1, S2)의 일측 또는 타측에 위치할 수 있다. 전류 센서(IL1, IL2)는 트랜지스터(S1, S2)와 직렬로 연결될 수 있다. 이러한 전류 센서(IL1, IL2)의 배치는 전류 센서(IL1, IL2)의 자속 포화를 방지하기 위함이다. 전류 센서(IL1, IL2)는 CT 센서를 포함할 수 있다.
전류 센서(IL1, IL2)는 트랜지스터(S1, S2)가 턴온된 경우에 흐르는 전류를 측정할 수 있다. 또한, 전류 센서(IL1, IL2)는 트랜지스터(S1, S2)가 턴오프 된 경우에 트랜지스터(S1, S2)와 병렬로 연결된 다이오드로 흐르는 전류를 측정할 수 있다.
상기의 PFC 컨버터(110)는 복수의 스위치(130, 140)의 개수에 따라 N상 인터리브드 PWM 가변 주파수를 실행한다. 즉, 도 1에서는 2개의 스위치(130, 140)가 연결되어 있기 때문에 2상 인터리브드 PWM 가변 주파수를 실행한다.
이때, 복수의 스위치(130, 140) 중 제1 스위치(130)의 동작이 제2 스위치(140)의 동작 대비 반주기 시프트되어 동작되기 때문에 제2 스위치(140)의 동작이 종료되는 시점 및 제1 스위치(130)의 동작이 시작되는 시점의 위상 차가 맞지 않아 위상이 틀어지게 된다.
따라서, 복수의 스위치(130, 140)는 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)의 제어에 따라 가변 주파수 적용 시점에 주파수 보상 값이 보상됨으로써 제2 스위치(140)의 동작이 종료되는 시점 및 제1 스위치(130)의 동작이 시작되는 시점의 위상차가 맞아 위상이 틀어지지 않게 된다.
DC-DC 컨버터(120)는 PFC 컨버터(110)의 출력 전압을 입력 전압으로 하며, 입력 전압을 제어하여 친환경 차량의 배터리(200)에서 요구되는 전압에 맞추어 충전을 할 수 있도록 한다.
이러한 DC-DC 컨버터(120)는 인터리브드 PWM 가변 주파수를 실행하는 복수의 DC-DC 컨버터(120_1~120_N)으로 구성되며, DC-DC 컨버터(120_1~120_N)의 개수에 따라 N상 인터리브드 PWM 가변 주파수를 실행한다.
이때, 복수의 DC-DC 컨버터(120_1~120_N)는 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)의 제어에 따라 가변 주파수 적용 시점에 주파수 보상 값이 보상됨으로써 각각의 복수의 DC-DC 컨버터(120_1~120_N)의 스위칭 동작 시 위상 차가 맞아 위상이 틀어지지 않게 된다.
DC-DC 컨버터(120)는 입력 전압에 대한 주파수 변조를 실행하는 풀브릿지 회로를 포함한다. 풀브릿지 회로는 직류를 교번적으로 스위칭하여 출력하는 4개의 스위치(예를 들어, FET)를 포함할 수 있다. 상세하게, 풀브릿지 회로는 상단 스위치 및 하단 스위치가 중간점을 마주보고 캐스코드 구성으로 연결될 수 있다.
DC-DC 컨버터(120)는 풀브릿지 회로를 통해 제1 컨버터의 출력 전압(VDC)을 변압기에 제공하고, 변압기 및 정류기를 통해 DC-DC 컨버터(120)의 출력단의 커패시터(C0)에 전기 에너지를 저장할 수 있다.
DC-DC 컨버터(120)의 풀브릿지 회로는 PFC 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)을 입력 전압으로 하며, 입력 전압에 대한 주파수 변조를 실행함으로써 친환경 차량의 배터리(200)에서 요구되는 전압에 맞추어 충전을 할 수 있도록 한다.
인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)는 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 회로에서 N 상으로 동작 시 특정 위상 차를 가지고 동작하도록 제어한다.
예를 들어, 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)는 PFC 컨버터(110)의 스위치가 두 개로 구성되는 경우, 2상으로 동작하여 180도(=360도/2상)의 위상차를 가지도록 제어한다. 다른 예를 들어, 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)는 PFC 컨버터(110)의 스위치가 세 개로 구성되는 경우, 3상으로 동작하여 120도(=360도/3상)의 위상차를 가지도록 제어한다.
종래에는 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 회로의 스위치의 주기가 동일하여 위상이 틀어지지 않아 정상적으로 주파수 제어가 가능하였다.
