KR102482962B1 - 위상천이 풀브릿지 컨버터 - Google Patents

위상천이 풀브릿지 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터는 풀 브릿지를 구성하는 서로 상보적으로 도통하는 제1 상측 스위치와 제1 하측 스위치, 및 서로 상보적으로 도통하는 제2 상측 스위치와 제2 하측 스위치를 포함하고, 위상천이 동작하는 스위칭부, 상기 스위칭부의 동작에 따라 온오프되는 제1 정류 스위치 및 제2 정류 스위치를 포함하는 정류부, 상기 스위칭부로부터 입력되는 전압을 제1 레벨의 전압으로 상기 정류부로 출력하는 벅(buck) 모드로 동작하거나, 상기 정류부로부터 입력되는 전압을 제2 레벨의 전압으로 상기 스위칭부로 출력하는 부스트(boost) 모드로 동작하는 변압기, 상기 스위칭부의 입력단에 연결되는 변류기를 포함하고, 상기 변류기를 통해 상기 스위칭부의 입력단에 흐르는 전류를 센싱하는 센싱부, 및 상기 센싱부가 센싱한 상기 스위칭부의 입력단에 흐르는 전류에 따라 상기 스위칭부 또는 상기 정류부의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

위상천이 풀브릿지 컨버터{PSFB(Phase-Shift Full-Bridge) converter}
본 발명은 컨버터에 관한 것으로, 보다 구체적으로 벅 모드 또는 부스트 모드에서 자화 전류 밸런싱을 수행하는 컨버터에 관한 발명이다.
풀 브릿지 컨버터(Full-bridge converter)는 4 개의 스위칭소자를 상보적으로 스위칭하여 변압기를 통해 전압을 전달하는 컨버터이다. 위상 천이 풀 브릿지 컨버터는 위상 천이 제어방식으로 동작하는 풀 브릿지 컨버터로, 스위치의 위상을 제어하여, 스위칭 시간이 겹치도록 하여, 2 차측으로 흐르는 전류의 크기를 크게하는 컨버터이다. 이를 통해, 영전압 스위칭(Zero voltage switching)이 가능하다.
풀 브릿지 컨버터의 변압기에 직류 전류(DC current)가 과도하게 흐를 경우 변압기가 자화전류에 의해 포화(saturation)될 수 있다. 변압기의 포화를 방지하기 위한 DC blocking capacitor를 변압기와 직렬로 연결하여 직류 전류가 흐르는 것을 방지하고 있으나, 컨버터에 적용되는 전력 정격(Power rating)에 따라 DC blocking capacitor을 삽입하는데 제약이 있을 수 있다. 효율적인 자화 전류를 밸런싱하는 기술이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 벅 모드 또는 부스트 모드에서 자화 전류 밸런싱을 수행하는 컨버터를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터는 풀 브릿지를 구성하는 서로 상보적으로 도통하는 제1 상측 스위치와 제1 하측 스위치, 및 서로 상보적으로 도통하는 제2 상측 스위치와 제2 하측 스위치를 포함하고, 위상천이 동작하는 스위칭부; 상기 스위칭부의 동작에 따라 온오프되는 제1 정류 스위치 및 제2 정류 스위치를 포함하는 정류부; 상기 스위칭부로부터 입력되는 전압을 제1 레벨의 전압으로 상기 정류부로 출력하는 벅(buck) 모드로 동작하거나, 상기 정류부로부터 입력되는 전압을 제2 레벨의 전압으로 상기 스위칭부로 출력하는 부스트(boost) 모드로 동작하는 변압기; 상기 스위칭부의 입력단에 연결되는 변류기를 포함하고, 상기 변류기를 통해 상기 스위칭부의 입력단에 흐르는 전류를 센싱하는 센싱부; 및 상기 센싱부가 센싱한 상기 스위칭부의 입력단에 흐르는 전류에 따라 상기 스위칭부 또는 상기 정류부의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 센싱부는, 상기 스위칭부의 입력단에 연결되어, 상기 스위칭부의 입력단에 흐르는 전류를 제1 레벨의 전류로 출력하는 변류기; 상기 변류기 출력단의 제1단에 병렬로 연결되는 제1 다이오드, 상기 제1 정류 스위치 동작시 상기 변류기로부터 출력되는 전류에 따른 제1 전압을 센싱하는 제1 센싱부, 및 상기 제2 정류 스위치 동작시 상기 변류기로부터 출력되는 전류에 따른 제2 전압을 센싱하는 제2 센싱부; 상기 변류기 출력단의 제2단에 병렬로 연결되는 제2 다이오드, 상기 제1 상측 스위치 동작시 상기 변류기로부터 출력되는 전류에 따른 제3 전압을 센싱하는 제3 센싱부, 및 상기 제1 하측 스위치 동작시 상기 변류기로부터 출력되는 전류에 따른 제4 전압을 센싱하는 제4 센싱부; 및 상기 제1 다이오드, 상기 제2 다이오드, 및 상기 제1 센싱부 내지 상기 제4 센싱부와 연결되는 접지부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 센싱부는 제1 저항, 및 상기 제1 저항과 직렬로 연결되어 상기 제1 정류 스위치의 온오프에 따라 온오프되는 제1 센싱 스위치를 포함하고, 상기 제2 센싱부는 제2 저항, 및 상기 제2 저항과 직렬로 연결되어 상기 제2 정류 스위치의 온오프에 따라 온오프되는 제2 센싱 스위치를 포함하고, 상기 제3 센싱부는 제3 저항, 및 상기 제3 저항과 직렬로 연결되어 상기 제1 상측 스위치의 온오프에 따라 온오프되는 제3 센싱 스위치를 포함하고, 상기 제4 센싱부는 제4 저항, 및 상기 제4 저항과 직렬로 연결되어 상기 제1 하측 스위치의 온오프에 따라 온오프되는 제4 센싱 스위치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 