KR102341331B1 - 비트 주파수를 개선하는 전력 변환 장치, 시스템 및 방법 - Google Patents

비트 주파수를 개선하는 전력 변환 장치, 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

일 실시예는, 인터리빙(Interleaving) 제어를 수행하는 전력 변환 장치에 있어서, 클럭신호를 발생시키는 신호발생기; 적어도 하나의 전력반도체 및 인덕터를 포함하고, 상기 클럭신호에 따라 주기적으로 상기 전력반도체를 제어하여 전력을 변환하는 전력 변환부; 및 상기 전력 변환부의 출력에서 상기 클럭신호보다 낮은 주파수를 가지는 비트주파수(Beat Frequency) 성분이 최소화되도록 상기 클럭신호의 주파수를 조절하는 주파수 제어부를 포함하는 비트 주파수를 개선하는 전력 변환 장치를 제공한다.

Description

비트 주파수를 개선하는 전력 변환 장치, 시스템 및 방법{POWER CONVERTING APPARATUS, SYSTEM AND METHOD FOR IMPROVING BEAT FREQUENCY}
본 실시예는 비트 주파수를 개선하는 전력 변환 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
마이크로 그리드는 다수의 분산형 전원을 이용하여 독립적으로 전기, 열과 같은 에너지의 자급자족이 일어날 수 있을 뿐만 아니라, 필요에 따라 기존 전력시스템과 연계할 수 있는 에너지 네트워크를 의미한다.
이러한 마이크로 그리드는 두 개 이상의 분산형 전원과 전력 변환 장치의 조합으로 구성되어 병렬 운전을 수행할 수 있고, 이를 통해 부하에 전력을 공급할 수 있다.
여기서, 두 개 이상의 분산형 전원과 전력 변환 장치가 병렬 운전을 수행할 때에 각각의 전력 변환 장치는 인터리빙 제어 방식을 통해 부하로 공급하는 출력 전류 또는 출력 전압에서 리플 성분이 최소화되도록 했다.
다시 말해서, 병렬 연결된 두 개 이상의 전력 변환 장치가 개별적으로 출력하는 개별 출력 전류들이 하나의 출력단에서 합쳐져서 부하에 공급되는 전체 출력 전류가 되었을 때에 전체 출력 전류에서 리플 성분을 최소화하기 위해 개별 출력 전류 간에 일정 기준(예를 들어, 180°)만큼의 위상차가 발생하도록 하는 위상 제어를 두 개 이상의 전력 변환 장치에서 실시하였다.
두 개 이상의 전력 변환 장치에서 위와 같은 인터리빙 제어를 정확하게 수행하기 위해서는 전력 변환 장치에 내장된 전력반도체의 스위칭 주파수가 장치별로 동일해야 한다.
종래에 전력 변환 장치들은 장치 제조시에 동일한 기본 설정값을 고정적으로 저장하고, 이를 통해 전력 반도체의 스위칭 주파수를 동일하게 설정할 수 있었다.
하지만, 어느 하나의 전력 변환 장치에서 기본 설정값을 출력하기 위한 부품에 오차가 존재하면 두 개 이상의 전력 변환 장치의 스위칭 주파수가 상이해져서 개별 출력 전류들의 파형 주기도 상이해지게 된다.
이로 인해 개별 출력 전류들의 위상차가 일정 기준과 상이해져서 개별 출력 전류들이 하나의 출력단에서 합쳐질 때에 전체 출력 전류에 비트 주파수 성분이 발생하고, 이로 인해 전체 출력 전류에서 리플 성분이 증가하게 되는 문제점이 있었다.
이러한 배경에서, 본 실시예의 목적은, 일 측면으로, 전력반도체의 스위칭 주파수를 조절하여 전체 출력에서 비트 주파수 성분을 개선하는 전력 변환 장치, 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예는, 인터리빙(Interleaving) 제어를 수행하는 전력 변환 장치에 있어서, 클럭신호를 발생시키는 신호발생기; 적어도 하나의 전력반도체 및 인덕터를 포함하고, 상기 클럭신호에 따라 주기적으로 상기 전력반도체를 제어하여 전력을 변환하는 전력 변환부; 및 상기 전력 변환부의 출력에서 상기 클럭신호보다 낮은 주파수를 가지는 비트주파수(Beat Frequency) 성분이 최소화되도록 상기 클럭신호의 주파수를 조절하는 주파수 제어부를 포함하는 비트 주파수를 개선하는 전력 변환 장치를 제공한다.
주파수 제어부는 상기 전력 변환부의 출력전압을 센싱하고, 상기 출력전압에서 상기 비트주파수 성분의 주파수 크기가 작아지도록 상기 클럭신호의 주파수를 조절할 수 있다.
주파수 제어부는 로우패스필터를 통해 상기 출력전압의 센싱값의 저주파 성분을 추출하고, 상기 저주파 성분에 대한 분석을 통해 상기 비트주파수를 확인할 수 있다.
