KR102535773B1 - 플라이백 컨버터와 이를 포함하는 전력 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예에 따라서 전력 시스템이 제공된다. 상기 전력 시스템은 제1 전원으로부터 수신된 제1 전력을 제2 전력으로 변환하여 출력하는 전력변환장치, 상기 전력변환장치를 제어하는 제1 컨트롤러, 상기 제1 컨트롤러에 구동 전력 및 변조 신호를 출력하는 플라이백 컨버터 회로, 및 PWM 신호 및 데이터 신호를 상기 플라이백 컨버터 회로에 출력하는 제2 컨트롤러를 포함한다. 상기 플라이백 컨버터 회로는 상호 결합된 1차 코일과 2차 코일을 갖는 변압기, 제1 및 제2 입력 전압 단자들 사이에서 상기 1차 코일과 직렬로 연결되고, 소스와 드레인 사이에 출력 커패시턴스를 갖고, 상기 PWM 신호에 의해 제어되는 FET 스위치, 상기 구동 전력을 출력하는 제1 및 제2 출력 전압 단자들 사이에 연결되는 출력 커패시터, 상기 2차 코일과 상기 출력 커패시터 사이에 직렬로 연결되는 다이오드, 상기 데이터 신호에 의해 제어되는 변조 스위치를 통해 상기 FET 스위치의 상기 소스와 상기 드레인 사이에 연결되는 변조 커패시터, 및 상기 변조 신호를 출력하는 상기 2차 코일과 상기 다이오드 사이의 변조 신호 출력 단자를 포함한다.

Description

플라이백 컨버터와 이를 포함하는 전력 시스템{Flyback converter and power system including the same}
본 발명은 플라이백 컨버터 및 이를 포함하는 전력 시스템에 관한 것으로서, 구동 전원과 전력 상태 정보를 함께 전달하는 플라이백 컨버터, 및 전력변환장치와 이를 제어하기 위해 전력 상태 정보를 수신하는 컨트롤러를 포함하는 전력 시스템에 관한 것이다.
입력되는 전력과 다른 전력을 사용하는 전기 부하를 구동하기 위해 전력변환장치가 사용된다. 전력변환장치는 입력되는 1차측 전력을 2차측 전력으로 변환하여 전기 부하에 출력하는 장치이다.
전력변환장치에는 1차측 교류 전압을 2차측 직류 전압으로 변환하는 AC-DC 컨버터, 1차측 직류 전압을 2차측 직류 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터, 1차측 직류 전압을 2차측 교류 전압으로 변환하는 DC-AC 인버터, 및 1차측 교류 전압을 2차측 교류 전압으로 변환하는 AC-AC 인버터가 있다.
한편, 전력시스템은 전력변환장치, 전력변환장치를 구동하는 게이트 드라이버, 게이트 드라이버를 제어하는 PWM 컨트롤러 및 보조 전원(Auxiliary Power Supply)을 포함할 수 있다. 보조 전원은 5W 내지 50W의 직류 전력을 생성하여 게이트 드라이버, PWM 컨트롤러 및 통신 회로 등에 전원을 공급한다.
고성능, 고안전성이 요구되는 전력변환장치에서 1차측 전원 품질과 상태는 매우 중요하다. PWM 컨트롤러는 1차측 전력 상태, 예컨대, 저전압, 고전압, 주파수, 과전류, 고온 등에 따라 게이트 드라이버 및 전력변환장치를 제어한다. 이때 1차측 전력 상태 정보는 별도의 통신 회로, 예컨대, 디지털 광절연 IC을 통해 PWM 컨트롤러에 제공된다.
본 발명이 해결하려는 과제는 보조 전원으로 사용되는 플라이백 컨버터를 이용하여 구동 전원과 전력 상태 정보를 함께 컨트롤러에 제공할 수 있는 전력 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 과제는 구동 전원과 전력 상태 정보를 함께 전달하는 플라이백 컨버터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 플라이백 컨버터는 제1 및 제2 입력 전압 단자들, 제1 및 제2 출력 전압 단자들, 상호 결합된 1차 코일과 2차 코일을 갖는 변압기, 상기 제1 및 제2 입력 전압 단자들 사이에서 상기 1차 코일과 직렬로 연결되고, 소스와 드레인 사이에 출력 커패시턴스를 갖는 FET 스위치, 상기 제1 및 제2 출력 전압 단자들 사이에 연결되는 출력 커패시터, 상기 2차 코일과 상기 출력 커패시터 사이에 직렬로 연결되는 다이오드, 및 상기 FET 스위치의 상기 소스와 상기 드레인 사이에 직렬로 연결되는 변조 스위치와 변조 커패시터를 포함한다.
일 예에 따르면, 상기 플라이백 컨버터는 상기 FET 스위치의 게이트에 PWM 신호를 출력하고, 상기 변조 스위치에 데이터 신호를 출력하는 제어 회로를 더 포함할 수 있다.