전압의 크기와 상기 제2 전압의 크기가 다르거나 상기 제3 전압의 크기와 상기 제4 전압의 크기가 다른 경우, 상기 제1 전압의 크기와 상기 제2 전압의 크기가 같거나 상기 제3 전압의 크기와 상기 제4 전압의 크기가 같아지도록 상기 스위칭부 또는 상기 정류부의 동작을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 전압의 크기와 상기 제2 전압의 크기의 차이, 상기 제3 전압의 크기와 상기 제4 전압의 크기의 차이, 및 상기 제1 전압 및 상기 제3 전압을 합산한 전압과 상기 제2 전압 및 상기 제4 전압을 합산한 전압의 크기의 차이 중 어느 하나를 이용하여 상기 스위칭부에 포함된 스위치들의 온오프 시간을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 PI 제어를 통해, 상기 스위칭부에 포함된 스위치들의 온오프를 제어하여 상기 변압기로 전압이 입력되는 시간을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제1 전압 내지 상기 제4 전압을 필터링하는 필터링부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 필터링부는 OP-AMP를 포함할 수 있다.
또한, 상기 컨버터는 벅 모드 및 부스트 모드로 동작하는 양방향 컨버터일 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨버터는 복수의 스위치를 포함하는 스위칭부; 1차측 또는 2차측으로 입력받은 전압을 소정의 레벨의 전압으로 출력하는 변압기; 상기 변압기의 2차측에 연결되는 하나 이상의 정류 스위치를 포함하는 정류부; 상기 스위칭부의 입력단에 흐르는 제1 전류를 센싱하는 센싱부; 상기 제1 전류를 전압 신호로 변환하여 제어부로 출력하는 신호 변환부; 및 상기 신호 변환부로부터 수신한 전압 신호에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 실시간으로 자화전류 밸런싱을 수행하여 연속적으로 양방향(Buck-boost) 동작이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터에 대한 비교 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 예시 회로도이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 자화 전류 밸런싱 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨버터의 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합 또는 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, 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 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 '연결', '결합', 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위)" 또는 "하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, "상(위)" 또는 "하(아래)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라, 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위)" 또는 "하(아래)"로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터(100)는 스위칭부(110), 변압기(120), 정류부(130), 센싱부(140), 및 제어부(150)로 구성된다.
스위칭부(110)는 복수의 스위치를 포함한다. 풀 브릿지를 구성하는 서로 상보적으로 도통하는 제1 상측 스위치와 제1 하측 스위치, 및 서로 상보적으로 도통하는 제2 상측 스위치와 제2 하측 스위치를 포함하고, 위상천이 동작한다.
보다 구체적으로, 스위칭부(110)는 입력된 전원을 변압기(120)의 1차측에 연결되어 복수의 상측 스위치 및 복수의 하측 스위치로 구성되어 위상천이 동작한다. 제1 상측 스위치와 제1 하측 스위치, 제2 상측 스위치와 제2 하측 스위치는 각각 하프 브릿지를 형성하고, 두 개의 하프 브릿지 회로는 풀 브릿지를 형성할 수 있다. 스위칭부(110)는 피크 전류 모드(Peak Current Mode, PCM)로 제어될 수 있다.
위상 천이 동작하지 않는 경우, 제1 상측 스위치와 제2 하측 스위치가 함께 온오프되고, 제2 상측 스위치와 제1 하측 스위치가 함께 온오프되나, 위상 천이 제어를 통해, 제1 상측 스위치와 제2 상측 스위치가 함께 켜지거나, 제1 하측 스위치와 제2 하측 스위치가 함께 켜지는 구간을 만들어, 1차측 전류가 2차측으로 더 많이 넘어가도록 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터(100)는 위상천이 풀브릿지 컨버터일 수 있다.
변압기(120)는 스위칭부(110)로부터 입력되는 전압을 제1 레벨의 전압으로 정류부(130)로 출력하는 벅(buck) 모드로 동작하거나, 정류부(130)로부터 입력되는 전압을 제2 레벨의 전압으로 스위칭부(110)로 출력하는 부스트(boost) 모드로 동작한다.
