KR102323123B1 - 출력 전압의 맥동을 저감하는 직류-직류 컨버터 회로 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

전압원에 연결되는 주회로 모듈; 상기 주회로 모듈의 동작에 따라 충전 및 방전을 수행하는 커패시터; 상기 주회로 모듈과 상기 커패시터의 접점에 연결되어 부하 전류가 흐르는 부하; 및 상기 주회로 모듈로부터 상기 부하 전류와 상기 커패시터의 접점으로 진행하는 제1 인덕터 전류와 부하 전류의 차이를 보상하는 보조회로 모듈을 포함하는, 컨버터 회로를 제공한다.

Description

출력 전압의 맥동을 저감하는 직류-직류 컨버터 회로 및 그 제어 방법{DC-DC CONVERTER CIRCUIT FOR REDUCING RIPPLE OF OUTPUT VOLTAGE AND ITS CONTROL METHOD}
본 발명은 출력 전압의 맥동을 저감하는 직류-직류 컨버터 회로 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 부하 전류의 변화에 따라 인덕터에 흐르는 전류와 부하 전류 간에 차이가 발생하는 경우에, 보조회로를 이용하여 인덕터에 흐르는 전류와 부하 전류 간에 차이를 감소시키는 컨버터 회로 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적인 직류-직류 컨버터 회로는 직류 전원을 다른 크기의 직류 전원으로 변환하는 것이 가능하다. 이러한 직류-직류 컨버터 중 널리 이용되는 벅 컨버터는 비절연 강압형 컨버터로써, 높은 직류 전압을 낮은 직류 전압으로 변환하는데 주로 이용된다.
한편, 이러한 벅 컨버터는 컴퓨팅 장치나 서버 장치 등의 전원 공급 장치에 이용되기도 하고, 전기 자동차나 전기 선박 등의 전기 추진 시스템에도 이용되는 등 여러 분야에서 이용되고 있다. 특히, 컴퓨팅 장치의 중앙 처리 장치나 그래픽 처리 장치의 전력 공급 장치로 사용되는 VRM(Voltage Regulator Module)은 대부분 벅 컨버터가 이용된다.
그러나 이러한 벅 컨버터는 보조회로가 구비되지 않은 경우에는, 맥동 전압의 저감에 한계가 있으며, 보조회로를 구비하여 맥동 전압이 저감되더라도, 하드 스위칭 방식으로 보조회로의 동작을 제어하는 경우에는 전력 변환 효율이 낮은 것으로 알려져 있다.
한편, 벅 컨버터는 보조회로의 동작이 소프트 스위칭 방식으로 제어되는 경우에는 비교적 효율은 높지만, 보조회로의 설계 및 제어 방법이 복잡하다는 단점이 존재하다.
이에 따라, 설계 및 제어 방법이 간단한 소프트 스위칭 방식의 보조회로를 포함하는 벅 컨버터가 요구되는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 부하 전류의 변화에 따라 인덕터에 흐르는 전류와 부하 전류 간에 차이가 발생하는 경우에, 보조회로를 이용하여 인덕터에 흐르는 전류와 부하 전류 간에 차이를 감소시키는 컨버터 회로 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면은, 전압원에 연결되는 주회로 모듈; 상기 주회로 모듈의 타단에 연결되어 상기 주회로 모듈의 동작에 따라 충전 및 방전 중 적어도 하나의 동작을 수행하는 커패시터; 상기 주회로 모듈과 상기 커패시터의 접점에 연결되어 부하 전류가 흐르는 부하; 및 상기 주회로 모듈과 병렬로 연결되며, 상기 주회로 모듈로부터 상기 부하 전류와 상기 커패시터의 접점으로 진행하는 제1 인덕터 전류와 부하 전류의 차이를 보상하는 보조회로 모듈을 포함할 수 있다.
또한, 상기 주회로 모듈로부터 상기 커패시터와 상기 부하의 접점 방향으로 흐르는 제1 인덕터 전류, 상기 보조회로 모듈로부터 상기 커패시터와 상기 부하의 접점 방향으로 흐르는 제2 인덕터 전류 및 상기 부하 전류 중 적어도 하나의 전류를 입력받는 제어 모듈을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어 모듈은, 상기 부하 전류가 증가하는 경우, 상기 주회로 모듈의 제1 스위치를 동작시키고, 상기 주회로 모듈의 제2 스위치를 차단시킬 수 있다.
또한, 상기 제어 모듈은, 상기 부하 전류의 증가에 따라 발생하는 돌발 전류를 증폭하여 포락선 신호를 계산하고, 상기 제2 인덕터 전류의 크기와 상기 포락선 신호의 크기를 비교하여 상기 보조회로 모듈을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어 모듈은, 상기 부하 전류가 감소하는 경우, 상기 주회로 모듈의 제2 스위치를 동작시키고, 상기 주회로 모듈의 제1 스위치를 차단시킬 수 있다.
또한, 상기 제어 모듈은, 상기 부하 전류의 감소에 따라 발생하는 돌발 전류를 증폭하여 포락선 신호를 계산하고, 상기 제2 인덕터 전류의 크기와 상기 포락선 신호의 크기를 비교하여 상기 보조회로 모듈을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어 모듈은, 상기 부하 전류의 변화가 없거나, 또는 상기 부하 전류의 변화가 사전에 설정되는 범위 내에서 이루어지는 경우, 상기 보조회로 모듈을 차단시킬 수 있다.
또한, 상기 제어 모듈은, 상기 돌발 전류가 증폭되어 생성되는 포락선 신호의 크기와 상기 제2 인덕터 전류의 크기를 비교하여 리셋 판단 신호를 출력하는 제1 비교기; 상기 제2 인덕터 전류의 크기를 사전에 설정되는 값과 비교하여 세트 판단 신호를 출력하는 제2 비교기; 상기 리셋 판단 신호와 상기 세트 판단 신호 중 적어도 하나의 정보에 따라 계전기 출력 신호를 출력하는 계전기; 및 상기 계전기 출력 신호에 따라 상기 보조회로 모듈에 구비되는 제3 스위치 또는 제4 스위치 중 적어도 하나의 스위치를 제어하는 제2 제어기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 제어기는, 상기 부하 전류가 증가하고, 상기 계전기 출력 신호로 정상 신호가 출력되는 경우, 상기 제3 스위치를 동작시키고, 상기 제4 스위치를 차단시킬 수 있다.
또한, 상기 제2 제어기는, 상기 부하 전류가 감소하고, 상기 계전기 출력 신호로 정상 신호가 출력되는 경우, 상기 제4 스위치를 동작시키고, 상기 제3 스위치를 차단시킬 수 있다.
본 발명의 다른 일측면은, 전압원에 연결되는 주회로 모듈과 병렬로 연결되는 보조회로 모듈에 의해 부하에 부하 전류를 발생시키는 컨버터 회로를 제어하는 방법에 있어서, 상기 컨버터 회로로부터 부하 전류, 제1 인덕터 전류 및 제2 인덕터 전류 중 적어도 하나의 전류를 입력받는 단계; 상기 부하 전류의 변화에 따라 발생하는 돌발 전류를 증폭하여 포락선 신호를 계산하고, 상기 주회로 모듈을 제어하는 단계; 및 상기 제2 인덕터 전류의 크기와 상기 포락선 신호의 크기를 비교하여 상기 보조회로 모듈을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 보조회로 모듈을 제어하는 단계는, 상기 포락선 신호의 크기와 상기 제2 인덕터 전류의 크기를 비교하여 리셋 판단 신호를 출력하는 단계; 상기 제2 인덕터 전류의 크기를 사전에 설정되는 값과 비교하여 세트 판단 신호를 출력하는 단계; 상기 리셋 판단 신호와 상기 세트 판단 신호 중 적어도 하나의 신호에 따라 계전기 출력 신호를 출력하는 단계; 및 상기 계전기 출력 신호에 따라 상기 보조회로 모듈에 구비되는 제3 스위치 또는 제4 스위치 중 적어도 하나의 스위치를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 출력 전압의 맥동을 저감하는 직류-직류 컨버터 회로 및 그 제어 방법을 제공함으로써, 부하 전류의 변화에 따라 인덕터에 흐르는 전류와 부하 전류 간에 차이가 발생하는 경우에, 보조회로를 이용하여 인덕터에 흐르는 전류와 부하 전류 간에 차이를 감소시킬 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터 회로의 개략도이다.