다른 예에 따르면, 상기 플라이백 컨버터는 상기 2차 코일과 상기 다이오드 사이의 변조 신호 출력 단자를 더 포함할 수 있다. 상기 PWM 신호에 의해 상기 FET 스위치가 턴 오프되는 턴 오프 시간 중 일부인 불연속(discontinuous) 구간에, 상기 변조 신호 출력 단자로부터 변조 신호가 출력될 수 있다. 상기 변조 신호는 상기 데이터 신호에 따라 다른 주파수를 가질 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 변조 스위치가 턴 온될 때의 상기 변조 신호의 주파수는 상기 변조 스위치가 턴 오프될 때의 상기 변조 신호의 주파수보다 낮을 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 변조 스위치가 턴 오프될 때의 상기 변조 신호의 주파수는 상기 FET 스위치의 출력 커패시턴스에 기초하여 결정될 수 있다. 상기 변조 스위치가 턴 온될 때의 상기 변조 신호의 주파수는 상기 FET 스위치의 출력 커패시턴스와 상기 변조 커패시터의 커패시턴스의 합에 기초하여 결정될 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 데이터 신호는 상기 PWM 신호와 동기화될 수 있다. 상기 플라이백 컨버터는 상기 PWM 신호의 한 주기마다 한 비트의 데이터를 전송할 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 플라이백 컨버터는 상기 제1 및 제2 입력 전압 단자들 사이에서 상기 1차 코일과 병렬로 연결되는 스너버 회로를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 시스템은 제1 전원으로부터 수신된 제1 전력을 제2 전력으로 변환하여 출력하는 전력변환장치, 상기 전력변환장치를 제어하는 제1 컨트롤러, 상기 제1 컨트롤러에 구동 전력 및 변조 신호를 출력하는 플라이백 컨버터 회로, 및 PWM 신호 및 데이터 신호를 상기 플라이백 컨버터 회로에 출력하는 제2 컨트롤러를 포함한다. 상기 플라이백 컨버터 회로는 상호 결합된 1차 코일과 2차 코일을 갖는 변압기, 제1 및 제2 입력 전압 단자들 사이에서 상기 1차 코일과 직렬로 연결되고, 소스와 드레인 사이에 출력 커패시턴스를 갖고, 상기 PWM 신호에 의해 제어되는 FET 스위치, 상기 구동 전력을 출력하는 제1 및 제2 출력 전압 단자들 사이에 연결되는 출력 커패시터, 상기 2차 코일과 상기 출력 커패시터 사이에 직렬로 연결되는 다이오드, 상기 데이터 신호에 의해 제어되는 변조 스위치를 통해 상기 FET 스위치의 상기 소스와 상기 드레인 사이에 연결되는 변조 커패시터, 및 상기 변조 신호를 출력하는 상기 2차 코일과 상기 다이오드 사이의 변조 신호 출력 단자를 포함한다.
일 예에 따르면, 상기 PWM 신호에 의해 상기 FET 스위치가 턴 오프되는 턴 오프 시간 중 일부인 불연속(discontinuous) 구간에, 상기 변조 신호가 상기 변조 신호 출력 단자로부터 출력될 수 있다. 상기 변조 신호는 상기 데이터 신호에 따라 다른 주파수를 가질 수 있다.
다른 예에 따르면, 상기 변조 스위치가 턴 오프될 때의 상기 변조 신호의 주파수는 상기 FET 스위치의 출력 커패시턴스에 기초하여 결정될 수 있다. 상기 변조 스위치가 턴 온될 때의 상기 변조 신호의 주파수는 상기 FET 스위치의 출력 커패시턴스와 상기 변조 커패시터의 커패시턴스의 합에 기초하여 결정될 수 있다. 상기 변조 스위치가 턴 온될 때의 상기 변조 신호의 주파수는 상기 변조 스위치가 턴 오프될 때의 상기 변조 신호의 주파수보다 낮을 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 플라이백 컨버터 회로는 상기 PWM 신호의 한 주기마다 상기 변조 신호를 통해 한 비트의 데이터를 상기 제1 컨트롤러에 전송할 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 전력 시스템은 상기 제1 전원의 상기 제1 전력의 적어도 하나의 물리량을 측정하는 센서를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 컨트롤러는 상기 PWM 신호를 상기 플라이백 컨버터 회로의 상기 FET 스위치에 출력하는 컨버터 컨트롤러, 및 상기 센서를 통해 측정된 상기 제1 전력의 적어도 하나의 물리량을 기초로 상기 데이터 신호를 생성하는 인코더를 포함할 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 제1 컨트롤러는 상기 전력변환장치를 구동하는 게이트 드라이버, 상기 변조 신호를 수신하고 상기 변조 신호를 기초로 상기 제1 전력의 상태를 나타내는 전력 상태 데이터를 생성하는 복조기, 및 상기 전력 상태 데이터를 기초로 상기 게이트 드라이버를 제어하는 PWM 컨트롤러를 포함할 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 전력변환장치는 AC-DC 컨버터, DC-DC 컨버터, DC-AC 인버터, 및 AC-AC 인버터 중 하나이고, 상기 게이트 드라이버에 의해 제어되는 적어도 하나의 전력 스위치를 포함할 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 변조 신호는 상기 플라이백 컨버터 회로를 통해 상기 데이터 신호를 주파수 편이 변조(FSK, frequency shift keying)한 신호일 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 보조 전원으로서 전력변환장치의 구동 전원을 생성하고, 절연형 통신 장치로서 전력 상태 정보를 전달하는 플라이백 컨버터를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라이백 컨버터를 보조 전원으로 사용함으로써 전력변환장치를 제어하기 위한 컨트롤러에 전력 상태 정보를 제공할 수 있다. 전력 상태 정보를 제공하기 위해 예컨대 디지털 광절연 IC와 같은 구성을 추가하지 않아도 된다.
도 1은 일 실시예에 따른 전력 시스템의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1의 제1 컨트롤러의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 3은 제1 의 제2 컨트롤러의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 플라이백 컨버터 회로의 회로도를 예시적으로 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 플라이백 컨버터 회로의 동작 파형을 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따라 데이터 신호의 레벨에 따라 변조 스위치가 턴 온/오프 되었을 때의 변조 전압을 도시한다.