주파수 제어부는 상기 전력 변환부의 출력전압을 센싱하고, 상기 출력전압에서 상기 비트주파수 성분의 피크값이 작아지도록 상기 클럭신호의 주파수를 조절할 수 있다.
신호발생기는 상기 클럭신호를 삼각파 또는 톱니파의 파형으로 발생시킬 수 있다.
다른 실시예는, 인터리빙(Interleaving) 제어를 수행하면서 출력단을 공유하는 복수의 전력 변환 장치를 포함하고, 상기 복수의 전력 변환 장치 중 일 전력 변환 장치는 상기 출력단에 형성되는 전력의 비트주파수(Beat Frequency) 성분이 최소화되도록 내장된 전력반도체의 스위칭 주파수를 조절하는 비트 주파수를 개선하는 전력 변환 시스템을 제공한다.
일 전력 변환 장치는 상기 스위칭주파수를 조절하는 시구간에서 다른 일 전력 변환 장치로 주파수 조절을 나타내는 신호를 송신할 수 있다.
일 전력 변환 장치 및 상기 다른 일 전력 변환 장치는 일 신호선에 연결되고, 상기 일 신호선에는 풀업 저항을 통해 구동 고전압이 공급되며, 상기 일 전력 변환 장치는 상기 일 신호선으로 구동 저전압을 공급하는 방법으로 상기 신호를 송신할 수 있다.
일 전력 변환 장치는 일정 시구간 중 랜덤으로 선택된 서브 시구간에서 상기 스위칭 주파수를 조절할 수 있다.
일정 시구간은 주기적으로 반복될 수 있다.
다른 실시예는, 인터리빙(Interleaving) 제어를 수행하는 전력 변환 장치를 제어하는 방법에 있어서, 내장된 전력반도체의 스위칭 주파수를 감소 또는 증가시키는 방향으로 조절하는 단계; 출력단에 형성되는 전압의 비트주파수(Beat Frequency) 성분을 모니터링하는 단계; 상기 스위칭 주파수의 변경에 따른 상기 비트주파수 성분의 증감을 판단하는 단계; 및 상기 비트주파수 성분이 감소하지 않는 경우, 상기 스위칭 주파수의 조절을 중단하는 단계를 포함하는 비트 주파수를 개선하는 방법을 제공한다.
비트주파수 성분의 증감을 판단하는 단계에서, 상기 비트주파수 성분의 피크값으로 상기 증감을 판단할 수 있다.
비트주파수 성분을 모니터링하는 단계 이전에, 상기 출력단에 형성되는 상기 전압을 로우패스필터로 필터링하는 단계를 더 포함하고, 상기 로우 패스 필터의 컷오프 주파수는 상기 스위칭 주파수보다 작게 설정될 수 있다.
다른 실시예는, 인터리빙(Ineterleaving) 제어를 수행하는 전력 변환 장치를 제어하는 방법에 있어서, 내장된 전력반도체의 스위칭 주파수를 감소 혹은 증가시키는 방향으로 조절하는 단계; 출력단에 형성되는 전압의 비트주파수(Beat Frequency) 성분을 모니터링하는 단계; 상기 스위칭 주파수의 변경에 따른 상기 비트주파수의 주파수 증감을 판단하는 단계; 및 상기 비트주파수가 감소하지 않는 경우, 상기 스위칭 주파수의 조절을 중단하는 단계를 포함하는 비트 주파수를 개선하는 방법을 제공한다.
스위칭 주파수의 조절을 중단하는 단계 이후에, 상기 스위칭 주파수를 감소 또는 증가시키는 방향으로 조절하는 단계를 반복하되, 감소 또는 증가시키는 방향을 변경하여 상기 스위칭 주파수를 조절할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 전력 변환 시스템을 구성하는 복수의 전력 변환 장치 중 어느 하나의 전력 변환 장치에서 전력반도체의 스위칭 주파수를 조절하여 전력 변환 시스템의 전체 출력에 포함된 비트 주파수 성분을 개선할 수 있기 때문에 전력 변환 장치의 부품 오차로 인해 전체 출력의 리플 성분이 증가하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 구성도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 구성도이다.
도 3은 일 실시예에서 전력 변환 시스템의 전체 출력 전류가 양호하게 출력되는 상황을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에서 전체 출력 전류의 비트 주파수 성분을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예에서 출력 전압의 비트 주파수 성분을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 8은 일 실시예에서 복수의 전력 변환 장치가 스위칭 주파수 조절을 중복으로 실시하는 것을 방지하는 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에서 전체 출력 전력의 비트 주파수를 개선하는 과정을 나타낸 순서도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 전력 변환 시스템(100)은 제 1 전력 변환 장치(111) 및 제 2 전력 변환 장치(112)를 포함한 복수의 전력 변환 장치를 포함할 수 있다.
여기서, 복수의 전력 변환 장치는 인터리빙 제어를 수행하면서 도 1과 같이 출력단(No)을 공유할 수 있다.