도2는 도1의 주회로 모듈의 개략도이다.
도3은 도1의 보조회로 모듈의 개략도이다.
도4는 도1의 제어 모듈의 개략도이다.
도5a는 도4의 제1 제어부를 나타내는 개략도이다.
도5b는 도5a의 증폭기에서 돌발 전류를 증폭시키는 비율을 나타내는 그래프이다.
도6은 도4의 제2 제어부를 나타내는 개략도이다.
도6b는 본 발명의 일 실시예에 따라 부하 전류가 증가하는 순간을 나타내는 그래프이다.
도6c는 본 발명의 일 실시예에 따라 부하 전류가 감소하는 순간을 나타내는 그래프이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터 회로의 회로도이다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터 회로의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도9는 도8의 주회로 모듈을 제어하는 단계의 세부 순서도이다.
도10은 도8의 보조회로 모듈을 제어하는 단계의 세부 순서도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터 회로의 개략도이다.
컨버터 회로(1000)는 전압원(1100), 주회로 모듈(1200), 커패시터(1300), 부하(1400), 보조회로 모듈(1500) 및 제어 모듈(1600)을 포함할 수 있다.
전압원(1100)은 직류 전원을 공급할 수 있으며, 주회로 모듈(1200)은 전압원(1100)에 연결될 수 있다.
커패시터(1300)는 주회로 모듈(1200)의 타단에 연결되어 주회로 모듈(1200)의 동작에 따라 충전 및 방전 중 적어도 하나의 동작을 수행할 수 있다.
이에 따라, 주회로 모듈(1200)은 전압원(1100) 또는 타단에 연결되는 커패시터(1300) 중 적어도 하나의 접점으로부터 전달되는 직류 전류가 흐르는 방향을 제어하는 스위치로써 동작할 수 있다.
또한, 커패시터(1300)는 주회로 모듈(1200) 또는 보조회로 모듈로부터 출력되는 전류로부터 교류분의 전류를 정류할 수 있다.
부하(1400)는 주회로 모듈(1200)과 커패시터(1300)의 접점에 연결될 수 있으며, 부하(1400)에는 사전에 설정되는 부하 전류가 흐를 수 있다.
이때, 부하(1400)는 직류 전원을 이용하는 외부 장치 등을 포함할 수 있으며, 이에 따라, 부하(1400)는 서로 다른 크기의 부하 전류(I_O)가 흐를 수 있고, 부하(1400)의 동작에 따라 부하 전류의 크기가 가변될 수 있다.
여기에서, 부하(1400)는 전류원으로써 동작할 수 있으며, 이에 따라, 부하(1400)에서 요구되는 전류가 변화하는 경우에, 전류원의 크기도 변화하는 것으로 이해할 수 있으며, 이러한 전류원에 의해 흐르는 전류가 부하 전류인 것으로 이해할 수 있다.
이때, 부하 전류(I_O)는 삼각파, 정현파, 톱니파 및 사각파 등 여러가지 형태로 나타날 수 있다.
보조회로 모듈(1500)은 주회로 모듈(1200)과 병렬로 연결되며, 주회로 모듈(1200)로부터 부하(1400)와 커패시터(1300)의 접점으로 진행하는 전류와 부하 전류(I_O)의 차이로 나타나는 돌발 전류를 보상할 수 있다.
여기에서, 돌발 전류는 부하(1400)의 동작에 따라 부하(1400)에 흐르는 부하 전류가 변화할 때, 주회로 모듈(1200)로부터 부하(1400)를 향해 흐르는 전류가 부하 전류를 추종하는 동안 발생할 수 있는 부하 전류(I_O)에 대한 주회로 모듈(1200)의 출력 전류의 부족분 또는 과다분 중 적어도 하나의 요소를 의미할 수 있다.
이에 따라, 보조회로 모듈(1500)은 부하(1400)의 동작에 따라 부하 전류가 변할 때, 주회로 모듈(1200)의 출력 전압에서 나타날 수 있는 맥동 현상을 감소시키는 것으로 이해할 수 있다.
한편, 보조회로 모듈(1500)은 전압원(1100) 또는 타단에 연결되는 커패시터(1300) 중 적어도 하나의 접점으로부터 전달되는 직류 전류가 흐르는 방향을 제어하는 스위치로써 동작할 수 있다.
제어 모듈(1600)은 주회로 모듈(1200)로부터 커패시터(1300)와 부하(1400)의 접점 방향으로 흐르는 제1 인덕터 전류, 보조회로 모듈(1500)로부터 커패시터(1300)와 부하(1400)의 접점 방향으로 흐르는 제2 인덕터 전류 및 부하(1400)에 흐르는 부하 전류(I_O) 및 부하(1400)에서 나타나는 전압인 부하 전압(V_O)을 입력받을 수 있다.
이와 관련하여, 제어 모듈(1600)은 제어 모듈(1600)에 입력되는 전류에 대한 비교 또는 가산을 수행하고, 이에 대한 결과에 따라 주회로 모듈(1200) 및 보조회로 모듈(1500)을 제어할 수 있다.
도2는 도1의 주회로 모듈의 개략도이다.
주회로 모듈(1200)은 제1 스위치(1210), 제2 스위치(1220) 및 제1 인덕터(1230)를 포함할 수 있다.
제1 스위치(1210)는 전압원(1100)에 연결되고, 제2 스위치(1220)는 제1 스위치(1210)의 타단에서 전압원(1100)에 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 제1 인덕터(1230)는 제1 스위치(1210)와 제2 스위치(1220)의 접점에 연결되고, 제1 인덕터(1230)의 타단은 커패시터(1300)와 부하(1400)의 접점에 연결될 수 있다.
이때, 제1 스위치(1210) 및 제2 스위치(1220)는 모스펫(MOSFET: MOS Field-Effect Transistor) 등의 반도체 소자가 이용될 수 있으며, 도2에 도시된 바와 같이, 각각의 모스펫은 모스펫에 병렬로 연결되는 다이오드(Diode)를 구비할 수 있다.
또한, 각각의 모스펫은 제어 모듈(1600)에서 수행되는 제어에 따라 모스펫의 드레인과 소스가 도통되도록 게이트에 일정한 전압이 입력될 수 있다.
이때, 게이트에 전압을 입력하는 전압원은 제어 모듈(1600)의 제어에 따라 전압원(1100)으로부터 입력될 수 있으며, 제어 모듈(1600)이 게이트에 전압을 입력하는 전압원을 포함할 수도 있다.
한편, 커패시터(1300)가 충전을 수행하는 중에는 제1 스위치(1210)가 도통되고 제2 스위치(1220)가 차단될 수 있으며, 커패시터(1300)가 방전을 수행하는 중에는 제2 스위치(1220)가 도통되고 제1 스위치(1210)가 차단될 수 있다.
여기에서, 부하(1400)에 흐르는 부하 전류가 일정한 크기로 유지되는 경우에는, 커패시터(1300)의 충전 및 방전이 교대로 이루어지고, 보조회로 모듈(1500)은 전기적으로 차단되어, 주회로 모듈(1200)의 제1 스위치(1210) 및 제2 스위치(1220)가 커패시터(1300)에서 충전 및 방전이 이루어지도록 교대로 도통 또는 차단될 수 있다.
이때, 제1 인덕터(1230)는 커패시터(1300)와 연결되어 로우 패스 필터(Low Pass Filter)로써 동작할 수 있으며, 이를 위해, 제1 인덕터(1230) 및 커패시터(1300)는 부하(1400)에 안정적으로 전류를 공급하도록 충분한 크기로 구비될 수 있다.