도 7은 본 발명의 인코더에 의해 생성되는 전력 상태 데이터의 일 예이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
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. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 전력 시스템의 구성을 개략적으로 도시한다. 도 2는 도 1의 제1 컨트롤러의 구성을 개략적으로 도시하고, 제3 은 제1 의 제2 컨트롤러의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 전력 시스템(100)은 전력변환장치(110), 전력변환장치(110)를 제어하는 제1 컨트롤러(120), 및 제1 컨트롤러(120)에 구동 전력을 제공하는 보조 전원(130)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 보조 전원(130)은 플라이백 컨버터 회로(140) 및 플라이백 컨버터 회로(140)를 제어하는 제2 컨트롤러(150)를 포함한다.
전력변환장치(110)는 제1 전원(10)에 연결되며, 제1 전원(10)으로부터 수신된 제1 전력을 제2 전력으로 변환하여 출력할 수 있다. 일 예에 따르면, 제1 전원(10)의 제1 전력은 교류 전력일 수 있으며, 제2 전력은 직류 전력일 수 있다. 제1 전력은 단상 교류 전력일 수도 있고, 3상 교류 전력일 수도 있다. 이때 전력변환장치(100)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 AC-DC 컨버터 또는 정류기일 수 있다. 예를 들면, 전력변환장치(100)는 스위칭 방식의 AC-DC 컨버터일 수 있다. 전력변환장치(100)는 정류 회로와 결합한 DC-DC 컨버터 회로를 포함할 수 있다.
다른 예에 따르면, 제1 전원(10)의 제1 전력은 직류 전력일 수 있으며, 제2 전력은 교류 전력일 수 있다. 제2 전력은 단상 교류 전력일 수도 있고, 3상 교류 전력일 수도 있다. 이때 전력변환장치(100)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 DC-AC 인버터일 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 제1 전원(10)의 제1 전력은 직류 전력일 수 있으며, 제2 전력은 직류 전력일 수 있다. 제1 전력과 제2 전력은 서로 다른 전압 레벨을 갖는 직류 전력일 수 있다. 이때 전력변환장치(100)는 직류 전력의 전압 레벨을 변경하는 DC-DC 컨버터일 수 있다. 예를 들면, 전력변환장치(100)는 벅 컨버터, 스텝-다운 컨버터, 부스트 컨버터, 스텝-업 컨버터, 벅-부스트 컨버터, 반전 컨버터, 플라이백 컨버터 등일 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 제1 전원(10)의 제1 전력과 제2 전력은 모두 교류 전력일 수 있다. 제1 전력과 제2 전력은 서로 다른 전압 레벨을 가질 수 있다. 제1 전력과 제2 전력은 서로 다른 주파수를 가질 수도 있다. 이때 전력변환장치(100)는 AC-AC 인버터일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전력변환장치(110)는 제1 전원(10)과 제2 전원(20) 사이에 연결되어, 제1 전원(10)으로부터 제1 전력을 수신하고, 제1 전력을 제2 전력으로 변환하여 제2 전원(20)에 공급할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 전원(10)은 교류 전압을 출력하는 교류 전원이고, 제2 전원(20)은 직류 전압을 출력하는 직류 전원인 것으로 가정하여 설명한다. 예컨대, 제1 전원(10)은 상용 교류 전원일 수 있으며, 단상 교류 전원일 수도 있고 3상 교류 전원일 수도 있다. 예컨대, 제2 전원(20)은 배터리 시스템과 같은 전력 저장 장치일 수도 있고, 전력 변환 장치(110)가 출력하는 제2 전력을 안정화하기 위한 출력 커패시터일 수도 있다.
전력변환장치(110)는 제1 전력을 제2 전력으로 변환하기 위해 외부로부터 수신되는 제어 신호에 의해 제어되는 적어도 하나의 전력 스위치 소자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 전력 스위치 소자는 바이폴라 정션 트랜지스터(BJT), 실리콘 제어 정류기(SCR), 트라이악(TRIAC), 유니정션 트랜지스터(UJT), 프로그램 가능 유니정션 트랜지스터(PUT), 접합형 전계효과 트랜지스터(JFET), 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET), 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 게이트 턴 오프 사이리스터(GTO), MOS 제어 사이리스터(MCT), 주입 강화 절연 게이트 트랜지스터(IEGT), 통합 게이트 정류 사이리스터(IGCT) 등을 포함할 수 있다.
제1 컨트롤러(120)는 전력변환장치(110)를 제어하는 장치로서, 도 2에 도시된 바와 같이 게이트 드라이버(121), PWM 컨트롤러(122), 및 복조기(123)를 포함할 수 있다.
게이트 드라이버(121)는 전력변환장치(110)를 구동하는 장치로서, 전력변환장치(110)에 포함되는 전력 스위치 소자들을 제어할 수 있다. PWM 컨트롤러(122)는 게이트 드라이버(121)를 제어하기 위한 장치로서, 게이트 드라이버(121)에 PWM 신호를 출력한다. 게이트 드라이버(121)는 PWM 신호에 응답하여 전력 스위치 소자를 제어하기 위한 게이트 구동 신호를 생성한다.