보다 구체적으로, 변압기(120)는 1차측 코일 및 2차측 코일 중 일측의 코일은 스위칭부(110)와 연결되고, 타측의 코일은 정류부(130)와 연결된다. 변압기(120)는 스위칭부(110)로부터 입력되는 전압을 제1 레벨의 전압으로 정류부(130)로 출력하는 모드인 벅(buck) 모드로 동작하거나, 정류부(130)로부터 입력되는 전압을 제2 레벨의 전압으로 스위칭부(110)로 출력하는 모드인 부스트(boost) 모드로 동작한다. 벅 모드 및 부스트 모드로 동작하는 양“‡향(buck-boost) 모드로 동작할 수도 있다. 스위칭부(110)와 연결되는 입출력단에 고전압이 걸리고, 정류부(130)와 연결되는 입출력단에 저전압이 걸릴 수 있다. 반대로, 스위칭부(110)와 연결되는 입출력단에 저전압이 걸리고, 정류부(130)와 연결되는 입출력단에 고전압이 걸릴 수도 있다. 변압기(120)는 일방향으로 입력되는 전압을 입력받아 1차측 코일과 2차측 권선비에 따른 레벨의 전압으로 출력한다. 변압기(120)는 3차측 코일을 더 포함할 수 있다. 2차측과 3차측은 권선비가 다르거나 같을 수 있다.
정류부(130)는 스위칭부(110)의 동작에 따라 온오프되는 제1 정류 스위치 및 제2 정류 스위치를 포함한다.
보다 구체적으로, 정류부(130)는 벅 모드에서 스위칭부(110)로부터 입력되어 변압기(120)에서 출력되는 전압을 정류하여 부하로 전달하거나, 부스트 모드에서 변압기(120)로 전압을 입력하여 스위칭부(110)로 출력할 수 있다.
벅 모드에서 정류부(130)는 변압기(120) 2차측으로 출력되는 신호를 정류하여 부하로 전달한다. 복수의 정류부(130)는 MOSFET 스위치이거나 다른 종류의 스위칭 소자일 수 있다. 복수의 정류부(130)는 인덕터 및 캐패시터와 함께 변압기(120)의 출력을 정류하여 부하로 출력할 수 있다. 복수의 정류부(130)는 제1 정류 스위치 및 제2 정류 스위치를 포함할 수 있다. 제1 정류 스위치는 스위칭부(110)의 제1 하측 스위치 및 제2 상측 스위치와 동기화되어 온오프될 수 있고, 제2 정류 스위치는 스위칭부(110)의 제1 상측 스위치 및 제2 하측 스위치와 동기화되어 온오프될 수 있다. 제1 정류 스위치 및 제2 정류 스위치를 통해 흐르는 전류는 합쳐져 인덕터를 통해 부하로 전달될 수 있다. 이때, 부하측에는 인덕터와 정류 필터를 형성하는 출력 캐패시터가 연결될 수 있다.
센싱부(140)는 스위칭부(110)의 입력단에 연결되는 변류기를 포함하고, 상기 변류기를 통해 스위칭부의 입력단에 흐르는 전류를 센싱한다.
보다 구체적으로, 센싱부(140)는 스위칭부(110)의 입력단에 연결되는 변류기를 통해 스위칭부(110)의 입력단에 흐르는 전류를 센싱한다. 스위칭부(110)의 입력단에 흐르는 전류에는 자화 전류가 포함되는바, 스위칭부(110)의 입력단에 흐르는 전류를 센싱하여 자화 전류 밸런싱을 수행하는데 이용할 수 있다. 여기서, 스위칭부(110)의 입력단은 벅 모드에서 스위칭부(110)로 전류가 입력되는 입력단을 의미하며, 부스트 모드에서는 스위칭부(110)의 출력단이 된다. 이하, 편의상 벅 모드에서의 스위칭부(110)의 입력단으로 명칭하도록 한다.