한편, 부하(1400)의 동작에 따라 부하(1400)에 흐르는 부하 전류가 증가하는 경우에, 제1 스위치(1210)는 도통되고 제2 스위치(1220)는 차단될 수 있으며, 부하 전류의 증가에 의해 제1 인덕터 전류(1230)와 부하 전류(I_O) 간에 차이로 나타나는 돌발 전류가 존재하는 동안 제1 스위치(1210) 및 제2 스위치(1220)의 상태가 유지될 수 있다.
이와 관련하여, 돌발 전류는 제1 인덕터(1230)에 흐르는 제1 인덕터 전류(I_L1)와 부하(1400)에 흐르는 부하 전류의 차이를 의미하는 것으로 이해할 수 있다.
또한, 부하(1400)의 동작에 따라 부하(1400)에 흐르는 부하 전류가 감소하는 경우에, 제1 스위치(1210)는 차단되고 제2 스위치(1220)는 도통될 수 있으며, 부하 전류(I_O)의 감소에 의해 발생하는 돌발 전류가 존재하는 동안 제1 스위치(1210) 및 제2 스위치(1220)의 상태가 유지될 수 있다.
도3은 도1의 보조회로 모듈의 개략도이다.
보조회로 모듈(1500)은 제3 스위치(1510), 제4 스위치(1520) 및 제2 인덕터(1530)를 포함할 수 있다.
제3 스위치(1510)는 전압원(1100)에 연결되고, 제4 스위치(1520)는 제3 스위치(1510)의 타단에서 전압원(1100)에 병렬로 연결될 수 있다.
이와 관련하여, 제3 스위치(1510)는 전압원(1100)과 제1 스위치(1210)의 접점에 연결되는 것으로 이해할 수 있다.
또한, 제2 인덕터(1530)는 제3 스위치(1510)와 제4 스위치(1520)의 접점에 연결되고, 제2 인덕터(1530)의 타단은 커패시터(1300)와 부하(1400)의 접점에 연결될 수 있다.
이와 관련하여, 제2 인덕터(1530)는 제1 인덕터(1230), 커패시터(1300) 및 부하(1400)의 접점에 연결되는 것으로 이해할 수 있다.
이때, 제3 스위치(1510) 및 제4 스위치(1520)는 모스펫 등의 반도체 소자가 이용될 수 있으며, 도3에 도시된 바와 같이, 각각의 모스펫은 모스펫에 병렬로 연결되는 다이오드를 구비할 수 있다.
또한, 각각의 모스펫은 제어 모듈(1600)에서 수행되는 제어에 따라 모스펫의 드레인과 소스가 도통되도록 게이트에 일정한 전압이 입력될 수 있다.
이때, 게이트에 전압을 입력하는 전압원은 제어 모듈(1600)의 제어에 따라 전압원(1100)으로부터 입력될 수 있으며, 제어 모듈(1600)이 게이트에 전압을 입력하는 전압원을 포함할 수도 있다.
한편, 부하(1400)에 흐르는 부하 전류의 크기가 일정하게 유지되어, 제1 스위치(1210) 및 제2 스위치(1220)가 교대로 도통 및 차단되는 경우에, 제3 스위치(1510)와 제4 스위치(1520)는 차단될 수 있다.
또한, 부하(1400)에 흐르는 부하 전류의 크기가 변하여 돌발 전류가 발생하는 경우에, 제1 스위치(1210) 및 제2 스위치(1220)의 제어 모듈(1600)에 의해 일정한 상태가 유지될 수 있으며, 제3 스위치(1510)와 제4 스위치(1520)는 교대로 도통 및 차단될 수 있다.
제어 모듈(1600)에 의해 각각의 스위치가 동작하는 상태는 이하에서 자세히 설명하도록 한다.
한편, 제2 인덕터(1530)는 커패시터(1300)와 연결되어 로우 패스 필터(Low Pass Filter)로써 동작할 수 있으며, 이를 위해, 제2 인덕터(1530) 및 커패시터(1300)는 부하(1400)에 안정적인 부하 전류를 공급하도록 충분한 크기로 구비될 수 있다.
도4는 도1의 제어 모듈의 개략도이다.
제어 모듈(1600)은 제1 제어부(1610) 및 제2 제어부(1620)를 포함할 수 있다.
제1 제어부(1610)는 주회로 모듈(1200)로부터 커패시터(1300)와 부하(1400)의 접점 방향으로 흐르는 제1 인덕터 전류(I_L1), 부하(1400)에 흐르는 부하 전류(I_O) 및 출력 전압(V_O)을 입력받을 수 있으며, 제1 제어부(1610)는 주회로 모듈(1200)의 제1 스위치(1210) 및 제2 스위치(1220)에 대한 제어 정보(V_GS1, V_GS2)를 출력할 수 있다.
이에 따라, 제1 제어부(1610)는 제1 인덕터 전류(I_L1)로부터 부하 전류(I_O)를 감산하여 제1 인덕터 전류(1230)와 부하 전류(I_O) 간에 차이를 계산하여 돌발 전류를 생성하고, 돌발 전류를 증폭하여 포락선 신호(I_R)를 생성할 수 있다.
한편, 제1 제어부(1610)는 포락선 신호(I_R)의 크기에 따라 제어 모드(I_C)를 판단할 수 있으며, 제어 모드(I_C)는 부하 전류(I_O)가 상승하는 상태를 나타내는 상승 모드, 부하 전류(I_O)가 하강하는 상태를 나타내는 하강 모드 및 부하 전류(I_O)가 유지되는 상태를 나타내는 유지 모드를 포함할 수 있다.
이때, 제1 제어부(1610)는 포락선 신호(I_R)의 크기에 대한 범위에 따라 제어 모드(I_C)를 판단할 수 있다.
예를 들어, 제1 제어부(1610)는 포락선 신호(I_R)가 음의 값으로 사전에 설정되는 범위 내에 포함되도록 감소하는 경우에, 상승 모드를 출력할 수 있으며, 제1 제어부(1610)는 포락선 신호(I_R)가 양의 값으로 사전에 설정되는 범위 내에 포함되도록 증가하는 경우에, 하강 모드를 출력할 수 있다.
또한, 제1 제어부(1610)는 포락선 신호(I_R)의 변화가 없는 것을 나타내도록 사전에 설정되는 범위 내에 포함되는 경우에, 유지 모드를 출력할 수 있다.
제1 제어부(1610)는 유지 모드로 동작하는 경우에, 주회로 모듈(1200)의 제1 스위치(1210)와 제2 스위치(1220)가 커패시터(1300)의 충전 및 방전에 따라 번갈아서 도통 또는 차단되도록 제1 스위치(1210) 또는 제2 스위치(1220)에 입력되는 전압을 제어할 수 있다.
제1 제어부(1610)는 상승 모드로 동작하는 경우에, 제1 스위치(1210)가 도통되고, 제2 스위치(1220)가 차단되도록 제어할 수 있다.
제1 제어부(1610)는 하강 모드로 동작하는 경우에, 제2 스위치(1220)를 도통상태로 설정하기 위한 전압을 공급하도록 제어할 수 있으며, 제1 스위치(1210)를 차단상태로 설정하기 위해 전압을 차단하도록 제어할 수 있다.
이때, 스위치가 도통되도록 제어하는 것은 스위치가 도통되기 위해 요구되는 전압을 스위치에 입력되도록 제어하는 것으로 이해할 수 있으며, 스위치가 차단되도록 제어하는 것은 스위치가 차단되도록 스위치에 입력되는 전압을 차단하도록 제어하는 것으로 이해할 수 있다.
제2 제어부(1620)는 제1 제어부(1610)에서 계산되는 포락선 신호(I_R), 제2 인덕터 전류(I_L2) 및 제1 제어부(1610)에서 출력되는 제어 모드(I_C)를 입력받을 수 있으며, 제2 제어부(1620)는 보조회로 모듈(1500)의 제3 스위치(1510) 및 제4 스위치(1520)에 대한 제어 정보(V_GS3, V_GS4)를 출력할 수 있다.