전력변환장치(110)가 높은 효율로 안정적으로 전력을 변환하기 위해, PWM 컨트롤러(122)는 제1 전원(10)의 전력 상태 정보를 기초로 PWM 신호를 제어할 수 있다. 복조기(123)는 플라이백 컨버터 회로(140)로부터 변조 신호를 수신하고, 변조 신호를 복조하여 제1 전원(10)의 상태를 나타내는 전력 상태 데이터를 생성할 수 있다. PWM 컨트롤러(122)는 복조기(123)에서 생성된 전력 상태 데이터를 이용하여 게이트 드라이버(121)를 제어할 수 있다. 예컨대, PWM 컨트롤러(122)는 복조기(123)에서 생성된 전력 상태 데이터를 이용하여 게이트 드라이버(121)에 출력하는 PWM 신호의 스위칭 주파수 및 듀티비 등을 조절할 수 있다.
보조 전원(130)은 전력변환장치(110)의 안정적인 동작을 보조하기 위한 것으로서, 제1 컨트롤러(120)에 구동 전력을 공급하고, 전력 상태 데이터를 변조한 변조 신호를 제공할 수 있다. 보조 전원(130)은 본 발명에 따른 플라이백 컨버터로서, 플라이백 컨버터 회로(140) 및 이를 제어하기 위한 제2 컨트롤러(150)를 포함한다.
플라이백 컨버터 회로(140)는 예컨대 제1 전원(10)의 제1 전력으로부터 제1 컨트롤러(120)의 구동 전력을 생성하고, 제2 컨트롤러(150)로부터 제공받은 데이터 신호를 주파수 편이 변조한 변조 신호를 생성하여 제1 컨트롤러(120)에 전달할 수 있다. 도 1에는 플라이백 컨버터 회로(140)가 제1 전원(10)의 제1 교류 전력을 수신하는 것으로 도시되어 있지만, 다른 전원으로부터 직류 전력을 수신할 수도 있다. 플라이백 컨버터 회로(140)는 전력 변환을 위한 FET 스위치(도 4의 FET)와 신호 변조를 위한 변조 스위치(SW)를 포함한다. 플라이백 컨버터 회로(140)에 대하여 도 4를 참조하여 아래에서 더욱 자세히 설명한다.
도 3을 참조하면, 제2 컨트롤러(150)는 컨버터 컨트롤러(151)와 인코더(152)를 포함한다. 컨버터 컨트롤러(151)는 플라이백 컨버터 회로(140)의 FET 스위치를 제어하기 위한 PWM 신호를 출력하고, 인코더(152)는 플라이백 컨버터 회로(140)의 변조 스위치를 제어하기 위한 데이터 신호를 출력할 수 있다.
전력 시스템(100)은 제1 전원(10)의 제1 전력의 적어도 하나의 물리량을 측정하는 센서(160)를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 센서(160)는 제1 전원(10)의 전압, 전류, 주파수, 및 역률을 측정할 수 있다. 또한, 센서(160)는 전력 변환 장치(110), 제1 컨트롤러(120) 및 보조 전원(130)의 온도를 측정할 수도 있다.
인코더(152)는 센서(160)에서 측정된 값들을 인코딩하여 데이터 신호를 생성할 수 있다. 인코더(152)는 미리 설정된 프로토콜에 따라 센서(160)에서 측정된 값들을 배치하여, 제1 컨트롤러(120)에 제공할 전력 상태 데이터 패킷을 생성할 수 있다. 인코더(152)에서 생성된 전력 상태 데이터 패킷은 도 7에 예시적으로 도시된다.
도 7을 참조하면, 전력 상태 데이터 패킷은 미리 설정된 프리앰블, 단상 교류 전압, 단상 교류 전류, 교류 역률, 부품 온도 및 오류정정코드(CRC)를 포함할 수 있다. 도 7의 예에서, 단상 교류 전압, 단상 교류 전류, 및 교류 역률은 제1 전원(10)에서 전력변환장치(110)로 전달되는 교류 전력에 대한 것으로서, 각각 221V, 15A, 0.96일 수 있다. 부품 온도는 전력변환장치(110)의 온도로서, 56도일 수 있다.
인코더(152)는 센서로부터 위의 수치들을 수신하고, 미리 설정된 프로토콜에 따라 도 7에 도시된 바와 같은 전력 상태 데이터 패킷을 인코딩할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 컨버터 컨트롤러(151)와 인버터(152)는 서로 동기화될 수 있다. 컨버터 컨트롤러(151)에서 출력되는 PWM 신호와 인버터(152)에서 출력되는 데이터 신호는 서로 동기화될 수 있다. 인버터(152)는 PWM 신호의 한 주기마다 데이터 신호를 통해 한 비트의 데이터를 출력할 수 있다. 예컨대, PWM 신호의 주파수가 24kHz인 경우, 인버터(152)는 최대 24kbit, 즉 3kbyte의 데이터를 전송할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 플라이백 컨버터 회로의 회로도를 예시적으로 도시한다.
도 4를 참조하면, 플라이백 컨버터 회로(140)는 제1 및 제2 입력 전압 단자들(Tin1, Tin2)과 제1 및 제2 출력 전압 단자들(Tout1, Tout2)을 포함한다.
일 예에 따르면, 제1 및 제2 입력 전압 단자들(Tin1, Tin2)은 도 4에 도시된 바와 같이, 4개의 다이오드(BR1, BR2, BR3, BR4)로 구성되는 풀 브릿지 회로를 통해 제1 전원(10)에 연결될 수 있다. 제1 및 제2 입력 전압 단자들(Tin1, Tin2) 사이에는 입력 커패시터(Cin)가 연결되며, 직류 입력 전압(Vin)이 인가된다.