기존 위상천이 풀 브릿지 컨버터는 도 2와 같이, 스위칭부(11), 변압기(12), 및 정류부(13)로 구성될 수 있다. 이때, 변압기(12)에 직류 전류(DC current)가 과도하게 흐를 경우 변압기(12)가 자화전류에 의해 포화(saturation)될 수 있다. 변압기(12)의 포화를 방지하기 위한 DC blocking capacitor(14)를 변압기(12)와 직렬로 연결하여 직류 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다. 하지만, 컨버터에 적용되는 전력 정격(Power rating)에 따라 DC blocking capacitor(14)가 비례하여 커져야 하는데, 커패시터의 스펙에 따라 DC blocking capacitor(14)를 삽입하는데 비용이나 공간적인 제약이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터는 DC blocking capacitor(14)가 아닌 센싱부(140)를 이용하여 자화 전류를 밸런싱함으로써 변압기(120)가 포화되는 것을 방지한다. 센싱부(140)는 스위칭부(110)의 입력단에 연결되어, 상기 스위칭부의 입력단에 흐르는 전류를 제1 레벨의 전류로 출력하는 변류기, 상기 변류기 출력단의 제1단에 병렬로 연결되는 제1 다이오드, 상기 제1 정류 스위치 동작시 상기 변류기로부터 출력되는 전류에 따른 제1 전압을 센싱하는 제1 센싱부, 및 상기 제2 정류 스위치 동작시 상기 변류기로부터 출력되는 전류에 따른 제2 전압을 센싱하는 제2 센싱부, 상기 변류기 출력단의 제2단에 병렬로 연결되는 제2 다이오드, 상기 제1 상측 스위치 동작시 상기 변류기로부터 출력되는 전류에 따른 제3 전압을 센싱하는 제3 센싱부, 및 상기 제1 하측 스위치 동작시 상기 변류기로부터 출력되는 전류에 따른 제4 전압을 센싱하는 제4 센싱부, 및 상기 제1 다이오드, 상기 제2 다이오드, 및 상기 제1 센싱부 내지 상기 제4 센싱부와 연결되는 접지부를 포함할 수 있다.
도 3과 같이, 센싱부(140)는 변류기(141)로 스위칭부(110)의 입력단에 흐르는 전류를 센싱한다. 스위칭부(110)의 입력단에 흐르는 전류에 포함된 자화 전류를 센싱하기 위하여, 센싱부(140)는 하나 이상의 다이오드, 하나 이상의 저항, 하나 이상의 스위치, 및 그라운드를 이용할 수 있다. 센싱부(140)는 벅 모드, 부스트 모드, 양방향 모드에서 자화 전류를 센싱할 수 있다. 벅 모드에서는 서로 상보적으로 도통하는 스위칭부(110)의 제1 상측 스위치와 제1 하측 스위치의 동작에 따른 전류를 이용하여 자화전류를 센싱하고, 부스트 모드에서는 정류부(130)의 제1 정류 스위치와 제2 정류 스위치의 동작에 따른 전류를 이용하여 자화전류를 센싱할 수 있다. 부스트 모드에서 제1 정류 스위치가 동작시 스위칭부(110)의 입력단에 흐르는 전류를 센싱하기 위한 제1 센싱부 및 제2 정류 스위치가 동작시 스위칭부(110)의 입력단에 흐르는 전류를 센싱하기 위한 제2 센싱부를 변류기 2차측의 일단인 - 단자와 병렬로 연결할 수 있다. 벅 모드에서 제1 상측 스위치가 동작시 스위칭부(110)의 입력단에 흐르는 전류를 센싱하기 위한 제3 센싱부 및 제1 하측 스위치가 동작시 스위칭부(110)의 입력단에 흐르는 전류를 센싱하기 위한 제4 센싱부를 변류기 2차측의 타단인 + 단자와 병렬로 연결할 수 있다. 벅 모드와 부스트 모드에서 전류의 흐름이 바뀜으로 인해 서로 영향을 미치지 않도록 제1 다이오드를 제1 센싱부 및 제2 센싱부와 병렬로 연결하고, 제2 다이오드를 제3 센싱부 및 제4 센싱부와 병렬로 연결할 수 있다. 접지부는 상기 제1 다이오드, 상기 제2 다이오드, 및 상기 제1 센싱부 내지 상기 제4 센싱부와 연결될 수 있다. 여기서, 제1 다이오드 및 제2 다이오드는 애노드가 그라운드에 연결되고, 캐소드가 변류기의 2차측 단자와 연결되어, 양방향 전류의 흐름과 무관하게 센싱 값의 전압 극성이 항상 양이 되도록 할 수 있다. 이를 통해, 전압 극성을 반전시키기 위한 회로 및 음의 내부전원이 필요하지 않아, 회로의 복잡성을 낮출 수 있다.