제2 제어부(1620)는 제1 제어부(1610)로부터 전달받는 제어 모드(I_C)가 유지 모드인 경우에, 제3 스위치(1510) 및 제4 스위치(1520)를 차단상태로 설정하기 위해 제3 스위치(1510) 및 제4 스위치(1520)에 입력되는 전압을 차단하도록 제어할 수 있다.
제2 제어부(1620)는 제1 제어부(1610)로부터 전달받는 제어 모드(I_C)가 상승 모드 또는 하강 모드인 경우에, 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기와 포락선 신호(I_R)의 크기를 비교하여 제3 스위치(1510) 및 제4 스위치(1520)에 입력되는 전압을 제어할 수 있다.
한편, 제2 제어부(1620)가 상승 모드 및 하강 모드에서 제3 스위치(1510) 및 제4 스위치(1520)를 제어하는 방안은 이하에서 상세히 설명하도록 한다.
도5a는 도4의 제1 제어부를 나타내는 개략도이다.
제1 제어부(1610)는 감산기(1611), 증폭기(1612), 판단기(1613) 및 제1 제어기(1614)를 포함할 수 있다.
감산기(1611)는 제1 인덕터 전류(I_L1)로부터 부하 전류(I_O)를 감산하여 돌발 전류를 계산할 수 있다.
이때, 감산기(1611)는 모스펫 또는 BJT(Bipolar Junction Transistor) 등의 트랜지스터 소자를 이용하여 방향이 같거나, 다른 전류 미러를 생성하는 방법을 통해 서로 다른 크기로 입력되는 전류를 감산하는 전류 감산기를 이용할 수 있으며, 이와 관련하여, 전류 감산기는 이전에 공지되어, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람에 의해 용이하게 실시될 수 있는 바, 전류 감산기에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
증폭기(1612)는 돌발 전류를 제2 인덕터 전류(I_L2)와 비교하여 제3 스위치(1510) 및 제4 스위치(1520) 제어하기 위한 신호를 생성하도록 사전에 설정되는 비율로 증폭할 수 있다.
이에 따라, 증폭기(1612)는 제1 인덕터 전류(I_L1)로부터 부하 전류(I_O)가 감산되어 계산되는 돌발 전류를 증폭하여 포락선 신호(I_R)를 생성하는 것으로 이해할 수 있다.
이때, 포락선 신호(I_R)를 생성하기 위해 계산된 돌발 전류가 증폭기(1612)에 의해 증폭되는 비율은 도5b의 그래프와 같이, 부하(1400)에 입력되는 컨버터 회로(1000)의 출력 전압에 따른 증폭 비율 값으로 결정되며, 이는 제1 인덕터의 크기, 제2 인덕터의 크기, 전압원(1100)의 크기, 부하(1400)에 입력되는 출력 전압 등에 의해 다른 형태의 그래프로 나타날 수 있다.
여기에서, P 그래프는 상승 모드로 동작하는 경우에 대한 증폭 비율 값을 나타내며, N 그래프는 하강 모드로 동작하는 경우에 대한 증폭 비율 값을 나타내는 것으로 이해할 수 있다.
판단기(1613)는 제어 모드(I_C)를 구분하도록 사전에 설정되는 포락선 신호(I_R)의 범위에 따라 계산된 포락선 신호(I_R)로부터 서로 다른 제어 모드(I_C)를 출력할 수 있다.
이때, 제어 모드(I_C)는 부하 전류(I_O)가 상승하는 상태를 나타내는 상승 모드, 부하 전류(I_O)가 하강하는 상태를 나타내는 하강 모드 및 부하 전류(I_O)가 유지되는 상태를 나타내는 유지 모드를 포함할 수 있다.
예를 들어, 판단기(1613)는 포락선 신호(I_R)가 음의 값으로 사전에 설정되는 범위 내에 포함되도록 감소하는 경우에, 상승 모드를 출력할 수 있으며, 판단기(1613)는 포락선 신호(I_R)가 양의 값으로 사전에 설정되는 범위 내에 포함되도록 증가하는 경우에, 하강 모드를 출력할 수 있다.
또한, 판단기(1613)는 포락선 신호(I_R)의 변화가 없는 것을 나타내도록 사전에 설정되는 범위 내에 포함되는 경우에, 유지 모드를 출력할 수 있다.
제1 제어기(1614)는 유지 모드로 동작하는 경우에, 제1 스위치(1210)와 제2 스위치(1220)가 커패시터(1300)의 충전 및 방전에 따라 번갈아서 도통 또는 차단되도록 제1 스위치(1210) 또는 제2 스위치(1220)에 전압을 공급하도록 제어할 수 있다.
이때, 제1 제어기(1614)에 전압원이 포함되는 경우에는, 제1 제어기(1614)는 제1 스위치(1210)와 제2 스위치(1220)가 커패시터(1300)의 충전 및 방전에 따라 번갈아서 도통 또는 차단되도록 제1 스위치(1210) 또는 제2 스위치(1220)에 전압을 공급할 수 있다.
여기에서, 커패시터(1300)의 충전 및 방전은 부하 전압(V_O)의 변화에 따라 판단될 수 있으며, 이를 위해, 제1 제어기(1614)는 부하 전압(V_O)의 크기를 입력 받을 수 있다.
제1 제어기(1614)는 상승 모드로 동작하는 경우에, 제1 스위치(1210)가 도통되고, 제2 스위치(1220)가 차단되도록 제어할 수 있다.
이때, 스위치가 도통되도록 제어하는 것은 스위치가 도통되기 위해 요구되는 전압을 스위치에 입력되도록 제어하는 것으로 이해할 수 있으며, 스위치가 차단되도록 제어하는 것은 스위치가 차단되도록 스위치에 입력되는 전압을 차단하도록 제어하는 것으로 이해할 수 있다.
제1 제어기(1614)는 하강 모드로 동작하는 경우에, 제2 스위치(1220)가 도통되고, 제1 스위치(1210)가 차단되도록 제어할 수 있다.
도6은 도4의 제2 제어부를 나타내는 개략도이다.
제2 제어부(1620)는 제1 비교기(1621), 제2 비교기(1622), 사전 설정 전류(1623), 지연기(1624), 계전기(1625) 및 제2 제어기(1626)를 포함할 수 있다.
제1 비교기(1621)는 부하 전류(I_O)의 변화에 따라 발생하는 포락선 신호(I_R)의 크기와 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기를 비교하여 리셋 판단 신호를 출력할 수 있다.
이때, 제1 비교기(1621)는 포락선 신호(I_R)의 크기가 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기와 비교하여 작은 경우에, 하강 신호를 출력할 수 있으며, 제1 비교기(1621)는 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기가 포락선 신호(I_R)의 크기와 비교하여 크거나 같은 경우에, 상승 신호를 출력할 수 있다.
여기에서, 하강 신호 및 상승 신호는 일반적인 논리 회로에서 0 또는 1로 나타나는 2진 신호를 의미할 수 있으며, 이러한 신호는 0V 또는 5V와 같은 다양한 형태로 변형되어 이용될 수 있다.
제2 비교기(1622)는 사전 설정 전류(1623)로부터 나타나는 전류의 크기와 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기를 비교하여 세트 판단 신호를 출력할 수 있다.
이때, 제2 비교기(1622)는 사전 설정 전류(1623)의 크기가 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기와 비교하여 작은 경우에, 하강 신호를 출력할 수 있으며, 제1 비교기(1621)는 사전 설정 전류(1623)의 크기가 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기와 비교하여 크거나 같은 경우에, 상승 신호를 출력할 수 있다.
이때, 사전 설정 전류(1623)는 제2 인덕터(1530)에 흐르는 제2 인덕터 전류(I_L2)가 매우 작아, 전류가 거의 흐르지 않는 상태를 판단하는데 이용될 수 있다.