다른 예에 따르면, 제1 및 제2 입력 전압 단자들(Tin1, Tin2) 사이에는 직류 전원이 직접 연결될 수도 있으며, 풀 브릿지 회로 대신에 하프 브릿지 회로 또는 다른 정류 회로가 연결될 수 있다.
제1 및 제2 출력 전압 단자들(Tout1, Tout2)은 제1 컨트롤러(120)에 출력 전압(Vo)을 출력하며, 제1 컨트롤러(120)는 출력 전압(Vo)을 이용하여 구동할 수 있다. 출력 전압(Vo)은 제1 컨트롤러(120)의 구동 전압으로 지칭될 수 있다.
플라이백 컨버터 회로(140)는 1차 코일(L1)과 2차 코일(L2)을 갖는 변압기를 포함한다. 제1 코일(L1)과 제2 코일(L2)은 도 4에 도시된 바와 같이 상호 결합될 수 있다. 제1 코일(L1)의 권선수는 Np이고, 제2 코일(L2)의 권선수는 Ns라고 가정한다.
플라이백 컨버터 회로(140)는 제1 및 제2 입력 전압 단자들(Tin1, Tin2) 사이에서 1차 코일(L1)과 직렬로 연결되는 FET 스위치(FET)를 포함한다. FET 스위치(FET)는 소스와 드레인 사이에 출력 커패시턴스(Coss)를 가질 수 있다. 출력 커패시턴스(Coss)는 FET 스위치(FET)의 드레인과 소스 간 커패시턴스(Cds)와 게이트와 드레인 간 커패시턴스(Cgs)를 합산한 커패시턴스로서, 출력 측의 전체 커패시턴스이다. 출력 커패시턴스(Coss)로 인해, FET 스위치(FET)가 오프되더라도 출력에 출력 커패시턴스(Coss)에서 기인한 전류가 흘러, 출력이 완전히 오프될 때까지 시간이 필요하게 된다.
1차 코일(L1)과 FET 스위치(FET) 사이의 노드의 전압을 스위치 전압(Vs)이라 하고, FET 스위치(FET)를 통해 흐르는 전류를 제1 전류(I1)라 한다.
본 발명에 따르면, 플라이백 컨버터 회로(140)는 FET 스위치(FET)의 소스와 드레인 사이에 직렬로 연결되는 변조 스위치(SW)와 변조 커패시터(Cm)를 포함한다.
FET 스위치(FET)는 게이트에 인가되는 PWM 신호(Sp)에 의해 제어되고, 변조 스위치(SW)는 데이터 신호(Sd)에 의해 제어될 수 있다. PWM 신호(Sp)와 데이터 신호(Sd)는 제2 컨트롤러(도 1의 150)에 의해 제공되며, 제2 컨트롤러(150)는 제어 회로로 지칭될 있다.
FET 스위치(FET)는 PWM 신호(Sp)가 하이 레벨일 때 턴 온되고, 로우 레벨일 때 턴 오프될 수 있다. 변조 스위치(SW)도 데이터 신호(Sd)가 하이 레벨일 때 턴 온되고, 로우 레벨일 때 턴 오프될 수 있다. 물론 이와 반대로 변조 스위치(SW)는 데이터 신호(Sd)가 하이 레벨일 때 턴 오프되고, 로우 레벨일 때 턴 온될 수 있다. 또한, 전송할 데이터 비트(bit)의 값이 "1"일 때 하이 레벨의 데이터 신호(Sd)에 의해 변조 스위치(SW)가 턴 온되고, 전송할 데이터 비트(bit)의 값이 "0"일 때 로우 레벨의 데이터 신혼에 의해 변조 스위치(SW)가 턴 오프될 수 있다.
플라이백 컨버터 회로(140)는 제1 및 제2 출력 전압 단자들(Tout1, Tout2) 사이에 연결되는 출력 커패시터(Cout)를 포함한다. 출력 커패시터(Cout)는 플라이백 컨버터 회로(140)가 안정적인 직류 전압을 출력할 수 있도록 한다.
플라이백 컨버터 회로(140)는 2차 코일(L2)과 출력 커패시터(Cout) 사이에 직렬로 연결되는 다이오드(D)를 포함한다. 다이오드(D)는 FET 스위치(FET)가 턴 온될 때 1차 코일(L1)로부터 유도된 2차 코일(L2)을 통해 시계 반대 방향으로 전류가 흐르는 것을 방지한다. 다이오드(D)를 통해 흐르는 전류를 제2 전류(I2)라 한다.
플라이백 컨버터 회로(140)는 2차 코일(L2)과 다이오드(D) 사이의 변조 신호 출력 단자(Tm)를 포함할 수 있다. PWM 신호(Sp)에 의해 FET 스위치(FET)가 턴 오프되는 턴 오프 시간(도 5의 Toff) 중 일부인 불연속(discontinuous) 구간(도 5의 Tdt)에 변조 신호 출력 단자(Tm)로부터 변조 신호(Sm)가 출력될 수 있다. 변조 신호(Sm)는 데이터 신호(Sd)에 따라 다른 주파수를 가질 수 있다. 변조 신호(Sm)는 데이터 신호(Sd)를 주파수 편이 변조(FSK, frequency shift keying)한 신호일 수 있다.
본 명세서에서 변조 전압(Vm)은 변조 신호 출력 단자(Tm)의 전압을 의미하고, 변조 신호(Sm)는 변조 전압(Vm) 중에서 불연속 구간(Tdt)에 해당하는 일부를 의미할 수 있다.