상기 제1 센싱부는 제1 저항, 및 상기 제1 저항과 직렬로 연결되어 상기 제1 정류 스위치의 온오프에 따라 온오프되는 제1 센싱 스위치를 포함하고, 상기 제2 센싱부는 제2 저항, 및 상기 제2 저항과 직렬로 연결되어 상기 제2 정류 스위치의 온오프에 따라 온오프되는 제2 센싱 스위치를 포함하고, 상기 제3 센싱부는 제3 저항, 및 상기 제3 저항과 직렬로 연결되어 상기 제1 상측 스위치의 온오프에 따라 온오프되는 제3 센싱 스위치를 포함하고, 상기 제4 센싱부는 제4 저항, 및 상기 제4 저항과 직렬로 연결되어 상기 제1 하측 스위치의 온오프에 따라 온오프되는 제4 센싱 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터(100)는 도 3과 같이, 구현될 수 있다. 스위칭부(110)는 제1 상측 스위치(Q1), 제1 하측 스위치(Q2), 제2 상측 스위치(Q3), 제2 하측 스위치(Q4)로 풀 브릿지 회로를 구성하고, 정류부(130)는 제1 정류 스위치(Q5), 제2 정류 스위치(Q6)로 구성될 수 있다. 센싱부(140)는 변류부(141), 변류부(141)의 - 단자와 병렬로 연결되는 제1 다이오드(D1), 하나의 저항(제1 저항)과 직렬로 연결되는 제1 센싱 스위치(Q7), 하나의 저항(제2 저항)과 직렬로 연결되는 제2 센싱 스위치(Q8)를 포함하고, 변류부(141)의 + 단자와 병렬로 연결되는 제2 다이오드(D2), 하나의 저항(제3 저항)과 직렬로 연결되는 제3 센싱 스위치(Q9), 하나의 저항(제4 저항)과 직렬로 연결되는 제4 센싱 스위치(Q10)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 제1 센싱 스위치(Q7)는 제1 정류 스위치(Q5)의 스위칭 신호인 SW(E)에 대응되는 스위칭 신호로 동작하고, 제2 센싱 스위치(Q8)는 제2 정류 스위치(Q6)의 스위칭 신호인 SW(F)에 대응되는 스위칭 신호로 동작하고, 제3 센싱 스위치(Q9)는 제1 상측 스위치(Q1)의 스위칭 신호인 SW(A)에 대응되는 스위칭 신호로 동작하고, 제4 센싱 스위치(Q10)는 제1 하측 스위치(Q2)의 스위칭 신호인 SW(B)에 대응되는 스위칭 신호로 동작할 수 있다. 이를 통해, 제1 정류 스위치(Q5), 제2 정류 스위치(Q6), 제1 상측 스위치(Q1), 제1 하측 스위치(Q2) 동작에 따라 스위칭부(110)의 입력단에 흐르는 전류 (IIN)을 센싱할 수 있다.
제1 센싱부 내지 제4 센싱부의 각 저항을 통해 전압을 센싱함으로써 각 동작 상태에서 스위칭부(110)의 입력단에 흐르는 전류를 전압 신호로 변환할 수 있다. 즉, 제1 센싱부는 제1 정류 스위치(Q5) 동작시 전압 신호인 제1 전압(VRE)를 센싱하고, 제2 센싱부는 제2 정류 스위치(Q6) 동작시 전압 신호인 제2 전압(VRF)를 센싱하고, 제3 센싱부는 제1 상측 스위치(Q1) 동작시 전압 신호인 제3 전압(VRAD)를 센싱하고, 제4 센싱부는 제1 하측 스위치(Q2) 동작시 전압 신호인 제4 전압(VRBC)를 센싱할 수 있다.
제어부(150)는 센싱부(140)가 센싱한 스위칭부(110)의 입력단에 흐르는 전류에 따라 스위칭부(110) 또는 정류부(130)의 동작을 제어한다.
보다 구체적으로, 센싱부(140)가 센싱한 스위칭부(110)의 입력단에 흐르는 전류로부터 자화 전류가 밸러스되지 않는 것으로 판단되는 경우, 제어부(150)는 스위칭부(110) 또는 정류부(130)의 스위칭 동작을 제어한다. 제어부(150)는 스위칭부(110) 또는 정류부(130)의 스위칭 동작을 제어하여 변압기(120)로 인가되는 시간을 제어함으로써 자화 전류를 밸런싱할 수 있다.
제어부(150)는 상기 제1 전압의 크기와 상기 제2 전압의 크기가 다르거나 제3 전압의 크기와 상기 제4 전압의 크기가 다른 경우, 상기 제1 전압의 크기와 상기 제2 전압의 크기가 같거나 상기 제3 전압의 크기와 상기 제4 전압의 크기가 같아지도록 스위칭부(110) 또는 정류부(130)의 동작을 제어할 수 있다. 또는, 제어부(150)는 상기 제1 전압의 크기와 상기 제2 전압의 크기의 차이, 상기 제3 전압의 크기와 상기 제4 전압의 크기의 차이, 및 상기 제1 전압 및 상기 제3 전압을 합산한 전압과 상기 제2 전압 및 상기 제4 전압을 합산한 전압의 크기의 차이 중 어느 하나를 이용하여 상기 스위칭부에 포함된 스위치들의 온오프 시간을 제어할 수 있다.