이러한, 복수의 전력 변환 장치 중 일 전력 변환 장치는 출력단(No)에 형성되는 전력의 비트 주파수(Beat Frequency) 성분이 최소화되도록 하기 위해 내장된 전력반도체의 스위칭 주파수를 조절할 수 있다. 여기서, 출력단(No)에 형성되는 전력은 복수의 전력 변환 장치 각각이 개별적으로 출력한 전력들이 출력단(No)에서 합성되어 형성된 전체 출력 전력일 수 있다.
다시 말해서, 출력단(No)에 형성되는 전체 출력 전력에 비트 주파수 성분이 포함된 경우, 복수의 전력 변환 장치 중 어느 하나의 전력 변환 장치는 내장된 전력반도체의 스위칭 주파수를 조절하여 전체 출력 전력의 비트 주파수 성분을 최소화할 수 있다. 여기서, 비트 주파수는 주파수가 근접한 두 개 이상의 파형을 합성했을 때에 두 개 이상의 주파수의 차로 진동하는 파형의 주파수를 의미할 수 있고, 비트 주파수 성분은 두 개 이상의 주파수의 차로 진동하는 파형의 성분을 의미할 수 있다.
이에 대한 자세한 설명은 복수의 전력 변환 장치에 포함된 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112)를 예로 들어 설명하도록 한다.
제 1 전력 변환 장치(111)는 제 1 전력원(121)으로부터 DC(Direct Current) 전력 또는 AC(Alternating Current) 전력을 입력받아서 DC 전력으로 변환하는 전력 컨버터일 수 있다. 여기서, 제 1 전력원(121)은 디젤 발전기, 에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage System)와 같은 분산형 전원일 수 있다.
이러한, 제 1 전력 변환 장치(111)는 제 1 개별 출력 전류(I1o)와 출력 전압(Vo)의 곱으로 산출되는 제 1 개별 출력 전력을 출력단(No)으로 출력한다.
제 2 전력 변환 장치(112)는 제 2 전력원(122)으로부터 DC 전력 또는 AC 전력을 입력받아서 DC 전력으로 변환하는 전력 컨버터일 수 있다. 여기서, 제 2 전력원(122)은 디젤 발전기, 에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage System)와 같은 분산형 전원일 수 있다.
이러한, 제 2 전력 변환 장치(112)는 제 2 개별 출력 전류(I2o)와 출력 전압(Vo)의 곱으로 산출되는 제 2 개별 출력 전력을 출력단(No)으로 출력한다. 여기서, 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112)는 출력단에 대하여 병렬로 연결되어 있기 때문에 출력 전압(Vo)이 동일하다.
위와 같은 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112)는 전력반도체를 포함한 전력단 내장할 수 있고, 제 1 전력원(121)과 제 2 전력원(122)으로부터 입력받은 전류를 전력반도체의 고속 스위칭 등을 통해 제 1 개별 출력 전류(I1o)와 제 2 개별 출력 전류(I2o)로 변환하고, 이를 출력단(No)으로 출력할 수 있다.
여기서, 제 1 개별 출력 전류(I1o)와 제 2 개별 출력 전류(I2o)에는 전력반도체의 고속 스위칭 등으로 인해 고주파의 리플 성분이 존재할 수 있다.
이에 대해, 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112)는 각 전력반도체의 교번 스위칭을 통해 제 1 개별 출력 전류(I1o)와 제 2 개별 출력 전류(I2o)의 위상차가 일정 기준(예를 들어, 180°)만큼 발생하도록 하는 인터리빙(Interleaving) 제어를 수행하여 출력단(No)에서 제 1 개별 출력 전류와 제 2 개별 출력 전류가 합성되었을 때에 제 1 개별 출력 전류(I1o)의 리플 성분과 제 2 개별 출력 전류(I2o)의 리플 성분이 상쇄될 수 있도록 한다.
여기서, 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112)의 스위칭 주기, 즉 전력반도체의 스위칭 주파수가 서로 동일한 경우에는 도 3과 같이 리플 성분이 포함된 제 1 개별 출력 전류(I1o)와 제 2 개별 출력 전류(I2o)의 파형 주기는 동일하고 위상차가 일정 기준에 부합, 즉 위상만 반대가 된다. 이러한 제 1 개별 출력 전류(I1o)와 제 2 개별 출력 전류(I2o)를 합성하면, 리플 성분이 최소화된 전체 출력 전류(Io)가 부하(130) 측으로 출력될 수 있다.
이에 반해 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112) 각각에 내장된 전력반도체의 스위칭 주파수가 동일하지 않으면, 제 1 개별 출력 전류(I1o)와 제 2 개별 출력 전류(I2o)의 파형 주기가 상이해져서, 도 4와 같이 제 1 개별 출력 전류(I1o, 점선 표시)와 제 2 개별 출력 전류(I2o, 실선 표시) 간의 위상차가 변화하게 된다. 이러한, 제 1 개별 출력 전류(I1o)와 제 2 개별 출력 전류(I2o)를 합성하면, 비트 주파수 성분을 가지는 전체 출력 전류(Io)가 부하(130) 측으로 출력된다.