하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 시, PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 회로의 스위치 중 특정 스위치의 동작이 다른 스위치의 동작 대비 반주기 시프트되어 동작되는 경우 위상이 틀어짐에 따라 주파수 제어가 불가능하였다.
예를 들어, PFC 컨버터(110)의 2개의 스위치 중 제1 스위치의 동작이 제2 스위치 대비 반주기 시프트되어 동작하는 경우, 제2 스위치의 동작이 종료되는 시점 및 제1 스위치의 동작이 시작되는 시점의 위상 차 180도(=360도/2상)가 되지 않아 위상이 틀어짐에 따라 인터리브드 PWM의 정상적을 동작하지 않았다.
따라서, 본 발명은 PWM 가변 주파수 제어 시 가변 주파수 적용 시점에 주파수 보상 값을 보상해줌으로써 복수의 스위치 각각의 스위칭 동작이 특정 위상차를 가지도록 하여 위상이 틀어지지 않도록 하였다.
인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)는 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 2개의 스위치가 존재하여 2상으로 동작할 때 스위치 각각의 스위칭 동작이 180도(=360도/2상)의 위상차를 가지도록 제어한다. 이러한 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)는 주파수 보상 값 산출부, 변조 모드 판단부 및 주파수 보상부를 포함한다.
주파수 보상 값 산출부는 컨버터의 상의 수에 따라 주파수 보상 값을 산출한다. 이때, 주파수 보상 값 산출부는 PWM 스위칭 주파수의 변화 값, 인터리브드 PWM 총 위상 수 및 인터리브드 PWM 각 상의 수를 이용하여 주파수 보상 값을 산출할 수 있다.
그런 다음, 변조 모드 판단부 컨버터의 PWM 스위칭 주파수의 변화 추이를 이용하여 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드인지 또는 주파수 증가 변조 모드인지 여부를 판단한다.
일 실시예에서, 변조 모드 판단부 PWM 스위칭 주파수 변화 추이를 기초로 이전 주기의 주파수가 다음 주기의 주파수보다 크면 상기 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드라고 판단할 수 있다.
상기의 실시예에서, 주파수 보상부는 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드이면 가변 주파수 변조 시점에 상기 주파수 보상 값만큼 감소시킨다. 이에 따라, 본 발명은 복수의 스위치 각각의 스위칭 동작이 특정 위상차를 가지도록 하여 위상이 틀어지지 않도록 한다.
예를 들어, 주파수 보상부는 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 2개의 스위치가 저주파를 고주파로 스위칭하는 경우, 하기의 [수학식 1]과 같이 가변 주파수 변조 시점을 주파수 보상 값만큼 증가시킴으로써 2개의 스위치가 180도(=360도/2상)의 위상차를 가지도록 제어할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018121910322-pat00001
Yn: 주파수 보상 값,
Xn: 다음 주기의 주파수,
Xn-1: 이전 주기의 주파수
예를 들어, 주파수 보상부는 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 2개의 스위치가 고주파를 저주파로 스위칭하는 경우, 하기의 [수학식 2]과 같이 가변 주파수 변조 시점을 주파수 보상 값만큼 감소시킴으로써 2개의 스위치가 180도(=360도/2상)의 위상차를 가지도록 제어할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018121910322-pat00002
Yn: 주파수 보상 값,
Xn: 다음 주기의 주파수,
Xn-1: 이전 주기의 주파수
상술한 것과 같이, 본 발명의 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)는 상기의 [수학식 1] 또는 [수학식 2]를 이용하여 주파수 보상 값을 산출한 후, 가변 주파수 적용 시점에 주파수 보상 값을 보상해줌으로써 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 2개의 스위치가 180도(=360도/2상)의 위상차를 가지도록 제어한다.
상술한 것과는 달리, 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)는 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 3개의 스위치가 존재하여 3상으로 동작할 때 스위치 각각의 스위칭 동작이 120도(=360도/3상)의 위상차를 가지도록 제어한다.
만일, 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)는 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각에 4개의 스위치가 존재하여 4상으로 동작할 때 스위치 각각의 스위칭 동작이 90도(=360도/4상)의 위상차를 가지도록 제어한다.
결론적으로, 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)는 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각에 존재하는 스위치의 개수에 따라 N상으로 동작할 때 스위치 각각의 스위칭 동작이 특정 위상차(=360도/N상)을 가지도록 제어한다.