벅 모드에서는 도 4와 같이, 스위칭부(110)의 스위치 Q1, Q2 및 정류부(130)의 스위치 Q5, Q6의 온/오프 신호에 동기하여 센싱부(140)의 센싱 스위치 Q7, Q8, Q9, Q10를 동작시켜 스위칭부(110)의 입력단에 흐르는 전류를 센싱한다. 도 4와 같이, SW(A) 및 SW(D)가 동시에 온인 TAD 동안, 변압기의 전압 VTrans에 양의 전압이 입력되고, SW(A) 및 SW(D)가 동시에 오프, 즉 SW(B) 및 SW(C)가 동시에 온인 TBC 동안, 변압기의 전압 VTrans에 음의 전압이 입력된다. 변압기에 전압이 입력되면, 그에 따라 IIN이 증가한다. IIN이 증가할 때, 자화 전류인 Im이 발생함으로 인해, TAD 에서의 IIN과 TBC 에서의 IIN은 차이(420)가 발생한다. 이로 인한 차이는 센싱부(140)의 변류기의 2차측 전압인 VCT에 반영되고, 제3 센싱부에서 센싱되는 제3 전압(VRAD)과 제4 센싱부에서 센싱되는 제4 전압(VRBC)의 전압 차(430)가 발생한다. 즉, 변압기(120)의 자화 전류(Im)이 밸런스되지 않으면, 제3 전압(VRAD)과 제4 전압(VRBC)의 전압 차가 발생하고, 제3 전압(VRAD)과 제4 전압(VRBC)을 비교함으로써 자화 전류가 밸런스되는지를 알 수 있다.
부스트 모드에서는 도 5와 같이, 스위칭부(110)의 스위치 Q1, Q2 및 정류부(130)의 스위치 Q5, Q6의 온/오프 신호에 동기하여 센싱부(140)의 센싱 스위치 Q7, Q8, Q9, Q10를 동작시켜 스위칭부(110)의 입력단에 흐르는 전류를 센싱한다. 도 5와 같이, SW(A) 및 SW(D)가 동시에 온인 TAD 동안, 변압기의 전압 VTrans에 양의 전압이 출력되고, SW(A) 및 SW(D)가 동시에 오프, 즉 SW(B) 및 SW(C)가 동시에 온인 TBC 동안, 변압기의 전압 VTrans에 음의 전압이 출력된다. 변압기로부터 스위칭부(110) 방향으로 전압이 출력되면, 벅 모드와 IIN의 흐르는 방향이 반대인바, IIN인 음의 값을 가진다. IIN이 생성될 때, 자화 전류인 Im이 발생함으로 인해, TAD 에서의 IIN과 TBC 에서의 IIN은 차이(520)가 발생한다. 이로 인한 차이는 센싱부(140)의 변류기의 2차측 전압인 VCT에 반영되고, 제1 센싱부에서 센싱되는 제1 전압(VRE)과 제2 센싱부에서 센싱되는 제2 전압(VRF)의 전압 차(530)가 발생한다. 즉, 변압기(120)의 자화 전류(Im)이 밸런스되지 않으면, 제1 전압(VRE)과 제2 전압(VRF)의 전압 차가 발생하고, 제1 전압(VRE)과 제2 전압(VRF)을 비교함으로써 자화 전류가 밸런스되는지를 알 수 있다.
제어부(150)는 제3 전압(VRAD)과 제4 전압(VRBC)의 전압 차가 0이 되거나 제1 전압(VRE)과 제2 전압(VRF)의 전압 차가 0이 되도록 스위칭부(110) 또는 정류부(130)의 스위치들의 온오프 시간을 조정하여 변압기의 자화 전류 Im의 평균값이 0이 되도록 제어한다.
센싱부(140)에서 센싱한 제1 전압 내지 제4 전압을 제어부(150)로 입력할 때, 상기 제1 전압 내지 상기 제4 전압을 필터링하는 필터링부를 포함할 수 있다. 필터링부는 제1 전압 내지 제4 전압의 노이즈를 제거하고 증폭하는 역할을 할 수 있다. 필터링부는 도 6과 같이, OP-AMP를 포함할 수 있다. 필터링부를 통해 노이즈가 제거된 제1 전압 내지 제4 전압은 Digital IC 인 제어부(150)로 입력되거나, 센싱회로를 통해 제어부(150)로 입력될 수 있다.
제어부(150)는 PI 제어를 통해, 스위칭부(110)에 포함된 스위치들의 온오프를 제어하여 변압기(120)로 전압이 입력되는 시간을 제어할 수 있다. 제어부(150)는 벅 모드에서 도 7(A)와 같이, 필터링된 상기 제1 전압의 크기와 상기 제2 전압의 크기의 차이를 이용하여 PI 제어를 통해 Duration(Dm)을 생성하고, 이로부터 스위치 온오프 시간(tm)을 생성하여 스위칭부(110)의 스위치들의 온오프를 제어할 수 있다. 부스트 모드에서는 도 7(B)와 같이, 필터링된 상기 제3 전압의 크기와 상기 제4 전압의 크기의 차이를 이용하여 PI 제어를 통해 Duration(Dm)을 생성하고, 이로부터 스위치 온오프 시간(tm)을 생성하여 스위칭부(110)의 스위치들의 온오프를 제어할 수 있다. 양방향 모드(벅-부스트 모드)에서는 도 7(C)와 같이, 필터링된 상기 제1 전압 및 상기 제3 전압을 합산한 전압과 상기 제2 전압 및 상기 제4 전압을 합산한 전압의 크기의 차이를 이용하여 PI 제어를 통해 Duration(Dm)을 생성하고, 이로부터 스위치 온오프 시간(tm)을 생성하여 스위칭부(110)의 스위치들의 온오프를 제어할 수 있다.