여기서, 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112)는 스위칭 주파수 설정에 필요한 기본 설정값을 기저장할 수 있고, 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112) 중 어느 하나에서 기본 설정값을 출력하기 위한 부품에 오차가 존재하거나 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112) 모두에서 기본 설정값 출력을 위한 부품에 오차가 존재하되, 오차값이 서로 상이한 경우에 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112) 각각에 내장된 전력반도체의 스위칭 주파수가 상이해질 수 있다.
한편, 일 실시예에서 전체 출력 전류(Io)에 포함된 비트 주파수 성분은 도 4와 같이 제 1 개별 출력 전류(I1o)와 제 2 개별 출력 전류(I2o) 간의 위상차에 따라 그 성분이 증감하는 것을 알 수 있다.
다시 말해서 제 1 개별 출력 전류(I2o)와 제 2 개별 출력 전류(I2o) 간의 위상차가 일정 기준(예를 들어, 180°)에 근접했을 때에 비트 주파수 성분이 최소화되므로, 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112)가 제 1 개별 출력 전류(I2o)와 제 2 개별 출력 전류(I2o) 간의 위상차를 일정 기준(예를 들어, 180°)이 되도록 제어하면 전체 출력 전류(Io)의 비트 주파수 성분이 최소화 또는 제거될 수 있다.
한편, 일 실시예에서 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112)는 상호 간에 정보 송수신(예를 들어, 내장된 전력반도체의 스위칭 주파수 정보, 개별 출력 전류 정보 등)을 위한 통신 모듈이 내장되어 있지 않기 때문에 전력 변환 장치 상호 간에 통신을 수행할 수 없다. 다시 말해서, 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112)는 상대편이 내장한 전력반도체의 스위칭 주파수를 상호 간의 통신을 통해 확인할 수 없기 때문에 복수의 전력 변환 장치가 상호 간의 통신을 통해 각자 내장한 전력반도체의 스위칭 주파수를 동일하게 조절할 수 없다.
여기서, 복수의 전력 변환 장치는 출력단(No)의 출력 전압(Vo)을 공통적으로 확인할 수는 있다.
그리고 출력 전압(Vo)과 전체 출력 전류(Io)는 비례 관계이기 때문에 도 5와 같이 출력 전압(Vo)에 대한 파형에서도 전체 출력 전류(Io)와 동일한 비트 주파수 성분을 확인할 수 있다.
여기서, 비트 주파수 성분은 출력 전압(Vo)에 대한 파형(예를 들어, 도 5의 삼각파 형태)에서 비트 주파수 성분의 주파수(fb)를 포함할 수 있고, 파형의 상위값(Voh)과 하위값(Vol)의 평균(Voa)에서 골까지의 진폭(dV1) 및 파형의 평균(Voa)에서 마루까지의 진폭(dV2) 중 어느 하나인 비트 주파수 성분의 피크값(dV1 또는 dV2)을 포함할 수도 있다. 다시 말해서, 비트 주파수 성분은 비트 주파수 성분의 주파수(fb) 및 비트 주파수 성분의 피크값(dV1 또는 dV2)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서는 복수의 전력 변환 장치 중 일 전력 변환 장치인 제 1 전력 변환 장치(111)가 출력단(No)에 형성되는 출력 전압(Vo)의 비트 주파수 성분을 모니터링함과 아울러 제 1 전력 변환 장치(111)에 내장된 전력반도체의 스위칭 주파수를 감소 또는 증가시키는 방향으로 조절하여 비트 주파수 성분의 증감을 확인하고, 비트 주파수 성분이 감소하면 비트 주파수 성분이 최소화될 때까지 위의 조절 방향으로 스위칭 주파수의 조절을 지속할 수 있다.
여기서, 일 전력 변환 장치인 제 1 전력 변환 장치(111)는 출력 전압(Vo)의 비트 주파수 성분을 모니터링하기 전에, 내장된 로우패스필터를 통해 출력 전압(Vo)의 파형에서 전력반도체의 고속스위칭으로 인해 발생되는 고주파 성분을 제거, 즉 출력 전압 파형의 저주파 성분만을 추출하고, 저주파 성분에 대한 분석을 통해 도 5와 같은 비트 주파수 성분을 확인할 수 있다. 일 실시예에서 로우패스필터의 컷오프 주파수는 전력반도체의 스위칭 주파수보다 작게 설정될 수 있다.
한편, 제 1 전력 변환 장치(111)가 전력반도체의 스위칭 주파수를 감소 또는 증가시키는 방향으로 조절하여 비트 주파수 성분이 증가하거나 일정 수준을 유지하는 경우, 제 1 전력 변환 장치(111)는 스위칭 주파수의 조절을 중단할 수 있다.
그리고, 제 1 전력 변환 장치(111)는 위와 같은 스위칭 주파수의 조절 방향(예를 들어, 스위칭 주파수를 감소시키는 방향)과 반대 방향(예를 들어, 스위칭 주파수를 증가시키는 방향)으로 스위칭 주파수를 다시 조절하여 비트 주파수 성분의 증감을 다시 확인할 수 있다.