예컨대, 전송할 데이터 비트(bit)의 값이 "1"이어서 변조 스위치(SW)가 턴 온되면, 낮은 주파수의 변조 신호(Sm)가 변조 신호 출력 단자(Tm)로부터 출력되고, 전송할 데이터 비트(bit)의 값이 "0"이어서 변조 스위치(SW)가 턴 오프되면, 높은 주파수의 변조 신호(Sm)가 변조 신호 출력 단자(Tm)로부터 출력될 수 있다.
데이터 신호(Sd)는 PWM 신호(Sp)와 동기화될 수 있다. 데이터 신호(Sd)는 PWM 신호(Sp)가 턴 오프 구간(Toff)일 때 출력될 수 있다. 데이터 신호(Sd)는 PWM 신호(Sp)가 불연속 구간(Tdt) 동안 출력될 수 있다. 데이터 신호(Sd)와 PWM 신호(Sp)가 서로 동기화되는 경우, 플라이백 컨버터 회로(140)는 PWM 신호(Sp)의 한 주기마다 한 비트의 데이터를 전송할 수 있다.
플라이백 컨버터 회로(140)는 제1 및 제2 입력 전압 단자들(Tin1, Tin2) 사이에서 1차 코일(L1)과 병렬로 연결되는 스너버 회로를 더 포함할 수 있다. 스너버 회로는 인덕턴스 부하를 릴레이 또는 반도체 스위칭 소자(트랜지스터, FET, 싸이리스터 등)로 온/오프시킬 때 발생하는 과도 전압을 억제시키기 위한 회로이다.
일 예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 스너버 회로는 제1 코일(L1)과 병렬로 연결되는 스너버 다이오드(Ds), 스너버 커패시터(Cs) 및 스너버 저항(Rs)를 포함할 수 있다. 스너버 커패시터(Cs) 및 스너버 저항(Rs)는 서로 병렬로 연결되고, 스너버 다이오드(Ds)는 서로 병렬로 연결된 스너버 커패시터(Cs) 및 스너버 저항(Rs)와 직렬로 연결될 수 있다.
아래에서는 도 5를 참조로 플라이백 컨버터 회로(140)의 동작을 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 플라이백 컨버터 회로(140)의 동작 파형을 도시한다.
도 4와 함께 도 5를 참조하면, PWM 신호(Sp)는 1주기(Ts) 동안 미리 설정된 듀티비에 따라 턴 온 구간(Ton)과 턴 오프 구간(Toff)을 갖는다. 듀티비는 1주기(Ts)에 대한 턴 온 구간(Ton)의 비율(Ton/Ts)이다. 듀티비는 50% 이하일 수 있다.
턴 온 구간(Ton)에 FET 스위치(FET)가 턴 온된다. FET 스위치(FET) 양단의 스위치 전압(Vs)은 0이고, 1차 코일(L1)과 FET 스위치(FET)를 통해 제1 전류(I1)가 선형적으로 증가한다. 1차 코일(L1)의 양단에는 Vin의 전압이 인가되고, 변압기에 의해 2차 코일(L2)의 양단에는 -Vin(Ns/Np)이 유도된다. Np는 1차 코일(L1)의 권선수이고, Ns는 2차 코일(L2)의 권선수이다. 즉, 2차 코일(L2)과 다이오드(D) 사이의 변조 신호 출력 단자(Tm)에는 -Vin(Ns/Np)의 변조 전압(Vm)이 나타난다. 변압기에 의해 2차 코일(L2)에는 전류가 다이오드(D)의 역방향으로 유도되므로, 다이오드(D)에 의해 제2 전류(I2)가 흐르지 않는다.
턴 오프 구간(Toff)에 FET 스위치(FET)가 턴 오프된다. 1차 코일(L1)에 저장된 에너지는 FET 스위치(FET)를 통해 방출될 수 없기 때문에, 주로 2차 코일(L2)을 통해 방출된다. 2차 코일(L2)과 다이오드(D)를 통해 흐르는 제2 전류(I2)는 선형적으로 감소한다. 이때, 2차 코일(L2) 양단에는 Vo의 전압이 유도되고, 변압기에 의해 1차 코일(L1)에는 Vo(Np/Ns)의 전압이 유도된다. 스위치 전압(Vs)은 Vin+Vo(Np/Ns)이 된다.
제2 전류(I2)가 0으로 감소되면, 불연속 구간(Tdf)가 시작된다. 불연속 구간(Tdf)에는 제1 전류(I1)와 제2 전류(I2)는 실질적으로 0을 유지한다. 그러나, 턴 오프된 FET 스위치(FET)의 출력 커패시턴스(Coss)에 저장된 에너지, 또는 이와 더불어 변조 커패시터(Cm)에 저장된 에너지가 1차 코일(L1) 사이에서 공진하게 된다. 그에 따라 스위치 전압(Vs)과 변조 전압(Vm)은 일정한 주파수로 공진하는 파형으로 나타난다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따라 데이터 신호의 레벨에 따라 변조 스위치가 턴 온/오프 되었을 때의 변조 전압을 도시한다.