이를 통해 제어부(150)는 자화 전류 밸런싱을 수행할 수 있다. 제어부(150)는 실시간으로 자화 전류 밸런싱을 수행함으로써 제품의 정지 없이 연속적으로 양방향 동작이 가능하도록 컨버터를 제어할 수 있다. 제어부(150)는 스위치들의 온오프 시간을 제어함과 동시에 변압기에 입력되는 전압을 제어할 수도 있다. 변압기에 입력되는 전압의 제어는 Main MCU와 같은 외부 제어기를 통해 수행될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터(100)의 자화 전류 밸런싱을 시뮬레이션한 결과이다. 벅 모드 동작에서자화 전류 밸런싱을 수행하지 않은 0.02 s 전에는 변압기에 자화 전류 언밸러스가 발생하였고, 0.02 s 이후 자화 전류 밸런싱을 적용하여 자화 전류 밸런싱을 수행하였고, 일정 시간 이후, 자화 전류의 평균 값이 0이 되어 자화 전류가 밸런스되는 것을 알 수 있다. 양방향 모드에서의 자화 전류 밸런스를 확인하기 위하여, 부스트 모드로 동작하도록 0.03 s에서 Vout 전압을 높여 0.035 s에서 벅 모드에서 부스트 모드로 변경하였고, 부스트 모드에서도 자화 전류가 밸런스를 유지하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터는 양방향 모드에서 모드가 변경되어도 제품의 정지 없이 연속적으로 양방향 동작이 가능하다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨버터의 블록도이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨버터(200)에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 8의 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 구성에 대응되는바, 이하, 중복되는 설명은 간략하게 설명하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 컨버터(200)는 스위칭부(110), 변압기(120), 정류부(130), 센싱부(140), 신호 변환부(160), 및 제어부(150)로 구성된다. 스위칭부(110)는 복수의 스위치를 포함하고, 변압기(120)는 1차측 또는 2차측으로 입력받은 전압을 소정의 레벨의 전압으로 출력하고, 정류부(130)는 변압기(120)의 2차측에 연결되는 하나 이상의 정류 스위치를 포함한다. 센싱부(140)는 스위칭부(110)의 입력단에 흐르는 제1 전류를 센싱하고, 신호 변환부(160)는 상기 제1 전류를 전압 신호로 변환하여 제어부(150)로 출력하고, 제어부(150)는 신호 변환부(160)로부터 수신한 전압 신호에 따라 스위칭부(110)를 제어한다. 센싱부(140)는 변류기를 통해 스위칭부(110)의 입력단에 흐르는 제1 전류를 센싱할 수 있고, 신호 변환부(160)는 저항을 통해 전류를 전압 신호로 변환할 수 있고, 신호 변환부(160)는 OP-AMP를 포함하는 필터링부를 통해 제어부(150)로 전압 신호를 출력할 수 있다. 제어부(150)는 자화 전류가 발생시 차이가 발생하는 전압의 차가 0이 되도록 스위칭부(110)의 스위치들의 온오프 시간을 제어함으로써 자화 전류를 밸런싱할 수 있다.
본 실시 예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200, 300: 컨버터
110: 스위칭부
120: 변압기
130: 정류부
140: 센싱부
150: 제어부

Claims (11)

  1. 풀 브릿지를 구성하는 서로 상보적으로 도통하는 제1 상측 스위치와 제1 하측 스위치, 및 서로 상보적으로 도통하는 제2 상측 스위치와 제2 하측 스위치를 포함하고, 위상천이 동작하는 스위칭부;
    상기 스위칭부의 동작에 따라 온오프되는 제1 정류 스위치 및 제2 정류 스위치를 포함하는 정류부;
    상기 스위칭부로부터 입력되는 전압을 제1 레벨의 전압으로 상기 정류부로 출력하는 벅(buck) 모드로 동작하거나, 상기 정류부로부터 입력되는 전압을 제2 레벨의 전압으로 상기 스위칭부로 출력하는 부스트(boost) 모드로 동작하는 변압기;
    상기 스위칭부의 입력단에 연결되는 변류기를 포함하고, 상기 변류기를 통해 상기 스위칭부의 입력단에 흐르는 전류를 센싱하는 센싱부; 및
    상기 센싱부가 센싱한 상기 스위칭부의 입력단에 흐르는 전류에 따라 상기 스위칭부 또는 상기 정류부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 센싱부는,
    상기 변류기 출력단의 제1단에 병렬로 연결되는 제1 다이오드, 상기 제1 정류 스위치 동작시 상기 변류기로부터 출력되는 전류에 따른 제1 전압을 센싱하는 제1 센싱부, 및 상기 제2 정류 스위치 동작시 상기 변류기로부터 출력되는 전류에 따른 제2 전압을 센싱하는 제2 센싱부; 및
    상기 변류기 출력단의 제2단에 병렬로 연결되는 제2 다이오드, 상기 제1 상측 스위치 동작시 상기 변류기로부터 출력되는 전류에 따른 제3 전압을 센싱하는 제3 센싱부, 및 상기 제1 하측 스위치 동작시 상기 변류기로부터 출력되는 전류에 따른 제4 전압을 센싱하는 제4 센싱부를 포함하는 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센싱부는,