이를 위해, 사전 설정 전류(1623)는 전류가 거의 흐르지 않는 상태를 나타내도록 사전에 설정되는 크기의 전류원이 이용될 수 있다.
지연기(1624)는 제2 비교기(1622)를 거쳐 생성되는 세트 판단 신호를 지연시켜 소프트 스위칭이 이루어지도록 할 수 있다. 이때, 지연기(1624)의 시간 지연은 제3 스위치(1510)에 의해 생성되는 기생 커패시턴스 및 제4 스위치(1520)에 의해 생성되는 기생 커패시턴스와 제2 인덕터(1530)에 따라 형성되는 공진 주기의 1/2 수준으로 설정될 수 있다.
계전기(1625)는 리셋 판단 신호와 세트 판단 신호 중 적어도 하나의 신호에 따라 계전기 출력 신호를 생성할 수 있다.
이때, 계전기 출력 신호는 역상 신호 및 정상 신호를 포함할 수 있으며, 여기에서, 역상 신호 및 정상 신호는 일반적인 논리 회로에서 0 또는 1로 나타나는 2진 신호를 의미할 수 있으며, 이러한 신호는 0V 또는 5V와 같은 다양한 형태로 변형되어 이용될 수 있다.
계전기(1625)는 리셋 판단 신호로 하강 신호를 입력받고, 세트 판단 신호로 하강 신호를 입력받은 경우에, 이전에 출력된 계전기 출력 신호를 유지할 수 있다. 이때, 이전에 출력된 계전기 출력 신호가 존재하지 않는 경우에는, 정상 신호를 출력할 수 있다.
계전기(1625)는 리셋 판단 신호로 상승 신호를 입력받고, 세트 판단 신호로 하강 신호를 입력받은 경우에, 역상 신호를 출력할 수 있다.
계전기(1625)는 리셋 판단 신호로 하강 신호를 입력받고, 세트 판단 신호로 상승 신호를 입력받은 경우에, 정상 신호를 출력할 수 있다.
이와 관련하여, 계전기(1625)는 S-R 래치(S-R Latch)와 같은 형태로 동작할 수 있다.
제2 제어기(1626)는 유지 모드로 동작하는 경우에, 제3 스위치(1510) 및 제4 스위치(1520)에 입력되는 전압을 차단하도록 제어할 수 있다.
제2 제어기(1626)는 상승 모드로 동작하고, 계전기(1625)에서 역상 신호를 입력받는 경우에, 제3 스위치(1510)가 차단되고, 제4 스위치(1520)가 도통되도록 제어할 수 있다.
제2 제어기(1626)는 상승 모드로 동작하고, 계전기(1625)에서 정상 신호를 입력받는 경우에, 제3 스위치(1510)가 도통되고, 제4 스위치(1520)가 차단되도록 제어할 수 있다.
제2 제어기(1626)는 하강 모드로 동작하고, 계전기(1625)에서 역상 신호를 입력받는 경우에, 제3 스위치(1510)가 도통되고, 제4 스위치(1520)가 차단되도록 제어할 수 있다.
제2 제어기(1626)는 하강 모드로 동작하고, 계전기(1625)에서 정상 신호를 입력받는 경우에, 제3 스위치(1510)가 차단되고, 제4 스위치(1520)가 도통되도록 제어할 수 있다.
도6b를 참조하면, I_O 그래프에서 부하 전류(I_O)가 상승하는 순간을 확인할 수 있으며, 이에 따라, 제2 인덕터 전류(I_L2)는 제1 인덕터 전류(I_L1)와 부하 전류(I_O)의 차이를 보상할 수 있도록 흐르는 상태를 I_L2 그래프에서 확인할 수 있다.
이때, 부하 전류(I_O)가 상승하여 상승 모드로 동작을 시작하는 경우에, 제2 제어기(1626)는 판단기(1613)로부터 제어 모드(I_C)를 입력 받아 제3 스위치(1510)가 도통되고, 제4 스위치(1520)가 차단되도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 제1 인덕터(1230)에 흐르는 전류는 부하 전류(I_O)를 추종하기 시작하며, 이로부터 발생하는 돌발 전류인 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기는 포락선 신호의 크기와 비교하여 작은 크기로 나타나게 되어 제1 비교기(1621)는 하강 신호를 출력하고, 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기는 사전 설정 전류(1623)의 크기와 비교하여 큰 신호가 되어 제2 비교기(1622)는 하강 신호를 출력할 수 있다.
이에 따라, 계전기(1625)는 초기 신호로 정상 신호를 출력하여, 제2 제어기(1626)는 제3 스위치(1510)가 도통되고, 제4 스위치(1520)가 차단되도록 제어할 수 있다.
이러한 동작은 I_O 그래프가 상승하는 시점에 제3 스위치(1510)에 입력되는 전압을 나타내는 V_GS3 그래프도 상승하는 것으로 확인할 수 있다.
한편, V_DS4 그래프는 제4 스위치(1520)로 이용되는 모스펫의 드레인-소스 전압의 크기를 나타내는 그래프로, I_O 그래프가 상승하는 시점에서 제4 스위치(1520)가 차단되도록 제어되어 제4 스위치의 드레인-소스 전압이 상승하는 것으로 이해할 수 있다. 이때, 드레인-소스 전압은 제4 스위치에 구비되는 다이오드가 도통되는 상태에서 나타내는 전압과 동일할 수 있다.
또한, V_DS3 그래프는 제3 스위치(1510)로 이용되는 모스펫의 드레인-소스 전압의 크기를 나타내는 그래프로, I_O 그래프가 상승하는 시점에서 제3 스위치(1510)가 도통되도록 제어되어 제3 스위치의 드레인-소스 전압이 0이 되는 것으로 이해할 수 있다.
한편, 상승 모드에서 제3 스위치(1510)가 도통되어 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기가 증가하고, 포락선 신호(I_R)의 크기와 동일해지는 경우에, 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기는 포락선 신호의 크기와 비교하여 동일한 크기가 되어 제1 비교기(1621)는 상승 신호를 출력하고, 사전 설정 전류(1623)의 크기와 비교하여 큰 신호가 되어 제2 비교기(1622)는 하강 신호를 출력할 수 있다.
이에 따라, 계전기(1625)는 역상 신호를 출력하고, 제2 제어기(1626)는 제4 스위치(1520)가 도통되고, 제3 스위치(1510)가 차단되도록 제어할 수 있다.
이러한 동작은 I_L2 그래프가 최댓값으로 상승된 시점에 제3 스위치(1510)에 입력되는 전압을 나타내는 V_GS3 그래프도 하강하는 것으로 확인할 수 있다.
한편, V_DS4 그래프는 제4 스위치(1520)로 이용되는 모스펫의 드레인-소스 전압의 크기를 나타내는 그래프로, I_L2 그래프가 최댓값으로 상승된 시점에 제4 스위치(1520)가 도통되도록 제어되어 제4 스위치의 드레인-소스 전압이 0이 되는 것으로 이해할 수 있다.
또한, V_DS3 그래프는 제3 스위치(1510)로 이용되는 모스펫의 드레인-소스 전압의 크기를 나타내는 그래프로, I_L2 그래프가 최댓값으로 상승된 시점에 제3 스위치(1510)가 차단되도록 제어되어 제3 스위치의 드레인-소스 전압이 상승하는 것으로 이해할 수 있다. 이때, 드레인-소스 전압은 제3 스위치에 구비되는 다이오드가 도통되는 상태에서 나타내는 전압과 동일할 수 있다.
한편, 상승 모드에서 제3 스위치(1510)가 차단되어 돌발 전류의 크기가 감소하고, 사전 설정 전류(1623)의 크기와 동일해지는 경우에, 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기는 포락선 신호(I_R)의 크기와 비교하여 작은 크기가 되어 제1 비교기(1621)는 하강 신호를 출력하고, 사전 설정 전류(1623)의 크기와 비교하여 동일한 크기의 신호가 되어 제2 비교기(1622)는 상승 신호를 출력할 수 있다.