도 6a를 참조하면, 변조 스위치(SW)가 턴 온 된 경우, 변조 전압(Vm)은 불연속 구간(Tdt)에 제1 주기(Ta)로 공진한다. 제1 주기(Ta)는 1차 코일(L1)의 인덕턴스, FET 스위치(FET)의 출력 커패시턴스(Coss) 및 변조 커패시터(Cm)의 변조 커패시턴스에 의해 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들면, 제1 주기(Ta)는 Ta=2π(L1×(Coss+Cm))1/2에 따라 결정될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 변조 스위치(SW)가 턴 오프 된 경우, 변조 커패시터(Cm)는 FET 스위치(FET)로부터 분리되며, 변조 전압(Vm)은 불연속 구간(Tdt)에 제2 주기(Tb)로 공진한다. 제2 주기(Tb)는 1차 코일(L1)의 인덕턴스와 FET 스위치(FET)의 출력 커패시턴스(Coss)에 의해 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들면, 제2 주기(Tb)는 Ta=2π(L1×Coss)1/2에 따라 결정될 수 있다.
변조 스위치(SW)가 턴 온 된 경우의 변조 신호(Sm)의 주파수(1/Ta)는 변조 스위치(SW)가 턴 오프 된 경우의 변조 신호(Sm)의 주파수(1/Tb)보다 낮다.
도 2에 도시된 제1 컨트롤러(120)의 복조기(123)는 변조 전압 출력 단자(Tm)에 연결되어 변조 전압(Vm)을 수신할 수 있다. 복조기(123)는 라이징 엣지 검출회로를 포함할 수 있다. 복조기(123)는 변조 전압(Vm)의 라이징 엣지를 검출함으로써, 턴 오프 구간(Toff)의 시작을 검출할 수 있다. 복조기(123)는 라이징 엣지 타이밍으로부터 미리 설정된 시간을 지연하기 위한 지연 회로를 포함할 수 있다. 지연 시간은 턴 오프 구간(Toff)을 시작한 후 불연속 구간(Tdf)이 시작할 때까지의 시간이다. 이러한 지연 시간은 듀티비, 변압기의 권선수비 등에 기초하여 미리 설정될 수 있다. 복조기(123)는 불연속 구간(Tdf)에 변조 전압(Vm)의 제로 크로싱을 검출할 수 있다. 복조기(123)는 변조 전압(Vm)의 제로 크로싱 간격을 결정함으로써, 불연속 구간(Tdf)의 변조 전압(Vm)의 주기 또는 주파수를 결정할 수 있다. 복조기(123)는 불연속 구간(Tdf)의 변조 전압(Vm)의 주기 또는 주파수를 미리 설정된 주기 또는 주파수와 비교함으로써, 플라이백 컨버터 회로(130)를 통해 전달된 데이터의 비트 값을 복조할 수 있다.
도 7은 본 발명의 인코더에 의해 생성되는 전력 상태 데이터의 일 예이다.
도 1과 함께 도 7을 참조하면, 센서(160)는 제1 전원(10)의 교류 전압, 교류 전류, 및 역률을 감지할 수 있다. 또한, 센서(160)는 전력변환장치(110)의 부품 온도를 감지할 수 있다. 일 예에 따라, 교류 전압, 전류 및 역률는 각각 221V, 15A, 및 0.96이고, 부품 온도는 56도인 것으로 가정한다.
도 3의 인코더(152)는 미리 설정된 프로토콜에 따라 프리앰블(170, 85, 170, 85)에 대응하는 이진수(즉, 10101010 01010101 10101010 010101), 교류 전압(221V), 교류 전류(15A) 및 역률(0.96), 부품 온도(56도)에 대응하는 이진수(11011101 00001111 01100000 00111000), 및 미리 설정된 방식에 따른 오류정정부호(00110101 00101110)을 포함하는 전력 상태 데이터를 준비할 수 있다.
인코더(152)는 PWM 신호(Sp)의 주기(Ts)마다 전력 상태 데이터의 한 비트 값에 대응하는 데이터 신호를 생성하여 플라이백 컨버터 회로(130)의 변조 스위치(SW)에 출력할 수 있다.
플라이백 컨버터 회로(130)는 데이터 신호(Sd)를 주파수 편이 변조한 변조 신호(Sm)를 생성하여, 제1 컨트롤러(120)에 출력한다. 제1 컨트롤러(120)는 변조 신호(Sm)들을 수집하여 전술한 전력 상태 데이터를 복조하고, 전력 상태 데이터에 기초하여 전력변환장치(110)를 제어할 수 있다.