상기의 같이, 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)는 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각에 존재하는 스위치의 개수에 따라 N상으로 동작할 때 하기의 [수학식 3] 또는 [수학식 4]를 이용하여 주파수 보상 값을 산출한 후, 가변 주파수 적용 시점에 주파수 보상 값을 보상해줌으로써 복수의 스위치 각각의 스위칭 동작이 특정 위상차를 가지도록 하여 위상이 틀어지지 않도록 한다.
예를 들어, 주파수 보상부는 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 3개의 스위치가 저주파를 고주파로 스위칭하는 경우, 하기의 [수학식 3]과 같이 가변 주파수 변조 시점을 주파수 보상 값만큼 증가시킴으로써 3개의 스위치가 120도(=360도/3상)의 위상차를 가지도록 제어할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112018121910322-pat00003
Yn: 주파수 보상 값,
Xn: 다음 주기의 주파수,
Xn-1: 이전 주기의 주파수,
A: 인터리브드 PWM 총 위상 수(A>=2),
i: 인터리브드 PWM 각 상의 위상 수(i>=2)
다른 예를 들어, 주파수 보상부는 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 3개의 스위치가 고주파를 저주파로 스위칭하는 경우, 하기의 [수학식 3]과 가변 주파수 변조 시점을 주파수 보상 값만큼 감소시킴으로써 3개의 스위치가 120도(=360도/3상)의 위상차를 가지도록 제어할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018121910322-pat00004
Yn: 주파수 보상 값,
Xn: 다음 주기의 주파수,
Xn-1: 이전 주기의 주파수,
A: 인터리브드 PWM 총 위상 수(A>=2),
i: 인터리브드 PWM 각 상의 위상 수(i>=2)
상술한 것과 같이, 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)는 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각에 존재하는 스위치의 개수에 따라 N상으로 동작할 때 스위치 각각의 스위칭 동작이 특정 위상차(=360도/N상)을 가지도록 제어한다.
도 2는 종래의 주파수 제어 과정을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 2를 참조하면, 도 2(a)는 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각이 2상으로 동작할 때 제1 스위치 및 제2 스위치의 주기가 동일하게 동작되는 주파수 제어 과정을 설명하기 위한 타이밍도이고, 도 2(b)는 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각이 2상으로 동작할 때 제1 스위치의 동작이 제2 스위치의 동작 대비 반주기 시프트되어 동작되는 인터리브드 PWM 주파수 제어 과정을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 2(a)와 같이, 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2)의 주기가 다르게 동작되는 인터리브드 PWM 주파수 제어 과정의 경우, 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2)의 주기가 동일하여 위상이 틀어지지 않는다. 즉, 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2)가 온 되는 시점 및 오프 되는 시점이 동일하여 위상이 틀어지지 않는 것이다.
이에 반하여, 도 2(b)와 같이 제1 스위치(Q1)의 동작이 제2 스위치(Q2)의 동작 대비 반주기 시프트되어 동작되는 인터리브드 PWM 주파수 제어 과정의 경우, 제1 스위치(Q1)의 동작이 제2 스위치(Q2)의 동작 대비 반주기 시프트되어 동작되기 때문에 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점 및 제1 스위치의 동작이 시작되는 시점의 위상차가 180도가 되지 않아 위상이 틀어지게 된다.
즉, 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점 및 제1 스위치의 동작이 시작되는 시점이 도 2(b)의 참조번호(210)와 같으며, 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2) 사이의 위상차가 180도가 되지 않아 위상이 틀어지게 된다는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명은 인터리브드 PWM 주파수 제어 시 가변 주파수 적용 시점에 주파수 보상 값을 보상해줌으로써 복수의 스위치 각각의 스위칭 동작이 특정 위상차를 가지도록 하여 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점 및 제1 스위치의 동작이 시작되는 시점을 도 2(b)의 참조번호(210)에서 참조번호(220)으로 보상하여 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2) 사이의 위상 차가 180도가 되도록 하여 위상이 틀어지지 않게 하였다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2상 인터리브드 PWM 주파수 제어 과정을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 2개의 스위치가 스위칭하는 경우, 가변 주파수 적용 시점에 주파수 보상 값을 보상해줌으로써 2개의 스위치 각각의 스위칭 동작이 특정 위상차를 가지도록 하여 위상이 틀어지지 않도록 하였다.