이에 따라, 계전기(1625)는 정상 신호를 출력하고, 제2 제어기(1626)는 제3 스위치(1510)가 도통되고, 제4 스위치(1520)가 차단되도록 제어할 수 있다.
이러한 동작은 I_L2 그래프가 최솟값으로 감소된 시점에 제3 스위치(1510)에 입력되는 전압을 나타내는 V_GS3 그래프도 상승하는 것으로 확인할 수 있다.
한편, V_DS4 그래프는 제4 스위치(1520)로 이용되는 모스펫의 드레인-소스 전압의 크기를 나타내는 그래프로, I_L2 그래프가 최솟값으로 감소된 시점에 제4 스위치(1520)가 차단되도록 제어되어 제4 스위치의 드레인-소스 전압이 상승하는 것으로 이해할 수 있다. 이때, 드레인-소스 전압은 제4 스위치에 구비되는 다이오드가 도통되는 상태에서 나타내는 전압과 동일할 수 있다.
또한, V_DS3 그래프는 제3 스위치(1510)로 이용되는 모스펫의 드레인-소스 전압의 크기를 나타내는 그래프로, I_L2 그래프가 최솟값으로 감소된 시점에 제3 스위치(1510)가 도통되도록 제어되어 제3 스위치의 드레인-소스 전압이 0이 되는 것으로 이해할 수 있다.
이와 같이, 제2 인덕터 전류(I_L2)가 상승 및 하강을 반복하며, 부하 전류를 추종하는 동안, 제1 비교기(1621) 및 제2 비교기(1622)는 상기 서술한 과정을 반복하는 형태를 도6b에서 확인할 수 있고, 돌발 전류가 대부분 소모되어 컨버터 회로(1000)가 안정 상태가 되면, 판단기(1613)에서 포락선 신호(I_R)에 따라 유지 모드를 출력하는 것으로 이해할 수 있다.
도6c를 참조하면, I_O 그래프에서 부하 전류(I_O)가 하강하는 순간을 확인할 수 있으며, 이에 따라, 돌발 전류가 보조회로 모듈(1500)로 흐르는 상태를 I_L2 그래프에서 확인할 수 있다.
이때, 부하 전류(I_O)가 하강하여 하강 모드로 동작을 시작하는 경우에, 제2 제어기(1626)는 판단기(1613)로부터 제어 모드(I_C)를 입력 받아 제3 스위치(1510)가 차단되고, 제4 스위치(1520)가 도통되도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 제1 인덕터(1230)에 흐르는 전류는 부하 전류(I_O)를 추종하기 시작하며, 이로부터 발생하는 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기는 포락선 신호의 크기와 비교하여 작은 크기로 나타나게 되어 제1 비교기(1621)는 하강 신호를 출력하고, 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기는 사전 설정 전류(1623)의 크기와 비교하여 큰 신호가 되어 제2 비교기(1622)는 하강 신호를 출력할 수 있다.
이에 따라, 계전기(1625)는 초기 신호로 정상 신호를 출력하여, 제2 제어기(1626)는 제4 스위치(1520)가 도통되고, 제3 스위치(1510)가 차단되도록 제어할 수 있다.
이러한 동작은 I_O 그래프가 하강하는 시점에 제4 스위치(1520)에 입력되는 전압을 나타내는 V_GS4 그래프도 상승하는 것으로 확인할 수 있다.
한편, V_DS4 그래프는 제4 스위치(1520)로 이용되는 모스펫의 드레인-소스 전압의 크기를 나타내는 그래프로, I_O 그래프가 하강하는 시점에서 제4 스위치(1520)가 도통되도록 제어되어 제4 스위치의 드레인-소스 전압이 0이 되는 것으로 이해할 수 있다.
또한, V_DS3 그래프는 제3 스위치(1510)로 이용되는 모스펫의 드레인-소스 전압의 크기를 나타내는 그래프로, I_O 그래프가 하강하는 시점에서 제3 스위치(1510)가 차단되도록 제어되어 제3 스위치의 드레인-소스 전압이 상승하는 것으로 이해할 수 있다. 이때, 드레인-소스 전압은 제3 스위치에 구비되는 다이오드가 도통되는 상태에서 나타내는 전압과 동일할 수 있다.
한편, 하강 모드에서 제4 스위치(1520)가 도통되어 돌발 전류의 크기가 증가하고, 포락선 신호(I_R)의 크기와 동일해지는 경우에, 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기는 포락선 신호의 크기와 비교하여 동일한 크기가 되어 제1 비교기(1621)는 상승 신호를 출력하고, 사전 설정 전류(1623)의 크기와 비교하여 큰 신호가 되어 제2 비교기(1622)는 하강 신호를 출력할 수 있다.
이에 따라, 계전기(1625)는 역상 신호를 출력하고, 제2 제어기(1626)는 제3 스위치(1510)가 도통되고, 제4 스위치(1520)가 차단되도록 제어할 수 있다.
이러한 동작은 I_L2 그래프에서 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기가 최댓값으로 상승된 시점에 제4 스위치(1520)에 입력되는 전압을 나타내는 V_GS4 그래프도 하강하는 것으로 확인할 수 있다. 이때, I_L2 그래프에서 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기가 최댓값으로 상승된 시점은 다시 말해서, 제2 인덕터 전류(I_L2)의 절대값의 크기가 최댓값으로 상승된 시점으로 이해할 수 있다.
한편, V_DS4 그래프는 제4 스위치(1520)로 이용되는 모스펫의 드레인-소스 전압의 크기를 나타내는 그래프로, I_L2 그래프의 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기가 최댓값으로 상승된 시점에 제4 스위치(1520)가 차단되도록 제어되어 제4 스위치의 드레인-소스 전압이 상승하는 것으로 이해할 수 있다. 이때, 드레인-소스 전압은 제4 스위치에 구비되는 다이오드가 도통되는 상태에서 나타내는 전압과 동일할 수 있다.
또한, V_DS3 그래프는 제3 스위치(1510)로 이용되는 모스펫의 드레인-소스 전압의 크기를 나타내는 그래프로, I_L2 그래프의 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기가 최댓값으로 상승된 시점에 제3 스위치(1510)가 도통되도록 제어되어 제3 스위치의 드레인-소스 전압이 0이 되는 것으로 이해할 수 있다.
한편, 하강 모드에서 제4 스위치(1520)가 차단되어 돌발 전류의 크기가 감소하고, 사전 설정 전류(1623)의 크기와 동일해지는 경우에, 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기는 포락선 신호(I_R)의 크기와 비교하여 작은 크기가 되어 제1 비교기(1621)는 하강 신호를 출력하고, 사전 설정 전류(1623)의 크기와 비교하여 동일한 크기의 신호가 되어 제2 비교기(1622)는 상승 신호를 출력할 수 있다.
이에 따라, 계전기(1625)는 정상 신호를 출력하고, 제2 제어기(1626)는 제4 스위치(1520)가 도통되고, 제3 스위치(1510)가 차단되도록 제어할 수 있다.
이러한 동작은 I_L2 그래프의 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기가 최솟값으로 감소된 시점에 제4 스위치(1520)에 입력되는 전압을 나타내는 V_GS4 그래프도 상승하는 것으로 확인할 수 있다.
한편, V_DS4 그래프는 제4 스위치(1520)로 이용되는 모스펫의 드레인-소스 전압의 크기를 나타내는 그래프로, I_L2 그래프의 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기가 최솟값으로 감소된 시점에 제4 스위치(1520)가 도통되도록 제어되어 제4 스위치의 드레인-소스 전압이 0이 되는 것으로 이해할 수 있다.