일 실시예에서는 제 1 전력 변환 장치(111)가 위와 같은 일 전력 변환 장치의 구성을 단독으로 실시하여야 한다. 다시 말해서, 제 1 전력 변환 장치(111)가 위와 같은 일 전력 변환 장치의 구성을 실시하고 있을 때, 복수의 전력 변환 장치에 포함된 다른 전력 변환 장치에서는 위와 같은 일 전력 변환 장치의 구성을 중복으로 실시해서는 안된다.
여기서, 일 실시예에서는 복수의 전력 변환 장치에 통신 모듈이 내장되어 있지 않기 때문에 전력 변환 장치들 간의 통신을 통해 제 1 전력 변환 장치(111)가 일 전력 변환 장치의 구성을 실시중인 것을 확인할 수 없다.
이를 위해 일 실시예에서는 아래와 같은 두가지 방식 중 어느 하나를 통해 복수의 전력 변환 장치가 위와 같은 일 전력 변환 장치의 구성을 중복으로 실시하는 것을 방지할 수 있다.
우선, 첫번째 방식으로는 도 6과 같이 복수의 전력 변환 장치는 풀업 저항(Ru)을 이용한 간단한 신호선(Dbus)을 이용하여 일 전력 변환 장치의 구성을 실시, 즉 전력반도체의 스위칭 주파수를 조절중인 전력 변환 장치가 있는 지를 상호 간에 확인할 수 있다.
다시 말해서, 전력반도체의 스위칭 주파수를 조절하는 일 전력 변환 장치인 제 1 전력 변환 장치(111)는 스위칭 주파수를 조절하는 시구간에서 제 2 전력 변환 장치(112)를 포함한 다른 전력 변환 장치들로 주파수 조절을 나타내는 간단한 신호를 송신할 수 있다.
여기서, 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112)는 도 6과 같이 신호선(Dbus)에 연결되고, 신호선(Dbus)에는 풀업 저항(Ru)을 통해 구동 고전압(VDD, 예를 들어 5V )이 공급될 수 있다.
제 1 전력 변환 장치(111)가 전력반도체의 스위칭 주파수를 조절하는 경우, 제 1 전력 변환 장치(111)는 신호선(Dbus)에 구동 저전압(Ss, 예를 들어 0V)을 신호선으로 공급하는 방식으로 상기 간단한 신호를 송신할 수 있다.
구체적으로, 복수의 전력 변환 장치, 즉 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112)는 도 7과 같이 일단이 접지에 연결된 스위치(711)와 신호 입력측(712)에 걸리는 전압을 감지하는 전압 감지부(713)를 내장할 수 있다.
제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112)가 전력 반도체의 스위칭 주파수를 조절하지 않는 시구간에서 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112)는 각각 내장한 스위치(711)를 개방(스위치 OFF)한다. 이러한 경우, 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112) 각각의 신호 입력측(712)에는 신호선(Dbus)으로부터 공급된 구동 고전압(VDD)이 걸리고, 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112)는 각각의 전압 감지부(713)를 통해 구동 고전압(VDD)이 신호 입력측(712)에 걸린 것을 확인할 수 있다.
위와 같이 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112), 즉 복수의 전력 변환 장치가 신호선(Dbus)으로부터 구동 고전압이 공급된 것을 확인한 경우, 복수의 전력 변환 장치는 전력반도체의 스위칭 주파수를 조절중인 전력 변환 장치가 없는 것으로 판단할 수 있다.
한편, 복수의 전력 변환 장치 중에서 제 1 전력 변환 장치(111)가 전력반도체의 스위칭 주파수를 조절하는 시구간에서 제 1 전력 변환 장치(111)는 스위치(711)와 신호 입력측(712)을 단락(스위치 ON)할 수 있다. 이러한 경우, 제 1 전력 변환 장치(111)는 신호선(Dbus)으로 구동 저전압(예를 들어, 0V)을 공급할 수 있고, 제 2 전력 변환 장치(112)를 포함한 다른 전력 변환 장치들은 각각의 전압 감지부(713)를 통해 구동 저전압이 신호 입력측(712)에 걸린 것을 확인할 수 있다.
위와 같이 일 전력 변환 장치인 제 1 전력 변환 장치(111)를 제외한 다른 전력 변환 장치들이 신호선(Dbus)으로부터 구동 저전압이 공급된 것을 확인한 경우, 다른 전력 변환 장치들은 일 전력 변환 장치에서 스위칭 주파수를 조절중인 것으로 판단할 수 있고, 구동 저전압이 신호 입력측(712)에 걸린 시구간에서는 전력반도체의 스위칭 주파수를 조절하지 않을 수 있다.
두번째 방식으로는 복수의 전력 변환 장치 각각이 스위칭 주파수를 조절하는 시구간을 랜덤하게 선택하는 것이다.