제1 스위치(Q1)의 동작이 제2 스위치(Q2)의 동작 대비 반주기 시프트되어 동작되는 인터리브드 PWM 주파수 제어 과정의 경우, 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점 및 제1 스위치(Q1)의 동작이 시작되는 시점의 위상 차가 180도가 되도록 제2 스위치(Q2)의 가변 주파수 적용 시점에 주파수 보상 값을 보상하였다.
따라서, 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점 및 제1 스위치(Q1)의 동작이 시작되는 시점의 위상 차가 180도가 되도록 하여 위상이 틀어지지 않도록 하였다.
도 3은 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 2개의 스위치가 저주파를 고주파로 스위칭하는 경우에 위상이 틀어지지 않도록 제어하는 과정을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 3(a)와 같이 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 2개의 스위치가 저주파를 고주파로 스위칭하는 경우, 상술한 [수학식 1]을 이용하여 주파수 보상 값을 산출한 후, 주파수 보상 값을 이용하여 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점을 변경함으로써 도 3(b)와 같이 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점 및 제1 스위치(Q1)의 동작이 시작되는 시점의 위상차가 180도가 되도록 하였다.
즉, 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점 및 제1 스위치의 동작이 시작되는 시점이 도 3(a)의 참조번호(310)와 같으며, 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2) 사이의 위상차가 180도가 되지 않아 위상이 틀어지게 된다는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명은 인터리브드 PWM 주파수 제어 시 가변 주파수 적용 시점에 주파수 보상 값을 보상해줌으로써 복수의 스위치 각각의 스위칭 동작이 특정 위상차를 가지도록 하여 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점 및 제1 스위치의 동작이 시작되는 시점을 도 3(b)의 참조번호(320)과 같이 보상하여 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2) 사이의 위상 차가 180도가 되도록 하여 위상이 틀어지지 않게 하였다.
도 4는 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 2개의 스위치가 고주파를 저주파로 스위칭하는 경우에 위상이 틀어지지 않도록 제어하는 과정을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 4(a)와 같이 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 2개의 스위치가 고주파를 저주파로 스위칭하는 경우, 상술한 [수학식 2]를 이용하여 주파수 보상 값을 산출한 후, 주파수 보상 값을 이용하여 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점을 변경함으로써 도 4(b)와 같이 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점 및 제1 스위치(Q1)의 동작이 시작되는 시점의 위상차가 180도가 되도록 하였다.
즉, 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점 및 제1 스위치의 동작이 시작되는 시점이 도 4(a)의 참조번호(410)와 같으며, 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2) 사이의 위상차가 180도가 되지 않아 위상이 틀어지게 된다는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명은 인터리브드 PWM 주파수 제어 시 가변 주파수 적용 시점에 주파수 보상 값을 보상해줌으로써 복수의 스위치 각각의 스위칭 동작이 특정 위상차를 가지도록 하여 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점 및 제1 스위치의 동작이 시작되는 시점을 도 4(b)의 참조번호(420)과 같이 보상하여 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2) 사이의 위상 차가 180도가 되도록 하여 위상이 틀어지지 않게 하였다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 N상 인터리브드 PWM 주파수 제어 과정을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 5 및 도 6은 N이 3인 경우를 3상 인터리브드 PWM 주파수 제어 과정을 설명한 것이며, N의 값이 변경되더라도 주파수 변경 시점에 주파수 보상 값을 보상함으로써 각각의 스위치의 동작이 특정 위상차를 가지도록 하였다.
도 5는 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 3개의 스위치가 저주파를 고주파로 스위칭하는 경우에 위상이 틀어지지 않도록 제어하는 과정을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 5(a)와 같이 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 3개의 스위치가 저주파를 고주파로 스위칭하는 경우, 상술한 [수학식 3]을 이용하여 주파수 보상 값을 산출한 후, 주파수 보상 값을 이용하여 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점을 변경하였다.
따라서, 도 5(b)와 같이 제1 스위치(Q1)의 동작이 종료되는 시점 및 제2 스위치(Q2)의 동작이 시작되는 시점의 위상 차가 120도가 되도록 하였고, 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점 및 제3 스위치의 동작이 시작되는 시점의 위상 차가 120가 되도록 하였다.
즉, 제1 스위치(Q1)의 동작이 종료되는 시점 및 제2 스위치(Q2)의 동작이 시작되는 시점이 도 5(a)의 참조번호(510)와 같으며, 이때 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2) 사이의 위상차가 120도가 되지 않아 위상이 틀어지게 된다.