또한, V_DS3 그래프는 제3 스위치(1510)로 이용되는 모스펫의 드레인-소스 전압의 크기를 나타내는 그래프로, I_L2 그래프의 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기가 최솟값으로 감소된 시점에 제3 스위치(1510)가 차단되도록 제어되어 제3 스위치의 드레인-소스 전압이 상승하는 것으로 이해할 수 있다. 이때, 드레인-소스 전압은 제3 스위치에 구비되는 다이오드가 도통되는 상태에서 나타내는 전압과 동일할 수 있다.
이와 같이, 돌발 전류가 상승 및 하강을 반복하며, 부하 전류를 추종하는 동안, 제1 비교기(1621) 및 제2 비교기(1622)는 상기 서술한 과정을 반복하는 형태를 도6c에서 확인할 수 있고, 돌발 전류가 대부분 소모되어 컨버터 회로(1000)가 안정 상태가 되면, 판단기(1613)에서 포락선 신호(I_R)에 따라 유지 모드를 출력하는 것으로 이해할 수 있다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터 회로의 회로도이다.
도7을 참조하면, 제1 스위치(1210) 및 제3 스위치(1510)는 각각 전압원(1100)에 연결되어, 제1 스위치(1210), 제3 스위치(1510) 및 전압원(1100)이 하나의 접점에서 연결되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 제1 인덕터(1230) 및 제2 인덕터(1530)는 커패시터(1300)와 부하(1400)의 접점에 각각 연결되어, 제1 인덕터(1230), 제2 인덕터(1530), 커패시터(1300) 및 부하(1400)가 하나의 접점에서 연결되는 것을 확인할 수 있다.
이때, 커패시터(1300)의 타단 및 부하(1400)의 타단은 접지되는 것을 확인할 수 있으며, 제1 인덕터(1230)의 타단은 제1 스위치(1210)의 타단에 연결되고, 제2 인덕터(1530)의 타단은 제3 스위치(1510)의 타단에 연결되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 제2 스위치(1220)는 제1 인덕터(1230)와 제1 스위치(1210)의 접점에 연결되고, 제2 스위치(1220)의 타단은 접지되는 것을 확인할 수 있으며, 제4 스위치(1520)는 제2 인덕터(1530)와 제3 스위치(1510)의 접점에 연결되고, 제4 스위치(1520)의 타단은 접지되는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라, 감산기(1611)는 제1 인덕터(1230)에 흐르는 제1 인덕터 전류(I_L1)로부터 부하(1400)에 흐르는 부하 전류(I_O)를 감산하여 제1 인덕터 전류(1230)와 부하 전류(I_O) 간에 차이를 계산하여 돌발 전류를 생성하고, 증폭기(1612)는 돌발 전류를 사전에 설정되는 비율로 증폭하여 포락선 신호(I_R)를 생성할 수 있다.
이때, 판단기(1613)는 포락선 신호(I_R)의 크기를 사전에 설정되는 포락선 신호(I_R)에 대한 범위에 따라 분류하여 제어 모드(I_C)를 출력할 수 있으며, 제어 모드(I_C)가 유지 모드로 출력되는 경우에, 제1 제어기(1614)는 제1 스위치(1210) 및 제2 스위치(1220)가 번갈아서 도통 또는 차단되도록 각각의 스위치에 입력되는 전압을 제어할 수 있다.
또한, 제어 모드(I_C)로 유지 모드가 출력되는 경우에, 제2 제어기(1626)는 제3 스위치(1510) 및 제4 스위치(1520)가 차단되도록 각각의 스위치에 입력되는 전압을 제어할 수 있다.
한편, 제어 모드(I_C)로 상승 모드 또는 하강 모드 중 적어도 하나의 모드가 출력되는 경우에, 제1 비교기(1621)는 포락선 신호(I_R)의 크기를 제2 인덕터(1530)에 흐르는 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기와 비교하여 리셋 판단 신호를 생성할 수 있으며, 제2 비교기(1622)는 사전 설정 전류(1623)가 나타내는 전류의 크기와 제2 인덕터(1530)에 흐르는 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기를 비교하여 세트 판단 신호를 생성할 수 있다.
이에 따라, 계전기(1625)는 리셋 판단 신호 및 세트 판단 신호 중 적어도 하나의 신호에 따라 계전기 출력 신호를 생성할 수 있으며, 이때, 지연기(1624)는 제2 비교기(1622)로부터 출력되는 세트 판단 신호와 제1 비교기(1621)로부터 출력되는 리셋 판단 신호가 동일한 시점에서 계전기에 입력될 수 있도록 세트 판단 신호를 지연시킬 수 있다.
제2 제어기(1626)는 계전기 출력 신호에 따라 제3 스위치(1510) 및 제4 스위치(1520)가 도통 또는 차단되도록 각각의 스위치에 입력되는 전압을 제어할 수 있다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터 회로의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터 회로의 제어 방법은 도 1에 도시된 컨버터 회로(1000)와 실질적으로 동일한 구성 상에서 진행되므로, 도 1의 컨버터 회로(1000)와 동일한 구성요소에 대해 동일한 도면 부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
컨버터 회로의 제어 방법은 전류를 입력받는 단계(2000), 주회로 모듈을 제어하는 단계(2100) 및 보조회로 모듈을 제어하는 단계(2200)를 포함할 수 있다.
전류를 입력받는 단계(2000)는 전압원(1100), 주회로 모듈(1200), 보조회로 모듈(1500), 커패시터(1300) 및 부하(1400)를 포함하는 컨버터 회로로부터 부하 전류(I_O), 제1 인덕터 전류(I_L1) 및 제2 인덕터 전류(I_L2) 중 적어도 하나의 전류를 입력받을 수 있다.
주회로 모듈을 제어하는 단계(2100)는 전류를 입력받는 단계(2000)에서 전달받은 전류에 따라 부하 전류(I_O)의 변화를 검출하고, 주회로 모듈을 제어할 수 있다.
이때, 주회로 모듈을 제어하는 단계(2100)는 제1 인덕터 전류(I_L1)로부터 부하 전류(I_O)를 감산하여 돌발 전류를 계산할 수 있으며, 주회로 모듈을 제어하는 단계(2100)는 돌발 전류를 제2 인덕터 전류(I_L2)와 비교하여 제3 스위치(1510) 및 제4 스위치(1520) 제어하기 위한 신호를 생성하도록 사전에 설정되는 비율로 증폭할 수 있다.
이에 따라, 주회로 모듈을 제어하는 단계(2100)는 제어 모드(I_C)를 구분하도록 사전에 설정되는 포락선 신호(I_R)의 범위에 따라 계산된 포락선 신호(I_R)로부터 제어 모드(I_C)를 출력할 수 있다.
주회로 모듈을 제어하는 단계(2100)는 제어 모드(I_C)에 따라 주회로 모듈(1200)의 제1 스위치(1210) 및 제2 스위치(1220)를 도통 또는 차단되도록 제어할 수 있다.
보조회로 모듈을 제어하는 단계(2200)는 제2 인덕터(1530)에 흐르는 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기와 포락선 신호(I_R)의 크기를 비교하여 보조회로 모듈(1500)을 제어할 수 있다.
보조회로 모듈을 제어하는 단계(2200)는 부하 전류(I_O)의 변화에 따라 발생하는 포락선 신호(I_R)의 크기와 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기를 비교하여 리셋 판단 신호를 출력할 수 있다.
보조회로 모듈을 제어하는 단계(2200)는 사전 설정 전류(1623)로부터 나타나는 전류의 크기와 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기를 비교하여 세트 판단 신호를 출력할 수 있다.
보조회로 모듈을 제어하는 단계(2200)는 리셋 판단 신호와 세트 판단 신호 중 적어도 하나의 신호에 따라 계전기 출력 신호를 생성할 수 있다.
보조회로 모듈을 제어하는 단계(2200)는 제어 모드(I_C) 및 계전기 출력 신호에 따라 보조회로 모듈(1500)의 제3 스위치(1510) 및 제4 스위치(1520)를 도통 또는 차단되도록 제어할 수 있다.
도9는 도8의 주회로 모듈을 제어하는 단계의 세부 순서도이다.