    상기 제1 다이오드, 상기 제2 다이오드, 및 상기 제1 센싱부 내지 상기 제4 센싱부와 연결되는 접지부를 포함하는 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 센싱부는 제1 저항, 및 상기 제1 저항과 직렬로 연결되어 상기 제1 정류 스위치의 온오프에 따라 온오프되는 제1 센싱 스위치를 포함하고,
    상기 제2 센싱부는 제2 저항, 및 상기 제2 저항과 직렬로 연결되어 상기 제2 정류 스위치의 온오프에 따라 온오프되는 제2 센싱 스위치를 포함하고,
    상기 제3 센싱부는 제3 저항, 및 상기 제3 저항과 직렬로 연결되어 상기 제1 상측 스위치의 온오프에 따라 온오프되는 제3 센싱 스위치를 포함하고,
    상기 제4 센싱부는 제4 저항, 및 상기 제4 저항과 직렬로 연결되어 상기 제1 하측 스위치의 온오프에 따라 온오프되는 제4 센싱 스위치를 포함하는 컨버터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전압의 크기와 상기 제2 전압의 크기가 다르거나 상기 제3 전압의 크기와 상기 제4 전압의 크기가 다른 경우, 상기 제1 전압의 크기와 상기 제2 전압의 크기가 같거나 상기 제3 전압의 크기와 상기 제4 전압의 크기가 같아지도록 상기 스위칭부 또는 상기 정류부의 동작을 제어하는 컨버터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전압의 크기와 상기 제2 전압의 크기의 차이, 상기 제3 전압의 크기와 상기 제4 전압의 크기의 차이, 및 상기 제1 전압 및 상기 제3 전압을 합산한 전압과 상기 제2 전압 및 상기 제4 전압을 합산한 전압의 크기의 차이 중 어느 하나를 이용하여 상기 스위칭부에 포함된 스위치들의 온오프 시간을 제어하는 컨버터.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 PI 제어를 통해, 상기 스위칭부에 포함된 스위치들의 온오프를 제어하여 상기 변압기로 전압이 입력되는 시간을 제어하는 컨버터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전압 내지 상기 제4 전압을 필터링하는 필터링부를 포함하는 컨버터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 필터링부는 OP-AMP를 포함하는 컨버터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는 벅 모드 및 부스트 모드로 동작하는 양방향 컨버터인 컨버터.
  10. 복수의 스위치를 포함하는 스위칭부;
    1차측 또는 2차측으로 입력받은 전압을 소정의 레벨의 전압으로 출력하는 변압기;
    상기 변압기의 2차측에 연결되는 하나 이상의 정류 스위치를 포함하는 정류부;
    상기 스위칭부의 입력단에 흐르는 제1 전류를 센싱하는 센싱부;
    상기 제1 전류를 전압 신호로 변환하여 제어부로 출력하는 신호 변환부; 및
    상기 신호 변환부로부터 수신한 전압 신호에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 신호 변환부는,
    상기 정류 스위치 동작시 상기 제1 전류를 제1 전압 신호로 변환하는 제1 신호 변환부; 및
    상기 스위칭부의 복수의 스위치 중 적어도 하나가 동작시 상기 제1 전류를 제2 전압 신호로 변환하는 제2 신호 변환부를 포함하는 컨버터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 스위칭부는 서로 상보적으로 도통하는 제1 상측 스위치와 제1 하측 스위치를 포함하고,
    상기 정류부는 상기 스위칭부의 동작에 따라 온오프되는 제1 정류 스위치 및 제2 정류 스위치를 포함하고,
    상기 제1 신호 변환부는,
    상기 제1 정류 스위치 동작시 상기 제1 전류를 제1-1 전압 신호로 변환하는 제1-1 신호 변환부, 및 상기 제2 정류 스위치 동작시 상기 제1 전류를 제1-2 전압 신호로 변환하는 제1-2 신호 변환부를 포함하고,
    상기 제2 신호 변환부는,
    상기 제1 상측 스위치 동작시 상기 제1 전류를 제2-1 전압 신호로 변환하는 제2-1 신호 변환부, 및 상기 제1 하측 스위치 동작시 상기 제1 전류를 제2-2 전압 신호로 변환하는 제2-2 신호 변환부를 포함하는 컨버터.
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Design of a Digital Offset Compensator Eliminating Transformer Magnetizing Current Offset of a Phase-Shift Full-Bridge Converter(2011.03.31.)*
Hybrid Current-Mode Control of PSFB Converter to Compensate Slew Interval and Prevent Magnetic Saturation of Transformers(2020.08.28.)*

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