다시 말해서, 일 전력 변환 장치인 제 1 전력 변환 장치(111)는 일정 시구간 중 랜덤으로 선택한 서브 시구간에서 전력반도체의 스위칭 주파수를 조절할 수 있다. 그리고 제 1 전력 변환 장치(111)가 선택한 서브 시구간에서는 다른 전력 변환 장치들이 스위칭 주파수를 조절하지 않을 수 있다.
구체적으로, 제 1 전력 변환 장치(111)와 제 2 전력 변환 장치(112)를 포함한 복수의 전력 변환 장치는 도 8과 같이 주기적으로 반복되는 일정 시구간별(P1, P2...)로 서로 중복되지 않는 서브 시구간을 선택할 수 있고, 선택한 서브 시구간이 도래했을 때에 전력반도체의 스위칭 주파수를 조절할 수 있다.
예를 들어, 일정 시구간(P1)에서 제 1 전력 변환 장치(111)는 T11의 서브 시구간을 선택할 수 있고, 제 2 전력 변환 장치(112)는 T11과 중복되지 않는 T12의 서브 시구간을 선택할 수 있다. 그리고 제 3 전력 변환 장치는 T11 및 T12와 중복되지 않는 T13의 서브 시구간을 선택할 수 있다. 여기서, 각각의 전력 변환 장치에는 서로 중복되지 않은 서브 시구간을 선택하기 위한 프로그램이 설치될 수 있다.
이를 통해의 복수의 전력 변환 장치는 일정 시구간 내에서 서로 중복되지 않는 랜덤한 순서로 전력반도체의 스위칭 주파수를 조절할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 전력 변환 시스템(100)을 구성하는 복수의 전력 변환 장치 중 일 전력 변환 장치에서 전력반도체의 스위칭 주파수를 조절하여 전력 변환 시스템의 전체 출력에 포함된 비트 주파수 성분을 개선할 수 있기 때문에 전력 변환 장치의 부품 오차로 인해 전체 출력의 리플 성분이 증가하는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 대해서 설명하도록 한다.
도 2는 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 전력 변환 장치(110)는 전력 변환부(210), 신호 발생기(220) 및 스위칭 제어부(240)를 포함할 수 있다.이러한 전력 변환 장치(110)는 제 1 전력 변환 장치(111), 제 2 전력 변환 장치(112)를 포함한 복수의 전력 변환 장치 중 어느 하나일 수 있다.
전력 변환부(210)는 적어도 하나의 전력반도체 및 인덕터를 포함하고, 후술할 신호발생기(220)에서 발생한 클럭신호에 따라 주기적으로 전력반도체를 제어하여 전력을 변환한다.
다시 말해서, 전력 변환부(210)는 전력원으로부터 입력받은 DC 또는 AC 전류(Iji)를 변환하여 DC 전류인 개별 출력 전류(Ijo)를 출력한다.
이러한 전력 변환부(210)는 적어도 하나의 전력반도체 및 인덕터를 포함하는 전력단(211), 전력단(211)에서 출력한 출력 전압(Vo)과 기준 전압(Vjr)을 입력받아서 출력 전압(Vo)과 기준 전압(Vjr) 간의 전압차를 출력하는 비교기(212) 및 비교기(212)에서 출력한 전압차와 신호 발생기(220)에서 발생한 클럭신호를 이용하여 전력반도체의 스위칭 주파수를 설정하고, 스위칭 주파수에 따라 주기적으로 전력반도체의 스위칭을 제어하는 스위칭 제어부(213)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서 스위칭 제어부(213)에서 설정하는 스위칭 주파수는 신호발생기(220)에서 발생하는 클럭신호의 주파수에 따라 조절될 수 있다.
그리고, 클럭신호의 주파수는 주파수 제어부(230)에 의해서 조절될 수 있다.
구체적으로, 신호발생기(220)는 주파수 제어부(230)에서 설정한 주파수값(fr)에 따라 클럭신호를 발생할 수 있다. 여기서, 클럭신호의 파형은 삼각파 및 톱니파 중 어느 하나일 수 있다.
주파수 제어부(230)는 전력 변환 시스템(100)의 출력단(No) 측에서 형성되는 출력 전압(Vo)을 센싱할 수 있다.
이를 통해 주파수 제어부(230)는 출력 전압(Vo)의 비트 주파수 성분을 모니터링할 수 있고, 전력 변환부(210)의 출력에서 클럭신호보다 낮은 주파수를 가지는 비트 주파수 성분이 최소화되도록 클럭신호의 주파수를 조절할 수 있다. 여기서, 주파수 제어부(230)는 출력 전압(Vo)에서 비트 주파수 성분의 주파수(fb) 크기가 작아지도록 클럭신호의 주파수를 조절하거나, 비트 주파수 성분의 피크값(dv1 또는 dv2)이 작아지도록 클럭신호의 주파수를 조절할 수 있다.
다시 말해서, 주파수 제어부(230)는 신호발생기(220)에서 발생하는 클럭신호의 주파수에 해당하는 주파수값(fr)을 증가시키는 방향 또는 주파수값을 감소시키는 방향으로 조절하고, 이에 따른 비트 주파수 성분의 증감 여부를 확인할 수 있다.