주회로 모듈을 제어하는 단계(2100)는 돌발 전류를 계산하는 단계(2110), 제어 모드를 판단하는 단계(2120) 및 스위치를 제어하는 단계(2130)를 더 포함할 수 있다.
돌발 전류를 계산하는 단계(2110)는 제1 인덕터 전류(I_L1)로부터 부하 전류(I_O)를 감산하여 돌발 전류를 계산할 수 있다.
돌발 전류를 계산하는 단계(2110)는 돌발 전류를 제2 인덕터 전류(I_L2)와 비교하여 제3 스위치(1510) 및 제4 스위치(1520) 제어하기 위한 신호를 생성하도록 사전에 설정되는 비율로 증폭하여 포락선 신호(I_R)를 생성할 수 있다.
제어 모드를 판단하는 단계(2120)는 포락선 신호(I_R)를 제어 모드(I_C)를 구분하도록 사전에 설정되는 포락선 신호(I_R)의 범위와 비교하여 제어 모드(I_C)를 출력할 수 있다.
스위치를 제어하는 단계(2130)는 제어 모드(I_C)에 따라 주회로 모듈(1200)의 제1 스위치(1210) 및 제2 스위치(1220)를 도통 또는 차단되도록 제어할 수 있다.
도10은 도8의 보조회로 모듈을 제어하는 단계의 세부 순서도이다.
보조회로 모듈을 제어하는 단계(2200)는 리셋 판단 신호를 출력하는 단계(2210), 세트 판단 신호를 출력하는 단계(2220), 계전기 출력 신호를 출력하는 단계(2230) 및 스위치를 제어하는 단계(2130)를 더 포함할 수 있다.
리셋 판단 신호를 출력하는 단계(2210)는 부하 전류(I_O)의 변화에 따라 발생하는 포락선 신호(I_R)의 크기와 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기를 비교하여 리셋 판단 신호를 출력할 수 있다.
세트 판단 신호를 출력하는 단계(2220)는 사전 설정 전류(1623)로부터 나타나는 전류의 크기와 제2 인덕터 전류(I_L2)의 크기를 비교하여 세트 판단 신호를 출력할 수 있다.
계전기 출력 신호를 출력하는 단계(2230)는 리셋 판단 신호와 세트 판단 신호 중 적어도 하나의 신호에 따라 계전기 출력 신호를 생성할 수 있다.
스위치를 제어하는 단계(2240)는 제어 모드(I_C) 및 계전기 출력 신호에 따라 보조회로 모듈(1500)의 제3 스위치(1510) 및 제4 스위치(1520)를 도통 또는 차단되도록 제어할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1000: 컨버터 회로 1100: 전압원
1200: 주회로 모듈 1210: 제1 스위치
1211: 다이오드 1220: 제2 스위치
1221: 다이오드 1230: 제1 인덕터
1300: 커패시터 1400: 부하
1500: 보조회로 모듈 1510: 제3 스위치
1511: 다이오드 1520: 제4 스위치
1521: 다이오드 1530: 제2 인덕터
1600: 제어 모듈 1611: 감산기
1612: 증폭기 1621: 제1 비교기
1622: 제2 비교기 1623: 사전 설정 전류

Claims (12)

  1. 전압원에 연결되는 주회로 모듈;
    상기 주회로 모듈의 타단에 연결되어 상기 주회로 모듈의 동작에 따라 충전 및 방전 중 적어도 하나의 동작을 수행하는 커패시터;
    상기 주회로 모듈과 상기 커패시터의 접점에 연결되어 부하 전류가 흐르는 부하; 및
    상기 주회로 모듈과 병렬로 연결되며, 상기 주회로 모듈로부터 상기 부하 전류와 상기 커패시터의 접점으로 진행하는 제1 인덕터 전류와 부하 전류의 차이를 보상하는 보조회로 모듈을 포함하고,
    상기 주회로 모듈로부터 상기 커패시터와 상기 부하의 접점 방향으로 흐르는 제1 인덕터 전류, 상기 보조회로 모듈로부터 상기 커패시터와 상기 부하의 접점 방향으로 흐르는 제2 인덕터 전류 및 상기 부하 전류 중 적어도 하나의 전류를 입력받는 제어 모듈을 더 포함하며,
    상기 제어 모듈은,
    상기 부하 전류의 변화에 따라 발생하는 돌발 전류를 증폭하여 포락선 신호를 계산하고, 상기 제2 인덕터 전류의 크기와 상기 포락선 신호의 크기를 비교하여 상기 보조회로 모듈을 제어하는, 컨버터 회로.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어 모듈은,
    상기 부하 전류가 증가하는 경우, 상기 주회로 모듈의 제1 스위치를 동작시키고, 상기 주회로 모듈의 제2 스위치를 차단시키는, 컨버터 회로.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어 모듈은,
    상기 부하 전류가 감소하는 경우, 상기 주회로 모듈의 제2 스위치를 동작시키고, 상기 주회로 모듈의 제1 스위치를 차단시키는, 컨버터 회로.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어 모듈은,
    상기 부하 전류의 변화가 없거나, 또는 상기 부하 전류의 변화가 사전에 설정되는 범위 내에서 이루어지는 경우, 상기 보조회로 모듈을 차단시키는, 컨버터 회로.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제어 모듈은,
    상기 돌발 전류가 증폭되어 생성되는 포락선 신호의 크기와 상기 제2 인덕터 전류의 크기를 비교하여 리셋 판단 신호를 출력하는 제1 비교기;
    상기 제2 인덕터 전류의 크기를 사전에 설정되는 값과 비교하여 세트 판단 신호를 출력하는 제2 비교기;
    상기 리셋 판단 신호와 상기 세트 판단 신호 중 적어도 하나의 정보에 따라 계전기 출력 신호를 출력하는 계전기; 및
    상기 계전기 출력 신호에 따라 상기 보조회로 모듈에 구비되는 제3 스위치 또는 제4 스위치 중 적어도 하나의 스위치를 제어하는 제2 제어기를 포함하는, 컨버터 회로.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 제어기는,
    상기 부하 전류가 증가하고, 상기 계전기 출력 신호로 정상 신호가 출력되는 경우, 상기 제3 스위치를 동작시키고, 상기 제4 스위치를 차단시키는, 컨버터 회로.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제2 제어기는,
    상기 부하 전류가 감소하고, 상기 계전기 출력 신호로 정상 신호가 출력되는 경우, 상기 제4 스위치를 동작시키고, 상기 제3 스위치를 차단시키는, 컨버터 회로.
  11. 전압원에 연결되는 주회로 모듈과 병렬로 연결되는 보조회로 모듈에 의해 부하에 부하 전류를 발생시키는 컨버터 회로를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 컨버터 회로로부터 부하 전류, 제1 인덕터 전류 및 제2 인덕터 전류 중 적어도 하나의 전류를 입력받는 단계;
    상기 부하 전류의 변화에 따라 발생하는 돌발 전류를 증폭하여 포락선 신호를 계산하고, 상기 주회로 모듈을 제어하는 단계; 및
    상기 제2 인덕터 전류의 크기와 상기 포락선 신호의 크기를 비교하여 상기 보조회로 모듈을 제어하는 단계를 포함하는, 컨버터 회로 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 보조회로 모듈을 제어하는 단계는,
    상기 포락선 신호의 크기와 상기 제2 인덕터 전류의 크기를 비교하여 리셋 판단 신호를 출력하는 단계;
    상기 제2 인덕터 전류의 크기를 사전에 설정되는 값과 비교하여 세트 판단 신호를 출력하는 단계;
    상기 리셋 판단 신호와 상기 세트 판단 신호 중 적어도 하나의 신호에 따라 계전기 출력 신호를 출력하는 단계; 및
    상기 계전기 출력 신호에 따라 상기 보조회로 모듈에 구비되는 제3 스위치 또는 제4 스위치 중 적어도 하나의 스위치를 제어하는 단계를 더 포함하는, 컨버터 회로 제어 방법.

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