또한, 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점 및 제3 스위치(Q3)의 동작이 시작되는 시점이 도 5(a)의 참조번호(520)과 같으며, 이때 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3) 사이의 위상 차가 120도(=360/3)가 되지 않아 위상이 틀어지게 된다는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명은 인터리브드 PWM 주파수 제어 시 가변 주파수 적용 시점에 주파수 보상 값을 보상해줌으로써 복수의 스위치 각각의 스위칭 동작이 특정 위상차를 가지도록 하여 제1 스위치(Q1)의 동작이 종료되는 시점을 도 5(b)의 참조번호(530)과 같이 보상하여 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2) 사이의 위상 차가 120도(=360/3)이 되도록 하여 위상이 틀어지지 않도록 하였다.
또한, 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점을 도 5(b)의 참조번호(540)과 같이 보상하여 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3) 사이의 위상 차가 120도(=360/3)이 되도록 하여 위상이 틀어지지 않도록 하였다.
도 6은 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 3개의 스위치가 저주파를 고주파로 스위칭하는 경우에 위상이 틀어지지 않도록 제어하는 과정을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 6(a)와 같이 PFC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 3개의 스위치가 저주파를 고주파로 스위칭하는 경우, 상술한 [수학식 4]을 이용하여 주파수 보상 값을 산출한 후, 주파수 보상 값을 이용하여 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점을 변경하였다.
따라서, 도 6(b)와 같이 제1 스위치(Q1)의 동작이 종료되는 시점 및 제2 스위치(Q2)의 동작이 시작되는 시점의 위상 차가 120도가 되도록 하였고, 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점 및 제3 스위치의 동작이 시작되는 시점의 위상 차가 120가 되도록 하였다.
즉, 제1 스위치(Q1)의 동작이 종료되는 시점 및 제2 스위치(Q2)의 동작이 시작되는 시점이 도 6(a)의 참조번호(610)와 같으며, 이때 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2) 사이의 위상차가 120도(=360/3)가 되지 않아 위상이 틀어지게 된다.
또한, 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점 및 제3 스위치(Q3)의 동작이 시작되는 시점이 도 6(a)의 참조번호(620)과 같으며, 이때 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3) 사이의 위상 차가 120도(=360/3)가 되지 않아 위상이 틀어지게 된다는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명은 인터리브드 PWM 주파수 제어 시 가변 주파수 적용 시점에 주파수 보상 값을 보상해줌으로써 복수의 스위치 각각의 스위칭 동작이 특정 위상차를 가지도록 하여 제1 스위치(Q1)의 동작이 종료되는 시점을 도 6(b)의 참조번호(630)과 같이 보상하여 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2) 사이의 위상 차가 120도(=360/3)이 되도록 하여 위상이 틀어지지 않도록 하였다.
또한, 제2 스위치(Q2)의 동작이 종료되는 시점을 도 6(b)의 참조번호(640)과 같이 보상하여 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3) 사이의 위상 차가 120도(=360/3)이 되도록 하여 위상이 틀어지지 않도록 하였다.
도 7은 본 발명에 따른 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)는 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 방법이 적용된 컨버터의 상의 수에 따라 주파수 보상 값을 산출한다(단계 S710).
단계 S710에 대한 일 실시예에서, 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)는 PWM 스위칭 주파수의 변화 값, 인터리브드 PWM 총 위상 수 및 인터리브드 PWM 각 상의 수를 이용하여 주파수 보상 값을 이용하여 주파수 보상 값을 산출할 수 있다.
인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)는 컨버터의 PWM 스위칭 주파수의 변화 추이를 이용하여 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드인지 또는 주파수 증가 변조 모드인지 여부를 판단한다(단계 S720).
이때, 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)는 PWM 스위칭 주파수 변화 추이를 기초로 이전 주기의 주파수가 다음 주기의 주파수보다 크면(단계 S730) 상기 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드라고 판단한다(단계 S740).
상기의 실시예에서, 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)는 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드이면, 가변 주파수 변조 시점을 주파수 보상 값만큼 감소시킨다(단계 S741).
인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)는 PWM 스위칭 주파수 변화 추이를 기초로 이전 주기의 주파수가 다음 주기의 주파수보다 작으면(단계 S740) 상기 가변 주파수 변조 모드가 주파수 증가 변조 모드라고 판단한다(단계 S750).
상기의 실시예에서, 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치(130)는 가변 주파수 변조 모드가 주파수 증가 변조 모드이면, 가변 주파수 변조 시점에 가변 주파수 변조 시점을 주파수 보상 값만큼 증가시킨다(단계 S751).