비트 주파수 성분의 증감 여부를 확인한 결과, 비트 주파수 성분이 감소하면 주파수 제어부(230)는 비트 주파수 성분이 최소화될 때까지 위의 조절 방향으로 주파수값(fr)을 지속적으로 조절할 수 있다.
여기서, 주파수 제어부(230)는 로우패스필터를 포함할 수 있고, 로우패스필터를 통해 출력 전압(Vo)의 센싱값에서 저주파 성분을 추출하고, 저주파 성분에 대한 분석을 통해 비트 주파수 성분을 확인할 수 있다. 일 실시예에서 로우패스필터의 컷오프 주파수는 전력반도체의 스위칭 주파수보다 작게 설정될 수 있다.
한편, 주파수 제어부(230)가 주파수값(fr)을 감소 또는 증가시키는 방향으로 조절하여 비트 주파수 성분이 증가하거나 일정 수준을 유지하는 경우, 주파수 제어부(230)는 주파수값(fr)의 조절을 중단할 수 있다.
그리고, 주파수 제어부(230)는 위와 같은 주파수값(fr)의 조절 방향(예를 들어, 주파수값(fr)을 감소시키는 방향)과 반대 방향(예를 들어, 주파수값(fr)을 증가시키는 방향)으로 주파수값(fr)을 다시 조절하여 비트 주파수 성분의 증감을 다시 확인할 수 있다.
일 실시예에서 전력 변환 장치(110)는 도 7과 같은 스위치(711)와 전압 감지부(713)를 더 포함할 수 있고, 전압 감지부(713)에서 구동 고전압(예를 들어, 5V)을 감지한 경우에만, 주파수 제어부(230)에서 위와 같이 클럭신호의 주파수에 해당하는 주파수값(fr)을 조절하여 비트 주파수 성분을 최소화시킬 수 있다.
한편, 전압 감지부(713)에서 구동 저전압(예를 들어, 0V)을 감지한 경우, 주파수 제어부(230)는 위와 같은 주파수값(fr) 조절을 미실시할 수 있다.
위와 같이 주파수 제어부(230)에서 주파수값(fr) 조절을 통해 클럭신호의 주파수를 조절함에 따라 전력반도체의 스위칭 주파수도 클럭신호의 주파수와 같은 조절 방향으로 조절될 수 있다.
이하에서는 전력 변환 장치(110)에서 전체 출력 전력의 비트 주파수 성분을 개선하는 과정에 대해 설명하도록 한다.
도 9는 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에서 전체 출력 전력의 비트 주파수를 개선하는 과정을 나타낸 순서도이다.
도 9를 참조하면, 전력 변환 장치(110)는 기저장된 기본 설정값으로 클럭신호의 주파수값(fr)을 설정하고, 주파수값(fr)에 따라 클럭신호를 발생하며, 클럭신호에 따라 전력반도체의 스위칭 주파수를 초기 설정한다(S910).
이후, 전력 변환 장치(110)는 초기 설정한 스위칭 주파수에 따라 전력반도체를 스위칭하여 출력단(No)으로 출력 전압(Vo)을 가지는 전력을 출력함과 아울러 출력 전압(Vo)을 센싱할 수 있고, 출력 전압(Vo)에 비트 주파수 성분이 포함되어 있으면, 출력 전압(Vo)의 비트 주파수 성분을 감소시키기 위해 주파수값(fr)을 제1방향으로 변동시킨다(S920). 여기서, 제1방향은 주파수값(fr)이 감소하는 방향 및 주파수값(fr)이 증가하는 방향 중 어느 하나일 수 있다.
전력 변환 장치(110)는 주파수값(fr)을 제1방향으로 변동시키는 동안에 비트 주파수 성분을 모니터링할 수 있고, 제1방향의 주파수값(fr) 변경, 즉 스위칭 주파수의 변경에 따른 비트 주파수 성분의 증감 여부를 판단할 수 있다(S930).
상기 단계 S930에서 비트 주파수 성분이 감소하면, 전력 변환 장치(110)는 비트 주파수 성분이 최소화될 때까지 상기 단계 S920을 지속적으로 실시, 즉 제1방향으로 주파수값(fr)을 지속적으로 변동시킬 수 있다.
상기 단계 S930에서 비트 주파수 성분이 감소하지 않으면, 전력 변환 장치(110)는 주파수값을 제1방향으로 변동시키는 것을 중단할 수 있다.
그리고, 전력 변환 장치(110)는 제1방향과 반대 방향인 제2방향으로 주파수값(fr)을 다시 변동시켜서 비트 주파수 성분의 증감 여부를 다시 확인할 수 있다.