따라서, 전력 상태 데이터를 제1 컨트롤러(120)에 제공하기 위한 별도의 통신 소자가 요구되지 않는다. 본 발명에 따른 플라이백 컨버터 회로(130)를 이용하여 제1 컨트롤러(120)에 구동 전원을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 안정적인 제어에 필요한 다양한 전력 정보들을 절연을 유지한 상태로 제공할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면들에 도시된 다양한 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 제1 및 제2 입력 전압 단자들;
    제1 및 제2 출력 전압 단자들;
    상호 결합된 1차 코일과 2차 코일을 갖는 변압기;
    상기 제1 및 제2 입력 전압 단자들 사이에서 상기 1차 코일과 직렬로 연결되고, 소스와 드레인 사이에 출력 커패시턴스를 갖는 FET 스위치;
    상기 제1 및 제2 출력 전압 단자들 사이에 연결되는 출력 커패시터;
    상기 2차 코일과 상기 출력 커패시터 사이에 직렬로 연결되는 다이오드; 및
    상기 FET 스위치의 상기 소스와 상기 드레인 사이에 직렬로 연결되는 변조 스위치와 변조 커패시터를 포함하는 플라이백 컨버터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 FET 스위치의 게이트에 PWM 신호를 출력하고, 상기 변조 스위치에 데이터 신호를 출력하는 제어 회로를 더 포함하는 플라이백 컨버터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 2차 코일과 상기 다이오드 사이의 변조 신호 출력 단자를 더 포함하고,
    상기 PWM 신호에 의해 상기 FET 스위치가 턴 오프되는 턴 오프 시간 중 일부인 불연속(discontinuous) 구간에, 상기 변조 신호 출력 단자로부터 변조 신호가 출력되고,
    상기 변조 신호는 상기 데이터 신호에 따라 다른 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 플라이백 컨버터.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 변조 스위치가 턴 온될 때의 상기 변조 신호의 주파수는 상기 변조 스위치가 턴 오프될 때의 상기 변조 신호의 주파수보다 낮은 것을 특징으로 하는 플라이백 컨버터.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 변조 스위치가 턴 오프될 때의 상기 변조 신호의 주파수는 상기 FET 스위치의 출력 커패시턴스에 기초하여 결정되고,
    상기 변조 스위치가 턴 온될 때의 상기 변조 신호의 주파수는 상기 FET 스위치의 출력 커패시턴스와 상기 변조 커패시터의 커패시턴스의 합에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 플라이백 컨버터.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 데이터 신호는 상기 PWM 신호와 동기화되고,
    상기 플라이백 컨버터는 상기 PWM 신호의 한 주기마다 한 비트의 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 플라이백 컨버터.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 입력 전압 단자들 사이에서 상기 1차 코일과 병렬로 연결되는 스너버 회로를 더 포함하는 플라이백 컨버터.
  8. 제1 전원으로부터 수신된 제1 전력을 제2 전력으로 변환하여 출력하는 전력변환장치;
    상기 전력변환장치를 제어하는 제1 컨트롤러;
    상기 제1 컨트롤러에 구동 전력 및 변조 신호를 출력하는 플라이백 컨버터 회로; 및
    PWM 신호 및 데이터 신호를 상기 플라이백 컨버터 회로에 출력하는 제2 컨트롤러를 포함하고,
    상기 플라이백 컨버터 회로는,
    상호 결합된 1차 코일과 2차 코일을 갖는 변압기;
    제1 및 제2 입력 전압 단자들 사이에서 상기 1차 코일과 직렬로 연결되고, 소스와 드레인 사이에 출력 커패시턴스를 갖고, 상기 PWM 신호에 의해 제어되는 FET 스위치;
    상기 구동 전력을 출력하는 제1 및 제2 출력 전압 단자들 사이에 연결되는 출력 커패시터;
    상기 2차 코일과 상기 출력 커패시터 사이에 직렬로 연결되는 다이오드;
    상기 데이터 신호에 의해 제어되는 변조 스위치를 통해 상기 FET 스위치의 상기 소스와 상기 드레인 사이에 연결되는 변조 커패시터; 및
    상기 변조 신호를 출력하는 상기 2차 코일과 상기 다이오드 사이의 변조 신호 출력 단자를 포함하는 전력 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 PWM 신호에 의해 상기 FET 스위치가 턴 오프되는 턴 오프 시간 중 일부인 불연속(discontinuous) 구간에, 상기 변조 신호가 상기 변조 신호 출력 단자로부터 출력되고,
    상기 변조 신호는 상기 데이터 신호에 따라 다른 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 변조 스위치가 턴 오프될 때의 상기 변조 신호의 주파수는 상기 FET 스위치의 출력 커패시턴스에 기초하여 결정되고,
    상기 변조 스위치가 턴 온될 때의 상기 변조 신호의 주파수는 상기 FET 스위치의 출력 커패시턴스와 상기 변조 커패시터의 커패시턴스의 합에 기초하여 결정되고,
    상기 변조 스위치가 턴 온될 때의 상기 변조 신호의 주파수는 상기 변조 스위치가 턴 오프될 때의 상기 변조 신호의 주파수보다 낮은 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 플라이백 컨버터 회로는 상기 PWM 신호의 한 주기마다 상기 변조 신호를 통해 한 비트의 데이터를 상기 제1 컨트롤러에 전송하는 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 전원의 상기 제1 전력의 적어도 하나의 물리량을 측정하는 센서를 더 포함하고,
    상기 제2 컨트롤러는,
    상기 PWM 신호를 상기 플라이백 컨버터 회로의 상기 FET 스위치에 출력하는 컨버터 컨트롤러; 및
    상기 센서를 통해 측정된 상기 제1 전력의 적어도 하나의 물리량을 기초로 상기 데이터 신호를 생성하는 인코더를 포함하는 전력 시스템.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 컨트롤러는,
    상기 전력변환장치를 구동하는 게이트 드라이버;
    상기 변조 신호를 수신하고 상기 변조 신호를 기초로 상기 제1 전력의 상태를 나타내는 전력 상태 데이터를 생성하는 복조기; 및
    상기 전력 상태 데이터를 기초로 상기 게이트 드라이버를 제어하는 PWM 컨트롤러를 포함하는 전력 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 전력변환장치는 AC-DC 컨버터, DC-DC 컨버터, DC-AC 인버터, 및 AC-AC 인버터 중 하나이고, 상기 게이트 드라이버에 의해 제어되는 적어도 하나의 전력 스위치를 포함하는 전력 시스템.
  15. 청구항 8에 있어서,
    상기 변조 신호는 상기 플라이백 컨버터 회로를 통해 상기 데이터 신호를 주파수 편이 변조(FSK, frequency shift keying)한 신호인 전력 시스템.
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