상기와 같이, 본 발명은 PWM 가변 주파수 제어 시 가변 주파수 적용 시점에 주파수 보상 값을 보상해줌으로써 컨버터를 구성하는 복수의 스위치 각각의 스위칭 동작이 특정 위상차를 가지도록 하여 위상이 틀어지지 않도록 하였다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: PFC 컨버터
120: DC-DC 컨버터
130: 인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치
200: 배터리

Claims (10)

  1. 인터리브드 PWM(Pulse Width Modulation) 가변 주파수 제어 방법이 적용된 컨버터의 상의 수에 따라 주파수 보상 값을 산출하는 단계;
    상기 컨버터의 PWM 스위칭 주파수의 변화 추이를 이용하여 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드인지 또는 주파수 증가 변조 모드인지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 판단 결과에 따라 가변 주파수 변조 시점에 주파수 보상 값을 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인터리브드 PWM(Pulse Width Modulation) 가변 주파수 제어 방법이 적용된 컨버터의 상의 수에 따라 주파수 보상 값을 산출하는 단계는
    상기 PWM 스위칭 주파수의 변화 값, 인터리브드 PWM 총 위상 수 및 인터리브드 PWM 각 상의 수를 이용하여 주파수 보상 값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터의 PWM 스위칭 주파수의 변화 추이를 이용하여 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드인지 또는 주파수 증가 변조 모드인지 여부를 판단하는 단계는
    상기 PWM 스위칭 주파수 변화 추이를 기초로 이전 주기의 주파수가 다음 주기의 주파수보다 크면 상기 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드라고 판단하는 단계; 및
    상기 PWM 스위칭 주파수 변화 추이를 기초로 이전 주기의 주파수가 다음 주기의 주파수보다 작으면 상기 가변 주파수 변조 모드가 주파수 증가 변조 모드라고 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 판단 결과에 따라 가변 주파수 변조 시점에 주파수 보상 값을 보상하는 단계는
    상기 판단 결과 상기 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드이면 상기 가변 주파수 변조 시점에 상기 주파수 보상 값만큼 감소시키는 단계; 및
    상기 판단 결과 상기 가변 주파수 변조 모드가 주파수 증가 변조 모드이면 상기 가변 주파수 변조 시점에 상기 주파수 보상 값만큼 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터의 상의 수는
    상기 컨버터를 구성하는 복수의 스위치의 개수에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는
    인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 방법.
  6. 인터리브드 PWM(Pulse Width Modulation) 가변 주파수 제어 방법이 적용된 컨버터의 상의 수에 따라 주파수 보상 값을 산출하는 주파수 보상 값 산출부;
    상기 컨버터의 PWM 스위칭 주파수의 변화 추이를 이용하여 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드인지 또는 주파수 증가 변조 모드인지 여부를 판단하는 변조 모드 판단부; 및
    상기 판단 결과에 따라 가변 주파수 변조 시점에 주파수 보상 값을 보상하는 주파수 보상부를 포함하는 것을 특징으로 하는
    인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 주파수 보상 값 산출부는
    상기 PWM 스위칭 주파수의 변화 값, 인터리브드 PWM 총 위상 수 및 인터리브드 PWM 각 상의 수를 이용하여 주파수 보상 값을 산출하는 것을 특징으로 하는
    인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 변조 모드 판단부는
    상기 PWM 스위칭 주파수 변화 추이를 기초로 이전 주기의 주파수가 다음 주기의 주파수보다 크면 상기 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드라고 판단하고, 상기 PWM 스위칭 주파수 변화 추이를 기초로 이전 주기의 주파수가 다음 주기의 주파수보다 작으면 상기 가변 주파수 변조 모드가 주파수 증가 변조 모드라고 판단하는 것을 특징으로 하는
    인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 주파수 보상부는
    상기 판단 결과 상기 가변 주파수 변조 모드가 주파수 감소 변조 모드이면 상기 가변 주파수 변조 시점에 상기 주파수 보상 값만큼 감소시키고, 상기 판단 결과 상기 가변 주파수 변조 모드가 주파수 증가 변조 모드이면 상기 가변 주파수 변조 시점에 상기 주파수 보상 값만큼 증가시키는 것을 특징으로 하는
    인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 컨버터의 상의 수는
    상기 컨버터를 구성하는 복수의 스위치의 개수에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는
    인터리브드 PWM 가변 주파수 제어 장치.
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