한편, 상기 단계 S930에서 전력 변환 장치(110)는 비트 주파수 성분의 피크값(도 5의 dv1 또는 dv2) 및 비트 주파수 성분의 주파수(도 5의 fb) 중 어느 하나의 증감 여부를 확인하여 비트 주파수 성분의 증감 여부를 판단할 수 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 제1전력반도체 및 제1인덕터를 포함하고, 제1클럭신호에 따라 상기 제1전력반도체를 제어하여 전력을 변환하는 제1전력변환장치; 및
    제2전력반도체 및 제2인덕터를 포함하고, 상기 제1전력변환장치와 출력단을 공유하며, 출력이 상기 제1전력변환장치의 출력과 인터리빙(Interleaving)되도록 위상이 형성되는 제2클럭신호에 따라 상기 제2전력반도체를 제어하여 전력을 변환하는 제2전력변환장치를 포함하고,
    상기 제1전력변환장치는 상기 출력단에 형성되는 출력전압을 센싱하고, 상기 출력전압에서 상기 제1클럭신호보다 낮은 주파수를 가지는 비트주파수(Beat Frequency) 성분이 최소화되도록 상기 제1클럭신호의 주파수를 조절하고,
    상기 제1전력변환장치는 로우패스필터를 통해 상기 출력전압의 센싱값의 저주파 성분을 추출하고, 상기 저주파 성분에 대한 분석을 통해 상기 비트주파수를 확인하는
    전력 변환 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1전력변환장치는 상기 출력전압에서 상기 비트주파수 성분의 피크값이 작아지도록 상기 제1클럭신호의 주파수를 조절하는 전력 변환 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1클럭신호 및 상기 제2클럭신호는 삼각파 또는 톱니파의 파형을 가지는 전력 변환 시스템.
  4. 제1전력반도체 및 제1인덕터를 포함하고, 상기 제1전력반도체를 제어하여 전력을 변환하는 제1전력변환장치; 및
    제2전력반도체 및 제2인덕터를 포함하고, 상기 제1전력변환장치와 출력단을 공유하며, 출력이 상기 제1전력변환장치의 출력과 인터리빙(Interleaving)되도록 상기 제2전력반도체를 제어하여 전력을 변환하는 제2전력변환장치를 포함하고,
    상기 제1전력변환장치는 상기 출력단에 형성되는 출력전압을 센싱하고, 상기 출력전압에서 비트주파수(Beat Frequency) 성분이 최소화되도록 상기 제1전력반도체에 대한 스위칭주파수(제1스위칭주파수)를 조절하고,
    상기 제1전력변환장치는 상기 제1스위칭주파수를 조절하는 시구간에서 상기 제2전력변환장치로 주파수 조절을 나타내는 신호를 송신하는
    전력변환시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1전력변환장치 및 상기 제2전력변환장치는 일 신호선에 연결되고, 상기 일 신호선에는 풀업 저항을 통해 구동 고전압이 공급되며, 상기 제1전력변환장치는 상기 일 신호선으로 구동 저전압을 공급하는 방법으로 상기 신호를 송신하는 전력변환시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1전력변환장치는 일정 시구간 중 랜덤으로 선택된 서브 시구간에서 상기 제1스위칭주파수를 조절하는 전력변환시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 일정 시구간은 주기적으로 반복되는 전력변환시스템.
  8. 출력단을 공유하고 출력이 인터리빙(Interleaving)되도록 제어하는 복수의 전력변환장치들 중 일 전력변환장치의 제어 방법에 있어서,
    내장된 전력반도체의 스위칭 주파수를 감소 또는 증가시키는 방향으로 조절하는 단계;
    출력단에 형성되는 전압의 비트주파수(Beat Frequency) 성분을 모니터링하는 단계;
    상기 스위칭 주파수의 변경에 따른 상기 비트주파수 성분의 증감을 판단하는 단계; 및
    상기 비트주파수 성분이 감소하지 않는 경우, 상기 스위칭 주파수의 조절을 중단하는 단계를 포함하고,
    상기 출력단에 형성되는 상기 전압을 로우패스필터로 필터링하는 단계를 더 포함하고,
    상기 로우 패스 필터의 컷오프 주파수는 상기 스위칭 주파수보다 작게 설정되는 제어 방법.
  9. 출력단을 공유하고 출력이 인터리빙(Interleaving)되도록 제어하는 복수의 전력변환장치들 중 일 전력변환장치의 제어 방법에 있어서,
    내장된 전력반도체의 스위칭 주파수를 감소 혹은 증가시키는 방향으로 조절하는 단계;
    출력단에 형성되는 전압의 비트주파수(Beat Frequency) 성분을 모니터링하는 단계;
    상기 스위칭 주파수의 변경에 따른 상기 비트주파수의 주파수 증감을 판단하는 단계; 및
    상기 비트주파수가 감소하지 않는 경우, 상기 스위칭 주파수의 조절을 중단하는 단계
    를 포함하는 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 스위칭 주파수의 조절을 중단하는 단계 이후에,
    상기 스위칭 주파수를 감소 또는 증가시키는 방향으로 조절하는 단계를 반복하되,
    감소 또는 증가시키는 방향을 변경하여 상기 스위칭 주파수를 조절하는 제어 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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